功能材料,詳案

1、功能材料概論【教學目標】：知識目標：大體介紹功能材料學在本學期的教學安排、學習方法；引領學生站在較高的高度，鳥瞰本門課程的各個章節(jié)，以及各章節(jié)與實際應用的聯(lián)系，激發(fā)學生的對本門課的興趣；技能目標：培養(yǎng)學生自主利用網(wǎng)絡，圖書資源進行學習，深入自學的能力。情感目標：引導學生明白自己身邊的每一門學科不僅對自己未來，還對國防、國家民族未來息息相關。【教學重點】：激發(fā)學生對本門課的學習興趣，培養(yǎng)學生自主學習的能力【教學難點】：激發(fā)學生對本門課的學習興趣【課時安排】：二課時【教學方法】：在教學中引入大量國防和工業(yè)應用中的例子，說明本門課程的重要性；組織討論，讓學生舉例，激發(fā)學生的學習興趣。【教學用具】：略

2、【教學過程】：引言自我介紹，點名，選科代表。1986年，我國制定了高技術發(fā)展計劃綱要，被評選列入的七個技術群是生物技術、信息技術、激光技術、航天技術、自動化技術、新能源技術和新材料技術。一般認為，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、功能有機材料、超導材料、碳纖維、能量轉換材料等。新材料發(fā)展的重點已經(jīng)從結構材料轉向功能材料。功能材料被譽為一一21世紀人類文明的重要支柱板書第一章功能材料概論講解隨著時代的發(fā)展，人類將進入一個信息時代。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)境等一系列的問題，更需要用高科技的方法和手段來生產(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。近年來新型功能材料層出不窮，得到了突破性的進展。日本和歐美各國對新型功能材料的研究十分注意，這是因為功能材料是能源、計算機、通訊、電子、激光等現(xiàn)代科學的基礎，功能材料在未來的社會發(fā)展中具有重大戰(zhàn)略意義。近10年來，功能材料成為材料科學和工程領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)代生活的各個領域。板書一、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，如通過光、電、磁、熱、化學、生化等作用

4、后具有特定功能的材料。提問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的發(fā)展和人類認識的擴展，新型的功能材料不斷被開發(fā)出來，因此對其也產(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。力學功能：主要是指強化功能材料和彈性功能材料，如高結晶材料、超高強材料等(2)化學功能：分離功能材料：如分離膜，離子交換樹脂、高分子絡合物；反應功能材料；如高分子試劑、高分子催化劑；生物功能材料：如固定化菌，生物反應器等。(3)物理化學功能電學功能材料：如超導體，導電高分子等；光學功能材料：如光導纖維、感光性高分子等；能量轉換材

5、料：如壓電材料、光電材料。(4)生物化學功能醫(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1.功能材料概念2.功能材料分類：(1)力學功能(2)化學功能(3)物理化學功能(4)生物化學功能講解功能材料設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)過材料的傳輸或轉換等過程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。板書二、功能材料設計的原理和方法講解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A、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

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：力學功能、聲功能、熱功能、電功能、磁功能、光功能、化學功能、其他功能B、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換；電能與其他形式能量的轉換；磁能與其他形式能量的轉換；機械能與其他形式能量的轉換。板書1.功能材料設計的原理A、一次功能B、二次功能講解所謂功能設計，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學方法。材料科學與工程一般都認為由四要素組成，即結構

7、/成分、合成/流程、性能與效能。但考慮到結構與成分并非同義詞，相同成分通過不同制備方法可以得到不同結構，從而使材料出現(xiàn)不同性能，所以材料科學與工程應為五要素，即成分、合成/流程、結構、性能與效能。根據(jù)材料所要求的性能不同，材料設計可以從電子、光子出發(fā)也可從原子、原子集團出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀。板書2.材料設計講解材料設計的實現(xiàn)是一個長期過程，其最終應達到提出一個需求目標就可設計出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或構件。為實現(xiàn)材料設計，必須開展深入的基礎研究，以了解物質結構與性能的關系；要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫；建立正確的物理模型；需要有大容量計算機；更重要的是要不同學

8、科科學家與工程技術人員的通力合作。板書a、金屬功能材料設計講解金屬功能材料按性能分主要包括磁性、電性、力學、熱學、光學、化學、生物功能材料和特種功能材料。金屬功能材料的功能設計主要有以下兩個方面。(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b、無機非金屬功能材料設計講解無機非金屬功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。無機非金屬功能材料進行功能設計的方法主要有以下兩種：根據(jù)功能的要求設計配方。根據(jù)功能的要求設計合適的加工工藝板書c、高分子功能材料設計講解功能高分子材料功能設計的主要途徑如下：通過分子設計合成新功能。通過特殊加工賦予材料以功能特性通

9、過兩種或兩種以上的具有不同功能或性能的材料復合獲得新功能。通過對材料進行各種表面處理以獲得新功能板書三、功能材料的特點講解功能材料是目前材料領域發(fā)展最快的新領域。功能材料雖然制備過程復雜，產(chǎn)品產(chǎn)量小，但是利潤較高。其主要原因是基于其特有的“功能性”。功能材料的結構與性能之間存在著密切的聯(lián)系，材料的骨架、功能基團以及分子組成直接影響著材料的宏觀結構與材料的功能。研究功能材料的結構與功能之間的關系，可以指導開發(fā)更為先進、新穎的功能材料。板書1.金屬功能材料講解金屬功能材料是開發(fā)比較早的功能材料，隨著高新技術的發(fā)展，一方面促進了非金屬材料的迅速發(fā)展，同時也促進了金屬材料的發(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運而生，有的已被廣泛應用，有的具有廣泛應用的前景。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、機械、宇航、醫(yī)療等領域得到廣泛的應用。另一方面，非晶態(tài)合金由于具有優(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。具有獨特性能和用途的新型金屬功能材料很多，如超導合金、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。板書2.無機非金屬功能材料講解無機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，近來也發(fā)展了一些新工藝和新品種。板書1)組合化學在無機功能材料方面的應用講

11、解組合化學作為合成化學的一個新分支，它展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。組合化學與計算機科學相結合，特別是與數(shù)據(jù)庫技術相結合，是組合化學發(fā)展的未來方向。無機功能材料組合化學研究主要集中在具有特殊光、電、磁和催化等性質的材料上。其主要表現(xiàn)在以下五個方面：a.無機結構基元或虛擬結構基元的組合化學。b.無機功能材料組合合成技術與表征方法的基礎研究。c.特殊技術和特定結構組合化學。它包括激光噴涂組合化學研究，主客體組裝組合化學等。d.固體氧化物燃料電池中新型中、低溫（600800）區(qū)工作的固體復合氧化物電解質材料的探索和篩選。e.從熱力學平衡角度研究材料的相態(tài)、結構及穩(wěn)定性，獲得所需材料體系的相圖，同時進行性能測

12、定，由此全面掌握不同組成、結構和工作溫度下的材料特性。板書2）.功能玻璃和功能陶瓷發(fā)展的新特點組合化學在無機功能材料方面的應用講解功能玻璃和功能陶瓷是無機非金屬功能材料中的主要組成部分，近年來得到了迅速的發(fā)展。新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性質以外，還具有許多獨特的性質，如磁光玻璃的磁光轉換性能、聲光玻璃的聲光性、導電玻璃的導電性、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。作為藍光、可見光元件上的轉換材料、光存儲顯示材料及各種非線性光學玻璃特別引人注意，它們將占據(jù)未來的光量子時代，是功能玻璃材料研究的主要方向?？祀x子導體玻璃的發(fā)展也很快，有機無機復合玻璃是玻璃研究者的又一

13、大開拓目標。板書3.功能高分子材料講解a）.影響功能高分子材料“功能性”的結構因素b）.功能高分子材料的制備方法板書四、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)和質量的提高。板書五、功能材料的發(fā)展現(xiàn)狀1）.新型功能材料國外發(fā)展現(xiàn)狀講解當前，國際功能材料及其應用技術正面臨新的突破，諸如超導材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及儲能材料、生態(tài)環(huán)境材料、生物醫(yī)用材料及材料的分子、原子設計等正處于日

14、新月異的發(fā)展之中，發(fā)展功能材料技術正在成為一些發(fā)達國家強化其經(jīng)濟及軍事優(yōu)勢的重要手段。板書超導材料講解以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現(xiàn)了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導磁體及大型加速器磁體等多個領域獲得了應用。高溫氧化物超導體的出現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導應用溫度從液氦（4.2K）提咼到液氮（77K）溫區(qū)。咼溫超導材料的研究工作已在單晶、薄膜、體材料、線材和應用等方面取得了重要進展。板書生物醫(yī)用材料講解作為高技術重要組成部分的生物醫(yī)用材料已進入一個快速發(fā)展的新階段，其市場銷售額正以每年16%的速度遞增，預計20年內(nèi)，生物醫(yī)用材料所占的份額將趕上藥物市場，成為一個支柱

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。板書能源材料講解太陽能電池材料是新能源材料研究開發(fā)的熱點，IBM公司研制的多層復合太陽能電池，轉換率高達40%。美國能源部在全部氫能研究經(jīng)費中，大約有50%用于儲氫技術。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關鍵是電池材料，如固體電解質薄膜和電池陰極材料，還有質子交換膜型燃料電池用的有機質子交換膜等，都是目前研究的熱點。板書生態(tài)環(huán)境材料講解是20世紀90年代在國際高技術新材料研究中形成的一個新領域，其研究開發(fā)在日、美、德等發(fā)達國家十分活躍，主要有三個研究方向：直接面臨的與環(huán)境問題相關的材料技術，例如，生物

16、可降解材料技術，CO2氣體的固化技術，SOx、NOx催化轉化技術、廢物的再資源化技術，環(huán)境污染修復技術，材料制備加工中的潔凈技術以及節(jié)省資源、節(jié)省能源的技術。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、石棉等有害物質的替代材料、綠色新材料等；材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價。板書智能材料講解智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失，實現(xiàn)結構功能化、功能多樣化的目標。國外智能材料的研發(fā)方面已取得很多技術突破，如英國宇航公司在導線傳感器，可用

17、于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；英國開發(fā)出一種快速反應形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動器時、反應時間，僅為10秒鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料等在航空上的應用取得大量創(chuàng)新成果。板書2).國內(nèi)功能材料發(fā)展的現(xiàn)狀講解我國非常重視功能材料的發(fā)展，在國家攻關、“863”、“973”、國家自然科學基金等計劃中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”國防計劃中還將特種功能材料列為“國防尖端”材料。這些科技行動的實施，使我國在功能材料領域取得了豐碩的成果。在“863”計劃支持下，開辟了超導材料、平板顯示材料、稀土功能材料、生物醫(yī)用材料、儲氫等新能源材料，金剛石薄膜，高性能固體推進劑材料，紅外隱身材料，材料設計與性能預測等功能材料新領域，取得了一批接近或達到國際先進水平的研究成果，在國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和生產(chǎn)工藝技術均達到了國外的先進水平，推動了鎳氫電池的產(chǎn)業(yè)化；功能陶瓷材料的研究開發(fā)取得了顯著進展，以片式電子組件為目標，我國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現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，使片式電容材料及其組件進入了世界先進行列。高檔釹鐵硼產(chǎn)品的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得