1、功能材料概論材料 王琳遼寧科技大學(xué)材料學(xué)院1主要參考資料1.功能材料概論-殷景華，王雅珍，鞠剛（哈工大出版社，2004）2.新型功能材料-貢長(zhǎng)生，張克立(化學(xué)工業(yè)出版社,2001)3.功能材料學(xué)-周馨我 (北京理工大學(xué)出版社,2002)4.現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用-郭衛(wèi)生, 汪濟(jì)奎（化學(xué)工業(yè)出版社,2002）5.新材料概論譚毅，李敬鋒（冶金工業(yè)出版社，2004）6.新材料概論陳光，崔崇（科學(xué)出版社，2003）7.材料概論徐曉虹，吳建鋒，王國(guó)梅（高教出版社，2006）2 目 錄第一章 緒論 第二章 超導(dǎo)材料第三章 儲(chǔ)氫材料第四章 磁性材料第五章 功能陶瓷材料第六章 納米材料第七章 智能材料第八章 醫(yī)

2、用生物材料第九章 科技文獻(xiàn)寫作 3 1986年，我國(guó)制定了高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃綱要，被評(píng)選列入的七個(gè)技術(shù)群是生物技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、航天技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、新能源技術(shù)和新材料技術(shù)。4 一般認(rèn)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(jī)材料、超導(dǎo)材料、碳纖維、能量轉(zhuǎn)換材料等。 新材料發(fā)展的重點(diǎn)已經(jīng)從結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)向功能材料。功能材料被譽(yù)為2l世紀(jì)人類文明的重要支柱51. 緒論 隨著時(shí)代的發(fā)展，人類將進(jìn)入一個(gè)信息時(shí)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(wèn)題，更需要用高科技的方法和手段來(lái)生產(chǎn)新型的、功能性的產(chǎn)品，以獲得各種優(yōu)良的綜合性能。近年來(lái)新型功能

3、材料層出不窮，得到了突破性的進(jìn)展。6 日本和歐美各國(guó)對(duì)新型功能材料的研究十分注意，這是因?yàn)楣δ懿牧鲜悄茉?、?jì)算機(jī)、通訊、電子、激光等現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，功能材料在未來(lái)的社會(huì)發(fā)展中具有重大戰(zhàn)略意義。7 近10年來(lái)，功能材料成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中最為活躍的部分。每年以5以上的速度增長(zhǎng)，相當(dāng)于每年有1.25萬(wàn)種新材料問(wèn)世。未來(lái)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(gè)領(lǐng)域。81.1 功能材料的概念與分類 1.1.1 功能材料的發(fā)展概況 材料是人類社會(huì)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的發(fā)展導(dǎo)致時(shí)代的變遷，推進(jìn)人類的物質(zhì)文明和社會(huì)進(jìn)步。例如，“石器時(shí)代”、“銅器時(shí)代”和“鐵器時(shí)代”等。 為了生

4、存和發(fā)展，人類一方面從大自然中選擇天然物質(zhì)進(jìn)行加工和改造，獲得適用的材料；另一方面通過(guò)物理化學(xué)加工方法研制合金、玻璃、陶瓷、合成高分子材料來(lái)滿足生產(chǎn)和生活的需要。人們?cè)谑褂眠@些材料時(shí)，有的是利用某些材料具有抵抗外力的作用而保持自己的形狀和結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能（例如強(qiáng)度和韌性）來(lái)制造工具、機(jī)械、車輛以及修建房屋、橋梁、鐵路等，這些材料統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)材料。9 有的則是通過(guò)光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物化學(xué)等作用后，使材料具有特定的功能，主要是光學(xué)功能、電磁功能、聲學(xué)功能、生體功能、分離功能、梯度功能、形狀記憶功能、自適應(yīng)功能等，人們按照其性能常稱為光學(xué)材料、磁性材料、電絕緣材料、超導(dǎo)材料、聲學(xué)材料、

5、生物醫(yī)學(xué)材料、分離材料、梯度功能材料、智能材料。利用它們制造具有記錄、儲(chǔ)存、傳導(dǎo)信息或轉(zhuǎn)換能量的功能元、器件。這些材料總稱為功能材料。101.1.2 功能材料的概念 功能材料是指通過(guò)光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等作用后具有特定功能的材料。 在國(guó)外，常將這類材料稱為功能材料(Functional Materials)、特種材料(Speciality Materials)或精細(xì)材料(Fine Materials)。11 功能材料涉及面較廣，具體包括光、電功能，磁功能，分離功能，形狀記憶功能等等。 這類材料相對(duì)于通常的結(jié)構(gòu)材料而言，一般除了具有機(jī)械特性外，還具有其他的功能特性。12 材料的特定功能與材

6、料的特定結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。如對(duì)于導(dǎo)電聚合物來(lái)說(shuō)，它一般具有長(zhǎng)鏈共軛雙鍵；金屬結(jié)構(gòu)中由于彈性馬氏體相變能產(chǎn)生記憶效應(yīng)，因此出現(xiàn)了形狀記憶合金；壓電陶瓷晶體必須有極軸等。13 功能材料是一門新的學(xué)科，是從經(jīng)典的材料學(xué)科中孕育出來(lái)的學(xué)科，目前對(duì)它進(jìn)行嚴(yán)格的定義尚有一定的難度，就像許多化學(xué)變化中存在著物理現(xiàn)象、高級(jí)運(yùn)動(dòng)中總是伴隨著低級(jí)運(yùn)動(dòng)一樣，功能材料既遵循材料的一般特性和變化規(guī)律又具有其自身的特點(diǎn)。因此可認(rèn)為是傳統(tǒng)材料的更高級(jí)的表現(xiàn)形式。141.1.3 功能材料的分類 目前主要是根據(jù)材料的物質(zhì)性、或功能性、應(yīng)用性進(jìn)行分類。（一）根據(jù)材料的物質(zhì)性進(jìn)行分類 1、金屬功能材料 2、無(wú)機(jī)非金屬功能材料 3、有

7、機(jī)功能材料 4、復(fù)合功能材料15（二）根據(jù)材料的功能性進(jìn)行分類按照材料的物理化學(xué)功能進(jìn)行分類：1.光學(xué)功能材料（按在具體應(yīng)用中所發(fā)揮的效能和作用）非線性光學(xué)材料 例：磷酸二氫鉀、硫化鋅、碘酸鉀發(fā)光材料 例：高效稀土發(fā)光材料紅外光學(xué)材料 例：尖晶石、藍(lán)寶石感光材料 例：鹵化銀、CdS等激光材料 例：紅寶石、氟化物晶體光電功能材料 例：半導(dǎo)體、磁性體、電介質(zhì)材料聲光功能材料 例：PbMoO4、TeO2、用于制造調(diào)制器等磁光材料 例：尖晶石鐵氧體光記錄材料 例：碲、碲合金、稀土類合金162、電學(xué)功能材料 例：防靜電材料3、磁學(xué)功能材料 例：磁帶、磁盤4、聲學(xué)功能材料 例：音響設(shè)備、儀器5、力學(xué)功能材

8、料 例：高結(jié)晶材料、超高強(qiáng)材料6、熱學(xué)功能材料 例：顯示、測(cè)量7、化學(xué)功能材料分離功能材料 例：分離膜、離子交換樹脂反應(yīng)功能材料 例：高分子試劑、高分子催化劑生物功能材料 例：固定化酶、生物反應(yīng)器8、生物醫(yī)學(xué)功能材料 例：人工腎、人工心肺9、核功能材料 17（三）根據(jù)材料的應(yīng)用性進(jìn)行分類1、信息材料2、電子材料3、電工材料4、電訊材料5、計(jì)算機(jī)材料6、傳感材料7、儀器儀表材料8、能源材料9、航空航天材料10、生物醫(yī)用材料 功能材料種類多、應(yīng)用廣、上述分類也只是相對(duì)的。181.2 功能設(shè)計(jì)的原理和方法下圖為材料顯示功能的示意圖。輸入材料輸出 材料的功能顯示過(guò)程是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過(guò)材料的傳

9、輸或轉(zhuǎn)換等過(guò)程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。19 功能材料按其功能的顯示過(guò)程又可分為一次功能材料和二次功能材料。20、一次功能 當(dāng)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(shí)，材料起到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。21 一次功能主要有下面的八種。力學(xué)功能。如慣性、粘性、流動(dòng)性、潤(rùn)滑性、成型性、超塑性、恒彈性、高彈性、振動(dòng)性和防震性。聲功能。如隔音性、吸音性。熱功能。如傳熱性、隔熱性、吸熱性和蓄熱性等。電功能。如導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、絕緣性和電阻等。磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性

10、、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等?；瘜W(xué)功能。如吸附作用、氣體吸收性、催化作用、生物化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)等。其他功能。如放射特性、電磁波特性等。22、二次功能 當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時(shí)，材料起能量的轉(zhuǎn)換部件作用，材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。23二次功能按能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可分為如下四類。光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換； 電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換； 磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換； 機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。24光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如光合成反應(yīng)、光分解反應(yīng)、光化反應(yīng)、光致抗蝕、化學(xué)發(fā)光，感光反應(yīng)，光致伸縮，光生伏特效應(yīng)和光導(dǎo)電效應(yīng)。電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如電磁效應(yīng)、電阻

11、發(fā)熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、場(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)和電光效應(yīng)等。25磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、磁冷凍效應(yīng)和磁性轉(zhuǎn)變效應(yīng)等機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如形狀記憶效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、機(jī)械化學(xué)效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電致伸縮、光壓效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光彈性效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)等。26 按材料種類分，功能材料還可分為：金屬功能材料、無(wú)機(jī)非金屬功能材料和有機(jī)功能材料。27 無(wú)論哪種功能材料，其能量傳遞過(guò)程或者能量轉(zhuǎn)換形式所涉及的微觀過(guò)程都與固體物理和固體化學(xué)相聯(lián)系。正是這兩門基礎(chǔ)科學(xué)為新興學(xué)科功能材料科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而也推動(dòng)了功能材料的研究和應(yīng)用。它們把功能材料推進(jìn)到功能設(shè)計(jì)的時(shí)代。28

12、所謂功能設(shè)計(jì)，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學(xué)方法。有人認(rèn)為21世紀(jì)將逐漸實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)材料。29材料科學(xué)與工程一般都認(rèn)為由四要素組成，即結(jié)構(gòu)/成分、合成/流程、性能與效能。但考慮到結(jié)構(gòu)與成分并非同義詞，相同成分通過(guò)不同制備方法可以得到不同結(jié)構(gòu)，從而使材料出現(xiàn)不同性能，所以材料科學(xué)與工程應(yīng)為五要素，即成分、合成/流程、結(jié)構(gòu)、性能與效能。根據(jù)材料所要求的性能不同，材料設(shè)計(jì)可以從電子、光子出發(fā)也可從原子、原子集團(tuán)出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀30 一、金屬功能材料設(shè)計(jì) 金屬功能材料按性能分主要包括磁性、電性、力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、生物功能材料和特種功能材料。 金屬功能材料的功能設(shè)計(jì)主

13、要有以下兩個(gè)方面。()尋找具有特定功能的金屬材料。()利用各種金屬材料的特性，制備符合使用要求的合金。31 無(wú)機(jī)非金屬功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。無(wú)機(jī)非金屬功能材料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)的方法主要有以下兩種： (1)根據(jù)功能的要求設(shè)計(jì)配方。 (2)根據(jù)功能的要求設(shè)計(jì)合適的加工工藝。二、無(wú)機(jī)非金屬功能材料設(shè)計(jì)32功能高分子材料功能設(shè)計(jì)的主要途徑如下：(1)通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成新功能(2)通過(guò)特殊加工賦予材料以功能特性(3)通過(guò)兩種或兩種以上的具有不同功能或性能的材料復(fù)合 獲得新功能(4)通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行各種表面處理以獲得新功能 三、高分子功能材料設(shè)計(jì)33 功能材料是目前材料領(lǐng)域發(fā)展最快的新領(lǐng)域。功能

14、材料雖然制備過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)品產(chǎn)量小，但是利潤(rùn)較高。其主要原因是基于其特有的“功能性”。1.3功能材料的特點(diǎn)34不同種類的功能材料各具特色。 金屬功能材料是開(kāi)發(fā)比較早的功能材料，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，一方面促進(jìn)了非金屬材料的迅速發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了金屬材料的發(fā)展。另一方面，非晶態(tài)合金由于具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，是一種極有發(fā)展前景的新型金屬材料。1.3.1、金屬功能材料35無(wú)機(jī)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(lái)也發(fā)展了一些新工藝和新品種。 1.3.2、無(wú)機(jī)非金屬功能材料361組合化學(xué)在無(wú)機(jī)功能材料方面的應(yīng)用(1)無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)基元或虛擬結(jié)構(gòu)基元的組合化學(xué)(

15、2)無(wú)機(jī)功能材料組合合成技術(shù)與表征方法的基礎(chǔ)研究。(3)特殊技術(shù)和特定結(jié)構(gòu)組合化學(xué)。它包括激光噴涂組合化學(xué)研究，主客體組裝組合化學(xué)等。(4)固體氧化物燃料電池中新型中、低溫(600800)區(qū)工作的固體復(fù)合氧化物電解質(zhì)材料的探索和篩選。(5)從熱力學(xué)平衡角度研究材料的相態(tài)、結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性，獲得所需材料體系的相圖，同時(shí)進(jìn)行性能測(cè)定，由此全面掌握不同組成、結(jié)構(gòu)和工作溫度下的材料特性。37功能玻璃和功能陶瓷是無(wú)機(jī)非金屬功能材料中的主要組成部分，近年來(lái)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(zhì)以外，還具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如磁光玻璃的磁光轉(zhuǎn)換性能、聲光玻璃的聲光性、導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電性、記憶玻璃的

16、記憶特性等。 2. 功能玻璃和功能陶瓷發(fā)展的新特點(diǎn)38功能陶瓷有以下幾方面發(fā)展趨向：(1)微電子技術(shù)推動(dòng)下的微型化(薄片化)和高速度化；(2)在安全和環(huán)保工作的促進(jìn)下，發(fā)展傳感器和多孔瓷；(3)重視材料復(fù)合技術(shù)；(4)加速智能化。391影響功能高分子材料“功能性”的結(jié)構(gòu)因素 結(jié)構(gòu)決定性能，功能高分子材料之所以有許多獨(dú)具特色的性能，主要與其結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。、骨架的性質(zhì)，如潤(rùn)濕性、溶脹性，骨架的鄰位效應(yīng)等；、在分子中起到特殊關(guān)鍵作用的官能團(tuán)的性質(zhì)。1.3.3、功能高分子材料40 功能高分子材料的制備一般是指通過(guò)物理的或化學(xué)的方法將功能基團(tuán)與聚合物骨架相結(jié)合的過(guò)程。功能高分子材料的制備主要有以下三種基

17、本類型：是功能性小分子固定在骨架材料上；是大分子材料的功能化；是已有的功能高分子材料的功能擴(kuò)展。 2功能高分子材料的制備方法411.4 功能材料制備用的新方法 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(jī)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(fù)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(kāi)發(fā)和質(zhì)量的提高。42溶膠凝膠方法 在溶膠凝膠方法中，常是把含有Si、A1、Ti、B等網(wǎng)絡(luò)形成元素的烴氧化物作為母體，以添加堿或酸作催化劑，在酒精溶液中使烴氧化物水解、濃聚而形成 M M鏈的無(wú)機(jī)氧化物網(wǎng)絡(luò)。快淬快凝技術(shù) 通過(guò)快淬快凝工

18、藝可以得到在常規(guī)條件下的亞穩(wěn)相。亞穩(wěn)相可以是材料的使用狀態(tài)，也可能是為得到好性能的中間狀態(tài)。 在自然界中，亞穩(wěn)相是很常見(jiàn)的。從亞穩(wěn)相到平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變不少情況下是非常緩慢的。因此，實(shí)際上可以把亞穩(wěn)狀態(tài)的材料看作是平衡態(tài)來(lái)使用。材料學(xué)家利用這種動(dòng)力學(xué)差別而設(shè)計(jì)并加工制造了許多非平衡材料，擴(kuò)大了可獲得有用材料的范圍。43復(fù)合就是把兩種以上組分材料組成一種新材料的方法；雜化的基本思想就是將原子、分子集團(tuán)在幾埃到幾干埃的數(shù)量級(jí)上進(jìn)行復(fù)合。 復(fù)合和雜化 441.5 功能材料的發(fā)展現(xiàn)狀 1.5.1、新型功能材料國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前，國(guó)際功能材料及其應(yīng)用技術(shù)正面臨新的突破，諸如超導(dǎo)材料、微電子材料、光子材料、信息

19、材料、能源轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)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(shè)計(jì)等正處于日新月異的發(fā)展之中，發(fā)展功能材料技術(shù)正在成為一些發(fā)達(dá)國(guó)家強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)及軍事優(yōu)勢(shì)的重要手段。 45以NbTi、Nb3Sn為代表的實(shí)用超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導(dǎo)磁體及大型加速器磁體等多個(gè)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。 高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導(dǎo)應(yīng)用溫度從液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K）溫區(qū)。高溫超導(dǎo)材料的研究工作已在單晶、薄膜、體材料、線材和應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展。 超導(dǎo)材料46作為高技術(shù)重要組成部分的生物醫(yī)用材料已進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新階段，其市場(chǎng)銷售額正以每年16%的速度遞增，預(yù)計(jì)20年內(nèi)，生物醫(yī)用材料所占的份額將趕上藥物市場(chǎng)，成為一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。生物活性陶瓷已成為醫(yī)用生物陶瓷的主