功能材料概論-課件

功能材料概論

IntroductiontoFunctionalMaterials

1功能材料概論

IntroductiontoFunctio課程簡介課程性質：專業(yè)基礎課先修課程：無機化學，物理化學，高分子化學，高分子物理總學時：36學時教材：《功能材料概論》殷景華王雅珍等編參考書：現(xiàn)代功能材料及其應用—郭衛(wèi)生,汪濟奎

功能材料學——周馨我新型功能材料——貢長生，張克立課程內容：1．功能材料的科學基礎2．金屬功能材料3．無機非金屬功能材料4．功能高分子材料2課程簡介課程性質：專業(yè)基礎課程基本要求和考核基本要求1.請不要無故曠課、遲到，若有事請假，請寫好假條，輔導員簽字方可；2.課堂上請不要做干擾老師上課或同學聽講的事情；3.按時按量完成作業(yè)考核：平時成績（10%）+期中成績（報告10%）+期末成績（80%）3課程基本要求和考核基本要求3第一章緒論現(xiàn)代文明的三大支柱-----能源、信息和材料。材料是一切技術發(fā)展的物質基礎。

4第一章緒論現(xiàn)代文明的三大支柱-----能源、信一、材料科學及其發(fā)展

材料是可以用來制造有用的構件、器件或物品的物質。師昌緒主編：《材料大辭典》

材料是“具有一定性能的物質,可以用來制成一些機器、器件、結構和產(chǎn)品”美國科學院、工程院聯(lián)合編寫《材料：人類的需求》1、什么是材料？5一、材料科學及其發(fā)展材料是可以用來制造有用的構件幾乎所有的物質都可以稱為是材料，但并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關注。那么，什么樣的材料值得我們關注？

——實用價值6幾乎所有的物質都可以稱為是材料，但并不是所有的材料材料實用價值的五個判據(jù)資源能源環(huán)保經(jīng)濟質量7材料實用價值的五個判據(jù)資源7

考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應該定義為：人類社會所能夠接受的經(jīng)濟地制造有用器件的物質

8考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應該定義為：人2、材料科學及其發(fā)展

第一代（天然材料）：自然界的礦物、植物以及動物第二代（燒煉材料）：燒結：磚瓦、陶瓷、玻璃、水泥；

冶煉：銅鐵第三代（合成材料）：20世紀初出現(xiàn)化工產(chǎn)品，塑料、橡膠、纖維等已廣泛用于生活。第四代（可設計材料）：前三代為單一產(chǎn)品，于是根據(jù)需要設計特殊性能的材料。例20世紀40年代的復合材料第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例記憶合金等。92、材料科學及其發(fā)展第一代（天然材料）：自然材料科學的發(fā)展過程：P6

發(fā)現(xiàn)與使用自然材料↓合成與設計材料↓賦予材料生命體功能10材料科學的發(fā)展過程：P6發(fā)現(xiàn)與使用自然材料1020世紀科學技術領域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航空航天、激光、信息、能源等領域），它有力地促進了材料的發(fā)展，使得材料在20世紀中葉，發(fā)生了一次“革命性”的飛躍：超音速飛機(鎳基超級合金)計算機(晶體管、半導體)航天飛機(高溫結構陶瓷)這個飛躍的標志就是“材料科學”的形成。1120世紀科學技術領域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航3、材料科學形成的背景20世紀中葉是蘇美兩個超級大國在各個領域進行全面競爭的時代。材料的競爭是其中的主要內容之一。1957年蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學研究。美國從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學作為一個學科對待。123、材料科學形成的背景12美國：50年代末美國政府就制定了全國材料發(fā)展規(guī)劃，70~80年代又進行了多次的補充和修正，把重點放在超硬化合物、半導體激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在1980年開展了為期10年耗資4億美元的新材料發(fā)展規(guī)劃，重點領域為精密陶瓷、功能高分子、復合材料、生物材料等。歐洲：與前蘇聯(lián)也制訂了類似的規(guī)劃，競爭的項目也集中在這些領域。13美國：50年代末美國政府就制定了全國材料發(fā)展規(guī)劃，70~英國人悲哀地說：英國沒有硅工業(yè)了，英國從第一流的經(jīng)濟大國變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟發(fā)達國家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟發(fā)達國家變成了第一流的經(jīng)濟大國。14英國人悲哀地說：英國沒有硅工業(yè)了，英國從第一流的經(jīng)濟大國變?yōu)槎?、材料的分?5二、材料的分類151.按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力學性能（強度、塑性）；可加工性；優(yōu)異的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度?。槐葟姸却?；絕緣性好；耐腐蝕；易加工。無機非金屬材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高溫；抗腐蝕；高硬度；優(yōu)良介電、壓電、光學、磁學性能。復合材料（玻璃鋼，碳纖維聚合物，陶瓷基、金屬基）：兩種以上；特殊方法。161.按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力2.按材料內部原子排列情況分類晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料172.按材料內部原子排列情況分類晶態(tài)材料173.從材料尺度角度分類三維材料--塊體材料二維材料--薄膜、涂層等(金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜、耐磨涂層)一維材料--纖維、晶須等(光導纖維、高強纖維)零維材料--粉體183.從材料尺度角度分類三維材料--塊體材料184.按材料的用途分類結構材料(structuralmaterial)：是以力學性能為基礎，以制造受力構件所用材料，當然，結構材料對物理或化學性能也有一定要求，如光澤、熱導率、抗輻照、抗腐蝕、抗氧化等。（例支撐件、連接件、傳動件、緊固件）功能材料(functionalmaterial)：指那些具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫(yī)學功能，特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于各類高科技領域的高新技術材料。（磁性、電子、信息、光學、敏感、能源）1965年由美國貝爾實驗室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。在國外，常將這類材料稱為功能材料(FunctionalMaterials)、特種材料(SpecialityMaterials)或精細材料(FineMaterials)。結構材料與功能材料的劃分并不嚴格：生物醫(yī)學材料？194.按材料的用途分類結構材料(structuralmat

材料的特定的功能與材料的特定結構是相聯(lián)系的。如對于導電聚合物來說，它一般具有長鏈共軛雙鍵；金屬結構中由于彈性馬氏體相變能產(chǎn)生記憶效應，因此出現(xiàn)了形狀記憶合金；壓電陶瓷晶體必須有極軸等。

20材料的特定的功能與材料的特定結構是相聯(lián)系的。如對于導電聚三、功能材料的特征和分類21三、功能材料的特征和分類211、功能材料的特征與結構材料相比，有以下主要特征：1）功能材料的功能對應于材料的微觀結構和微觀物體的運動，是最本質的特征。2）功能材料的聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化，除晶態(tài)外，還有氣態(tài)、液態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)和等離子態(tài)。除三維材料外，還有二維、一維和零維材料。3）結構材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，而功能材料有相當一部分是以元件形式為最終產(chǎn)品，即材料元件一體化。221、功能材料的特征與結構材料相比，有以下主要特征：224）功能材料是利用現(xiàn)代科學技術，多學科交叉的知識密集型產(chǎn)物。5）功能材料的制備技術不同于結構材料用的傳統(tǒng)技術，而是采用許多先進的新工藝和新技術，如急冷、超凈、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精細控制和檢測技術。234）功能材料是利用現(xiàn)代科學技術，多學科2、功能材料的分類功能材料的種類繁多，為了研究、生產(chǎn)和應用的方便，常把它分類。目前尚無統(tǒng)一的分類標準，由于著眼點不同，分類方法也不同，目前主要有以下六種分類方法：242、功能材料的分類功能材料的種類繁多，為了研究、生產(chǎn)即按材料的化學鍵、化學成分分類，功能材料可分為：金屬功能材料；無機非金屬功能材料；有機功能材料；復合功能材料等。

功能材料無機金屬(精密合金)非金屬半導體陶瓷玻璃其它有機(高分子)復合高分子系復合金屬系復合陶瓷系復合⑴基于材料的物質性的分類25即按材料的化學鍵、化學成分分類，功能材料可分為：金屬功能材按材料的物理性質分類，功能材料可分為：磁性材料；電性材料、光學材料；聲學材料；力學材料；化學功能材料；熱學功能材料；生物醫(yī)學功能材料，核功能材料等。目前，現(xiàn)代技術對物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料發(fā)展最快，品種多，功能新，商品化率和實用化率高。有時，習慣上把功能材料和物理功能材料看作一個名稱。

⑵基于材料的物理性質、功能分類26按材料的物理性質分類，功能材料可分為：磁性材料；電性材料、光⑶基于材料的應用領域的分類按材料的應用領域，功能材料可分為儀器儀表材料；電子材料；軍工材料；反應堆材料；信息工業(yè)用材料；能源材料；生物醫(yī)學工程材料等。27⑶基于材料的應用領域的分類按材料的應用領域，功能材料可分為⑷按聚集態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)功能材料等。⑸按材料形態(tài)分類：體積、膜、纖維和顆粒等功能材料。⑹按維度分類：三維、二維、一維和零維功能材料。三維材料即固態(tài)體相材料；二維、一維和零維能材料分別為其厚度、徑度和粒度小到納米量級的薄膜、纖維和微粒，其主要特征是具有量子化效應。28⑷按聚集態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)功能四、功能設計的原理和方法29四、功能設計的原理和方法29

下圖為材料顯示功能的示意圖。

輸入材料輸出材料的功能顯示過程是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過材料的傳輸或轉換等過程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。30下圖為材料顯示功能的示意圖。輸入材料輸出材料的功能顯功能材料按其功能的顯示過程又可分為一次功能材料和二次功能材料。

31功能材料按其功能的顯示過程又可分為一次功能材料和二次功能當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于同一種形式時，材料起到能量傳輸部件的作用。材料的這種功能稱為一次功能。以一次功能為使用目的的材料又稱為載體材料。Ａ、一次功能32當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于同一種形式時，材一次功能主要有下面的八種。①力學功能。如慣性、粘性、流動性、潤滑性、成型性、超塑性、恒彈性、高彈性、振動性和防震性。②聲功能。如隔音性、吸音性。③熱功能。如傳熱性、隔熱性、吸熱性和蓄熱性等。④電功能。如導電性、超導性、絕緣性和電阻等。33一次功能主要有下面的八種。33⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。⑥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。⑦化學功能。如吸附作用、氣體吸收性、催化作用、生物化學反應、酶反應等。⑧其他功能。如放射特性、電磁波特性等。34⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。34當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時，材料起能量的轉換部件作用，材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。有人認為這種材料才是真正的功能材料。Ｂ、二次功能35當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時二次功能按能量的轉換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量的轉換；②電能與其他形式能量的轉換；③磁能與其他形式能量的轉換；④機械能與其他形式能量的轉換。36二次功能按能量的轉換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量

如光合成反應、光分解反應、光化反應、光致抗蝕、化學發(fā)光，感光反應，光致伸縮，光生伏特效應和光導電效應。①光能與其他形式能量的轉換37如光合成反應、光分解反應、光化反應、光致抗蝕、化學發(fā)光，感如電磁效應、電阻發(fā)熱效應、熱電效應、光電效應、場致發(fā)光效應、電化學效應和電光效應等。②電能與其他形式能量的轉換38如電磁效應、電阻發(fā)熱效應、熱電效應、光電效應、場致發(fā)光效應、③磁能與其他形式能量的轉換如光磁效應、熱磁效應、磁冷凍效應和磁性轉變效應等。39③磁能與其他形式能量的轉換如光磁效應、熱磁效應、磁冷凍效應和④機械能與其他形式能量的轉換。如形狀記憶效應、熱彈性效應、機械化學效應、壓電效應、電致伸縮、光壓效應、聲光效應、光彈性效應和磁致伸縮效應等。40④機械能與其他形式能量的轉換。如形狀記憶效應、熱彈性效應、機無論哪種功能材料，其能量傳遞過程或者能量轉換形式所涉及的微觀過程都與固體物理和固體化學相聯(lián)系。正是這兩門基礎科學為新興學科——功能材料科學的發(fā)展奠定了基礎，從而也推動了功能材料的研究和應用。它們把功能材料推進到功能設計的時代。41無論哪種功能材料，其能量傳遞過程或者能量轉換形式所涉及的

所謂功能設計，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學方法。有人認為21世紀將逐漸實現(xiàn)按需設計材料。42所謂功能設計，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學

材料科學與工程一般都認為由四要素組成，即結構/成分、合成/流程、性能與效能。但考慮到結構與成分并非同義詞，相同成分通過不同制備方法可以得到不同結構，從而使材料出現(xiàn)不同性能，所以材料科學與工程應為五要素，即成分、合成/流程、結構、性能與效能。根據(jù)材料所要求的性能不同，材料設計可以從電子、光子出發(fā)．也可從原子、原子集團出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀。43材料科學與工程一般都認為由四要素組成，即結構/成分、合成

材料設計是一個很復雜的過程：如材料的制備與存在狀態(tài)往往屬于非平衡熱力學；有些結構敏感性質(材料的力學性質)的可變因素太多，即使一個微小缺陷都會產(chǎn)生很大影響；表面與內部結構及性質的不一致性；復雜的環(huán)境因素等等。44材料設計是一個很復雜的過程：44

材料設計的實現(xiàn)是一個長期過程，其最終應達到提出一個需求目標就可設計出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或構件。

45材料設計的實現(xiàn)是一個長期過程，其最終應達到提出一個需求目為實現(xiàn)材料設計，必須開展深入的基礎研究，以了解物質結構與性能的關系；要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫；建立正確的物理模型；需要有大容量計算機；更重要的是要不同學科科學家與工程技術人員的通力合作。46為實現(xiàn)材料設計，必須開展深入的基礎研究，以了解物質結構與五、功能材料的現(xiàn)狀與展望47五、功能材料的現(xiàn)狀與展望47功能材料的現(xiàn)狀近幾年來，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類，10萬多品種，且每年都有大量新品種問世。現(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多，主要有：1）單功能材料，如：導電材料、介電材料、鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發(fā)熱材料、熱控材料、光學材料、激光材料、紅外材料等。2）功能轉換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、聲光材料、電流變材料、磁敏材料、磁致伸縮材料、電色材料等。48功能材料的現(xiàn)狀近幾年來，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類功能材料的現(xiàn)狀3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激光和防核）、電磁材料等。4）復合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、分離功能材料、環(huán)境材料、電磁屏蔽材料等。5）新形態(tài)和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。目前，化學和生物功能材料的種類雖較少，但其發(fā)展速度很快，其功能也更多樣化。49功能材料的現(xiàn)狀3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱功能材料的展望展望21世紀，功能材料的發(fā)展趨勢為：1）開發(fā)高技術所需的新型功能材料，特別是尖端領域（航空航天、分子電子學、新能源、海洋技術和生命科學等）所需和在極端條件下（超高溫、超高壓、超低溫、強腐蝕、高真空、強輻射等）工作的高性能功能材料。2）功能材料的功能從單功能向多功能和復合或綜合功能發(fā)展，從低級功能向高級功能發(fā)展。50功能材料的展望展望21世紀，功能材料的發(fā)展趨勢為：50功能材料的展望3）功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化、高密積化和超分子化。4）功能材料和結構材料兼容，即功能材料結構化，結構材料功能化。5）進一步研究和發(fā)展功能材料的新概念、新設計和新工藝。6）完善和發(fā)展功能材料檢測和評價的方法。7）加強功能材料的應用研究，擴展功能材料的應用領域，加強推廣成熟的研究成果，以形成生產(chǎn)力。51功能材料的展望3）功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化六、功能材料的內容和相關學科52六、功能材料的內容和相關學科52功能材料的內容和相關學科1.功能材料學科的內容：1）功能材料學是研究功能材料的成分、結構、性能、應用及其間的關系，在此基礎上，研究功能材料的設計和發(fā)展途徑；2）功能材料工程學是研究功能材料的合成、制備、提純、改性、儲存和使用的技術和工藝；3）功能材料的表征和測試技術是研究一般通用的理化測試技術在功能材料上的應用和各類功能材料特征功能的測試技術和表征。53功能材料的內容和相關學科1.功能材料學科的內容：53功能材料的內容和相關學科2.相關的學科功能材料學科是一門與多學科交叉的學科，與其相關的學科很多，主要有：1）基礎學科：固體物理、結構化學、無機化學、有機高分子化學、生物和醫(yī)學等；2）工藝類學科：材料類、化工、冶金、硅酸鹽、陶瓷、制藥等學科；3）現(xiàn)代技術類學科：光、電、磁、聲、熱等；4）分析測試類學科：成分、結構、顯微等。54功能材料的內容和相關學科2.相關的學科54第二章晶體學基礎及材料性能本章要討論的主要問題是：一、原子是以何種聚集方式形成固體結構的？二、如何描述晶體中原子的排列？三、晶體類型四、晶體缺陷五、晶體的結構和性能55第二章晶體學基礎及材料性能本章要討論的主要問題是：55一、基本概念56一、基本概念561.固體及其屬性固體:是物質存在的一種狀態(tài)。與液體和氣體相比固體有比較固定的體積和形狀、質地比較堅硬

特點:微觀：具有固體性（質點在確定的位置平衡振動，不易發(fā)生運動）宏觀：有確定的外形。571.固體及其屬性固體:是物質存在的一種狀態(tài)。與液體和氣體相比固體中原子排列的作用原子排列研究固態(tài)物質的內部結構，即原子排列和分布規(guī)律是了解掌握材料性能的基礎，才能從內部找到改善和發(fā)展新材料的途徑。組織性能58固體中原子排列的作用原子排列研究固態(tài)物質的內部結構，即原子排2.晶體及其特點固態(tài)物質按其原子或分子的聚集狀態(tài)可分為兩大類，一類是晶體，另一類是非晶體。晶體：就是原子（或離子、分子、原子集團）在三維空間呈有規(guī)律的周期性重復排列的固體。即不論沿晶體的哪個方向看去，總是相隔一定的距離就出現(xiàn)相同的原子或原子集團。這個距離也稱為周期。顯然，沿不同的方向有不同的周期。特點：1.各向異性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表現(xiàn)的性能也有差異2.固定的熔點：排列規(guī)律能保持時呈現(xiàn)固體，溫度升高到某一特定值，排列方式的解體，原子成無規(guī)則堆積，這時大多呈現(xiàn)不能保持自己形狀的液體3.規(guī)則外形：理想環(huán)境中生長的晶體應為凸多邊形。4.自范性：晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)封閉的規(guī)則的外形。592.晶體及其特點固態(tài)物質按其原子或分子的聚集狀態(tài)可非晶體(Amorphous)不具有上述特征。在非晶體中原子（或分子、離子）無規(guī)則地堆積在一起。液體和氣體都是非晶體。在液體中，原子也處于相對緊密聚集的狀態(tài)，但不存在長程的周期性排列。特點：1.各向同性；2.黏度為其力學性能的基本參數(shù)，能保持自己形狀的為固體，不能保持自己形狀的為液體；3.隨溫度的升高黏度減小，在液體和固體之間沒有明顯的溫度界限。3.非晶體及其特點60非晶體(Amorphous)不具有上述特非晶體(石英玻璃)：沒有規(guī)則的外形，各向同性，沒有固定的熔點。

石英晶體

61非晶體(石英玻璃)：沒有規(guī)則的外形，各向同性，沒有固定的熔簡單而言：晶體就是短程、長程有序；非晶體是短程有序，長程無序62簡單而言：晶體就是短程、長程有序；非晶體是短程有序，長程無序固態(tài)的非晶體實際上是一種過冷狀態(tài)的液體，只是它的物理性質不同于通常的液體。玻璃是一個典型的固態(tài)非晶體，所以，往往將非晶態(tài)稱為玻璃態(tài)。幾點說明：

（1）絕大多數(shù)固體物質為晶體；

（2）晶態(tài)與非晶態(tài)在一定的條件下可以相互轉化；

如非晶態(tài)的玻璃經(jīng)高溫長時間加熱后即可轉變?yōu)榫B(tài)玻璃。

（3）晶體有固定的熔點，而非晶體只有一個軟化溫度范圍.63固態(tài)的非晶體實際上是一種過冷狀態(tài)的液體，4、空間點陣（SpaceLattice）晶體中原子或原子集團排列的周期性規(guī)律，可以用一些在空間有規(guī)律分布的幾何點來表示。并且，令沿任一方向上相鄰點之間的距離就等于晶體沿該方向的周期。這樣的幾何點的集合就構成空間點陣（簡稱點陣），每個幾何點稱為點陣的結點或陣點。特點:①點陣是由無限多個點組成;②每個點周圍的環(huán)境相同;③同一個方向上相鄰點之間的距離一樣.644、空間點陣（SpaceLattice）特點:①點既然點陣只是表示原子或原子集團分布規(guī)律的一種幾何抽象，那么，每個結點就不一定代表一個原子。就是說，可能在每個結點處恰好有一個原子，也可能圍繞每個結點有一群原子（原子集團）。但是，每個結點周圍的環(huán)境（包括原子的種類和分布）必須相同，亦即點陣的結點都是等同點。5.晶體結構與空間點陣晶體結構＝空間點陣＋結構基元結構基元：原子、分子或其集團65既然點陣只是表示原子或原子集團分布規(guī)律的6.晶格與晶胞晶格：為了表達空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子(原子或分子)在空間的平衡位置作為節(jié)點，人為地將節(jié)點用一系列相互平行的直線連接起來形成的空間格架稱為晶格。晶胞：構成晶格的最基本單元。晶胞在三維空間重復堆砌可構成整個空間點陣，通常為小的平行六面體。晶胞要順序滿足①能充分反映整個空間點陣的對稱性，②具有盡可能多的直角，③體積要最小。（晶胞選擇的原則）

666.晶格與晶胞晶格：為了表達空間原子排列的幾何規(guī)律，原胞和晶胞（了解內容）由一組基矢圍起來的最小重復單元就叫原胞(或初基單胞PrimitiveCell)。(固體物理常用)。

原胞往往不能反映晶體的對稱性,因而,習慣上常選擇能反映晶體對稱性的重復單元,這種重復單元就叫晶胞（conventionalcell）(或非初基單胞,nonprimitivecell)。晶胞一般不是最小的重復單元。其體積（面積）可以是原胞的數(shù)倍。

67原胞和晶胞（了解內容）由一組基矢圍起來的最小重復單元就叫原胞晶體與點陣的對應關系：抽象空間點陣空間點陣單位平面點陣直線點陣點陣點具體內容晶體晶胞晶面晶棱結構基元68晶體與點陣的對應關系：抽象空間點陣空間點陣單晶胞：晶體結構基本單元晶體常數(shù)（點陣常數(shù)）:（a,b,c)——size（α,β,γ)——shapexyzabcxyzgab7.點陣常數(shù)可決定平行六面體尺寸和形狀。69晶胞：晶體結構基本單元xyzabcxyzgab7.點陣常數(shù)可8.晶系按點陣常數(shù)的特征對晶體的分類。708.晶系按點陣常數(shù)的特征對晶體的分類。70布拉菲點陣(14種）按照“每個陣點的周圍環(huán)境相同“的要求，布拉菲（BravaisA。）用數(shù)學方法推導出能夠反映空間點陣全部特征的單位平面六面體只有14種，這14種空間點陣也稱布拉菲陣。71布拉菲點陣(14種）按照“每個陣點的周圍環(huán)境相同“的要求，布9.晶向和晶向指數(shù)晶向：空間點陣中各陣點列的方向代表晶體中原子排列的方向。晶向指數(shù)：是表示晶體中點陣方向的指數(shù)，有晶向上陣點的坐標值決定。729.晶向和晶向指數(shù)晶向：空間點陣中各陣點列的方向代表晶體中原10.1晶向指數(shù)的確定①建立坐標系②確定坐標值③化整并加方括號[]

7310.1晶向指數(shù)的確定①建立坐標系7310.2求晶向指數(shù)的另一種方法確定起點的坐標[x1,y1,z1]確定終點的坐標[x2,y2,z2]得到矢量[x2-x1,y2-y1,z2-z1]化整7410.2求晶向指數(shù)的另一種方法確定起點的坐標[x1,y1,z說明：①一個晶向代表相互平行，方向一致的所有晶向②兩晶向相互平行但方向相反，則數(shù)字相同但符號相反。75說明：75

10.3晶面指數(shù)晶面指數(shù)標定步驟：在點陣中設定參考坐標系，設置方法與確定晶向指數(shù)時相同；求得待定晶面在三個晶軸上的截距，若該晶面與某軸平行，則在此軸上截距為無窮大；若該晶面與某軸負方向相截，則在此軸上截距為一負值；取各截距的倒數(shù)；將三倒數(shù)化為互質的整數(shù)比，并加上圓括號，即表示該晶面的指數(shù)，記為(hkl)。正交點陣中一些晶面的面指數(shù)76

10.3晶面指數(shù)晶面指數(shù)標定步驟：正交點陣中一些晶面的面指晶面指數(shù)的意義：1、晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。2、在晶體內凡晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位向不同的晶面可以歸并為同一晶面族，以{hkl}表示，它代表由對稱性相聯(lián)系的若干組等效晶面的總和。77晶面指數(shù)的意義：7711.晶體結構的對稱性晶體的宏觀對稱元素和微觀對稱元素：宏觀對稱性晶體的對稱性最直觀地表現(xiàn)在其幾何外形上，由于晶體外形為有限的幾何圖形，故晶體外形上所體現(xiàn)的對稱性與分子一樣為點對稱性，稱為宏觀對稱性。有四種類型的對稱操作和對稱元素旋轉

旋轉軸

反映

反映面(鏡面)

反演

對稱中心

旋轉反演

反軸7811.晶體結構的對稱性晶體的宏觀對稱元素和微觀對稱元素晶體的微觀對稱性由于晶體內部結構為點陣結構，點陣結構是一種無限的幾何對稱圖形。故晶體結構具有這種基本的空間對稱性(通過平移對稱操作能使點陣結構復原)，常稱為晶體的微觀對稱性.平移

點陣

螺旋

螺旋軸

滑移

滑移面79晶體的微觀對稱性由于晶體內部結構為點陣結構，點陣結構是一種晶系特征對稱元素晶胞特點空間點陣型式立方晶系4個按立方體對角線取向的3重旋轉軸a=b=cα=β=γ=90°簡單立方

立方體心

立方面心

六方晶系6重對稱軸a=b≠cα=β=90°,γ=120°簡單六方

四方晶系4重對稱軸a=b≠cα=β=γ=90°簡單四方

體心四方

三方晶系3重對稱軸a=b=cα=β=γ≠90°簡單六方

R心六方

正交晶系2個互相垂直的對稱面或3個互相垂直的2重對稱軸a≠b≠cα=β=γ=90°

簡單正交

C心正交

體心正交

面心正交

單斜晶系2重對稱軸或對稱面a≠b≠cα=β=90°≠γ

簡單單斜

C心單斜

三斜晶系無a≠b≠ca≠b≠c≠90°

簡單單斜

80

80化學鍵與晶體類型81化學鍵與晶體類型812.2.2晶體結構基本類型

1、金屬晶體：

性質：容易導電、導熱、有延展性、有金屬光澤等。

組成粒子：陽離子和自由電子

作用力：金屬鍵，金屬陽離子和自由電子之間的作用力

結構特點：

密堆程度高；對稱性高；配位數(shù)高

結構特點：多數(shù)金屬以面心立方排列，配位數(shù)為12822.2.2晶體結構基本類型

1、金屬晶體：

性質：容易導電熔點最低的金屬是--------汞熔點最高的金屬是--------鎢密度最小的金屬是--------鋰密度最大的金屬是--------鋨硬度最小的金屬是--------銫硬度最大的金屬是--------鉻最活潑的金屬是----------銫最穩(wěn)定的金屬是----------金延性最好的金屬是--------鉑展性最好的金屬是--------金83熔點最低的金屬是--------汞熔點最高的金屬是-----

延性是一種物理特性。其所指的是，材料在受力而產(chǎn)生破壞之前的塑性變形能力。展性指物體可以壓成薄片的性質84延性是一種物理特性。其所指的是，材料在受力而產(chǎn)生破壞之前的離子晶體由陽離子與陰離子通過離子鍵結合而形成的晶體稱為離子晶體。這種作用力本質是靜電作用力，無方向性和飽和性，其鍵的極性和元素的電負性有關離子晶體一般具有較高的熔點、沸點和較大的硬度。典型的結構有兩種：NaCl結構：配位數(shù)為6CsCl結構：配位數(shù)為885離子晶體由陽離子與陰離子通過離子鍵結合而形成的晶體稱為離子晶NaClCsCl86NaClCsCl86原子晶體原子間通過共價鍵結合成的具有空間網(wǎng)狀結構的晶體。這種作用的特點是方向性和飽和性熔沸點很高，硬度很大，難溶于一般溶劑。87原子晶體原子間通過共價鍵結合成的具有空間網(wǎng)狀結構的晶體。87分子晶體定義：分子間以分子間作用力相結合形成的晶體。這種作用力的特點是無方向性和飽和性。物理性質：低熔點、低沸點、高揮發(fā)性、硬度小、不導電性88分子晶體定義：分子間以分子間作用力相結合形成的晶體。88晶體缺陷89晶體缺陷89晶體缺陷晶體缺陷（晶格的不完整性）：晶體中任何對完整周期性結構的偏離就是晶體的缺陷。晶體的缺陷化學缺陷：沒有雜質的具有理想的化學配比的晶體中的缺陷，如空位，填隙原子，位錯。結構缺陷：由于摻入雜質或同位素，或者化學配比偏離理想情況的化合物晶體中的缺陷，如雜質、色心等。90晶體缺陷晶體缺陷（晶格的不完整性）：晶體中任何對完整周期性結意義：1）實際晶體存在缺陷；2）功能材料需要人為制造缺陷（例人造寶石）；3）材料制備過程→質點擴散→缺陷

91意義：91晶體缺陷的類型分類方式：幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷等形成原因：熱缺陷、雜質缺陷、非化學計量缺陷等92晶體缺陷的類型分類方式：92一、按缺陷的幾何形態(tài)分類

1.點缺陷2.線缺陷3.面缺陷93一、按缺陷的幾何形態(tài)分類1.點缺陷931.點缺陷（零維缺陷）

缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）、間隙原子（interstitialparticle）、異類原子（foreignparticle），如圖1-1所示。

點缺陷與材料的電學性質、光學性質、材料的高溫動力學過程等有關。941.點缺陷（零維缺陷）94圖1-1晶體中的點缺陷

(a)空位(b)異類原子(c)間隙原子95圖1-1晶體中的點缺陷

(a)空位(b)異類原子(c)2.線缺陷（一維缺陷）指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。如各種位錯（dislocation），如圖1-2所示。線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆性密切相關。962.線缺陷（一維缺陷）指在一維方向上偏離理想晶體中的周期圖2-2(a)刃型位錯(b)螺型位錯

(a)

(b)97圖2-2(a)刃型位錯(b)螺型位錯

(a3.面缺陷面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、相界、表面、堆積層錯、鑲嵌結構等。面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關。983.面缺陷面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向二、按缺陷產(chǎn)生的原因分類1.熱缺陷2.雜質缺陷3.非化學計量缺陷4.其它原因，如電荷缺陷，輻照缺陷等99二、按缺陷產(chǎn)生的原因分類1.熱缺陷99導體、絕緣體和半導體1、導體：善于傳導電流的物體，其電阻率很小2、絕緣體：電阻率極高的物體3、半導體：導電能力介于導體與絕緣體之間4、晶體的能帶結構1947年12月，美國貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊三人利用半導體材料鍺制成第一個晶體管，同獲1956年諾貝爾物理學獎。100導體、絕緣體和半導體1、導體：善于傳導電流的物體，其電阻率（1）、能帶的形成a、外層電子共有化對大量原子有規(guī)則地排列成晶體時，由于原子離得很近，每個電子不僅受到本身原子核的作用，而且受到鄰近原子核的影響,內層電子因受原子核的牢牢束縛而影響較??；價電子或外層電子卻不同，外層電子受鄰近原子的作用更強，容易脫離原來的原子而進入到其他原子當中。

即電子不再分屬各個原子所有，而是屬于整個原子所共有，這稱電子的共有化，b、能帶的形成101（1）、能帶的形成a、外層電子共有化對大量原子有規(guī)則地排列成

因為當有N個相同的自由原子時，每個原子內的電子有相同的分立的能級，它們是N重簡并的，當這N個原子逐漸靠近時，原來束縛在單原子中的電子，不能在一個能級上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個非?？拷哪芗墸?0-22ev），因為能量差甚小，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶102因為當有N個相同的自由原子時，每個原子內的電子有相同（2）電子填空能帶的情況a、滿帶：各能級都被兩個自旋相反電子填滿的能帶滿帶當電子從原來狀態(tài)轉移到另一狀態(tài)時，另一電子必作相反的轉移。沒有額外的定向運動。滿帶中電子不能形成電流。103（2）電子填空能帶的情況a、滿帶：各能級都被兩個自旋相反電子導帶電子可在外場作用下躍遷到高一級的能級形成電流。故稱為導帶。b、導帶：能級沒有被電子填滿的能帶c、空帶：各能級都沒有被電子填充的能帶d、價帶：價電子所處的帶稱為價帶104導帶電子可在外場作用下躍遷到高一級的能級形成電流。故稱為導帶（3）金屬、半導體、絕緣體的能帶結構a、導體：價帶是導帶或等效導帶導帶滿帶滿帶空帶滿帶空帶重疊相連b、絕緣體：只有滿帶和空帶，且禁帶寬度較大滿帶空帶禁帶例如金剛石中兩個碳原子相距15納米時，Eg=5.33電子伏。105（3）金屬、半導體、絕緣體的能帶結構a、導體：價帶是導帶或等c、半導體：價帶是滿帶，但是禁帶寬度較小導體、半導體、絕緣體的不同，主要是能帶結構不同滿帶空帶禁帶例如硅Eg=1.14電子伏，鍺Eg=0.67電子伏，砷化鎵Eg=1.43電子伏。金屬導電與半導體導電的差別：金屬導電的載流子是自由電子，半導體導電的載流子是導帶中的電子和價帶中的空穴。106c、半導體：價帶是滿帶，但是禁帶寬度較小導體、半導體、絕緣體二、本征半導體與雜質半導體1、本征半導體：不含雜質的純凈半導體，很少實際應用

空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP本征激發(fā)空穴電流導電機制：本征導電中的載流子是電子和空穴（本征導電）107二、本征半導體與雜質半導體1、本征半導體：不含雜質的純凈半導2、雜質半導體：有n型和p型

n型：本征半導體中摻入微量五價的雜質原子，多余電子導電

例在四價鍺（Ge）元素半導體中摻入五價砷（AS）所形成的半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5摻入AS以后，五個價電子中，有四個電子與周圍的Ge組成共價鍵晶體，還多余一個電子，此電子成為自由電子1082、雜質半導體：有n型和p型n型：本征半導體中摻入微量五價p型：本征半導體中摻入微量三價的雜質原子，空穴導電

例在四價鍺（Ge）元素半導體中摻入三價硼（B）所形成的半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4Ge摻入B以后，B是三價，與周圍的Ge組成共價鍵晶體，還缺少一個電子，從而形成一個空穴，形成空穴導電。BB+3+3109p型：本征半導體中摻入微量三價的雜質原子，空穴導電例在四價三、半導體硅材料

單晶硅是做半導體器件和集成電路時用得最多(>95%)的材料

1、硅在地殼中含量較高，成本低

2、硅器件性能較穩(wěn)定

世界上95%以上的半導體器件用硅制成的原因：硅占地殼總重量的27%；硅禁帶寬度大，做成器件性能穩(wěn)定；硅機械強度高，結晶性好。3、硅機械強度高，結晶性好，其提煉和制成單晶的工藝成熟

另：砷化鎵制成的集成電路在響應速度,耐高溫,抗輻射方面都優(yōu)于硅集成電路，但制作難度大,價格昂貴

110三、半導體硅材料單晶硅是做半導體器件和集成電路時用得最多(超導性111超導性1111.超導電現(xiàn)象超導電現(xiàn)象某些材料在溫度低于某一溫度時，電阻突然降到零的現(xiàn)象。具有超導電性的材料稱為超導體，電阻降為零的溫度稱為轉變溫度或臨界溫度。R/R04.004.104.204.304.400.00000.00050.00100.00150.0020T/K臨界溫度低溫下汞的電阻溫度關系1121.超導電現(xiàn)象超導電現(xiàn)象某些材料在溫度低于某一溫度時對于氧化物超導體，其轉變溫度范圍較寬。0.9R00.5R00.1R0R0TeTmTs氧化物超導體的轉變溫度電阻從起始轉變處下降到一半時對應的溫度定義為轉變溫度。轉變寬度113對于氧化物超導體，其轉變溫度范圍較寬。0.9R高溫超導體的電子顯微鏡圖象114高溫超導體的電子顯微鏡圖象1142.超導體的主要特性

（1）零電阻

超導體處于超導態(tài)時電阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有電流，該電流將無衰減地持續(xù)下去。

（2）臨界磁場與臨界電流

材料的超導態(tài)可以被外加磁場破壞而轉入正常態(tài)，這種破壞超導態(tài)所需的最小磁場強度稱為臨界磁場。臨界磁場的存在，限制了超導體中能夠通過的電流。當通過超導體的電流超過某一電流值時，超導態(tài)被破壞，此電流稱為臨界電流。1152.超導體的主要特性（1）零電阻超導體

（3）邁斯納效應——完全抗磁性在使樣品轉變?yōu)槌瑢B(tài)的過程中，無論先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，超導體內的磁感應強度總是為零。（4）同位素效應同位素的質量越大，轉變溫度越低。同位素效應說明超導不僅與電子狀態(tài)有關，也與金屬的離子晶格有關。116（3）邁斯納效應——完全抗磁性在使樣品轉變磁性能117磁性能117物質的磁性能磁性材料主要是指由過度元素鐵、鈷、鎳極其合金等材料。它們主要的磁性能如下。一、高磁導率磁性材料的磁導率很大，μr>>1，可達102~105量級。這就使它們具有被強烈磁化（呈現(xiàn)磁性）的特性。為什么磁性物質具有被磁化的特性呢？

如果想了解的話，就要從磁性物質的內部特性來討論。非磁性物質的相對磁導率為常數(shù)且接近于1；磁性物質的相對磁導率則很大。118物質的磁性能磁性材料主要是指由過度元素鐵、分子電流和磁疇理論：在物質的分子中，電子的繞核運動和自轉將形成分子電流，分子電流產(chǎn)生磁場，每個分子都相當于一個基本小磁鐵。同時，在磁性物質內部還分成許多小區(qū)域；由于磁性物質分子的相互作用，使分子電流在局部形成有序排列而顯示出磁性，這些小區(qū)域稱為磁疇。磁性物質沒有外場時，各磁疇是混亂排列的，磁場互相抵消。119分子電流和磁疇理論：在物質的分子中，電子的繞核運動和自轉將形在外磁場作用下，磁疇就逐漸轉到與外場一致的方向上，即產(chǎn)生了一個與外場方向一致的磁化磁場，從而磁性物質內的磁感應強度大大增加。就是說磁性物質被強烈的磁化了。

磁性物質被廣泛地應用于電工設備中，電動機、電磁鐵、變壓器等設備中線圈中都含有的鐵心。就是利用其磁導率大的特性，使得在較小的電流情況下得到盡可能大的磁感應強度和磁通。非磁性材料沒有磁疇的結構，不具有磁化特性。120在外磁場作用下，磁疇就逐漸轉到與外場一致的方向上，即二、磁飽和性HBB0BBJO磁化曲線HB，μOμBμ與H的關系B0是真空情況下的磁感應強度；BJ是磁化產(chǎn)生的磁感應強度；B是介質中的總磁感應強度。磁性物質的μ不是常數(shù)，Φ與H也不存在正比關系。當外磁場(或激勵磁場的電流)增大到一定程度時，全部磁疇都會轉向與外場方向一致，這時的磁感應強度將達到飽和值。121二、磁飽和性HBB0BBJO磁化曲線HB，μOμBμ與H的關三、磁滯性BHO12345磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質稱為磁滯性。如圖為磁性物質的滯回曲線。要使剩磁消失，通常需進行反向磁化。使B=0時的H值稱為矯頑磁力

Hc。6在鐵心線圈通有交變電流時，鐵心將受到交變磁化。電流變化一次時，B隨H而變化的關系如圖所示。不同物質的滯回曲線是不同的。從圖中可以看出，當H減少為零時，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。122三、磁滯性BHO12345磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質磁性物質的分類

(1)軟磁材料矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)(2)永磁材料矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)(3)矩磁材料剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)HBHBHB根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，大致分成三類：123磁性物質的分類(1)軟磁材料矯頑磁力較小，磁滯回線較窄功能材料概論

IntroductiontoFunctionalMaterials

124功能材料概論

IntroductiontoFunctio課程簡介課程性質：專業(yè)基礎課先修課程：無機化學，物理化學，高分子化學，高分子物理總學時：36學時教材：《功能材料概論》殷景華王雅珍等編參考書：現(xiàn)代功能材料及其應用—郭衛(wèi)生,汪濟奎

功能材料學——周馨我新型功能材料——貢長生，張克立課程內容：1．功能材料的科學基礎2．金屬功能材料3．無機非金屬功能材料4．功能高分子材料125課程簡介課程性質：專業(yè)基礎課程基本要求和考核基本要求1.請不要無故曠課、遲到，若有事請假，請寫好假條，輔導員簽字方可；2.課堂上請不要做干擾老師上課或同學聽講的事情；3.按時按量完成作業(yè)考核：平時成績（10%）+期中成績（報告10%）+期末成績（80%）126課程基本要求和考核基本要求3第一章緒論現(xiàn)代文明的三大支柱-----能源、信息和材料。材料是一切技術發(fā)展的物質基礎。

127第一章緒論現(xiàn)代文明的三大支柱-----能源、信一、材料科學及其發(fā)展

材料是可以用來制造有用的構件、器件或物品的物質。師昌緒主編：《材料大辭典》

材料是“具有一定性能的物質,可以用來制成一些機器、器件、結構和產(chǎn)品”美國科學院、工程院聯(lián)合編寫《材料：人類的需求》1、什么是材料？128一、材料科學及其發(fā)展材料是可以用來制造有用的構件幾乎所有的物質都可以稱為是材料，但并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關注。那么，什么樣的材料值得我們關注？

——實用價值129幾乎所有的物質都可以稱為是材料，但并不是所有的材料材料實用價值的五個判據(jù)資源能源環(huán)保經(jīng)濟質量130材料實用價值的五個判據(jù)資源7

考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應該定義為：人類社會所能夠接受的經(jīng)濟地制造有用器件的物質

131考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應該定義為：人2、材料科學及其發(fā)展

第一代（天然材料）：自然界的礦物、植物以及動物第二代（燒煉材料）：燒結：磚瓦、陶瓷、玻璃、水泥；

冶煉：銅鐵第三代（合成材料）：20世紀初出現(xiàn)化工產(chǎn)品，塑料、橡膠、纖維等已廣泛用于生活。第四代（可設計材料）：前三代為單一產(chǎn)品，于是根據(jù)需要設計特殊性能的材料。例20世紀40年代的復合材料第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例記憶合金等。1322、材料科學及其發(fā)展第一代（天然材料）：自然材料科學的發(fā)展過程：P6

發(fā)現(xiàn)與使用自然材料↓合成與設計材料↓賦予材料生命體功能133材料科學的發(fā)展過程：P6發(fā)現(xiàn)與使用自然材料1020世紀科學技術領域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航空航天、激光、信息、能源等領域），它有力地促進了材料的發(fā)展，使得材料在20世紀中葉，發(fā)生了一次“革命性”的飛躍：超音速飛機(鎳基超級合金)計算機(晶體管、半導體)航天飛機(高溫結構陶瓷)這個飛躍的標志就是“材料科學”的形成。13420世紀科學技術領域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航3、材料科學形成的背景20世紀中葉是蘇美兩個超級大國在各個領域進行全面競爭的時代。材料的競爭是其中的主要內容之一。1957年蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學研究。美國從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學作為一個學科對待。1353、材料科學形成的背景12美國：50年代末美國政府就制定了全國材料發(fā)展規(guī)劃，70~80年代又進行了多次的補充和修正，把重點放在超硬化合物、半導體激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在1980年開展了為期10年耗資4億美元的新材料發(fā)展規(guī)劃，重點領域為精密陶瓷、功能高分子、復合材料、生物材料等。歐洲：與前蘇聯(lián)也制訂了類似的規(guī)劃，競爭的項目也集中在這些領域。136美國：50年代末美國政府就制定了全國材料發(fā)展規(guī)劃，70~英國人悲哀地說：英國沒有硅工業(yè)了，英國從第一流的經(jīng)濟大國變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟發(fā)達國家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟發(fā)達國家變成了第一流的經(jīng)濟大國。137英國人悲哀地說：英國沒有硅工業(yè)了，英國從第一流的經(jīng)濟大國變?yōu)槎?、材料的分?38二、材料的分類151.按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力學性能（強度、塑性）；可加工性；優(yōu)異的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度??；比強度大；絕緣性好；耐腐蝕；易加工。無機非金屬材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高溫；抗腐蝕；高硬度；優(yōu)良介電、壓電、光學、磁學性能。復合材料（玻璃鋼，碳纖維聚合物，陶瓷基、金屬基）：兩種以上；特殊方法。1391.按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力2.按材料內部原子排列情況分類晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料1402.按材料內部原子排列情況分類晶態(tài)材料173.從材料尺度角度分類三維材料--塊體材料二維材料--薄膜、涂層等(金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜、耐磨涂層)一維材料--纖維、晶須等(光導纖維、高強纖維)零維材料--粉體1413.從材料尺度角度分類三維材料--塊體材料184.按材料的用途分類結構材料(structuralmaterial)：是以力學性能為基礎，以制造受力構件所用材料，當然，結構材料對物理或化學性能也有一定要求，如光澤、熱導率、抗輻照、抗腐蝕、抗氧化等。（例支撐件、連接件、傳動件、緊固件）功能材料(functionalmaterial)：指那些具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫(yī)學功能，特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于各類高科技領域的高新技術材料。（磁性、電子、信息、光學、敏感、能源）1965年由美國貝爾實驗室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。在國外，常將這類材料稱為功能材料(FunctionalMaterials)、特種材料(SpecialityMaterials)或精細材料(FineMaterials)。結構材料與功能材料的劃分并不嚴格：生物醫(yī)學材料？1424.按材料的用途分類結構材料(structuralmat

材料的特定的功能與材料的特定結構是相聯(lián)系的。如對于導電聚合物來說，它一般具有長鏈共軛雙鍵；金屬結構中由于彈性馬氏體相變能產(chǎn)生記憶效應，因此出現(xiàn)了形狀記憶合金；壓電陶瓷晶體必須有極軸等。

143材料的特定的功能與材料的特定結構是相聯(lián)系的。如對于導電聚三、功能材料的特征和分類144三、功能材料的特征和分類211、功能材料的特征與結構材料相比，有以下主要特征：1）功能材料的功能對應于材料的微觀結構和微觀物體的運動，是最本質的特征。2）功能材料的聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化，除晶態(tài)外，還有氣態(tài)、液態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)和等離子態(tài)。除三維材料外，還有二維、一維和零維材料。3）結構材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，而功能材料有相當一部分是以元件形式為最終產(chǎn)品，即材料元件一體化。1451、功能材料的特征與結構材料相比，有以下主要特征：224）功能材料是利用現(xiàn)代科學技術，多學科交叉的知識密集型產(chǎn)物。5）功能材料的制備技術不同于結構材料用的傳統(tǒng)技術，而是采用許多先進的新工藝和新技術，如急冷、超凈、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精細控制和檢測技術。1464）功能材料是利用現(xiàn)代科學技術，多學科2、功能材料的分類功能材料的種類繁多，為了研究、生產(chǎn)和應用的方便，常把它分類。目前尚無統(tǒng)一的分類標準，由于著眼點不同，分類方法也不同，目前主要有以下六種分類方法：1472、功能材料的分類功能材料的種類繁多，為了研究、生產(chǎn)即按材料的化學鍵、化學成分分類，功能材料可分為：金屬功能材料；無機非金屬功能材料；有機功能材料；復合功能材料等。

功能材料無機金屬(精密合金)非金屬半導體陶瓷玻璃其它有機(高分子)復合高分子系復合金屬系復合陶瓷系復合⑴基于材料的物質性的分類148即按材料的化學鍵、化學成分分類，功能材料可分為：金屬功能材按材料的物理性質分類，功能材料可分為：磁性材料；電性材料、光學材料；聲學材料；力學材料；化學功能材料；熱學功能材料；生物醫(yī)學功能材料，核功能材料等。目前，現(xiàn)代技術對物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料發(fā)展最快，品種多，功能新，商品化率和實用化率高。有時，習慣上把功能材料和物理功能材料看作一個名稱。

⑵基于材料的物理性質、功能分類149按材料的物理性質分類，功能材料可分為：磁性材料；電性材料、光⑶基于材料的應用領域的分類按材料的應用領域，功能材料可分為儀器儀表材料；電子材料；軍工材料；反應堆材料；信息工業(yè)用材料；能源材料；生物醫(yī)學工程材料等。150⑶基于材料的應用領域的分類按材料的應用領域，功能材料可分為⑷按聚集態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)功能材料等。⑸按材料形態(tài)分類：體積、膜、纖維和顆粒等功能材料。⑹按維度分類：三維、二維、一維和零維功能材料。三維材料即固態(tài)體相材料；二維、一維和零維能材料分別為其厚度、徑度和粒度小到納米量級的薄膜、纖維和微粒，其主要特征是具有量子化效應。151⑷按聚集態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)功能四、功能設計的原理和方法152四、功能設計的原理和方法29

下圖為材料顯示功能的示意圖。

輸入材料輸出材料的功能顯示過程是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過材料的傳輸或轉換等過程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。153下圖為材料顯示功能的示意圖。輸入材料輸出材料的功能顯功能材料按其功能的顯示過程又可分為一次功能材料和二次功能材料。

154功能材料按其功能的顯示過程又可分為一次功能材料和二次功能當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于同一種形式時，材料起到能量傳輸部件的作用。材料的這種功能稱為一次功能。以一次功能為使用目的的材料又稱為載體材料。Ａ、一次功能155當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于同一種形式時，材一次功能主要有下面的八種。①力學功能。如慣性、粘性、流動性、潤滑性、成型性、超塑性、恒彈性、高彈性、振動性和防震性。②聲功能。如隔音性、吸音性。③熱功能。如傳熱性、隔熱性、吸熱性和蓄熱性等。④電功能。如導電性、超導性、絕緣性和電阻等。156一次功能主要有下面的八種。33⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。⑥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。⑦化學功能。如吸附作用、氣體吸收性、催化作用、生物化學反應、酶反應等。⑧其他功能。如放射特性、電磁波特性等。157⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。34當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時，材料起能量的轉換部件作用，材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。有人認為這種材料才是真正的功能材料。Ｂ、二次功能158當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時二次功能按能量的轉換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量的轉換；②電能與其他形式能量的轉換；③磁能與其他形式能量的轉換；④機械能與其他形式能量的轉換。159二次功能按能量的轉換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量

如光合成反應、光分解反應、光化反應、光致抗蝕、化學發(fā)光，感光反應，光致伸縮，光生伏特效應和光導電效應。①光能與其他形式能量的轉換160如光合成反應、光分解反應、光化反應、光致抗蝕、化學發(fā)光，感如電磁效應、電阻發(fā)熱效應、熱電效應、光電效應、場致發(fā)光效應、電化學效應和電光效應等。②電能與其他形式能量的轉換161如電磁效應、電阻發(fā)熱效應、熱電效應、光電效應、場致發(fā)光效應、③磁能與其他形式能量的轉換如光磁效應、熱磁效應、磁冷凍效應和磁性轉變效應等。162③磁能與其他形式能量的轉換如光磁效應、熱磁效應、磁冷凍效應和④機械能與其他形式能量的轉換。如形狀記憶效應、熱彈性效應、機械化學效應、壓電效應、電致伸縮、光壓效應、聲光效應、光彈性效應和磁致伸縮效應等。163④機械能與其他形式能量的轉換。如形狀記憶效應、熱彈性效應、機無論哪種功能材料，其能量傳遞過程或者能量轉換形式所涉及的微觀過程都與固體物理和固體化學相聯(lián)系。正是這兩門基礎科學為新興學科——功能材料科學的發(fā)展奠定了基礎，從而也推動了功能材料的研究和應用。它們把功能材料推進到功能設計的時代。164無論哪種功能材料，其能量傳遞過程或者能量轉換形式所涉及的

所謂功能設計，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學方法。有人認為21世紀將逐漸實現(xiàn)按需設計材料。165所謂功能設計，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學

材料科學與工程一般都認為由四要素組成，即結構/成分、合成/流程、性能與效能。但考慮到結構與成分并非同義詞，相同成分通過不同制備方法可以得到不同結構，從而使材料出現(xiàn)不同性能，所以材料科學與工程應為五要素，即成分、合成/流程、結構、性能與效能。根據(jù)材料所要求的性能不同，材料設計可以從電子、光子出發(fā)．也可從原子、原子集團出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀。166材料科學與工程一般都認為由四要素組成，即結構/成分、合成

材料設計是一個很復雜的過程：如材料的制備與存在狀態(tài)往往屬于非平衡熱力學；有些結構敏感性質(材料的力學性質)的可變因素太多，即使一個微小缺陷都會產(chǎn)生很大影響；表面與內部結構及性質的不一致性；復雜的環(huán)境因素等等。167材料設計是一個很復雜的過程：44

材料設計的實現(xiàn)是一個長期過程，其最終應達到提出一個需求目標就可設計出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或構件。

168材料設計的實現(xiàn)是一個長期過程，其最終應達到提出一個需求目為實現(xiàn)材料設計，必須開展深入的基礎研究，以了解物質結構與性能的關系；要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫；建立正確的物理模型；需要有大容量計算機；更重要的是要不同學科科學家與工程技術人員的通力合作。169為實現(xiàn)材料設計，必須開展深入的基礎研究，以了解物質結構與五、功能材料的現(xiàn)狀與展望170五、功能材料的現(xiàn)狀與展望47功能材料的現(xiàn)狀近幾年來，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類，10萬多品種，且每年都有大量新品種問世?，F(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多，主要有：1）單功能材料，如：導電材料、介電材料、鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發(fā)熱材料、熱控材料、光學材料、激光材料、紅外材料等。2）功能轉換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、聲光材料、電流變材料、磁敏材料、磁致伸縮材料、電色材料等。171功能材料的現(xiàn)狀近幾年來，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類功能材料的現(xiàn)狀3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激光和防核）、電磁材料等。4）復合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、分離功能材料、環(huán)境材料、電磁屏蔽材料等。5）新形態(tài)和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。目前，化學和生物功能材料的種類雖較少，但其發(fā)展速度很快，其功能也更多樣化。172功能材料的現(xiàn)狀3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱功能材料的展望展望21世紀，功能材料的發(fā)展趨勢為：1）開發(fā)高技術所需的新型功能材料，特別是尖端領域（航空航天、分子電子學、新能源、海洋技術和生命科學等）所需和在極端條件下（超高