功能材料概论.ppt

《功能材料概论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能材料概论.ppt（101页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1,功能金属材料,2,主要参考资料,1、现代功能材料及其应用郭卫生, 汪济奎（化学工业出版社,2002） 2、功能材料学-周馨我 (北京理工大学出版社,2002) 3、新型功能材料- 贡长生，张克立(化学工业出版社,2001) 4、新型无机材料-杨华明,宋晓岚,金胜明（化学工业出版社,2005） 5、信息和功能材料-刘先曙 马傅华 辛秀田（宇航出版社,1998 ） 6、功能材料学概论-马如璋 蒋民华 （冶金工业出版社,1999） 7. 功能金属材料- 王正品 化学工业出版社，2004年 建议教材： 功能材料学概论-马如璋 蒋民华 （冶金工业出版社,1999） 功能金属材料- 王正品 （化学工业

2、出版社，2004年）,3,第一章 电性材料 第二章 磁性材料 第三章 超导材料 第四章 膨胀材料和弹性材料 第五章 储氢合金 第六章 非晶态合金 第七章 形状记忆材料 第八章 其他功能材料,目 录,4,第一章：电性材料 金属的导电理论。金属的热电性。电学性能与微观结构之间的关系。电性材料 第二章磁性材料 磁学理论基础。金属软磁材料。金属永磁材料。磁致伸缩材料。铁氧体磁性材料 第三章超导材料 超导体的基本性质。超导材料的发展。超导材料的应用 第四章膨胀材料和弹性材料 膨胀合金。弹性合金 第五章储氢合金 储氢材料原理。储氢合金分类及开发现状。储氢材料的应用 第六章非晶态合金 原理与分类。制备方法。

3、性能与应用 第七章形状记忆材料 形状记忆效应及原理。形状记忆材料及应用。记忆合金的应用 第八章其他功能材料,功能材料授课内容,5,1986年，我国制定了高技术发展计划纲要，被评选列入的七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。,6,一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、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。,功能材料被誉为2l世纪人类文明的重要支柱,7,随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，更需

4、要用高科技的方法和手段来生产新型的、功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。,第一章 功能材料概论,8,日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。,9,近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。,10,一、功能材料的概念 功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的

5、材料。 在国外，常将这类材料称为功能材料(Functional Materials)、特种材料(Speciality Materials)或精细材料(Fine Materials)。,第一节 功能材料的概念与分类,11,功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等。 这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。,12,材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。,13,功能材料是一门新的学科，

6、目前对它进行严格的定义尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身的特点。因此可认为是传统材料的更高级的运动形式。,14,二、功能材料的分类 随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。,15,(1)力学功能 主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料、超高强材料等。,16,(2)化学功能 分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物； 反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂； 生物功能材料：如

7、固定化菌，生物反应器等。,17,（3）物理化学功能 电学功能材料：如超导体，导电高分子等； 光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等； 能量转换材料：如压电材料、光电材料。,18,(4)生物化学功能 医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等； 功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等； 生物降解材料,19,下图为材料显示功能的示意图。,第二节 功能设计的原理和方法,材料的功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。,20,功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。,

8、21,当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。 以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。,、一次功能,22,一次功能主要有下面的八种。 力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。 声功能。如隔音性、吸音性。 热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。 电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。,23,磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。 光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。 化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反

9、应、酶反应等。 其他功能。如放射特性、电磁波特性等。,24,当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。,、二次功能,25,二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。,光能与其他形式能量的转换； 电能与其他形式能量的转换； 磁能与其他形式能量的转换； 机械能与其他形式能量的转换。,26,如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。,光能与其他形式能量的转换,27,如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应

10、和电光效应等。,电能与其他形式能量的转换,28,磁能与其他形式能量的转换,如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。,29,机械能与其他形式能量的转换。,如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。,30,按材料种类分，功能材料还可分为：金属功能材料、无机非金属功能材料和有机功能材料。,31,无论哪种功能材料，其能量传递过程或者能量转换形式所涉及的微观过程都与固体物理和固体化学相联系。正是这两门基础科学为新兴学科功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到功能设计的时代。,32,所

11、谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。有人认为21世纪将逐渐实现按需设计材料。,33,材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构/成分、合成/流程、性能与效能。但考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/流程、结构、性能与效能。 根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子出发也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。,34,材料设计是一个很复杂的过程： 如材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学；有些结构敏感性质(材料的力学性质)的可变因素太多，即使一个微小缺

12、陷都会产生很大影响；表面与内部结构及性质的不一致性；复杂的环境因素等等。,35,材料设计的实现是一个长期过程，其最终应达到提出一个需求目标就可设计出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。,36,为实现材料设计，必须开展深入的基础研究，以了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；需要有大容量计算机；更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。,37,一、金属功能材料设计 金属功能材料按性能分主要包括磁性、电性、力学、热学、光学、化学、生物功能材料和特种功能材料。 金属功能材料的功能设计主要有以下两个方面。 ()寻找具有特定功能的金属材料

13、。 ()利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。,38,有些金属材料本身具有特定的功能，经过我们的开发研究，可以对这些特定的功能加以利用。例如，稀土功能材料的制备和应用。,(1)寻找具有特定功能的金属材料,39,稀土功能材料主要包括稀土永磁材料、稀土储氢材料、信息显示材料、催化材料、超磁致伸缩材料、巨磁电阻材料等，其应用遍及航天、航空、信息、电子、能源、交通、医疗卫生等13个领域的40多个行业。,40,我国稀土资源非常丰富，其工业储量约占世界已探明总储量6200万t的80。将我国的稀土资源优势变为产业优势和经济优势，使它的研究开发既能形成一批新型高新技术产业，又能辐射、带动传统产业的技

14、术进步。,41,因此，发展稀土功能材料对我国来讲具有重要的战略意义和现实意义。 利用类似这种具有特殊功能的金属材料，是金属功能材料开发的一个方面。,42,合金的迅速发展，给金属功能材料的发展提供了广泛的空间。随着各种合金的开发，各种各样的金属功能材料被开发出来，如纳米材料，大块非晶材料、真空快淬材料、磁性形状记忆合金等。,(2)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。,43,无机非金属功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。无机非金属功能材料进行功能设计的方法主要有以下两种： (1) 根据功能的要求设计配方。 (2) 根据功能的要求设计合适的加工工艺。,二、无机非金属功能材料设计,44

15、,无机非金属功能材料的配方比较复杂，每种不同功能的无机非金属功能材料采用不同的配方。 无机非金属功能材料所含的材质决定了无机非金属功能材料的宏观性能。 比如功能玻璃包括微晶玻璃、激光玻璃、半导体玻璃、光色玻璃、生物玻璃等。,(1) 根据功能的要求设计配方,45,无机非金属功能材料的加工工艺根据所需功能的不同，有的采用普通的无机非金属材料加工工艺，有的采用特殊的加工工艺。 不同的加工工艺可以得到不同功能的无机非金属功能材料。因此，控制合适的加工工艺对无机非金属功能材料的制造是非常重要的。,(2)根据功能的要求设计合适的加工工艺,46,功能高分子材料功能设计的主要途径如下： (1)通过分子设计合成

16、新功能。 (2)通过特殊加工赋予材料以功能特性 (3)通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合获得新功能。 (4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能。,三、高分子功能材料设计,47,分子设计包括高分子结构设计和官能团设计，它是使高分子材料获得具有一定化学结构的本征性功能特征的主要方法，因而又称为化学方法。,(1)通过分子设计合成新功能,48,例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结构中引入感光功能基团，从而合成出感光高分子材料。合成可供选择的措施有：共聚合、接技聚合、嵌段聚合、界面缩聚、交联反应、官能团引入、模板聚合、管道聚合、交替共聚以及用高聚物作支持体的聚合等。,49,

17、这种方法又称为物理方法。例如： 高分子材料通过薄膜化制作偏振光膜、滤光片、电磁传感器、薄膜半导体、薄膜电池、接点保护材料、防蚀材料等，尤其是在超细过滤、反渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面取得了广泛的应用。 高分子材料纤维化可用于二次电子倍增管或作离子交换纤维。 对于高分子材料来说，最引人注目的是塑料光纤的开发应用。,(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性,50,例如借助纤维复合、层叠复合、细粒复合、骨架复合、互穿网络等方法。 关于这方面的理论，近年来还提出了所谓复合相乘效应公式。即如A组分具有X/Y功能(即对材料施加X作用，可得Y效应，例如加压生电)，B组分有Y/Z功能，则复合之后可产生(X

18、/Y)(Y/Z)X/Z的新功能。根据这个原理，已试制出温度自控塑料发热体等一批新型复合功能高分子材料。,(3)通过具有不同功能或性能的材料复合获得新功能。,51,将上述各种方法的适当组合就可以设计得到所需要的各种功能材料。功能材料的设计是当代材料技术的重大成就之一。,(4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能,52,功能材料是目前材料领域发展最快的新领域。 功能材料虽然制备过程复杂，产品产量小，但是利润较高。其主要原因是基于其特有的“功能性”。,第三节 功能材料的特点,53,功能材料的结构与性能之间存在着密切的联系，材料的骨架、功能基团以及分子组成直接影响着材料的宏观结构与材料的功能。 研究

19、功能材料的结构与功能之间的关系，可以指导开发更为先进、新颖的功能材料。,54,不同种类的功能材料各具特色。 金属功能材料是开发比较早的功能材料，随着高新技术的发展，一方面促进了非金属材料的迅速发展，同时也促进了金属材料的发展。,一、金属功能材料,55,许多区别于传统金属材料的新型金属功能材料应运而生，有的已被广泛应用，有的具有广泛应用的前景。 如形状记忆合金的发现及各种形状记忆合金体系的开发研制，使得这类新型金属材料在现代军事、电子、汽车、能源、机械、宇航、医疗等领域得到广泛的应用。,56,另一方面，非晶态合金由于具有优异的物理、化学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料。 具有独特性能和用途

20、的新型金属功能材料很多，如超导合金、纳米金属、高温合金、减振合金、储氢、多孔金属、金属磁性材料等。,57,无机非金属功能材料的发展速度也很快，新的种类也是层出不穷。它以功能玻璃和功能陶瓷为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。,二、无机非金属功能材料,58,组合化学作为合成化学的一个新分支，它展现出巨大的发展潜力。组合化学与计算机科学相结合，特别是与数据库技术相结合，是组合化学发展的未来方向。 无机功能材料组合化学研究主要集中在具有特殊光、电、磁和催化等性质的材料上。其主要表现在以下五个方面：,1组合化学在无机功能材料方面的应用,59,它是以无机微孔材料、无机有机杂化材料中存在的基本结构单元为基

21、础，组合合成具有设计结构单元的化合物。 功能材料组合库的合成与表征包括发光材料、铁电及介电材料、巨磁阻材料等。,(1)无机结构基元或虚拟结构基元的组合化学,60,(2)无机功能材料组合合成技术与表征方法的基础研究。 (3)特殊技术和特定结构组合化学。它包括激光喷涂组合化学研究，主客体组装组合化学等。,61,(4)固体氧化物燃料电池中新型中、低温(600800)区工作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。 (5)从热力学平衡角度研究材料的相态、结构及稳定性，获得所需材料体系的相图，同时进行性能测定，由此全面掌握不同组成、结构和工作温度下的材料特性。,62,无机材料组合化学研究应在具有雄厚条件的

22、基础上，利用组合数学的理论思想来指导不同材料库的建立，完善材料合成的组合技术及筛选方法，将无机功能材料组合化学与数据库分析相结合，从而最终实现无机功能材料的定向合成。,63,功能玻璃和功能陶瓷是无机非金属功能材料中的主要组成部分，近年来得到了迅速的发展。 新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁光转换性能、声光玻璃的声光性、导电玻璃的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。,2. 功能玻璃和功能陶瓷发展的新特点,64,新型功能玻璃的发展以光功能玻璃为代表。作为蓝光、可见光元件上的转换材料、光存储显示材料及各种非线性光学玻璃特别引人注意，它们将占据未来的光量子时代，

23、是功能玻璃材料研究的主要方向。快离子导体玻璃的发展也很快，有机无机复合玻璃是玻璃研究者的又一大开拓目标。,65,功能陶瓷有以下几方面发展趋向： (1)微电子技术推动下的微型化(薄片化)和高速度化； (2)在安全和环保工作的促进下，发展传感器和多孔瓷； (3)重视材料复合技术； (4)加速智能化。,66,科学的发展，特别是学科交叉促进了无机非金属功能材料的发展。另一方面，材料本身的进展与相邻学科或技术的迅速发展关系很大。 例如量子物理、量子化学的发展促进了纳米陶瓷、磁性陶瓷等技术的发展；半导体物理的发展促进了各种电介质陶瓷、压电陶瓷的发展和应用；特别是缺陷物化的进展，使掺杂改性大面积地用于各种功

24、能材料，包括无机非金属功能材料和功能高分子材料。,67,相关技术促进无机非金属功能材料的发展也有很多，例如：信息自动化促进了传感器；薄膜变薄涉及粉体制备技术；薄膜技术发展又促进铁电存储器的应用；高纯原料为功能陶瓷的发展创造了条件。 物理检测手段也影响材料发展，原来的显微图像是利用光性或电子性差别成像，而近代利用热性能或弹性力学性能差别可分别得出热像及声学像，从而揭示了新现象，对功能陶瓷作用很大。,68,各学科之间、学科与工艺技术之间的相互作用和渗透，对无机非金属功能材料的发展产生了深远的影响。 各学科的交叉，使各种功能材料之间的界限开始变得模糊，甚至各种材料组成的复合材料可通过协同作用获得最佳

25、性能以及得到其他新功能。,69,1影响功能高分子材料“功能性”的结构因素 结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性能，主要与其结构因素有关。 、骨架的性质，如润湿性、溶胀性，骨架的邻位效应等； 、在分子中起到特殊关键作用的官能团的性质。,三、功能高分子材料,70,功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。 功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型： 是功能性小分子固定在骨架材料上； 是大分子材料的功能化； 是已有的功能高分子材料的功能扩展。,2功能高分子材料的制备方法,71,第四节 功能材料制备用的新方法,用于功能材料制备的新方法很多。

26、例如：快速凝固、镀膜、超晶格、机械合金化、溶胶凝胶、极限(极高温、高压、高真空、失重等)条件下制备的方法、复合及杂化、晶须及大单晶制备法等等。这些方法的发展与使用加快了新品种的开发和质量的提高。,72,在溶胶凝胶方法中，常是把含有Si、A1、Ti、B等网络形成元素的烃氧化物作为母体，以添加碱或酸作催化剂，在酒精溶液中使烃氧化物水解、浓聚而形成 M M链的无机氧化物网络。,溶胶凝胶方法,73,通过改变母体的化学成分和生成条件，就可改变冷凝物的拓朴结构，可从无水氧化物的致密球变为稀疏的分枝状结构，以满足待定的使用要求。 无水氧化物具有可以控制微孔尺寸、微孔体积、折射率和化学性质的特点。这对于高技术

27、的应用是有利的。,74,通过快淬快凝工艺可以得到在常规条件下的亚稳相。亚稳相可以是材料的使用状态，也可能是为得到好性能的中间状态。 在自然界中，亚稳相是很常见的。从亚稳相到平衡态的转变不少情况下是非常缓慢的。因此，实际上可以把亚稳状态的材料看作是平衡态来使用。材料学家利用这种动力学差别而设计并加工制造了许多非平衡材料，扩大了可获得有用材料的范围。,快淬快凝技术,75,复合就是把两种以上组分材料组成一种新材料的方法；杂化的基本思想就是将原子、分子集团在几埃到几干埃的数量级上进行复合。,复合和杂化,76,杂化是在纳米数量级上进行，从而使各原材料间的相互作用力与整体复合时不同，引起量子效应、表面能量

28、效应等。这些现象对材料里的载流子的传输过程会产生很大的影响，使杂化材料的电学性质不再是各原材料的电学性质相加后的平均值，而可以说是相乘的结果。可以出现各向异性、超导电性等现象。,77,例如，在绝缘性高分子薄膜表面镀上一层薄金属层，以此做成电极进行吡咯的电解聚合，生成的聚毗咯在生成的同时形成了高分子薄膜中的导电通路，从而得到导电薄膜。 采用杂化技术，还可以制得具有特殊功能的肖脱基元件和非线性光学有机薄膜等等。杂化技术可以应用于高分子科学领域，也可以广泛地应用于其他领域。,78,第五节 功能材料的发展现状,一.新型功能材料国外发展现状 当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微

29、电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。,79,以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。 高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K）温区。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。,超导材料,80,作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，

30、其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向。,生物医用材料,81,太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。 美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。 固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。,能源材料,82,是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域

31、，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要有三个研究方向：,生态环境材料,83,直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO 2 气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术。,84,开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等； 材料的环境协调性评价。,85,智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料

32、和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化的目标。,智能材料,86,国外智能材料的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，可用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10秒钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料等在航空上的应用取得大量创新成果。,87,我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“ 863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能

33、材料领域取得了丰硕的成果。,二. 国内功能材料发展的现状,88,在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。,89,镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入

34、了世界先进行列。,90,高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权； 功能材料还在“两弹一星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。,91,根据预测，二十一世纪的新材料技术产业在世界市场的销售额将超过4000亿美元，其中功能材料约占7580%。,三、国内、外功能材料社会经济发展需求,92,我国的国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国的国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不

35、开特种功能材料的支撑。,93,第六节 无机功能材料的现代合成与制备方法, 溶胶-凝胶法(sol-gel) 溶胶- 凝胶法是以金属醇盐, 其它金属有机化合物或无机化合物为原料进行水解、缩合(生成无机聚合物材料的)反应, 使溶液经溶胶-凝胶化,干燥, 热处理后制备玻璃膜, 玻璃纤维, 分子筛膜, 特种陶瓷材料的方法。 优点：较低合成及烧结温度；高纯和高均匀产物；制造传统固相反应法无法得到的材料。,94,化学气相沉积法 (CVD，Chemical Vapor Deposition) 在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀

36、层。,95,氢气保护，10001050，钢件表面镀TiC： TiCl4(l)+CH4(g)TiC(s)+4HCl(g) TiCl4(l)+C(钢) +2H2(g)TiC(s)+4HCl(g),TiC 化学气相沉积装置图,96,利用特定模板结构的基质为模板进行合成。特定结构的基质模板包括多孔玻璃、沸石分子筛，大孔离子交换树脂等。 例如: 将Na-Y型沸石与Cd(NO3)2溶液混合, 离子交换后形成Cd-Y型沸石，经干燥后与H2S气体反应，在分子筛八面体沸石笼中生成CdS纳米粒子。, 模板合成法,97,在接近室温的条件(室温100)下通过混合、研磨固体反应物直接形成生成物。, 低温固相合成法,98

37、,第2章 贮氢合金,能源危机和开发新能源一直是人类发展进程中相互依赖和相互促进的两个重要因素。 燃烧1kg氢可发热1.25106KJ的热量 而氢的存贮则有两种方式：一种属物理方式贮氢 .另一种为化学方式，如金属氢化物 .,99,2.1金属贮氢原理,在一定温度和压力下，许多金属、合金和金属间化合物（Me）与气态H2可逆反应生成金属固溶体MHx和氢化物MHy 镍金属氢化物电池（NiMH）工作原理 NiMH电池是以贮氢合金作负极，Ni（OH）2作正极，KOH水溶液作电解液的碱性蓄电池。这种蓄电池是利用吸氢合金在电位变化时具有吸氢和释放氢的功能，实现电池充放电。,100,2.2金属氢化物贮氢材料应具备

38、的条件,金属氢化物是一种多功能材料，根据不同用途有不同要求。一般作为贮氢（包括电池用）和蓄热用金属或合金氢化物，应具备如下条件： 容易活化，单位质量、单位体积吸氢量大（电化学容量高）； 吸收和释放氢的速度快，氢扩散速度大，可逆性好； 有较平坦和较宽的平衡平台压区，平衡分解压适中，做贮氢用时，室温附近的分解压应为0.2-0.3MPa,做电池材料时为10-410-1MPa； 吸收、分解过程中的平衡氢压差，即滞后要小； 氢化物生成焓，作贮氢材料或电池材料时应该小，作蓄热材料时则应该大； 寿命长，反复吸放氢后，合金粉碎量要小，而且衰减小，能保持性能稳定，作电池材料时能耐碱液腐蚀； 有效导热率大，电催化活性高； 在空气中稳定，安全性能好，不易受N2、O2、H2O气、H2S等杂质气体毒害； 价格低廉、不污染环境、容易制造。每种金属氧化物都有各自的特性，可根据不同使用目的进行选择评价。,101,2.3 贮氢合金分类及开发现状,