第三章材料與社會(huì)新興產(chǎn)業(yè)/sundae_meng2010年10月18日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，指出力爭(zhēng)到2020年新材料產(chǎn)業(yè)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)：大力發(fā)展稀土功能材料、高性能膜材料、特種玻璃、功能陶瓷、半導(dǎo)體照明材料等新型功能材料；積極發(fā)展高品質(zhì)特殊鋼、新型合金材料、工程塑料等先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料；提升碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料發(fā)展水平；開(kāi)展納米、超導(dǎo)、智能等共性基礎(chǔ)材料研究。/sundae_meng十二大類主要新材料電子信息材料支撐現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展新能源材料

實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用的關(guān)鍵納米材料將對(duì)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響先進(jìn)復(fù)合材料功能復(fù)合材料是未來(lái)發(fā)展主流生態(tài)環(huán)境材料對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)有重大戰(zhàn)略意義生物醫(yī)用材料材料學(xué)科中一個(gè)正在發(fā)展的新領(lǐng)域智能材料將使人類文明進(jìn)入一個(gè)新的高度，但目前距實(shí)用階段還有一定的距離高性能結(jié)構(gòu)材料國(guó)民經(jīng)濟(jì)中應(yīng)用最為廣泛的材料新型功能材料是信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料化工新材料納米化工材料和特種化工涂料是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)新型建筑材料綠色、環(huán)保是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵先進(jìn)陶瓷材料在電子工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛/sundae_meng一、功能材料二、納米材料三、生物材料四、能源材料五、信息材料/sundae_meng一、功能材料功能材料熱功能材料電功能材料磁功能材料：軟磁、硬磁材料，磁致伸縮材料光功能材料：光導(dǎo)纖維，激光材料其他功能材料：隱形材料，敏感材料等膨脹材料形狀記憶合金測(cè)溫材料超導(dǎo)材料半導(dǎo)體材料電接點(diǎn)（觸頭）材料/sundae_meng1、形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys，簡(jiǎn)稱SMA)形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect,簡(jiǎn)稱SME)形狀記憶效應(yīng)——將材料在一定條件下進(jìn)行一定限度以內(nèi)的變形后，再對(duì)材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應(yīng)的材料——形狀記憶材料。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由2種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱為形狀記憶合金。/sundae_meng形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)過(guò)程1932年瑞典人歐勒特在觀察某種金鎘合金的性能時(shí)首次發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。1938年哈佛大學(xué)的研究人員在一種銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)了一種隨溫度的升高和降低而逐漸增大或縮小的形狀變化。1962年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在開(kāi)發(fā)新型艦船材料時(shí)，在Ti-Ni合金中發(fā)現(xiàn)把直條形的材料加工成彎曲形狀，經(jīng)加熱后它的形狀又恢復(fù)到原來(lái)的直條形。從此形狀記憶合金引起了極大的關(guān)注。/sundae_meng形狀記憶效應(yīng)可分為3種類型：

①單程形狀記憶效應(yīng)②雙程形狀記憶效應(yīng)③全程形狀記憶效應(yīng)/sundae_meng單程形狀記憶效應(yīng)：?jiǎn)纬绦螤钣洃浶?yīng)材料在高溫下制成某種形狀，在低溫相時(shí)將其任意變形，再加熱時(shí)恢復(fù)為高溫相形狀，而重新冷卻時(shí)卻不能恢復(fù)低溫相時(shí)的形狀。/sundae_meng雙程形狀記憶效應(yīng)：雙程形狀記憶效應(yīng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，即通過(guò)溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象，或稱為可逆形狀記憶效應(yīng)。/sundae_meng全程形狀記憶效應(yīng)：全程形狀記憶效應(yīng)當(dāng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象。只能在富鎳的Ti-Ni合金中出現(xiàn)。/sundae_meng①制造人造衛(wèi)星天線Ti-Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線美國(guó)宇航局的月面天線計(jì)劃：在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅11號(hào)的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽(yáng)光的照射加熱使它恢復(fù)到原來(lái)的拋物面形狀,從而能用空間有限的火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線。形狀記憶合金的應(yīng)用/sundae_meng②工程應(yīng)用:緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等。

形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D/sundae_meng③醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用:牙齒矯形絲、血栓過(guò)濾器、動(dòng)脈瘤夾、接骨板等（Ti-Ni合金）。支撐性與柔韌性完美協(xié)調(diào)的Ti-Ni記憶合金食道支架/sundae_meng④智能應(yīng)用

形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能為一體的新型材料，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制裝置，如各種智能、仿生機(jī)械。采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風(fēng)為熱源，開(kāi)放溫度為65℃~85℃，閉合溫度為室溫。花蕾直徑80mm,展開(kāi)直徑200mm。動(dòng)作幅度為1800mm。雙程CuZnAl記憶合金花

/sundae_meng2、超導(dǎo)材料（SuperconductingMaterial）定義：材料的電阻隨著溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，這類材料稱為超導(dǎo)材料。出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度稱作超導(dǎo)材料的“臨界溫度”。臨界溫度（Tc）臨界電流（Ic）臨界磁場(chǎng)（Hc）

“約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件：/sundae_meng1911年，昂納斯在測(cè)試純金屬電阻率的低溫特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在4.2K左右低溫時(shí)突然消失，他認(rèn)為這時(shí)汞進(jìn)入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導(dǎo)態(tài)”，稱這種處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體為超導(dǎo)體。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年的諾貝爾獎(jiǎng)。/sundae_meng1972年巴?。↗ohnBardeen,1908-1991）、庫(kù)珀（LeonNorthCooper,1930-）和施里弗（JohnRobertSchrieffer,1931-）因發(fā)現(xiàn)稱為BCS理論的超導(dǎo)理論，共同分享了1972年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1973年

江崎玲于奈（LeoEsaki,1925-）和加埃沃（IvarGiaever,1929-）因分別發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和超導(dǎo)體中的隧道貫穿、約瑟夫森（BrianDavidJosephson,1940-）因從理論上預(yù)言了通過(guò)隧道阻擋層的超電流的性質(zhì)，特別是被稱為“約瑟夫森效應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，共同分享了1973年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1987年柏諾茲(J.GeorgBednorz,1950-)和繆勒(KarlA.Muller,1927-)因發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高Tc超導(dǎo)電性，共同分享了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。２００３年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予擁有俄羅斯和美國(guó)雙重國(guó)籍的科學(xué)家阿列克謝·阿布里科索夫、俄羅斯科學(xué)家維塔利·金茨堡以及擁有英國(guó)和美國(guó)雙重國(guó)籍的科學(xué)家安東尼·萊格特，以表彰他們?cè)诔瑢?dǎo)體和超流體領(lǐng)域中做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。/sundae_meng超導(dǎo)材料的分類⑴常規(guī)超導(dǎo)體⑵高溫超導(dǎo)體(HTS)⑶其它類型超導(dǎo)體/sundae_meng

相對(duì)于高溫超導(dǎo)體而言，元素、合金和化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低(以液氮溫度77K為界)，因此這類超導(dǎo)體被稱為常規(guī)超導(dǎo)體。

（1）常規(guī)超導(dǎo)體/sundae_meng①元素超導(dǎo)體(50多種)

一些元素在常壓或高壓下具有超導(dǎo)電性能，另外一些元素經(jīng)特殊處理后顯示出超導(dǎo)電性。由于臨界電流和臨界磁場(chǎng)均較小，所以元素超導(dǎo)體很難實(shí)用化。/sundae_meng

超導(dǎo)合金在技術(shù)上有重要價(jià)值，它們具有較高的臨界溫度和特別高的臨界磁場(chǎng)以及臨界電流。超導(dǎo)合金具有塑性好，易于大量生產(chǎn)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。②合金超導(dǎo)體/sundae_meng

最早的超導(dǎo)線材是Nb--Zr系，用于制造超導(dǎo)磁體。Nb--Zr合金具有低磁場(chǎng)高電流的特點(diǎn)。1965年后被加工性能好、臨界磁場(chǎng)高、成本低的Nb--Ti所取代。目前Nb-Ti系合金實(shí)用的線材使用最廣，Nb--Zr--Ti，Nb--Ti--Ta，Nb--Ti--Zr--Ta用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體。/sundae_meng化合物超導(dǎo)體與合金超導(dǎo)體相比，臨界溫度和臨界磁場(chǎng)都較高。一般超過(guò)10T的超導(dǎo)磁體只能用化合物系超導(dǎo)材料制造。如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge、Nb3Al，Nb3(AlGe)等?；衔锍瑢?dǎo)材料都非常脆，加工困難，往往無(wú)法直接繞成磁體，必須采用特殊的制備方法。就這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它不如超導(dǎo)合金。實(shí)際能夠使用的超導(dǎo)化合物只有Nb3Sn和V3Ga兩種，其它化合物由于加工成線材較困難，尚不能實(shí)用。③化合物超導(dǎo)體/sundae_meng

（3）高溫超導(dǎo)體一些復(fù)雜的氧化物陶瓷具有高的轉(zhuǎn)變溫度，其臨界溫度超過(guò)了77K，可在液氮的溫度下工作，稱為高溫超導(dǎo)體。/sundae_meng1986年12月15日，美國(guó)休斯敦大學(xué)的朱經(jīng)武等人在La-Ba-Cu-O系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)了40.2K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。12月26日中國(guó)科學(xué)院物理研究所的趙忠賢等人發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度為48.6K的Sr-La-Cu-O，轉(zhuǎn)變溫度為70K的Ba-La-Cu-O。

1987年2月16日，朱經(jīng)武領(lǐng)導(dǎo)的阿拉巴馬大學(xué)和休斯敦大學(xué)組成的實(shí)驗(yàn)小組，發(fā)現(xiàn)Y-Ba-Cu-O的Tc為92K。2月24日，趙忠賢等人獲得液氮溫區(qū)的超導(dǎo)體Y-Ba-Cu-O，Tc在100K以上，出現(xiàn)零電阻的溫度為78.5K。人們終于實(shí)現(xiàn)了獲得液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的多年夢(mèng)想。/sundae_meng/sundae_meng/sundae_meng超導(dǎo)材料的特性和潛在應(yīng)用1）零電阻2）完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）1933年，邁斯納(MeissnerW)發(fā)現(xiàn)，只要溫度低于超導(dǎo)臨界溫度，則置于外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體就始終保持其內(nèi)部磁場(chǎng)為零，外部磁場(chǎng)的磁力線統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。即便是原來(lái)處在磁場(chǎng)中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使它變成超導(dǎo)體時(shí)，也會(huì)把原來(lái)在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排出去，即超導(dǎo)體具有完全抗磁性。這一現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)，它是超導(dǎo)體的另一個(gè)獨(dú)立的基本特性。

/sundae_meng超導(dǎo)輸電日本研制了66kV，50m長(zhǎng)的具有柔性絕熱液氮管的電纜模型和50m長(zhǎng)的導(dǎo)體統(tǒng)在柔性芯子上的電纜，其交流載流能力為2000A，有望用于市內(nèi)地下電力傳輸系統(tǒng)。美國(guó)也研制了直流臨界電流為900A的電纜。超導(dǎo)輸電必須考慮冷卻電纜所需成本/sundae_meng液氮環(huán)境下的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)日本在1979年就研制成了時(shí)速517km的超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車。而1990年德國(guó)漢諾威-維爾茨堡高速磁浮列車線路正式投入運(yùn)營(yíng)。日本1991年又研制出一種水陸兩棲磁浮列車，已完成模擬試驗(yàn)。磁懸浮列車/sundae_meng超導(dǎo)受控?zé)岷朔磻?yīng)堆超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)貯能超導(dǎo)核磁共振成像技術(shù)/sundae_meng實(shí)用超導(dǎo)材料應(yīng)具備下的條件：盡可能高的臨界條件，即高Tc、高Hc和高Ic；可以加工成帶材、線材或薄膜；成本不太高。/sundae_meng3、變色材料（ChromicMaterials）當(dāng)受到光、電、熱等外界激發(fā)源作用后，可發(fā)生顏色變化（其吸收光譜可發(fā)生變化）的材料稱為變色材料。根據(jù)激發(fā)源的不同，可分為不同的變色材料。光致變色電致變色熱致變色/sundae_meng1）光致變色材料（Photochromic）定義：分類：在光作用下能可逆地顏色發(fā)生變化的材料。無(wú)機(jī)光致變色材料有機(jī)光致變色材料/sundae_meng無(wú)機(jī)變色材料

①晶格轉(zhuǎn)變②發(fā)生光解反應(yīng)③電荷轉(zhuǎn)移

如：玻璃中含有銀鹽和銅鹽的混合物，在陽(yáng)光下它會(huì)發(fā)生下一反應(yīng)而自動(dòng)變暗，而在低光量時(shí)則迅速恢復(fù)。/sundae_meng無(wú)機(jī)變色材料：特點(diǎn)：穩(wěn)定性好，靈敏度高，但顏色單一，制備困難，成本高。例如：堿土化合物；汞化合物；銅化合物；ZnS；氧化鈦（TiO2）；CaF2（摻雜LaF2、NaF、CeF2等）；SrTiO3、NiO、MoO3、Al2O3、CaTiO3、AgCl、BaF2、SrF2/sundae_meng有機(jī)變色材料

有機(jī)化合物的光致變色現(xiàn)象與其分子結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。有機(jī)類光致變色材料近年研究的重點(diǎn)主要集中在螺旋吡喃化合物上。自1952年美國(guó)化學(xué)家Fischer和Hirshberg發(fā)現(xiàn)二氫吲哚基螺旋苯并吡喃后，螺旋吡喃類化合物得到了廣泛的研究。/sundae_meng①縮苯胺類②腙類③均二苯乙烯類④脎類⑤硫代硫酸鹽⑥硫代靛藍(lán)染料⑦螺吡喃類（600nm壽命長(zhǎng)）⑧蒽酮⑨吡啶類有機(jī)變色材料：特點(diǎn)：種類多，對(duì)比度高，制備容易，易商業(yè)化。例如：/sundae_meng化學(xué)鍵的異裂分解如：硝基吲哚啉螺吡喃光致變色過(guò)程如下：加熱/光照致冷/黑暗藍(lán)色無(wú)色/sundae_meng光信息存儲(chǔ)服裝裝飾

防偽和鑒偽自顯影感光片照相設(shè)備制成染料在陽(yáng)光下顯示各種顏色或變成偽裝色。以俘精酸酐為主要材料的光盤樣品，在某一波長(zhǎng)下，消色量子產(chǎn)率很小，而對(duì)光卻有較大的吸收。暴光表變色眼鏡用途光致變色材料用途

用有機(jī)光致變色材料可以制備非銀感光膠片，直接得到影像，再換一種光照射，可以復(fù)原。制成油墨，印刷防偽標(biāo)志，在特殊的光線下檢驗(yàn)真?zhèn)巍?sundae_mengPhotochromicGlass持久永恒的光致變色特性，鏡片底色永久不變；顏色隨環(huán)境光線的強(qiáng)弱而改變，變色及復(fù)明速度快；透明狀態(tài)下，透射率高達(dá)80%以上，不影響夜間駕駛；紫外線防護(hù)性能優(yōu)異，耐常見(jiàn)化學(xué)品腐蝕，堅(jiān)硬，耐刮擦。/sundae_meng美國(guó)市場(chǎng)上有機(jī)光致變色眼鏡已占變色鏡市場(chǎng)的90%。/sundae_meng變色玻璃在建筑上的應(yīng)用光致變色PVB薄膜應(yīng)用在建筑安全玻璃上,在日光(含有紫外線)特別強(qiáng)的夏天,受日光照射時(shí)變成有色玻璃,遮蔽陽(yáng)光,減少紫外線對(duì)人的照射,調(diào)節(jié)屋內(nèi)光線和溫度;沒(méi)有日光照射時(shí),又變成無(wú)色透明玻璃。/sundae_meng光致變色涂料和變色玻璃/sundae_meng2）熱致變色材料（thermochromic）定義：在溫度發(fā)生改變時(shí)，配位體幾何構(gòu)型或配位數(shù)發(fā)生變化，或分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而使顏色發(fā)生可逆性改變的材料。有兩種情況：①無(wú)色有色②顏色A顏色B/sundae_meng⑴無(wú)機(jī)熱致變色材料

金屬碘化物：

HgI2

紅→綠變化溫度低

Ag4HgI4

黃→橙

Hg有毒，價(jià)格貴

Cu2HgI4

紅→紅紫變色不明顯/sundae_meng②復(fù)鹽

CoCl2·2C6H12N4·10H2O橙→紅

CoBr2·2C6H12N4·10H2O桃紅→藍(lán)

CoI2·2C6H12N4·10H2O桃紅→綠

CoSO4·C6H12N4·9H2O桃紅→紫NiBr2·2C6H12N4·10H2O淡綠→淡藍(lán)/sundae_meng③金屬氧化物多晶體特點(diǎn)：耐溫、可重復(fù)多次、壽命長(zhǎng)

A.Pb2-yMyCr1-xNxO5（含鉛）

M=Mo，W，Se，Te，S0≤y＜0.3N=Ti，Zr，Hf，Ta，Sn0≤x＜1

如：Pb2CrO5+Pb2MO5（M=W，Mo，S，Se，Te）

T↑橙色→赤橙→茶色

B.Tl2xM2(1-x)CrO4

M=Na，K，Rb，Csx=0~1C.MCrO4

M=Na2，K2，Rb2，Cs2，Sr，Tl2/sundae_meng溫度→晶相變化；→配位體幾何構(gòu)型變化；→配位數(shù)變化

如：晶相變化

HgI2（立方）HgI2（斜方）紅色綠色無(wú)機(jī)熱致變色材料的變色機(jī)理/sundae_meng

又如：

碘汞銅Cu2HgI4是一種能可逆地隨溫度高低而改變顏色的材料，它在不同溫度區(qū)間所顯示的顏色如下：——室溫——70℃——160℃——220℃——

紅色|黑色|紅色

|深紅色

它的顏色改變是由于晶體中離子的熱運(yùn)動(dòng)引起的有序—無(wú)序的轉(zhuǎn)變以及金屬離子位置的變化。/sundae_meng例：化合物[Co(NH3)5Cl]Cl2在加熱時(shí)顏色會(huì)發(fā)生變化：

——室溫——120℃——170℃——230℃——

紅色

|紫色

|天藍(lán)色

|黑色

此變化是不可逆的，加熱變色，再?gòu)母邷亟抵潦覝?，仍保持相?dāng)于到達(dá)最高溫度的顏色。這種材料可指示物體曾到達(dá)的最高溫度，例如涂在電機(jī)表面上可以顯示電機(jī)的溫升。/sundae_meng

⑵有機(jī)熱致變色材料①

染料類②

電子給體+電子受體+溶劑電子給體：鄰苯二甲酸二烯丙酯、螺環(huán)吡喃、熒烷、羅丹明

決定顏色電子受體：酚類、羧酸類、磺酸類、鹵代醇

決定顏色深淺溶劑：醇、硫醇、酮、醚

③

液晶：向列型、膽甾型/sundae_meng①電子給體與電子受體發(fā)生平衡移動(dòng)如：酸→堿；酮式→烯醇式；內(nèi)酰亞胺→酰亞胺②空間結(jié)構(gòu)變化（晶體結(jié)構(gòu)）

α→β③開(kāi)環(huán)或閉環(huán)（加熱和冷卻均可使化學(xué)鍵斷裂，促使更大的共軛體系形成）。有機(jī)化合物的變色機(jī)理（溫度→分子結(jié)構(gòu)改變）/sundae_meng熱致變色材料的應(yīng)用溫度標(biāo)識(shí)（倉(cāng)庫(kù)存化學(xué)品、測(cè)體溫、藥品保存）日常生活（體溫計(jì)）裝飾、娛樂(lè)、美化（茶杯、窗簾）防偽商標(biāo)用熱致變色材料測(cè)定溫度有許多優(yōu)點(diǎn)：（a）它能適用于一般溫度計(jì)無(wú)法或難以測(cè)定的場(chǎng)合，如測(cè)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的部件的溫度；（b）能測(cè)量物體表面的溫度分布；（c）使用方便，不用附加其他的儀器設(shè)備。/sundae_meng熱致變色材料應(yīng)用/sundae_meng3）電致變色材料（Electrochromic）定義：①在外加電場(chǎng)作用下能發(fā)生顏色（吸收光譜）可逆變化的材料。②在電化學(xué)反應(yīng)條件下，顏色（吸收光譜）發(fā)生改變的材料。（電化學(xué)變色材料）電致變色原理的實(shí)質(zhì)是電極的顏色能隨充放電過(guò)程發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變的超薄電池?！帮@色—消色”過(guò)程伴隨著電子轉(zhuǎn)移和保持材料電中性的離子傳導(dǎo)。/sundae_meng

無(wú)機(jī)電致變色材料幾乎都是過(guò)渡金屬氧化物（如WO3體系），在充放電過(guò)程中發(fā)生氧化還原，出現(xiàn)混合價(jià)態(tài)離子而顯色。這類材料穩(wěn)定性好，但顏色少，色調(diào)也較差。如：①還原著色反應(yīng)：

MOy+xA++xe-→AxMOy

（0≤x≤1）還原著色材料：MOy：WO3、NbO2、Nb2O5、TiO2、

V2O5；A+：H+、Li+

②氧化著色反應(yīng)：

MOy+xA--xe-→AxMOy

（0≤x≤1）氧化著色材料：MOy、Ni(OH)2、Ir(OH)3、

MnO(OH)；A-：OH-、F-、CN-/sundae_meng

有機(jī)電致變色材料有氧化還原型化合物、有機(jī)金屬配位化合物和導(dǎo)電聚合物等，這類材料色彩較全，便于制成薄膜，但穩(wěn)定性較差。如：聚苯胺、稀土—二酞花菁、聚吡啶、聚噻吩/sundae_meng電致變色材料廣泛用于建筑材料中的“電調(diào)光玻璃”，可使室內(nèi)光線根據(jù)要求加以調(diào)整，起到減輕空調(diào)負(fù)荷、節(jié)約能源之功效?？勺麟娚骷翱冢╯martwindow，用于控制可見(jiàn)光、紅外光輻射時(shí)的能流量）、電色存儲(chǔ)器件等。電致變色材料的應(yīng)用/sundae_mengElectrochromicWindowsAntifogglass/sundae_mengMulti-ColorElectronicPaper

/sundae_meng二、納米材料納米是一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)量單位，1納米=10-9

米。

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(10-9～10-7m)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。

納米技術(shù)是指在1—100nm尺度空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性的高新技術(shù)學(xué)科。“納”(nano)來(lái)自于希臘文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。/sundae_meng

目前科技界普遍公認(rèn)的納米科技的定義是：在納米尺度（1～100納米）上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及如何利用這些特性和相互作用的具有多學(xué)科交叉性質(zhì)的科學(xué)和技術(shù)。

納米科技與眾多學(xué)科密切相關(guān)，它是一門體現(xiàn)多學(xué)科交叉性質(zhì)的前沿領(lǐng)域，涵蓋納米物理學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米顯微學(xué)、納米計(jì)量學(xué)和納米制造等。/sundae_meng按維數(shù)，納米材料的基本單元分為四類：(1)零維:在空間三維尺度在納米尺度(納米粉體、納米團(tuán)簇)(2)一維:在空間有兩維在納米尺度(納米線、棒、管)等(3)二維:在三維空間中有一維在納米尺度(超薄膜、纖維材料)(4)三維:尺寸為1-100nm的粒子為主體形成的納米塊體

納米材料的分類/sundae_meng“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”

-RichardFeynman(1959)

PhysicsNobelLaureate“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”費(fèi)曼憧憬說(shuō)：“如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡？”納米材料發(fā)展的里程碑/sundae_meng

1990年7月在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個(gè)新的分支公布于世。

TaniguchiEricDrexler1974年科學(xué)家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用納米技術(shù)(Nanotechnology)一詞描述精細(xì)機(jī)械加工。

1977年美國(guó)麻省理工學(xué)院德雷克斯勒教授提出,可以從模擬活細(xì)胞的生物分子的人工類似物---分子裝置開(kāi)始研究,并稱之為納米科技。他70年代末在斯坦福大學(xué)建立第一個(gè)納米科技研究小組。/sundae_meng1982年，賓尼希(C．Binnig)和羅雷爾(H．Rohrer)等人發(fā)明了費(fèi)曼所期望的納米科技研究的重要儀器－－掃描隧道顯微鏡(scanning

tunneling

microscopy，STM)。STM不僅以極高的分辨率揭示出了“可見(jiàn)”的原子、分子微觀世界，同時(shí)也為操縱原子、分子提供了有力工具，從而為人類進(jìn)入納米世界打開(kāi)了一扇更加寬廣的大門。高序石墨原子STM圖象

硅表面硅原子STM圖象

/sundae_meng1990年，納米技術(shù)獲得了重大突破。美國(guó)IBM公司阿爾馬登研究中心（Almaden

Research

Center）的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們使用STM把35個(gè)氙原子移動(dòng)到各自的位置，在鎳金屬表面組成了“IBM”三個(gè)字母，這三個(gè)字母加起來(lái)不到3納米長(zhǎng)，成為世界上最小的IBM商標(biāo)。/sundae_meng1991年IBM公司的“拼字”科研小組利用STM把一氧化碳分子豎立在鉑表面上、分子間距約0.5納米的“分子人”，這個(gè)“分子人”從頭到腳只有5納米，堪稱世界上最小的人形圖案。/sundae_meng1993年中國(guó)科學(xué)院北京真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)室用STM操縱硅原子寫(xiě)出“中國(guó)”兩個(gè)字，標(biāo)志著中國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。（在室溫下，用STM的針尖，并通過(guò)針尖與硅樣品之間的相互作用，把硅晶體表面的原子撥出，從而在表面上形成“中國(guó)”的圖形。）/sundae_meng世界上最小的中國(guó)地圖

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用STM在石墨表面上通過(guò)搬遷碳原子繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖。/sundae_meng1991年由日本電鏡學(xué)家飯島教授通過(guò)高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)碳納米管。碳納米管屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。

Carbonnanotube/sundae_meng

第一階段(1990年以前)

主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評(píng)估表征的方法。

第二階段(1994年前)人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料。

第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米科技蓬勃發(fā)展，納米材料的數(shù)量和家族呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，納米技術(shù)逐漸走向應(yīng)用，納米時(shí)代來(lái)臨。納米材料的發(fā)展總體可以劃分為3個(gè)階段：

/sundae_meng納米材料的特性從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型介觀系統(tǒng)，它具有1.表面效應(yīng)；2.小尺寸效應(yīng)；3.量子尺寸效應(yīng)；4.宏觀量子隧道效應(yīng)/sundae_meng1)表面效應(yīng)：表面原子數(shù)目隨粒徑減小而迅速增加粒徑/nm由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。金屬的納米粒子在空氣中會(huì)燃燒；無(wú)機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。利用表面活性，金屬納米顆粒可望成為新一代的高效催化劑和低熔點(diǎn)材料。

/sundae_meng2）小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。特殊的光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性質(zhì)

/sundae_meng（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑。/sundae_meng

金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。

1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)F－117A型隱身戰(zhàn)斗機(jī)外表所包覆的材料中就包含有多種納米超微顆粒，它們對(duì)不同波段的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力，以欺騙雷達(dá)，達(dá)到隱形目的，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)伊拉克重要軍事目標(biāo)的打擊。/sundae_meng

固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的；超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27℃，減小到2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)為327℃左右。

（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)/sundae_meng

小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同；大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20納米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍；若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6納米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。

利用磁性納米顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。

（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)/sundae_meng生物體中存在納米的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性納米顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤。/sundae_meng以前人們認(rèn)為蜜蜂是利用北極星或通過(guò)搖擺舞向同伴傳遞信息來(lái)辨別方向的。最近，英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腹部存在磁性納米粒子，這種磁性跟粒子具有指南針功能，蜜蜂利用這種“羅盤”來(lái)確定其周圍環(huán)境,在自己頭腦里的圖像而判明方向。蜜蜂的體內(nèi)也存在磁性的納米粒子，這種磁性的納米粒子具有“羅盤”的作用，可以為蜜蜂的活動(dòng)導(dǎo)航。/sundae_meng最近美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海龜?shù)捏w內(nèi)有磁性的納米微粒，它們憑借這種納米微粒準(zhǔn)確無(wú)誤地完成幾萬(wàn)里的遷移．根據(jù)生物體內(nèi)的納米微粒為我們?cè)O(shè)計(jì)納米尺度的新型導(dǎo)航器提供有益的依據(jù)，這也是納米科學(xué)研究的重要內(nèi)容。/sundae_meng

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。

因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性。（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)/sundae_meng納米陶瓷材料具有超塑性性能,所謂超塑性是指材料在一定的應(yīng)變速率下產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)變。納米TiO2

陶瓷在室溫下就能發(fā)生塑性形變,在180℃下塑性變形可達(dá)200%，也不發(fā)生裂紋擴(kuò)展。納米陶瓷的硬度和強(qiáng)度也明顯高于普通材料。在100℃下,納米TiO2陶瓷的顯微硬度為1300kgf/mm2,而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于20