材料化學(xué)導(dǎo)論第7章_新型功能材料(2)

1、1材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料功能材料功能材料 具有特定的光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化功能，并應(yīng)用于現(xiàn)代高新技術(shù)中的材料。新型功能材料 具有特殊物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)功能。分類：按材料物質(zhì)（金屬、非金屬 ） 按材料功能性質(zhì)（光、電、聲 ） 按材料應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域（傳感器、電子、信息通訊、計(jì)算機(jī)）2材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料1. 形狀記憶合金2. 減振材料3. 貯氫材料4. 液晶材料5. 超導(dǎo)材料6. 光導(dǎo)纖維7. 分離膜8. 醫(yī)用聚合材料9. 其他現(xiàn)代功能材料10. 準(zhǔn)晶體3材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功

2、功 能能 材材 料料1.形狀記憶合金（1）形狀記憶合金 形狀記憶合金 材料在某一溫度下受外力而變形，當(dāng)外力 去除后，仍保持其變形后的形狀；再升溫，則 材料自動(dòng)恢復(fù)到變形前原有的形狀，似乎對(duì)以 前的形狀保持記憶的材料。 形狀記憶現(xiàn)象：馬氏體相被加熱并回復(fù)為原來(lái) 母相時(shí)所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。 4材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料（2）形狀記憶效應(yīng)機(jī)理 熱彈性馬氏體相變機(jī)理與鋼的淬火相關(guān) 在形狀記憶合金中，馬氏體相遠(yuǎn)比母相軟得多（這與鋼恰好相反），在受到外力作用時(shí)，能夠很容易的通過(guò)馬氏體相內(nèi)部的雙晶面的移動(dòng)或馬氏體相之間的移動(dòng)而改變其形狀，經(jīng)加熱而回復(fù)到原來(lái)的母相時(shí)，這種形狀的改變會(huì)全

3、部消失。5材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料6材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料實(shí)例1：鋼沒(méi)有記憶功能 鋼的TAS和TMS之間的溫度差（相變溫度滯后）高達(dá)數(shù)百攝氏度，即必須過(guò)熱或過(guò)冷到足以積蓄很大的亥姆霍茲自由能差，才能發(fā)生馬氏體相的轉(zhuǎn)變；實(shí)例2：Au-Cd合金和Ti-Ni合金 相變溫度滯后僅有1030，有極小的相變驅(qū)動(dòng)力就能發(fā)生相變。7材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變機(jī)理 研究成果：Fe-30Mn-1Si單晶合金 形狀記憶效應(yīng)機(jī)理：應(yīng)力誘導(dǎo) 可逆馬氏體 相變相面心立方結(jié)構(gòu)，沿（111）密排面逐層堆 積，為ABCABC堆

4、積方式相密排六方結(jié)構(gòu)，沿（0001）密排面逐層 堆積，為ABAB堆積方式。 從晶體學(xué)和能量角度來(lái)看，相變極易進(jìn)行 8（3）形狀記憶合金材料材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料9材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料（4）形狀記憶合金的應(yīng)用 在一般工程上的應(yīng)用 制作管接口10材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料 在熱致機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用 利用處于拉應(yīng)力狀態(tài)形狀記憶合金絲的形狀記憶效應(yīng)，可供輸入信號(hào)通過(guò)感應(yīng)線圈而變成電流，使合金絲長(zhǎng)度發(fā)生變化。 在醫(yī)療方面的應(yīng)用 醫(yī)用材料多用鈦鎳合金，有耐蝕性和符合生理反應(yīng)?？捎糜诩怪鶄?cè)彎的矯正，人工關(guān)節(jié)，人造心臟等。11材

5、料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料 形狀記憶式熱發(fā)動(dòng)機(jī)12材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料在軍事和航天工業(yè)方面的應(yīng)用 美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局用形狀記憶合金做成大型月面天線13材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.2 減振材料 主要是防震合金，這是一種內(nèi)耗能量非常大，振動(dòng)能與熱能的交換能力很強(qiáng)，因而使得振動(dòng)能可以迅速衰減的一類合金材料。14材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料根據(jù)作用機(jī)制可分為四類：1.復(fù)合型材料鑄鐵2.鐵磁性材料12%鉻鋼3.位錯(cuò)性材料Mg中加入6%Zr4.孿晶型材料錳銅系合金15材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型

6、型 功功 能能 材材 料料7.3 貯氫材料 貯氫材料 在一定溫度和氫氣壓力下，能多次吸收、 貯存和釋放氫氣的材料 貯氫合金 金屬間化合物（中間相）亦稱氫海綿。 常溫常壓下比普通金屬吸氫量高1000倍。 16材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料如：鎂鎳合金制成的氫燃料箱本身重量是100kg， 所吸收的氫氣的熱能相當(dāng)于40kg汽油； 鑭鎳合金吸氫的密度能達(dá)到液氫的密度。17材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料 7.3.1貯氫原理 金屬-氫體系存在平衡反應(yīng)： M(s)+x/2H2(g) MHx(s)+H 7.3.2 貯氫合金的開(kāi)發(fā) 貯氫金屬要求必須具有如下性能：(1)

7、單位質(zhì)量或單位體積的貯氫量盡可能地多， 吸氫操作的溫度、壓力條件不高，易于實(shí) 施，設(shè)備簡(jiǎn)單。18材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料(2)氫化物生成熱少，具有適于常溫適用的氫的 平衡分解壓力，而且可根據(jù)需要能容易地釋 放出氫。(3)可供反復(fù)使用，歷經(jīng)吸氫釋氫的反復(fù)循環(huán)其 性能維持不變，也不致因受工業(yè)氫氣燃料中 所含雜質(zhì)的污染而使吸氫釋氫性能下降。(4)貯氫合金造價(jià)低廉、穩(wěn)定、輕質(zhì)、便于貯運(yùn)。19材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.3.3 貯氫合金的其他應(yīng)用 （1）貯存氫燃料，回收廢氫氣 （2）制作貯氫氣瓶 （3）分離、貯存氫同位素 （4）作空調(diào)機(jī)、熱壓縮機(jī)、

8、熱泵以及用 來(lái)回收熱能和利用太陽(yáng)能等20材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.4 液晶材料7.4.1液晶 晶態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化的中間態(tài)，它既保持了晶態(tài)的有序性，同時(shí)又具有液態(tài)的連續(xù)性和流變性，這種中間態(tài)稱為液晶態(tài)，處于這種狀態(tài)下的物質(zhì)稱液晶。21材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.4.2 液晶的類型 （1）根據(jù)紋理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和性質(zhì)，液晶有： 向列形 膽甾型 近晶型（2）根據(jù)生成過(guò)程有： 熱致液晶 溶致液晶 22材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.4.3液晶的分子結(jié)構(gòu) 液晶是從晶體向液體過(guò)渡的中間相。 （1）近晶型液晶 近晶型液晶的規(guī)整性與晶相

9、最為接近。這類液晶中棒狀分子平行排列成層狀結(jié)構(gòu)，分子軸垂直于層面，棒狀分子只能在層內(nèi)活動(dòng)。23材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料（2）向列型液晶 向列型液晶的化學(xué)結(jié)構(gòu)可依據(jù)其中心群原子團(tuán)的種類分為甲亞胺化合物、偶氮化合物、氧化偶氮化合物，酯化合物、聯(lián)苯化合物等。24材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料羧酸（RCOOH），胺（R-NH2）等鹽類易出現(xiàn)近 晶相；苯環(huán)對(duì)位上的末端取代基是-CO-OR,-CHCH- CO-OR,-CO-NH2及-CO-NH2及-O-CF3等的化合 物時(shí)，出現(xiàn)近晶相的趨勢(shì)很大；當(dāng)分子末端的直鏈狀烷基很長(zhǎng)時(shí)易出現(xiàn)近晶相；X末端的取代基為-

10、C6H5,-NH-CO-CH3或者為 -AO-CO-CH3的化合物時(shí)，傾向于出現(xiàn)近晶相； 25材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料X末端引入-CN基、-NO2基或者-OCH3基時(shí)， 出現(xiàn)向列相的趨勢(shì)很強(qiáng)；分子長(zhǎng)軸方向和垂直方向上有偶極子的化合 物時(shí)，易出現(xiàn)近晶相；對(duì)液晶的形成帶來(lái)不利傾向的立體因素，對(duì) 近晶相排列的影響比對(duì)向列相排列的影響更 大。 26材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料（3）膽甾型液晶 膽甾型液晶分子的排列具有向列型的有序性，并在二維相層中向左或右以相同的螺旋角，自上而下呈螺旋狀的重疊。膽甾型液晶分子在螺旋軸的方向上存在著規(guī)律性，其重復(fù)周期稱為

11、螺距。27材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.4.4 影響液晶特性的結(jié)構(gòu)因素（1）中心團(tuán)的功能 中心團(tuán)在保持液晶分子直線性方面具有重要作用，所以多為共軛性原子團(tuán)來(lái)連接兩個(gè)苯環(huán)的結(jié)構(gòu)。中心團(tuán)的極性，有助于液晶的熱穩(wěn)定性增加。 28材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料（2）取代基的功能 在作為液晶化合物的苯環(huán)上連接取代基時(shí)，要考慮到其立體效應(yīng)和極性效應(yīng)。 向列型的熱穩(wěn)定性主要受立體效應(yīng)的影響，而近晶相的熱穩(wěn)定性卻依賴于立體效應(yīng)和極性效應(yīng)的綜合結(jié)果，當(dāng)取代基的偶極矩很大時(shí)，取代基的立體效應(yīng)就減少，近晶相的熱穩(wěn)定性就大。29材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能

12、材材 料料(3)末端基的功能 在液晶分子中心團(tuán)上鍵合的兩個(gè)末端基通常是直鏈?zhǔn)酵榛⑼檠趸蛲檠趸ァ?在液晶分子中當(dāng)烷鏈較短時(shí)一般只能得到向列相；中等長(zhǎng)度時(shí)可得到近晶相和向列相；更長(zhǎng)時(shí)則只能得到近晶相。7.4.5液晶的性質(zhì)與應(yīng)用（1）物理功能的利用（2）化學(xué)功能的利用 30材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.5 超導(dǎo)材料（超導(dǎo)體） 超導(dǎo)材料：臨界條件下具有超導(dǎo)性的物質(zhì)。 形成超導(dǎo)狀態(tài)的條件 （1） T Tc （2） H Hc （3） J Jc31材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料特點(diǎn) 處于超臨界狀態(tài)下的導(dǎo)體沒(méi)有電阻，電流通過(guò)導(dǎo)體不發(fā)生熱損耗，電流可以無(wú)損耗

13、地在導(dǎo)線中流動(dòng)。32材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料 超導(dǎo)體（1）高臨界溫度的氧化物超導(dǎo)體 Ba-La-Cu-O系氧化物材料， Tc= 30K， 到達(dá)13K時(shí)電阻下降至零。 鋇-釔-銅-氧體系，Tc=93K。 Bi,Sr,Ca,Cu和O；Tl,Ba,Ca,Cu和O； Bi,Pb,Sb,Sr,Ca,Cu和O的超導(dǎo)體，Tc=132K3334材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料超導(dǎo)材料的工作機(jī)制 電子 聲子的弱耦合理論 超導(dǎo)體中的電子不同于一般導(dǎo)體中的單個(gè)電子，在臨界溫度以下，在構(gòu)成超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的原子振動(dòng)的幫助下，電子形成所謂庫(kù)珀對(duì)，即具有相反旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的兩個(gè)電子

14、結(jié)成一對(duì)互相牽制的電子對(duì)成對(duì)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閹?kù)珀對(duì)中的電子是被束縛的、高度有序的，在超導(dǎo)體晶格中穿行是不受晶格阻礙，因此電阻為零。35材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料（2）MxC60超導(dǎo)體 C60及其結(jié)構(gòu)36材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料C60的性質(zhì) 芳香族有機(jī)分子，能溶解于苯、甲苯、CS2 等溶劑中；分子十分穩(wěn)定； 在1105壓力下，400開(kāi)始升華； 化學(xué)性質(zhì)較活潑，能發(fā)生加成反應(yīng)、氧化還 原等反應(yīng)； 分子既能給電子，又能接受電子。37材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料 MxC60超導(dǎo)體 C60晶體摻入金屬元素，有較高的Tc。 摻入堿金屬

15、的固態(tài)C60 常溫下為金屬導(dǎo)體，低溫下呈超導(dǎo)性。例如 K3C60 ， Tc=18K RbC60, Tc=28K Rb2CsC60 ， Tc=30K；Rb2Cs2C60 ， Tc=33K Cs3C60 ，Tc=30K KxC6038材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料（3）超導(dǎo)體的應(yīng)用前景 在節(jié)能方面的應(yīng)用 超導(dǎo)電機(jī)；超導(dǎo)輸電 開(kāi)發(fā)新能源方面的應(yīng)用 磁力懸浮高速列車 在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷方面的應(yīng)用 在軍事方面的應(yīng)用 在基礎(chǔ)科學(xué)方面的應(yīng)用39材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.6 光導(dǎo)纖維7.6.1光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖） 由折射率較大的纖芯和折射率較小的包層構(gòu)成的可自由

16、彎曲的導(dǎo)光材料。 纖芯的直徑大約是幾十微米。光纖的作用：將始端的入射光線傳輸?shù)浇K端， 利用光來(lái)傳輸信息和圖象。40材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.6.2 光導(dǎo)原理基本原理：全反射定理。 全反射即光從光密介質(zhì)（折射率大的介質(zhì)）射到光疏介質(zhì)（折射率小的介質(zhì)）的界面時(shí)，全部反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象。 光導(dǎo)纖維：利用纖芯和包層折射率的差別，依靠 全反射的原理實(shí)現(xiàn)光信息傳輸?shù)摹?1材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.6.3 光纖材料（1）石英光纖組成：以SiO2為主，添加少量的GeO2，P2O5 及 F等以控制光纖的折射率。特點(diǎn)：資源十分豐富，化學(xué)性能極其穩(wěn)定， 膨

17、脹系數(shù)小，容易在高溫下加工且光 纖的性能不隨溫度而改變。42材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料制備方法：改進(jìn)的化學(xué)沉積法SiCl4+O2SiO2+2Cl2氣相外延沉積法SiCl4+3H2OSiO2+4HCl氣相軸向沉積法43（2）多元氧化物光纖 SiO2-CaO-Na2O SiO2-B2O3-Na2O， 其中含Si為4070%。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜， 制造工藝和設(shè)備比較簡(jiǎn)單 性能上，比石英光纖差得多材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料44材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料（3） 非氧化物光纖 類型：氟化物玻璃； 硫族化合物玻璃； 鹵化物晶體。

18、組成：重離子， 特性：熔點(diǎn)較低，離子間結(jié)合力很弱，對(duì)紅 外線長(zhǎng)波域的吸收是其光損耗中材料 固有損耗特性。 45材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料氟化物光纖基本組成：ZrF4-BaF2-LaF3(GdF3)三元系， 添加NaF，CsF，AlF3，PbF2等。特性：氟化物玻璃穩(wěn)定性較差，有晶體析出的 傾向，因此制備成均質(zhì)、光散射小的光 纖有很大難度。 硫族化合物玻璃光纖 典型例子：As-S及As-Se系。46材料化學(xué)材料化學(xué) 新新 型型 功功 能能 材材 料料 晶體光纖類型：a.單晶光纖，如CsBr，CsI使離子鍵晶體 化合物，通常由熔體生長(zhǎng)制成。 b.多晶光纖，以TiBrI為代表，是通過(guò)加 壓使熔體由細(xì)直徑管口擠出而形成的， 晶體光纖在110um以上很寬的波長(zhǎng)