土木專業(yè)建筑學緒論教學隨堂講義資料

土木專業(yè)建筑學緒論教學隨堂講義資料第一頁，共45頁。高等數(shù)學，普通物理，電磁學材料科學基礎(chǔ)，材料物理化學功能材料課程特點：理論工程應(yīng)用1.很強的理論性和應(yīng)用性2.涵蓋內(nèi)容廣泛，課堂講授有限，自學，主動學習成績計算方法：平時成績（50%）+期末考試（50%）國內(nèi)外大學，研究所，公司第二頁，共45頁。主要參考資料1.功能材料概論，哈爾濱工業(yè)大學出版社，19992.功能材料學概論，冶金工業(yè)出版社，19993.現(xiàn)代功能陶瓷，國防工業(yè)出版社，19984.新材料概論，國防工業(yè)出版社，20045.金屬功能材料，化學工業(yè)出版社，20046.功能陶瓷材料,化學工業(yè)出版社,2003第三頁，共45頁?！豆δ懿牧蠈W概論》內(nèi)容簡介

金屬功能材料（超導材料，儲氫合金，形狀記憶合金，磁性材料，非晶態(tài)合金，納米材料）無機非金屬功能材料（功能陶瓷,功能玻璃）高分子功能材料智能材料功能晶體材料

……第四頁，共45頁。第一章緒論第五頁，共45頁。第一節(jié)概述1.什么是材料？材料就是可以制成各種物品的物質(zhì)材料的應(yīng)用及發(fā)展是人類文明發(fā)展的里程碑。人類文明的進程是按其使用的材料來劃分的，比如石器時代，銅器時代，鐵器時代等。第六頁，共45頁。300，000年前，燧石4，000BC鍛打銅3，500BC冶煉銅1，400BC煉鐵1886電化學方法冶煉鋁-使鋁成為一種常用金屬尼龍的商業(yè)發(fā)展，高分子材料發(fā)展的關(guān)鍵時期第七頁，共45頁。1960’s越來越小的硅芯片1980’s高溫超導材料、能源、信息——21世紀人類文明的重要支柱第八頁，共45頁。2.為什么要研究功能材料？

能源的需求環(huán)境的需求更高生活品質(zhì)的追求第九頁，共45頁。（年）第十頁，共45頁。新能源材料

太陽能電池材料太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源．也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。但是由于還沒有效率高，壽命長，價格低廉的光電轉(zhuǎn)換材料而使得太陽能在能源中的地位一直很低。目前的光電轉(zhuǎn)換材料主要有硅，硫化鎘，碲化鎘等。太陽能電池材料是新能源材料研究開發(fā)的熱點，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達40%。氫是一種潔凈、無污染、發(fā)熱值高、取之不盡用之不竭的能源。氫能的利用涉及氫的儲存，運輸和使用。如何高效的儲氫是目前人們研究的熱點問題。美國能源部在全部氫能研究經(jīng)費中，大約有50%用于儲氫研究。儲氫材料第十一頁，共45頁。第十二頁，共45頁。環(huán)境問題2013年1月13日第十三頁，共45頁。環(huán)境問題第十四頁，共45頁。第十五頁，共45頁。環(huán)境材料1.生物可降解材料2.CO2氣體固化3.SOx，NOx催化轉(zhuǎn)化4.開發(fā)能使經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，如仿生材料、環(huán)境保護材料、氟里昂、石棉等有害物質(zhì)的替代材料、綠色新材料5.……第十六頁，共45頁。日本研發(fā)自我修復(fù)的新材料第十七頁，共45頁。

近10年來，功能材料成為材料科學和工程領(lǐng)域中最為活躍的部分。每年以5％以上的速度增長，相當于每年有1.25萬種新材料問世。未來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)代生活的各個領(lǐng)域。第十八頁，共45頁。第二節(jié)功能材料的概念與分類第十九頁，共45頁。一、功能材料的概念

功能材料：是指通過電、磁、光、聲、熱、力、化學以及生物等作用后具有特定功能材料。功能材料(FunctionalMaterials)、特種材料(SpecialityMaterials)或精細材料(FineMaterials)。第二十頁，共45頁。

功能材料涉及面較廣：電、磁、光、聲、熱、力、化學以及生物等特點：相對于通常的結(jié)構(gòu)材料而言，這類材料一般除了具有機械特性外，還具有其他的功能特性。第二十一頁，共45頁。

材料的特定的功能與材料的特定結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。形狀記憶熱彈性馬氏體超導超導電子對第二十二頁，共45頁。二、功能材料的分類目前比較常見的分類方法有：1.根據(jù)化學鍵和化學成分的不同金屬功能材料無機非金屬功能材料有機高分子功能材料復(fù)合功能材料

第二十三頁，共45頁。2．按材料物理性質(zhì)分類：

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等第二十四頁，共45頁。3．按材料的形態(tài)分類：體功能材料膜功能材料纖維功能材料顆粒功能材料第二十五頁，共45頁。4.按功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域分：電子材料軍工材料核材料信息工業(yè)用材料能源材料醫(yī)學材料等第二十六頁，共45頁。第三節(jié)功能設(shè)計的原理和方法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(zhuǎn)換過程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。輸入材料輸出下圖為材料功能顯示過程的示意圖第二十七頁，共45頁。

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。一次功能：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。二次功能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(zhuǎn)換部件作用，材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。第二十八頁，共45頁。一次功能①力學功能：如高彈性、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、蓄熱性等。④電功能：如超導性、絕緣性和電阻等⑤磁功能：如硬磁性、軟磁性等。⑥光功能：如折射光性、反射光性、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、酶反應(yīng)等。⑧其他功能：如放射特性、電磁波特性等。第二十九頁，共45頁。二次功能①力電：壓電材料②光電：太陽能電池材料③電熱：電阻材料④光力：光致伸縮材料⑤磁力：磁致伸縮材料⑥磁熱：磁制冷材料第三十頁，共45頁。材料的功能設(shè)計

所謂功能設(shè)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(shè)計材料。第三十一頁，共45頁。

材料設(shè)計的實現(xiàn)是一個長期過程，其最終應(yīng)達到提出一個需求目標就可（不經(jīng)試驗）設(shè)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(gòu)件。

第三十二頁，共45頁。

材料設(shè)計是一個很復(fù)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(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)(材料的力學性質(zhì))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(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的不一致性；復(fù)雜的環(huán)境因素等等。第三十三頁，共45頁。結(jié)構(gòu)/成分合成/制備性質(zhì)效能/功能材料科學與工程四要素第三十四頁，共45頁。一、金屬功能材料設(shè)計

(１)尋找具有特定功能的金屬材料。例如稀土功能材料制備永磁材料，儲氫材料等

(２)利用各種金屬材料的特性，制備符合使用要求的合金。合金的迅速發(fā)展，給金屬功能材料的發(fā)展提供了廣泛的空間。隨著各種合金的開發(fā)，各種各樣的金屬功能材料被開發(fā)出來，如納米材料，大塊非晶材料、真空快淬材料、形狀記憶合金等。第三十五頁，共45頁。(1)根據(jù)功能的要求設(shè)計配方。無機非金屬功能材料所含的材質(zhì)決定了無機非金屬功能材料的宏觀性能

(2)根據(jù)功能的要求設(shè)計合適的加工工藝。不同的加工工藝可以得到不同功能的無機非金屬功能材料。因此，控制合適的加工工藝對無機非金屬功能材料的制造是非常重要的。二、無機非金屬功能材料設(shè)計第三十六頁，共45頁。第四節(jié)功能材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢一、金屬功能材料二、無機非金屬功能材料四、國內(nèi)功能材料發(fā)展的現(xiàn)狀三、功能材料制備的新方法第三十七頁，共45頁。金屬功能材料是開發(fā)比較早的功能材料一、金屬功能材料形狀記憶合金：在現(xiàn)代軍事、電子、汽車、能源、機械、宇航、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。具有獨特性能和用途的新型金屬功能材料：超導合金、納米金屬、高溫合金、減振合金、儲氫、多孔金屬、金屬磁性材料等非晶態(tài)合金：優(yōu)異的物理、化學性能，是一種極有發(fā)展前景的新型金屬材料第三十八頁，共45頁。

二、無機非金屬功能材料功能玻璃：磁光玻璃（磁光轉(zhuǎn)換性能）、聲光玻璃（聲光性）、導電玻璃（導電性）、記憶玻璃（記憶特性）、光存儲顯示材料及各種非線性光學玻璃功能陶瓷：(1)微電子技術(shù)推動下的微型化(薄片化)和高速度化；(2)在安全和環(huán)保工作的促進下，發(fā)展傳感器和多孔瓷；(3)重視材料復(fù)合技術(shù)；(4)加速智能化。第三十九頁，共45頁。三、功能材料制備的新方法

用于功能材料制備的新方法很多。例如：快速凝固、機械合金化、溶膠—凝膠、極限(極高（低）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發(fā)和質(zhì)量的提高。第四十頁，共45頁。通過快淬快凝工藝可以得到在常規(guī)條件下的亞穩(wěn)相。亞穩(wěn)相可以是材料的使用狀態(tài)，也可能是為得到好性能的中間狀態(tài)。在自然界中，亞穩(wěn)相是很常見的。從亞穩(wěn)相到平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變不少情況下是非常緩慢的。因此，實際上可以把亞穩(wěn)狀態(tài)的材料看作是平衡態(tài)來使用。材料學家利用這種動力學差別而設(shè)計并加工制造了許多非平衡材料，擴大了可獲得有用材料的范圍。

快淬快凝技術(shù)

第四十一頁，共45頁。我國非常重視功能材料的發(fā)展，取得了一定的成果，但與國外發(fā)達國家相比尚有相當距離四、國內(nèi)功能材料發(fā)展的現(xiàn)狀