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功能材料简述
摘要：
近几十年来，世界对材料特别是功能材料的研究热度越来越大，也取得了一些突飞猛进的发展，功能材料不仅是发展信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升基础工业和传统产业的基础 ,直接关系到资源、环境及社会的可持续发展。军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。这篇论文主要简述了功能材料的分类及进展，并总结了未来几十年的可能发展方向。
关键词： 功能材料 材料 简述 分类 发展
一、 定义：
功能材料和结构材料之间并不存在不可逾越的鸿沟, 两者在一定条件下可以互相转化，不少材料既具有结构性， 又具有功能性， 在一些场合将其作结构材料用, 在另一些场合将其作功能材料用, 或者在同一场合既是结构材料又是功能材料， 也是不容忽视的事实􀀁 因此, 只能大休上划分两者的界限, 根据它们的基本性能特征，可以认为， 结构材料是以强度、刚度、韧性、硬度、耐磨性、疲劳强度等机械性能为主发展起来的材料，功能材料则是以声、光、电、磁、热等物理性能为主而发展起来的材料。故功能材料可以定义为那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。
二、 一次功能材料与二次功能材料
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。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。
（1）、一次功能材料
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。
一次功能材料主要有：
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；
声功能如吸音性、隔音性；
热功能如隔热性、传热性、吸热性和蓄热性；
电功能如导电性、超导性、绝缘性和电阻；
磁功能如软磁性、硬磁性、半硬磁性；
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；
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；
其它功能如电磁波特性（常与隐身相联系）、放射性。
（2）、二次功能材料
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。
二次材料主要有：
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；
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；
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；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 。
三、 功能材料的分类
从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。
（1）、力学功能材料
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。
（2）、化学功能材料
分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；
反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；
生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。
（3）、物理化学功能材料
电学功能材料：如超导体，导电高分子等；
光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；
能量转换材料：如压电材料、光电材料。
（4）、生物化学功能材料
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；
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；
生物降解材料
从构成物质的性质可以分为：
（1） 金属功能材料
金属功能材料是开发比较早的功能材料，随着高新技术的发展，一方面促进了非金属材料的迅速发展，同时也促进了金属材料的发展。许多区别于传统金属材料的新型金属功能材料应运而生，有的已被广泛应用，有的具有广泛应用的前景。如形状记忆合金的发现及各种形状记忆合金体系的开发研制，使得这类新型金属材料在现代军事、电子、汽车、能源、机械、宇航、医疗等领域得到广泛的应用。另一方面，非晶态合金由于具有优异的物理、化学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料。具有独特性能和用途的新型金属功能材料很多，如超导合金、纳米金属、高温合金、减振合金、储氢、多孔金属、金属磁性材料等。
按材料的成分和加工方法、形态及功能特征， 可将它们分成以下三类：
精密合金材料是具有特殊物理性能的金属材料， 因其具有特殊精密的成分，需要特殊精密的熔炼、浇注、加工和热处理方法而得名。
特珠形态材料，如果将金属或合金包括某些精密合金制成薄膜、纤维、粉末、多孔、镜面等特殊形态， 则可增强原有功能或显示出新的功能。例如用电镀、真空溅射、蒸镀、离子喷镀等方法将磁性合金沉积在非磁性(波动或金属)基板上而形成的极薄膜(数十至数百nm)，其可用于制作计算机的存贮器、逻辑器件等, 具有容量大、速度高等突出优点， 其开关特性比铁氧体快10~100 倍以上。锑艳合金、秘、艳等金属薄膜可用作封入型光电子倍增管的光电面材料。加热到40 0℃左右的金属把或其合金的薄膜， 很容易透过氢气， 而其它气体则几乎完全不能透过，利用这种对氢的选择透过性质，可制成氢的净化装置。
能量转换材料，能进行能量转换的金属材料(包括某些精密合金和特殊形态材料)， 属于二次功能材料。例如，贮氢金属材料，即某些金属或合金在高压低温的氢气中， 能生成金属氢化物而吸藏氢气； 在相反条件下，又可将这些氢气放出。这就是在氢的贮藏和运输方面独树一格的贮氢合金。还有一些法拉第电磁材料，当光通过被磁化的非活性物质时， 光的偏振面会发生旋转， 这种磁致旋转就是法拉第效应。利用这种磁光效应可制成密度高、容量大、速度快的光贮存器。先将磁膜沉积在透光基片上，再用“ 居里点写象法” 或补偿刚度法” 将信息记录在磁膜上。当以较弱的偏振激光穿过磁膜时， 测出激光偏振面的旋转角， 就可以将所记录的信息解读出来。
（2） 无机功能材料
无机功能材料包括非金属无机晶体， 陶瓷和玻璃，种类繁多， 这里也分三类进行介绍。
.精密陶瓷材料
这是与传统陶瓷在成分上不同的新陶瓷材料， 一般不含玻璃质和粘土成分，质地致密而均匀，例如具有钙钦矿型晶格结构的钦酸钡。利用其介质常数大、高频损耗小、耐压高的特点， 可作为电容器的重要材料。日本在p b 四元系压电陶瓷中添加Mno 和Sb20 ， 使大功率性能进一步提高， 动应力的线性范围变宽。还发展了一种改性P b TI O陶瓷，用Na 部分置换Pb ，用Mn 和In 部分置换Ti , 采用TIO细粉工艺及埋粉烧结法， 不仅弹性波损耗小， 而且最高使用频率由一般P Z T 陶瓷的10 MHz提高到6 0MHz。还有一些半导体与超导体材料，这里就不在累述。
特珠形态材料
同金属功能材料中的情况相似， 如将某些无机材料制成薄膜、纤维、粉末、多孔等特殊形态， 也可以产生种种功能， 成为功能材料。例如采用CV D (化学气相沉积)或P V D(物理气相沉积)方法， 可得到薄膜状陶瓷材料， 产生一些有用的功能。用超纯石英等无机材料可制成光导纤维。它弥补了传统光学机械的主要元件一透镜租棱镜的不足。新发展起来的集束型光导纤维， 能原封不动地传送光的位相， 为发展光纤通讯创造了良好条件。光纤通讯不仅传送距离远、容量大、 抗干扰能力强、保密性强， 而且体积小、重量轻, 成本低。
.能量转换材料
具有能量转换能力的材料有很多，如将热能转换为磁能的材料，可以利用这个特性制作温度传感器。将热能转换为光能的材料，许多陶瓷材料在高温时都具有优良的红外线辐射能力（受热物体的热辐射能与辐射体温度的四次方成正比，随着辐射体温度的升高，辐射波长的峰值向短波方向移动）， 可制成有效的红外线加热元件。将热能转换为电能的材料，那些热敏电阻材料和一些热点元件都是这中材料制作而成。将热能转换为机械能，这个典型的是雅典陶瓷。将电能转换为热能的材料，可以做成坩埚，利用其抗熔融金属浸泡的能力，来熔炼铂
、钯、锗等难熔金属。将热能转换为光能的材料，可以用作光放大器、影响贮存器和发光二极管等。
（3） 有机功能材料
有机功能材料， 特别是合成高分子材料， 在过去几十年， 随着石油化学工业的发展而取得迅速成长。
.一般功能材料
如B akelite 酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯(PE )、聚苯乙烯(PS ) 、聚丙烯(PP )等具有良好的绝缘性能，可作绝缘件。聚甲基丙烯酸(PMMA )即有机玻璃， 透光性极佳， 可透过99%以上的太阳光， 同时具有与玻璃类似的折射、吸收等功能。聚四氟乙烯俗称塑料王， 几乎能耐所有化学药品的腐蚀， 包括王水。泡沫聚氨脂塑料具有优良的弹性及隔热性， 可作隔热、隔音及吸振材料。
特殊形态材料
许多有机材料被制成特殊形态后， 也可以显示或增强功能。例如有机薄膜材料可用作偏振光膜、滤光片、电磁传感器、薄膜半导体、接点保护材料、防蚀材料等。尤其是在超细过滤、逆渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面获得广泛应用。有机纤维材料可用于二次电子倍
增管或作离子交换纤维。
能量转换材料
在各种有机能量转换材料中，有机压电材料正在崭露头角。现已实用化的有聚氟化乙烯及其共聚物，它们与无机系压电晶体相比， 压电性是小的，但它们容易加工， 可作成大面积的和弯曲的薄膜， 并且可以只在薄膜的特定部位产生压电性。目前， 有机压电材料已在耳机立体声头戴式话筒、电容式微型话筒和超声波换能器中应用。如果把PZT微粒分散在聚氟化乙烯中，就可以制得兼有高压电性和优良加工性的柔性材。
四、 功能材料的发展前景与展望
材料是人类进步的里程碑，是现代社会文明的支柱。美、欧、日等工业发达国的经济起步是从传统材料—钢铁开始的。现在这些国家传统材料的技术已完善， 产量已饱和。它们的注意力已转向新型材料包括新型功能材料和结构材料。
日本政府把传感器技术、 计算技术、通信技术、 激光技术、 半导体技术列为当代六大关键技术，而这六项技术内物质基础都是功能材料。日本制订了世纪产业基础技术开发计划， 共涉及46个领域，其中13个领域是功能材料，即常温超导材料，非线性光学材料， 强磁性材料， 高分子功能材料，新型功能碳素材料， 功能非晶态材料，精密陶瓷材料，硅化学材料， 新型微电子材料等。
（1）电功能材料包括传统的导电材料， 超导材料， 电阻材料， 半导体材料， 引线框架
材料， 搭焊金属导线， 彩电显象管阴罩带材，阴极材料和电敏感功能材料等。近几年来国外如日本用非晶硅薄膜晶体管有源矩阵驱动实现高分辨率、快速响应的平面液晶显示技术取得了突破性进展。这种显示屏可应用于电视机和电子计算机终端显示，, 它的优点是清晰度高、 工作电压低、 可用电池作电源、电少, 体积小、 重量轻、无软射线等。
（2）磁功能材料包括稀土永磁材料、 铁氧体磁性材料、 硅纲片、粘结磁体、 非晶态软磁材料、铝荃复合磁性材料、磁流体、磁屏蔽材料、 磁记录材料、磁致伸缩材料、 磁致冷材
料、磁敏感功能材料等。
（3）光功能材料包括光反射材料、 光吸收材料、导光光纤材料、 光记录材料、 激光材料、 非线性光学材料、光电转换材料等。目前人类社会正在由微电子时代向光电子时代过渡， 光功能材料在现代科技中将日趋重要。
（4）弹性（声与振动）功能材料。这一类材料涉及形状记忆材料、 超弹性材料、 高弹性
材料、恒弹性材料、 高阻尼减震材料等。
（4） 其他功能材料。如一些特殊功能材料，金属间化合物功能材料，非平衡态功能材料，生体用金属材料等。
五、 结束语
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。
在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。我国对功能材料的发展也很重视，我国高技术(863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。
世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。我国在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。但是，我们应该看到，我国功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。
参考文献
[1] 燕战秋 功能材料概论 武汉工学院
[2] 周寿增 王润 功能材料的发展 北京科技大学
[3] 田民波 郭有江 磁性材料发展 物理与工程 2002
[4] Functional Materials and Biomaterials 2007926112
[5] Claus Feldmann Polyol-Mediated Synthesis of Nanoscale Functional Materials