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功能材料的基本概念及分类ppt

作者:沙龙电游 发布日期:2020-09-20 22:52



  第一章 功能材料概述 功能材料的概念、分类及特点 功能设计的概念及方法 功能材料定义 以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料。即在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的,用于非结构目的的高技术材料。? 1965年由美国贝尔实验室的J.A. Morton博士首先提出功能材料概念。 功能材料一般可将一种物理量转换成另一种物理量,例如太阳能电池的光电转换。 功能材料定义…continue 科学技术的突飞猛进对功能材料的需求日益迫切。新的功能材料已成为新技术和新兴工业发展的关键。 例: 没有超纯石英玻璃纤维,激光-光纤通信就难以实现; 高分子反渗透薄膜应用于海水淡化,正在代替耗能大、成本高的蒸发法和离子交换法; 非晶硅光电材料,使太阳能电池具有工业应用意义。 此外,还有压电、热敏、光敏、透红外、微波、传感、电磁、换能及生物功能陶瓷、形状记忆合金、超导材料、防振合金、超塑性金属、超微粒子等等。 它们在现代科学技术领域中,有各种神奇妙用。 每一种新功能材料的诞生都标志着新技术的进步,而每一项新技术都伴随着新功能材料的突破。 功能材料的的品种繁多,目前已达十多万种,而且还以每年百分之五的增长率不断增加。 功能材料分类 功能材料种类繁多,涉及面广,有多种分类方法。 目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。 按化学组成分类 金属功能材料? 陶瓷功能材料? 有机高分子功能材料????? ? 复合功能材料 … 按应用领域分类 电工功能材料? 能源功能材料? 信息功能材料? 光学功能材料? 仪器仪表功能材料? 航空航天功能材料? 生物医学功能材料? 传感器用功能材料 … 按使用性能分类 电功能材料? 磁功能材料? 光功能材料? 热功能材料? 化学功能材料? 生物功能材料? 声功能材料? 隐形功能材料 … 功能材料的现状 近年来,功能材料迅速发展,已有几十大类,10多万种,且每年都有大量新品种问世。 现已开发的以物理功能材料最多,主要有:? 1)单功能材料,如:导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。? 2)功能转换材料,如:压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。 功能材料的现状 …continue 3)多功能材料:如防振降噪材料、三防材料(防热、防激光和防核)、电磁材料等。 4)复合和综合功能材料,如:形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。 5)新形态和新概念功能材料,如:液晶材料、梯度材料、纳米及其它非随机缺陷材料、非平衡材料等。? *化学和生物功能材料的种类较少,但其发展速度很快,其功能也更多样化。 功能材料的发展趋势 1)开发高技术所需的新型功能材料,特别是尖端领域(航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等)所需和在极端条件下(超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等)工作的高性能功能材料; 2)功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展,从低级功能向高级功能发展; 3)功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化; 功能材料的发展趋势…continue 4)功能材料和结构材料兼容,即功能材料结构化,结构材料功能化; 5)进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺; 6)完善和发展功能材料检测和评价的方法; 7)加强功能材料的应用研究,扩展功能材料的应用领域,加强推广成熟的研究成果,以形成生产力。 功能材料的特点 电功能材料 以特殊的电学性能或各种电效应作为主要性能指标的一类材料。? 半导体材料? 常规导体材料? 超导材料? 电接点(触头)材料 … 功能材料的特点…continue 按导电机理可分为:电子导电材料和离子导电材料两大类。 电子导电材料包括导体、超导体和半导体. 离子导电材料的导电机理源于离子的运动,由于离子的运动速度远小于电子的运动速度,因此其电导率较小。 功能材料的特点…continue 导体材料 电阻率随着温度升高而升高,这是导体的一个特征 分类:(1)金属材料。电导率在107~108 s/m之间; 例: 银(6.63× 107 s/m )铜(5.85× 107 s/m )铝? (3.45× 107 s/m ) (2)合金材料。电导率在105~107 S/m之间; 例: 黄铜(1.60× 107 s/m ),镍铬合金(9.30× 105s/m ) (3)无机非金属材料。电导率在105~108 s/m之间。 例: 石墨在基晶方向为2.5×106 s/m。 功能材料的特点…continue 导体材料应用 金属导体材料主要用作:电缆材料、电机材料、导电引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电池材料、开关材料、传感器材料、信息传输材料、释放静电材料和接点材料等,还可以作成各种金属填充材料和金属复合材料。?? 合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料,如铂铑-铂热电偶等。 非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体和导电填料。 功能材料的特点…continue 半导体材料 导电性能介于金属和绝缘体之间;(σ=10-7~104) 具有负的电阻温度系数。(导体具有正的电阻温度系数) 功能材料的特点…continue 半导体材料 当大量原子(N个)结合成晶体时(1019个原子大约可形成1mm3的晶体),?原来分属于N个原子的相同的价电子能级分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级。这些能级基本连成一片,称为能带。 半导体能带相关概念 带隙 : 能带之间的区域? 禁带?: 带隙不存在电子的能级? 价带?: 对应价电子能级的能带 空带 : 价带上面的能带? 导带?: 最靠近价带的空带? 满带?: 价带被电子填满 功能材料的特点…continue 半导体能带结构下面部分是价带,价带是充满电子,因此是一个满带。上面部分是导带,而导带是空的。满价带和空导带之间是禁带,其禁带宽度比较窄,一般在1ev左右。价带中的电子受能量激发后,如果激发能大于Eg,电子可以从价带跃迁到导带上,同时在价带中留下一个空的能级位置(空穴)。 导体的能带中都有末被填满的价带,在外电场的作用下,电子可由价带跃迁到导带,从而形成电流。 绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开,在常温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带,因此其电导率很低。 功能材料的特点…continue 半导体的导电机理? 半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中,跃迁电子可在导带中自由运动,传导电子的负电荷。同时,在满价带中留下空穴,空穴带正电荷,在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此,半导体的导电来源于电子和空穴的运动,电子和空穴都是半导体中导电的载流子。 功能材料的特点…continue 典型半导体材料及其应用? 按组成分类? 元素半导体? 化合物半导体? 固溶体半导体 功能材料的特点…continue 元素半导体?- 本征半导体?& 杂质半导体? 本征半导体: 高纯度、无缺陷的元素半导体。杂质浓度小于10-9? 杂质半导体: 在本征半导体中有意加入少量的杂质元素,以控制电导率,形成杂质半导体。 功能材料的特点…continue 本征半导体? 本征半导体广泛研究的元素是Si、Ge和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体,它的性质是1952年发现的。除了硅、锗、金刚石外,其余的半导体元素一般不单独使用。 因为本征半导体单位体积内载流子数目比较少,需要在高温下工作电导率才大,故应用不多。 功能材料的特点…continue 杂质半导体? 利用将杂质元素掺入纯元素中,把电子从杂质能级(带)激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上,从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。 杂质半导体本身也存在本征激发,一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低,如十亿分之一就可达到目的。 功能材料的特点…continue 杂质半导体:??n型半导体?& p型半导体? n型半导体: 掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子,又称施主型半导体? p型半导体:掺杂原子的价电子少于纯元素的价电子,又称受主型半导体 功能材料的特点…continue n型半导体(电子型,施主型) ⅣA族元素(C、Si、Ge、Sn)中掺入VA族元素(P、As、Sb、Bi)后,造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子,其导电机理是电子导电占主导,这类半导体是n型半导体。 p型半导体(空穴型,受主型) ⅣA族元素(C、Si、Ge、Sn)中掺入ⅢA族元素(如B)时,掺杂元素的价电子少于纯元素的价电子,它们的原子间生成共价键以后,还缺一个电子,而在价带其中产生空穴。以空穴导电为主,掺杂元素是电子受主,这类半导体是p型半导体。 功能材料的特点…continue 杂质半导体的能带结构? N型半导体逾量电子处于施主能级,施主能级与导带底能级之差Ed远小于禁带宽度Eg(相差近三个数量级)。因此,杂质电子比本征激发更容易激发到导带。 例如Si掺杂十亿分之一As时,其Eg为1.6×10-19 J, Ed为6.4×10-21 J。Ge掺杂十亿分之一Sb时,其Eg为1.15×10-19 J, Ed为1.6×10-21 J。 P型半导体逾量空穴处于受主能级。由于受主能级与价带顶端的能隙Ea远小于禁带宽度Eg,价带上的电子很容易激发到受主能级上,在价带形成空穴导电。 功能材料的特点…continue 化合物半导体? 二元化合物 GaAs(砷化镓)、CdS镉、SiC、GeS锗、AsSe3硒等。 三元化合物 AgGeTe2、AgAsSe2、CuCdSnTe4等(碲) 功能材料的特点…continue 固溶体半导体: 由两种或多种元素或化合物互溶而成的。 二元系固溶体半导体 Bi-Sb 三元系固溶体半导体 (碲镉汞)Hg1-xCdxTe (镓砷磷)GeAs1-xPx? 功能材料的特点…continue 功能材料的特点…continue 半导体材料的应用? 半导体材料在集成电路上的应用:最早用锗单晶制造二极管和三极管;现在发展硅器件,以硅单晶为基材的集成电路在电子器件中占主导地位。化合物半导体砷化镓做微波、超高频晶体管等; 半导体在光电子器件、微波器件和电声耦合器上的应用:发光管、激光器、光电池、光集成等; 半导体材料在传感器上的应用:半导体传感器 功能材料的特点…continue 超导材料 1911年Onnes H K在研究极低温度下金属导电性时发现,当温度降到4.2K时,汞的电阻率突然降低到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。从此,超导材料的研究引起了广泛的关注,现已发现了上千种超导材料。 概念? 超导电现象:材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。 超导体:低于某一温度出现超导电性的物质。 功能材料的特点…continue 超导体的基本特性 特性一:完全导电性(零电阻) File和Mills利用精确核磁共振方法测量超导电流产生的磁场,来研究螺线管内超导电流的衰变,得出的结论是超导电流的衰变时间不短于10万年。 功能材料的特点…continue 超导体的基本特性 特性二:完全抗磁性 处于超导状态的材料,磁感应强度B始终为零。即磁力线不能进入超导体内部。 这一现象为迈斯纳(Meissner)1933年发现,称为迈斯纳效应。 功能材料的特点…continue 超导体的基本特性 特性三:临界温度(Tc)、临界磁场(Hc)、临界电流Jc是约束超导现象的三大临界条件。? 当温度超过临界温度时,超导态就消失; 当电流超过临界电流时,超导态就消失; 当磁场超过临界磁场时,超导态就消失; 三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时,才能发生超导现象(由Tc、Hc,Jc形成的闭合曲面内为超导态)。 功能材料的特点…continue 超导体的基本特性 特性四:约瑟夫森(B D Josephson)效应 承担超导电的超导电子还可以穿越极薄绝缘体势垒 经典力学中,若两个区域被一个势垒隔开,则只有粒子具有足够的能量时,其才会从一个区域进入另一个区域。 量子力学中,粒子具有足够的能力不再是一个必要条件,一个能量不太高的粒子也可能会以一定的概率“穿过”势垒,即所谓的“隧道效应”。 功能材料的特点…continue 第一类超导体 & 第二类超导体? (按迈斯纳效应分) 第一类超导体(软超导体) 当H Hc 时,B=0(B 为磁感应强度) 当H Hc 时,B=μH 第一类超导体只有一个临界磁场,即Hc只有一个特征值。除钒、铌、钌外,元素超导体都是第一类超导体 功能材料的特点…continue 第二类超导体(硬超导体) 当H Hc1 时,B=0,处于迈斯纳状态,完全抗磁 当Hc1H Hc2 时,处于混合状态,但电阻仍为零,这时体内有磁感应线穿过,形成许多半径很小的圆柱形正常区,正常区周围是连通的超导区。 当H Hc2 时,B=μH? 钒、铌以及大多数合金或化合物超导体均属于第二类 功能材料的特点…continue 元素超导体 在低温常压下,具有超导特性的化学元素共有26种,由于临界温度太低,无太大实用价值? Nb的Tc最高,仅为9.26K? 功能材料的特点…continue 合金超导体 合金超导体是机械强度最高、应力应变较小、磁场强度低、临界电流密度高的超导体,在早期得到实际应用。 超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系,其中Ge-Nb3的临界温度最高(23.2K)。 功能材料的特点…continue 金属间化合物超导体 金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高,但此类超导体的脆性大,不易直接加工成带材或线材。 功能材料的特点…continue 陶瓷超导体 1986年发现了陶瓷超导体,使超导材料获得了更高的临界温度,如YBaCuO(Tc=90K)、TiBaCaCuO(Tc=120K)等。最大缺点为脆性大,加工困难。 高温超导材料:Tc>77K(液N温度) 功能材料的特点…continue 高分子超导体 高分子材料通常为绝缘体,但在数亿帕气压作用下也可以转变成为超导体。 如:四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲烷 目前高分子超导体的最高临界温度仅仅达到10K 功能材料的特点…continue 超导材料的应用?- 基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类。 超导强电强磁应用 - 主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。主要应用在电力方面如超导电缆、超导磁体(如超导磁悬浮列车)、巨大环形超导磁体、超导磁分离等。 功能材料的特点…continue 超导弱电弱磁的应用 基于Josephson效应为基础,建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学,发展了低温电子学。如超导量子干涉器件是一种高灵敏度的测量装置,主要功能是测量磁场。它可以在电工仪表、医学、生物、资源开发、环境保护、固体材料、地球物理等领域应用。 功能材料的特点…continue 电力输送与储存 目前有大约30%的电能损耗在输电线路上,采用超导体输电,可大大减少损耗,且省去了变压器和变电所。 使用巨大的超导线圈,经供电励磁产生磁场而储存能量。超导磁储能系统所存能量几乎可以无损耗的储存下去,其转换率可高达95%。 功能材料的特点…continue 电接点(触头)材料 电接点是建立和解除电接触的导电构件,广泛应用于电力系统、电器装置,仪器仪表、电信和电子设备。 按电负荷的大小,电接点分为:强电和弱电。 功能材料的特点…continue 强电接点材料?- 电负荷大,要求电接点材料接触电阻低、耐电蚀、耐磨损、高的耐电压强度、良好的耐电弧能力,一定的机械强度。?一般采用合金材料。 空气开关接点材料 银系合金 : Ag-CdO、 Ag-Fe、Ag-W、Ag-石墨等。 铜系合金 如:Cu-W、 Cu-石墨 真空开关接点材料 Cu-Bi-Ce、 Cu-Fe-Ni-Co-Bi、 W-Cu-Bi-Zr合金等 功能材料的特点…continue 弱电接点材料? 弱电接点电负荷及机械负荷都很小,要求接点材料有极好的导电性、极高的化学稳定性、良好的抗电火花烧损性和耐磨性。大多用贵金属合金材料。 常用的弱电接点材料有: Au系 (金) Ag系 (银) Pt系(铂) Pd系(钯) 功能材料的特点…continue 复合接点材料? 通过合理工艺将贵金属接点材料与非贵金属基体材料结合在一起. 90%以上的弱电接点采用复合接点材料。 功能材料的特点…continue 磁功能材料 磁性是物质的基本属性之一。磁性现象是与各种形式的电荷运动相关联的,由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场,因而产生磁性。一切物质都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在实际工程意义上具有较强磁性的材料。 磁性材料是电子工业的重要基础功能材料,广泛应用于计算机、电子器件、通讯、汽车和航空航天等工业领域,随着世界经济和科学技术的迅猛发展,磁性材料的需求将空前广阔。当前我国磁性材料的发展居世界之首,已经成为世界上永磁材料生产量最大的国家。 功能材料的特点…continue 基本概念? “磁”来源于电。一个环形电流在其运动中心产生的磁矩为P=is,i为电流强度,s为环形回路所包围的面积。 原子内的电子做循轨运动和自旋运动,这必然产生磁矩,产生的磁矩分别称为轨道磁矩P1和自旋磁矩Ps。? 原子核虽然也产生磁矩,但它的值比电子磁矩小三个数量级,一般情况下可忽略不计。因此,原子磁矩的产生是电子的循轨运动、电子自旋这二者组合的结果。? 功能材料的特点…continue 基本概念? 磁场强度(H):指空间某处磁场的大小,单位:安/米;? 磁化强度(M):物质的磁性来源于内部的磁矩,只有当内部磁矩同向有序排列时才对外显示强磁性。单位体积内磁矩矢量和称为M,单位:安/米;? 磁感应强度(B):物质在外磁场作用下,其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和,称为磁感应强度。B=μ0(H+M) ,μ0是一个系数,叫做真空磁导率。磁感应强度又称为磁通密度,单位是特斯拉(T) 功能材料的特点…continue 基本概念? 磁导率(μ) : μ =磁感应强度 / 磁场强度 =B/H μ是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度,或者说是材料对外部磁场的灵敏程度;? 磁化率( χ ):磁化强度与磁场强度的比值,χ = M /H。 功能材料的特点…continue 磁滞回线? 在外加磁场的作用下磁体会被磁化,磁体内部的磁感应强度B随外磁场H的变化是非线性的,当H减少为零时,B并未回到零值,出现剩磁Br。磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。左图为磁性物质的磁滞曲线; 要使剩磁消失,通常需进行反向磁化。将 B=0时的 H 值称为矫顽磁力 Hc; Br称为剩余磁感应强度, Bm称为最大磁感应强度(饱和磁感应强度)。? 功能材料的特点…continue 磁性材料的分类?: 根据滞回曲线和磁化曲线的不同,分成三类: 软磁材料 其矫顽磁力较小,磁滞回线较窄。(铁心)? 硬磁材料 其矫顽磁力较大,磁滞回线较宽。(磁铁)? 矩磁材料 其剩磁大而矫顽磁力小,磁滞回线为矩形。(记忆元件)? 功能材料的特点…continue 软磁材料?:指在外磁场作用下,很容易磁化,去掉外磁场时又很容易去磁的磁性材料。 ?特性 高的磁导率和磁感应强度; 矫顽力和磁滞损耗低;(矫顽力一般小于1kA/m) 电阻率较高,反复磁化和退磁时产生的涡流损耗小。 功能材料的特点…continue 典型软磁材料及其应用? 常用的软磁材料有:电工纯铁、硅钢片、铁铝合金、镍铁合金、铁氧体软磁材料等。 电工用纯铁?: 一种含碳量低,wFe99.95%的软钢。电工用纯铁具有高的饱和磁感应强度、高的磁导率、较小的矫顽力、良好的冷加工性能,且成本低廉。缺点是电阻小,只适用于直流情况。主要用于制造电磁铁的铁心和磁极,继电器的磁路和各种零件,电话中的振动膜等。 功能材料的特点…continue 硅钢片(硅铁合金)? 在电工用纯铁中加入0.5~4.5%的硅,形成固溶体,这种材料称为硅铁合金,或者称电工用硅钢片。 纯铁中加入硅后,材料的物理性能发生变化: 热导率的变化 - 铁的热导率在加入硅后剧烈的降低。 电阻率的变化 - 随着硅含量的增加到5%,硅铁合金的电阻率急剧上升。 相对密度d的变化 - 随着含硅量的增加,比重几乎是直线的降低。 硅铁合金属于高饱和材料,主要用于各种形的发电机、电动机和变压器中。 功能材料的特点…continue 镍铁合金? 镍铁合金主要是含镍量为34-80%的Fe-Ni合金,通常称坡莫合金。 镍铁合金有很高的起始磁导率和最大磁导率。镍铁合金广泛应用在电讯工业、仪表、电子计算机、控制系统等领域中。 功能材料的特点…continue 铁氧体? 铁氧体是氧离子和金属离子组成的尖晶石结构的氧化物,是以Fe2O3为主要成分的复相氧化物。 根据磁滞回线特征,可分为软磁、硬磁和矩磁铁氧体。 软磁铁氧体是铁氧体材料中的一种容易磁化和退磁的铁氧体。其特点是起始的磁导率高,矫顽力小,损耗小,使用频率可达高频、超高频范围。 常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体 软磁铁氧体广泛应用于录音、录像记录磁头,变压器磁心等。利用软磁铁氧体的磁导率或饱和磁感应强度在居里温度附件的激烈变化,还可以制成热敏器件等。 功能材料的特点…continue 硬磁材料? 硬磁材料是具有很强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性材料,又称永磁材料。 硬磁材料一旦经外加磁场饱和强化后,如果撤去外加磁场,在磁铁两个磁极之间的空隙便可产生恒定磁场,对外界提供有用的磁能。 硬磁材料的磁滞回线又宽又高,有较大的矫顽力(104~106A/m)。 硬磁材料抗干扰性好,对温度、振动、时间、辐射及其它因素的干扰不敏感。 功能材料的特点…continue 典型的硬磁材料主要包括铝镍钴系永磁、铁氧体永磁和稀土系永磁。 铝镍钴系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co组成,有良好的磁特性和热稳定性,剩余磁感应强度高,磁能积大,矫顽力适中,但硬而脆,难以加工,主要用铸造和粉末烧结两种方法成形。 铁氧体永磁包括钡铁氧体BaFe12O19,锶铁氧体SrFe12O19。它具有剩余磁通量小,矫顽力大,电阻率大,密度小,重量轻、温度系数大,制造工艺简单等优点,是硬磁材料中价格最低、用量最大的一类磁铁。 功能材料的特点…continue 稀土硬磁材料包括稀土钴和稀土铁系金属间化合物,为硬磁材料中性能最高的一类 其中最著名的是钕铁硼永磁合金,具有其它永磁材料所不及的高矫顽力和最大磁能积,而且体积小、重量轻、效率高、成本较低等特点。 不含战略物质Co和Ni,它能吸起相当于自重640倍的重物,而铁氧体只能吸起自重的120倍。 如一台核磁共振成像仪需用铁氧体永磁材料100t,而改用钕铁硼永磁后,仅需10t。 功能材料的特点…continue 磁致伸缩材料? 磁致伸缩效应:磁性材料在外磁场作用下,产生伸长或缩短的现象-为磁致伸缩效应。 λ?? 为磁致伸缩系数? 常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为10-8~10-6? 例: Fe 随磁场强度的增大而伸长? Ni 随磁场强度的增大而缩短 常见磁致伸缩材料? 镍?/ 铁镍?/ 铁铝?/铁钴钒?/ 铁氧体 功能材料的特点…continue 磁致伸缩材料的应用? 在磁(电) - 声换能器中的应用 声纳、超声换能器、扬声器等。 在磁(电) - 机械致动器中的应用 精密流体控制、超精密加工、超精密定位、机器人、精密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。 传感器敏感元件 利用磁致伸缩效应或逆效应可以制作检测磁场、电流、应变、位移、扭矩、压力和加速度等的传感器敏感元件。??磁致伸缩液位传感器,可实现对液位的高精度计量,其测量分辨率高于0.11 mm。 功能材料的特点…continue 功能高分子 - 指当有外部刺激时,能通过化学或物理的方法做出反应的高分子材料。即带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料,其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料的范畴。 功能高分子 - 指具有化学反应活性、催化性、光敏性、导电性、磁性、生物相容性、药理性、选择分离性,或具有转换或贮存物质、能量和信息作用等功能的高分子及其复合材料。 功能高分子是目前高分子学科中发展最快、研究最活跃的新领域之一。 功能材料的特点…continue 功能高分子材料的分类 力学功能材料 强化功能材料,如 超高强材料 高结晶材料等; 弹性功能材料,如 热塑性弹性体等。 化学功能材料 分离功能材料,如 分离膜 离子交换树脂 高分子络合物等; 反应功能材料,如 高分子催化剂 高分子试剂; 生物功能材料,如 固定化酶 生物反应器等。 功能材料的特点…continue 功能高分子材料的分类 物理化学功能材料 耐高温高分子,高分子液晶等; 电学功能材料,如导电性高分子、超导高分子,感电子性高分子等; 光学功能材料,如感光高分子、导光性高分子,光敏性高分子等; 能量转换功能材料,如压电性高分子、热电性高分子等。 生物化学功能材料 人工脏器用材料,如人工肾、人工心肺等; 高分子药物,如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等; 生物分解材料,如可降解性高分子材料等。 功能材料的特点…continue 功能高分子的发展 最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明,作为一门独立的完整的学科,功能高分子是从20世纪80年代中后期开始发展的。当时,高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。 功能高分子材料是一门涉及范围广泛,与众多学科相关的新兴边缘学科,涉及内容包括有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物化学、电子学、甚至医学等众多学科,是目前国内外异常活跃的一个研究领域。 功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的重要研究热点之一,最主要的原因在于它们具有独特的“性能”和“功能”,可用于替代其他功能材料,并提高或改进其性能,使其成为具有全新性质的功能材料。 在今后很长的历史时期中,特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。 功能材料的特点…continue 热功能材料? 随着温度的变化,有些材料的某些物理性能会发生显著变化,如热胀冷缩、出现形状记忆效应或热电效应等,这类材料称为热功能材料。 分类: (正/负)热膨胀材料 形状记忆材料 测温材料 功能材料的特点…continue (正/负)热膨胀材料? (正)热膨胀是指材料的尺度在不加外力时随温度的升高而变大的现象。 负热膨胀是指材料的尺度在不加外力时随温度的升高而变小的现象。 尺度 =长度 or 体积 ?(单晶/多晶) 材料热膨胀的本质是原子间的平均距离随温度的升高而增大或减小,是由原子的非简谐振动引起的。? 一般而言, 材料热膨胀系数的大小与其原子间的接合键强弱有关,结合键越强,则给定温度下的热膨胀系数越小,材料中陶瓷的结合键(离子键和共价键)最强,金属的(金属键)次之,高聚物的(范德华力)最弱,因此热膨胀系数依次增大。 功能材料的特点…continue 常用的膨胀材料 负膨胀材料 ‘热缩冷胀’材料。主要应用于特殊环境下的密封件. 低膨胀材料 热膨胀系数较小的材料,也叫因瓦(Invar)合金。主要应用于精密仪器、标准量具等以保证仪器精度的稳定及设备的可靠性。 定膨胀材料 在某一温度范围内具有一定膨胀系数的材料,也称可伐(Kovar)合金; 主要用于与玻璃、陶瓷等材料相封接,要求与被封接材料的膨胀系数相匹配。 热双金属材料 由膨胀系数不同的两种金属片沿层间焊合在一起的叠层复合材料; 可用作各种测量和控制仪表的传感元件。 功能材料的特点…continue 形状记忆材料? 将具有某种初始形状的制品进行变形后,通过加热等手段处理时,制品又恢复到初始形状。 包括: 形状记忆合金 形状记忆聚合物 形状记忆陶瓷。 应用? 机械工程领域? 热套? 生物医学方面? 接骨板、人工关节等? 空间技术? 压缩天线 功能材料的特点…continue 测温材料? 热电偶是应用最广的一种测温原件,它是由两种不同材料导线连接成的回路,其感温的基本原理是热电效应。 由两种不同的导体(或半导体)A、B组成闭合回路,当两接触点保持在不同的温度T1,T2时,回路中将有电流通过,此回路称为热电回路。回路中出现的电流称为热电流。回路中出现的电动势EAB称为珀尔贴电动势。 功能材料的特点…continue 其它功能材料 - 光功能材料 ? 光介质材料? 固体激光材料? 固体发光材料? 非线性光学材料? 金铁电光晶体材料? 光导纤维? 光学薄膜? … 功能材料的特点…continue 其它功能材料 -敏感材料 声敏感材料 光敏感材料 电压敏感材料 磁敏感材料 气敏感材料 热敏感材料 湿敏感材料 力敏感材料 电化学敏感材料 生物敏感材料? … 功能材料的特点…continue 其它功能材料 - 储氢材料 高T、P?时与氢作用生成氢化物以储氢? 降低T、或压力时氢化物分解放出氢 储氢合金的储氢密度高于液态氢的密度 储氢合金 镁系? 稀土系? 钛系? 功能材料的特点…continue 其它功能材料 –隐形材料 隐形材料可降低武器装备等目标的可探测信息特征,使敌方探测系统难以发现或者发现距离缩短的综合技术。 包括: 吸波涂料/吸波结构材料 透波材料 智能蒙皮材料 广泛用于:飞机、导弹、坦克、舰船等。 功能材料的特点…continue 化学功能材料? 生物功能材料? 声功能材料? … 功能材料种类很多,本课程只作选择性介绍! 功能材料设计的概念及方法 “如果没有实验学家的话,理论学家就倾向于漂浮。” “没有理论学家,实验学家倾向于摇摆不定。” --- 李政道 功能材料设计概念 功能设计 根据材料应用的特殊功能要求,设计并通过计算机模拟来调控材料的结构、性能及其间的关系,进而依据理论设计制备出具有所要求的功能的材料. Materials Design Must Bridge Basic Science to Applied Engineering。Certain designed properties serving specified application needs。 Important is to be able to control the properties。 功能材料设计 - 范畴与层次 功能设计的概念及方法 功能设计的概念及方法 功能设计的概念及方法 基本思想 Basic Structure +/- d(Structure) = New Structure 功能设计的概念及方法 任何地方加/减/取代任何原子/原子基团?新结构 任何方向任意程度的变形 ?新结构 … 功能设计的概念及方法 理论基础 - 量子力学 功能设计的概念及方法 Steps in Designing a System Develop a simulation model of the system Experiment with the model (by simulation) refinement of the model Develop a prototype and experiment with it refinement of the model Implement and test the system refinement of the model 功能设计的概念及方法 What is a Simulator A simulator is an implementation of a model (e.g., a computer program which mimics the behavior of the real world system) Simulator output is a set of measurements concerning the observable reactions, properties and performance of the system WARNING: Measurements are only ESTIMATES of what the real world system actually would be because only an abstraction of the real-world system is simulated! 功能设计的概念及方法 Why Simulation -- Typically, we simulate rather than experiment with the real world system because the system as yet does not exist experimentation with the system is too expensive too time consuming too dangerous too many choices … 功能设计的概念及方法 1989 《90年代的材料科学与工程》 现代理论和计算机的进步,使得材料科学与工程的性质正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展,将使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。 1995 《材料科学的计算与理论技术》 材料设计( materials design / materials by design )一词正在变为现实,它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长,研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初期阶段。 功能设计的概念及方法 Materials design is still more a process of discovery than design. It is principally an investigation based upon known concepts and the acquired intuition of experimentalist. The conditions for successful designs of new materials do not rely on a particular technique, a unique experimental observation, or an abstruse theory to be proven or disproven. On the contrary, materials design efforts critically depend upon amassing large volumes of experimentally determined data that permit an individual with deep insight to perceive an underlying pattern not previously apparent. Dr. Steven LeClair, US Air Force Research Laboratory 可用软件 商业软件包 Gaussian 98, 03,07(?) Molpro 2002 VASP 4.6 Material Studio: DMol3, CASTEP, Discover Crystal(?) Free: Gamess, Dalton, CPMD, DACAPO, SIESTAR Typical System Architecture Simulation systems Two simulation methods available Analytical method Numerical method (finite element method) Fit for different requirements on computational efficiency and accuracy. 功能材料的发展一日千里! 功能材料的设计任重道远! To a materials scientist or materials engineer, design can be taken in several contexts: (3) developing a process for producing a material having better properties. (1) designing new materials having unique property combinations. (2) selecting a new material having a better combination of characteristics for a specific application; choice of material cannot be made without consideration of necessary manufacturing processes (e.g., forming, welding, etc.) 原 料 材料试样 组织结构 特 性 评 价 可 否 制备 观测 测试 试用 改进 微观组织结构设计 制备方法设计 系统设计 材料设计 晶格缺陷与动力学特征 从头计算分子动力学 10-12-10-8 晶格缺陷与动力学特征 分子动力学 10-10-10-6 热力学系统 分子场近似 10-10-10-6 热力学系统 Bragg-Williams-Gorsky模型 10-10-10-6 磁性系统 Ising模型 10-10-10-6 热力学系统 集团变分法 10-10-10-6 热力学、扩散及有序化系统 Metropolis MC 10-10-10-6 典型应用 模拟方法 空间尺度/m 功能设计的概念及方法 结晶、生长、相变、织构 多态动力学波茨模型 10-9-10-5 扩散、晶界、晶粒粗化 动力学金兹堡-朗道型相场模型 10-9-10-5 塑性、微结构、位错分布 位错动力学 10-9-10-4 结晶、生长、织构、凝固 几何模型、拓扑模型、组分模型 10-7-10-2 成核、结晶、疲劳 顶点模型、拓扑网络模型、晶界动力学 10-7-10-2 断裂力学 弹簧模型 10-7-10-2 再结晶、生长、相变、流体 元胞自动机 10-10-100 典型应用 模拟方法 空间尺度/m 成核、相变、断裂、塑性 渗流模型 10-10-100 多晶体弹性 集团模型 10-8-100 弹性、塑性、晶体滑移 Tailor-Bishop-Hill模型等 10-6-100 微结构力学性质、凝固 有限元 10-6-100 宏观尺度场方程的平均解 有限元、有限差分、线 典型应用 模拟方法 空间尺度/m Basic Properties/functions… + 3 + New Properties/functions… Basic Properties/functions… New Properties/functions… 知识产权意识! * 杂质能级 杂质半导体 固溶体 化合物半导体 原子数比: 1/109 1/100 1/100 原子站位: 同位 同位 异位 *

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