特种功能材料 功能材料概论
功能材料第一章功能材料概论PPT
焊接加工
通过熔融连接将两个材料连接在一起，适用于金 属材料的连接。
表面处理技术
表面涂层技术
通过涂覆一层或多层涂层来改变 材料表面的性质，以提高耐腐蚀 、抗氧化、耐磨等性能。
表面改性技术
通过物理或化学手段改变材料表 面的化学成分、晶体结构和表面 形貌等性质，以提高表面硬度、 降低摩擦系数等性能。
04
环保化
随着环保意识的提高，功能材料的生产和使用需要更加注 重环保，如使用可再生资源、降低能耗和排放等。
智能化
功能材料正朝着智能化方向发展，如智能材料、自适应材 料等，这些材料能够根据环境变化做出响应，具有很高的 应用价值。
复合化
多种材料的复合使用已成为一种趋势，通过不同材料的组 合，可以获得单一材料无法达到的综合性能。
未来发展方向
01
新材料研发
不断探索和研发新的功能材料，提 高其性能和应用范围。
环保化发展
注重功能材料的环保性能，推动其 可持续发展。
03
02
智能化发展
加强功能材料的智能化研究，开发 更多具有智能响应的材料。
复合化发展
加强多种材料的复合研究，获得更 多具有综合性能的材料。
04
THANKS
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环保领域
总结词
功能材料在环保领域的应用主要涉及空气净化、水处理、土 壤修复等方面。
详细描述
功能材料如吸附剂、催化剂、光催化剂等，能够有效降低污 染物排放和提高环境质量，对于解决全球环境问题具有重要 意义。
05
功能材料的发展趋势与挑战
发展趋势
高性能化
随着科技的不断进步，对功能材料的性能要求也越来越高 ，如更高的强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性等。
特种功能材料
特种功能材料特种功能材料是指通过对材料进行改性和加工等手段，使其具备特殊的功能和性能的材料。
这类材料具有广泛的应用领域和潜在的经济效益。
下面将介绍一些常见的特种功能材料和其应用。
一、磁性材料磁性材料是具有磁性的材料，常见的磁性材料有永磁材料、磁性合金和软磁材料等。
永磁材料可广泛应用于电机、声学、电子等领域，如用于制造电机、传感器和磁存储器等；磁性合金可用于制造变压器和电磁线圈；软磁材料可用于制造变压器、电感器和传感器等。
二、电子功能材料电子功能材料主要包括导电材料和绝缘材料。
导电材料可以将电能导入或传出某一部件，广泛应用于电子器件、电池和发电设备等，如金属、半导体和导电聚合物等。
绝缘材料可以阻隔电流，在电子器件中常用于绝缘保护和电介质应用。
三、光电材料光电材料是指能够吸收光能并将其转换为电能的材料，广泛应用于光电子、光伏和光学等领域。
光电材料具有快速响应、高灵敏度和稳定性好等特点。
常见的光电材料有太阳能电池材料、光电导材料和光纤材料等。
四、热电材料热电材料是指能够将热能转化为电能的材料，广泛应用于能源领域。
热电材料具有高热电效应、长寿命和稳定性好等特点。
常见的热电材料有铜铟镓硒、硅锗和硫化柱英等。
五、阻尼材料阻尼材料是指能够吸收机械振动和减缓能量传递的材料，广泛应用于结构、航空和交通等领域。
阻尼材料能够减小结构的振动幅度，提高结构的稳定性和安全性。
常见的阻尼材料有聚合物阻尼材料、金属阻尼材料和纳米阻尼材料等。
总之，特种功能材料具有丰富的种类和广泛的应用领域，可以满足不同领域的需求。
随着科技的不断发展，特种功能材料的研究和应用将不断拓展，为人们的生活和产业带来更多的便利和创新。
功能材料概论知识点总结
功能材料概论知识点总结一、功能材料的概念功能材料是指那些具有特殊功能和性能的材料，可以通过改变其组成、结构或制备工艺来实现特定的功能要求。
功能材料具有响应外部环境、传感检测、转换能量、存储信息等多种功能，广泛应用于各种工程和应用中。
功能材料的研究和开发，对于推动科学技术的发展和提升生活质量具有重要意义。
二、功能材料的分类功能材料可以根据其功能和性能特点进行分类，常见的功能材料包括以下几类：1. 传感材料：具有对物理、化学或生物信号进行感知和检测的能力，用于传感器和检测技术领域。
2. 光电材料：具有光电转换和传输性能的材料，用于光伏发电、光电器件和光通信等领域。
3. 催化材料：具有催化反应活性和选择性的材料，用于化学反应、环保和能源转化等领域。
4. 能源材料：具有储能、转换和传输能量的特性，用于电池、超级电容器和储能设备等领域。
5. 智能材料：具有响应外部刺激和调控性能的材料，用于智能传感、致动器和智能结构等领域。
6. 生物材料：具有与生物体相容性和生物活性的材料，用于医用材料、生物医学和组织工程等领域。
以上是功能材料按照其功能和应用特点进行的大致分类，不同的功能材料类别具有不同的特性和应用领域，有助于满足特定的工程需求和应用要求。
三、功能材料的特点功能材料具有以下几个特点：1. 多功能性：功能材料可以同时具有多种功能和性能，如传感、光电、催化和能源等功能，具有多种应用潜力。
2. 高性能：功能材料往往具有优异的性能指标，如高灵敏度、高效率、高稳定性和高可靠性，能够满足工程需求和应用要求。
3. 可调控性：功能材料的组成、结构和性能可以通过调控技术进行设计和调整，实现特定功能和性能的要求。
4. 多学科交叉：功能材料的研究和开发涉及物理、化学、材料、电子、生物等多个学科领域的交叉，需要综合利用各种学科知识和技术手段。
5. 应用前景：功能材料在电子、能源、信息、医疗、环境等领域具有广阔的应用前景，可以推动相关产业的发展和进步。
功能材料概论5(储氢材料)
线。
横轴表示固相中的氢 原子H和金属原子M 的比(H/M)，纵轴是 氢压。
p3
温度 T3 > T2 > T1 T3 T2 D
p3
p2
pH2 p2
p1
T1 C p1 B n2 n1 A 对应一个M原子的氢原子数/n 金属--氢系理想的p- c- T图
温度T1的等温曲线中p和c 的变化如下：
T1保持不动，pH2缓慢升 p3 p3 高时，氢溶解到金属中， pH2 T2 H/M应沿曲线AB增大。 p2 p2 D 固溶了氢的金属相叫做 相。 T1 C p1 p1 B n2 达到B点时， 相和氢气 n1 A 对应一个M原子的氢原子数/n 发生反应生成氢化物相， 即 相。
藻类和蓝细菌光解水；光合细菌光分解有机物；有机物发 酵制氢；光合微生物和发酵性微生物的联合运用；生物质 热解或气化制氢。
4.2.2 储氢方法
氢在常温常压下为气态，密度仅为空气的1/14。在氢能技术中，氢 的储存是最关键环节。氢气储存方法主要有五种：高压储氢、液化 储氢、有机溶剂储氢、金属氢化物储氢和吸附储氢。
储存介质 标准态H2 高压 H2 液态 H2 MgH2 LaNi5H6 TiFeH1.95 Mg2NiH4 VH2 存在状态 气态(1 atm) 气态(150 atm) 液态 固态 固态 固态 固态 固态 氢相对密度 1 150 778 1222 1148 1056 1037 1944 储氢量(wt.%) 100 100 (0.80 *a) 100 (~5.0 *b) 7.60 1.37 1.85 3.60 3.81 储氢量(g/mL) 0.00008 0.012 0.062 0.098 0.092 0.084 0.083 0.156
NaAlH4－ 7.47 wt.%
1.功能材料概论
4
一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、 一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超 材料 材料 塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材 塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材 材料 陶瓷 材料、 材料等。 超导材料 碳纤维、能量转换材料等 料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等。 新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料 新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。 已经从结构材料转向功能材料。
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2、电学功能材料 例：防静电材料 磁带、 3、磁学功能材料 例：磁带、磁盘 音响设备、 4、声学功能材料 例：音响设备、仪器 高结晶材料、 5、力学功能材料 例：高结晶材料、超高强材料 显示、 6、热学功能材料 例：显示、测量 7、化学功能材料 分离功能材料 分离膜、 ①分离功能材料 例：分离膜、离子交换树脂 反应功能材料 高分子试剂、 ②反应功能材料 例：高分子试剂、高分子催化剂 生物功能材料 固定化酶、 ③生物功能材料 例：固定化酶、生物反应器 人工肾、 8、生物医学功能材料 例：人工肾、人工心肺 9、核功能材料
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1.1.3 功能材料的分类
目前主要是根据材料的物质性、或功能性、 目前主要是根据材料的物质性、或功能性、应用性 材料的物质性 进行分类。 进行分类。 （一）根据材料的物质性进行分类 1、金属功能材料 、 2、无机非金属功能材料 、 3、有机功能材料 、 4、复合功能材料 、
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（二）根据材料的功能性进行分类 按照材料的物理化学功能进行分类： 按照材料的物理化学功能进行分类： 1.光学功能材料 按在具体应用中所发挥的效能和作用） 光学功能材料（ 1.光学功能材料（按在具体应用中所发挥的效能和作用） 磷酸二氢钾、硫化锌、 ①非线性光学材料 例：磷酸二氢钾、硫化锌、碘酸钾 ②发光材料 例：高效稀土发光材料 尖晶石、 ③红外光学材料 例：尖晶石、蓝宝石 卤化银、 ④感光材料 例：卤化银、CdS等 等 红宝石、 ⑤激光材料 例：红宝石、氟化物晶体 半导体、磁性体、 ⑥光电功能材料 例：半导体、磁性体、电介质材料 ⑦声光功能材料 例：PbMoO4、TeO2、用于制造调制器等 、 、 ⑧磁光材料 例：尖晶石铁氧体 碲合金、 ⑨光记录材料 例：碲、碲合金、稀土类合金
特种功能材料
特种功能材料特种功能材料是指具有特殊性能和功能的材料，通常用于特定的工程和科技领域。
这些材料具有独特的物理、化学和机械性能，能够满足特定的工程需求，广泛应用于航空航天、军事、能源、环保等领域。
特种功能材料的研究和应用对于推动科技进步和经济发展具有重要意义。
特种功能材料的种类繁多，包括但不限于高温合金、碳纤维复合材料、功能陶瓷、高分子材料、纳米材料等。
这些材料具有耐高温、耐腐蚀、高强度、轻质、导热、导电等特点，可以在极端环境下发挥作用，因此在航空航天领域得到广泛应用。
同时，特种功能材料还可以用于制备传感器、储能材料、光学材料等，为科技领域的发展提供了重要支撑。
在航空航天领域，特种功能材料的应用尤为突出。
例如，高温合金可以用于制造发动机涡轮叶片，具有优异的耐高温和抗氧化性能，能够满足发动机在高温高压下的工作要求。
碳纤维复合材料则可以用于制造飞机机身和机翼，具有轻质高强的特点，可以减轻飞机重量，提高燃油效率。
这些特种功能材料的应用大大提升了航空航天器的性能和可靠性。
另外，在军事领域，特种功能材料也发挥着重要作用。
高分子材料可以用于制备防弹衣和防弹头盔，提供士兵良好的防护性能。
功能陶瓷可以用于制造导弹的导引头部件，具有良好的高温耐磨性能，能够确保导弹在高速飞行过程中的稳定性。
这些特种功能材料的应用为军事装备的研发和生产提供了重要支持。
除此之外，特种功能材料还在能源、环保等领域发挥着重要作用。
例如，太阳能电池中的光伏材料、储能材料中的锂离子电池正极材料等，都属于特种功能材料的范畴。
这些材料的研究和应用有助于提高能源利用效率，减少环境污染，推动可持续发展。
总的来说，特种功能材料在科技领域的应用前景广阔，对于推动科技进步和经济发展具有重要意义。
随着科技的不断进步和发展，特种功能材料的研究和应用将会得到进一步加强，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
《功能材料概论》课件
功能材料的特性包括电、磁、热、光、化学、生物等性质，这些性质在特定的外部刺激下会发生改变， 从而实现对外部环境的响应和调控。
分类
根据功能性质，功能材料可以分为电子 功能材料、磁功能材料、热功能材料、 光学功能材料、化学功能材料和生物功 能材料等。
功能材料在水力发电、海洋能利用等领域 应用广泛，如水轮机叶片材料、海洋能转 换材料等。
生物医学领域
生物医学领域概述
功能材料在生物医学领域中具有广泛的应用前景，涉及医疗器械、生 物医用材料、药物载体等多个方向。
医疗器械领域应用
功能材料在医疗器械制造中应用广泛，如人工关节、心脏起搏器等医 疗设备材料。
根据应用领域，功能材料可以分为能源领域 功能材料、环境领域功能材料、医疗领域功 能材料、信息领域功能材料等。
根据材料的组成和结构，功能材料 可以分为金属功能材料、无机非金 属功能材料、有机功能材料和高分 子功能材料等。
02 功能材料的特性与性能
特性
物理特性
功能材料通常具有独特的物理特性，如超导性、半导性、 磁性、光学性能等。这些特性使得功能材料在特定条件下 能够表现出与众不同的性质。
化学特性
功能材料的化学特性包括稳定性、抗氧化性、耐腐蚀性等 。这些特性决定了材料在各种环境下的稳定性和使用寿命 。
生物特性
某些功能材料具有生物相容性，可以用于生物医学领域， 如人工关节、牙齿等。这些材料需要与人体组织有良好的 相容性，以减少排斥反应。
性能
力学性能
功能材料的力学性能包括硬度、 强度、韧性等。这些性能决定了 材料在受力条件下的表现，对于 材料的加工和使用具有重要意义 。
《功能材料概论》课件
固相反应法通常涉及将固体原料混合 、研磨并在高温或高压下进行反应。 该方法具有操作简单、设备成本低等 优点，但反应时间较长，且不易控制 产物成分和纯度。
化学气相沉积法
总结词
化学气相沉积法是一种利用气态化学反应在固体表面沉积功能材料的方法。
详细描述
化学气相沉积法通过将气态反应剂引入反应室，在基体表面发生化学反应并形 成固态沉积物。该方法可制备出高纯度、高致密度的功能材料，但设备成本较 高，且工艺参数较难控制。
固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池是一种高温燃料电池，其工作原理 是利用氢气、天然气或生物质等燃料和氧气反应产生电 能。固体氧化物燃料电池具有高效率和低污染等优点。
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《功能材料概论》课件
目录
• 功能材料的分类与特性 • 功能材料的制备技术 • 功能材料的性能与应用 • 功能材料的未来发展与挑战 • 案例分析：功能材料在新能源领域的应用
01 功能材料的分类与特性
金属ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能材料
金属功能材料是指具有特殊物理或化 学性能的金属材料，如导电性、超导 性、磁性、热敏性等。
磁学性能与应用
总结词
功能材料的磁学性能是指其在磁场作用下的性质和行为，包括磁导率、磁化强度、磁致伸缩等。
详细描述
磁导率是指材料对磁场的导磁能力，磁化强度是指材料在磁场作用下的磁化程度，磁致伸缩是指材料 在磁场作用下尺寸发生变化的性质。这些磁学性能在磁记录、磁流体、磁悬浮等领域有着广泛的应用 ，如硬盘、磁带、磁传感器等。
功能材料的环境友好性
总结词
随着环保意识的日益增强，功能材料的环境友好性成 为研究重点，通过降低材料的环境负荷，实现可持续 发展。
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结合键与性能
1、力学性能 弹性模量：键能越大则弹性模量越高。共价键、 离子键的弹性模量较高，金属键的弹性模量次 之，而以二次键结合材料的弹性模量较低。
并非所有含氢的分 子都存在氢键
本质上为范德瓦尔斯 键，但键能要大得多。
混合键
实际材料中往往具有多种键的混合，并不是单一 的键，而是各种键的混合共存。化合物中离子键 的比例取决于组成元素的电负性，电负性相差越 大则离子键比例越高。
鲍林公式
离子键所占比例（%）= [1－exp(-1/4(XA-XB)2)]×100%
塑性：以金属键结合的材料具有良好的塑性，而 以共价键、离子键结合的材料则塑性较差。
▪ 8．纳米晶复合永磁材料 永磁材料基础 纳米晶永磁材料的微磁学 纳米晶永磁材料的实验研究和研究进展
料
——概论
材料发展历史及其地位
1、 材料及其重要地位
● 用来制造各种制品的物质。 ● 人类社会存在的基础。
●发展水平标志着人类社会文明和进步的程度。
一般在非金属元素之间形 成，如金刚石、SiC等。
共价键具有方向性 和饱和性。
3、金属键
金属很容易失去最外层的价电子而形 成正离子和自由电子，当许多金属结 合时，失去价电子的金属正离子常在 空间整齐排列，而自由电子则在正离 子之间自由运动，依靠这种方式结合 起来的键称金属键。
一般在金属元素之间形成，使金属具 有特殊结构和性能。
▪ 2．特种力学性功能材料 形状记忆合金，超塑性合金的工作原理，制备技术及性能特
点，跟踪特种力学功能材料的最新研究动态
▪ 3．纳米碳管 纳米碳管的各项性质特性 纳米碳管制备方法、形成机制 纳米碳管微结构表征以及性质分析技术 纳米碳管应用基础研究，研讨应用前景
▪。
各专题主要内容：
▪ 4．大块非晶合金 大块非晶合金的形成能力、制备方法 大块非晶的各种性能特点，研讨非晶合金的应用 非晶合金的晶化过程
其中 XA、XB分别为化合物组成元素 A、B的电负性数值
结合键的本质及原子间距
结合键是固体原子之间 相互吸引和相互排斥综 合作用的结果。
结合键使原子之间相互结 合而使其能量处于最低状 态。
使结合键破坏所需的最低 能量称为结合键能，结合 能越大，则结合键越稳定
结合键与性能
1、物理性能
熔点：具有一次结合键的材料熔点较二次结合键高； 以离子键、共价键结合的材料熔点较金属键高。
2、材料发展的七大阶段
① 石器时代： 公元前10万年~公元前3000年 ② 青铜器时代：公元前3000年~公元前1000年 ③ 铁器时代： 公元前1000年~公元元年 ④ 水泥时代： 公元前0年~公元1800年 ⑤ 钢时代： 公元1800年~公元1950年 ⑥ 硅时代： 公元1950年~公元1990年 ⑦ 新材料时代：公元1990年以后
特种功能 材料
1.《特种功能材料》课程性质？ 研讨型专业选修课：兴趣、主观能动性 作用、功能：拓宽思路，开拓视野
2. 《特种功能材料》与其他课程的关系 先修课程：材料科学基础、材料分析技术、固体物理 平行课程：电子信息材料学、材料物理
课程内容：
课程内容
轻元素B、C、N及其无机化合物
特种力学性功能材料
▪ 5．以GaN为代表的III~V元素的氮化物及其合金 GaN的基本性质 GaN晶体生长的原理及其制备技术 GaN晶体中的缺陷和掺杂
▪ 6．新型激光晶体材料 激光材料的基本原理 镱（Yb3+）掺杂、LD泵浦、可调谐以及上转换等特种激光晶体
各专题主要内容：
▪ 7．定向显微结构材料 定向显微结构材料的组织特点 定向显微结构材料的制备的关键技术：定向凝固、定向再结晶 定向显微结构的形成机制 定向显微结构材料的性能特点及其应用
纳米碳管
课堂
大块非晶合金
授课 以GaN为代表的III~V元素的氮化物
新型激光晶体材料
定向显微结构材料
纳米晶复合永磁材料
研讨性 根据特种功能材料最新研究动态，优
讲座
选合适主题，组织研讨讲座
讲课 2 2 2 2 2 2 2 2
8
各专题主要内容：
▪ 1．轻元素B、C、N及其无机化合物 B、C、N单质及其二元和三元化合物的结构特点 第一性原理计算对C-N、B-C-N新型化合物的理论预测 介绍C-N、B-C-N新型化合物的研究进展
金属键中自由电子不属于任何特定原 子而为所有原子所共有。
二次键
通过原子间的偶极而使分子之间结合在一起的键。
1、范德瓦尔斯键
分子间的作用 具有普遍性 键能非常小
2、氢键
氢键一般表达式： X--H----Y
X、Y=F，O，N等电负性大、半径较 小的非金属原子
与氢的特殊作用有关， 不具普遍性，有方向性
元素周期表由七 个周期、七个主 族（A）、八个 副族（B）和一 个0族所构成。
周期表中部的 ⅢB~ⅧB之间的 元素内壳层未填
满。
▪ 原子结合键
材料在凝聚态（液、固态） 下其原子之间形成的相互 作用键。
原子间只有距离十分接近 时才能形成结合键。原子 通过键紧密地结合在一起。
结合键的强弱可用键能的 大小表示，一次键的键能 较二次键大得多。
3、材料的性能与其内部结构的关系
材决 料 的定 性 能于
① 材料的种类 ② 材料成分 ③ 材料的内部结构 ④ 材料的制备与加工工艺
材 料 研究各种材料的组织结构、制备加工 科 工艺与材料性能之间相互关系的科学。 学
元素周期表及其性能的周期性变化
1、将元所有素元周素期按相表
对原子质量及电 子分布方式排列 成的表称为元素 周期表。称门捷 列夫元素周期表。
一次键
1、离子键
通过原子外层电子的转移或共享而形成
由原子通过相互得失价 电子形成正、负离子， 正、负离子的相互吸引 而形成的键。
一般在金属元素和非金属 元素之间形成，如NaCl、
MgO等。
离子键无方向性。
2、共价键
通过相邻原子间形成共 用电子的方式使每个原 子的最外层电子数都达 到稳定的八个，其形成 的键为共价键。