功能材料概論

1、功能金屬材料1主要參考資料1、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） 2、功能材料學(xué)-周馨我 (北京理工大學(xué)出版社,2002)3、新型功能材料- 貢長(zhǎng)生，張克立(化學(xué)工業(yè)出版社,2001)4、新型無(wú)機(jī)材料-楊華明,宋曉嵐,金勝明（化學(xué)工業(yè)出版社,2005）5、信息和功能材料-劉先曙 馬傅華 辛秀田（宇航出版社,1998 ）6、功能材料學(xué)概論-馬如璋 蔣民華 （冶金工業(yè)出版社,1999）7. 功能金屬材料- 王正品 化學(xué)工業(yè)出版社，2004年 建議教材：功能材料學(xué)概論-馬如璋 蔣民華 （冶金工業(yè)出版社,1999）功能金屬材料- 王正品 （化學(xué)工業(yè)出版社，2004年） 2

2、第一章 電性材料第二章 磁性材料第三章 超導(dǎo)材料第四章 膨脹材料和彈性材料第五章 儲(chǔ)氫合金第六章 非晶態(tài)合金第七章 形狀記憶材料第八章 其他功能材料目 錄3第一章：電性材料金屬的導(dǎo)電理論。金屬的熱電性。電學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。電性材料第二章磁性材料磁學(xué)理論基礎(chǔ)。金屬軟磁材料。金屬永磁材料。磁致伸縮材料。鐵氧體磁性材料第三章超導(dǎo)材料超導(dǎo)體的基本性質(zhì)。超導(dǎo)材料的發(fā)展。超導(dǎo)材料的應(yīng)用第四章膨脹材料和彈性材料膨脹合金。彈性合金第五章儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫材料原理。儲(chǔ)氫合金分類及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀。儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用第六章非晶態(tài)合金原理與分類。制備方法。性能與應(yīng)用第七章形狀記憶材料形狀記憶效應(yīng)及原理。形狀記憶材料及應(yīng)用。

3、記憶合金的應(yīng)用第八章其他功能材料功能材料授課內(nèi)容41986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)。5一般認(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6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)新型功能材

4、料層出不窮，得到了突破性的進(jìn)展。第一章 功能材料概論7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。 8 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。9 一、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(Spe

5、ciality Materials)或精細(xì)材料(Fine Materials)。第一節(jié) 功能材料的概念與分類10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。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。11材料的特定的功能與材料的特定結(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。 12功能材料是一門(mén)新的學(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

6、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)的運(yùn)動(dòng)形式。13 二、功能材料的分類 隨著技術(shù)的發(fā)展和人類認(rèn)識(shí)的擴(kuò)展，新型的功能材料不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，因此對(duì)其也產(chǎn)生了許多不同的分類方法。從功能的不同考慮，可將功能材料分為以下四類。 14(1)力學(xué)功能 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。 15(2)化學(xué)功能分離功能材料：如分離膜，離子交換樹(shù)脂、高分子絡(luò)合物；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。16（3）物理化學(xué)功能電學(xué)功能材料：如超導(dǎo)體，導(dǎo)電高分子等；光學(xué)功能材料：如光導(dǎo)纖維、感光性高分子等；能

7、量轉(zhuǎn)換材料：如壓電材料、光電材料。17(4)生物化學(xué)功能醫(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；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18 下圖為材料顯示功能的示意圖。輸入材料輸出第二節(jié) 功能設(shè)計(jì)的原理和方法材料的功能顯示過(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

8、載體材料。、一次功能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。22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、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。23 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。

9、有人認(rèn)為這種材料才是真正的功能材料。、二次功能24二次功能按能量的轉(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。25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)。光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換26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(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)和電光效應(yīng)等。電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換27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。28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)

10、、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。29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。30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(mén)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。31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。32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

11、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。33材料設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程：如材料的制備與存在狀態(tài)往往屬于非平衡熱力學(xué)；有些結(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)(材料的力學(xué)性質(zhì))的可變因素太多，即使一個(gè)微小缺陷都會(huì)產(chǎn)生很大影響；表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的不一致性；復(fù)雜的環(huán)境因素等等。34材料設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其最終應(yīng)達(dá)到提出一個(gè)需求目標(biāo)就可設(shè)計(jì)出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或構(gòu)件。 35為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)，必須開(kāi)展深

12、入的基礎(chǔ)研究，以了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫(kù)；建立正確的物理模型；需要有大容量計(jì)算機(jī)；更重要的是要不同學(xué)科科學(xué)家與工程技術(shù)人員的通力合作。36 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)、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。37有些金屬材料本身具有特定的功能，經(jīng)過(guò)我們的開(kāi)發(fā)研究，可以對(duì)這些特定的功能加以利用。例如，稀土功能材料的制備和應(yīng)用。(1)尋找具有特定功能的金屬材料38稀土功能材料主要包括稀土永磁材料、稀

13、土儲(chǔ)氫材料、信息顯示材料、催化材料、超磁致伸縮材料、巨磁電阻材料等，其應(yīng)用遍及航天、航空、信息、電子、能源、交通、醫(yī)療衛(wèi)生等13個(gè)領(lǐng)域的40多個(gè)行業(yè)。39我國(guó)稀土資源非常豐富，其工業(yè)儲(chǔ)量約占世界已探明總儲(chǔ)量6200萬(wàn)t的80。將我國(guó)的稀土資源優(yōu)勢(shì)變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，使它的研究開(kāi)發(fā)既能形成一批新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，又能輻射、帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。40因此，發(fā)展稀土功能材料對(duì)我國(guó)來(lái)講具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。利用類似這種具有特殊功能的金屬材料，是金屬功能材料開(kāi)發(fā)的一個(gè)方面。41合金的迅速發(fā)展，給金屬功能材料的發(fā)展提供了廣泛的空間。隨著各種合金的開(kāi)發(fā)，各種各樣的金屬功能材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如納米材

14、料，大塊非晶材料、真空快淬材料、磁性形狀記憶合金等。(2)利用各種金屬材料的特性，制備符合使用要求的合金。42 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)43無(wú)機(jī)非金屬功能材料的配方比較復(fù)雜，每種不同功能的無(wú)機(jī)非金屬功能材料采用不同的配方。無(wú)機(jī)非金屬功能材料所含的材質(zhì)決定了無(wú)機(jī)非金屬功能材料的宏觀性能。比如功能玻璃包括微晶玻璃、激光玻璃、半導(dǎo)體玻璃、光色玻璃、生物玻璃等。 (1)根據(jù)功能的要求設(shè)計(jì)配方44無(wú)機(jī)非金屬功能材料的加工工藝根據(jù)

15、所需功能的不同，有的采用普通的無(wú)機(jī)非金屬材料加工工藝，有的采用特殊的加工工藝。不同的加工工藝可以得到不同功能的無(wú)機(jī)非金屬功能材料。因此，控制合適的加工工藝對(duì)無(wú)機(jī)非金屬功能材料的制造是非常重要的。(2)根據(jù)功能的要求設(shè)計(jì)合適的加工工藝45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)46 分子設(shè)計(jì)包括高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和官能團(tuán)設(shè)計(jì)，它是使高分子材料獲得具有一定化學(xué)結(jié)構(gòu)的本征性功能特征的主要方法，因而又稱為化學(xué)

16、方法。 (1)通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成新功能47例如，通過(guò)高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和官能團(tuán)設(shè)計(jì)，在高分子結(jié)構(gòu)中引入感光功能基團(tuán)，從而合成出感光高分子材料。合成可供選擇的措施有：共聚合、接技聚合、嵌段聚合、界面縮聚、交聯(lián)反應(yīng)、官能團(tuán)引入、模板聚合、管道聚合、交替共聚以及用高聚物作支持體的聚合等。48這種方法又稱為物理方法。例如：高分子材料通過(guò)薄膜化制作偏振光膜、濾光片、電磁傳感器、薄膜半導(dǎo)體、薄膜電池、接點(diǎn)保護(hù)材料、防蝕材料等，尤其是在超細(xì)過(guò)濾、反滲透、精密過(guò)濾、透析、離子交換等方面取得了廣泛的應(yīng)用。高分子材料纖維化可用于二次電子倍增管或作離子交換纖維。對(duì)于高分子材料來(lái)說(shuō)，最引人注目的是塑料光纖的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 (2

17、)通過(guò)特殊加工賦予材料以功能特性49例如借助纖維復(fù)合、層疊復(fù)合、細(xì)粒復(fù)合、骨架復(fù)合、互穿網(wǎng)絡(luò)等方法。關(guān)于這方面的理論，近年來(lái)還提出了所謂復(fù)合相乘效應(yīng)公式。即如A組分具有X/Y功能(即對(duì)材料施加X(jué)作用，可得Y效應(yīng)，例如加壓生電)，B組分有Y/Z功能，則復(fù)合之后可產(chǎn)生(X/Y)(Y/Z)X/Z的新功能。根據(jù)這個(gè)原理，已試制出溫度自控塑料發(fā)熱體等一批新型復(fù)合功能高分子材料。 (3)通過(guò)具有不同功能或性能的材料復(fù)合獲得新功能。50將上述各種方法的適當(dāng)組合就可以設(shè)計(jì)得到所需要的各種功能材料。功能材料的設(shè)計(jì)是當(dāng)代材料技術(shù)的重大成就之一。(4)通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行各種表面處理以獲得新功能51 功能材料是目前材料領(lǐng)

18、域發(fā)展最快的新領(lǐng)域。功能材料雖然制備過(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”。第三節(jié)功能材料的特點(diǎn)52功能材料的結(jié)構(gòu)與性能之間存在著密切的聯(lián)系，材料的骨架、功能基團(tuán)以及分子組成直接影響著材料的宏觀結(jié)構(gòu)與材料的功能。研究功能材料的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，可以指導(dǎo)開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)、新穎的功能材料。53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。一、金屬功能材料54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)

19、現(xiàn)及各種形狀記憶合金體系的開(kāi)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。55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。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(chǔ)氫、多孔金屬、金屬磁性材料等。56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。 二、無(wú)機(jī)非金屬功能材料57組合化學(xué)作為合成化學(xué)的一個(gè)新分支，它展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。組合化學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合，特別是與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合，是組合化學(xué)

20、發(fā)展的未來(lái)方向。無(wú)機(jī)功能材料組合化學(xué)研究主要集中在具有特殊光、電、磁和催化等性質(zhì)的材料上。其主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：1組合化學(xué)在無(wú)機(jī)功能材料方面的應(yīng)用58它是以無(wú)機(jī)微孔材料、無(wú)機(jī)有機(jī)雜化材料中存在的基本結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，組合合成具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)單元的化合物。功能材料組合庫(kù)的合成與表征包括發(fā)光材料、鐵電及介電材料、巨磁阻材料等。 (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)59(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。 60(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

21、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。 61無(wú)機(jī)材料組合化學(xué)研究應(yīng)在具有雄厚條件的基礎(chǔ)上，利用組合數(shù)學(xué)的理論思想來(lái)指導(dǎo)不同材料庫(kù)的建立，完善材料合成的組合技術(shù)及篩選方法，將無(wú)機(jī)功能材料組合化學(xué)與數(shù)據(jù)庫(kù)分析相結(jié)合，從而最終實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)功能材料的定向合成。62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、記憶玻璃的記憶特性等

22、。 2. 功能玻璃和功能陶瓷發(fā)展的新特點(diǎn)63新型功能玻璃的發(fā)展以光功能玻璃為代表。作為藍(lán)光、可見(jiàn)光元件上的轉(zhuǎn)換材料、光存儲(chǔ)顯示材料及各種非線性光學(xué)玻璃特別引人注意，它們將占據(jù)未來(lái)的光量子時(shí)代，是功能玻璃材料研究的主要方向?？祀x子導(dǎo)體玻璃的發(fā)展也很快，有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合玻璃是玻璃研究者的又一大開(kāi)拓目標(biāo)。64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。65科學(xué)的發(fā)展，特別是學(xué)科交叉促進(jìn)了無(wú)機(jī)非金屬功能材料的發(fā)展。另一方面，材料本身的進(jìn)展與相鄰學(xué)科或技術(shù)的迅速發(fā)展關(guān)系很大。例

23、如量子物理、量子化學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了納米陶瓷、磁性陶瓷等技術(shù)的發(fā)展；半導(dǎo)體物理的發(fā)展促進(jìn)了各種電介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷的發(fā)展和應(yīng)用；特別是缺陷物化的進(jìn)展，使摻雜改性大面積地用于各種功能材料，包括無(wú)機(jī)非金屬功能材料和功能高分子材料。66相關(guān)技術(shù)促進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬功能材料的發(fā)展也有很多，例如：信息自動(dòng)化促進(jìn)了傳感器；薄膜變薄涉及粉體制備技術(shù)；薄膜技術(shù)發(fā)展又促進(jìn)鐵電存儲(chǔ)器的應(yīng)用；高純?cè)蠟楣δ芴沾傻陌l(fā)展創(chuàng)造了條件。物理檢測(cè)手段也影響材料發(fā)展，原來(lái)的顯微圖像是利用光性或電子性差別成像，而近代利用熱性能或彈性力學(xué)性能差別可分別得出熱像及聲學(xué)像，從而揭示了新現(xiàn)象，對(duì)功能陶瓷作用很大。 67各學(xué)科之間、學(xué)科與工藝技術(shù)之

24、間的相互作用和滲透，對(duì)無(wú)機(jī)非金屬功能材料的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。各學(xué)科的交叉，使各種功能材料之間的界限開(kāi)始變得模糊，甚至各種材料組成的復(fù)合材料可通過(guò)協(xié)同作用獲得最佳性能以及得到其他新功能。681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)。三、功能高分子材料69 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本類型：是功能性小分子固定在骨架材料上；是大分子材

25、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70 第四節(jié)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。71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)。溶膠凝膠方法72通過(guò)改變母體的化學(xué)成分和生成條件，就可改變冷凝物的拓樸結(jié)構(gòu)，可從無(wú)水氧化物的

26、致密球變?yōu)橄∈璧姆种罱Y(jié)構(gòu)，以滿足待定的使用要求。無(wú)水氧化物具有可以控制微孔尺寸、微孔體積、折射率和化學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)。這對(duì)于高技術(shù)的應(yīng)用是有利的。73通過(guò)快淬快凝工藝可以得到在常規(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。 快淬快凝技術(shù) 74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

27、復(fù)合。 復(fù)合和雜化 75 雜化是在納米數(shù)量級(jí)上進(jìn)行，從而使各原材料間的相互作用力與整體復(fù)合時(shí)不同，引起量子效應(yīng)、表面能量效應(yīng)等。這些現(xiàn)象對(duì)材料里的載流子的傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大的影響，使雜化材料的電學(xué)性質(zhì)不再是各原材料的電學(xué)性質(zhì)相加后的平均值，而可以說(shuō)是相乘的結(jié)果?？梢猿霈F(xiàn)各向異性、超導(dǎo)電性等現(xiàn)象。76例如，在絕緣性高分子薄膜表面鍍上一層薄金屬層，以此做成電極進(jìn)行吡咯的電解聚合，生成的聚毗咯在生成的同時(shí)形成了高分子薄膜中的導(dǎo)電通路，從而得到導(dǎo)電薄膜。采用雜化技術(shù)，還可以制得具有特殊功能的肖脫基元件和非線性光學(xué)有機(jī)薄膜等等。雜化技術(shù)可以應(yīng)用于高分子科學(xué)領(lǐng)域，也可以廣泛地應(yīng)用于其他領(lǐng)域。77 第五節(jié)功

28、能材料的發(fā)展現(xiàn)狀 一.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。 78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

29、應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展。 超導(dǎo)材料79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)用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是醫(yī)用高分子材料的重要方向。 生物醫(yī)用材料80太陽(yáng)能電池材料是新能源材料研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。美國(guó)能源部在全部氫能研究經(jīng)費(fèi)中，大約有50%用于儲(chǔ)氫技術(shù)。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關(guān)鍵是電池材料，如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料，還有質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜等，

30、都是目前研究的熱點(diǎn)。 能源材料81是20世紀(jì)90年代在國(guó)際高技術(shù)新材料研究中形成的一個(gè)新領(lǐng)域，其研究開(kāi)發(fā)在日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家十分活躍，主要有三個(gè)研究方向：生態(tài)環(huán)境材料82直接面臨的與環(huán)境問(wèn)題相關(guān)的材料技術(shù)，例如，生物可降解材料技術(shù)，CO 2 氣體的固化技術(shù)，SOx、NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、廢物的再資源化技術(shù)，環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)，材料制備加工中的潔凈技術(shù)以及節(jié)省資源、節(jié)省能源的技術(shù)。83開(kāi)發(fā)能使經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，如仿生材料、環(huán)境保護(hù)材料、氟里昂、石棉等有害物質(zhì)的替代材料、綠色新材料等；材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)。 84智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代

31、高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來(lái)高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化的目標(biāo)。 智能材料85國(guó)外智能材料的研發(fā)方面已取得很多技術(shù)突破，如英國(guó)宇航公司在導(dǎo)線傳感器，可用于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國(guó)開(kāi)發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬(wàn)次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間，僅為10秒鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料等在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果。 86我國(guó)非常重視功能材料的發(fā)展，在國(guó)家攻關(guān)、“ 863”、“973”、國(guó)家自然科學(xué)基金等計(jì)劃中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”國(guó)防計(jì)劃

32、中還將特種功能材料列為“國(guó)防尖端”材料。這些科技行動(dòng)的實(shí)施，使我國(guó)在功能材料領(lǐng)域取得了豐碩的成果。二.國(guó)內(nèi)功能材料發(fā)展的現(xiàn)狀87在“863”計(jì)劃支持下，開(kāi)辟了超導(dǎo)材料、平板顯示材料、稀土功能材料、生物醫(yī)用材料、儲(chǔ)氫等新能源材料，金剛石薄膜，高性能固體推進(jìn)劑材料，紅外隱身材料，材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)等功能材料新領(lǐng)域，取得了一批接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果，在國(guó)際上占有了一席之地。88鎳氫電池、鋰離子電池的主要性能指標(biāo)和生產(chǎn)工藝技術(shù)均達(dá)到了國(guó)外的先進(jìn)水平，推動(dòng)了鎳氫電池的產(chǎn)業(yè)化；功能陶瓷材料的研究開(kāi)發(fā)取得了顯著進(jìn)展，以片式電子組件為目標(biāo)，我國(guó)在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低燒瓷料和賤金屬電極

33、上形成了自己的特色并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，使片式電容材料及其組件進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。89高檔釹鐵硼產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得顯著進(jìn)展，在某些成分配方和相關(guān)技術(shù)上取得了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)； 功能材料還在“兩彈一星”等國(guó)防工程中作出了舉足輕重的貢獻(xiàn)。 90根據(jù)預(yù)測(cè)，二十一世紀(jì)的新材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)在世界市場(chǎng)的銷售額將超過(guò)4000億美元，其中功能材料約占7580%。 三、國(guó)內(nèi)、外功能材料社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求91我國(guó)的國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)一直受到以美國(guó)為首的西方國(guó)家的封鎖和禁運(yùn)，所以我國(guó)的國(guó)防用關(guān)鍵特種功能材料是不可能依靠進(jìn)口來(lái)解決的，必須要走獨(dú)立自主、自力更生的道路。如軍事通信、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(kāi)特種功能材料的支撐。 92 第六節(jié)無(wú)機(jī)功能材料的現(xiàn)代合成與制備方法 溶膠-凝膠法(sol-gel) 溶膠- 凝膠法是以金屬醇鹽, 其它金屬有機(jī)化合物或無(wú)機(jī)化合物為原料進(jìn)行水解、縮合(生成無(wú)機(jī)聚合物材料的)反應(yīng), 使溶液經(jīng)溶膠-凝膠化,干燥, 熱處理后制備玻璃膜, 玻璃纖維, 分子篩膜, 特種陶瓷材料的方法。 優(yōu)點(diǎn)：較低合成及