功能材料论文

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Z09016237 韩兴泉 复合材料加工及应用技术

功能材料的研究进展

随着经济的迅速发展，人们对材料的需求日益增加。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。功能材料作为现代技术的标志，引起了各国的关注，已经成为材料科学中的一个分支学科，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。本篇综述简单介绍了功能材料的基本性能、特点和分类及其发展现状和发展趋势。

1. 前言

材料是现代科技和国民经济的物质基础。一个国家生产材料的品种、数量和质量是衡量其科技和经济发展水平的重要标志。因此，现在称材料、信息和能源为现代文明的三大支柱，又把新材料、信息和生物技术作为新技术革命的主要标志。

材料的发展虽然历史悠久，但作为一门独立的学科始于20世纪60年代。材料的研究和制造开始从经验的、定性的和宏观的向理论的、定量的和微观的发展。20世纪70年代，美国学者首先提出材料科学与工程这个学科全称。1975年美国科学院发表的《材料与人类》专著中[1]，对材料科学与工程定义为：探索和应用材料的成分、结构、加工和其性质与应用之间关系的一门学科。

功能材料的概念是美国 Morton J A于1965年首先提出来的。功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用[2]。20世纪60年代以来，各种现代技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。同时，由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展以及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新功能材料不仅已经在实验室中研制出来，而且已经批量生产和得到应用，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。因此，功能材料学科已经成为材料科学中的一个分支学科。功能材料迅速发展是材料发展第二阶段的主要标志，因此把功能材料称为第二代材料。

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2. 功能材料的基本性能

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 。

功能材料按其显示功能的过程可分为一次功能和二次功能。一次功能是当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同种形式时, 材料起能量传送部件作用, 又称载体材料, 主要有: (1) 力学功能如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、高弹性、恒弹性、振动性和防震性; (2) 声功能如吸音性、隔音性; (3) 热功能如隔热性、传热性、吸热性和蓄热性; (4) 电功能如导电性、超导性、绝缘性和电阻; (5) 磁功能如软磁性、硬磁性、半硬磁性; (6) 光功能如透光性、遮光性、反射光性、折射光性、吸收光性、偏振性、聚光性、分光性; (7)

化学功能如催化作用、吸附作用、生物化学反应、酶反应、气体吸收; (8) 其它功能如电磁波特性( 常与隐身相联系) 、放射性。二次功能[3]是当向材料输入的能量和输出的能量属于不同形式时, 材料起能量转换部件作用, 又称高次功能,

主要有: (1) 光能与其它形式能量的转换, 如光化反应、光致抗蚀、光合成反应、光分解反应、化学发光、感光反应、光致伸缩、光生伏特效应、光导电效应; (2)

电能与其它形式能量的转换, 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、电光效应和电化学效应; (3) 磁能与其它形式能量的转换, 如热磁效应, 磁冷冻效应、光磁效应和磁性转变; (4) 机械能与其它形式能量的转换,

如压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应、机械化学效应、形状记忆效应和热弹性效应 。

3. 功能材料的特征

功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。迄今为止，功能材料尚无统一的和严格的定义。但一结构材料相比，有以下主要特征{4}:

（1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，这是最本质的特征。

（2）功能材料的聚集态和形态非常多样化，除了晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、准晶态、混合态和等离子态等。除了三维体相材料外，还有二维、

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一维和零维材料。除了平衡态，还有非平衡态。

（3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品，即材料元件一体化。

（4）功能材料是利用现代科学技术、多学科交叉的知识密集型产物。

（5）功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、密积化、智能化已经精细控制和检测技术。

目前，现代技术对物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料发展最快，品种多，功能新，商品化和实用率高，在已使用的功能材料中占了绝大部分。

4. 功能材料的分类

（1）功能金属材料。功能金属材料中为大家熟知的部分叫做传统的功能材料[5],

如电性、磁性、弹性等功能材料。另一部分属于新发展起来的材料, 如非晶合金、贮氢合金、形状记忆合金、超塑性合金及金属薄膜等。

（2）功能无机非金属材料。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[6]。

（3）功能高分子材料。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。功能高分子材料包括光功能高分子材料、光磁( 电) 功能高分子材料、生物医用( 机体外与机体内) 功能高分子材料[7]，生功能高分子材料等。

（4）功能晶体材料。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[8]。

（5）功能复合材料。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如:导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、摩

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擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。统称为功能复合材料[9]。功能复合材料主要由功能体和增强体及基体组成。功能体可由一种或以上功能材料组成。多元功能体的复合材料可以具有多种功能。同时，还有可能由于复合效应而产生新的功能。多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。

（6）具有特殊结构的功能材料。具有特殊结构的功能材料包括：纳米结构材料、贮氢材料、薄膜功能材料、形状记忆材料、智能材料与结构、减震材料、生物医学材料等。

5. 功能材料的发展现状

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[10]。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。

功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：

（1）单功能材料如导电材料、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、热控材料、隔声材料、发声材料、光学材料、发光材料、激光材料、非线性光学材料、示色材料、红外材料、光信息材料等。

（2）功能转换材料如压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、声能转换材料、电流变材料、电色材料、磁敏材料、磁致伸缩材料等。

（3）多功能材料如防振降噪材料、三防材料、耐热密封材料、电磁材料等。

（4）复合和综合功能材料如形状记忆材料、隐身材料、电磁屏蔽材料、传感材料、智能材料、环境材料、显示材料、分离功能材料等。

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（5）新形态和新概念功能材料，如液晶材料。非晶态材料、梯度材料、纳米材料、非平衡态材料等。

5.1 新型功能材料国外发展现状

当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段[11]。

超导材料 以 NbTi、Nb3Sn 为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；

SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。

高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场 [Hc2(4K)>50T] ，能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。正因为这些由本征特性Tc、Hc2 所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高Tc超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。