12.新型功能材料課件

15.新型功能材料Newfunctionalmaterials15.1智能功能材料SmartFunctionalMaterials引言材料發(fā)展的總趨勢：高性能化、多功能化、復(fù)合化、精細(xì)化、智能化…材料的聰明程度:智能材料功能材料普通材料信息神經(jīng)系統(tǒng)大腦脊髓中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)身體的各種動作感覺執(zhí)行智能材料的仿生學(xué)構(gòu)思生物體對環(huán)境的響應(yīng)源于細(xì)胞。細(xì)胞本身就是具有傳感、處理和執(zhí)行三種功能的融合材料，可作為智能材料的藍(lán)本。生物體對環(huán)境的響應(yīng)源于細(xì)胞。細(xì)胞本身就是具有傳感、處理和執(zhí)行三種功能的融合材料，可作為智能材料的藍(lán)本。2.1生物體的信息傳感、處理和執(zhí)行元件智能材料的類型

(1)金屬系智能材料按材料基質(zhì)的不同分類：強(qiáng)度比較大、耐熱性好、耐腐蝕性能好航空、航天、原子能工業(yè)——結(jié)構(gòu)材料。檢測自身的損傷,且可將其抑制,具有自修復(fù)功能,從而確保使用過程中的穩(wěn)定性。形狀記憶合金、磁致伸縮材料等。特點(diǎn)：應(yīng)用領(lǐng)域：智能效應(yīng)：主要種類：(2)無機(jī)非金屬系智能材料最初的考慮：局部吸收外力以防止材料整體破壞。電(磁)流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料、光纖等。主要種類：智能材料的應(yīng)用

將微型傳感元件、微型計(jì)算機(jī)芯片、形狀記憶合金、電流變體及壓電材料等經(jīng)設(shè)計(jì)后復(fù)合在結(jié)構(gòu)體中，可研制出帶有感知及判斷能力，可自動加固及防護(hù)的自適應(yīng)性智能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、自診斷、自預(yù)警、自修復(fù)，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。(1)建筑和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域

自診斷混凝土

自愈合混凝土

智能蒙皮:對于飛行器及潛水艇等，具有探測周圍環(huán)境以及隨外界條件變化而變化的能力的表皮(蒙皮)。檢測飛行速度、溫度、濕度等各種條件,并能對變化的環(huán)境做出反應(yīng)，如抑制噪聲和振動、維持座艙的通風(fēng)、溫度恒定、改變機(jī)翼形狀等。對于材料內(nèi)部的缺陷和損傷,能進(jìn)行自診斷，確定缺陷和損傷部位并進(jìn)行自修復(fù)、自適應(yīng)。

壓電材料將壓電材料置于結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部用來感測振動,利用經(jīng)過放大的輸出功率去驅(qū)動另一個粘貼于不同區(qū)域的壓電材料,來減小振動反應(yīng)。——已成功應(yīng)用于降低圓柱型衛(wèi)星天線桅桿的振動。

電(磁)流變體在復(fù)合材料懸臂梁的空腔內(nèi)注入電流變體,通過外加電場改變電流變體的狀態(tài),從而實(shí)時控制梁的剛度、阻尼,實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)整體振動的主動控制.（4）用于機(jī)器人

形狀記憶合金：能夠感知溫度或位移的變化,可將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能.如果控制加熱或冷卻,可獲得重復(fù)性很好的驅(qū)動動作.

刺激響應(yīng)性高分子凝膠在機(jī)器人中的應(yīng)用：觸覺傳感器、機(jī)器人手足和筋骨動作部分等.（5）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用智能藥物釋放體系——以智能材料為載體材料，根據(jù)病情所引起的化學(xué)物質(zhì)和物理量(信號)的變化自反饋控制藥物釋放的通/斷特性。

智能胰島素釋放體系：可感知人體血糖濃度水平并做出反應(yīng)，有效地把糖尿病患者的血糖濃度維持在正常水平。

靶向抗癌藥物：與癌細(xì)胞有很好的相容性和親和性，能優(yōu)先與癌細(xì)胞結(jié)合即能識別癌細(xì)胞，從而只對癌細(xì)胞產(chǎn)生作用，而不會對正常細(xì)胞產(chǎn)生影響。（6）用于日常生活

智能纖維做成的服裝：可隨人體和環(huán)境溫度的變化發(fā)生相變，起到空調(diào)的作用，使人體始終感受到適宜的溫度。

電致變色玻璃：在電場控制下，可以改變玻璃對同波長的光的透過能力，從而構(gòu)成智能窗。許多結(jié)構(gòu)件會遇到各種服役條件，因此要求材料的性能應(yīng)隨構(gòu)件位置不同而不同。刀具只需刃部堅(jiān)硬，其它部位需要具有高強(qiáng)度和韌性；齒輪輪體必須有好的韌性，表面必須堅(jiān)硬和耐磨；渦輪葉片的主體必須具有高強(qiáng)度、高韌性和抗蠕變，而它的外表面必須耐熱和抗氧化。諸如此類，工程應(yīng)用的許多材料都屬于這個范疇。中國刀渦輪葉片構(gòu)件中材料成分和性能的突然變化常常會導(dǎo)致明顯的局部應(yīng)力集中。如果一種材料過渡到另一種材料是逐步進(jìn)行的，這些應(yīng)力集中就會大大地降低。為減少材料的應(yīng)力集中，提高材料性能，人們發(fā)展了新型的功能梯度材料(簡稱FGM)。梯度功能材料是一種集各種組分(如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等)于一體的新型材料，其微觀結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)、生物等單一或綜合性能都呈連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某一特殊功能。梯度功能材料制備的耐磨軸承，外表為陶瓷，內(nèi)表面為金屬梯度功能材料主要通過連續(xù)控制材料的微觀要素(包括組成、結(jié)構(gòu))，使界面的成分和組織呈連續(xù)性變化，主要特征有：材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)性梯度變化；材料內(nèi)部沒有明顯的界面；材料的性質(zhì)也呈連續(xù)性梯度變化。ZrO2-CrNi合金FGM橫截面，白色的陶瓷粉末與黑色的合金粉末含量呈連續(xù)性梯度變化，沒有明顯的界面，梯度功能材料的制備技術(shù)和方法：化學(xué)氣相沉積法(CVD)物理蒸鍍法(PVD)等離子噴涂法(PS)顆粒梯度排列法自蔓延高溫合成法(SHS)液膜直接成型法顆粒梯度排列法將金屬、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加壓燒結(jié)；也可將不同組分粉末壓成薄膜/片后進(jìn)行疊層燒結(jié)。控制各組分混合比，使粉坯梯度層間任一組分濃度變化較小，梯度層間接合緊密。調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工藝，可得具有良好熱應(yīng)力緩和的梯度功能材料。通過粉末混合燒結(jié)形成的FGM結(jié)構(gòu)示意圖液膜直接成型法將聚乙烯醇配制成一定濃度的水溶液，加一定量單體丙烯酰胺及其引發(fā)劑與交聯(lián)劑，形成混合溶液，經(jīng)溶劑揮發(fā)、單體逐漸析出，母體聚合物交聯(lián)、單體聚合與交聯(lián)形成聚乙烯醇-丙烯酰胺復(fù)合膜材料。梯度功能材料的應(yīng)用2003年2月，“哥倫比亞”號航天飛機(jī)爆炸，原因就是航天飛機(jī)的左翼在起飛時遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料的撞擊，造成機(jī)體表面隔熱保護(hù)層出現(xiàn)大面積松動和破損，形成可讓“熱氣進(jìn)入的空洞”，返航途中因超高溫空氣的進(jìn)入而徹底解體。起飛時燃料箱上的脫落物擊中機(jī)翼飛機(jī)的左翼上有兩條清晰的裂紋

在艦船甲板上可采用含抗熱障、抗摩擦或抗沖擊的梯度功能材料涂層，或設(shè)計(jì)連續(xù)增強(qiáng)纖維排列的逐級梯度，顯著提高其缺口阻力，抑制微觀裂紋擴(kuò)張，大幅改善甲板的抗高速應(yīng)變和沖擊的能力，對艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。航空母艦甲板船舶工業(yè)為對柴油機(jī)或汽油機(jī)活塞頭進(jìn)行熱保護(hù)，需在鋼基底上噴涂厚度大于2mm的ZrO2涂層。如果直接在金屬上覆蓋陶瓷，在構(gòu)件投入使用前就會導(dǎo)致界面脫層。通過覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬-陶瓷復(fù)合梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。柴油機(jī)活塞頭汽油機(jī)活塞頭汽車工業(yè)能源工業(yè)核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千K，其內(nèi)壁材料采用單純雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，孔洞較多，熱應(yīng)力下有剝離傾向。采用金屬/陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前不銹鋼/陶瓷復(fù)合材料。核反應(yīng)堆光學(xué)器件工業(yè)梯度功能材料推動一個新的光學(xué)分支-梯度折射率光學(xué)的形成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。梯度折射率透鏡體積小、焦距短、消像差性好，組成的光學(xué)系統(tǒng)可大大減少非球面組件數(shù)，簡化光學(xué)器件結(jié)構(gòu)。梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率。梯度折射透鏡棒透鏡15.3功能復(fù)合材料FunctionalCompositeMaterials功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料是指除機(jī)械性能以外還提供其他物理性能的復(fù)合材料。如:導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等功能。統(tǒng)稱為功能復(fù)合材料。功能復(fù)合材料主要由功能體或增強(qiáng)體及基體組成。功能體可由一種或以上功能材料組成。多元功能體的復(fù)合材料可以具有多種功能。同時，還有可能由于復(fù)合效應(yīng)而產(chǎn)生新的功能。多功能復(fù)合材料是功能復(fù)合材料的發(fā)展方向。15.4多孔硅材料PorousSiliconMaterialContents多孔硅概念多孔硅的制備方法多孔硅的特點(diǎn)多孔硅的應(yīng)用多孔硅(PorousSilicon)是在硅表面通過電化學(xué)腐蝕的方法形成的，具有以納米硅晶粒為骨架的海綿狀結(jié)構(gòu)的新型功能材料。多孔硅概念什么是多孔硅？多孔硅SEM表面形貌以硅片將電解槽分割成兩個獨(dú)立的半槽，兩個半槽其他部分絕緣，僅通過硅襯底實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)通。在兩個半槽中放置電極，施加電壓后形成通過硅片的電流，空穴向陰極移動，硅片表面被腐蝕。多孔硅的制備方法：雙槽電化學(xué)腐蝕法通過對電流密度，腐蝕時間以及電解液濃度等參數(shù)的控制，可以得到不同厚度，不同孔徑和孔隙率的多孔硅材料雙電解槽裝置示意圖。腐蝕液為HF和乙醇多孔硅絕熱層絕熱性導(dǎo)熱率達(dá)到0.624w/(m·k)易腐蝕性在腐蝕液中迅速腐蝕，機(jī)械性能好發(fā)光性常溫下發(fā)出可見光特性犧牲層發(fā)光性多孔硅的特點(diǎn)多孔硅的特點(diǎn)多孔硅的應(yīng)用多孔硅引人注目，關(guān)鍵是其發(fā)光性質(zhì)。在集成電路中，如果能將世界上傳播速度最快的光引進(jìn)來，不但可以作光連接，代替原來的金屬連線，還可以直接參與信息處理和存貯，把集成電路變成光電子集成。多孔硅發(fā)光機(jī)理目前，提出的多孔硅發(fā)光模型有十幾種，主要可歸為三類：量子限制模型：多孔硅可