功能材料簡述

1、功能材料簡述摘要：近幾十年來，世界對材料特別是功能材料的研究熱度越來越大，也取得了一些突飛猛進(jìn)的發(fā)展，功能材料不僅是發(fā)展信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料，而且是改造與提升基礎(chǔ)工業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到資源、環(huán)境及社會的可持續(xù)發(fā)展。軍事通信、航空、航天、導(dǎo)彈、熱核聚變、激光武器、激光雷達(dá)、新型戰(zhàn)斗機(jī)、主戰(zhàn)坦克以及軍用高能量密度組件等，都離不開特種功能材料的支撐。這篇論文主要簡述了功能材料的分類及進(jìn)展，并總結(jié)了未來幾十年的可能發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：功能材料材料簡述分類發(fā)展一、定義：功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間并不存在不可逾越的鴻溝，兩者在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化，不少材料

2、既具有結(jié)構(gòu)性，又具有功能性，在一些場合將其彳結(jié)構(gòu)材料用，在另一些場合將其作功能材料用，或者在同一場合既是結(jié)構(gòu)材料又是功能材料，也是不容忽視的事實(shí)因此，只能大休上劃分兩者的界限，根據(jù)它們的基本性能特征，可以認(rèn)為，結(jié)構(gòu)材料是以強(qiáng)度、剛度、韌性、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等機(jī)械性能為主發(fā)展起來的材料，功能材料則是以聲、光、電、磁、熱等物理性能為主而發(fā)展起來的材料。故功能材料可以定義為那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。二、一次功能材料與二次功能材料材料

3、的功能顯示過程是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過材料的傳輸或轉(zhuǎn)換等過程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。功能材料按其功能的顯示過程又可分為一次功能材料和二次功能材料。(1)、一次功能材料當(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，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。一次功能材料主要有：力學(xué)功能如慣性、粘性、流動性、潤滑性、成型性、超塑性、高彈性、恒彈性、振動性和防震性；聲功能如吸音性、隔音性；熱功能如隔熱性、傳熱性、吸熱性和蓄熱性；電功能如導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、絕緣性和電阻；磁功能如軟磁性、硬磁性、半硬磁性；光功能如透光性、遮光性、

4、反射光性、折射光性、吸收光性、偏振性、聚光性、分光性；化學(xué)功能如催化作用、吸附作用、生物化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)、氣體吸收；其它功能如電磁波特性(常與隱身相聯(lián)系)、放射性。(2)、二次功能材料當(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，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。二次材料主要有：光能與其它形式能量的轉(zhuǎn)換，如光化反應(yīng)、光致抗蝕、光合成反應(yīng)、光分解反應(yīng)、化學(xué)發(fā)光、感光反應(yīng)、光致伸縮、光生伏特效應(yīng)、光導(dǎo)電效應(yīng)；電能與其它形式能量的轉(zhuǎn)換，如電磁效應(yīng)、電阻發(fā)熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)，場致發(fā)光效應(yīng)、電光效應(yīng)和電化學(xué)效應(yīng)；磁能與其它形式能量的轉(zhuǎn)換，如熱磁效應(yīng)，磁冷凍效應(yīng)

5、、光磁效應(yīng)和磁性轉(zhuǎn)變；機(jī)械能與其它形式能量的轉(zhuǎn)換，如壓電效應(yīng)、磁致伸縮、電致伸縮、光壓效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光彈性效應(yīng)、機(jī)械化學(xué)效應(yīng)、形狀記憶效應(yīng)和熱彈性效應(yīng)。三、功能材料的分類從功能的不同考慮，可將功能材料分為以下四類。(1)、力學(xué)功能材料主要是指強(qiáng)化功能材料和彈性功能材料，如高結(jié)晶材料、超高強(qiáng)材料等。(2)、化學(xué)功能材料造)分離功能材料：如分離膜，離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物；0反應(yīng)功能材料；如高分子試劑、高分子催化劑；生物功能材料：如固定化菌，生物反應(yīng)器等。(3)、物理化學(xué)功能材料。電學(xué)功能材料：如超導(dǎo)體，導(dǎo)電高分子等；0光學(xué)功能材料：如光導(dǎo)纖維、感光性高分子等；能量轉(zhuǎn)換材料：如壓電材料、光電材

6、料。(4)、生物化學(xué)功能材料。醫(yī)用功能材料：人工臟器用材料如人工腎、人工心肺，可降解的醫(yī)用縫合線、骨釘、骨板等；0功能性藥物：如緩釋性高分子，藥物活性高分子，高分子農(nóng)藥等；生物降解材料從構(gòu)成物質(zhì)的性質(zhì)可以分為：(1) 金屬功能材料金屬功能材料是開發(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，同時也促進(jìn)了金屬材料的發(fā)展。許多區(qū)別于傳統(tǒng)金屬材料的新型金屬功能材料應(yīng)運(yùn)而生，有的已被廣泛應(yīng)用，有的具有廣泛應(yīng)用的前景。如形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)及各種形狀記憶合金體系的開發(fā)研制，使得這類新型金屬材料在現(xiàn)代軍事、電子、汽車、能源、機(jī)械、宇航、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。另一方面，非晶態(tài)合

7、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。具有獨(dú)特性能和用途的新型金屬功能材料很多，如超導(dǎo)合金、納米金屬、高溫合金、減振合金、儲氫、多孔金屬、金屬磁性材料等。按材料的成分和加工方法、形態(tài)及功能特征，可將它們分成以下三類：精密合金材料是具有特殊物理性能的金屬材料，因其具有特殊精密的成分，需要特殊精密的熔煉、澆注、加工和熱處理方法而得名。特珠形態(tài)材料，如果將金屬或合金包括某些精密合金制成薄膜、纖維、粉末、多孔、鏡面等特殊形態(tài)，則可增強(qiáng)原有功能或顯示出新的功能。例如用電鍍、真空濺射、蒸鍍、離子噴鍍等方法將磁性合金沉積在非磁性(波動或金屬)基板上而形成的極薄膜(數(shù)十至數(shù)百nm)

8、,其可用于制作計(jì)算機(jī)的存貯器、邏輯器件等，具有容量大、速度高等突出優(yōu)點(diǎn)，其開關(guān)特性比鐵氧體快10100倍以上。睇艷合金、秘、艷等金屬薄膜可用作封入型光電子倍增管的光電面材料。加熱到400c左右的金屬把或其合金的薄膜，很容易透過氫氣，而其它氣體則幾乎完全不能透過，利用這種對氫的選擇透過性質(zhì)，可制成氫的凈化裝置。能量轉(zhuǎn)換材料，能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的金屬材料(包括某些精密合金和特殊形態(tài)材料)，屬于二次功能材料。例如，貯氫金屬材料，即某些金屬或合金在高壓低溫的氫氣中，能生成金屬氫化物而吸藏氫氣；在相反條件下，又可將這些氫氣放出。這就是在氫的貯藏和運(yùn)輸方面獨(dú)樹一格的貯氫合金。還有一些法拉第電磁材料，當(dāng)光通過被

9、磁化的非活性物質(zhì)時,的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種磁致旋轉(zhuǎn)就是法拉第效應(yīng)。利用這種磁光效應(yīng)可制成密度高、容量大、速度快的光貯存器。先將磁膜沉積在透光基片上，再用“居里點(diǎn)寫象法”或補(bǔ)償剛度法”將信息記錄在磁膜上。當(dāng)以較弱的偏振激光穿過磁膜時，測出激光偏振面的旋轉(zhuǎn)角，就可以將所記錄的信息解讀出來。(2) 無機(jī)功能材料無機(jī)功能材料包括非金屬無機(jī)晶體，陶瓷和玻璃，種類繁多，這里也分三類進(jìn)行介紹。C1.精密陶瓷材料這是與傳統(tǒng)陶瓷在成分上不同的新陶瓷材料，一般不含玻璃質(zhì)和粘土成分，質(zhì)地致密而均勻，例如具有鈣欽礦型晶格結(jié)構(gòu)的欽酸銀。利用其介質(zhì)常數(shù)大、高頻損耗小、耐壓高的特點(diǎn)，可作為電容器的重要材料。日本在pb四元

10、系壓電陶瓷中添加Mno和Sb20,使大功率性能進(jìn)一步提高，動應(yīng)力的線性范圍變寬。還發(fā)展了一種改性PbTIO陶瓷，用Na部分置換Pb,用Mn和In部分置換Ti,采用TIO細(xì)粉工藝及埋粉燒結(jié)法，不僅彈性波損耗小，而且最高使用頻率由一般PZT陶瓷的10MHz提高到60MHz。還有一些半導(dǎo)體與超導(dǎo)體材料，這里就不在累述。0特珠形態(tài)材料同金屬功能材料中的情況相似，如將某些無機(jī)材料制成薄膜、纖維、粉末、多孔等特殊形態(tài)，也可以產(chǎn)生種種功能，成為功能材料。例如采用CVD式學(xué)氣相沉積)或PVD物理氣相沉積)方法，可得到薄膜狀陶瓷材料，產(chǎn)生一些有用的功能。用超純石英等無機(jī)材料可制成光導(dǎo)纖維。它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光學(xué)機(jī)械的

11、主要元件一透鏡租棱鏡的不足。新發(fā)展起來的集束型光導(dǎo)纖維，能原封不動地傳送光的位相，為發(fā)展光纖通訊創(chuàng)造了良好條件。光纖通訊不僅傳送距離遠(yuǎn)、容量大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)，而且體積小、重量輕，成本低。.能量轉(zhuǎn)換材料具有能量轉(zhuǎn)換能力的材料有很多，如將熱能轉(zhuǎn)換為磁能的材料，可以利用這個特性制作溫度傳感器。將熱能轉(zhuǎn)換為光能的材料，許多陶瓷材料在高溫時都具有優(yōu)良的紅外線輻射能力(受熱物體的熱輻射能與輻射體溫度的四次方成正比，隨著輻射體溫度的升高，輻射波長的峰值向短波方向移動)，可制成有效的紅外線加熱元件。將熱能轉(zhuǎn)換為電能的材料，那些熱敏電阻材料和一些熱點(diǎn)元件都是這中材料制作而成。將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這個典

12、型的是雅典陶瓷。將電能轉(zhuǎn)換為熱能的材料，可以做成塔竭，利用其抗熔融金屬浸泡的能力，來熔煉鉗、鋁、鑄等難熔金屬。將熱能轉(zhuǎn)換為光能的材料，可以用作光放大器、影響貯存器和發(fā)光二極管等。(3) 有機(jī)功能材料有機(jī)功能材料，特別是合成高分子材料，在過去幾十年，隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而取得迅速成長。0.一般功能材料如Bakelite酚醛樹脂、環(huán)氧機(jī)W旨、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP痔具有良好的絕緣性能，可作絕緣件。聚甲基丙烯酸(PMMA)即有機(jī)玻璃，透光性極佳，可透過99%以上的太陽光，同時具有與玻璃類似的折射、吸收等功能。聚四氟乙烯俗稱塑料王，幾乎能耐所有化學(xué)藥品的腐蝕，包括王水。泡沫聚

13、氨脂塑料具有優(yōu)良的彈性及隔熱性，可作隔熱、隔音及吸振材料。特殊形態(tài)材料許多有機(jī)材料被制成特殊形態(tài)后，也可以顯示或增強(qiáng)功能。例如有機(jī)薄膜材料可用作偏振光膜、濾光片、電磁傳感器、薄膜半導(dǎo)體、接點(diǎn)保護(hù)材料、防蝕材料等。尤其是在超細(xì)過濾、逆滲透、精密過濾、透析、離子交換等方面獲得廣泛應(yīng)用。有機(jī)纖維材料可用于二次電子倍增管或作離子交換纖維。能量轉(zhuǎn)換材料在各種有機(jī)能量轉(zhuǎn)換材料中，有機(jī)壓電材料正在嶄露頭角。現(xiàn)已實(shí)用化的有聚氟化乙烯及其共聚物，它們與無機(jī)系壓電晶體相比，壓電性是小的，但它們?nèi)菀准庸?，可作成大面積的和彎曲的薄膜，并且可以只在薄膜的特定部位產(chǎn)生壓電性。目前，有機(jī)壓電材料已在耳機(jī)立體聲頭戴式話筒、電

14、容式微型話筒和超聲波換能器中應(yīng)用。如果把PZT微粒分散在聚氟化乙烯中，就可以制得兼有高壓電性和優(yōu)良加工性的柔性材。四、功能材料的發(fā)展前景與展望材料是人類進(jìn)步的里程碑，是現(xiàn)代社會文明的支柱。美、歐、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國的經(jīng)濟(jì)起步是從傳統(tǒng)材料一鋼鐵開始的?，F(xiàn)在這些國家傳統(tǒng)材料的技術(shù)已完善，產(chǎn)量已飽和。它們的注意力已轉(zhuǎn)向新型材料包括新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料。日本政府把傳感器技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)、激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)列為當(dāng)代六大關(guān)鍵技術(shù)，而這六項(xiàng)技術(shù)內(nèi)物質(zhì)基礎(chǔ)都是功能材料。日本制訂了世紀(jì)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃，共涉及46個領(lǐng)域，其中13個領(lǐng)域是功能材料，即常溫超導(dǎo)材料，非線性光學(xué)材料，強(qiáng)磁性材料，高分子功能

15、材料，新型功能碳素材料，功能非晶態(tài)材料，精密陶瓷材料，硅化學(xué)材料，新型微電子材料等。(1)電功能材料包括傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料，超導(dǎo)材料，電阻材料，半導(dǎo)體材料，引線框架材料，搭焊金屬導(dǎo)線，彩電顯象管陰罩帶材，陰極材料和電敏感功能材料等。近幾年來國外如日本用非晶硅薄膜晶體管有源矩陣驅(qū)動實(shí)現(xiàn)高分辨率、快速響應(yīng)的平面液晶顯示技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。這種顯示屏可應(yīng)用于電視機(jī)和電子計(jì)算機(jī)終端顯示，它的優(yōu)點(diǎn)是清晰度高、工作電壓低、可用電池作電源、電少，體積小、重量輕、無軟射線等。(2)磁功能材料包括稀土永磁材料、鐵氧體磁性材料、硅綱片、粘結(jié)磁體、非晶態(tài)軟磁材料、鋁荃復(fù)合磁性材料、磁流體、磁屏蔽材料、磁記錄材料、磁致

16、伸縮材料、磁致冷材料、磁敏感功能材料等。(3)光功能材料包括光反射材料、光吸收材料、導(dǎo)光光纖材料、光記錄材料、激光材料、非線性光學(xué)材料、光電轉(zhuǎn)換材料等。目前人類社會正在由微電子時代向光電子時代過渡，光功能材料在現(xiàn)代科技中將日趨重要。(4)彈性(聲與振動)功能材料。這一類材料涉及形狀記憶材料、超彈性材料、高彈性材料、恒彈性材料、高阻尼減震材料等。(4) 其他功能材料。如一些特殊功能材料，金屬間化合物功能材料，非平衡態(tài)功能材料，生體用金屬材料等。五、結(jié)束語功能材料是新材料領(lǐng)域的核心，是國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展及國防建設(shè)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。它涉及信息技術(shù)、生物工程技術(shù)、能源技術(shù)、納米技術(shù)、環(huán)保技術(shù)、空間技術(shù)、計(jì)

17、算機(jī)技術(shù)、海洋工程技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。功能材料不僅對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用，還對我國相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用。在全球新材料研究領(lǐng)域中，功能材料約占85%。我國對功能材料的發(fā)展也很重視，我國高技術(shù)(863)計(jì)劃、國家重大基礎(chǔ)研究973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目中均安排了許多功能材料技術(shù)項(xiàng)目(約占新材料領(lǐng)域70%比例)，并取得了大量研究成果。世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，新技術(shù)、新專利層出不窮。發(fā)達(dá)國家企圖通過知識產(chǎn)權(quán)的形式在特種功能材料領(lǐng)域形成技術(shù)壟斷，并試圖占領(lǐng)中國廣闊的市場，這種態(tài)勢已引起我國的高度重視。我國在新型稀土永磁、生物醫(yī)用、生態(tài)環(huán)境材料、催化材料與技術(shù)等