功能材料概论

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。
第一节 功能材料的概念与分类
一、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(Functional
Materials)、特种材料(Speciality Materials))或精细材料 (Fine Materials)。
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。
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。
功能材料概论
目录
第一章 功能材料概论 第二章 超导材料 第三章 功能玻璃材料 第四章 陶瓷材料 第五章 敏感陶瓷 第六章 快离子导体陶瓷 第七章 稀土发光材料 第八章 智能材料 第九章 储氢材料和磁性材料
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。
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。
材料的特定的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，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运动形式。
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。
二、功能材料的分类
随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料 不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方 法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。
(1)力学功能
主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高 结晶材料、超高强材料等。
(2)化学功能
①分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合，生物反应器等。
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。
（3）物理化学功能
①电学功能材料：如超导体，导电高分子等； ②光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等； ③能量转换材料：如压电材料、光电材料。
(4)生物化学功能
①医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺， 可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等； ②功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分 子农药等； ③生物降解材料
第二节 功能设计的原理和方法
下图为材料显示功能的示意图。
输
材
输
入
料
出
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
第一章 功能材料概论
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， 更需要用高科技的方法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。
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。有人认为 这种材料才是真正的功能材料。
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。
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。