【正文】 是空的。 功能材料的展望 展望 21世紀(jì) ， 功能材料的發(fā)展趨勢為： 1） 開發(fā)高技術(shù)所需的新型功能材料 ， 特別是尖端領(lǐng)域 （ 航空航天 、 分子電子學(xué) 、 新能源 、 海洋技術(shù)和生命科學(xué)等 ） 所需和在極端條件下（ 超高溫 、 超高壓 、 超低溫 、 強(qiáng)腐蝕 、 高真空 、 強(qiáng)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(fù)合或綜合功能發(fā)展 ， 從低級功能向高級功能發(fā)展； 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(jié)構(gòu)材料兼容 ， 即功能材料結(jié)構(gòu)化 ，結(jié)構(gòu)材料功能化； 5） 進(jìn)一步研究和發(fā)展功能材料的新概念 、 新設(shè)計(jì)和新工藝； 6） 完善和發(fā)展功能材料檢測和評價(jià)的方法； 7） 加強(qiáng)功能材料的應(yīng)用研究 ， 擴(kuò)展功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域 ， 加強(qiáng)推廣成熟的研究成果 ， 以形成生產(chǎn)力 。 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。目前主要是根據(jù)材料的化學(xué)組成 、應(yīng)用領(lǐng)域 、 使用性能進(jìn)行分類 。 內(nèi)容 11 功能材料在電力技術(shù) 、 電子信息技術(shù) 、微電子技術(shù) 、 激光技術(shù) 、 空間技術(shù) 、 海洋技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 。功能材料 Functional Materials 功能材料 Functional Materials 李建忱 材料館 610室 第一節(jié) 概述 定義： 以特殊的電 、 磁 、 聲 、 光 、 熱 、 力 、 化學(xué)及生物學(xué)等性能作為主要性能指標(biāo)的一類材料 。 例：計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史－ CPU 1. 電子管 2. 晶體管 3. 集成電路 4. 大規(guī)模集成電路 現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的功能與第一臺大型電子管計(jì)算機(jī)相當(dāng) ， 但運(yùn)算速度快幾十倍 、 體積僅 1/300,000 、 重 量 僅1/60,000。 研究背景 21 按化學(xué)組成 金屬功能材料 陶瓷功能材料 高分子功能材料 復(fù)合功能材料 按應(yīng)用領(lǐng)域 電工材料 能源材料 信息材料 光學(xué)材料 儀器儀表材料 航空航天材料 生物醫(yī)學(xué)材料 傳感器用敏感材料 按使用性能 電功能材料 磁功能材料 光功能材料 熱功能材料 化學(xué)功能材料 生物功能材料 聲功能材料 隱形功能材料 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。 4） 復(fù)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。 主要內(nèi)容 ? 電功能材料 ? 磁功能材料 ? 熱功能材料 ? 光功能材料 ? 其它功能材料簡介 第二節(jié) 導(dǎo)電功能材料 以特殊的電學(xué)性能或各種電效應(yīng)作為主要性能指標(biāo)的一類材料 。 導(dǎo)帶：部分電子的未滿帶 價(jià)帶：導(dǎo)帶以下的第一個(gè)滿帶。 晶格振動形成的聲子與電子發(fā)生相互作用引起電子散射，產(chǎn)生電阻。 電子導(dǎo)電材料 包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體： 107 106 105 104 103 102 101 100 101 102 103 104 105 106 電導(dǎo)率 σ S/m 絕緣體 半導(dǎo)體 導(dǎo)體 超導(dǎo)體： σ→ ∞ 離子導(dǎo)電材料 的導(dǎo)電機(jī)理源于離子的運(yùn)動 ， 由于離子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于電子的運(yùn)動速度 ， 因此其電導(dǎo)率較小 ， 目前最高不超過 102 S/m ， 一般在100 S/m以下 。電導(dǎo)率在 107~108 S/m之間； 銀（ 107 S/m ）、銅（ 107 S/m ）和 鋁 （ 107 S/m ） （ 2）合金材料。 金屬導(dǎo)電材料 導(dǎo)電引線材料 Au, Ag, Cu, Al,Fe 合金 :AlMg, AlMgSiFe,AlMgCuFe ２、導(dǎo)體布線材料 薄膜導(dǎo)體材料：貴金屬薄膜，復(fù)合薄膜材料 電阻材料 １、精密電阻合金 MnCu,康銅， 性能 （１）低的電阻溫度系數(shù)。 非金屬導(dǎo)體材料 主要用作耐腐蝕導(dǎo)體和導(dǎo)電填料 。 ? 絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)是滿帶與導(dǎo)帶之間被一個(gè)較寬的禁帶所隔開，在常溫下幾乎很少有電子可以被激發(fā)越過禁帶，因此其電導(dǎo)率很低。 價(jià)帶中的電子受能量激發(fā)后 ， 如果激發(fā)能大于Eg， 電子可以從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上 ， 同時(shí)在價(jià)帶中留下一個(gè)空的能級位置 空穴 。 （二）典型半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用 按組成分類 元素半導(dǎo)體 化合物半導(dǎo)體 固溶體半導(dǎo)體 1. 元素半導(dǎo)體 元素半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 高純度、無缺陷的元素半導(dǎo)體。 除了硅 、 鍺 、 金剛石外 ，其余的半導(dǎo)體元素一般不單獨(dú)使用 。 雜質(zhì)半導(dǎo)體本身也存在本征激發(fā) ， 一般雜質(zhì)半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很低 ， 如十億分之一就可達(dá)到目的 。 雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) N型半導(dǎo)體逾量電子處于施主能級，施主能級與導(dǎo)帶底能級之差 Ed遠(yuǎn)小于禁帶寬度 Eg（ 相差近三個(gè)數(shù)量級）。 P型半導(dǎo)體逾量空穴處于受主能級。 二元系固溶體半導(dǎo)體 BiSb 三元系固溶體半導(dǎo)體 （碲鎘汞） Hg1xCdxTe （鎵砷磷） GeAs1xPx 最重要的紅外探測器材料 用于高速響應(yīng)器件 、 光通信等 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 半導(dǎo)體材料在集成電路上的應(yīng)用：最早用鍺單晶制造二極管和三極管；現(xiàn)在發(fā)展硅器件 ， 以硅單晶為基材的集成電路在電子器件中占主導(dǎo)地位 。 定義： 超導(dǎo)電現(xiàn)象 ：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象 。 這一現(xiàn)象為邁斯納（ Meissner） 1933年發(fā)現(xiàn) ， 稱為邁斯納效應(yīng) 。 超導(dǎo)體的基本特性 特性四： 約瑟夫森（ B D Josephson） 效應(yīng) （承擔(dān)超導(dǎo)電的超導(dǎo)電子還可以穿越極薄絕緣體勢壘） 經(jīng)典力學(xué)中 ， 若兩個(gè)區(qū)域被一個(gè)勢壘隔開 ， 則只有粒子具有足夠的能量時(shí) ， 其才會從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)區(qū)域 。 當(dāng) H HC2 時(shí) ， B＝ μH 釩 、 鈮以及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體均屬于第二類 （二）超導(dǎo)材料 ? 元素超導(dǎo)體 ? 合金超導(dǎo)體 ? 金屬間化合物超導(dǎo)體 ? 陶瓷超導(dǎo)體 ? 高分子超導(dǎo)體 在低溫常壓下 ，具有超導(dǎo)特性的化學(xué)元素共有 26種 ， 由于臨界溫度太低 ， 無太大實(shí)用價(jià)值 Nb的 Tc 最高 ，僅為 1. 元素超導(dǎo)體 2. 合金超導(dǎo)體 合金超導(dǎo)體是機(jī)械強(qiáng)度最高 、 應(yīng)力應(yīng)變較小 、 磁場強(qiáng)度低 、 臨界電流密度高的超導(dǎo)體 ， 在早期得到實(shí)際應(yīng)用 。 最大缺點(diǎn)為脆性大 ， 加工困難 。 如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲烷 目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達(dá)到 10K （三）超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。如超導(dǎo)量子干涉器件是一種高靈敏度的測量裝置，主要功能是測量磁場。 超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)所存能量幾乎可以無損耗的儲存下去 ， 其轉(zhuǎn)換率可高達(dá) 95%。 一般采用合金材料。 常用的弱電接點(diǎn)材料有： Au系 （金） Ag系 （銀） Pt系（鉑） Pd系（鈀） （三）復(fù)合接點(diǎn)材料 通過合理工藝將貴金屬接點(diǎn)材料與非貴金屬基體材料結(jié)合在一起， 國外 90%以上的弱電接點(diǎn)采用復(fù)合接點(diǎn)材料。早期的磁性材料主要是軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。一切物質(zhì)都具有磁性。 基本概念 “ 磁 ” 來源于電 。 因此 ， 原子磁矩的產(chǎn)生是電子的循軌運(yùn)動 、 電子自旋這二者組合的結(jié)果 。 B=μ0(H+M) ， μ0是一個(gè)系數(shù) ， 叫做真空磁導(dǎo)率 。 磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁滯性 。力矩（ M)的大小可由下式表示： M ? Is x A x H 定義 Pm= Is x A為通過電流為 Is、面積為 A的環(huán)型導(dǎo)體的磁矩。 原子核的磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級，一般情況下可忽略不計(jì)。 （二）基本磁性參量 B=H+M 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 磁導(dǎo)率和磁化率 在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度 B與磁場強(qiáng)度 H間的關(guān)系為： B=μ0H 在磁性材料中： B=μ0（ H+ M） 在均勻的磁性材料中，上式的矢量和可改成代數(shù)和： B=μ0（ H+M） 磁性材料的磁導(dǎo)率定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比： μ=B/H μ 0 : 真空磁導(dǎo)率 。順磁金屬主要有 Mo， Al， Pt， Sn等。 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 H m m Dm k k Dk Dk Dm 產(chǎn)生抗磁性的原理 m：磁矩 Dm ：附加磁矩 Dk ：附加向心力 k：向心力 抗磁性具有普遍性 物質(zhì)是否表現(xiàn)出抗磁性要看物質(zhì)的抗磁場是否大于其順磁場 物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的排列 a:順磁性 b:鐵磁性 c:反鐵磁性 d:亞鐵磁性 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 由于原子間的交換作用使原子磁矩發(fā)生有序的排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化，鐵磁質(zhì)中原子磁矩都平行排列 （ 在絕對零度時(shí) ) 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 鐵磁質(zhì)： 磁矩的有序排列隨著溫度升高而被破壞，溫度達(dá)到居里溫度（ Tc）以上時(shí)有序全部被破壞，磁質(zhì)由鐵磁性轉(zhuǎn)為順磁性。 （四）溫度對物質(zhì)磁性的影響 Tc χ 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 物質(zhì)的磁性 (四 ） 磁各向異性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性 。 材料磁致伸縮的相對大小用磁致伸縮系數(shù) λ表示 ， 即 ： λ=Δl/l 式中 ， Δl和 l分別表示磁場方向的絕對伸長與原長 。 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 磁化過程與技術(shù) 磁參量 (一 ) 磁疇結(jié)構(gòu) 在鐵磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交換作用能最低。磁疇的體積為 101～ 106cm3。外場愈強(qiáng)，材料的磁各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場方向。 （ 2） M隨 H急劇增長，不可逆疇壁移動過程，的巴克豪森（ Barkhausen）跳躍。 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 磁化過程與技術(shù) 磁參量 (四）磁性材料的技術(shù)磁參量 技術(shù)磁參量 內(nèi)稟磁參量 : MS、 Tc 外稟磁參量 : Hc、 Mr或 Br、磁導(dǎo)率、損耗、磁能積 MS: 飽和磁化強(qiáng)度 Hc：矯頑力 Mr或 Br：剩磁 主要取決于材料的化學(xué)成分 對材料結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶體缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通過適當(dāng)?shù)墓に嚫淖? 損耗： 軟磁材料磁化一周總的能量損耗 W， 由渦流損耗 ， 磁滯損耗 Wh和剩余損耗 Wr三部分組成 ， 通常以每公斤材料損耗的功率表示 ， 即 : W=We+Wh+Wr We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場的平面內(nèi)產(chǎn)生的渦流引起發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。 主要作用是在磁鐵的兩磁極空間 (或稱空氣隙)產(chǎn)生磁場 Hg。 對通常的永磁體的應(yīng)用而言 ， Hg越大越好 。Br （ 3） 化學(xué)穩(wěn)定性：在 腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中磁性隨時(shí) 間的變化 。(記憶元件 ) H B H B H B 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－ 磁 性材料分類 主要磁性材料分類 3. 2 軟磁材料 用途： 發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計(jì)算機(jī)磁心等。 軟磁材料的特性 高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度； 矯頑力和磁滯損耗低； （ 矯頑力一般小于1kA/m） 電阻率較高 ， 反復(fù)磁化和退磁時(shí)產(chǎn)生的渦流損耗小 。早在1890年熱軋純鐵就用于制造電機(jī)和變壓器鐵芯。 保護(hù)條件下 860～930℃ ， 保溫 4小時(shí)后隨爐冷卻 。