第一章 功能材料与功能设计

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。
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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。
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。
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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。
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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。
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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。
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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
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(5)新形态和新概念功能材料
液晶材料、非晶态材料、梯度材料、纳米材料、 非平衡材料、MOFs材料(见事例)等。
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目前，从国内外功能材料的研究动态看，功能
材料的发展趋势可归纳为如下几个方面：
①开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖
端领域(如航空航天、分子电子学、高速信息、新能
源、海洋技术和生命科学等)所需和在极端条件下(如 超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强 腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧 和核爆炸等) 工作的高性能功能材料。
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。
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(1)通过分子设计合成新功能
分子设计包括高分子结构设计和官能团设计， 它是使高分子材料获得具有一定化学结构的本征 性功能特征的主要方法，因而又称为化学方法。
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②功能材料的功能由单功能向多功能和复合或 综合功能发展，从低级功能(如单一的物理功能)向高 级功能(如人工智能、生物功能和生命功能等)发展。
③功能材料和器件的一体化、高集成化、超微
型化、高密积化和超分子化。
④功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构
化，结构材料功能化。
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⑤进一步研究和发展功能材料的新概念、新设 计和新工艺。 已提出的新概念有梯度化、低维化、智能化、 非平衡态、分子组装、杂化、超分子化和生物分子 化等； 已提出的新设计有化学模式识别设计、分子设 计、非平衡态设计、量子化学和统计力学计算法等， 这些新设计方法都要采用计算机辅助设计(CAD)，这 就要求建立数据库和计算机专家系统；
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已提出的新工艺有激光加工、离子注入、等
离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固
相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下(如
高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、
强辐射、急冷和超净等)的工艺技术。
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⑥完善和发展功能材料检测和评价的方法。 ⑦加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的 应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并 将成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。
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(2)根据功能的要求设计合适的加工工艺
无机非金属功能材料的加工工艺根据所需功能的不同， 有的采用普通的无机非金属材料加工工艺，有的采用特殊 的加工工艺。 不同的加工工艺可以得到不同功能的无机非金属功能
材料。因此，控制合适的加工工艺对无机非金属功能材料
的制造是非常重要的。
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三、高分子功能材料设计
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例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结 构中引入感光功能基团，从而合成出感光高分子材料。合成 可供选择的措施有：共聚合、接技聚合、嵌段聚合、界面缩 聚、交联反应、官能团引入、模板聚合、管道聚合、交替共 聚以及用高聚物作支持体的聚合等。
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(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性
这种方法又称为物理方法。例如： 高分子材料通过薄膜化制作偏振光膜、滤光片、电磁传感 器、薄膜半导体、薄膜电池、接点保护材料、防蚀材料等，尤 其是在超细过滤、反渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面 取得了广泛的应用。 高分子材料纤维化可用于二次电子倍增管或作离子交换纤维。 对于高分子材料来说，最引人注目是塑料光纤的开发应用。
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。
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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。
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①综合运用现代先进的科学技术成就，多学 科交叉，知识密集； ②品种较多，生产规模一般比较小，更新换 代快，技术保密性强； ③需要投入大量的资金和时间，存在相当大 的风险，但一旦研究开发成功，则成为高技术、 高性能、高产值和高效益的产业。
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1.5 功能材料学科的内容
(1)功能材料学 (2)功能材料工程学 (3)功能材料的表征和测试技术
为稀疏的分枝状结构，以满足待定的使用要求。 无水氧化物具有可以控制微孔尺寸、微孔体积、 折射率和化学性质的特点。这对于高技术的应用是 有利的。
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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。
机械产品结构件的材料；
功能材料则主要是具有特殊的物理、化学或其他
性能，并主要用来制造具有特定功能元件、器件和产
品的材料。
新材料发展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
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1.2 功能材料的定义
功能材料可以定义为：具有优良的光学、电 学、磁学、热学、声学、力学、化学和生物学功
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(1)功能材料学
研究功能材料的成分、结构、性能、
应用及其相互关系，在此基础上，研究功
能材料的设计和发展途径。
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(2)功能材料工程学
研究功能材料的合成、制备、提纯、 改性、储存及使用的技术和工艺。
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(3)功能材料的表征和测试技术
研究一般通用的理化测试技术在功 能材料上的应用及各类特征功能的测试 技术和表征。
效应等。
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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。
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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（原子层次， 共同规律性）和固体化学（分子层次，特性、个性）
出温度自控塑料发热体等一批新型复合功能高分子材料。
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(4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能
将上述各种方法的适当组合就可以设计得
到所需要的各种功能材料。功能材料的设计是
当代材料技术的重大成就之一。
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第四节 制备功能材料常用的新方法
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、
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。
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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。
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二、无机非金属功能材料设计
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。
料、光信息材料等。
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(2)功能转换材料
压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、
声光材料、电光材料、电（磁）流变材料、磁致伸
缩材料等。
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(3)多功能材料
降噪材料、三防（防热、防激光和防核）材料、
耐热密封材料、电磁材料等。
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(4)复合和综合功能材料
形状记忆材料、传感材料、智能材料、显示材料、 分离功能材料等。
第一章 功能材料与功能设计
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材料除了具有重要性和普遍性外，还具有
多样性。由于多种多样，分类方法也就没有一
个统一标准。

一种常见的分类方法是按照性能特征和用
途将材料分为结构材料(structural materials)和
功能材料(functional materials)两大类。
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结构材料是具有较高力学性能，并主要用来制造
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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 入
材 料
输 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。
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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。
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Ａ、一次功能
当向材料输入的能量和从材料输出的能量
Si(OR) xH2O Si( HO) x (OR)4x xROH
n[Si(OH ) x (OR)4x ] nSiO 2 n( x 2) H 2O n(4 x) R(OH )
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通过改变母体的化学成分和生成条件，就可改
变冷凝物的拓朴结构，可从无水氧化物的致密球变
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1.7 功能材料的的现状和展望

现已开发的以物理功能材料最多，主要有： (1)单功能材料


(2)功能转换材料
(3)多功能材料


(4)复合和综合功能材料
(5)新形态和新概念功能材料
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(1)单功能材料
导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、
磁信息材料、发热材料、储热材料、隔热材料、隔
声材料、发声材料、发光材料、激光材料、红外材
(2)
根据功能的要求设计合适的加工工艺。
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(1) 根据功能的要求设计配方
无机非金属功能材料的配方比较复杂，每种不同功能 的无机非金属功能材料采用不同的配方。 无机非金属功能材料所含的材质决定了无机非金属功 能材料的宏观性能。 比如功能玻璃包括微晶玻璃、激光玻璃、半导体玻璃、 光色玻璃、生物玻璃等。
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复合和杂化
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。
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杂化是在纳米数量级上进行，从而使各原材料间的 相互作用力与整体复合时不同，引起量子效应、表面能 量效应等。这些现象对材料里的载流子的传输过程会产 生很大的影响，使杂化材料的电学性质不再是各原材料 的电学性质相加后的平均值，而可以说是相乘的结果。 可以出现各向异性、超导电性等现象。
能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高
技术材料。 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)。
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1.3 功能材料的特点
功能材料为高技术密集型材料，在研究开发和
生产功能材料时具有三个显著的特点：
④电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。
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百度文库
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。
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Ｂ、二次功能
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(3)通过具有不同功能或性能的材料复合获得新功能。
例如借助纤维复合、层叠复合、细粒复合、骨架复合、 互穿网络等方法。 关于这方面的理论，近年来还提出了所谓复合相乘效应 公式。即如A组分具有X/Y功能(即对材料施加X作用，可得 Y效应，例如加压生电)，B组分有Y/Z功能，则复合之后可
产生(X/Y)＊(Y/Z)＝X/Z的新功能。根据这个原理，已试制