功能材料的分类及应用

功能材料的分类与应用

吉林农业大学资源与环境学院

摘要：随着时代的发展,各式各样的材料走进人们的生活中,功能材料也越来越多的应用到各行各业.功能材料已经是新材料领域的核心,是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。本文从功能技术材料、功能无机非金属材料、功能高分子材料、功能晶体材料、功能复合材料、具有特殊结构的功能材料等方面对功能材料进行了分类和描述，概述了功能材料在航天领域、环保领域以及防伪领域上的应用。

关键词：功能材料；分类；应用

功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。

1功能材料定义

功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称，即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质，或在其作用下表现出特殊功能的材料[1 ]。

2功能材料的分类

2.1功能金属材料[2]

2.1.1电性材料

包括导电材料：电阻材料，电阻敏感材料-应变电阻、热敏电阻、光敏电阻；电热材料；热电材料，主要用作热电偶。

2.1.2磁性材料

具有能量转换、存储或改变能量状态的功能,按矫顽力大小分为硬磁、半硬磁、软磁材料3种，广泛应用于计算机、通讯、自动化、音响、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。应用较多的有：金属软磁材料，金属永磁材料，磁致伸缩材料，铁氧体磁性材料。

2.1.3超导材料

具有零电阻特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。常规超导体；高温超导体：镧锶铜氧化物(La - Sr - Cu - O )、钇钡铜氧化物( YBa2Cu3O7 -δ) 、铋锶钙铜氧化物(Bi - Sr - Ca - Cu- O)、铊钡钙铜氧化物(Tl - Ba - Ca - Cu - O)、汞钡钙铜氧化物(Hg - Ba - Ca - Cu - O)、无限层超导体、钕铈铜氧化物(Nd - Ce - Cu - O) ；其它类型超导材料：金属间化合物(R - T - B - C)超导体，有机超导体和碱金属掺杂的C60超导体，重费米子超导体。

2.1.4膨胀材料和弹性材料

膨胀合金(低膨胀合金又称因瓦合金)，定膨胀合金又称封接合金、高膨胀合金，主要用作热双金属的主动层；弹性合金(包括高弹性合金)，主要用于航空仪表、精密仪表和精密机

械中作弹性元件，如弹簧、膜盒、波纹管、发条、轴尖等；恒弹性合金，按承载方式不同分静态和动态2类。

2.2功能无机非金属材料[2,3-8]

比较重要的有：功能陶瓷材料；功能玻璃材料；功能半导体材料；功能晶体材料；氧化物无机非金属超导材料和氧化物磁性材料等。

2.3功能高分子材料[2]

2.3.1化学功能和分离功能高分子材料

主要包括高分子催化剂，高分子试剂，高吸水性树脂，高分子絮凝剂，螯合树脂，离子交换树脂，分离膜材料等。

2.3.1光功能高分子材料

主要包括感光高分子材料(可发生光化学反应)，光导材料(塑料光导纤维，光曲线传播)，光致变色材料和光导电材料(能量转换)，光电材料，光盘(信息贮存)，高分子光敏剂，紫外线吸收剂、高分子液晶等。

2.3.3光磁(电) 功能高分子材料

主要包括导电高分子材料，光电导高分子材料，压电和热电高分子材料，声电高分子材料，高分子驻极体，高分子超导体，磁功能高分子材料(结构型与复合型)等。

2.3.4生物医用功能高分子材料

主要包括人工脏器用材料，如人工肾、心脏等；高分子药物及药用高分子；生物降解材料如生物降解塑料等。

2.3.5声功能高分子材料

主要包括吸音功能高分子材料，声电功能高分子材料等。

2.4功能晶体材料[2]

有天然晶体和人工晶体之分。晶体有许多宝贵的性质，如金刚石的超硬度、方解石的双折射，许多还能实现光、电、声、热、磁、力等不同能量形式的交互作用和转换。按化学分类可分为无机晶体和有机晶体；按状态分类可分为单晶、多晶、晶体薄膜和晶体纤维；作为功能材料，最常用的是按物理性质分类，如光学晶体、激光晶体、非线性晶体、压电晶体、电光晶体、磁光晶体、闪烁晶体等。

2.4.1光学晶体

一般指光学介质用的晶体(非线性)，主要用于光学仪器的透过窗口、棱镜、透镜、滤光和偏光元件及相位补偿镜等。按化学成分分为金属卤化物单晶、氧化物和含氧酸盐单晶、IV族与II - VI族化合物半导体单晶和多晶等。

2.4.1人造宝石晶体

宝石分为有机宝石和无机宝石，无机宝石分为天然宝石和人造宝石，人造宝石分为合成和仿制宝石。重要人造宝石有：钢玉类(红宝石、蓝宝石、白宝石等)；石英类(彩色水晶)；金刚石仿制品-立方氧化锆(CZ)等。

2.4.3非线性光学晶体

与强光有关的不同于线性光学现象的效应称非线性光学效应。其重要应用之一是激光频率转换晶体，用于红宝石激光器、可调谐激光器、半导体激光器。主要种类有：石英(α- SiO2)、磷酸二氢钾(KH2PO4，KDP)和磷酸二氘钾(KD2PO4，DKDP)、铌酸锂(LiNbO3)、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)、淡红银矿(Ag3AsS3)、α-碘酸锂(α- LiIO3)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4，KTP)、磷酸精氨酸(LAP)、偏硼酸钡(β- BBO)、三硼酸锂(LBO)、三硼酸锂铯(CsLiB6O40，CLBO)等。

2.4.4红外非线性光学晶体

此类较少，主要有单质晶体硒(S)和碲(Te)；二元化合物晶体硫化锌(α-ZnS，β- ZnS)、砷

化镓(GaAs)、硒化镉(CdSe)；三元化合物淡红银矿(硫砷银Ag3AsS3)、硫镓银(Ag2GaS2)、硫锗锌(ZnGeS2)、硫镓汞(HgGa2S4)、硒砷铊( Tl3AsSe3)、碲镉汞(HgCdTe2)等晶体。

2.4.5有机非线性光学晶体

习惯常按晶体主要成分分为苯基衍生物晶体、酰胺类晶体、吡啶衍生物晶体、酮衍生物晶体、有机盐类晶体、有机金属络(配) 合物晶体及聚合物晶体；按结构分为平面状、链状、类球状分子晶体及有机金属络合物等；按有机体的功能分为二阶、三阶非线性光学晶体和有机光折变晶体等。

2.5功能复合材料[2]

2.5.1磁性复合材料

包括永磁复合材料，软磁复合材料，磁记录复合材料，磁性流体(又称磁性液体)。

2.5.2电性复合材料

包括金属填充材料，电磁屏蔽复合材料，压电复合材料，超导复合材料。

2.5.3隐身复合材料

可分为涂料型和结构型，都是以树脂为基体的复合材料，以碳纤维、玻璃纤维、芳纶等为增强体，可同时兼具隐身和承载双重功能。

2.5.4抗声的复合材料

声波在材料内传递时材料的分子也随之运动，但其位相滞后，使材料内的部分声能变为热能而被吸收。

其它功能复合材料：主要有抗X射线辐射复合材料，仿生复合材料，摩擦功能复合材料，透光复合材料，热性能复合材料。

2.6具有特殊结构的功能材料[2,5,8]

2.6.1纳米结构材料

按纳米结构被约束的空间维数可分为4种：(1)零维的纳米原子团族；(2)一维纤维状纳米结构，长度显著大于宽度；如碳纳米管；(3)二维层状纳米结构，长度和宽度尺寸至少要比厚度大得多，晶粒尺寸在一个方向上为纳米级；(4)三维的纳米固体。目前人们对纳米材料进行了大量研究，重点是三维结构的纳米固体，其次是层状纳米结构，而对线状纳米纤维则研究得较少。

2.6.2贮氢材料

贮氢合金主要有镁系合金，稀土系合金，钛系和锆系合金。主要用于氢的贮存、净化和回收，氢燃料发动机，热-压传感器和热液激励器，氢同位素分离和核反应堆，空调、热泵和热贮存，加氢和脱氢反应催化剂，氢化物-镍电池。

2.6.3薄膜功能材料

半导体薄膜(半导体单晶薄膜，薄膜晶体管，太阳能电池，薄膜场致发光材料)；电学薄膜(集成电路中的布线，透明导电膜，绝缘膜，压电薄膜材料)；信息记录用薄膜(磁记录材料，巨磁电阻材料，光记录元件材料)；敏感薄膜(湿度传感器，各种气敏元件等等)；光学薄膜(防反射膜,薄膜激光器，光电导膜等。

2.6.4形状记忆材料

主要为形状记忆合金和高温型形状记忆金属间化合物，包括TiNi形状记忆合金，铜基形状记忆合金，铁基形状记忆合金。另外陶瓷和树脂中也发现形状记忆效应。

2.6.5减震材料

是具有结构材料应有的强度并能通过阻尼过程(也称为内耗)把震动能较快地转变为热能消耗掉的合金等。主要有动滞后型内耗(驰豫型内耗)，静滞后型内耗，阻尼共振型内耗。

2.6.6生物医学材料

简单地说，生物医学材料是用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组