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功能材料范文1
关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质
2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。
本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。
1 突破传统制造技术的观念
纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。
T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5 mm 其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。
2 纳米材料的完美定律
描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。
完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。
3 涂层纳米材料将给我们带来什么?
涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。
热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11 mm，长5 mm，厚0.104 mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T )与电流(I )关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I 的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I 的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7 K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8 K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。
电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。
类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。
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4 含铁碳纳米管薄膜场发射
碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。
5 电子强关联体系和软凝聚态物质
上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electron strong correlation system)与软凝聚态物质(soft condensation matter)。
在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。
软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materials of molecular manipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。
物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。
6 结论
本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。
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功能材料范文2
关键词:梯度功能材料，复合材料，研究进展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
0 引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料，特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科学技术水平和经济实力，也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此，新材料的开发与研究是材料科学发展的先导，是21世纪高科技领域的基石。
近年来，材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因，一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1 FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2， 其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差，传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料，如金属基陶瓷涂层材料，由于各相的热胀系数和热应力的差别较大，很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面，消除物理性能的突变，使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分类
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2，因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2 FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3 FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM 研究的不断深入，人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化，可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM，并可望应用于许多领域。
功 能
应 用 领 域 材 料 组 合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材 陶瓷 金属
陶瓷 金属
塑料 金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石 金属
碳纤维 金属 塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料 轻元素 高强度材料
耐热材料 遮避材料
耐热材料 遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学 磷灰石 氧化铝
磷灰石 金属
磷灰石 塑料
异种塑料
硅芯片 塑料
电磁功能
电磁功能 陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板 压电陶瓷 塑料
压电陶瓷 塑料
硅 化合物半导体
多层磁性薄膜
金属 铁磁体
金属 铁磁体
金属 陶瓷
金属 超导陶瓷
塑料 导电性材料
陶瓷 陶瓷
光学功能 防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素 玻璃
能源转化功能
MHD 发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池 陶瓷 高熔点金属
金属 陶瓷
金属 硅化物
陶瓷 固体电解质
金属 陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4. 1 FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件，然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构，以及制备和评价方法，最后基于上述结构和材料组合选择，根据假定的组成成份分布函数，计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数，就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布，此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状，热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法，包括有限元方法计算FGM的应力分布，采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合，借助于计算机辅助设计系统，得出最优的设计方案。
4. 2 FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段，实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布，从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高温合成法(SHS) ;涂层法:如等离子喷涂法，激光熔覆法，电沉积法，气相沉积包含物理气相沉积(PVD) 和化学相沉积(CVD) ;形变与马氏体相变[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高，适用于制造形状比较简单的FGM部件，但工艺比较复杂，制备的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点，但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前苏联科学家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃烧反应时，发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应，此后化学反应在自身放热的支持下，自动持续地蔓延下去， 利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系，金属与陶瓷的发热量差异大，烧结程度不同，较难控制，因而影响材料的致密度，孔隙率较大，机械强度较低。目前利用SHS 法己制备出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常，将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内，并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上，其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(PS)
PS 法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，其温度高达1 500 K，同时处于高度压缩状态，所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流，速度可高达1. 5 km/ s。原料粉末送至等离子射流中，粉末颗粒被加热熔化，有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应，随后被雾化成细小的熔滴，喷射在基底上，快速冷却固结，形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分与组织，获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，无需烧结，不受基体面积大小的限制，比较容易得到大面积的块材[10]，但梯度涂层与基体间的结合强度不高，并存在涂层组织不均匀，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2 激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便会产生用B合金化的A薄涂层，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比，在上述覆层熔覆的同时注入，在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程，就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度，以及熔区的深度来获得，熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能，但由于激光温度过高，涂层表面有时会出现裂纹或孔洞，并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化，并喷涂到基底上凝固，因此，建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中，这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固态，混入金属液滴而被涂覆在基底，形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中，通过连续地改变增强颗粒的馈送速率，热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4 电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理，将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中，通过注入另一相的悬浮液使之混合，并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度，在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃，涂层的主要材料为TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层，以改变固体材料的表面特性，提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能，该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低，精度易控制，生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度，在厚度方向上实现组分的梯度化，适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制备出大厚度的梯度膜，与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD) 和化学气相沉积(CVD) 两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，精确地控制材料的组成、结构和形态，并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化，可得到按设计要求的FGM。另外，该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM，因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质，使其蒸发为气相，然后沉积于基材上，形成约100μm 厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD 法的特点是沉积温度低，对基体热影响小，但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化，马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此，在合适的温度范围内，可以通过施加应变(或等价应力) 梯度，在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18 -8 不锈钢(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围，但能提供一个简单的方法，可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料，这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4. 3 FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计，为成分设计数据库提供实验数据，目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前，对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前，日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5 FGM的研究发展方向
5.1 存在的问题
作为一种新型功能材料，梯度功能材料范围广泛，性能特殊，用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决，主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单，还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2 FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3 对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随 时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6 结束语
FGM 的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉，多产业结合，国际化合作的方向发展。
参考文献
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功能材料范文3
文章从生态文明观念培养、航空特色建设、课堂创新和考核创新四个方面探讨了南昌航空大学材料化学专业功能材料课程的改革。
[关键词]
生态文明；航空特色；创新；改革
功能材料是具有特殊电、磁、光、声、热、化学以及生物功能的新型材料，其种类繁多、性能各异，既是能源、计算机、通讯、电子等现代科学技术研究的基础，又对众多不同领域的科技进步、社会发展产生着越来越大的影响，据报导，在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%，近二十年来已成为材料科学领域中的研究热点之一。鉴于功能材料的重要地位作用，功能材料作为材料科学的一个分支，其理论与实验教学也日益受到人们的重视，各高校材料科学及与材料相关的专业都把功能材料作为专业课程来开设，有关功能材料的专著和教材逐年增多[1,2]。功能材料作为一门学科，具有多学科交叉，涉及面广，内容繁杂，既理论性强，又与实际应用密切结合的特征。作为一门课程，相对专业基础课而言，课程的理论教学时数少。目前出版的教材其体例内容各不相同，各校教学大纲也各异。对于功能材料课程的改革也各有说法[3-5]。因此，本文试图从南昌航空大学航空特色出发，结合课程所在学院的环境科学工程背景，在生态文明和绿色化学思维下，来探讨南昌航空大学材料化学专业功能材料课程的改革。
1生态文明思想观念的培养与加强
十报告把生态文明建设与经济建设、政治建设、文化建设、社会建设并列提出，把生态文明建设提高到前所未有的地位。是因为，人类自从进入工业文明以来，在创造辉煌的物质文明、精神文明的同时，也带来了难以承受的环境污染、资源危机和生态灾难，于致以发展不能持续，民生不能有效改善，人类的生存遇到了前所未有的挑战。生态文明是工业文明发展到一定阶段的产物，是超越工业文明的新型文明境界，是正在积极推动、逐步形成的一种社会形态，是人类社会文明的高级形态。以生态文明取代工业文明成为人类历史发展的必然，这是全人类智慧的结晶，也是可持续发展、克服人类生存危机的明智之举。生态文明作为人类文明的基础，延续了人类社会原始文明、农耕文明、工业文明的历史血脉，承载了物质文明、精神文明、政治文明的建设成果，贯穿在经济建设、政治建设、文化建设、社会建设的各方面和全过程，建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。材料是推动人类文明和社会进步的物质基础，与能源、信息并列为现代高新科技发展的三大支柱之一。随着社会的进步和科学技术的发展，高质量、高性能的新材料日新月异层出不穷。但，材料产业及其相关产业和行业是资源、能源的主要消耗者，又是造成地球环境问题的主要责任者。因此，尽管我校材料化学专业为学生开设了环境材料和绿色化学两门课，但笔者认为，在功能材料课程的教学大纲、教学目的、教学内容及教学过程中，也一定要贯彻生态文明建设的思想观点，进一步培养学生生态文明意识。让学生加深认识材料在带给人类物质文明的同时，其生产、消费过程中，也消耗了能源与资源，排放了大量的废弃物，造成大气、水体和土壤污染，危害人类身体健康。学会在寻找新的功能材料时，运用绿色化学原理和环境生态材料知识，合成制备对环境影响小而又能满足使用性能的新型功能材料——功能环境材料。如在讲授半导体材料这章，用直拉法制备GaAs单晶时，可以与用同样的直拉法制备Si单晶方法对比，提出：为什么直拉法制备GaAs单晶需在密闭液封的条件下？让学生思考。
2航空特色的建设
南昌航空大学是一所航空特色鲜明的学校，航空材料的教学研究与开发应用，更是其航空特色的体现。航空材料，在人们的习惯思维中，更多的是那些结构力学材料；但随着科学的发展，社会的进步，特别是知识经济、信息化时代的到来，智能一体化，功能材料在航空材料所占地位越来越重要，比例越来越高。因此，作为航空院校开设的功能材料课程，更应体现其航空特色，在教学目的上注意培养学生的国防航空意识；在教学内容、教学过程中结合航空产品说明功能材料在其中的应用。如，歼-20、F-35中的隐身材料，无人机中的电子元件所用的半导体材料，导弹制导用的红外或激光材料，等等。这样，不但会激发学生的求知欲，学生的学习兴趣也会大大提高，从而促进教学效果的明显改善。
3课堂创新
随着计算机技术、网络技术的发展，多媒体教学、网络教学蓬勃兴起，传统课堂教学模式受到了极大的冲击。近年在《教育部、财政部关于“十二五”期间实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”的意见》等文件的推动下，创新课堂与课堂创新的课堂教学改革，蔚然成风。各种教学方式方法层出不穷，如，PBL教学法、案例教学法、慕课(MOOC)、微课(Microlecture)、颠倒课堂法(TheFlippedClassroom)，等等。文本、图片、音频、视频、动画等媒体在课堂教学中广泛应用。因此，针对功能材料课程的具体授课目标、授课内容和授课对象，应会善于根据授课条件选取不同的教学方法和教学媒体。尤其是作为高年级开设的功能材料课程，更应该注意研究性或探究性教学法、文献学习法的运用，于以提高学生科研创新能力。同时，也可从日常生活用品出发，来讲解教学内容。比如，手机、计算机、电视机这些同学日常使用的产品，运用了大量的功能材料，如，液晶材料、发光材料、半导体材料、导电材料，等等。让学生感到功能材料就在身边，与日常生活密切相关，从而激发学生的学习兴趣。
4创新考核方式
课程成绩考核一般分为两个部分，一部分是平时成绩，另一部分是课程结束时的考试成绩。传统的做法是，平时成绩一般由出勤率、课堂提问和平时作业构成。课程结束时的考试成绩，也一般由任课教师根据所教内容命题试卷让学生做答，教师依据学生答卷情况给以评定成绩。在这种课程考核体系下，学生的学习往往处于被动状态，无法真正提高学生学习主动性。因此，为充分调动学生学习的自主性和积极性，培养学生的创新思维和自主学习能力，保证教学质量的有效性和高效性，必须优化课程考核体系，改革成绩评定方式。加大平时考核力度，提高平时成绩在总成绩中的比例，平时除了老师考核学生的作业、课堂问答、出勤率外，还可进行研究性教学，让学生自己评分。如，根据学生兴趣、课程教学的内容，让学生分成若干小组，选择不同的专题，通过共同查阅文献资料，写成3500字左右的研究性综述，内容涉及材料的性能、分类、组成、制备、用途、应用和未来的发展方向，等等。最后，从每个小组挑选一位代表以PowerPoint形式在课堂上作报告，各小组之间可以互相提问，相互评分，并按一定的比例计入平时成绩。这既可以锻炼学生查阅文献的能力、分析问题的能力、解决问题的能力，又可提高学生的写作能力和口头语言表达能力，还可使学生感到一定的成就感。从而更加全面、科学、准确地反映学生学习情况。
5结语
以上从生态文明观念培养、航空特色建设、课堂创新和考核创新，四个方面探讨了南昌航空大学材料化学专业功能材料课程的改革，其目的是为提高人才培养质量。而课程教学改革不仅仅是以上四个方面，牵涉到教师更多的付出和学生的密切配合，还有学校资源的配置，社会大环境的影响，等等。唯如此，课程教学改革方能成功。
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功能材料范文4
[关键词]纳米功能材料 体积效应 碳纳米管 磁损耗
中图分类号：TQ323.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0346-01
一、纳米功能材料的定义
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。正是由于基本组成单位尺度小，纳米材料具有很多其他普通尺度的材料所不具备的效应，具体包括体积效应、表面效应、介电限域、量子尺寸、量子隧道等，其中最值得注意的是体积效应和介电限域。体积效应是指纳米粒子足够小时，纳米材料的催化性、热阻、内压、光吸收性都发生了很大变化，应用这个特性制成的纳米吸波涂料具有质量轻、厚度薄、吸波频带宽等优点。而介电效应是指纳米材料处于一定的介质包围之中时，由于不同材料对光的折射率不同，纳米表面及其附近的场强增大，这种效应广泛应用于多相反应中光催化材料。正是这些独特的效应使得纳米材料在传统材料、电子设备、医疗器材、机械制造、军工等领域有着巨大的应用前景。
二、纳米功能材料在隐身物质研究领域的应用
目前研究较深的纳米材料主要是在信息储存、生物标记、摄影技术等领域有广泛应用前景的金属纳米粒子研究，以及可应用在在催化剂、抗菌剂、添加剂等领域的cu纳米材料。
目前已经实际应用的隐身材料主要包括电损耗型和磁损耗型，主要原理都是将电信号或磁信号转变为热能或相关能量形式，以降低物体的反射信号强度从而实现隐身。纳米隐身材料工作原理大多属于磁损耗型，微观机理是随着材料微观尺度减小，表面原子数相对越来越多使得材料活性增强，微观粒子加速运动的过程中将磁能转变为热能，减少信号反射[1]。
目前隐身材料发展方向主要是
（一）宽频化：所谓宽频化是指拓宽纳米隐身材料所能吸收雷达探测信号的波段更长。随着隐身技术的不断进步，军事领域开始使用多重频率雷达协同探测的方法进行对抗，特别是米波段和毫米波段雷达的发展对军用飞行器隐身技术提出了极大考验。目前只能吸收少数几种波段的隐身材料已经不能满足现实要求，研究制备宽频带隐身的纳米稀薄隐身材料至关重要[2]。
（二）轻薄化：通过改造现有纳米隐身材料的微观结构，在降低材料密度的同时提高隐身性能已经成为隐身材料研究的重点课题。具体方法是将一些特定铁磁性材料与纳米材料混合以调节电磁参数达到最优效果。
三、在医学领域应用
癌症作为当今年人类健康的一个巨大挑战，难以根治的主要原因在于癌细胞与正常细胞混杂难以选择性的消除，而纳米粒子包裹的智能药物可以主动探测癌细胞并进行定点消除，特别是磁性纳米材料作为药物载体时[3]，利用人体特殊的磁场使得药物在特定区域聚集并发挥作用，极大降低了使用药物的风险，此外还可以利用部分纳米材料的生物降解特性减少药物副作用，以及利用接种了抗原或抗体的纳米载体进行探测。
随着人类操纵纳米材料能力的提高，纳米机器人得到了长足发展。以搭建纳米机器人所用基础材料的尺度来划分，目前纳米机器人主要包括两类：一类是在分子尺度上通过操纵原子或分子构建机械甚至有特定功能的机器人以达到吞噬病变细胞的目的；另一类是以硅晶片存储器为代表的生物系统和机械系统的有机结合体，通过影响或改变人体正常生理代谢进程达到治愈疾病的目的。
四、在化工领域应用
由于纳米材料尺度极小，具备独特的电、磁、光特性，自80年代初期以来，科研工作者利用纳米功能材料体积效应、量子尺寸、表面效应等在化工领域取得了许多重大研究成果。
传统的催化剂催化效率低、环境污染严重，新兴纳米材料制成的催化剂通过优化反应路径、提高催化效率实现了化工行业革命性的变革。其基本原理是利用纳米材料尺度极小表面粒子相对较多，因此表面活性极大，为分子之间聚合、断链提供了大量的场所[4]。以Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒为例，这些催化剂替代了昂贵的铂或钮催化剂，纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。
以碳纳米管为增强材料[5]可以制成贮氢材料等多种复合材料。目前已经可以通过20V直流电在两个石墨电极之间产生电弧，使阳极在4000K-10000K温度下不断蒸发消耗引起电弧喷射得到纳米颗粒，其中30%为长3-10nm，直径1-5nm的碳纳米管颗粒。美国西南纳米技术公司与大陆菲利普斯公司合作，实现了通过硫化床反应器工艺制造多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
五、我国在纳米功能材料领域研究现状
纳米材料自20世纪80年代正式问世以来，基础理论研究与实际产品开发均取得重大进展，以1997-2004年为例，世界范围内对纳米材料相关科学研究投资从8.2亿增长到32亿，通过对其体积效应、表面效应、介电限域等特性的开发，纳米材料已经在化工制造、军用航天器隐身、医药与生物等领域得到广泛应用，纳米碳酸钙、纳米氧化硅、纳米氧化锌等都已经形成比较大的市场规模[1]。中国通过集中科研力量以及各领军企业加大投资力度，实现了纳米产业飞速发展，目前基于原料价格低廉与市场需求旺盛等原因，纳米碳酸钙、纳米氧化锌等均已形成产业集群甚至完整的产业链。但也同时面临以下几个问题：一是纳米材料研究投资需求大，民营性质中小企业科研力量弱、资金实力普遍不强，亟须国家层面支持。二是科研力量分散，重复劳动明显，未形成集中有序的科研梯队，缺少大型科研基地。三是产学研结合能力不足，纳米材料研究到纳米材料实际应用对接能力较弱，限制了纳米功能材料研究特别是高纯度高指标纳米材料研发的资金来源。
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功能材料范文5
关键词：建筑功能材料；教学方法
中图分类号：G712 文献标识码：A
文章编号：1009-0118（2012）07-0095-02
《建筑功能材料》是无机非金属材料工程专业(土木工程材料方向)的一门专业选修课，具有综合性和实践性的特点，主要培养学生了解与掌握建筑功能材料的基本功能、分类、组成、结构与性能，并能通过所学知识掌握组成、结构及性能三者之间的关系，并熟悉常见功能材料的规格与规范、选用原则、检测方法和工程应用方法等，从而可以在某一工程实例当中正确选择合适的建筑功能材料进行选用和检测，能熟练将知识运用到实际工程中。笔者根据近几年在建筑功能材料教学中的教学实践，发现以工程实践为主线的教学组织方法，可以激发同学们的学习积极性，提高学生对专业知识点的掌握程度。
一、建筑功能材料的课程特点
（一）课程各知识点既独立又密切联系
《建筑功能材料》是工程材料重要的一个分支，其包含的内容庞杂，需讲授有关常见的功能材料的生产、技术性能与技术指标，检验方法，应用及其施工要点等基本内容。从功能性方面可分为建筑保温隔热材料、建筑防水材料、建筑防护材料、建筑防火材料、建筑声学材料、建筑装饰材料及功能混凝土等方面的内容，这些材料之间没有必然的逻辑关系，它们是相互独立的知识体系，但是在某些性能和技术指标上又存有一定的共性，尤其是在工程应用上更是一个系统的统一体，相辅相成，相互结合的工程类材料。
（二）与先修课程联系紧密且知识综合性强
建筑功能材料与先修课程《土木工程材料》、《建筑结构材料》、《无机非金属材料学》等联系紧密。比如:功能混凝土就是土木工程材料中“混凝土”课程内容的深化，更加注重其功能性。学生如果对土木工程材料的知识掌握不牢固，或者理解不深入，那么在学习功能混凝土工程知识的时候，要么不知所云，要么就一知半解，这严重影响了学生对该课程的知识掌握。另一方面，材料也不是单纯和理论的，任何工程的建筑和工程现象都和建筑功能材料有着决定性联系［1］。
（三）理论性强，新材料层出不穷
建筑功能材料领域的更新是从设计到施工等整个工程领域更新的源泉。新材料、新的检测技术以及新的施工工艺层出不穷［2-3］。在教学内容上，不仅要注意传统的技术和理论的教学，更需补充讲授一些新材料和新技术、新方法等内容。
二、建筑功能材料课堂教学
（一）备课
功能材料范文6
关键词：建筑行业；钢材结构；技术材料；应用综述
新技随着时代的发展，建筑行业也得到了空前的发展机会，目前，在各类建筑的建设过程中，钢结构的应用也变得越来越广泛。由于我国在建筑行业中使用钢结构的时间相对较晚，因此，，在对工程建筑进行建设时，钢结构新技术以及各类新型材料的应用还有待完善。
Abstract: with the continuous development of construction industry, construction technology and construction of all kinds of new materials have been widely applied to construction project construction process. Because the steel structure has good ductility, light weight and high strength, the characteristics of it, both at home and abroad of all kinds of building construction has been widely used in the process. This article will base on our country's economic construction and development, from the fire protection materials, anti-corrosion materials, insulation materials, heat preservation, membrane material, thin plate, hot rolled section steel and steel material this several aspects to building steel structure material of new technology application are simple.
Key words: construction industry; Steel structure; Technical materials; Application review.
中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
一、关于钢结构的概述
(一)钢结构的主要优点
1、施工周期短
一般情况下，建筑所用的钢结构都是在工厂就生产好了的，在施工的过程中，可以对其进行现场安装，这就在一定程度上大大缩短了工程的施工工期。
2、空间大
由于钢材的抗侧弯强度以及抗压强度是砼的1.5倍左右，所以，在同等强度条件下，钢结构施工具有增大有效的施工空间、缩小截面的优点。
3、可循环利用
在对钢结构的建筑物进行施工时，其施工材料可以回收再利用，这与其它的建筑物结构相比，建筑垃圾相对较少也是其主要优点之一。
（二）钢结构的主要缺点
1、耐火性差
由于钢材的导热系数明显大于钢筋砼导热系数，此外，它的耐火性也远低于混凝土的耐火性。一般情况下，当温度达到600℃时，钢结构的强度以及刚度就基本消失。因此，在对钢结构建筑进行设计时，一定要注意抗火环节的设计。
2、耐腐蚀性相对较差
在一定条件下，钢材表面的铁原子在与空气中的氧气接触时，会发生氧化反应而生成铁锈。当钢结构出现锈蚀时，钢结构的应力就会集中在一起，对结构的安全使用造成一定的隐患。钢结构建筑一旦出现此种情况，就会减少建筑结构的使用寿命，由此可见，为了确保钢结构建筑的实际寿命能够达到设计的使用年限，就必须对其进行相应的处理。
二、隔热、保温材料
在建筑行业飞速发展的今天，人们对于各类建筑的节能要求也变得越来越高，从相关的资料可以看出，保温并不是困扰建筑行业的的主要问题，不过人们对于保温建筑仍然存在各种各样的争议。目前，解决建筑物保温问题的首要条件就是保温材料的选择。一般情况下，保温建筑是通过保温介质来对空气进行截流的，以此来达到减缓热传递的目的。不同种类的保温材料其最大的差别就是怎样达到保温的作用。保温材料的类型以及厚度对保温建筑的保温功能有着至关重要的影响。
在此，不得不提到保温建筑的泠凝现象，所谓的泠凝现象就是指当热空气遇到冷表面或冷却时，空气中原有的水汽就会减少，从而形成泠凝的现象。当保温建筑出现泠凝现象时，金属结构表面就会出现霉斑或腐蚀的情况，最终使得建筑物的面层被损坏，并让保温建筑丧失其相应的保温性能。当前解决此类问题的主要方法就是在保温建筑的保暖面安装一层防水汽的贴面，以此来达到缓解水汽运动速度的目的，尤其是对于那些潮气散发以及潮湿地区的房屋，这种处理方式有着十分重要的作用。
三、钢结构的焊接技术以及应用前景
（一）钢结构焊接过程中的基本要求
在对建筑钢结构进行焊接之前，一定要对相关的焊接设备进行严格的检查，确保焊接过程中所需的工具仪表齐全，所有设备均能正常工作。对于那些外观要求相对较严的钢结构，务必要确保焊接缝外观的质量达到相关的要求，在焊接的过程中，如有必要还必须对焊接缝进行及时的修磨处理。特别是对于圆管Y、K、T形节点、螺栓球节点处的网架焊缝以及普通焊接球处的网架焊缝，此类焊接缝的探伤方式以及内部缺陷的分级都必须要符合我国的相关焊缝标准。
在对钢结构建筑进行焊接的过程中，不同钢材料所对应的焊条也不同，因此，对于焊接所需的材料必须要进行严格的筛选。例如，对于Q235的钢材，其焊条最好选用E4303，而对于Q345的钢材，其焊条最好选用E5015。在对钢结构的坡口尺寸、板厚、材质，其轧制方向必须与它所代表杆件必须一致，同时还必须在与首件一同焊接。如果遇到不能在杆件进行焊接时，就必须根据母材料的抗拉强度等级来选择相应的焊条。在对强度较高的钢材料进行焊接的过程中，由于母材料的融入关系，焊缝所需金属的实际抗拉强度通常要比焊条的名义强度高出许多倍，因此，在对此类结构进行焊接的过程中，最好选用抗拉强度相对较低的焊条来对其进行焊接，以此来确保焊缝金属的实际强度与母材料的强度一致。
在对钢结构的焊接次序进行考虑时，由于不同焊接部位的间隙不同，因此，在对其进行焊接的过程中，最好遵循由小到大的焊接原则，只有如此才能确保钢结构在完成焊接工作后不会出现变形等情况。对于需要进行多层焊接的钢结构，在完成每层的焊接工序后还必须对焊接部位的缺陷以及熔渣清理干净，当处理好该层的缺陷以及裂纹后方可进行下一层的焊接。
（二）钢结构焊接过程中的施工质量标准
对于钢结构的建筑而言，其建成后的受力情况与焊接缝的焊接质量有着密不可分的内在联系，因此，在完成钢结构的相关焊接工作后，务必要对其质量进行严格的判定。在对钢结构建筑的施工质量进行判定的过程中，主要包含了以下几个方面的内容。
1、施工单位在对钢结构工程进行判定的过程中，最好是从工程的焊接方法、焊接材料以及初次使用的钢材等方面来对其焊接工艺进行评定，并根据相应的评定结果来对结构的最终焊接工艺进行确定。
2、在完成钢结构的焊接后，在其焊接表面不能出现焊瘤、裂纹等缺陷，一、二级焊缝处不能有弧坑裂纹、夹渣以及表面气孔等缺陷出现，特别是对于焊接缝，一定不能出现未焊满以及咬边等缺陷。大量的实践经验表明，在对钢结构进行焊接的过程中，其焊接缝的外观必须要均匀、平缓，对于焊接缝处的焊渣一定要清理干净。
3、在完成焊接缝的相关焊接工作后，可以使用钢尺、放大镜以及观察检查的方式来对二、三级焊接缝进行检查，以此来确保焊接完成后的钢结构外观能够符合相关的要求。
（三）钢结构在不同情况下的焊接技术
1、定位焊
由于钢结构建筑的一个节点通常包含了多个构件，因此，在对钢结构进行焊接的过程中，一般都会采用定位焊接的方式。在实际的焊接施工过程中，定位焊接所需的焊接原材料必须要与钢结构原材料的材质相匹配，焊接缝最终的焊接质量必须达到相应的要求。此外，从事焊接工作的技术人员还必须持有相应的焊工施焊合格证。
2、返修焊与磨修
在对钢结构建筑进行焊接的过程中，当结构的余高、焊坡以及焊角尺寸等低于或小于1毫米，且咬边出现超差时，就必须将其修磨均匀。在焊接施工的过程中，可以使用碳弧气刨等一系列的方法来对焊接处的缺陷进行清除，并用砂轮将焊接坡口表面的氧化层磨掉，使其露出金属的光泽。
（四）钢结构的应用前景
在对钢结构进行焊接的过程中，由于钢材的热处理方式的不同以及强度级别均存在较大的差异，它主要体现在焊接工艺、焊接过程中的热影响区性能、预热温度等方面。目前，常见的钢结构建筑主要有专业化的建筑用钢以及强度较高的建筑钢结构，不过在一些开发配套的钢结构建筑中，就必须要用到相应的焊接材料。为了对建筑钢结构的焊接技术进行有效地提升，最好是在钢结构的生产线中引进一些先进的生产设备，以此来开发出质量更优的钢结构产品。
四、防腐蚀以及防锈材料
(一)使用防腐蚀以及防锈材料时的相关要求
上文已经讲到，钢结构的主要缺点就是耐腐蚀性相对较差。通常情况下，新建的钢结构建筑在一段时间之后必须要重新涂刷涂料，这就使得钢结构建筑的维修费用普遍较高。当前，解决钢结构建筑腐蚀问题的主要方法有以下两种，一种是选用不易腐蚀的钢材来作为钢结构的原材料；另一种是在钢结构表面喷洒一层防锈涂料。对于钢结构表面所用的防腐蚀材料以及防锈材料的选择，应以我国的相关的法律法规以及建筑行业的相关规定为标准。
（二）使用防腐蚀以及防锈材料时的注意事项
在对保温建筑进行设计时，一定要将预期耐蚀寿命、使用情况、涂装方法、涂层厚度、涂层结构、表面除锈等级、基材种类等方面的因素均在设计方案中体现出来，并提出相应的涂装要求以及除锈方法。对于轻型钢结构，在其出现锈斑以及图层分化时，就必须对其做出相应的维护，而不是等到钢结构出现大量的涂层脱落时才对其进行维护。这样做不仅可以减少处理钢结构表面时的工作量，而且还可以在节约维修成本的前提下，确保钢结构建筑的维修质量。此外，在对钢结构建筑进行维修时，选用的涂层材料必须与钢结构表面原有的涂料品种相同，确保涂料的相互配套。
（三）处理钢结构表面时的方法
在对保温建筑的钢结构表面进行处理时，其主要的方法有激光除锈、控制射流真空除锈、表面合金、电镀、热浸镀、化学转化膜、喷砂(丸)除锈、酸洗除锈、滚动钢丝轮除锈以及手工工具除锈等。由于钢结构的腐蚀问题较为严重，因此，在保温建筑行业的发展过程中，急需研发出一种价廉、质轻、高效的耐腐蚀、耐锈的新型材料或涂料来满足建筑行业的快速发展对于钢结构所提出的各类新型要求。
五、防火材料的应用
由于钢结构的防火性相对较差，因此在各类火灾事故中，没有进行过防护处理的钢结构通常只能维持20分钟左右。在震惊世界的“9.11”事件中，世贸大厦的倒塌就充分说明了钢结构建筑的耐火性较差的这一特性。
目前，对于钢结构建筑的防火方法主要有以下两种，一种是在钢结构的外层涂上一层混凝土或其它的一些防火材料，另一种方法就是在钢结构表面涂上一层防火涂料。这也是钢结构建筑的造价相对较高的主要原因之一，同时，这种情况的出现还在一定程度上阻碍了钢结构建筑行业的发展。对于钢结构的防火处理一定要严格执行我国《建筑设计防火》中的相关要求，对于钢结构表面的防火涂层的设计一定要遵循建筑物的防火等级以及各种构件的耐火极限来对其防火处理进行科学合理的设计。用于钢结构建筑防火处理的涂料，其质量要求、涂层厚度以及涂料的性能都必须达到我国《钢结构防火涂料应用技术规范》以及《钢结构防火涂料通用技术条件》中的相关要求。
六、结束语
随着钢结构在各类建筑建设过程中的广泛应用，近年来各地纷纷出现了一些专门负责钢结构研究以及设计的研究所，它们的主要工作就是对钢结构建筑进行咨询以及设计。这些研究所在发展的过程中，出现了一大批优秀的钢结构建筑的设计方案，它们在建筑行业的发展过程中留下了光辉的一笔。例如各类文化公共建筑、体育场馆、火车站、候机楼、高层办公楼等建筑物，它们不仅具有较高的安全性，同时还具有较强的现代感，同时还在一定程度上反映出了古老的中国文化。我国在加入WTO之后，钢结构建筑得到了更为广阔的发展空间，在此过程中，它对于新型材料也提出了更高的要求，为了满足钢结构建筑的发展需求，就必须根据钢结构建筑的特点，制定出相应的材料使用以及设计方案。
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