功能材料讲义

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1、绪论人们认为21世纪人类文明的三大支柱是信息、能源、材料。对材料而言，目前新材料的作用日趋重要。1986年我国制定的《高技术发展计划纲要》中，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，代表了科学技术发展的前沿。所谓新材料，可以简单的说，是“在近阶段将达到实用化的高功能材料”，一般认为可以包括：晶须材料、非晶材料、超塑性材料、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。新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。目前关于结构材料和功能材料

2、分类的严格定义还不统一。多数人认为.结构材料是以强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料。功能材料是以声、光、电、磁、热等物理性能为特征的材料。有些人认为功能材料的范围特别广泛。例如，日本的大森丰明认为“功能材料是综合运用最新科技知识，用改变成分和组织、加入添加元素和改进制造工艺等方法获得的具有特殊性能的材料”。我国一些学者认为，所谓现代功能材料是指用于工业和技术屮的有关物理功能，即具有特定光、电、磁、声、热等特性的各类材料。但不管定义如何，这一类的材料发展十分迅速，而且值得注意的是，科

3、学技术的发展，各种材料的潜在性能正在被开发，同一种材料在不同的条件下使用，其功能作用也可以改变。例如，铝合金是结构材料，但二次放射性和低温特性优异，又可充当功能材料使用。功能材料按其显示功能的过程（物理性质）可分为一次功能材料和二次功能材料。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种形式吋，材料起能量传送部件作用，材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的材料也可以称之为载体材料。一次功能主要有：1.力学功能惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、高弹性、恒弹性、振动性和防振性2.声功能如

4、吸音性和隔音性3.热功能如隔热性、传热性、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。5.磁功能如软磁性、硕磁性、半硕磁性等。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、分光性等。7.化学功能如催化作用、吸附作用、生物化学反应、酶反应、气体吸收性等。8.其它功能如电磁波特性（常与隐身相联系）、放射特性等。二次功能当向材料输入的能量和输出能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用。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功能材料。二次功能按能量的转换系

5、统可以分为：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，光生伏持效应和光导电效应。1.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等。2.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等。3.机械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等。按材料的化学键分类，功能材料分为功能性金属材料、功能

6、性无机非金属材料、功能性有机材料和功能性复合材料。按功能材料的应用领域分类，这样有电子材料、军工材料、核材料、信息工业用材料、能源材料、医学材料等。不管采用哪一种方法在把千差万别的具体各品种功能材料分类时都会遇到这样或那样的困难。因之在编辑有关功能材料的书籍时，经常把某一两种或多种分类法兼顾采用，或者不提所采用的分类方法，或者说采用了混合分类法。教材《功能材料概论》(哈尔滨工业大学岀版社)即采用了混合分类法。无论那种功能材料，其能暈传递过程或者能暈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

7、二门基础科学，为新兴学科一一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。目前用于功能材料制备的方法很多，如：快速凝固、镀膜、超晶格、机械合金化、溶胶■凝胶、极限条件(极高温、高压、高真空、失重等)下制备的方法、复合及杂化、晶须及大单晶制备法等等，这些方法的发展和使用加快了新品种的开发和质暈的提高。在新材料探索过程中，进一步认识物质世界的各种规律，论证原有理论与观点或发现其局限性。举例说明：1•溶胶■凝胶方法：在溶胶■凝胶方法中常是把含有Si、Al、Ti、B等网络形成元素的桂氧化物作为母体.以添

8、加碱或酸作催化剂，在酒精溶液中使绘氧化物水解，浓聚而形成链的无机氧化物网络Si(OR)4+xH2O>Si(HO).v(OR)4-x+xROHn[Si(HO)XOR)4.J*«SiO2+»(x-2)H2O4-n(4-x)R(OH)改变母体的化学成分和生成条件，就可改变冷凝物的拓扑结构，可从无水氧化物的致密球变为稀疏的分枝状结构，以满足特定的使用要求。无水氧化物具有可以控制微孔尺寸、微孔体积、折射率和化