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1、金属功能材料及应用金属功能材料及应用 课程安排：课程安排：第一章第一章 功能材料发展动向功能材料发展动向第二章第二章 金属超导材料金属超导材料 第三章第三章 贮氢合金贮氢合金 第四章第四章 形状记忆合金形状记忆合金 第五章第五章 金属磁性材料金属磁性材料第六章第六章 其它新型功能材料其它新型功能材料 第一章第一章 功能材料发展动向功能材料发展动向 什么是功能材料？什么是功能材料？结构材料结构材料 结构材料是指用于制造各种工程结构和机器结构材料是指用于制造各种工程结构和机器零件的一类材料。零件的一类材料。结构材料的主要特点：使用材料的力学性能。结构材料的主要特点：使用材料的力学性能。结构材料的发
2、展动向：节能、省材。结构材料的发展动向：节能、省材。体现在三个方面：体现在三个方面：（1 1）具有更高的比强度和比刚度。）具有更高的比强度和比刚度。比强度是指材料的强度与其比重之比；比强度是指材料的强度与其比重之比；比刚度是指材料的弹性模量与其比重之比，也称比刚度是指材料的弹性模量与其比重之比，也称为比模量。为比模量。（2 2）能耐更苛刻的工作环境。）能耐更苛刻的工作环境。材料因为腐蚀每年要浪费材料因为腐蚀每年要浪费2020左右，腐蚀还是许左右，腐蚀还是许多金属零构件丧失工作性能、导致多种失效事故多金属零构件丧失工作性能、导致多种失效事故的原因。材料的耐腐蚀性提高后，能够大大提高的原因。材料的
3、耐腐蚀性提高后，能够大大提高工作寿命，显著节能。工作寿命，显著节能。（3 3）能承受更高的温度。）能承受更高的温度。温度对空间机械与动力机械的热效率影响很大。温度对空间机械与动力机械的热效率影响很大。目前的常规火力发电装置，工作温度在目前的常规火力发电装置，工作温度在400400左右，左右，热效率为热效率为30304040；而正在发展的磁流体发电装；而正在发展的磁流体发电装置，工作温度可达置，工作温度可达30003000，热效率为，热效率为50506060。航空发动机的工作温度一般为航空发动机的工作温度一般为10001000左右，效率左右，效率为为3535左右；若将航空发动机工作温度提高到左右
4、；若将航空发动机工作温度提高到1500150016001600，则效率提高到，则效率提高到5050左右。左右。功能材料功能材料功能材料是指应用时，主要利用其非力学性能的一类材功能材料是指应用时，主要利用其非力学性能的一类材料。这类材料在光、电、磁、声、热、化学、生物化学料。这类材料在光、电、磁、声、热、化学、生物化学等作用下，能够具有某种或某几种特定的功能，比如光等作用下，能够具有某种或某几种特定的功能，比如光学功能、电磁功能、声学功能、生物功能、分离功能、学功能、电磁功能、声学功能、生物功能、分离功能、梯度功能、形状记忆功能、自适应功能等；梯度功能、形状记忆功能、自适应功能等；在新型材料的研
5、究中，新型功能材料所占的比重很大，在新型材料的研究中，新型功能材料所占的比重很大，新型功能材料是当前人们最为关注的新材料领域之一。新型功能材料是当前人们最为关注的新材料领域之一。所谓所谓“新型功能材料新型功能材料”是指新近发展起来和正在发展中是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，将对科学技术尤其是高技的具有优异性能和特殊功能，将对科学技术尤其是高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。一、能源材料一、能源材料能源是人类社会赖以生存与发展的重要物质基础，能源是人类社会赖以生存与发展的重要物质基础，在在21世纪，将能源列为现代文明的
6、四大支柱之一。世纪，将能源列为现代文明的四大支柱之一。什么是能源材料？什么是能源材料？能源材料是指那些正在发展的、可能支撑新能源体能源材料是指那些正在发展的、可能支撑新能源体系的建立、满足各种新能源及节能新技术要求的一系的建立、满足各种新能源及节能新技术要求的一类材料。类材料。1、超导材料、超导材料超导材料，节能潜力巨大。超导材料，节能潜力巨大。超导材料可以用于输电、发电、贮能、以超导材料可以用于输电、发电、贮能、以及电机制造、变压器制造等方面。及电机制造、变压器制造等方面。存在问题：存在问题：使用温度很低，只能在液氦、使用温度很低，只能在液氦、液氮温度下使用，因此使用成本高。液氮温度下使用，
7、因此使用成本高。超导材料的研究方向：超导材料的研究方向：寻找新的高温超导寻找新的高温超导体。体。2、贮氢合金、贮氢合金氢能是人类未来的理想能源。因为它资源丰富、干净、氢能是人类未来的理想能源。因为它资源丰富、干净、无污染，而且应用范围广泛，所以氢能的利用受到各国无污染，而且应用范围广泛，所以氢能的利用受到各国重视。重视。氢能利用的关键是氢的制备技术和高密度氢的安全储存。氢能利用的关键是氢的制备技术和高密度氢的安全储存。目前研究的重点集中在贮氢材料上。目前研究的重点集中在贮氢材料上。已经发现了许多种具有实用价值的贮氢合金，比如：稀已经发现了许多种具有实用价值的贮氢合金，比如：稀土系列、镁镍系列、
8、钛铁系列、以及钛锰系列等。土系列、镁镍系列、钛铁系列、以及钛锰系列等。稀土系列的代表：稀土系列的代表：LaNi5。该材料特点：。该材料特点：优点：室温即可活化，吸氢放氢容易，平衡压低，滞后优点：室温即可活化，吸氢放氢容易，平衡压低，滞后小。小。缺点：价格贵，成本高。缺点：价格贵，成本高。发展方向：向三元及多元方向发展，以降低成本。发展方向：向三元及多元方向发展，以降低成本。3、太阳能电池材料、太阳能电池材料太阳能将成为人类最主要的可再生能源，可以说取之不尽、太阳能将成为人类最主要的可再生能源，可以说取之不尽、用之不竭。用之不竭。目前最有希望大量应用的是硅太阳能电池。这种材料在性目前最有希望大量
9、应用的是硅太阳能电池。这种材料在性能上已经取得了突破性进展。能上已经取得了突破性进展。单晶硅电池的光电转换效率已达单晶硅电池的光电转换效率已达23.7；多晶硅电池达；多晶硅电池达18.6；砷化镓基电池达；砷化镓基电池达30；尚在开发的非晶硅电池，；尚在开发的非晶硅电池，及多层复合电池，转换效率可达及多层复合电池，转换效率可达40以上。以上。主要存在的问题：材料的制造成本高，价格贵。主要存在的问题：材料的制造成本高，价格贵。发展趋势：一是降低成本，二是进一步提高转换效率。发展趋势：一是降低成本，二是进一步提高转换效率。4、燃料电池材料、燃料电池材料燃料电池是一种在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中
10、燃料电池是一种在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转换为电能的发电装置。其发电原理类的化学能高效地转换为电能的发电装置。其发电原理类似于化学电源，而它的工作方式又类似于汽油、柴油发似于化学电源，而它的工作方式又类似于汽油、柴油发电机。电机。已经针对不同的用途，开发了多种燃料电池，如碱性氢已经针对不同的用途，开发了多种燃料电池，如碱性氢氧电池（氧电池（AFC）、磷酸型燃料电池（）、磷酸型燃料电池（PAFC）、质子交换）、质子交换膜型燃料电池（膜型燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐型燃料电池）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、及固体氧化物燃料电池（）、及固体氧化物燃料电池（SOFC）
11、等。）等。固体氧化物燃料电池的研究最为活跃，研究的重点集中固体氧化物燃料电池的研究最为活跃，研究的重点集中在电池的电解质材料上，有望推广应用的材料是：氧化在电池的电解质材料上，有望推广应用的材料是：氧化钇（钇（Y2O3）和氧化锆（）和氧化锆（ZrO2）。）。（5）相变储能材料（储热材料）相变储能材料（储热材料）相变储能材料在其物相变化过程中相变储能材料在其物相变化过程中,能够从环境能够从环境吸收热量或向环境放出热量吸收热量或向环境放出热量,从而达到储存和释从而达到储存和释放能量的目的放能量的目的,解决能量供求在时间和空间上不解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，因此有效地提高能源的利用率。匹
12、配的矛盾，因此有效地提高能源的利用率。相变储能材料在相变过程中温度近似恒定，可以相变储能材料在相变过程中温度近似恒定，可以用于调整控制周围环境的温度用于调整控制周围环境的温度,并且可以多次重并且可以多次重复使用。复使用。相变储能材料在太阳能、电力相变储能材料在太阳能、电力“移峰填谷移峰填谷”、工、工业与民用建筑和空调的节能等领域有着广阔的应业与民用建筑和空调的节能等领域有着广阔的应用前景。用前景。相变材料的种类很多，存在形式各种各样，迄今相变材料的种类很多，存在形式各种各样，迄今为止，人们研究过的天然和合成的相变材料已超为止，人们研究过的天然和合成的相变材料已超过过4300多种。多种。从材料的
13、化学组成来看，可分为无机相变材料、从材料的化学组成来看，可分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材料三类。有机相变材料和混合相变材料三类。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物；金等无机物；有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物；机物；混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。混合物。从贮热的温度范围来看，可分为高温、中温和低从贮热的温度范围来看，可分为高温、中温和低温三类。温三类。高温相变材料主要是一些熔融盐、金属合金；高温相变材料主要
14、是一些熔融盐、金属合金；中温相变材料主要是一些水合盐、有机物和高分中温相变材料主要是一些水合盐、有机物和高分子材料；子材料；低温相变材料主要是冰、水凝胶，应用于贮冷。低温相变材料主要是冰、水凝胶，应用于贮冷。从贮热过程中材料相态的变化方式来看，又可分从贮热过程中材料相态的变化方式来看，又可分为固为固-液相变、固液相变、固-固相变、固固相变、固-气相变和液气相变和液-气相气相变四类。变四类。固固-液相变材料和固液相变材料和固-固相变材料两大类研究较多、固相变材料两大类研究较多、发展较快。发展较快。利用相变材料储热和放热的特性，可做成各种储利用相变材料储热和放热的特性，可做成各种储热节能装置和温控
15、系统，并且具有以下优点：装热节能装置和温控系统，并且具有以下优点：装置简单；使用方便；节能效率高；管理和维修简置简单；使用方便；节能效率高；管理和维修简便；经济效益好。便；经济效益好。相变储热材料适用于热能的供应与需求之间失衡相变储热材料适用于热能的供应与需求之间失衡的各种情形与场合，包括太阳能、电力、工业余的各种情形与场合，包括太阳能、电力、工业余热、建筑物、纺织品、太空站、军事等领域，而热、建筑物、纺织品、太空站、军事等领域，而且已进入实用阶段。目前，相变贮热材料已用于且已进入实用阶段。目前，相变贮热材料已用于住宅、办公楼和公共活动场所的取温和保温，绿住宅、办公楼和公共活动场所的取温和保温
16、，绿色建筑色建筑,电子通讯，计算机，药品和食物贮存。电子通讯，计算机，药品和食物贮存。二、光电子信息材料二、光电子信息材料发展趋势：多功能、集成化、微型化及高发展趋势：多功能、集成化、微型化及高灵敏度。灵敏度。进展如下：进展如下：信息处理技术和材料的开发研究；信息处理技术和材料的开发研究；信息传递技术和材料的开发研究；信息传递技术和材料的开发研究；信息存贮技术和材料的开发研究；信息存贮技术和材料的开发研究；信息显示技术及材料的开发研究；信息显示技术及材料的开发研究；获取信息的技术和材料的开发研究；获取信息的技术和材料的开发研究；三、功能陶瓷材料三、功能陶瓷材料 功能陶瓷品种多，用途广，发展迅速
17、，在整个精细陶功能陶瓷品种多，用途广，发展迅速，在整个精细陶瓷的市场销售份额中，功能陶瓷要占到瓷的市场销售份额中，功能陶瓷要占到70以上。以上。功能陶瓷的发展方向：高可靠性、多功能、微型化、功能陶瓷的发展方向：高可靠性、多功能、微型化、集成化和智能化。集成化和智能化。研究热点：研究热点：新型陶瓷电容器材料及制备技术的开发；新型陶瓷电容器材料及制备技术的开发；压电陶瓷和驱动陶瓷的开发；压电陶瓷和驱动陶瓷的开发；微波介质陶瓷材料与器件的开发；微波介质陶瓷材料与器件的开发；高性能半导体敏感陶瓷材料的开发高性能半导体敏感陶瓷材料的开发；固体氧化物燃料电池用陶瓷材料；固体氧化物燃料电池用陶瓷材料；环境保
18、护用光催化二氧化钛陶瓷材料；环境保护用光催化二氧化钛陶瓷材料；功能陶瓷膜的制备技术。功能陶瓷膜的制备技术。四、非晶态材料四、非晶态材料所谓非晶态材料是泛指内部的原子排列呈无序状态、杂乱所谓非晶态材料是泛指内部的原子排列呈无序状态、杂乱无章分布的一类材料。无章分布的一类材料。而新型非晶态材料是特指由晶态材料在特殊条件下发生转而新型非晶态材料是特指由晶态材料在特殊条件下发生转变而获得的非晶态材料。变而获得的非晶态材料。非晶态材料通常具备许多优秀性能：非晶态材料通常具备许多优秀性能：具有极高的强度和硬度，远远大于晶态的超高强度钢具有极高的强度和硬度，远远大于晶态的超高强度钢（b b1400MPa14
19、00MPa）；）；具有很好的韧性；具有很好的韧性；抗腐蚀性能好，远远好于目前广泛使用的不锈钢；抗腐蚀性能好，远远好于目前广泛使用的不锈钢；某些非晶态材料还具有优秀的软磁性能和超导性能。某些非晶态材料还具有优秀的软磁性能和超导性能。五、生物医用材料五、生物医用材料生物医用材料是指用作生物体部分功能或形态修生物医用材料是指用作生物体部分功能或形态修复的一类材料，常简称为生物材料。复的一类材料，常简称为生物材料。这类材料正作为一个新兴的产业快速发展，其市这类材料正作为一个新兴的产业快速发展，其市场销售额正以每年场销售额正以每年16的速度递增。的速度递增。生物医用材料包括三个方面：生物医用材料包括三个
20、方面：硬组织的替代材料；比如：人工骨、人工齿等。硬组织的替代材料；比如：人工骨、人工齿等。埋入生物体内部的埋入材料；比如：人工血管、埋入生物体内部的埋入材料；比如：人工血管、人工肾等。人工肾等。作为药物定位的载体材料。作为药物定位的载体材料。目前，研制开发的生物医用材料，根据其组成可目前，研制开发的生物医用材料，根据其组成可分为三类：分为三类：医用金属和合金；其中钛及其合金特别受到重医用金属和合金；其中钛及其合金特别受到重 视，因为它具有良好的生物相容性。这类材料视，因为它具有良好的生物相容性。这类材料 可用于某些硬组织的修复和替换。可用于某些硬组织的修复和替换。医用高分子材料；主要用作埋入材
21、料和药物定医用高分子材料；主要用作埋入材料和药物定 位的载体材料。位的载体材料。医用复合生物材料。三个方面均可应用。医用复合生物材料。三个方面均可应用。六、生态环境材料六、生态环境材料许多科学家预言，环境问题将是许多科学家预言，环境问题将是21世纪人类面临世纪人类面临的最大危机和最严峻的挑战之一。正因为如此，的最大危机和最严峻的挑战之一。正因为如此，大力发展生态环境材料，保护环境，已经受到越大力发展生态环境材料，保护环境，已经受到越来越多国家的重视。来越多国家的重视。所谓生态环境材料是指那些具有良好的使用性能所谓生态环境材料是指那些具有良好的使用性能或功能，并且能够和环境相协调的材料。或功能，
22、并且能够和环境相协调的材料。生态环境材料的特点：生态环境材料的特点：（1）消耗的资源和能源少；）消耗的资源和能源少；（2）对生态和环境污染小；）对生态和环境污染小；（3）再生利用率高。）再生利用率高。七、智能材料七、智能材料智能材料是指能够感知环境变化，并通过自我判断得出智能材料是指能够感知环境变化，并通过自我判断得出结论执行相应指令的材料。结论执行相应指令的材料。它是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后它是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，将是现代高技术新材料发展的重要方向的第四代材料，将是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高新技术的发展，并使传统
23、意义下的之一，将支撑未来高新技术的发展，并使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界限逐渐消失，实现结构功功能材料和结构材料之间的界限逐渐消失，实现结构功能化，功能多样化。能化，功能多样化。科学家们预言，智能材料的研制成功和大规模的推广应科学家们预言，智能材料的研制成功和大规模的推广应用将导致材料科学发展的重大革命，从而使人们的工作用将导致材料科学发展的重大革命，从而使人们的工作和生活更加方便。和生活更加方便。“智能材料可能产生奇迹智能材料可能产生奇迹”智能飞机的机翼可以象鸟的翅膀一样弯曲，智能飞机的机翼可以象鸟的翅膀一样弯曲，自动改变形状，从而提高升力和减小阻力；自动改变形状，从而提高升力和减
24、小阻力；桥梁和电线杆在快要断裂时可以发出报警桥梁和电线杆在快要断裂时可以发出报警信号，然后自动加固自身的结构；空调可信号，然后自动加固自身的结构；空调可以抑制振动而寂静地工作；手枪只有在主以抑制振动而寂静地工作；手枪只有在主人使用时才能开火；轮胎需要充气时会礼人使用时才能开火；轮胎需要充气时会礼貌地通知司机。等等貌地通知司机。等等。目前，关于智能材料的研究刚刚起步，已目前，关于智能材料的研究刚刚起步，已经发现具有智能特点的材料有以下几种：经发现具有智能特点的材料有以下几种：光导纤维；光导纤维；压电陶瓷和压电高分子材料；压电陶瓷和压电高分子材料；形状记忆材料；形状记忆材料；磁致伸缩材料。磁致伸缩
25、材料。八、功能复合材料八、功能复合材料21世纪是复合材料的时代。不但结构材料趋向于复合化，功能材料也世纪是复合材料的时代。不但结构材料趋向于复合化，功能材料也向复合方向发展。复合材料是新材料研究的一个重要方向。向复合方向发展。复合材料是新材料研究的一个重要方向。功能复合材料的研究重点：功能复合材料的研究重点：导电复合材料；导电复合材料；透光复合材料；透光复合材料；隐身复合材料；隐身复合材料；压电复合材料；压电复合材料；电接触复合材料；电接触复合材料；超导复合材料；超导复合材料；耐热、抗激光辐射复合材料；耐热、抗激光辐射复合材料；耐热、绝热复合材料。耐热、绝热复合材料。九、低维材料九、低维材料所
26、谓低维材料，相对于体材料而言，就是超微粒所谓低维材料，相对于体材料而言，就是超微粒子、纤维和薄膜，它们分别属于子、纤维和薄膜，它们分别属于0、1、2维的低维维的低维材料。材料。1、超微粒子、超微粒子超维粒子是指尺寸为超维粒子是指尺寸为1100nm大小的颗粒。也称大小的颗粒。也称为纳米超维粒子，简称为纳米粒子，或纳米材料。为纳米超维粒子，简称为纳米粒子，或纳米材料。纳米粒子的主要结构特征：颗粒尺寸小，晶界面纳米粒子的主要结构特征：颗粒尺寸小，晶界面积大，比表面积大。积大，比表面积大。纳米材料将是材料发展的重要方向。纳米材料将是材料发展的重要方向。2、纤维、纤维纤维是指二个方向的尺寸很小，在微米尺
27、度内，纤维是指二个方向的尺寸很小，在微米尺度内，另一个方向的尺寸相对较大的一种材料。另一个方向的尺寸相对较大的一种材料。纤维的主要特点：纤维的主要特点：（1）力学性能优秀。首先，由于尺寸效应和微）力学性能优秀。首先，由于尺寸效应和微观缺陷的大量减少，其强度比大块材料明显提高，观缺陷的大量减少，其强度比大块材料明显提高，如晶须可接近材料的理论强度。其次，纤维可以如晶须可接近材料的理论强度。其次，纤维可以挠曲，不断裂。挠曲，不断裂。（2）具有优秀的理化性能。纤维耐腐蚀、抗电）具有优秀的理化性能。纤维耐腐蚀、抗电磁干扰、密度小、重量轻等。磁干扰、密度小、重量轻等。目前，纤维在某些行业已经得到了广泛的
28、应用。目前，纤维在某些行业已经得到了广泛的应用。复合材料中，因为使用纤维具有很好的强化效果，复合材料中，因为使用纤维具有很好的强化效果，所以以纤维为增强体所占的比重很大，已经开发所以以纤维为增强体所占的比重很大，已经开发了多种增强纤维，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、了多种增强纤维，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、纤维、Al2O3纤维等。纤维等。纤维在功能材料中也占有重要的地位，如光导纤纤维在功能材料中也占有重要的地位，如光导纤维不仅可以用于通讯，而且还能用作传感器，光维不仅可以用于通讯，而且还能用作传感器，光纤传感器可以测量纤传感器可以测量70多个物理量，如：位移、振多个物理量，如：位移
29、、振动、转动、弯曲、应变、压力、流量、浓度、速动、转动、弯曲、应变、压力、流量、浓度、速度、加速度、磁场、电流、电压、温度、声场等。度、加速度、磁场、电流、电压、温度、声场等。3、薄膜材料、薄膜材料薄膜材料为二维的低维材料，它是指一个方向的尺寸很薄膜材料为二维的低维材料，它是指一个方向的尺寸很小，另二个方向的尺寸相对较大的一种材料。小，另二个方向的尺寸相对较大的一种材料。薄膜材料，是从上世纪薄膜材料，是从上世纪70年代后期发展起来的一种新材年代后期发展起来的一种新材料。它是由特殊的制备方法（即薄膜技术）获得的一种料。它是由特殊的制备方法（即薄膜技术）获得的一种新型材料。新型材料。自薄膜技术和薄膜材料问世之后，就取得了突飞猛进的自薄膜技术和薄膜材料问世之后，就取得了突飞猛进的发展，现在几乎已经涉及了所有的前沿学科，在电子、发展，现在几乎已经涉及了所有的前沿学科，在电子、计算机、信息、能源、传感器、航空航天、生物、医学计算机、信息、能源、传感器、航空航天、生物、医学等行业中均有突出的用途，如薄膜电路、薄膜光电转换等行业中均有突出的用途，如薄膜电路、薄膜光电转换材料、薄膜电阻、薄膜超导、分离膜、生物膜等。材料、薄膜电阻、薄膜超导、分离膜、生物膜等。本本 章章 结结 束束