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1、第三章第三章材料与社会新兴产业材料与社会新兴产业 2010 2010年年1010月月1818日，国务院发布日，国务院发布关于加快培育和关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定发展战略性新兴产业的决定，指出力争到，指出力争到20202020年新年新材料产业成为国民经济的先导产业：材料产业成为国民经济的先导产业：大力发展稀土功能材料、高性能膜材料、特种玻璃、大力发展稀土功能材料、高性能膜材料、特种玻璃、功能陶瓷、半导体照明材料等功能陶瓷、半导体照明材料等新型功能材料新型功能材料；积极发展高品质特殊钢、新型合金材料、工程塑料积极发展高品质特殊钢、新型合金材料、工程塑料等等先进结构材料先进结构材料；提升
2、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等提升碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高性高性能纤维及其复合材料能纤维及其复合材料发展水平；发展水平；开展纳米、超导、智能等共性开展纳米、超导、智能等共性基础材料基础材料研究。研究。十二大类主要新材料十二大类主要新材料电子信息材料电子信息材料支撑现代信息产业的发展支撑现代信息产业的发展新能源材料新能源材料 实现新能源的转化和利用的关键实现新能源的转化和利用的关键纳米材料纳米材料将对将对21 21 世纪经济和社会发展产生深刻的影响世纪经济和社会发展产生深刻的影响先进复合材料先进复合材料功能复合材料是未来发展主流功能复合材料是未来发展主流生态环境材料生态环境材
3、料对于生态环境保护有重大战略意义对于生态环境保护有重大战略意义生物医用材料生物医用材料材料学科中一个正在发展的新领域材料学科中一个正在发展的新领域智能材料智能材料将使人类文明进入一个新的高度，但目前距实用阶将使人类文明进入一个新的高度，但目前距实用阶段还有一定的距离段还有一定的距离高性能结构材料高性能结构材料国民经济中应用最为广泛的材料国民经济中应用最为广泛的材料新型功能材料新型功能材料是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料国防建设的重要基础材料化工新材料化工新材料纳米化工材料和特种化工涂料是近年来的研究热点纳米化工材料和
4、特种化工涂料是近年来的研究热点新型建筑材料新型建筑材料绿色、环保是未来发展的关键绿色、环保是未来发展的关键先进陶瓷材料先进陶瓷材料在电子工业中应用十分广泛在电子工业中应用十分广泛一、功能材料一、功能材料二、纳米材料二、纳米材料三、生物材料三、生物材料四、能源材料四、能源材料五、信息材料五、信息材料一、功能材料一、功能材料功能材料功能材料热功能材料热功能材料电功能材料电功能材料磁功能材料：磁功能材料：软磁、硬磁材料，磁致伸缩材料软磁、硬磁材料，磁致伸缩材料光功能材料：光功能材料：光导纤维，激光材料光导纤维，激光材料其他功能材料：其他功能材料：隐形材料，敏感材料等隐形材料，敏感材料等膨胀材料膨胀材
5、料形状记忆合金形状记忆合金测温材料测温材料超导材料超导材料半导体材料半导体材料电接点（触头）材料电接点（触头）材料1 1、形状记忆合金、形状记忆合金 (Shape Memory Alloys(Shape Memory Alloys，简称，简称SMA)SMA)形状记忆效应形状记忆效应(Shape Memory Effect,(Shape Memory Effect,简称简称SME)SME)形状记忆效应形状记忆效应将材料在一定条件下进行一定限度将材料在一定条件下进行一定限度 以内的变形后，再对材料施加适当以内的变形后，再对材料施加适当 的外界条件，材料的变形随之消失的外界条件，材料的变形随之消失
6、而回复到变形前的形状的现象。而回复到变形前的形状的现象。具有形状具有形状记忆效应记忆效应的材料的材料形状记忆材料。形状记忆材料。具有形状记忆效应的金属，通常是由具有形状记忆效应的金属，通常是由2 2种以上的金属元素构种以上的金属元素构成的合金，故称为成的合金，故称为形状记忆合金形状记忆合金。形状记忆合金的发现过程形状记忆合金的发现过程19321932年年 瑞典人欧勒特在观察某种瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金金镉合金的性能时首的性能时首次发现形状记忆效应。次发现形状记忆效应。19381938年年 哈佛大学的研究人员在一种哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金铜锌合金中发中发 现现了一种随温度的升高和降
7、低而逐渐增大或缩小的形状了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化。变化。19621962年年 美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-NiTi-Ni合金合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从 此形状记此形状记忆合金引起了极大的关注。忆合金引起了极大的关注。形状记忆效应可分为形状记忆效应可分为3 3种类型：种类型：单程形状记忆效应单程形状记忆效应 双程形状记忆效应双程形状记忆效应 全程形状记忆效应全程形状记忆效应 单程形状记忆效
8、应：单程形状记忆效应：单程形状记忆效应单程形状记忆效应 材材料料在在高高温温下下制制成成某某种种形形状状，在在低低温温相相时时将将其其任任意意变变形形，再再加加热热时时恢恢复复为为高高温温相相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。双程形状记忆效应：双程形状记忆效应：双程形状记忆效应双程形状记忆效应 加加热热时时恢恢复复高高温温相相形形状状，冷冷却却时时恢恢复复低低温温相相形形状状，即即通通过过温温度度升升降降自自发发可可逆逆地地反反复复恢恢复复高高低低温温相相形状形状的现象，或称为可逆形状记忆效应。的现象，或称为可逆形状记忆效应。全程形状记忆效
9、应：全程形状记忆效应：全程形状记忆效应全程形状记忆效应 当当加加热热时时恢恢复复高高温温相相形形状状，冷冷却却时时变变为为形形状状相相同同而而取取向向相相反反的的高高温温相相形形状状的的现现象象。只只能能在在富富镍镍的的Ti-NiTi-Ni合金中出现。合金中出现。制造人造卫星天线制造人造卫星天线 Ti-Ni Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线形状记忆合金制造的人造卫星天线美国宇航局的月面天线计划：美国宇航局的月面天线计划：在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5 5厘米以下的小团，放入阿波罗厘米以下的小团，放入阿波罗1
10、1 11号的舱内，在月面上经太阳光的号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状照射加热使它恢复到原来的抛物面形状,从而能从而能用空间有限的火用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。箭舱运送体积庞大的天线。形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用工程应用工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等。紧固件、连接件、密封垫、管件接头等。形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆合金用作铆钉的工作原理图医疗领域应用医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤夹、接骨板等（动脉瘤夹、接骨板等（Ti-NiTi-Ni合金）。合金）。支撑性与柔韧性完美协调的支撑性与柔韧性
11、完美协调的Ti-NiTi-Ni记忆合金食道记忆合金食道支架支架智能应用智能应用 形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一体体 的新型材料，可广泛应用于各种的新型材料，可广泛应用于各种自动调节和控制装自动调节和控制装置置，如各种智能、仿生机械。，如各种智能、仿生机械。采用采用CuZnAlCuZnAl记忆合金片，记忆合金片，以以热水或热水或 热风热风为热源，为热源，开放温度为开放温度为65856585，闭合温度为室温。花，闭合温度为室温。花蕾直径蕾直径80mm,80mm,展开直径展开直径200mm200mm。动作幅度为。动作幅度为1800mm1800mm
12、。双程双程CuZnAlCuZnAl记忆合金花记忆合金花 2 2、超导材料、超导材料（Superconducting Material）定义：材料的电阻随着温度降低而减小并最终出现零定义：材料的电阻随着温度降低而减小并最终出现零电阻的现象称为电阻的现象称为超导现象超导现象，这类材料称为，这类材料称为超导材料超导材料。出现超导现象的温度称作超导材料的出现超导现象的温度称作超导材料的“临界温度临界温度”。临界温度（临界温度（TcTc）临界电流（临界电流（Ic Ic ）临界磁场（临界磁场（HcHc）“约束约束”超导现象的三大临界条件：超导现象的三大临界条件：19111911年年，昂昂纳纳斯斯在在测测试
13、试纯纯金金属属电电阻阻率率的的低低温温特特性性时时发发现现，汞汞的的直直流流电电阻阻在在4.2K4.2K左左右右低低温温时时突突然然消消失失，他他认认为为这这时时汞汞进进入入了了一一种种以以零零阻阻值值为为特特征征的的新新物物态态，并并称称为为“超超导导态态”，称称这这种种处处于于超超导导状状态态的的导导体体为为超超导导体体。昂昂纳纳斯斯在在19111911年年1212月月2828日日宣宣布布了了这这一一发发现现。由由于于他他的的这这一一发发现现获获得了得了19131913年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。19721972年年 巴巴丁丁（John John Bardeen,Bardeen,1908-
14、19911908-1991）、库库珀珀（Leon Leon North North Cooper,Cooper,1930-1930-）和和施施里里弗弗（John John Robert Robert Schrieffer,Schrieffer,1931-1931-）因因发发现现称称为为BCSBCS理理论论的的超超导导理理论，共同分享了论，共同分享了19721972年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。19731973年年 江江崎崎玲玲于于奈奈（Leo Leo Esaki,Esaki,1925-1925-）和和加加埃埃沃沃（Ivar Ivar Giaever,Giaever,1929-1929
15、-）因因分分别别发发现现半半导导体体和和超超导导体体中中的的隧隧道道贯贯穿穿、约约瑟瑟夫夫森森（Brian Brian David David Josephson,Josephson,1940-1940-）因因从从理理论论上上预预言言了了通通过过隧隧道道阻阻挡挡层层的的超超电电流流的的性性质质，特特别别是是被被称称为为“约约瑟瑟夫夫森森效效应应”的的实实验验现现象象，共共同同分分享享了了19731973年年度度诺诺贝贝尔尔物理学奖。物理学奖。19871987年年 柏柏诺诺兹兹(J.(J.Georg Georg Bednorz,Bednorz,1950-)1950-)和和缪缪勒勒(Karl(Ka
16、rl A.A.Muller,Muller,1927-)1927-)因因发发现现钡镧铜氧系统中的高钡镧铜氧系统中的高TcTc超导电性，共同分享了超导电性，共同分享了19871987年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。年年 诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖授授予予拥拥有有俄俄罗罗斯斯和和美美国国双双重重国国籍籍的的科科学学家家阿阿列列克克谢谢阿阿布布里里科科索索夫夫、俄俄罗罗斯斯科科学学家家维维塔塔利利金金茨茨堡堡以以及及拥拥有有英英国国和和美美国国双双重重国国籍籍的的科科学学家家安安东东尼尼莱莱格格特特，以以表表彰彰他他们们在在超超导导体体和和超超流流体体领域中做出的开创性贡献。领域中做出的开创
17、性贡献。超导材料的分类超导材料的分类 常规超导体常规超导体 高温超导体高温超导体(HTS)HTS)其它类型超导体其它类型超导体 相相对对于于高高温温超超导导体体而而言言，元元素素、合合金金和和化化合合物物的的超超导导转转变变温温度度较较低低 (以以液液氮氮温温度度7777K K为为界界)，因此这类超导体被称为，因此这类超导体被称为常规超导体常规超导体。（1 1）常规超导体）常规超导体 元素超导体元素超导体(50(50多种多种)一些元素一些元素在常压在常压在常压在常压或高压下或高压下或高压下或高压下具有超具有超导电性能，另外导电性能，另外一些元素一些元素经特殊经特殊经特殊经特殊处理后处理后处理后
18、处理后显示出超显示出超导电性。由于导电性。由于临临临临界电流和临界磁界电流和临界磁界电流和临界磁界电流和临界磁场均较小场均较小场均较小场均较小，所以，所以元素超导体很难元素超导体很难实用化。实用化。超导合金超导合金在技术上有重要价值，它们具有在技术上有重要价值，它们具有较高的临界温度较高的临界温度和和特别高的临界磁场特别高的临界磁场以及以及临临界电流界电流。超导合金具有。超导合金具有塑性好塑性好，易于大量生易于大量生产产，成本低成本低等优点。等优点。合金超导体合金超导体最最早早的的超超超超导导导导线线线线材材材材是是Nb-ZrNb-Zr系系，用用于于制制造造超超超超导导导导磁磁磁磁体体体体。N
19、b-ZrNb-Zr合合金金具具有有低低低低磁磁磁磁场场场场高高高高电电电电流流流流的的特特点点。19651965年年后后被被加加加加工工工工性性性性能能能能好好好好、临临临临界界界界磁磁磁磁场场场场高高高高、成成成成本本本本低低低低的的Nb-TiNb-Ti所取代。所取代。目目前前Nb-TiNb-Ti系系合合金金实实用用的的线线材材使使用用最最广广，Nb-Nb-Zr-TiZr-Ti，Nb-Ti-TaNb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-TaNb-Ti-Zr-Ta用用于于磁磁流流体体发发电机电机大型磁体大型磁体大型磁体大型磁体。化合物超导体与合金超导体相比，化合物超导体与合金超导体相比，临界温度和临
20、界临界温度和临界磁场都较高。磁场都较高。一般超过一般超过10T10T的超导磁体只能用化合的超导磁体只能用化合物系超导材料制造。如物系超导材料制造。如NbNb3 3SnSn、V V3 3GaGa、NbNb3 3GeGe、NbNb3 3AlAl，NbNb3 3(AlGe)(AlGe)等。等。化合物超导材料都非常脆，加工困难化合物超导材料都非常脆，加工困难，往往无法直，往往无法直接绕成磁体，必须采用特殊的制备方法。就这点来接绕成磁体，必须采用特殊的制备方法。就这点来说，它不如超导合金。说，它不如超导合金。实际能够使用的超导化合物只有实际能够使用的超导化合物只有NbNb3 3SnSn和和V V3 3G
21、aGa两种两种，其它化合物由于加工成线材较困难，尚不能实用。其它化合物由于加工成线材较困难，尚不能实用。化合物超导体化合物超导体 （3 3）高温超导体高温超导体 一些复杂的一些复杂的氧化物陶瓷氧化物陶瓷具有具有高的转变温高的转变温度度，其临界温度超过了，其临界温度超过了7777K K，可在液氮的温可在液氮的温度下工作，称为度下工作，称为高温超导体高温超导体。19861986年年1212月月1515日日，美美国国休休斯斯敦敦大大学学的的朱朱经经武武等等人人在在La-Ba-Cu-OLa-Ba-Cu-O系系统统中中，发发现现了了40.2K40.2K的的超超导导转转变变。1212月月2626日日中中国
22、国科科学学院院物物理理研研究究所所的的赵赵忠忠贤贤等等人人发发现现转转变变温温度度为为48.6K48.6K的的Sr-La-Cu-OSr-La-Cu-O，转变温度为转变温度为70K70K的的Ba-La-Cu-OBa-La-Cu-O。19871987年年2 2月月1616日日，朱朱经经武武领领导导的的阿阿拉拉巴巴马马大大学学和和休休斯斯敦敦大大学学组组成成的的实实验验小小组组，发发现现Y-Ba-Y-Ba-Cu-OCu-O的的TcTc为为92K92K。2 2月月2424日日，赵赵忠忠贤贤等等人人获获得得液液氮氮温温区区的的超超导导体体Y-Ba-Cu-OY-Ba-Cu-O，TcTc在在100K100K
23、以以上上，出出现现零零电电阻阻的的温温度度为为78.5K78.5K。人人们们终终于于实实现现了了获获得液氮温区超导体的多年梦想。得液氮温区超导体的多年梦想。超导材料的特性和潜在应用超导材料的特性和潜在应用1 1）零电阻）零电阻2 2）完全抗磁性（迈斯纳效应）完全抗磁性（迈斯纳效应）19331933年年，迈迈迈迈斯斯斯斯纳纳纳纳(Meissner Meissner W)W)发发现现，只只要要温温度度低低于于超超导导临临界界温温度度，则则置置于于外外外外磁磁磁磁场场场场中中中中的的的的超超超超导导导导体体体体就就始始终终保保持持其其内内内内部部部部磁磁磁磁场场场场为为为为零零零零，外外部部磁磁场场
24、的的磁磁力力线线统统统统被被排排斥斥在在超超导导体体之之外外。即即便便是是原原来来处处在在磁磁场场中中的的正正正正常常常常态态态态样样品品，当当温温度度下下降降使使它它变变成成超超超超导导导导体体体体时时，也也会会把把原原来来在在体体内内的的磁磁场场完完全全排排出出去去，即即超超超超导导导导体体体体具具具具有有有有完完完完全全全全抗抗抗抗磁磁磁磁性性性性。这这一一现现象象被被称称为为迈迈迈迈斯斯斯斯纳纳纳纳效效效效应应应应，它它是是超超导导体体的的另另一一个个独独立立的的基本特性。基本特性。超导输电超导输电日本研制了日本研制了66kV66kV，50m50m长的具有柔性绝热液氮长的具有柔性绝热液
25、氮管的电缆模型和管的电缆模型和50m50m长长的导体统在柔性芯子上的导体统在柔性芯子上的电缆，其交流载流能的电缆，其交流载流能力为力为2000A2000A，有望用于，有望用于市内地下电力传输系统。市内地下电力传输系统。美国也研制了直流临界美国也研制了直流临界电流为电流为900A900A的电缆。的电缆。超导超导输电输电必须必须考虑考虑冷却冷却电缆电缆所需所需成本成本液液氮氮环环境境下下的的超超导导实实验验 日日本本在在19791979年年就就研研制制成成了了时时速速517km517km的的超超导导磁磁悬悬浮浮实实验验车车。而而19901990年年德德国国汉汉诺诺威威-维维尔尔茨茨堡堡高高速速磁磁
26、浮浮列列车车线线路路正正式式投投入入运运营营。日日本本19911991年年又又研研制制出出一一种种水水陆陆两两栖磁浮列车，已完成模拟试验。栖磁浮列车，已完成模拟试验。磁悬浮列车磁悬浮列车超导受控热核反应堆超导受控热核反应堆超导发电机和电动机超导发电机和电动机超导变压器超导变压器超导贮能超导贮能超导核磁共振成像技术超导核磁共振成像技术实用超导材料应具备下的条件：实用超导材料应具备下的条件：尽可能高的临界条件，即高尽可能高的临界条件，即高TcTc、高、高HcHc和高和高Ic Ic；可以加工成带材、线材或薄膜；可以加工成带材、线材或薄膜；成本不太高。成本不太高。3 3、变色材料、变色材料（Chrom
27、ic Materials）当受到光、电、热等外界激发源作用后，可当受到光、电、热等外界激发源作用后，可发生颜色变化（其吸收光谱可发生变化）的材料发生颜色变化（其吸收光谱可发生变化）的材料称为变色材料。称为变色材料。根据激发源的不同，可分为不同的变色材料。根据激发源的不同，可分为不同的变色材料。光致变色光致变色电致变色电致变色热致变色热致变色1 1）光致变色材料）光致变色材料（PhotochromicPhotochromic）定义：定义：分类：分类：在光作用下能可逆地颜色发生在光作用下能可逆地颜色发生变化的材料。变化的材料。无机光致变色材料无机光致变色材料有机光致变色材料有机光致变色材料无机变色
28、材料无机变色材料 晶格转变晶格转变 发生光解反应发生光解反应电荷转移电荷转移 如如：玻玻璃璃中中含含有有银银盐盐和和铜铜盐盐的的混混合合物物，在在阳阳光光下下它它会会发发生生下下一一反应而自动变暗，而在低光量时则迅速恢复。反应而自动变暗，而在低光量时则迅速恢复。无机变色材料：无机变色材料：特特点点：稳稳定定性性好好，灵灵敏敏度度高高，但但颜颜色色单单一一，制制备困难，成本高。备困难，成本高。例如：例如：碱土化合物；汞化合物；铜化合物；碱土化合物；汞化合物；铜化合物；ZnSZnS；氧化钛（；氧化钛（TiOTiO2 2）；）；CaFCaF2 2（掺杂（掺杂LaFLaF2 2、NaFNaF、CeFC
29、eF2 2等）；等）；SrTiOSrTiO3 3、NiONiO、MoOMoO3 3、AlAl2 2OO3 3、CaTiOCaTiO3 3、AgClAgCl、BaFBaF2 2、SrFSrF2 2有机变色材料有机变色材料 有有机机化化合合物物的的光光致致变变色色现现象象与与其其分分子子结结构构变变化密切相关。化密切相关。有有机机类类光光致致变变色色材材料料近近年年研研究究的的重重点点主主要要集集中中在在螺螺旋旋吡吡喃喃化化合合物物上上。自自19521952年年美美国国化化学学家家FischerFischer和和HirshbergHirshberg发发现现二二氢氢吲吲哚哚基基螺螺旋旋苯苯并并吡吡喃
30、后，螺旋吡喃类化合物得到了广泛的研究。喃后，螺旋吡喃类化合物得到了广泛的研究。缩苯胺类缩苯胺类 腙类腙类 均二苯乙烯类均二苯乙烯类 脎类脎类 硫代硫酸盐硫代硫酸盐 硫代靛蓝染料硫代靛蓝染料 螺吡喃类（螺吡喃类（600nm 600nm 寿命长）寿命长）蒽酮蒽酮 吡啶类吡啶类有机变色材料：有机变色材料：特点：特点：种类多，对比度高，制备容易，易商业化。种类多，对比度高，制备容易，易商业化。例如：例如：化学键的异裂分解化学键的异裂分解如：硝基吲哚啉螺吡喃光致变色过程如下：如：硝基吲哚啉螺吡喃光致变色过程如下：加热加热/光照光照致冷致冷/黑暗黑暗蓝色蓝色无无色色光信息光信息存储存储 服装服装装饰装饰
31、防伪和防伪和鉴伪鉴伪 自显影自显影感光片感光片 照相设备照相设备 制成染料在阳光制成染料在阳光下显示各种颜色下显示各种颜色或变成伪装色。或变成伪装色。以以俘俘精精酸酸酐酐为为主主要要材材料料的的光光盘盘样样品品，在在某某一一波波长长下下，消消色色量量子子产产率率很很小小，而对光却有较大的吸收。而对光却有较大的吸收。暴光表暴光表 变色变色眼镜眼镜用途用途光致变色材料用光致变色材料用 途途 用有机光致变色材料可以制备非用有机光致变色材料可以制备非银感光胶片，直接得到影像，再银感光胶片，直接得到影像，再换一种光照射，可以复原。换一种光照射，可以复原。制成油墨，印刷防制成油墨，印刷防伪标志，在特殊的伪
32、标志，在特殊的光线下检验真伪。光线下检验真伪。Photochromic Photochromic GlassGlass持久永恒的光致变色特性，镜片底色持久永恒的光致变色特性，镜片底色永久不变；永久不变；颜色随环境光线的强弱而改变，变色颜色随环境光线的强弱而改变，变色及复明速度快；及复明速度快；透明状态下，透射率高达透明状态下，透射率高达80%80%以上，以上，不影响夜间驾驶；不影响夜间驾驶；紫外线防护性能优异，耐常见化学品紫外线防护性能优异，耐常见化学品腐蚀，坚硬，耐刮擦。腐蚀，坚硬，耐刮擦。美国市场上美国市场上有机光致变有机光致变色眼镜已占色眼镜已占变色镜市场变色镜市场的的90%90%。变色
33、玻璃在建筑上的应用变色玻璃在建筑上的应用 光光致致变变色色PVB PVB 薄薄膜膜应应用用在在建建筑筑安安全全玻玻璃璃上上,在在日日光光(含含有有紫紫外外线线)特特别别强强的的夏夏天天,受受日日光光照照射射时时变变成成有有色色玻玻璃璃,遮遮蔽蔽阳阳光光,减减少少紫紫外外线线对对人人的的照照射射,调调节节屋屋内内光光线线和和温温度度;没没有有日日光照射时光照射时,又变成无色透明玻璃又变成无色透明玻璃。光致变色光致变色涂料和变涂料和变色玻璃色玻璃2 2）热致变色材料（）热致变色材料（thermochromicthermochromic）定义：在温度发生改变时，配位体几何构型定义：在温度发生改变时，
34、配位体几何构型或配位数发生变化，或分子结构发生变化而或配位数发生变化，或分子结构发生变化而使颜色发生可逆性改变的材料。使颜色发生可逆性改变的材料。有两种情况：有两种情况：无色无色 有色有色 颜色颜色A A 颜色颜色B B 无机热致变色材料无机热致变色材料 金属碘化物：金属碘化物：HgIHgI2 2 红红 绿绿 变化温度低变化温度低 AgAg4 4HgIHgI4 4 黄黄 橙橙 HgHg有毒，价格贵有毒，价格贵 CuCu2 2HgIHgI4 4 红红 红紫红紫 变色不明显变色不明显 复盐复盐 CoClCoCl2 22C2C6 6H H1212NN4 410H10H2 2O O 橙橙 红红 CoB
35、rCoBr2 22C2C6 6H H1212NN4 410H10H2 2O O 桃红桃红 蓝蓝 CoICoI2 22C2C6 6H H1212NN4 410H10H2 2O O 桃红桃红 绿绿 CoSOCoSO4 4CC6 6H H1212NN4 49H9H2 2O O 桃红桃红 紫紫 NiBr NiBr2 22C2C6 6H H1212NN4 410H10H2 2O O 淡绿淡绿 淡蓝淡蓝 金属氧化物多晶体金属氧化物多晶体特点：特点：耐温、可重复多次、寿命长耐温、可重复多次、寿命长 A.PbA.Pb2-y2-yMMy yCrCr1-x1-xNNx xOO5 5（含铅）（含铅）M=MoM=Mo
36、，WW，SeSe，TeTe，S 0yS 0y0.30.3 N=Ti N=Ti，ZrZr，HfHf，TaTa，Sn 0 xSn 0 x1 1 如：如：PbPb2 2CrOCrO5 5 +Pb+Pb2 2MOMO5 5（M=WM=W，MoMo，S S，SeSe，TeTe）T T 橙色橙色 赤橙赤橙 茶色茶色 B.TlB.Tl2x2xMM2(1-x)2(1-x)CrOCrO4 4 M=Na M=Na，K K，RbRb，Cs x=0 1Cs x=0 1 C.MCrO C.MCrO4 4 M=Na M=Na2 2，K K2 2，RbRb2 2，CsCs2 2，Sr Sr，TlTl2 2 温度温度 晶相变
37、化；晶相变化；配位体几何构型变化；配位体几何构型变化；配位数变化配位数变化 如：晶相变化如：晶相变化 HgIHgI2 2（立方）（立方）HgIHgI2 2（斜方）（斜方）红色红色 绿色绿色无机热致变色材料的变色机理无机热致变色材料的变色机理 又如：又如：碘碘汞汞铜铜CuCu2 2HgIHgI4 4是是一一种种能能可可逆逆地地随随温温度度高高低低而而改改变变颜色的材料，它在不同温度区间所显示的颜色如下：颜色的材料，它在不同温度区间所显示的颜色如下：室温室温7016022070160220 红色红色|黑色黑色|红色红色|深红色深红色 它它的的颜颜色色改改变变是是由由于于晶晶体体中中离离子子的的热热
38、运运动动引引起起的的有序有序无序的转变以及金属离子位置无序的转变以及金属离子位置的变化。的变化。例：例：化合物化合物Co(NHCo(NH3 3)5 5ClClClCl2 2在加热时颜色会发生变化：在加热时颜色会发生变化：室温室温120170230120170230 红色红色|紫色紫色|天蓝色天蓝色|黑色黑色 此此变变化化是是不不可可逆逆的的，加加热热变变色色，再再从从高高温温降降至至室室温温，仍仍保保持持相相当当于于到到达达最最高高温温度度的的颜颜色色。这这种种材材料料可可指指示示物物体体曾曾到到达达的的最最高高温温度度，例例如如涂涂在在电电机机表表面面上上可可以以显显示示电电机的温升。机的温
39、升。有机热致变色材料有机热致变色材料 染料类染料类 电子给体电子给体 +电子受体电子受体 +溶剂溶剂 电子给体：电子给体：邻苯二甲酸二烯丙酯、螺环吡喃、邻苯二甲酸二烯丙酯、螺环吡喃、荧烷、罗丹明荧烷、罗丹明 决定颜色决定颜色 电子受体：电子受体：酚类、羧酸类、磺酸类、卤代醇酚类、羧酸类、磺酸类、卤代醇 决定颜色深浅决定颜色深浅 溶溶 剂：剂：醇、硫醇、酮、醚醇、硫醇、酮、醚液晶：液晶：向列型、胆甾型向列型、胆甾型 电子给体与电子受体发生平衡移动电子给体与电子受体发生平衡移动 如：酸如：酸 碱；碱；酮式酮式 烯醇式；烯醇式；内酰亚胺内酰亚胺 酰亚胺酰亚胺 空间结构变化（晶体结构）空间结构变化（晶
40、体结构）开环或闭环（加热和冷却均可使化学键断裂，开环或闭环（加热和冷却均可使化学键断裂，促使更大的共轭体系形成）。促使更大的共轭体系形成）。有机化合物的变色机理（温度有机化合物的变色机理（温度 分子结构改变）分子结构改变）热致变色材料的应用热致变色材料的应用温度标识温度标识 （仓库存化学品、测体温、药品保存）（仓库存化学品、测体温、药品保存）日常生活（日常生活（体温计）体温计）装饰、娱乐、美化（茶杯、窗帘）装饰、娱乐、美化（茶杯、窗帘）防伪商标防伪商标用热致变色材料测定温度有许多优点：用热致变色材料测定温度有许多优点：（a a）它它能能适适用用于于一一般般温温度度计计无无法法或或难难以以测测定
41、定的的 场合，如测连续运转的部件的温度；场合，如测连续运转的部件的温度；（b b）能测量物体表面的温度分布；）能测量物体表面的温度分布；（c c）使用方便，不用附加其他的仪器设备。）使用方便，不用附加其他的仪器设备。热热致致变变色色材材料料应用应用3 3）电致变色材料）电致变色材料（ElectrochromicElectrochromic）定义：定义：在在外加电场作用下外加电场作用下能发生颜色（吸收光谱）可逆变化的材料。能发生颜色（吸收光谱）可逆变化的材料。在在电电化化学学反反应应条条件件下下，颜颜色色（吸吸收收光光谱谱）发发生生改改变变的的材材料料。（电化学变色材料）（电化学变色材料）电电致
42、致变变色色原原理理的的实实质质是是电电极极的的颜颜色色能能随随充充放放电电过过程程发发生生可可逆逆转转变变的的超超薄薄电电池池。“显显色色消消色色”过过程程伴伴随随着着电电子子转移和保持材料电中性的离子传导。转移和保持材料电中性的离子传导。无无机机电电致致变变色色材材料料几几乎乎都都是是过过渡渡金金属属氧氧化化物物（如如WOWO3 3体体系系），在在充充放放电电过过程程中中发发生生氧氧化化还还原原，出出现现混混合合价价态态离离子而显色。这类材料稳定性好，但颜色少，色调也较差。子而显色。这类材料稳定性好，但颜色少，色调也较差。如：如：还原着色反应：还原着色反应：MOMOy y+xA+xA+xe+
43、xe-A Ax xMOMOy y （0 x10 x1）还原着色材料：还原着色材料：MOMOy y：WOWO3 3、NbONbO2 2、NbNb2 2OO5 5、TiOTiO2 2、V V2 2OO5 5；A A+：H H+、Li Li+氧化着色反应：氧化着色反应：MOMOy y+xA+xA-xe-xe-A Ax xMOMOy y （0 x10 x1）氧化着色材料：氧化着色材料：MOMOy y、Ni(OH)Ni(OH)2 2、Ir(OH)Ir(OH)3 3、MnO(OH)MnO(OH)；A A-：OHOH-、F F-、CNCN-有有机机电电致致变变色色材材料料有有氧氧化化还还原原型型化化合合物物
44、、有有机机金金属属配配位位化化合合物物和和导导电电聚聚合合物物等等，这这类类材材料料色色彩彩较较全全，便便于于制制成成薄薄膜膜，但但稳稳定定性较差。性较差。如：聚苯胺、稀土如：聚苯胺、稀土二酞花菁、聚吡啶、聚噻吩二酞花菁、聚吡啶、聚噻吩 电电致致变变色色材材料料广广泛泛用用于于建建筑筑材材料料中中的的“电电调调光光玻玻璃璃”，可可使使室室内内光光线线根根据据要要求求加加以以调调整整，起到减轻空调负荷、节约能源之功效。起到减轻空调负荷、节约能源之功效。可可作作电电色色器器件件窗窗口口（smart smart windowwindow，用用于于控控制制可可见见光光、红红外外光光辐辐射射时时的的能能
45、流流量量）、电电色色存存储器件等。储器件等。电致变色材料的应用电致变色材料的应用Electrochromic WindowsAntifog glassMulti-Color Electronic Paper 二、纳米材料二、纳米材料纳米是一个长度计量单位，纳米是一个长度计量单位，1 1纳米纳米 =10=10-9-9 米。米。纳纳米米材材料料是是指指在在三三维维空空间间中中至至少少有有一一维维处处于于纳纳米米尺尺度度范范围围(10(10-9-91010-7-7m)m)或或由由它它们们作作为为基基本本单单元元构构成的材料成的材料。纳纳米米技技术术是是指指在在1100nm1100nm尺尺度度空空间间
46、内内，研研究究电电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。“纳纳”(nano)(nano)来自于希腊文，本意是来自于希腊文，本意是“矮子矮子”或或”侏儒侏儒”(dwarf)(dwarf)的意思。的意思。目目前前科科技技界界普普遍遍公公认认的的纳纳米米科科技技的的定定义义是是：在在纳纳米米尺尺度度（1 1100100纳纳米米）上上研研究究物物质质（包包括括原原子子、分分子子的的操操纵纵）的的特特性性和和相相互互作作用用，以以及及如如何何利利用用这这些些特特性性和和相相互互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳纳
47、米米科科技技与与众众多多学学科科密密切切相相关关，它它是是一一门门体体现现多多学学科科交交叉叉性性质质的的前前沿沿领领域域，涵涵盖盖纳纳米米物物理理学学、纳纳米米电电子子学学、纳纳米米化化学学、纳纳米米材材料料学学、纳纳米米机机械械学学、纳纳米米生生物物学学、纳纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等。等。按维数，纳米材料的基本单元分为四类：按维数，纳米材料的基本单元分为四类：(1(1)零维零维:在空间三维尺度在纳米尺度在空间三维尺度在纳米尺度(纳米粉体、纳米团簇纳米粉体、纳米团簇)(2)(2)一维一维:在空间有两维在纳米尺度在空间有两维在纳米尺度(
48、纳米线、棒、管纳米线、棒、管)等等(3)(3)二维二维:在三维空间中有一维在纳米尺度在三维空间中有一维在纳米尺度(超薄膜、纤维材料超薄膜、纤维材料)(4)(4)三维三维:尺寸为尺寸为1-100nm1-100nm的粒子为主体形成的纳米块体的粒子为主体形成的纳米块体 纳米材料的分类纳米材料的分类n“The principles of physics,as far as I can see,do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.”“Put the atoms down where the che
49、mist says,and so you make the substance.”-Richard Feynman(1959)Physics Nobel Laureate“There is Plenty of Room at the Bottom.”费曼费曼憧憬说：憧憬说：“如果有一天可如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，以按人的意志安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？将会产生怎样的奇迹？”纳米材料发展的里程碑纳米材料发展的里程碑 19901990年年7 7月月在在美美国国巴巴尔尔的的摩摩召召开开了了国国际际第第一一届届纳纳米米科科学学技技术术学学术术会会议议，正正式式把把纳纳米米材材料料
50、科科学学作作为为材材料料科科学学的的一一个个新新的分支公布于世。的分支公布于世。TaniguchiEric Drexler19741974年科学家唐尼古奇年科学家唐尼古奇(Taniguchi)(Taniguchi)最早使用最早使用纳米技术纳米技术(Nanotechnology)(Nanotechnology)一词描述精细机一词描述精细机械加工。械加工。19771977年年美美国国麻麻省省理理工工学学院院德德雷雷克克斯斯勒勒教教授授提提出出,可可以以从从模模拟拟活活细细胞胞的的生生物物分分子子的的人人工工类类似似物物 -分分子子装装置置开开始始研研究究,并并称称之之为为纳纳米米科科技技。他他70