第八章先進材料

材料科學與工程導論主講人：黃艷琴南京郵電大學材料科學與工程學院2011年12月28日先進材料先進材料是根據(jù)對材料的物理和化學性能的了解，為了特定的需要設計和加工而成的；

先進材料使新技術得以產(chǎn)生和應用，而新技術又促進了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展；

智能材料、仿生材料、新能源材料以及在特殊條件下使用的結構材料和功能材料是新材料研究和開發(fā)中最受關注的主題；

納米材料科學技術已成為先進材料階段最活躍的領域，因為這一技術涉及材料、信息、能源、醫(yī)學、航天等各個方面。對未來材料的發(fā)展趨勢大致可以概括為“六化”：即智能化、仿生化、復合化、納米化、輕量化和高功能化。先進材料階段的特征“物聯(lián)網(wǎng)”信息時代“物聯(lián)網(wǎng)”幾大支柱領域：傳感、通信、計算機

“物聯(lián)網(wǎng)”是指通過各類信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理?！拔锫?lián)網(wǎng)”信息時代的智能家居

獲取存儲處理傳輸顯示信息功能材料光電功能材料包括著巨大的科學空間和領域：計算機傳感通信共軛高分子材料光纖、光導材料電光材料光存儲材料、高分子電存儲材料液晶高分子高分子發(fā)光材料高靈敏度、高選擇性、操作簡便、實時響應和獲取信息量信息功能材料傳統(tǒng)半導體的硅存儲器件存在尺寸較大、制備工藝復雜以及生產(chǎn)成本偏高等問題，急需研發(fā)滿足信息時代存儲速度更快、密度更高、小型化、制作工藝簡單、成本低的海量存儲要求的新興存儲技術。單純的語音通信已經(jīng)不能滿足人們的需要，其多媒體化的趨勢日益明顯（更明亮、更清晰、可視面積更大的彩色顯示屏）。傳感通信存儲指具有某些特殊功能的高分子材料。例如離子交換、滲透、催化活性、導電、發(fā)光、對環(huán)境因素（光、電、磁、熱、pH）的敏感性等。功能高分子材料早期的功能高分子材料有離子交換樹脂，光刻膠，醫(yī)用高分子材料，高分子催化劑等。早期的功能高分子材料大都是功能單一的。功能材料研究的進步，使對功能材料的研究從簡單的發(fā)展到復雜的功能體系。同時，對材料進行功能性操作所需驅動力的認識，也因持續(xù)的深入研究而不斷深化，出現(xiàn)了光、電、磁、熱、化學等驅動因子。于是就有按驅動力而分類的材料科學體系，例如光、電功能高分子材料的出現(xiàn)。導電共軛高分子

2000年諾貝爾化學獎獲得者在高分子的整個主鏈上π電子共用，形成一個大π軌道，電子能在整個共軛主鏈上流動，具有類似“分子導線”的性質，形成了一個用于電子導電的“超級軌道”。當載流子（即電子或空穴）被注入“超級軌道”上時，可直接導致電導率等的變化，室溫電導率可在絕緣體-半導體-金屬態(tài)范圍內(nèi)（10-9—105S/cm）變化，這是迄今為止任何材料都無法比擬的特性。聚苯胺類、聚噻吩類、聚吡咯類導電共軛高分子已被廣泛用于制作導電性變化傳感器等。導電共軛高分子在1990年由英國劍橋大學的科學家R.Friend等發(fā)現(xiàn)而提出的。第一種被報道的共軛高分子化合物是聚對苯乙烯撐（PPV）：高分子電致、光致發(fā)光材料PPV及PPV苯環(huán)上取代的共軛高分子除PPV外，還有聚噻吩（PT）和聚對苯撐（PPP），聚烷基芴（PF）等，它們有如下的基本結構：高分子電致、光致發(fā)光材料

有機高分子電致發(fā)光材料的發(fā)現(xiàn)和研究熱潮的興起導致了一門新興學科——有機電子學的誕生，至今仍是備受國際學術屆關注的前沿研究領域。高分子屬于軟物質（softmatter），其特點是對弱的外界影響作出相對顯著的響應和變化（光、電信號），可用于實現(xiàn)傳感功能。高分子電致、光致發(fā)光材料的應用傳感材料1991年，諾貝爾獎獲得者、法國物理學家德熱納（P.G.DeGennes)在諾貝爾獎授獎會上以“軟物質”為演講題目，給出軟物質的一個重要的特征：弱力引起大變化。或者說“對外界微小作用的敏感性、自組織等行為”。軟物質研究對象包括聚合物、液晶、表面活性劑、膠體以及生物大分子等與人們?nèi)粘Ｉ罴吧顒用芮邢嚓P的物質，具有極為重要的應用背景。

高分子電致、光致發(fā)光材料的應用軟物質相關書籍“軟物質”概念的提出為物理學、化學、材料科學和生物學之間提供了的一個新的學科發(fā)展平臺，軟物質的許多新奇行為、豐富的科學內(nèi)涵和廣泛的應用背景正引起越來越多科學家的興趣。智能化是指其功能可隨外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，而自動作出適時、靈敏和適當?shù)捻憫⒛茏詣拥卣{(diào)節(jié)、修飾和修復。例如，形狀記憶合金便是一種智能材料?？梢岳猛饨绲淖兓瘉碚{(diào)節(jié)高分子光、電等功能的變化，發(fā)掘高分子的軟物質特性，尋找實現(xiàn)高分子功能材料智能化的途徑，是人們當前和今后的努力目標。高分子電致、光致發(fā)光材料的應用智能化傳感器基本結構示意圖DetectorReporter后端RelayRecognize前端檢測器外光路或電路信號轉換元感應元新一代信息獲取技術—基于共軛高分子的熒光傳感機理泥：光誘壘導的范電子漠轉移鋪過程幸或能紗量轉設移過束程新一昨代信瓜息獲音取技純術—基于康共軛紐奉高分紗子的掘熒光瘦傳感長的觀共軛逮主鏈+具有呈分子捉選擇蓋性的掛捕集定器共軛云高分訓子相帶對于辭小分冊子熒座光物續(xù)質的鞠獨特秋優(yōu)勢那：新一觸代信叛息獲下取技四術—基于銳共軛高高分稱子的徑熒光騾傳感熒光猝滅“放大”效應高靈發(fā)敏度捷、高鴨選擇誰性、捕實時喝響應寺、操習作簡出便軟物自質特輪性（肌發(fā)光墻、構腫象調(diào)產(chǎn)整、下顏色舉）水溶洋性共家軛高跡分子新一提代信墻息獲航取技蒸術—基于旬共軛繁高分沉子的爐熒光怠傳感優(yōu)勢歲：可應竿用于謝水環(huán)元境、犧生命榴體系驗的檢薄測，允對化趨學和遺生物邀物質誘的檢笨測可擁望被屆廣泛咽應用拖到環(huán)站境衛(wèi)剝生監(jiān)覆控、電疾病無診斷專、遺暈傳分笑析、奸軍事竄、反濕恐等溪眾多蜜方面鏡。新一罵代信完息獲店取技甩術—基于止水溶賄性共已軛高栽分子胖的熒裕光傳賽感QT沾L（qu孝en曲ch卸er攻-t仿et符he登r-li閘ga啊nd）檢偷測方兆法示請意圖獵：avidin對生命物素疑（av守id蘿in）的拜檢測原理繳示意圖：新一率代信凡息獲準取技匠術—基于躲水溶笨性共晴軛高近分子奇的踢熒光沫傳感FluorescencequenchingbiotinFluorescencerecovery發(fā)展信趨勢竹：新一把代信要息獲益取技舒術—基于形共軛盡高分會子的著熒光妄傳感有機劣/高斃分子潮電致每發(fā)光霜二極青管（肅OL寇ED駕/謀P盯LE鉗D)器件威發(fā)光銳的工梢作過還程，熔大致充可分限為兩嬸個階宏段.一是弦載流虹子的憑注入揪；輸稠運和羨相遇旅（偶就合）提，即克激子(Ex邁ci幟to旦n)的生哪成階血段。二是熱激子狼的衰積變(D排ec咬ay葡)，包岡括輻慰射與勁非輻嶼射衰購變及確其間叛的競揪爭等欺。高分允子電粥致、惕光致慮發(fā)光競材料非的應出用OL脖ED具有席全固薯態(tài)主尸動發(fā)糖光，刊亮度故、效著率高泳，重從量輕白，厚訊度薄受，材縮慧料選汽擇范咳圍寬薦，顯展示色射彩豐梳富，野容易豈實現(xiàn)嘉白光初，響躲應速盟度快時，視臥角范云圍寬咱，使截用溫卻度范富圍寬昌，抗真震動便性強部，可藥實現(xiàn)逗柔性修顯示夠，制退作工即藝相疑對簡學單等綠優(yōu)點亡，被鄙認為護是最圍有希被望取孔代液侵晶顯捆示（LC噴D）成庫為下當一代魔平板杯顯示耕主流刃的技睬術之讀一。顯示殲技術塊的發(fā)俯展方新向：超薄僑、管大面釘積、妄柔某性、絞視牽頻顯供示、刮低成頓本高清晰度大屏幕廣視角全彩超薄微顯柔性照明OLED的特色有機報/高撇分子迎電致窩發(fā)光夸二極須管（視OL泥ED小/刷P殘LE瞇D)偏振時片玻璃姜基板液晶您層濾色行器玻璃繳基板偏振飯片透明稼電極自發(fā)忠光TF翠T-括LC阿DOL寄EDLC差D要靠綠背景傻光，OL衛(wèi)ED自發(fā)吐光、當更省短電背景永光新一殊代信址息顯枕示技弱術O戒LE腰D織性能塌對比土—1倍.自目發(fā)光TF陰T-錘LC丑D-薄TVPM淹-O朋LE落D(峽QV恩GA終)連續(xù)的水流清晰的水滴OL牛ED響應腐速度勞比LC班D快10擦00多倍符，適燦于快坦速動肌態(tài)顯揮示。新一昨代信徹息顯譯示技聽術O貝LE黃D賓性能仇對比聰—2迫.快影速響意應TF珍T-鑄LC番DPM雁-O埋LE半D視角Pa桑ne盾l右上方視角前視右上方視角新一慌代信貨息顯名示技滅術O帶LE肅D槐性能榜對比嫂—3涂.寬友視角OL脹ED亮度榆：15盲0c店d/筍m2對比度:10是00川:1輕/畢1傲00Lu命xTF屈T-班LC育D亮度：20臘0c武d/嶺m2對比度：20歌0:吃1柔/捏10據(jù)0Lu權xOL喚ED即使蓋在較帽低的注亮度腫下，盤對比皆度也戀比LC蛙D高許悅多倍停。QV只GA：32廟0×判24旗0新一翠代信殃息顯秋示技鳴術O仗LE神D墊性能掛對比蓬—4獅.高癥對比塊度TF攜T-老LC蠻DOL消ED新一憂代信罷息顯服示技全術O尾LE私D血性能柱對比偵—5鵲.高羅清晰權度（2）透鼓明（3）可戒印刷冶生產(chǎn)（1）柔燃性其他兼特性個：（4）高冰亮度（5）低困驅動（6）溫瘋域廣（7）全并固態(tài)（8）超派?。?）照誦明新一百代信宣息顯燒示技貞術O愚LE湯D易性能里對比爐—6巖.獨店具特住性通過儲研究川自然管界中接生物沈體的伴物質服結構換及其久特有勾的功甩能，舌學習傾制造狀新材步料的廟思路銹和方可法，艇并在朵材料灰的設呢計和膏制造螺中加宰以模染仿，哭稱為仿生寇材料害學。仿生惠材料為什衫么荷術葉“邀出淤頓泥而掩不染降”？研制訪新一馳代仿文荷葉春表面抵材料瘋和涂杜料荷葉上布滿細結致且凹梅凸不雁平表造面微結吸構，緊貼刊葉面馬上形才成一久層極瘡薄的循只有票納米胖級的蠟空氣怠層,讓塵土和水不拍易沾來附。納米池科技主的提助出宏觀價領域灘：以人彈的肉葵眼可潤見的位物體桿為最牙小物蛾體為臟下限騾，上碼至無穩(wěn)限大暖的宇輝宙天起體。微觀天領域蝴：以分牧子、茅原子觀（約0.含1嘗nm）為最燦大起腦點，封下至怪無限雕小的謊領域樂（如爽電子拼、原叼子核爬）的任運動符。人類械對客滴觀世典界的基認識看己經(jīng)互發(fā)展戲了兩招個領舊域，巨即宏選觀和醫(yī)微觀毫領域茶。納米易科技然而齡，在建宏觀盒領域災和微接觀領武域之額間存詠在著送近年悟來才溪引起洪重視爬的介觀叢領域,在這漫個不枯同于磁宏觀齒和微鋸觀的卸領域雖，由成于三野維尺杠寸很鵝細小晚，出躍現(xiàn)了繞許多回奇異貌的性電能，阿不能糕用我戚們現(xiàn)從有的管常識鋒來描翅述這育個領狐域的員規(guī)律貝。美國匹半導鑰體協(xié)猾會預莊計：品以硅度為基輔礎的灘半導撕體芯樹片特芝征尺臣寸以品每三支年縮屢小計但算,到20詢10年，夠半導架體器的件的聞尺寸客將達拋到0.霧1m（10鄭0孟nm）極限偵，由民于量漢子效膽應,小于綿這一吵尺寸撤的所倦有芯冰片就狡不再貫保持匯原有徑的性博能,需要吩按新教的原奔理來期設計刺，要予突破厘這一慘極限腐，我烈們就布得研才究納耕米尺鴉度中物的理單論問應題和課技術現(xiàn)問題愛。納米灑科技0.朱1～10慎0n商m為納仁米尺駕度空怖間，處肅在原筋子簇咸和宏錯觀物敏體交晃界的任過渡秧區(qū)域歇。在納汗米層櫻次，依許多正原來軍在宏濾觀尺固度上慎使用丘的規(guī)床律、麻定理茄、方副式、沸方法敢，都樓將不漠再適狂用。嚷正如罩牛頓斷力學譽只適嫩用于賀低速村的宏肉觀物戚體，木而高服速運響動，斬只能獨用相左對論抹來解蹄釋。納米朗材料勇的特評性組成抬納米愉材料炎的顆華粒極昏小，胃界面忍組元找所占潮比重綢顯著喉增大下，具嶼有小尺授寸效最應、遷表面此效應碎、量詢子尺默寸效兩應和命宏觀典量子態(tài)隧道拌效應等?！〕呱源缧A應當金賀屬或論非金莊屬被摩制備若成小冬于納偶米尺陣度的紡粉末侄時，龜其物臂理、巾力學粒性質處就發(fā)電生了即根本渡的變凱化，背可能引具有惕高強受度、刑高韌死性、浴高比遭熱、滋高導灘電率嚴等性丘質。納米因科技黃金尚在正孝常情兼況下泥呈金迅黃色網(wǎng)，而警它的縣納米蒼顆粒叨卻變頂成了買黑色笛，且伙熔點虛顯著群下降.納米帥科技毫的研泡究內(nèi)油容是一吼個內(nèi)速容極糧廣的多學照科群，包抖括納召米物箭理學針、納就米化核學、雁納米徑材料黃學、愛納米減生物肺學、挺納米河電子捆學、林納米趕加工賣學、捉納米賄力學腳等學啞科。主要叫以物返理、何化學少的微笑觀研柏究理深論為途基礎植，以助現(xiàn)代膝高精法密檢脂測儀錄器和殘先進轎的分崖析技夾術為鞭手段尾，在緞納米塊尺寸埋范圍真內(nèi)通位過直廈接操當縱和驗安排澤原子教、分進子來華創(chuàng)造泉新物搞質?！砻婵闲{米廣微粒余位于鳥表面搶的原賠子或驗分子快所占錫的比蘇例非偷常大臂。并虧隨納衫米粒筍子尺舒寸的家減小予而急傷劇增嶄大，垮從而聾導致膛了性跳質的像急劇學變化嚴。這枝種表悠面原灶子數(shù)孫隨納重米粒腎子尺森寸減乖小而洽急劇旱增大停后引敘起的盛性質拖上的澇顯著齡變化襪稱為匆表面噴效應昌。納米存科技納米母科技渠大廈納米姓分析摸和檢測排技術納米晌材料雀的制造疑技術納米秤器件裳的制造移技術納米女生物醫(yī)療濕技術納米枯分析幟和檢竊測技爬術1.掃描塔隧道溪顯微織鏡(S纏TM外)績2.掃描報電子畏顯微朗鏡(S摟EM舊)抄3.透射棍電子扯顯微罪鏡(T圍EM絹)瞎4.原子墓力顯勢微鏡(A巧FM叫)萄5.黃…茶…納米詳科技掃描骨隧道趕電子伙顯微句鏡在掃禮描隧緣瑞道顯牽微鏡這下，陶科學或家將48個鐵屑原子眉排列濁在銅躁表面擠上，恥形成案一個舟圓形奇圍欄宏。量子教圍欄納米齒輪納米陶瓷1993年后，我國科學家先后操縱原子寫出“中國”、“原子”、繪出中國輪廓圖。碳納寒米管灣：19堆91年日悅本科扎學家掩發(fā)現(xiàn)反的一祖種針文狀的題管形夜碳單飼質，唐主要倦由呈喪六邊篩形排沾列的嚴碳原酷子構彎成數(shù)牽層到膠數(shù)十緞層的藥同軸分圓管歉，層沒與層窯之間鎖保持嶄固定劣的距霧離，爺約為0.玻34縮慧n黨m，直繩徑一詠般為2～20針n凳m，軸渣向尺羞寸為淋微米破量級饒。19羽85年在片科學虛家研登究石歸墨氣虹化后朋的質伴譜時涼被發(fā)玻現(xiàn)被狀發(fā)現(xiàn)技，科潤學家檔因此付獲得19激96年諾仙貝爾骨化學堡獎。僅由肯碳原翠子構荒成閉所合狀宴三維聚結構旋，60個碳似原子屋位于60個頂乞點，邁組成12個五體邊形勁和20個六叫邊形專，外的形類套