[工学]1功能材料概论

功能材料概论材料王琳辽宁科技大学材料学院主要参考资料1.功能材料概论--殷景华，王雅珍，鞠刚（哈工大出版社，2004）2.新型功能材料--贡长生，张克立(化学工业出版社,2001)3.功能材料学--周馨我(北京理工大学出版社,2002)4.现代功能材料及其应用--郭卫生,汪济奎（化学工业出版社,2002）5.新材料概论—谭毅，李敬锋（冶金工业出版社，2004）6.新材料概论—陈光，崔崇（科学出版社，2003）7.材料概论—徐晓虹，吴建锋，王国梅（高教出版社，2006）目录第一章绪论第二章超导材料第三章储氢材料第四章磁性材料第五章功能陶瓷材料第六章纳米材料第七章智能材料第八章医用生物材料第九章科技文献写作1986年，我国制定了《高技术发展计划纲要》，被评选列入的七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等。　　新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。功能材料被誉为－－2l世纪人类文明的重要支柱1.绪论　随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，更需要用高科技的和手段来生产新型的、功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5％以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。1.1功能材料的概念与分类1.1.1功能材料的发展概况材料是人类社会生活的物质基础，材料的发展导致时代的变迁，推进人类的物质文明和社会进步。例如，“石器时代”、“铜器时代”和“铁器时代”等。为了生存和发展，人类一方面从大自然中选择天然物质进行加工和改造，获得适用的材料；另一方面通过物理化学加工方法研制合金、玻璃、陶瓷、合成高分子材料来满足生产和生活的需要。人们在使用这些材料时，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状和结构不变的优良力学性能（例如强度和韧性）来制造工具、机械、车辆以及修建房屋、桥梁、铁路等，这些材料统称为结构材料。有的则是通过光、电、磁、声、热、化学、生物化学等作用后，使材料具有特定的功能，主要是光学功能、电磁功能、声学功能、生体功能、分离功能、梯度功能、形状记忆功能、自适应功能等，人们按照其性能常称为光学材料、磁性材料、电绝缘材料、超导材料、声学材料、生物医学材料、分离材料、梯度功能材料、智能材料。利用它们制造具有记录、储存、传导信息或转换能量的功能元、器件。这些材料总称为功能材料。1.1.2功能材料的概念功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。　在国外，常将这类材料称为功能材料(FunctionalMaterials)、特种材料(SpecialityMaterials)或精细材料(FineMaterials)。功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等等。　　这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。材料的特定功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。功能材料是一门新的学科，是从经典的材料学科中孕育出来的学科，目前对它进行严格的定义尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身的特点。因此可认为是传统材料的更高级的表现形式。1.1.3功能材料的分类目前主要是根据材料的物质性、或功能性、应用性进行分类。（一）根据材料的物质性进行分类1、金属功能材料2、无机非金属功能材料3、有机功能材料4、复合功能材料（二）根据材料的功能性进行分类按照材料的物理化学功能进行分类：1.光学功能材料（按在具体应用中所发挥的效能和作用）①非线性光学材料例：磷酸二氢钾、硫化锌、碘酸钾②发光材料例：高效稀土发光材料③红外光学材料例：尖晶石、蓝宝石④感光材料例：卤化银、CdS等⑤激光材料例：红宝石、氟化物晶体⑥光电功能材料例：半导体、磁性体、电介质材料⑦声光功能材料例：PbMoO4、TeO2、用于制造调制器等⑧磁光材料例：尖晶石铁氧体⑨光记录材料例：碲、碲合金、稀土类合金2、电学功能材料例：防静电材料3、磁学功能材料例：磁带、磁盘4、声学功能材料例：音响设备、仪器5、力学功能材料例：高结晶材料、超高强材料6、热学功能材料例：显示、测量7、化学功能材料①分离功能材料例：分离膜、离子交换树脂②反应功能材料例：高分子试剂、高分子催化剂③生物功能材料例：固定化酶、生物反应器8、生物医学功能材料例：人工肾、人工心肺9、核功能材料（三）根据材料的应用性进行分类1、信息材料2、电子材料3、电工材料4、电讯材料5、计算机材料6、传感材料7、仪器仪表材料8、能源材料9、航空航天材料10、生物医用材料功能材料种类多、应用广、上述分类也只是相对的。1.2功能的原理和方法下图为材料显示功能的示意图。材料的功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。Ａ、一次功能当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。一次功能主要有下面的八种。①力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。②声功能。如隔音性、吸音性。③热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。④电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。⑤磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。⑥光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。⑦化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。⑧其他功能。如放射特性、电磁波特性等。Ｂ、二次功能当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。①光能与其他形式能量的转换；②电能与其他形式能量的转换；　③磁能与其他形式能量的转换；　④机械能与其他形式能量的转换。①光能与其他形式能量的转换如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。②电能与其他形式能量的转换如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。③磁能与其他形式能量的转换如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等④机械能与其他形式能量的转换如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。　按材料种类分，功能材料还可分为：金属功能材料、无机非金属功能材料和有机功能材料。无论哪种功能材料，其能量传递过程或者能量转换形式所涉及的微观过程都与固体物理和固体化学相联系。正是这两门基础科学为新兴学科——功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到功能设计的时代。所谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。有人认为21世纪将逐渐实现按需设计材料。　　材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构/成分、合成/流程、性能与效能。但考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/流程、结构、性能与效能。　　根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子出发．也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观一、金属功能材料设计金属功能材料按性能分主要包括磁性、电性、力学、声学、热学、光学、化学、生物功能材料和特种功能材料。金属功能材料的功能设计主要有以下两个方面。(１)寻找具有特定功能的金属材料。(２)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。　无机非金属功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。无机非金属功能材料进行功能设计的方法主要有以下两种：(1)　根据功能的要求设计配方。(2)　根据功能的要求设计合适的加工工艺。二、无机非金属功能材料设计功能高分子材料功能设计的主要途径如下：(1)通过分子设计合成新功能(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性(3)通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合获得新功能(4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能三、高分子功能材料设计　功能材料是目前材料领域发展最快的新领域。　　功能材料虽然制备过程复杂，产品产量小，但是利润较高。其主要原因是基于其特有的“功能性”。1.3　功能材料的特点　　不同种类的功能材料各具特色。金属功能材料是开发比较早的功能材料，随着高新技术的发展，一方面促进了非金属材料的迅速发展，同时也促进了金属材料的发展。另一方面，非晶态合金由于具有优异的物理、化学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料。1.3.1、金属功能材料　　无机非金属功能材料的发展速度也很快，新的种类也是层出不穷。它以功能玻璃和功能陶瓷为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。1.3.2、无机非金属功能材料1．组合化学在无机功能材料方面的应用(1)无机结构基元或虚拟结构基元的组合化学(2)无机功能材料组合合成技术与表征方法的基础研究。(3)特殊技术和特定结构组合化学。它包括激光喷涂组合化学研究，主客体组装组合化学等。(4)固体氧化物燃料电池中新型中、低温(600—800℃)区工作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。(5)从热力学平衡角度研究材料的相态、结构及稳定性，获得所需材料体系的相图，同时进行性能测定，由此全面掌握不同组成、结构和工作温度下的材料特性。　　功能玻璃和功能陶瓷是无机非金属功能材料中的主要组成部分，近年来得到了迅速的发展。　　新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁—光转换性能、声光玻璃的声光性、导电玻璃的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。2.功能玻璃和功能陶瓷发展的新特点功能陶瓷有以下几方面发展趋向：(1)微电子技术推动下的微型化(薄片化)和高速度化；(2)在安全和环保工作的促进下，发展传感器和多孔瓷；(3)重视材料复合技术；(4)加速智能化。1．影响功能高分子材料“功能性”的结构因素结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性能，主要与其结构因素有关。　Ａ、骨架的性质，如润湿性、溶胀性，骨架的邻位效应等；　Ｂ、在分子中起到特殊关键作用的官能团的性质。1.3.3、功能高分子材料　功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。　　功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型：　　①是功能性小分子固定在骨架材料上；　　②是大分子材料的功能化；　　③是已有的功能高分子材料的功能扩展。2．功能高分子材料的制备方法1.4功能材料制备用的新方法　　用于功能材料制备的新方法很多。例如：快速凝固、镀膜、超晶格、机械合金化、溶胶—凝胶、极限(极高温、高压、高真空、失重等)条件下制备的方法、复合及杂化、晶须及大单晶制备法等等。这些方法的发展与使用加快了新品种的开发和质量的提高。溶胶—凝胶方法在溶胶—凝胶方法中，常是把含有Si、A1、Ti、B等网络形成元素的烃氧化物作为母体，以添加碱或酸作催化剂，在酒精溶液中使烃氧化物水解、浓聚而形成［—M—Ｏ—M—］链的无机氧化物网络。快淬快凝技术通过快淬快凝工艺可以得到在常规条件下的亚稳相。亚稳相可以是材料的使用状态，也可能是为得到好性能的中间状态。　　在自然界中，亚稳相是很常见的。从亚稳相到平衡态的转变不少情况下是非常缓慢的。因此，实际上可以把亚稳状态的材料看作是平衡态来使用。材料学家利用这种动力学差别而设计并加工制造了许多非平衡材料，扩大了可获得有用材料的范围。　　复合就是把两种以上组分材料组成一种新材料的方法；杂化的基本思想就是将原子、分子集团在几埃到几干埃的数量级上进行复合。复合和杂化1.5功能材料的发展现状1.5.1、新型功能材料国外发展现状　　当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。　　以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。　　高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。超导材料　　作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向。生物医用材料　　太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。　　美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。　　固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。能源材料　　是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要有三个研究方向：①直接面临的与环境问题相关的材料技术②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料③材料的环境协调性评价生态环境材料　　智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化的目标。智能材料　　我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。1.5.2、国内功能材料发展的现状　根据预测，本世纪的新材料技术产业在世界市场的销售额将超过4000亿美元，其中功能材料约占75～80%。1.5.3、国内、外功能材料社会经济发展需求