《納米功能材料》第一章 緒論

《納米功能材料》課程內(nèi)容第一章納米功能材料概論第二章納米材料制備方法第三章納米電功能材料第四章納米磁功能材料第五章納米能源材料第六章納米功能陶瓷材料第一章納米功能材料概論納米材料定義功能材料定義“納米”和“功能”的結(jié)合《納米結(jié)構(gòu)和納米材料》—合成、性能及應(yīng)用高等教育出版社，2011GuozhongCao,YingWang著；董星龍譯1納米=10-9

米（米/10億）、10個(gè)氫原子排列長(zhǎng)度、5個(gè)硅原子線狀排列的長(zhǎng)度納米尺寸的概念物質(zhì)的尺寸零維納米結(jié)構(gòu)或納米材料中的尺寸尺寸（納米）物質(zhì)0.11101000100104105氣態(tài)離子小分子大分子微粒子宏粒子致熱原細(xì)菌糖病毒顏料紅細(xì)胞花粉硅膠酵母菌沙子粘土量子點(diǎn)人類(lèi)發(fā)絲寵物毛屑煙塵膠束不同學(xué)科研究對(duì)象的尺寸電磁波微制造QuantumdotsTransistorsSETse-beam

lithographyPhoto-lithography合成生物PolymersNanotubes0.11.0101001,00010,000納米（ｎｍ）

g-rayX-rayUltravioletVisibleInfraredBiomoleculesOrganellasCellshemoglobinribosomeerythrocyteTMvirusDNAdiam.NucleotideNanoclusters核苷核糖體病毒紅血球納米團(tuán)簇量子點(diǎn)晶體管紫外光紅外可見(jiàn)光X射線g

射線納米材料:兩個(gè)基本條件： 1、所有的粒子尺寸必須小于100nm；

2、材料的優(yōu)化性能必須是由于尺寸變化而來(lái)利用物質(zhì)在小到原子或分子尺度以后，由于尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)或量子效應(yīng)所出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象而發(fā)展出來(lái)的新材料。10,000BCStone&Wood0CementSteel1800Iron1000BC1900’sPolymers&Composites2000Nanomaterials&Nanocomposites材料的發(fā)展史

EvolutionofMaterials納米結(jié)構(gòu)制備的兩大途徑keyapproachestofabrication“自下而上”TopDownBottomUpBottomupapproach:Synthesisofbuildingblocks(nanoparticles,macromolecules,layers)

AssemblyofbuildingblockstonanostructuresSimultaneoussynthesis&assembly

“自上而下”納米技術(shù)的定義納米技術(shù)定義：由于納米尺寸，導(dǎo)致的材料及其體系的結(jié)構(gòu)與組成表現(xiàn)出奇特而明顯改變的物理、化學(xué)和生物性能、以及由此產(chǎn)生的新現(xiàn)象和新工藝。按照生長(zhǎng)介質(zhì)劃分：

氣相生長(zhǎng)，包括激光反應(yīng)分解合成納米粒子、原子層沉積形成薄膜等；

液相生長(zhǎng)，包括膠質(zhì)處理形成納米粒子、自組織形成單分散層等；

固相生成，包括相分離形成玻璃基體中的金屬顆粒、雙光子誘導(dǎo)聚合化形成三維光子晶體等；

混合生長(zhǎng)，包括納米線的氣-液-固生長(zhǎng)等按照產(chǎn)物類(lèi)型進(jìn)行劃分：

納米粒子（零維）：通過(guò)膠質(zhì)處理、火焰燃燒和相分離技術(shù)合成；

納米棒或納米線（一維）：通過(guò)模板輔助電沉積，溶液-液相-固相生長(zhǎng)技術(shù)，和自發(fā)各向異性生長(zhǎng)的方式合成；

薄膜（二維）：通過(guò)分子束外延和原子層沉積技術(shù)合成；

納米結(jié)構(gòu)塊體材料（三維）：例如自組織納米顆粒形成光帶隙晶體制造納米結(jié)構(gòu)和納米材料的技術(shù)的劃分：Nanotechnology:BIGpictureNEMSNano-tribologyNano-electronicsNano-structuredmaterialsNano-medicineNanochemistryNano-clustersNano-mechanicsNanocomputersNanophysicsfieldscontributingtonanotechnologydevelopmentNano-opticsNano-magnetismFemme納米技術(shù)：覆蓋廣闊研究領(lǐng)域，要求多學(xué)科之間的共同努力納米技術(shù)的出現(xiàn)納米技術(shù)并不“新”，結(jié)合了已經(jīng)存在的技術(shù)、最近發(fā)展的原子水平的觀察和操縱能力，使其在科學(xué)、技術(shù)、商業(yè)、政治等領(lǐng)域引人注目“納米研究”已經(jīng)開(kāi)始幾個(gè)世紀(jì)了！中國(guó)，上千年前將Au納米粒子作為無(wú)機(jī)染料加入到陶瓷產(chǎn)品中

1857年，法拉第制備的Au膠質(zhì)分散體，穩(wěn)定存在了近1個(gè)世紀(jì)納米技術(shù)的“新”，體現(xiàn)在納米尺度的觀察和操縱能力，原子級(jí)相互作用的理解！

1980年，掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明和發(fā)展掃描探針顯微鏡（SPM），如原子力顯微鏡等摩爾定律納米技術(shù)熱潮，是半導(dǎo)體工業(yè)的器件微型化、納米尺度上表征和操縱的實(shí)用化，所部分驅(qū)使！195019601970198019902000201020201-5nm“摩爾定律”趨勢(shì)線晶體管尺寸50nm1μm1cm第一代晶體管第一代集成電路1M晶體管/每芯片晶體管尺寸每18個(gè)月減小一倍Historyoftheintegratedcircuit每個(gè)芯片中的晶體管數(shù)1958-1959:IntegratedcircuitinventedbyJackKilby(TexasInstruments)RobertNoyce(FairchildSemiconductor)1965:GordonMoore(Intel)Observesthatthedensityoftransistors(computingelements)hasbeendoublingeverytwoyearsPredictsthiswillcontinueorspeedupPredicts65,000transistorsperchipby1975最早的晶體管1947年12月23日，由貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克利發(fā)明的最早的接觸式晶體管。[M.RiordanandL.Hoddeson,CrystalFire,W.W.NortonandCompany,NewYork,1997.]雙功能分子連接Au尖和納米晶體

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡FESEM圖片(a)引入納米晶體之前的金導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微照片。淺灰色區(qū)域由角蒸發(fā)沉積形成，其厚度~10nm。深色區(qū)域由常規(guī)角蒸發(fā)沉積而成，厚度~70nm。(b)由生物功能分子連接納米晶和金導(dǎo)線的橫截面示意圖。導(dǎo)線之間的傳輸通過(guò)斑紋納米晶橋梁作用而實(shí)現(xiàn)。[D.L.Klein,P.L.McEuen,J.E.BowenKatari,R.Roth,andA.P.Alivisatos,Appl.Phys.Lett.68,2574(1996).]納米材料的表面原子數(shù)表面原子數(shù)（總）體原子數(shù)x100%表面/體原子數(shù)比率與直徑的關(guān)系鈀（palladium）團(tuán)簇的表面/體原子數(shù)比隨團(tuán)簇直徑的變化關(guān)系[C.Nützenadel,A.Züttel,D.Chartouni,G.Schmid,andL.Schlapbach,Eur.Phys.J.D8,245(2000).]1050.1110100104020406080100(1.2nm,76%)(5nm,45%)(7nm,35%)(63μm,~0%)dcluster[nm]Surfaceatoms[%]表面能隨粒子尺寸的變化Size(cm)TotalSurfaceArea(cm2)TotalEdge(cm)SurfaceEnergy(J/g)EdgeEnergy(J/g)0.770.10.010.00110-4(1μm)10-7(1nm)3.6282802.8x1032.8x1042.8x1079.35505.5x1045.5x1065.5x1085.5x10147.2x10-55.6x10-45.6x10-35.6x10-20.565602.8x10-121.7x10-101.7x10-81.7x10-61.7x10-4170

當(dāng)粒子尺寸從厘米變到納米時(shí)，表面能變化7個(gè)數(shù)量級(jí)納米材料中表面能發(fā)揮重要的作用——熱力學(xué)不穩(wěn)定或亞穩(wěn)態(tài)克服表面能——保護(hù)納米結(jié)構(gòu)和納米材料，抑制顆粒生長(zhǎng)或團(tuán)聚表2.1，1克NaCl粒子（立方體）的尺寸與表面能表面能將一矩形固體分割為兩小塊，形成兩個(gè)新表面的示意圖表面能：產(chǎn)生單位新表面時(shí)所需要的能量，也稱(chēng)為表面自由能、表面張力

G為能量，A為新表面積

新表面上的原子偏離初始位置的能量等于斷裂鍵的數(shù)量（Nb）與鍵長(zhǎng)（）的一半的乘積，因此表面能可以表示為：a為表面原子密度面心立方結(jié)構(gòu)的表面能面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)中低指數(shù)晶面示意圖{100}{110}{111}{100}面：{110}面：{111}面：降低表面能的途徑InwardshiftLateralshift表面原子向內(nèi)或側(cè)向遷移以降低表面能

（1）表面馳豫，表面原子或離子向體內(nèi)偏移，這種過(guò)程在液相中很容易發(fā)生，而固態(tài)表面由于其剛性結(jié)構(gòu)，難度有所提高；（2）表面重構(gòu)，通過(guò)結(jié)合表面懸掛鍵形成新的化學(xué)鍵；（3）表面吸附，通過(guò)物理或化學(xué)吸附外部物質(zhì)到表面，形成化學(xué)鍵或弱相互作用如靜電或發(fā)范德瓦耳斯力；（4）表面固態(tài)擴(kuò)散,導(dǎo)致的成分偏析或雜質(zhì)富集表面馳豫表面重構(gòu)，表面吸附Original{100}surface(2x1)restructured{100}surface金剛石晶體的原始{100}面和(2x1)重構(gòu){100}面示意圖HCCHCCHHHCCHCCHHSiSiSiSiOHOHOHOHSiSiSiSiOHOHOHOHdiamondsilicon通過(guò)化學(xué)吸附，金剛石、硅表面連接氫而硅表面連接羥（基）示意圖表面重構(gòu)表面吸附單晶的熱力學(xué)平衡形態(tài)單晶體熱力學(xué)平衡形貌實(shí)例Au粒子在1000oC條件下形成，一些表面已經(jīng)完成粗糙化轉(zhuǎn)變NaClAgAgAu低密勒指數(shù)晶面的表面能低；因此，晶體通常由低指數(shù)表面所包圍熱力學(xué)平衡晶體形態(tài)預(yù)測(cè)

Wulff圖11(a)11(b).(c)(d)二維晶體的構(gòu)成(a)(10)面，(b)(11)面，(c)由伍爾夫圖確定的形狀，(d)只考慮(10)、(11)面時(shí)伍爾夫面構(gòu)成[A.W.AdamsonandA.P.Gast,PhysicalChemistryofSurfaces,6thedn.,JohnWileyandSons,NewYork,1997](10)面(11)面形態(tài)

從一個(gè)點(diǎn)畫(huà)出一個(gè)矢量使其長(zhǎng)度正比于晶面的表面能、矢量方向垂直于晶面；畫(huà)出一系列晶面使其垂直于每個(gè)矢量并處在矢量的末端；這種幾何圖代表平衡狀態(tài)下的晶體形貌，由相互獨(dú)立的一系列晶面所組成。減小表面能的方法

將單個(gè)納米結(jié)構(gòu)結(jié)合成大的結(jié)構(gòu)以降低整個(gè)表面積

燒結(jié)，是一種用固-固界面替代固-氣界面的工藝，是通過(guò)將單個(gè)納米結(jié)構(gòu)無(wú)間隙地堆積一起并改變形態(tài)的一種方法

固態(tài)擴(kuò)散：表面擴(kuò)散（低溫）、體擴(kuò)散（高溫）、晶間-晶界擴(kuò)散（中溫）

蒸發(fā)-冷凝：當(dāng)納米粒子在處理溫度下具有蒸汽壓時(shí)，蒸發(fā)-冷凝變得十分重要

分散-沉積：當(dāng)固態(tài)分散或部分溶解在液態(tài)時(shí)，分散-沉積將發(fā)生

粘性流動(dòng)：當(dāng)材料是非晶并處在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)發(fā)生粘性流動(dòng)

位錯(cuò)蠕變：當(dāng)材料處在機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，位錯(cuò)蠕變十分重要*總的來(lái)說(shuō)，在低溫（包括室溫）時(shí)燒結(jié)可以忽略，但當(dāng)材料逐漸被加熱，通常達(dá)到熔點(diǎn)的70%時(shí)其作用明顯?？紤]到納米材料的小尺寸具有特別高的表面能，適中的溫度下燒結(jié)也會(huì)成為嚴(yán)重的問(wèn)題

Ostwald熟化，是2個(gè)單個(gè)納米結(jié)構(gòu)形成一個(gè)大的結(jié)構(gòu)的過(guò)程。較大納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)以犧牲小納米結(jié)構(gòu)為代價(jià)，直到后者完全消失為止。*Ostwald成熟化發(fā)生在較寬的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)納米結(jié)構(gòu)被分散溶解在一種溶劑時(shí)，相對(duì)低的溫度下也可進(jìn)行單個(gè)納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚，不改變納米結(jié)構(gòu)本身燒結(jié),Ostwald熟化（固態(tài)中）BA燒結(jié)和奧斯特瓦爾德熟化過(guò)程示意圖(a)燒結(jié)是通過(guò)固態(tài)界面結(jié)合單個(gè)粒子并形成塊體。

(b)奧斯特瓦爾德熟化是大粒子吞噬小粒子。兩種過(guò)程都減小了固-氣表面積Sintering(燒結(jié))Ostwaldripening

(奧斯特瓦爾德熟化)

小球的體積：（n個(gè)原子堆砌成的球）轉(zhuǎn)移原子化學(xué)勢(shì)的變化量：（轉(zhuǎn)移原子所做的功）Young-Laplace方程（化學(xué)勢(shì)與曲率關(guān)系）：Kevin方程（球形粒子蒸汽壓與曲率關(guān)系）：Gibbs-Thompson關(guān)系式（溶解度與曲率關(guān)系）：化學(xué)勢(shì)與表面曲率2R從半無(wú)限大固態(tài)平面轉(zhuǎn)移n個(gè)原子到固態(tài)球體的彎曲表面上平面上的n個(gè)原子構(gòu)成半徑為R的小球：

—原子體積，

—化學(xué)勢(shì)的變化，P—平衡蒸汽壓，S—溶解度，

—

表面能，k—玻爾茲曼常數(shù)，T—溫度，c—曲面，

—平面。不同曲率SiO2曲面的溶解度氧化硅溶解度與表面曲率半徑的關(guān)系正曲率半徑表現(xiàn)在粒子的橫截面或平表面的突出部位；負(fù)曲率半徑表現(xiàn)在平面內(nèi)的塌陷或孔洞部位以及粒子間的裂縫處[R.K.Iler,TheChemistryofSilica,Wiley,NewYork,1979.]INCREASINGPOSITIVECURVATUREINCREASINGNEGATIVECURVATURESiO2SOLUBILITY,PPM0510-10-5100200S=77溶解度正曲率半徑負(fù)曲率半徑液滴半徑vs平衡蒸汽壓各種液相蒸汽壓與其液滴半徑之間的依賴關(guān)系[V.K.LaMerandR.Gruen,Trans.FaradaySoc.48,410(1952).]液滴半徑蒸汽壓dioctylphthalate酸二辛酯,合成樹(shù)脂可塑劑油酸,十八烯酸甲苯氯仿水Ostwald熟化（液態(tài)中）奧斯特瓦爾德熟化過(guò)程示意圖小粒子由于其大的曲率而具有高溶解度或蒸汽壓，而大粒子具有低溶解度或蒸汽壓。為了保持局域濃度平衡，小粒子溶解到周?chē)橘|(zhì)中；小粒子周?chē)娜苜|(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散；大粒子周?chē)娜苜|(zhì)將沉積。這一過(guò)程將持續(xù)到小粒子完全消失SolidparticlerLPrecipitationDiffusionofsoluteDissolutionrsSolution小粒子溶解大粒子表面上沉積擴(kuò)散粒子越小—溶解度越大—蒸汽壓越大納米粒子—零維納米結(jié)構(gòu)碳包覆金屬納米膠囊納米線、納米棒—一維納米結(jié)構(gòu)制備態(tài)單晶ZnO納米帶螺旋納米結(jié)構(gòu)SEM顯微圖片。納米帶典型寬度為~30nm，排列距離非常均勻。螺旋形為左手螺旋[X.Y.KongandZ.L.Wang,NanoLett.3,1625(2003).]

通過(guò)控制生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，可卷曲單晶氧化鋅納米帶形成左手螺旋納米結(jié)構(gòu)和納米環(huán)歸因于自發(fā)極化和彈力引起的總能量最小化。自發(fā)極化來(lái)源于非中心對(duì)稱(chēng)的納米ZnO晶體結(jié)構(gòu)。在（0001）面為主導(dǎo)的單晶納米帶中，正、負(fù)離子分別處鋅、氧為端點(diǎn)的

(0001)面上ZnO納米帶的螺旋納米結(jié)構(gòu)薄膜—二維納米結(jié)構(gòu)InGaO3(ZnO)5超晶格結(jié)構(gòu)InGaO3(ZnO)5結(jié)構(gòu)。（A）晶體結(jié)構(gòu)示意圖。HRTEM點(diǎn)陣圖象用于兩者的比較。InO2-層（In3+離子占據(jù)八面體位置，由氧原子配位）和GaO+(ZnO)5塊體（Ga3+和Zn2+離子共享三角雙錐和四面體位置）沿0001方向以1.9nm(d0003)為一個(gè)周期交替堆垛。（B和C）通過(guò)反應(yīng)固相外延生長(zhǎng)于YSZ(111)上的InGaO3(ZnO)5薄膜的橫截面HRTEM圖片。InO2-層和GaO+(ZnO)5塊體的周期交替堆垛清晰可見(jiàn)，這也由電子衍射圖片（C中插圖）所證實(shí)。在整個(gè)觀察范圍內(nèi)是單晶體膜。最頂層膜是InO2-層[K.Nomura,H.Ohta,K.Ueda,T.Kamiya,M.Hirano,andH.Hosono,Science300,1269(2003).]納米復(fù)合材料和納米晶材料

—三維納米結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料：至少由兩相組成，且其中一相彌散在另一相中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

納米晶材料：一般是指單相多晶材料

聚合物-金屬（聚合物-半導(dǎo)體材料）納米復(fù)合、碳納米管復(fù)合、第一類(lèi)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合、氧化鋁模板制備的納米線（金屬-陶瓷復(fù)合）等，都屬于納米復(fù)合材料或納米晶材料地范疇。表面、晶界，在納米復(fù)合、納米晶材料的力學(xué)性能中起到重要作用

晶粒尺寸減小可增加表面能、減小擴(kuò)散距離，因此可以增加多晶材料和化合物的致密度。

霍爾-佩奇公式表明，在微米級(jí)，材料的機(jī)械性能與顆粒尺寸的平方根成反比，但是，材料的機(jī)械性能與晶粒尺寸之間并不完全符合霍爾-佩奇關(guān)系式，需進(jìn)一步研究。功能材料：是指通過(guò)光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等作用后具有特定功能的材料。

在國(guó)外，常將這類(lèi)材料稱(chēng)為功能材料（FunctionalMaterials）、特種材料（SpecialityMaterials）、或精細(xì)材料（FineMaterials）。

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。功能材料的定義功能材料的分類(lèi)功能材料本身的范圍還沒(méi)有公認(rèn)的嚴(yán)格的界定，故對(duì)其分類(lèi)也就很難有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。常見(jiàn)的分類(lèi)法有：(1)按材料的化學(xué)鍵分類(lèi)：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)材料、復(fù)合材料(2)按材料物理性質(zhì)分類(lèi)：磁性材料、電學(xué)材料、光學(xué)材料、聲學(xué)材料、力學(xué)材料單晶材料：是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；多晶材料：是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。非晶態(tài)材料：是由原子或分子排列無(wú)明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。其他分類(lèi)方法按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi)：按服役的領(lǐng)域來(lái)分類(lèi)：根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。其他分類(lèi)方法信息材料：是指用于信息的探測(cè)、傳輸、顯示、運(yùn)算和處理的光電信息材料。信息材料主要包括信息的監(jiān)測(cè)和傳感（獲?。┎牧?、信息的傳輸材料、信息的存儲(chǔ)材料、信息的運(yùn)算和處理材料。高溫熔體壓力傳感器空氣質(zhì)量傳感器異味傳感器氣味流動(dòng)溫度傳感器智能壓力傳感器光纖硬盤(pán)航空航天材料：主要包括新型金屬材料（如先進(jìn)鋁合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金、高熔點(diǎn)合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復(fù)合材料。此外，還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤(rùn)滑材料、粘合劑材料等。這些材料大部分屬于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金屬材料。空客民用飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片能源材料：是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲(chǔ)氫材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽(yáng)能電池（單晶硅、多晶硅、非晶硅等）；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超導(dǎo)材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲(chǔ)氫材料，以及高比能電池（如鈉硫電池）等。目前鈉硫電池的比能量達(dá)137W.h/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有30W.h/Kg。稀土鎳合金lani5稀土儲(chǔ)氫材料鋰離子電池鋰離子動(dòng)力電池成本結(jié)構(gòu)金屬氫化物儲(chǔ)氫瓶(含儲(chǔ)氫材料)芬蘭研制出新型太陽(yáng)能電池板國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展生物醫(yī)用材料：是一類(lèi)合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作用一個(gè)系統(tǒng)的整體或部分，在一定時(shí)期內(nèi)治療、增強(qiáng)或替換機(jī)體的組織、器官或功能。醫(yī)用金屬及合金:

醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復(fù)和制造。醫(yī)用生物陶瓷:

包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。醫(yī)用復(fù)合材料:

表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。金屬材料作為生物醫(yī)用功能材料生物陶瓷永久性人造心臟25萬(wàn)美元功能材料的性能力學(xué)性能化學(xué)性能物理性能生物化學(xué)性能等等(1)力學(xué)性能：

指材料處于特定環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)等）時(shí)，在外力或能量以及作用下表現(xiàn)出來(lái)的變形和破壞的特征。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。材料的主要力學(xué)性能有：

彈性強(qiáng)度塑性硬度沖擊韌性疲勞特性耐磨性(2)化學(xué)功能反映材料與各種化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和反應(yīng)速度大小的相關(guān)參數(shù)。①分離功能材料：如分離膜，離子交換樹(shù)脂、高分子絡(luò)合物；②反應(yīng)功能材料：如高分子試劑、高分子催化劑；③生物功能材料：如固定化菌，生物反應(yīng)器等。例如：防腐蝕材料材料由于周?chē)h(huán)境介質(zhì)侵蝕而造成的損傷和破壞均稱(chēng)為腐蝕。

發(fā)生腐蝕的化學(xué)過(guò)程有化學(xué)腐蝕(氧化)、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質(zhì)、溫度、應(yīng)力、輻照等因素有關(guān)。腐蝕不僅影響零件表明質(zhì)量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料的選擇和防腐措施相結(jié)合。（3）物理功能材料的物理性能是指材料本身的具有各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時(shí)他們的變化程度。①電學(xué)功能材料：如超導(dǎo)體，導(dǎo)電高分子等；②光學(xué)功能材料：如光導(dǎo)纖維、感光性高分子等；③能量轉(zhuǎn)換材料：如壓電材料、熱電材料、光電材料等。作用物理量

感應(yīng)物理量公式材料性能性能種類(lèi)應(yīng)力

形變=S柔性系數(shù)力學(xué)性能表面電荷密度DD=C壓電常數(shù)壓電性能溫差t形變=

t熱膨脹系數(shù)熱學(xué)性能熱量QQ=Ct熱容熱學(xué)性能溫差電動(dòng)勢(shì)VV=t溫差電動(dòng)勢(shì)系數(shù)導(dǎo)電性能溫度梯度dt/dx熱流密度qq=kdt/dx熱導(dǎo)率熱學(xué)性能

電

場(chǎng)

E電流密度JJ=E電導(dǎo)率導(dǎo)電性能極化強(qiáng)度PP=0E宏觀電場(chǎng)介質(zhì)電極化率介電性能離子的偶極矩=E局部電場(chǎng)離子的極化率介電性能材料的形變=dE壓電常數(shù)壓電性能(4)生物化學(xué)功能①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；②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；③生物降解材料外界因素（如作用物理量）作用于某一物體，如：外力、溫度梯度、外加電場(chǎng)磁場(chǎng)、光照等，引起原子、分子或離子及電子的微觀運(yùn)動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為感應(yīng)物理量，感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系。其中有一個(gè)常數(shù)與材料本質(zhì)有關(guān)—材料的性能。功能材料的性能本質(zhì)1.材料性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料的不同性能都是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)決定的，從材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)料加工看，可分為四個(gè)層次：原子結(jié)構(gòu)

結(jié)合鍵原子排列方式顯微組織四個(gè)層次的關(guān)系原子結(jié)構(gòu)是根本（原子種類(lèi)）；結(jié)合鍵不同性能也不同（同素異構(gòu)）；原子排列方式（晶體和非晶體）的差別，可以改變材料的整個(gè)性能；顯微組織（相）是體現(xiàn)材料性能的基礎(chǔ)。性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工、使用性能，以及它們之間的密切關(guān)系確定了材料科學(xué)與工程這一領(lǐng)域。建立原子、分子和分子團(tuán)的新排列，在所有尺寸上（從原子尺寸到宏觀尺寸）對(duì)結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競(jìng)爭(zhēng)力地制造材料和零件的演變過(guò)程合成/加工制造每種特定材料所采取的合成和加工的結(jié)果結(jié)構(gòu)/成分確定材料功能特性和效用的描述性質(zhì)材料固有性質(zhì)同產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程能力和人類(lèi)需求相融合要一起的一個(gè)要素使用性能2、材料研究的四要素合成加工性質(zhì)結(jié)構(gòu)成分使用性能

材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)家安全的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)先進(jìn)材料具有強(qiáng)烈的基礎(chǔ)性、支撐性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和迫切戰(zhàn)略需求材料發(fā)展戰(zhàn)略思考與新材料相關(guān)的戰(zhàn)略研究科技發(fā)展總體戰(zhàn)略研究世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域信息科學(xué)和技術(shù)生命科學(xué)和生物技術(shù)能源科學(xué)和技術(shù)環(huán)境科學(xué)和技術(shù)材料科學(xué)和技術(shù)高密度存儲(chǔ)材料、生態(tài)材料、生物材料、碳材料、和高性能結(jié)構(gòu)材料等納米科學(xué)和技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)要加快發(fā)展電子信息、生物工程和新材料等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，形成工業(yè)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)?！鍖梦逯腥珪?huì)研發(fā)原創(chuàng)性成果在微電子材料技術(shù)、光電子材料技術(shù)、功能陶瓷、納米材料、生物醫(yī)用材料等前