1.功能材料概论

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一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、 一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超 材料 材料 塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材 塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材 材料 陶瓷 材料、 材料等。 超导材料 碳纤维、能量转换材料等 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 新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。 已经从结构材料转向功能材料。
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2、电学功能材料 例：防静电材料 磁带、 3、磁学功能材料 例：磁带、磁盘 音响设备、 4、声学功能材料 例：音响设备、仪器 高结晶材料、 5、力学功能材料 例：高结晶材料、超高强材料 显示、 6、热学功能材料 例：显示、测量 7、化学功能材料 分离功能材料 分离膜、 ①分离功能材料 例：分离膜、离子交换树脂 反应功能材料 高分子试剂、 ②反应功能材料 例：高分子试剂、高分子催化剂 生物功能材料 固定化酶、 ③生物功能材料 例：固定化酶、生物反应器 人工肾、 8、生物医学功能材料 例：人工肾、人工心肺 9、核功能材料
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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、 目前主要是根据材料的物质性、或功能性、应用性 材料的物质性 进行分类。 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 、
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（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： 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） 光学功能材料（ 1.光学功能材料（按在具体应用中所发挥的效能和作用） 磷酸二氢钾、硫化锌、 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 尖晶石、 ③红外光学材料 例：尖晶石、蓝宝石 卤化银、 ④感光材料 例：卤化银、CdS等 等 红宝石、 ⑤激光材料 例：红宝石、氟化物晶体 半导体、磁性体、 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 碲合金、 ⑨光记录材料 例：碲、碲合金、稀土类合金
功能材料被誉为－－2 功能材料被誉为－－2l世纪人类文明的重要支柱 －－
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1. 绪论
随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。 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、 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、 列的问题，更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、 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 功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。近年来新 产品 型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。 型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。 层出不穷
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功能材料涉及面较广，具体包括光 电功能， 功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功 涉及面较广 能，分离功能，形状记忆功能等等。 分离功能，形状记忆功能等等。 等等 这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了 结构材料而言 这类材料相对于通常的结构材料而言， 具有机械特性外，还具有其他的功能特性。 具有机械特性外，还具有其他的功能特性。
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功能材料是一门新的学科， 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 严格的定义尚有一定的 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、 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 中总是伴随着低级运动一样， 一般特性和变化规律又具有其自身的特点 一般特性和变化规律又具有其自身的特点。因此可认为 又具有其自身的特点。 是传统材料的更高级的表现形式。 传统材料的更高级的表现形式。
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近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域 10年来，功能材料成为材料科学和工程领域 年来 中最为活跃的部分。每年以5 以上的速度增长， 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 于每年有1.25万种新材料问世。 1.25万种新材料问世 性能优异的功能材料， 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。 的各个领域。
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1.1 功能材料的概念与分类
1.1.1 功能材料的发展概况
是人类社会生活的物质基础， 的发展导致时代的变迁， 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 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” 进人类的物质文明和社会进步。例如，“石器时代”、“铜器时代”和 铜器时代” 铁器时代” “铁器时代”等。 为了生存和发展， 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 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、 陶瓷、合成高分子材料来满足生产和生活的需要。 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， 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、 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 力学性能 工具 以及修建房屋、桥梁、铁路等 这些材料统称为结构材料。 以及修建房屋、桥梁、铁路等，这些材料统称为结构材料。 房屋 结构材料
1.2 功能设计的原理和方法
下图为材料显示功能的示意图。 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 材料的功能显示 材料的 的惊 。
材料 为
能
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功能材料按其功能的显示过程 功能的显示过程又可分为 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。 一次功能材料和二次功能材料。
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材料的特定功能与材料的特定结构是相联系的。 特定功能与材料的特定结构是相联系的 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； 如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键； 导电聚合物来说 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 金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应 弹性马氏体相变能产生记忆效应， 此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。 此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。 形状记忆合金
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有的则是通过光 有的则是通过光、电、磁、声、热、化学、生物化学 化学、 等作用后，使材料具有特定的功能，主要是光学功能、电 等作用后，使材料具有特定的功能，主要是光学功能、 光学功能 磁功能、声学功能、生体功能、分离功能、梯度功能、形 功能、声学功能、生体功能、分离功能、梯度功能、 功能 功能 功能 功能 状记忆功能、自适应功能等， 状记忆功能、自适应功能等，人们按照其性能常称为光学 功能 功能等 材料、磁性材料、电绝缘材料、超导材料、声学材料、生 材料、磁性材料、电绝缘材料、超导材料、声学材料、 物医学材料、分离材料、梯度功能材料、智能材料。 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、 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 功能材料。 器件。这些材料总称为功能材料。
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Ａ、一次功能 Ａ、一次功能
当向材料输入的能量和从材料输出的能量 输入的能量和从材料输出的能量属于 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。 同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料 能量传输部件的作用 的这种功能称为一次功能。 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 载体材料。 以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。
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1.1.2 功能材料的概念
功能材料是指通过光 化学、 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。 特定功能的材料 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 在国外，常将这类材料称为功能材料
Materials)、特种材料(Speciality Materials)或精细材料 、 (Fine Materials)。 。
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一次功能主要有下面的八种。 一次功能主要有下面的八种。
力学功能。 惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、 ①力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超 功能 塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。 塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。 功能。 隔音性、吸音性。 ②声功能。如隔音性、吸音性。 功能。 传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等 ③热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。 功能。 导电性、超导性、绝缘性和电阻等 ④电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。 功能。 硬磁性、软磁性、半硬磁性等 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 功能。 遮光性、透光性、折射光性、反射光性、 偏振光性、分光性、聚光性等 性、偏振光性、分光性、聚光性等。 化学功能。 吸附作用、气体吸收性、催化作用、 ⑦化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化 功能 学反应、酶反应等 学反应、酶反应等。 其他功能 功能。 放射特性、电磁波特性等 ⑧其他功能。如放射特性、电磁波特性等。
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日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意， 日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意， 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、 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， 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。 战略意义。