00 功能材料及其应用概论.pptx

第1页：功能材料及其应用课程封面

课程名称：《功能材料及其应用》计划学时：32学时参考教材：《功能材料学》周馨我主编《功能材料概论》殷景华等

第2页：材料的重要地位与发展历史

材料是现代科技和国民经济的物质基础。一个国家生产材料的品种、数量和质量是衡量其科技和经济发展水平的重要标志。现代文明的三大支柱：材料、信息和能源。新技术革命的主要标志：新材料、信息和生物技术。

第3页：材料的重要地位与发展历史

结构材料(structuralmaterials)材料的发展最早从结构材料(structuralmaterials)开始的。结构材料是指能承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料，如建筑材料、机器制造材料等。

结构材料具有优良的力学性能，在物件中起着“力能”的作用。材料发展的第一阶段是结构材料为主的阶段。结构材料称为第一代材料。

第4页：材料的重要地位与发展历史

材料科学与工程(materialsscienceandengineering)材料的发展虽然历史悠久，但作为一门独立的学科始于20世纪60年代。

20世纪70年代，美国学者首先提出材料科学与工程(materialsscienceandengineering)这个学科全称。

1975年美国科学院发表的《材料与人类》专著中，对材料科学与工程定义为：探索和应用材料的成分、结构、加工和其性质与应用之间关系的一门学科。材料的研究和制造开始从经验的、定性的和宏观的向理论的、定量的和微观的发展。

第5页：功能材料的概念与发展

功能材料(functionalmaterials)功能材料(functionalmaterials)的概念是美国MortonJA于1965年首先提出来的。

功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。

功能材料的研究和应用实际上远早于1965年，只是品种和产量很少，且在相当一段时间内发展缓慢，未能成为一个独立的材料分支领域。

第6页：功能材料的定义

功能材料的定义：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。

第7页：各种现代技术的兴起

• 20世纪60年代以来，三大因素刺激了功能材料的飞速发展。
• 各种现代技术的兴起各种现代技术如微电子、激光、红外、光电、空间、能源、计算机、机器人、信息、生物和医学等技术。
• 基础理论学科的迅速发展固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展。

第8页：现代制备和技术分析测试技术的应用

（3）现代制备和技术分析测试技术的应用各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新的功能材料不仅已在实验室中研制出来，而且已批量生产和得到应用，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。

功能材料学科迅速发展成为材料学科与工程中一个分支学科。

第9页：功能材料的概念与发展

功能材料迅速发展是材料发展第二阶段的主要标志。功能材料称为第二代材料。

20世纪80年代以来，随着高技术的兴起和发展，需要许多能满足高技术要求的新材料，称为高技术新材料(advancedmaterialsforhightechnology)，其中大部分属功能材料。材料开发的重点越来越转向功能材料。

功能材料学科成为材料学科中一个最活跃的前沿学科。

第10页：功能材料的聚集态和形态非常多样化

功能材料

是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。迄今为止，功能材料尚无统一的和严格的定义。与结构材料相比，有以下主要特征：(1)最本质的特征功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动。(2)功能材料的聚集态和形态非常多样化

第11页：功能材料的聚集态和形态非常多样化

• 功能材料的聚集态和形态非常多样化除了晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、准晶态、混合态和等离子态等。除了三维体相材料外，还有二维、一维和零维材料。除了平衡态外，还有非平衡态。
• 材料元件一体化结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品。

第12页：知识密集型产物功能材料是利用现代

• 知识密集型产物功能材料是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。
• 应用先进的制备、控制和检测技术功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术。如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、密积化、智能化以及精细控制和检测技术。

第13页：按用途分类可分为电子、航空

• 为了研究、生产和应用的方便，常把种类繁多的功能材料分类。着眼点不同，分类的方法也不同。目前主要有六种分类方法，各有特点，不能互相包括和代替。
• 按用途分类可分为电子、航空、航天、兵工、建筑、医药、包装等材料。
• 按化学成分分类可分为金属、无机非金属、有机、高分子和复合功能材料。

第14页：按聚集态分类可分为气态、液态、固

• 按聚集态分类可分为气态、液态、固态、液晶态和混合态功能材料。其中，固态又分为晶态、准晶态和非晶态。
• 按功能分类可分为物理(如光、电、磁、声、热等)、化学(如感光、催化、含能、降解等)、生物(如生物医药、生物模拟、仿生等)和核功能材料。物理功能材料发展最快，品种多，功能新，商品化率和实用化率高，在已经实用的功能材料中占绝大部分。

第15页：按材料形态分类可分为体积、膜

• 按材料形态分类可分为体积、膜、纤维和颗粒等功能材料。
• 按维度分类可分为三维、二维、一维和零维功能材料。三维材料即固态体相材料。低维材料二维、一维和零维材料分别为其厚度、径度和粒度小到纳米量级的薄膜、纤维和微粒，统称低维材料。低维材料主要特征是具有量子化效应。

第16页：功能材料的现状和展望

近年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，几十万多品种，且每年都有大量新品种问世。“十五”10项重大科学研究计划之一，“光电信息功能材料”。展望21世纪，高新技术将更迅猛地发展，对功能材料的需求也日益迫切。

功能材料在近期会有一个更大的发展，从国内外功能材料的研究动态看，功能材料的发展趋势可归纳为如下几个方面。

第17页：开发高技术所需的新型功能材料

(1)开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域所需和在极端条件下工作的高性能功能材料。尖端领域：如航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等。

极端条件：如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧、核爆炸等。

第18页：功能材料的功能从单功能向多功能

• 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。低级功能：如单一的物理功能。高级功能：如人工智能、生物功能和生命功能等。
• 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。
• 功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。

第19页：功能材料的新概念

(5)功能材料的新概念、新设计和新工艺进一步研究和发展。新概念：梯度化、低维化、智能化、非平衡态、分子组装、杂化、超分子化和生物分子化等。新设计：化学模式识别设计、分子设计、非平衡态设计，量子化学和统计力学计算法等。

新设计方法采用计算机辅助设计(CAD)，建立数据库和计算机专家系统。

第20页：完善和发展功能材料检测和评价的方

§0.3功能材料的现状和展望新工艺：激光加工、离子注入、等离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下的工艺技术。(如高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、强辐射、急冷和超净等。

)已提出的新概念、新设计和新工艺要进一步发展和实用化，更重要的是要探索和研究前人还没有提出的新概念、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。

第21页：迅速推广成熟的研究成果

§0.3功能材料的现状和展望(7)加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域。(8)迅速推广成熟的研究成果，形成生产力。

我国在半导体、介电、压电、铁电、新型铁氧体、光源、信息传输、信息储存和处理、光纤、电色、光色、形状记亿合金、非线性光学晶体、超导、电磁和生物医学等功能材料的研究和开发方面都取得了很大进展。有些品种已达到国际先进水平。

如大直径单晶硅、高临界温度超导材料、无机非线性光学晶体、有机高密度光电子信息存储材料、碳纳米管和功能陶瓷等。

第22页：功能材料学研究

• 功能材料学研究功能材料的成分、结构、性能、应用及其间的关系。在此基础上，研究功能材料的设计和发展途径。
• 功能材料工程学研究功能材料的合成、制备、提纯、改性、储存和使用的技术和工艺。
• 功能材料的表征和测试技术研究一般通用的理化测试技术在功能材料上的应用和各类功能材料特征功能的测试技术和表征。

第23页：功能材料学科的相关学科

功能材料学科是一门与多学科交叉的学科，与其相关的学科很多。紧密相关的学科有：基础学科：固体物理、结构化学、无机化学、有机高分子化学、生物和医学等基础学科。材料类学科：各类材料学科。工艺类学科：冶金、化工、硅酸盐与陶瓷和制药等工艺类学科。

现代技术类学科：光电磁声热等现代技术类学科。分析测试类学科：各种成分、物性等分析测试类学科。

第24页：教学方法课堂讲解

§0.5《功能材料》课程的教学内容和方法一、教学内容功能材料学科内容繁多，且与许多学科交叉，涉及领域很广。教学内容，受篇时间所限，主要介绍物理功能材料的成分、结构、性能、应用和发展动向以及一些新兴材料的制备方法。

很少涉及化学、生物等功能材料的内容，这是一个缺憾。二、教学方法课堂讲解、专题讨论与课外自学相结合。