功能材料,詳案

1、功能材料概論【教學(xué)目標(biāo)】：知識(shí)目標(biāo)：大體介紹功能材料學(xué)在本學(xué)期的教學(xué)安排、學(xué)習(xí)方法；引領(lǐng)學(xué)生站在較高的高度，鳥(niǎo)瞰本門課程的各個(gè)章節(jié)，以及各章節(jié)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的對(duì)本門課的興趣；技能目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生自主利用網(wǎng)絡(luò)，圖書(shū)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，深入自學(xué)的能力。情感目標(biāo)：引導(dǎo)學(xué)生明白自己身邊的每一門學(xué)科不僅對(duì)自己未來(lái)，還對(duì)國(guó)防、國(guó)家民族未來(lái)息息相關(guān)?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】：激發(fā)學(xué)生對(duì)本門課的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力【教學(xué)難點(diǎn)】：激發(fā)學(xué)生對(duì)本門課的學(xué)習(xí)興趣【課時(shí)安排】：二課時(shí)【教學(xué)方法】：在教學(xué)中引入大量國(guó)防和工業(yè)應(yīng)用中的例子，說(shuō)明本門課程的重要性；組織討論，讓學(xué)生舉例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?！窘虒W(xué)用具】：略

2、【教學(xué)過(guò)程】：引言自我介紹，點(diǎn)名，選科代表。1986年，我國(guó)制定了高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃綱要，被評(píng)選列入的七個(gè)技術(shù)群是生物技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、航天技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、新能源技術(shù)和新材料技術(shù)。一般認(rèn)為，新材料有晶須材料、非晶材料、超塑性合金、形狀記憶材料、功能陶瓷、功能有機(jī)材料、超導(dǎo)材料、碳纖維、能量轉(zhuǎn)換材料等。新材料發(fā)展的重點(diǎn)已經(jīng)從結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)向功能材料。功能材料被譽(yù)為一一21世紀(jì)人類文明的重要支柱板書(shū)第一章功能材料概論講解隨著時(shí)代的發(fā)展，人類將進(jìn)入一個(gè)信息時(shí)代。為了解決生產(chǎn)高速發(fā)展以及由此所產(chǎn)生的能源、環(huán)境等一系列的問(wèn)題，更需要用高科技的方法和手段來(lái)生產(chǎn)新型的、功能性的產(chǎn)品，以獲得各種優(yōu)良的綜合性

3、能。近年來(lái)新型功能材料層出不窮，得到了突破性的進(jìn)展。日本和歐美各國(guó)對(duì)新型功能材料的研究十分注意，這是因?yàn)楣δ懿牧鲜悄茉?、?jì)算機(jī)、通訊、電子、激光等現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，功能材料在未來(lái)的社會(huì)發(fā)展中具有重大戰(zhàn)略意義。近10年來(lái)，功能材料成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中最為活躍的部分。每年以5以上的速度增長(zhǎng)，相當(dāng)于每年有1.25萬(wàn)種新材料問(wèn)世。未來(lái)世界需要更多的性能優(yōu)異的功能材料，功能材料正在滲透到現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域。板書(shū)一、功能材料的概念與分類講解材料的種類很多，如：建筑材料、薄膜材料，復(fù)合材料、高分子材料等，什么叫功能材料呢？回答功能材料是指具有一種或幾種特定功能的材料，如通過(guò)光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等作用

4、后具有特定功能的材料。提問(wèn)功能材料的種類有多少？回答功能材料涉及面較廣，具體包括光、電功能，磁功能，分離功能，形狀記憶功能等講解隨著技術(shù)的發(fā)展和人類認(rèn)識(shí)的擴(kuò)展，新型的功能材料不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，因此對(duì)其也產(chǎn)生了許多不同的分類方法。從功能的不同考慮，可將功能材料分為以下四類。力學(xué)功能：主要是指強(qiáng)化功能材料和彈性功能材料，如高結(jié)晶材料、超高強(qiáng)材料等(2)化學(xué)功能：分離功能材料：如分離膜，離子交換樹(shù)脂、高分子絡(luò)合物；反應(yīng)功能材料；如高分子試劑、高分子催化劑；生物功能材料：如固定化菌，生物反應(yīng)器等。(3)物理化學(xué)功能電學(xué)功能材料：如超導(dǎo)體，導(dǎo)電高分子等；光學(xué)功能材料：如光導(dǎo)纖維、感光性高分子等；能量轉(zhuǎn)換材

5、料：如壓電材料、光電材料。(4)生物化學(xué)功能醫(yī)用功能材料：人工臟器用材料如人工腎、人工心肺，可降解的醫(yī)用縫合線、骨釘、骨板等；功能性藥物：如緩釋性高分子，藥物活性高分子，高分子農(nóng)藥等；生物降解材料板書(shū)1.功能材料概念2.功能材料分類：(1)力學(xué)功能(2)化學(xué)功能(3)物理化學(xué)功能(4)生物化學(xué)功能講解功能材料設(shè)計(jì)的原理和方法材料的功能顯示過(guò)程是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過(guò)材料的傳輸或轉(zhuǎn)換等過(guò)程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。板書(shū)二、功能材料設(shè)計(jì)的原理和方法講解功能材料按其功能的顯示過(guò)程又可分為一次功能材料和二次功能材料A、一次功能當(dāng)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(shí)，材料起到

6、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。種類：力學(xué)功能、聲功能、熱功能、電功能、磁功能、光功能、化學(xué)功能、其他功能B、二次功能當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時(shí)，材料起能量的轉(zhuǎn)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(rèn)為這種材料才是真正的功能材料。種類：光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。板書(shū)1.功能材料設(shè)計(jì)的原理A、一次功能B、二次功能講解所謂功能設(shè)計(jì)，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學(xué)方法。材料科學(xué)與工程一般都認(rèn)為由四要素組成，即結(jié)構(gòu)

7、/成分、合成/流程、性能與效能。但考慮到結(jié)構(gòu)與成分并非同義詞，相同成分通過(guò)不同制備方法可以得到不同結(jié)構(gòu)，從而使材料出現(xiàn)不同性能，所以材料科學(xué)與工程應(yīng)為五要素，即成分、合成/流程、結(jié)構(gòu)、性能與效能。根據(jù)材料所要求的性能不同，材料設(shè)計(jì)可以從電子、光子出發(fā)也可從原子、原子集團(tuán)出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀。板書(shū)2.材料設(shè)計(jì)講解材料設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其最終應(yīng)達(dá)到提出一個(gè)需求目標(biāo)就可設(shè)計(jì)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(gòu)件。為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)，必須開(kāi)展深入的基礎(chǔ)研究，以了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫(kù)；建立正確的物理模型；需要有大容量計(jì)算機(jī)；更重要的是要不同學(xué)

8、科科學(xué)家與工程技術(shù)人員的通力合作。板書(shū)a、金屬功能材料設(shè)計(jì)講解金屬功能材料按性能分主要包括磁性、電性、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、生物功能材料和特種功能材料。金屬功能材料的功能設(shè)計(jì)主要有以下兩個(gè)方面。(1)尋找具有特定功能的金屬材料。(2)利用各種金屬材料的特性，制備符合使用要求的合金。板書(shū)b、無(wú)機(jī)非金屬功能材料設(shè)計(jì)講解無(wú)機(jī)非金屬功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。無(wú)機(jī)非金屬功能材料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)的方法主要有以下兩種：根據(jù)功能的要求設(shè)計(jì)配方。根據(jù)功能的要求設(shè)計(jì)合適的加工工藝板書(shū)c、高分子功能材料設(shè)計(jì)講解功能高分子材料功能設(shè)計(jì)的主要途徑如下：通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成新功能。通過(guò)特殊加工賦予材料以功能特性通

9、過(guò)兩種或兩種以上的具有不同功能或性能的材料復(fù)合獲得新功能。通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行各種表面處理以獲得新功能板書(shū)三、功能材料的特點(diǎn)講解功能材料是目前材料領(lǐng)域發(fā)展最快的新領(lǐng)域。功能材料雖然制備過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)品產(chǎn)量小，但是利潤(rùn)較高。其主要原因是基于其特有的“功能性”。功能材料的結(jié)構(gòu)與性能之間存在著密切的聯(lián)系，材料的骨架、功能基團(tuán)以及分子組成直接影響著材料的宏觀結(jié)構(gòu)與材料的功能。研究功能材料的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，可以指導(dǎo)開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)、新穎的功能材料。板書(shū)1.金屬功能材料講解金屬功能材料是開(kāi)發(fā)比較早的功能材料，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，一方面促進(jìn)了非金屬材料的迅速發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了金屬材料的發(fā)展許多區(qū)別于傳統(tǒng)金屬材料的

10、新型金屬功能材料應(yīng)運(yùn)而生，有的已被廣泛應(yīng)用，有的具有廣泛應(yīng)用的前景。如形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)及各種形狀記憶合金體系的開(kāi)發(fā)研制，使得這類新型金屬材料在現(xiàn)代軍事、電子、汽車、能源、機(jī)械、宇航、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。另一方面，非晶態(tài)合金由于具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，是一種極有發(fā)展前景的新型金屬材料。具有獨(dú)特性能和用途的新型金屬功能材料很多，如超導(dǎo)合金、納米金屬、高溫合金、減振合金、儲(chǔ)氫、多孔金屬、金屬磁性材料等。板書(shū)2.無(wú)機(jī)非金屬功能材料講解無(wú)機(jī)非金屬功能材料的發(fā)展速度也很快，新的種類也是層出不窮。它以功能玻璃和功能陶瓷為主，近來(lái)也發(fā)展了一些新工藝和新品種。板書(shū)1)組合化學(xué)在無(wú)機(jī)功能材料方面的應(yīng)用講

11、解組合化學(xué)作為合成化學(xué)的一個(gè)新分支，它展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。組合化學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合，特別是與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合，是組合化學(xué)發(fā)展的未來(lái)方向。無(wú)機(jī)功能材料組合化學(xué)研究主要集中在具有特殊光、電、磁和催化等性質(zhì)的材料上。其主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：a.無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)基元或虛擬結(jié)構(gòu)基元的組合化學(xué)。b.無(wú)機(jī)功能材料組合合成技術(shù)與表征方法的基礎(chǔ)研究。c.特殊技術(shù)和特定結(jié)構(gòu)組合化學(xué)。它包括激光噴涂組合化學(xué)研究，主客體組裝組合化學(xué)等。d.固體氧化物燃料電池中新型中、低溫（600800）區(qū)工作的固體復(fù)合氧化物電解質(zhì)材料的探索和篩選。e.從熱力學(xué)平衡角度研究材料的相態(tài)、結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性，獲得所需材料體系的相圖，同時(shí)進(jìn)行性能測(cè)

12、定，由此全面掌握不同組成、結(jié)構(gòu)和工作溫度下的材料特性。板書(shū)2）.功能玻璃和功能陶瓷發(fā)展的新特點(diǎn)組合化學(xué)在無(wú)機(jī)功能材料方面的應(yīng)用講解功能玻璃和功能陶瓷是無(wú)機(jī)非金屬功能材料中的主要組成部分，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性質(zhì)以外，還具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如磁光玻璃的磁光轉(zhuǎn)換性能、聲光玻璃的聲光性、導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電性、記憶玻璃的記憶特性等。新型功能玻璃的發(fā)展以光功能玻璃為代表。作為藍(lán)光、可見(jiàn)光元件上的轉(zhuǎn)換材料、光存儲(chǔ)顯示材料及各種非線性光學(xué)玻璃特別引人注意，它們將占據(jù)未來(lái)的光量子時(shí)代，是功能玻璃材料研究的主要方向?？祀x子導(dǎo)體玻璃的發(fā)展也很快，有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合玻璃是玻璃研究者的又一

13、大開(kāi)拓目標(biāo)。板書(shū)3.功能高分子材料講解a）.影響功能高分子材料“功能性”的結(jié)構(gòu)因素b）.功能高分子材料的制備方法板書(shū)四、功能材料制備用的新方法講解用于功能材料制備的新方法很多。例如：快速凝固、鍍膜、超晶格、機(jī)械合金化、溶膠凝膠、極限（極高溫、高壓、高真空、失重等）條件下制備的方法、復(fù)合及雜化、晶須及大單晶制備法等等。這些方法的發(fā)展與使用加快了新品種的開(kāi)發(fā)和質(zhì)量的提高。板書(shū)五、功能材料的發(fā)展現(xiàn)狀1）.新型功能材料國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀講解當(dāng)前，國(guó)際功能材料及其應(yīng)用技術(shù)正面臨新的突破，諸如超導(dǎo)材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)能材料、生態(tài)環(huán)境材料、生物醫(yī)用材料及材料的分子、原子設(shè)計(jì)等正處于日

14、新月異的發(fā)展之中，發(fā)展功能材料技術(shù)正在成為一些發(fā)達(dá)國(guó)家強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)及軍事優(yōu)勢(shì)的重要手段。板書(shū)超導(dǎo)材料講解以NbTi、Nb3Sn為代表的實(shí)用超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導(dǎo)磁體及大型加速器磁體等多個(gè)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導(dǎo)應(yīng)用溫度從液氦（4.2K）提咼到液氮（77K）溫區(qū)。咼溫超導(dǎo)材料的研究工作已在單晶、薄膜、體材料、線材和應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展。板書(shū)生物醫(yī)用材料講解作為高技術(shù)重要組成部分的生物醫(yī)用材料已進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新階段，其市場(chǎng)銷售額正以每年16%的速度遞增，預(yù)計(jì)20年內(nèi)，生物醫(yī)用材料所占的份額將趕上藥物市場(chǎng)，成為一個(gè)支柱

15、產(chǎn)業(yè)。生物活性陶瓷已成為醫(yī)用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是醫(yī)用高分子材料的重要方向。板書(shū)能源材料講解太陽(yáng)能電池材料是新能源材料研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。美國(guó)能源部在全部氫能研究經(jīng)費(fèi)中，大約有50%用于儲(chǔ)氫技術(shù)。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關(guān)鍵是電池材料，如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料，還有質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜等，都是目前研究的熱點(diǎn)。板書(shū)生態(tài)環(huán)境材料講解是20世紀(jì)90年代在國(guó)際高技術(shù)新材料研究中形成的一個(gè)新領(lǐng)域，其研究開(kāi)發(fā)在日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家十分活躍，主要有三個(gè)研究方向：直接面臨的與環(huán)境問(wèn)題相關(guān)的材料技術(shù)，例如，生物

16、可降解材料技術(shù)，CO2氣體的固化技術(shù)，SOx、NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、廢物的再資源化技術(shù)，環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)，材料制備加工中的潔凈技術(shù)以及節(jié)省資源、節(jié)省能源的技術(shù)。開(kāi)發(fā)能使經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，如仿生材料、環(huán)境保護(hù)材料、氟里昂、石棉等有害物質(zhì)的替代材料、綠色新材料等；材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)。板書(shū)智能材料講解智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來(lái)高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化的目標(biāo)。國(guó)外智能材料的研發(fā)方面已取得很多技術(shù)突破，如英國(guó)宇航公司在導(dǎo)線傳感器，可用

17、于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國(guó)開(kāi)發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬(wàn)次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間，僅為10秒鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料等在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果。板書(shū)2).國(guó)內(nèi)功能材料發(fā)展的現(xiàn)狀講解我國(guó)非常重視功能材料的發(fā)展，在國(guó)家攻關(guān)、“863”、“973”、國(guó)家自然科學(xué)基金等計(jì)劃中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”國(guó)防計(jì)劃中還將特種功能材料列為“國(guó)防尖端”材料。這些科技行動(dòng)的實(shí)施，使我國(guó)在功能材料領(lǐng)域取得了豐碩的成果。在“863”計(jì)劃支持下，開(kāi)辟了超導(dǎo)材料、平板顯示材料、稀土功能材料、生物醫(yī)用材料、儲(chǔ)氫等新能源材料，金剛石薄膜，高性能固體推進(jìn)劑材料，紅外隱身材料，材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)等功能材料新領(lǐng)域，取得了一批接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果，在國(guó)際上占有了一席之地。鎳氫電池、鋰離子電池的主要性能指標(biāo)和生產(chǎn)工藝技術(shù)均達(dá)到了國(guó)外的先進(jìn)水平，推動(dòng)了鎳氫電池的產(chǎn)業(yè)化；功能陶瓷材料的研究開(kāi)發(fā)取得了顯著進(jìn)展，以片式電子組件為目標(biāo)，我國(guó)在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低燒瓷料和賤金屬電極上形成了自己的特色并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，使片式電容材料及其組件進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。高檔釹鐵硼產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得