现代功能材料概论Word格式.docx
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绪论
§
1.1材料的功能
为了生存和发展，人类一方面从大自然只选择天然物质进行加工和改造，获得适用的材料；
另一方面通过物理化学加工方法研制合金、玻璃、有、陶瓷、合成高分子材料来满足生产和生活的需要。
人们使用这些出来是，有的是利用某些材料具有抵抗外力的作用而保持自己的形状和结构不变的优良力学性能（如强度和韧性）来制造工具、机械、车辆以及修建房屋、桥梁、铁路等，这些侧重于强调强度功能的材料统称为结构材料。
与此相应，我们把侧重于“切断以外的功能”的材料称为“功能材料”，这通常是通过光、电、磁、声、热、化学、生物化学等的作用，使出来具有特定的功能，主要是光学功能、电磁功能、电绝缘功能、声学功能、身体功能、分离功能、梯度功能、形状记忆功能、自适应功能等。
根据出来的性质特征和用途，可将功能材料定义为：
具有优良的电学、磁学、光学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转换的功能，被用于非结构目的的高技术材料。
也可以表述为：
为了赋予材料以有用的功能，通过改变材料的成分、结构、添加剂和制作方法而作成的材料。
例如把材料制作成超微粉末、超薄膜而使之产生新的功能，或对一种材料加上某种能量，使之产生另一种能量释放出来等等。
图1.1是功能材料和结构出来关系的示意。
1.2功能材料概述
功能材料按其物质性，可分为金属功能材料、无机功能材料、有机功能材料和复合功能材料等。
1.2.1无机系
1.2.1.1PTC材料：
某温度范围内有正的电阻温度系数。
如在BaTiO3上用La（3价稀土）置换部分Ba，为保持电中性，Ti4+Ti3+,居里点附近电阻值有几个数量级的变化，且为正温度系数。
也可用Sr或Pb等来置换Ba，用Zr、Sn置换其中的Ti使居里点移动，使工作范围变化。
应用：
①温度补偿元件，如补偿二极管等因温度发生的电阻变化；
②无触点开关，如冰箱开关、电热毯开关等。
1.2.1.2气氛传感器材料：
可测出接触物体表面的气氛种类、浓度和气体温度等。
①半导体气体传感器：
气体分子吸附半导体表面，由于其氧化和还原性不同，可使半导体导通性变化而给出信号。
为提高表面积，多做为多孔状；
为提高灵敏性，一般加热至200——400℃下使用。
②固体电介质气体传感器：
以离子导电方式固体电介质做成电池，由两极气体浓度或压力差给出电动势。
如ZrO2-Y3O3系，ZrO2-CaO,两边加多孔Pt电极形成氧浓差电池测氧的浓度。
a）可燃气体传感器：
加Pd的SnO2，加Pd或Pt的ZnO2、γ-Fe2O3系等。
b）CO气体传感器：
加Pd或Pt的SnO2，对CO选择性吸收很好，灵敏度很高。
c）酒精气体传感器：
SnO2系列；
磷灰石-ZnO复合材料；
Sm0.5-Sr0.5-CoO3系等。
d）湿度传感器：
MgCr2O4-TiO2；
（BaSr）TiO2；
ZnO2-MgO；
Al2O3-TiO2-SnO2；
ZnCr2O4-LiZnVO4。
e）氧传感器：
ZnO2-Y2O3（浓差电池型）；
TiO2（电阻变化型）。
1.2.1.3原子能燃料
中子照射铀（U）原子核生成钡（Ba）。
费米1942年成功控制了裂变过程。
锕族（最重要的元素）天然只有铀（U）和钍（Th）。
铀在地球上储藏量只有2/百万，又分为235U和238U，235U可裂变，而238U不可裂变，235U只占U中的0.71%。
232Th不可裂变。
所以天然原子能燃料很少。
238U和232Th在0.1-10MeV中子照射下，可转化为可裂变元素。
1.2.1.4核聚变材料（核融和研究）
太阳能是四个氢原子核聚变成He，重要燃料是重氢——氘，主要来源是海水。
先产生高温等离子，然后发生热聚变，将海水中氘、氚射到炉心中产生热核反应，要用超导线圈使几亿度高温等离子体与炉壁隔离，如图1.1。
氘+氚4+He+中子+17.6MeV
氚：
中子与Li（100℃时为液态）反应生成的。
有时用Li-Pb，
融盐：
LiF,Li2O。
1.2.2有机系
1.2.2.1磁性材料
{[Fe（C12H17N3）SO4·
6H2O]}n称PPH-FeSO4
在4.6K产生磁滞回线。
1.2.2.2气体分离膜
多孔膜，其中r/λ>
5（r：
孔半径，λ：
气体平均自由程），透过速度与粘度成正比；
r/λ<
1，透过速度与分子量成正比。
分子筛是一类能筛分分子的固体材料，气体或液体混合物分子通过这种材料后，就按照不同分子的特性彼此分离开来。
如5A分子筛是吸水的，13X是分离氢和氧的。
许多物质如晶体硅酸盐（又称沸石或泡沸石）、多孔玻璃、特制活性炭、葡萄糖凝胶、琼脂凝胶、聚丙烯酰胺凝胶等都有分子筛效应。
多孔膜：
Q=P（p1-p2）At/l
Q:
透过量，P:
透过系数，l：
膜厚，p1、p2：
膜两侧气体分压，A：
透过面积，t：
时间。
如：
聚丁二烯、聚丙乙烯、醋酸纤维、二甲基硅氧烷等。
1．2．2．3超导材料
常规材料在0°
K仍有一固定R值，而在某温度下，R=0时，即为超导材料。
图1.3为T-H-J示意图，Tc-Hc-Jc面下即为超导材料，Tc、Hc、Jc为临界值。
1911年发现水银有超导，但Tc、Hc、Jc值很低，无使用价值。
上实际50年代后期，发现Nb或V的合金或化合物，其临界值较高。
Nb-Ti:
Tc≈10K,液He下（4.2K），Hc=11T（特斯拉），（1T=104高斯）。
Nb3Sn:
Tc≈15～23K，Hc≈20～40T
PbMo6S8:
Hc≈50T。
实用超导线材：
Nb-Ti:
Nb-50～75at%Ti,一般10μm丝埋在铜中。
工艺过程：
电弧炉熔Nb-Ti几吨铸锭加工成指头粗的棒插入300mm铜管一道拉成丝再插入铜管再拉，反复到丝有10万根左右为止。
V3Ga化合物线材。
在Nb或V的带基上将熔化的Ga或Nb3Sn用连续扩散的方式制成带材。
开发中的超导材料：
溅射法:
真空镀敷，合成出Nb3Ge；
快速凝固法：
Nb3（Al、Ge），Tc>
20K,Hc=40T；
NbNNb（C,N）MoNV2HfPbMo6S8
氧化物陶瓷：
BaPb0.7Bi0.3O3Tc=13K
LaBaCuOTc=30K
YbaCuO6.9Tc=90K（液N:
77K）
合金系列的电流密度105～106A/cm2
氧化物陶瓷电流密度103A/cm2
1.2.2.4超微粒子
超微粒子大小：
100nm以下，与光的波长相当，如好的香烟灰。
微细化效应：
1）体积效应（减少）
a）熔点会降低，如3nm金，T熔由1300K900K，（低温烧结）
b）<
100nm，强磁体矫顽力显著提高；
多晶单晶，磁畴亦发生变化。
有新相出现，多面体粒子出现，物质电子状态会发生变化。
2）表面效应：
催化。
3）粒子间相互作用：
导电、传送、固体反应等。
制作方法：
气相法和液相法，主流上液相法：
沉淀法、喷雾法是制大批量均匀微粉的方法。
气相法用于研究，有物理法（PVD）和化学法（CVD）。
等离子气体的金属反应法
原材料：
2000℃以下金属、合金及陶瓷均可。
1）磁流体；
2）磁记录材料；
3）低温烧结；
4）催化，传感。
1.2.2.5电极材料
电极材料的种类和用途（非消耗电极）
种类
用途
特征
石墨
电池、盐的电解
白金
酸电解及燃料电池
耐蚀、催化
镀Pt的Ti
电镀、电防蚀
比Pt更便易
Ni
水电解、燃料电池
加工性好、耐蚀不如Pt
Pb及其合金
电池、电镀
便易、比强度差
RuO2-Ti
盐电解
氯过电压小、耐蚀好
磁铁矿
氯酸电解、电防蚀
便易、脆、电阻大
铁氧体
水处理
PbO2
可代替Pt，但脆，与基体廉价困难
1．贵金属电池
铂金最好，表面易生成PtO，PtO2电极催化取决于此二皮膜，但价格高，常用Ti、Nb、Ta替代。
TiO2Nb2O5均是致密膜。
也可在Ti、Nb、Ta的表面镀铂金。
2.Pb及Pb的合金
比重大，表面易产生硫酸铅或碳酸铅膜，耐蚀，但此膜导电性不好。
如Pb做阳极，形成PbO2膜，则导电性改善。
做Pb电极常加Ag、Sn来促进PbO2生成，如：
Pb-20%Ag用于电解、电镀。
可将PbO2敷在其它材料表面来代替Pt电极。
3．其它金属电极
不溶性电极材料很难，如Ni-Cr不锈钢在作碱水电极时会失去Cr，所以不合适。
Ti、Nb、Ta会产生不利氧化物，（起催化、促媒）产生新材料。
Ni3Ta、Ni3Nb可克服Ni-Cr不锈钢和纯Ti、Nb、Ta的弱点。
Ni3Ta在硫酸下表现极好。
在500A/㎡下，腐蚀为1.03g/A.年。
Ni3Nb在氯化物中效果好。
但此二材料加工性较差。
Pd（钯）-Ti-P系非晶态合金耐蚀性比晶体好得多，尤其在氯发生物中。
Pd-Tr（铱）-P系但电阻较大。
按材料的功能性可分为电学功能材料、磁学功能材料、光学功能材料、声学功能材料、力学功能材料、热学功能材料、化学功能材料、生物医学功能材料、核功能材料等九大类。
这将在后面作部分介绍，同学们也可进行检索、综述，作为考试内容。
1．2．3功能材料的特点
功能材料是高技术密集型材料，在研究开发和生产功能材料是，具有三个显著特点：
1）综合运用现代先进的科学技术成就，多学科交叉、知识密集；
2）品种较多，生产规模一般比较小，更新换代快，技术保密性强；
3）需要投入大量的资金和时间，存在相当大的风险，但一旦成功，则成为高技术、高性能、高产值、高效益的产业。
功能材料与结构材料相比，最大的特点是两者性能上的差异和用途的不同。
戈晓岚
机械工程学院
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