功能材料概论 (2)演示教学

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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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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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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。
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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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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。
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二、功能材料的分类
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为实现材料设计，必须开展深入的基础研究，以 了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的数 据库；建立正确的物理模型；需要有大容量计算机； 更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力 合作。
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一、金属功能材料设计
金属功能材料按性能分主要包括磁性、电性、力学、热学、 光学、化学、生物功能材料和特种功能材料。
新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。
功能材料被誉为－－2l世纪人类文明的重要支柱
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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。
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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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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。 (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。
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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。
根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子 出发．也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。
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材料设计是一个很复杂的过程：
如材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学； 有些结构敏感性质(材料的力学性质)的可变因素太多， 即使一个微小缺陷都会产生很大影响；表面与内部结 构及性质的不一致性；复杂的环境因素等等。
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材料设计的实现是一个长期过程，其最终应达 到提出一个需求目标就可设计出成分、制造流程并 做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。
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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。
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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。
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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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)。
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因此，发展稀土功能材料对我国来讲具有重 要的战略意义和现实意义。
利用类似这种具有特殊功能的金属材料，是 金属功能材料开发的一个方面。
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(2)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
合金的迅速发展，给金属功能材料的发展提供了广 泛的空间。随着各种合金的开发，各种各样的金属功能 材料被开发出来，如纳米材料，大块非晶材料、真空快 淬材料、磁性形状记忆合金等。
功能材料学概论-----马如璋 蒋民华 （冶金工业出版社,1999） 功能金属材料------ 王正品 （化学工业出版社，2004年）
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第一章 电性材料
目录
第二章 磁性材料
第三章 超导材料
第四章 膨胀材料和弹性材料
第五章 储氢合金
第六章 非晶态合金
第七章 形状记忆材料
第八章 其他功能材料
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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(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。
金属功能材料的功能设计主要有以下两个方面。 (１)寻找具有特定功能的金属材料。 (２)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
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(1)寻找具有特定功能的金属材料
有些金属材料本身具有特定的功能，经过我们的 开发研究，可以对这些特定的功能加以利用。例如， 稀土功能材料的制备和应用。
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（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。
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(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
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
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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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。
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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。
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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 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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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。
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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 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。 ④电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。
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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。
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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。
功能金属材料
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主要参考资料
1、现代功能材料及其应用—郭卫生, 汪济奎（化学工业出版社,2002） 2、功能材料学---周馨我 (北京理工大学出版社,2002) 3、新型功能材料--- 贡长生，张克立(化学工业出版社,2001) 4、新型无机材料-----杨华明,宋晓岚,金胜明（化学工业出版社,2005） 5、信息和功能材料-----刘先曙 马傅华 辛秀田（宇航出版社,1998 ） 6、功能材料学概论-----马如璋 蒋民华 （冶金工业出版社,1999） 7. 功能金属材料------ 王正品 化学工业出版社，2004年 建议教材：
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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。
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。
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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。
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稀土功能材料主要包括稀土永磁材料来自百度文库稀土储 氢材料、信息显示材料、催化材料、超磁致伸缩材 料、巨磁电阻材料等，其应用遍及航天、航空、信 息、电子、能源、交通、医疗卫生等13个领域的40 多个行业。
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我国稀土资源非常丰富，其工业储量约占世界已 探明总储量6200万t的80％。将我国的稀土资源优势 变为产业优势和经济优势，使它的研究开发既能形成 一批新型高新技术产业，又能辐射、带动传统产业的 技术进步。
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。
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(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。
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(2)化学功能
①分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物； ②反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂； ③生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。
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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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