材料新進(jìn)展主要內(nèi)容材料發(fā)展歷史材料革命復(fù)合材料生物材料智能材料新型聚合物材料發(fā)展歷史人類文明的發(fā)展水平很大程度上取決于該文明所處時(shí)期的材料的特征和功能。石器青銅鐵器玻璃、陶瓷、青銅、鐵鋼、合金、聚合物人造黏土制品、天然金屬新材料的發(fā)現(xiàn)1865年，英國(guó)發(fā)明家亞歷山大.帕克斯，硝酸纖維素1900年，美國(guó)化學(xué)家貝克蘭德，酚醛塑料20世紀(jì)20－30年代許多聚合物新材料的發(fā)明和商品化，包括：脲醛塑料、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龍、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、密胺塑料、四氟乙烯等。新金屬的發(fā)展鐵碳合金熟鐵鑄鐵碳鋼英國(guó)冶金學(xué)家——亨利.貝莫西現(xiàn)代煉鋼法：向熔化的鐵水中吹入熱空氣，可得到含碳比例適當(dāng)?shù)匿撹F與各種金屬的合金1868年，蘇格蘭冶金學(xué)家馬歇特在貝莫西鋼加入少量鎢，使其硬度更大，韌性更好，使用壽命更長(zhǎng)。1819年，鉻合金鋼1912年，不銹鋼1905年，鎳鉻鐵合金（美國(guó)工程師瑪希發(fā)明，電熱絲）鋁銅鎂錳合金——硬鋁，1908年，德國(guó)工程師維爾姆發(fā)明。之后Al-Cu-Mg合金系、Al-Zn-Mg-(Cu)合金系、Al-Li合金系相繼發(fā)明。

鎳鈷合金鎳鈦合金銅合金鎂合金其它非鐵合金材料的進(jìn)步與摩天大樓的興起與發(fā)展19世紀(jì)60年代平爐煉鋼的改進(jìn)，使堅(jiān)固而質(zhì)輕的鋼材成為建筑物的主要承力結(jié)構(gòu)——鋼框架的主力材料。紐約世界貿(mào)易中心大樓建于1966年，1973年竣工，有110層，411米高，用鋼7.8萬噸。世貿(mào)大樓坍塌的原因：高溫下材料強(qiáng)度迅速降低。大樓怎樣建才結(jié)實(shí)用高強(qiáng)、輕質(zhì)材料，如使用強(qiáng)化鋼材、高強(qiáng)混凝土及玻璃材料研究目前最具有發(fā)展前景的領(lǐng)域是納米材料?？茖W(xué)家將采用自下而上的順序從分子和原子層次來合成新物質(zhì)。納米技術(shù)不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)有材料進(jìn)行變革，同時(shí)還能夠?yàn)樾碌幕衔锏脑O(shè)計(jì)和制造提供全新的方式。納米材料復(fù)合材料復(fù)合材料就是用兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過復(fù)合手段組合而成的一種多相材料。其中有一相是連續(xù)的稱為基體相，另一相是分散的、被基體包容的稱為增強(qiáng)相。增強(qiáng)相與基體相之間有一個(gè)交界面稱為復(fù)合材料界面。

復(fù)合材料的增強(qiáng)相一般采用能提高基本材料力學(xué)性能的物質(zhì)。因?yàn)槔w維的剛性和抗拉伸強(qiáng)度大，因此增強(qiáng)材料大多數(shù)為各類纖維。所用的纖維可以是玻璃纖維、碳或硼纖維、氧化鋁或碳化硅纖維、金屬纖維（鎢、鉑、鉭和不銹鋼等），也可以是復(fù)合纖維。纖維是材料的骨架，其作用是承受負(fù)荷、增加強(qiáng)度，它基本上決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性?；w相的主要作用是使增強(qiáng)材料粘合成型，且對(duì)承受的外力起傳導(dǎo)和分散作用，基體材料可以是高分子聚合物、金屬材料、陶瓷材料等。

復(fù)合材料的特點(diǎn)比強(qiáng)度和比模量高抗疲勞性能好減振性能良好高溫性能好分類按基體材料類型樹脂基金屬基無機(jī)非金屬基按分散相的形態(tài)連續(xù)纖維增強(qiáng)纖維織物、編織體增強(qiáng)片狀材料增強(qiáng)短纖維或晶須增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的歷史和發(fā)展人類歷史上的復(fù)合材料

泥磚、混凝土高級(jí)復(fù)合材料

聚合物基體：玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)聚酯），碳纖維、芳胺纖維、氧化鋁纖維增強(qiáng)塑料

金屬基體：鋁纖維增強(qiáng)鋼

陶瓷基體：碳化硅晶須增強(qiáng)氮化硅

碳－碳材料：連續(xù)碳纖維增強(qiáng)碳基體例：李寧牌新款羽毛球拍球拍采取輕盈的碳素復(fù)合纖維，制成圓管型預(yù)浸材料，通過多維連續(xù)的立體編織方式，獲得高強(qiáng)度和剛性，“李寧”獨(dú)創(chuàng)的TBNano材料科學(xué)與工程技術(shù)，采用納米級(jí)的工藝科技，令球拍中碳纖維與樹脂的結(jié)合程度，突破既往，天衣無縫。打擊力度隨之提升20%。成也材料，敗也材料哥倫比亞航天飛機(jī)，采用大量先進(jìn)復(fù)合材料

碳纖維/環(huán)氧樹脂制作主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復(fù)合材料制造主機(jī)身隔框和翼梁，用碳/碳復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和喉襯，發(fā)動(dòng)機(jī)組的傳力架全用硼纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料制成，被覆在整個(gè)機(jī)身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料。在這架代表近代最尖端技術(shù)成果的航天飛機(jī)上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復(fù)合材料。

生物材料生物材料包括人工制造、半人工制造（或二者結(jié)合），以及為生物系統(tǒng)功能服務(wù)而設(shè)計(jì)的有生命的材料。分類：1.在化學(xué)和生物功能方面基本無生命的材料2.通過周圍組織或其它生物材料相結(jié)合或發(fā)生反應(yīng)后，在身體內(nèi)發(fā)揮積極作用的材料3.一段時(shí)間后可降解或被吸收的材料人造皮膚、血液、神經(jīng)、組織和器官使用的材料金屬、陶瓷高分子材料例：心臟支架在中國(guó)，每年約150,000名患者接受支架植入手術(shù)不銹鋼支架鎳支架鉭支架人造皮膚皮膚的自體移植和異體移植1981年美國(guó)的揚(yáng)納斯成功研制出一種人造皮膚，并首次移植給一位燒傷患者。人造皮膚仿造人體皮膚，分上下兩層，上層為帶彈性的硅樹脂（硅氧烷聚合物）材料，下層為膠原質(zhì)纖維基體（從牛腱和硫酸軟骨素中提?。┤嗽煅茉缙冢耗猃?、聚乙烯塑料、聚乙烯醇現(xiàn)今：滌綸（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯），特富龍（聚四氟乙烯）智能材料定義:能感知外界的變化后以某種形式對(duì)其作出反應(yīng)，從而改變自己的行為的材料種類：壓電和電致伸縮材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金、電流和磁流變材料、光致變色或熱致變色材料、人造橡膠形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金被廣泛地用于衛(wèi)星、航空、生物工程、醫(yī)藥、能源和自動(dòng)化等方面。如：“阿波羅”11號(hào)登月艙攜帶的天線就是用當(dāng)時(shí)剛剛發(fā)明不久的記憶合金制成的。其它如管接頭和緊固件、血栓過濾器、脊柱矯形棒、接骨板、人工關(guān)節(jié)、人造心臟等。壓電和電致伸縮材料

壓電效應(yīng)是1880年杰克斯.居里和皮埃爾.居里兩兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。他們發(fā)現(xiàn)材料在電場(chǎng)作用下會(huì)變形（壓電效應(yīng)）；反之，材料變形又會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)（逆壓電效應(yīng)）。逆壓電效應(yīng)屬于一種典型的電致伸縮效應(yīng)壓電陶瓷1942-1944年間，美國(guó)、日本和蘇聯(lián)的化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了陶瓷材料鈦酸鋇（BaTiO3)具有壓電特性，1947年首次應(yīng)用于留聲機(jī)的拾音器上，后來發(fā)展用于振動(dòng)探測(cè)儀聲波定位系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、水中聽音器等。如今，鋯鈦酸鉛(PbTiZrO3,PZT)已取代鈦酸鋇，成為現(xiàn)今最常用的壓電材料。應(yīng)用于高壓發(fā)生器、超聲換能器和聲納換能器、報(bào)警系統(tǒng)、電唱機(jī)等，最常見的是生產(chǎn)汽車安全氣囊的傳感器。智能自修復(fù)材料

復(fù)合材料損傷類型沖擊損傷、疲勞損傷、環(huán)境損傷材料自修復(fù)技術(shù)材料表面保護(hù)的自適應(yīng)、能量輸入的疲勞復(fù)效、物質(zhì)輸入的裂紋自愈合最常用的技術(shù)——埋植技術(shù)埋植技術(shù)在復(fù)合材料中預(yù)埋入內(nèi)含粘接劑的微型結(jié)構(gòu)，這種微型結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)材料的原有性能不產(chǎn)生影響。當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋時(shí)，處于裂紋擴(kuò)展前沿的微型結(jié)構(gòu)在裂紋擴(kuò)展力的作用下破裂，釋放出粘接劑，把裂紋面粘接在一起，阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)材料的自修復(fù)功能。圖1內(nèi)置膠囊仿生自修復(fù)機(jī)理示意圖(1)內(nèi)含修復(fù)劑的微膠囊和催化劑分散于復(fù)合材料基體中；(2)發(fā)生裂紋后使微膠囊破裂，修復(fù)劑流出滲入裂紋；(3)流出的修補(bǔ)劑來修復(fù)裂紋或者催化劑促使材料內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而修補(bǔ)裂紋。

微型結(jié)構(gòu)常采用微膠囊或空心玻纖如：1994年，美國(guó)Illinois大學(xué)的CarolynDry將空心玻璃纖維埋入混凝土中，纖維內(nèi)注入縮醛高分子溶液作為粘接劑。在外力作用下基體開裂時(shí)，空心纖維斷裂，粘接劑流出并進(jìn)入裂紋面，固化后把裂紋面粘接在一起，阻止了裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展。在日本，以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘接劑的空心膠囊摻入混凝土材料中，使混凝土裂縫重新愈合。

微膠囊材料：膜材、芯材智能復(fù)合材料膠囊使用的膜材多為高分子材料，如：環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚醚、聚脲、聚乙烯醇、聚酰胺、聚丙烯酰胺、聚氨脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯吡咯烷酮和聚硅氧烷等。它們的特點(diǎn)是成膜性好，化學(xué)穩(wěn)定性好。芯材可以是單一的，也可以是混合的。目前修復(fù)用粘接劑多為雙組分型，如：環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及乙烯基樹脂和它們的固化劑。分別把修復(fù)劑和固化劑作為芯材制備成微膠囊，使用時(shí)將這些膠囊按一定比例混合后摻入基體材料。例如M．R．Kessler等以尿素一甲醛聚合物為膜材，雙環(huán)戊二烯(DCPD)單體為芯材制備了微膠囊，在Grubbs’催化劑的作用下修復(fù)材料內(nèi)部裂紋。AndrewLoxley等以聚甲基丙烯酸甲脂為芯材制備了微膠囊。微膠囊自修復(fù)智能復(fù)合材料制備一在材料制造和熱處理過程中加入微型結(jié)構(gòu)，使之成為材料的一部分；二是將微型結(jié)構(gòu)放置在層合板間，使之與材料集成在一起。微膠囊制備1、化學(xué)法：利用單體小分子發(fā)生聚合反應(yīng)生成高分子成膜材料將芯材包覆，常用的方法是原位聚合法。2、物理機(jī)械法：通過輸送管道或其它特定的設(shè)備．在加壓、加熱的條件下，將芯材和膜材輸送到噴嘴頭噴出，使膜材包封在芯材上。其中噴霧干燥法是最常用的微膠囊化技術(shù)。存在的問題微膠囊殼的斷裂機(jī)理，微膠囊的機(jī)械性能，使用耐久性等有待進(jìn)一步研究微膠囊在基體的分布特性及微膠囊與基體材料的匹配粘結(jié)劑的的擴(kuò)散方式、流動(dòng)性和粘結(jié)強(qiáng)度，粘結(jié)劑對(duì)基體材料的浸潤(rùn)材料多次愈合的可行性新型聚合物聚合物分類：加成聚合物、縮合聚合物熱塑性塑料和熱固性塑料聚合物最新研究領(lǐng)域傳導(dǎo)聚合物樹狀聚合物和超支化聚合物人造蛋白質(zhì)傳導(dǎo)聚合物傳導(dǎo)性聚合物的發(fā)現(xiàn)是材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，發(fā)現(xiàn)者日本的白川英樹和美國(guó)的艾倫·黑格,艾倫·馬克迪爾米德獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主美國(guó)物理學(xué)家Heeger

美國(guó)化學(xué)家MacDiarmid

日本化學(xué)家Shirakawa

1974年日本筑波大學(xué)H.Shirakawa在合成聚乙炔的實(shí)驗(yàn)中，偶然地投入過量1000倍的催化劑，合成出令人興奮的有銅色的順式聚乙炔薄膜與銀白色光澤的反式聚乙炔。Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3H－C≡C－H1000倍催化劑10－8～10－7S/m10－3～10－2S/m導(dǎo)電高分子材料的發(fā)現(xiàn)

1975年，G.MacDiarmid、J.Heeger與H.Shirakawa合作進(jìn)行研究，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚乙炔曝露于碘蒸氣中進(jìn)行摻雜氧化反應(yīng)(doping)后，其電導(dǎo)率令人吃驚地達(dá)到3000S/m。聚乙炔的摻雜反應(yīng)

1980年，英國(guó)Durham大學(xué)的W.Feast得到更大密度的聚乙炔。1983年，加州理工學(xué)院的H.Grubbs以烷基鈦配合物為催化劑將環(huán)辛四烯轉(zhuǎn)換了聚乙炔，其導(dǎo)電率達(dá)到35000S/m，但是難以加工且不穩(wěn)定。1987年，德國(guó)BASF科學(xué)家N.Theophiou對(duì)聚乙炔合成方法進(jìn)行了改良，得到的聚乙炔電導(dǎo)率與銅在同一數(shù)量級(jí)，達(dá)到107S/m。

后續(xù)研究進(jìn)展導(dǎo)電高分子的主要類型：除了最早的聚乙炔（PA）外，主要有聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚對(duì)苯乙烯(PPV)、聚苯胺(PANI)以及他們的衍生物其中聚苯胺結(jié)構(gòu)多樣、摻雜機(jī)制獨(dú)特、穩(wěn)定性高技術(shù)應(yīng)用前景廣泛，在目前的研究中備受重視其中聚乙炔的所能達(dá)到的電導(dǎo)率在已發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電聚合物中是最高的，達(dá)到了105S/cm量級(jí)，接近Pt和Fe的室溫電導(dǎo)率

導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理有機(jī)化合物中的σ鍵和π鍵

在有機(jī)共軛分子中，σ鍵是定域鍵，構(gòu)成分子骨架；而垂直于分子平面的p軌道組合成離域π鍵，所有π電子在整個(gè)分子骨架內(nèi)運(yùn)動(dòng)。離域π鍵的形成，增大了π電子活動(dòng)范圍，使體系能級(jí)降低、能級(jí)間隔變小，增加物質(zhì)的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電高分子材料的共同特征－交替的單鍵、雙鍵共軛結(jié)構(gòu)

聚乙炔由長(zhǎng)鏈的碳分子以sp2鍵鏈接而成，每一個(gè)碳原子有一個(gè)價(jià)電子未配對(duì)，且在垂直于sp2面上形成未配對(duì)鍵。其電子云互相接觸，會(huì)使得未配對(duì)電子很容易沿著長(zhǎng)鏈移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體到導(dǎo)體的實(shí)現(xiàn)途徑－摻雜(doping)

在共軛有機(jī)分子中σ電子是無法沿主鏈移動(dòng)的，而π電子雖較易移動(dòng)，但也相當(dāng)定域化，因此必需移去主鏈上部分電子(氧化)或注入數(shù)個(gè)電子(還原)，這些空穴或額外電子可以在分子鏈上移動(dòng)，使此高分子成為導(dǎo)電體。導(dǎo)電高分子材料的摻雜途徑氧化摻雜(p-doping):[CH]n+3x/2I2——>[CH]nx++xI3-

還原摻雜(n-doping):[CH]n+xNa——>[CH]nx-+xNa+

添補(bǔ)后的聚合物形成鹽類，產(chǎn)生電流的原因并不是碘離子或鈉離子而是共軛雙鍵上的電子移動(dòng)。摻雜導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理

碘分子從聚乙炔抽取一個(gè)電子形成I3－，聚乙炔分子形成帶正電荷的自由基陽離子，在外加電場(chǎng)作用下雙鍵上的電子可以非常容易地移動(dòng)，結(jié)果使雙鍵可以成功地延著分子移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)電能力。導(dǎo)電高分子的摻雜與無機(jī)半導(dǎo)體的摻雜的對(duì)比無機(jī)半導(dǎo)體中的摻雜導(dǎo)電高分子中的摻雜本質(zhì)是原子的替代是一種氧化還原過程摻雜量極低（萬分之幾）摻雜量一般在百分之幾到百分之幾十之間摻雜劑在半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電只起到對(duì)離子的作用，不參與導(dǎo)電沒有脫摻雜過程摻雜過程是完全可逆的導(dǎo)電高分子的應(yīng)用1.發(fā)光二極---半導(dǎo)體特性的應(yīng)用

利用導(dǎo)電高分子與金屬線圈當(dāng)電極，半導(dǎo)體高分子在中間，當(dāng)兩電極接上電源時(shí)，半導(dǎo)體高分子將會(huì)開始發(fā)光。比傳統(tǒng)的燈泡更節(jié)省能源而且產(chǎn)生較少的熱，具體應(yīng)用包括平面電視機(jī)屏幕、交通信息標(biāo)志等。高分子發(fā)光二極管具有顏色可調(diào)、可彎曲、大面積和低成本等優(yōu)點(diǎn)。2.太陽能電池---半導(dǎo)體特性的應(yīng)用

導(dǎo)電高分子可制成太陽電池，結(jié)構(gòu)與發(fā)光二極管相近，但機(jī)制卻相反，它是將光能轉(zhuǎn)換成電能。優(yōu)勢(shì)在于廉價(jià)的制備成本，迅速的制備工藝，具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性。一個(gè)分子類似于一根導(dǎo)線?？捎糜诟哽`敏度檢測(cè)、超大規(guī)模集成技術(shù)等?！澳０寰酆?、分子束沉積等方法制備“分子導(dǎo)線”或?qū)щ姼叻肿游⒐?或納米管)

3.分子導(dǎo)線4.二次電池高分子摻雜態(tài)儲(chǔ)存電能、脫摻雜過程中釋放電能

——全塑電池輸出電壓3V、電池容量3mA.h，復(fù)充放電上千次。

5.生物傳感器--電化學(xué)摻雜/去摻雜之可逆性的應(yīng)用葡萄糖傳感器尿素傳感器乳酸傳感器膽固醇傳感器6.氣體傳感器導(dǎo)電高分子與大氣某些介質(zhì)作用----電導(dǎo)率改變,除去介質(zhì)----恢復(fù)。（摻雜/或脫摻雜過程）?？捎米鬟x擇性高、靈敏度高和重復(fù)性好的氣體傳感器。

導(dǎo)電性可以在絕緣體、半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)體之間變化,——不同的吸波性能密度小——輕加工性能——薄穩(wěn)定性較好——高溫使用

7.雷達(dá)隱身材料摻雜/脫摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體-絕緣體之間的轉(zhuǎn)變，且電位、PH、摻雜量等變化伴隨顏色變化，

——可用于電顯示8.電顯示材料最新研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)高導(dǎo)電性導(dǎo)電聚合物高強(qiáng)度導(dǎo)電高分子可溶性導(dǎo)電高分子分子導(dǎo)電自摻雜或不摻雜導(dǎo)電聚合物、復(fù)合型聚合物、光電磁多功能聚合物等高導(dǎo)電性導(dǎo)電聚合物目前為止發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電高分子仍屬于半導(dǎo)體的范疇，而未能到到真正的金屬態(tài)具有低能帶能隙的導(dǎo)電高分子是實(shí)現(xiàn)“合成金屬”的重要途徑在1984年Wudl等合成了聚苯并噻吩，其能帶能隙只有1eV雜環(huán)芳