功能材料课件：功能材料1-1

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1、1功功 能能 材材 料料 2主要参考资料主要参考资料1、现代功能材料及其应用现代功能材料及其应用郭卫生郭卫生,汪济奎（化学工业出版社汪济奎（化学工业出版社,2002）2、功能材料学、功能材料学-周馨我周馨我(北京理工大学出版社北京理工大学出版社,2002)3、新型功能材料、新型功能材料-贡长生，张克立贡长生，张克立(化学工业出版社化学工业出版社,2001)4、新型无机材料、新型无机材料-杨华明杨华明,宋晓岚宋晓岚,金胜明（化学工业出版社金胜明（化学工业出版社,2005）5、信息和功能材料、信息和功能材料-刘先曙刘先曙 马傅华马傅华 辛秀田（宇航出版社辛秀田（宇航出版社,1998）6、功能材料学

2、概论、功能材料学概论-马如璋马如璋 蒋民华蒋民华 （冶金工业出版社（冶金工业出版社,1999）7、功能材料概论、功能材料概论-殷景华殷景华（哈尔滨工业大学出版社，（哈尔滨工业大学出版社，2009）8、功能材料及其应用、功能材料及其应用-张骥华（机械工业出版社，张骥华（机械工业出版社，2009）9、现代功能材料、现代功能材料-陈玉安等陈玉安等（重庆大学出版社，（重庆大学出版社，2008）3随着时代的发展，人类将进入一个信息时代随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决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，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

3、高科技的方法和手段来生产更需要用高科技的方法和手段来生产新型的新型的、功能性的功能性的产品，产品，以获得各种优良的综合性能。近年来以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料新型功能材料层出不穷，层出不穷，得到了突破性的进展。得到了突破性的进展。4日本和欧美各国对日本和欧美各国对新型功能材料新型功能材料的研究十分的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等电子、激光等现代科学的基础现代科学的基础，功能材料在未来，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。的社会发展中具有重大战略意义。5 近近10年来，功能材料成为年来，功能材料

4、成为材料科学和工程领材料科学和工程领域中域中最为活跃的部分。每年以最为活跃的部分。每年以5以上的速度增以上的速度增长，相当于每年有长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世万种新材料问世。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。在渗透到现代生活的各个领域。6 一、功能材料的概念一、功能材料的概念 功能材料是指通过功能材料是指通过等作用等作用后具有后具有的材料。的材料。在国外，常将这类材料称为在国外，常将这类材料称为(Functional Materials)、(Speciality Materials)或或(Fi

5、ne Materials)。7涉及面较广，具体包括涉及面较广，具体包括、，等。等。这类材料相对于通常的这类材料相对于通常的而言，一般除而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。8材料的材料的与材料的与材料的是相联系的。是相联系的。如对于如对于导电聚合物导电聚合物来说，它一般具有来说，它一般具有长链共轭双键长链共轭双键；金属结构中由于金属结构中由于弹性马氏体相变弹性马氏体相变能产生记忆效应，能产生记忆效应，因此出现了因此出现了形状记忆合金形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极；压电陶瓷晶体必须有极轴等。轴等。9功能材料是一门新的学科，目前对它进行功能

6、材料是一门新的学科，目前对它进行尚有一定的难度，就像许多化学变尚有一定的难度，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低级运动一样，功能材料既遵循材料的和和又具有其又具有其。因此可认。因此可认为是为是10 二、二、随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料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。从法。从考虑，可将功能材料分为以下四类。考虑，可将功能材料分为以下四类。11 主要是指主要是指和和，如高，

7、如高结晶材料、超高强材料等。结晶材料、超高强材料等。12功能材料：如功能材料：如分离膜分离膜，离子交换树脂离子交换树脂、高分子络合物高分子络合物；功能材料；如功能材料；如高分子试剂高分子试剂、高分子催化剂高分子催化剂；功能材料：如功能材料：如固定化菌固定化菌，生物反应器生物反应器等等。13功能材料：如功能材料：如超导体超导体，导电高分子导电高分子等；等；功能材料：如功能材料：如光导纤维光导纤维、感光性高分子感光性高分子等等；材料：如材料：如压电材料压电材料、光电材料光电材料。14功能材料：人工脏器用材料如功能材料：人工脏器用材料如人工肾人工肾、人工心肺人工心肺，可降解的可降解的医用缝合线医用缝

8、合线、骨钉骨钉、骨板骨板等；等；：如：如缓释性高分子缓释性高分子，药物活性高分子药物活性高分子，高分高分子农药子农药等；等；材料材料15 下图为材料显示功能的示意图。下图为材料显示功能的示意图。输入输入材料材料输出输出材料的材料的是指向材料输入某种能量，经过材料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。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。16功能材料按其功能材料按其又可分为又可分为和和。17当向材料当向材料和从材料和从材料属于属于时，材料起到时，材料起到部件的部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。作用。材料的这种功能称为一次功能。

9、以一次功能为使用目的的材料又称为以一次功能为使用目的的材料又称为。18。功能。如功能。如惯性惯性、粘性粘性、流动性流动性、润滑性润滑性、成型性成型性、超塑性超塑性、恒弹性恒弹性、高弹性高弹性、振动性振动性和和防震性防震性。功能。如功能。如隔音隔音性、性、吸音吸音性。性。功能。如功能。如传热传热性、性、隔热隔热性、性、吸热吸热性和性和蓄热蓄热性等。性等。功能。如功能。如导电导电性、性、超导超导性、性、绝缘绝缘性和性和电阻电阻等。等。19功能。如功能。如硬磁性硬磁性、软磁性软磁性、半硬磁性半硬磁性等。等。功能。如功能。如遮光性遮光性、透光性透光性、折射光性折射光性、反射光性反射光性、吸吸光性光性、

10、偏振光性偏振光性、分光性分光性、聚光性聚光性等。等。功能。如功能。如吸附作用吸附作用、气体吸收性气体吸收性、催化作用催化作用、生物生物化学反应化学反应、酶反应酶反应等。等。功能。如功能。如放射特性放射特性、电磁波特性电磁波特性等。等。20 当向材料当向材料和从材料和从材料属于属于时，材料起时，材料起部件作用，材部件作用，材料的这种功能称为料的这种功能称为二次功能二次功能或或高次功能高次功能。有人认为。有人认为这种材料才是真正的功能材料。这种材料才是真正的功能材料。21二次功能按二次功能按可分为如下四类可分为如下四类。能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；能与其

11、他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换。能与其他形式能量的转换。22如如反应、反应、反应、反应、反应、反应、，反应，反应，效应和效应和效应。效应。能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换23如如效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应和效应和效应等效应等。能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换24能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换如如效应、效应、效应、效应、效应和效应和效应等。效应等。25能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换。如如效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应、效应

12、、效应、效应和效应和效应等。效应等。26按按分，功能材料还可分为：分，功能材料还可分为：功功能材料、能材料、功能材料和功能材料和功能材料。功能材料。27无论哪种功能材料，其无论哪种功能材料，其或者或者所涉及的微观过程都与所涉及的微观过程都与固体物理固体物理和和固体化学固体化学相相联系。正是这两门基础科学为新兴学科联系。正是这两门基础科学为新兴学科功能材料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究和应用。它们把功能材料推进到的时代。的时代。28所谓所谓，就是赋予材料以，就是赋予材料以或或特性的科学方法。有人

13、认为特性的科学方法。有人认为21世纪将逐世纪将逐渐实现渐实现材料。材料。29一般都认为由一般都认为由组成，即组成，即、与与。但考虑到结构与成分并非同义词，。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，所以出现不同性能，所以应为五要素，即应为五要素，即、与与。根据材料所要求的性能不同，根据材料所要求的性能不同，可以从可以从电子电子、光光子子出发也可从出发也可从原子原子、原子集团原子集团出发，可以从出发，可以从微观微观、显微显微到到宏观宏观。30是一个很复杂的过程：是一个很复杂的过程：如如材料的

14、制备材料的制备与与往往属于往往属于；有些结构敏感性质有些结构敏感性质(材料的力学性质材料的力学性质)的的太多，太多，即使一个微小缺陷都会产生很大影响；即使一个微小缺陷都会产生很大影响；结结构及性质的不一致性；复杂的构及性质的不一致性；复杂的等等。等等。31是一个是一个，其最终应达，其最终应达到到就可就可、并并以至零件、器件或构件。以至零件、器件或构件。32为实现为实现，必须开展深入的，必须开展深入的，以，以了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的；建立正确的；建立正确的；需要有；需要有；更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力更重要的是要不

15、同学科科学家与工程技术人员的通力合作。合作。33 金属功能材料金属功能材料分主要包括分主要包括磁磁性、性、电电性、性、力学力学、热学热学、光学光学、化学化学、生物功能材料生物功能材料和和特种功能材料特种功能材料。金属功能材料的金属功能材料的主要有以下两个方面。主要有以下两个方面。()寻找寻找具有特定功能的金属材料。具有特定功能的金属材料。()利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。34有些金属材料本身具有特定的功能，经过我们的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，开发研究，可以对这些特定的

16、功能加以利用。例如，的制备和应用。的制备和应用。35主要包括主要包括材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材材料、料、材料等，其应用遍及航天、航空、信材料等，其应用遍及航天、航空、信息、电子、能源、交通、医疗卫生等息、电子、能源、交通、医疗卫生等13个领域的个领域的40多个行业。多个行业。36我国我国非常丰富，其工业储量约占世界非常丰富，其工业储量约占世界已探明总储量已探明总储量6200万万t的的80。将我国的稀土。将我国的稀土变为变为和和，使它的研究开发既能，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。产

17、业的技术进步。37因此，发展因此，发展对我国来讲具有重对我国来讲具有重要的战略意义和现实意义。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，是利用类似这种具有特殊功能的金属材料，是开发的一个方面。开发的一个方面。38合金的迅速发展，给合金的迅速发展，给提供了广提供了广泛的空间。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，如材料被开发出来，如纳米材料纳米材料，大块非晶材料大块非晶材料、真空快真空快淬材料淬材料、磁性形状记忆合金磁性形状记忆合金等。等。39 无机非金属功能材料的无机非金属功能材料的是是和和。无机非金属功能材料进

18、行功能设计的方。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：法主要有以下两种：(1)根据功能的要求根据功能的要求。(2)根据功能的要求根据功能的要求。40无机非金属功能材料的无机非金属功能材料的配方比较复杂配方比较复杂，每种不同功能，每种不同功能的无机非金属功能材料采用不同的配方。的无机非金属功能材料采用不同的配方。无机非金属功能材料无机非金属功能材料决定了无机非金属功决定了无机非金属功能材料的能材料的。比如比如功能玻璃功能玻璃包括包括、等。等。41无机非金属功能材料的无机非金属功能材料的根据所需功能的不同，根据所需功能的不同，有的采用有的采用无机非金属材料加工工艺，有的采用无机非金属

19、材料加工工艺，有的采用加工工艺。加工工艺。可以得到可以得到的无机非金属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。的制造是非常重要的。42功能高分子材料功能设计的主要途径如下：功能高分子材料功能设计的主要途径如下：(1)通过通过合成新功能。合成新功能。(2)通过通过赋予材料以功能特性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通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的获得新功能。获得新功能。(4)通过对材料进行各种通过对材料进行各种以获得新功能。以获得新功能。43 分子设计包括高分

20、子分子设计包括高分子和和，它是使高分子材料获得具有一定化学结构的它是使高分子材料获得具有一定化学结构的的主要方法，因而又称为的主要方法，因而又称为。44例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结构中构中，从而合成出，从而合成出。合成。合成可供选择的可供选择的有：有：共聚合共聚合、接技聚合接技聚合、嵌段聚合嵌段聚合、界面缩界面缩聚聚、交联反应交联反应、官能团引入官能团引入、模板聚合模板聚合、管道聚合管道聚合、交替共交替共聚聚以及以及用高聚物作支持体的聚合用高聚物作支持体的聚合等。等。45这种方法又称为这种方法又称为。例如：。例如：高分子材料通

21、过高分子材料通过制作制作偏振光膜偏振光膜、滤光片滤光片、电磁传感电磁传感器器、薄膜半导体薄膜半导体、薄膜电池薄膜电池、接点保护材料接点保护材料、防蚀材料防蚀材料等，尤等，尤其是在超细过滤、反渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面其是在超细过滤、反渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面取得了广泛的应用。取得了广泛的应用。高分子材料高分子材料可用于可用于二次电子倍增管二次电子倍增管或作或作离子交换纤维离子交换纤维。对于高分子材料来说，最引人注目的是对于高分子材料来说，最引人注目的是的开发应用。的开发应用。46例如借助纤维复合、层叠复合、细粒复合、骨架复合、例如借助纤维复合、层叠复合、细粒复合、骨架复合

22、、互穿网络等方法。互穿网络等方法。关于这方面的理论，近年来还提出了所谓关于这方面的理论，近年来还提出了所谓。即如。即如A组分具有组分具有X/Y功能功能(即对材料施加即对材料施加X作用，可得作用，可得Y效应，例如加压生电效应，例如加压生电)，B组分有组分有Y/Z功能，则复合之后可功能，则复合之后可产生产生(X/Y)(Y/Z)X/Z的新功能。根据这个原理，已试制的新功能。根据这个原理，已试制出出等一批新型复合功能高分子材料。等一批新型复合功能高分子材料。47将上述各种方法的适当组合就可以设计得将上述各种方法的适当组合就可以设计得到所需要的各种功能材料。到所需要的各种功能材料。是是当代材料技术的重大

23、成就之一。当代材料技术的重大成就之一。48 功能材料是目前材料领域功能材料是目前材料领域的新领域。的新领域。功能材料虽然制备过程复杂，产品产量小，但功能材料虽然制备过程复杂，产品产量小，但是利润较高。其主要原因是基于其是利润较高。其主要原因是基于其。49功能材料的功能材料的之间存在着密切的联之间存在着密切的联系，材料的系，材料的骨架骨架、功能基团功能基团以及以及分子组成分子组成直接影直接影响着材料的宏观结构与材料的功能。响着材料的宏观结构与材料的功能。研究功能材料的研究功能材料的，可，可以指导开发更为先进、新颖的功能材料。以指导开发更为先进、新颖的功能材料。50不同种类的功能材料各具特色。不同

24、种类的功能材料各具特色。是是开发比较早开发比较早的功能材料，随的功能材料，随着高新技术的发展，一方面促进了着高新技术的发展，一方面促进了非金属材料非金属材料的的迅速发展，同时也促进了迅速发展，同时也促进了金属材料金属材料的发展。的发展。51许多区别于许多区别于的的应运而生，有的已被广泛应用，有的具有广泛应用应运而生，有的已被广泛应用，有的具有广泛应用的前景。的前景。如如的发现及各种的发现及各种的开发研制，使得这类新型金属材料在现代军事、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、医疗等领域得到电子、汽车、能源、机械、宇航、医疗等领域得到广泛的应用。广泛的应用。52

25、另一方面，另一方面，由于具有由于具有优异的物理、优异的物理、化学性能化学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料。，是一种极有发展前景的新型金属材料。具有具有的新型金属功能材料很多，的新型金属功能材料很多，如如、材料等。材料等。53的发展速度也很快，新的发展速度也很快，新的种类也是层出不穷。它以的种类也是层出不穷。它以和和为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。54组合化学作为组合化学作为的一个新分支，它展现出巨大的的一个新分支，它展现出巨大的发展潜力。组合化学与发展潜力。组合化学与计算机科学计算机科学相结合，特别是与相结合，特别是与数据库数据库技术技术相结合

26、，是组合化学发展的未来方向。相结合，是组合化学发展的未来方向。主要集中在具有特殊主要集中在具有特殊光光、电电、磁磁和和催化催化等性质的材料上。其主要表现在以下五个方面：等性质的材料上。其主要表现在以下五个方面：55它是以它是以、中存在的中存在的为基础，组合合成具有设计结构单元的化合物。为基础，组合合成具有设计结构单元的化合物。的的合成与表征合成与表征包括包括发光材料发光材料、铁电铁电及及介介电材料电材料、巨磁阻材料巨磁阻材料等。等。(1)或或的组合化学的组合化学56(2)无机功能材料组合无机功能材料组合与与的基础研的基础研究。究。(3)和和组合化学。它包括激光喷涂组合化学。它包括激光喷涂组合化

27、学研究，主客体组装组合化学等。组合化学研究，主客体组装组合化学等。57(4)固体氧化物燃料电池中固体氧化物燃料电池中(600800)区区工作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。工作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。(5)从从研究材料的研究材料的、及及，获得所需材料体系的获得所需材料体系的，同时进行，同时进行，由此全，由此全面掌握不同面掌握不同组成组成、结构和、结构和工作温度工作温度下的材料特性。下的材料特性。58无机材料组合化学研究应在具有雄厚条件的基无机材料组合化学研究应在具有雄厚条件的基础上，利用础上，利用思想来指导不同材料库思想来指导不同材料库的建立，完善材料合成的的建立，完善

28、材料合成的及及，将，将与与相结合，从而相结合，从而最终实现无机功能材料的定向合成。最终实现无机功能材料的定向合成。59和和是无机非金属功能材料中的主是无机非金属功能材料中的主要组成部分，近年来得到了迅速的发展。要组成部分，近年来得到了迅速的发展。除了具有普通玻璃的一般性质以外，除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多还具有许多，如，如磁光玻璃磁光玻璃的磁的磁光转换性能、光转换性能、声光玻璃声光玻璃的声光性、的声光性、导电玻璃导电玻璃的导电性、的导电性、记忆玻璃记忆玻璃的记的记忆特性等。忆特性等。60以以为代表。作为代表。作为蓝光、可见光元件上的为蓝光、可见光元件上的转换材料转换材料、光存储显

29、示材光存储显示材料料及各种及各种非线性光学玻璃非线性光学玻璃特别引人注意，它们将占特别引人注意，它们将占据未来的光量子时代，是据未来的光量子时代，是功能玻璃材料研究的主要功能玻璃材料研究的主要方向方向。快离子导体玻璃的发展也很快，有机。快离子导体玻璃的发展也很快，有机无机无机复合玻璃是玻璃研究者的又一大开拓目标。复合玻璃是玻璃研究者的又一大开拓目标。61有以下几方面发展趋向：有以下几方面发展趋向：(1)微电子技术推动下的微电子技术推动下的(薄片化薄片化)和和；(2)在安全和环保工作的促进下，发展在安全和环保工作的促进下，发展和和；(3)重视重视技术；技术；(4)加速加速。62科学的发展，特别是

30、科学的发展，特别是促进了促进了。另一方面，。另一方面，与与关系很大。关系很大。例如例如量子物理量子物理、量子化学量子化学的发展促进了的发展促进了纳米陶瓷纳米陶瓷、磁性磁性陶瓷陶瓷等技术的发展；等技术的发展；半导体物理半导体物理的发展促进了各种的发展促进了各种电介质陶电介质陶瓷瓷、压电陶瓷压电陶瓷的发展和应用；特别是的发展和应用；特别是缺陷物化缺陷物化的进展，使掺的进展，使掺杂改性大面积地用于各种功能材料，包括无机非金属功能材杂改性大面积地用于各种功能材料，包括无机非金属功能材料和功能高分子材料。料和功能高分子材料。63促进促进也有很多，例如：也有很多，例如：信息自动化信息自动化促进了传感器；促

31、进了传感器；薄膜变薄薄膜变薄涉及粉体制备技术；薄膜涉及粉体制备技术；薄膜技术发展又促进技术发展又促进铁电存储器铁电存储器的应用；的应用；高纯原料高纯原料为功能陶瓷的发为功能陶瓷的发展创造了条件。展创造了条件。也影响材料发展，原来的也影响材料发展，原来的显微图像显微图像是利用是利用成像，而近代利用成像，而近代利用或或可分别得出可分别得出及及，从而揭示了新现象，对功能陶瓷作，从而揭示了新现象，对功能陶瓷作用很大。用很大。64各学科之间、各学科之间、学科与工艺技术学科与工艺技术之间的之间的，对无机非金属功能材料的发展产生了深远，对无机非金属功能材料的发展产生了深远的影响。的影响。各学科的交叉，使各种

32、各学科的交叉，使各种开开始变得模糊，甚至各种材料组成的复合材料可通过始变得模糊，甚至各种材料组成的复合材料可通过获得最佳性能以及得到其他新功能。获得最佳性能以及得到其他新功能。651影响功能高分子材料影响功能高分子材料“功能性功能性”的的 结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性能，主要与其结构因素有关。能，主要与其结构因素有关。、，如，如润湿性润湿性、溶胀性溶胀性，骨架的邻位效应骨架的邻位效应等；等；、在分子中起到特殊关键作用的、在分子中起到特殊关键作用的。66 功能高分子材料的制备一般是指通过功能高分子材料的制备一般是指通过将

33、将与与相结合的过程。相结合的过程。功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型：功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型：是是固定在骨架材料上；固定在骨架材料上；是是的功能化；的功能化；是是的功能扩展。的功能扩展。67 用于功能材料制备的新方法很多。例如：用于功能材料制备的新方法很多。例如：、(极高温、极高温、高压、高真空、失重等高压、高真空、失重等)的方法、的方法、及及制备法等等。这些方法的发展与使用加快了制备法等等。这些方法的发展与使用加快了新品种的开发和质量的提高。新品种的开发和质量的提高。68在溶胶在溶胶凝胶方法中，常是把含有凝胶方法中，常是把含有Si、A1、Ti、B等网络等网络形成元

34、素的形成元素的作为母体，以添加作为母体，以添加作作，在酒，在酒精溶液中使烃氧化物水解、浓聚而形成精溶液中使烃氧化物水解、浓聚而形成 M M链的无机氧化物网络。链的无机氧化物网络。xROHORHOSiOxHORSixx42)()()()()4()2()()(224OHRxnOHxnnSiOOROHSinxx69通过改变通过改变和和，就可改，就可改变变的拓朴结构，可从无水氧化物的的拓朴结构，可从无水氧化物的变变为稀疏的为稀疏的，以满足待定的使用要求。，以满足待定的使用要求。无水氧化物具有可以控制无水氧化物具有可以控制、和和的特点。这对于高技术的应用是的特点。这对于高技术的应用是有利的。有利的。70

35、通过快淬快凝工艺可以得到通过快淬快凝工艺可以得到在常规条件下在常规条件下的的。亚稳相可以是材料的亚稳相可以是材料的，也可能是为得到好性能的，也可能是为得到好性能的。在自然界中，亚稳相是很常见的。从在自然界中，亚稳相是很常见的。从亚稳相到平衡态亚稳相到平衡态的转变的转变不少情况下是不少情况下是非常缓慢非常缓慢的。因此，实际上可以把亚的。因此，实际上可以把亚稳状态的材料看作是平衡态来使用。材料学家利用这种动稳状态的材料看作是平衡态来使用。材料学家利用这种动力学差别而设计并加工制造了许多非平衡材料，扩大了可力学差别而设计并加工制造了许多非平衡材料，扩大了可获得有用材料的范围。获得有用材料的范围。71

36、就是把两种以上组分材料组成一种新材就是把两种以上组分材料组成一种新材料的方法；料的方法；的基本思想就是将原子、分子集的基本思想就是将原子、分子集团在几埃到几干埃的数量级上进行复合。团在几埃到几干埃的数量级上进行复合。72 杂化是杂化是进行，从而使各原材料间的进行，从而使各原材料间的相互作用力与整体复合时不同，引起相互作用力与整体复合时不同，引起、等。这些现象对材料里的载流子的等。这些现象对材料里的载流子的传输过程传输过程会产会产生很大的影响，使杂化材料的电学性质不再是各原材料生很大的影响，使杂化材料的电学性质不再是各原材料的电学性质相加后的平均值，而可以说是相乘的结果。的电学性质相加后的平均值

37、，而可以说是相乘的结果。可以出现可以出现、等现象。等现象。73例如，在绝缘性例如，在绝缘性镀上一层镀上一层，以此做成电极进行吡咯的电解聚合，生成的聚毗咯在生以此做成电极进行吡咯的电解聚合，生成的聚毗咯在生成的同时形成了高分子薄膜中的导电通路，从而得到成的同时形成了高分子薄膜中的导电通路，从而得到。采用杂化技术，还可以制得具有特殊功能的采用杂化技术，还可以制得具有特殊功能的和和等等。杂化技术可以应用于等等。杂化技术可以应用于高分子科学领域，也可以广泛地应用于其他领域。高分子科学领域，也可以广泛地应用于其他领域。74 一一.新型功能材料国外发展现状新型功能材料国外发展现状 当前，国际功能材料及其应

38、用技术正面临新的突破，诸当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如如超导超导材料、材料、微电子微电子材料、材料、光子光子材料、材料、信息信息材料、材料、能源转换能源转换及储能及储能材料、材料、生态环境生态环境材料、材料、生物医用生物医用材料及材料的材料及材料的分子分子、原子设计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。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。75以以NbTi、Nb3Sn为代表的为代表的已实现了商品化，已实现了商品化，在在（NMRI）、）、及及等多个领域获

39、得了应用。等多个领域获得了应用。高温高温的出现，突破了温度壁垒，把超导应的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（提高到液氮（77K）温区。高温超导温区。高温超导材料的研究工作已在材料的研究工作已在单晶单晶、薄膜薄膜、体材料体材料、线材线材和和应用应用等方等方面取得了重要进展。面取得了重要进展。76作为高技术重要组成部分的作为高技术重要组成部分的已进入一个已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%16%的速度递的速度递增，预计增，预计2020年内，生物医用材料所占的份额将赶上年内，生物医用材料所占的份额将

40、赶上市市场，成为一个支柱产业。场，成为一个支柱产业。已成为已成为医用生物陶医用生物陶瓷瓷的主要方向；的主要方向；是医用高分子材料的是医用高分子材料的重要方向。重要方向。77是新能源材料研究开发的热点，是新能源材料研究开发的热点，IBMIBM公司研制的公司研制的多层复合太阳能电池多层复合太阳能电池，转换率高达，转换率高达40%40%。美国能源部在全部美国能源部在全部氢能研究氢能研究经费中，大约有经费中，大约有50%50%用于用于技术技术。的研究十分活跃，关键是电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如材料，如固体电解质薄膜固体电解质薄膜和和电池阴极材料电池阴极材料，还有质子交，还有质子交换膜型燃料电

41、池用的换膜型燃料电池用的有机质子交换膜有机质子交换膜等，都是目前研究等，都是目前研究的热点。的热点。78是是2020世纪世纪9090年代在国际高技术新材料研究中年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要有发达国家十分活跃，主要有：79直接面临的直接面临的的材料技术，例的材料技术，例如，如，生物可降解生物可降解材料技术，材料技术，CO CO 2 2 气体的固化气体的固化技术，技术，SOSOx x、NONOx x催化转化催化转化技术、技术、废物的再资源化废物的再资源化技术，技术，环环境污染修复境污染修复技术

42、，材料制备加工中的技术，材料制备加工中的洁净技术洁净技术以及以及节省资源节省资源、节省能源节省能源的技术。的技术。80开发能使经济可持续发展的开发能使经济可持续发展的，如如仿生材料仿生材料、环境保护材料环境保护材料、氟里昂、石棉等、氟里昂、石棉等有害有害物质的替代材料物质的替代材料、绿色新材料绿色新材料等；等；材料的材料的。81智能材料是继智能材料是继天然材料天然材料、合成高分子材料合成高分子材料、人人工设计材料工设计材料之后的之后的，是现代高技术新材，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之

43、间的界线逐使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现渐消失，实现、目标。目标。82的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇航公司在航公司在，可用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情，可用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应况；英国开发出一种快速反应，寿命期具有百万，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为1010秒钟；在秒钟；在、等在航空等在航空上的应用取得大量创新成果。上的应用取得大量创新成果。83我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、我国非常重视功

44、能材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在大比例。在“九五九五”、“十五十五”国防计划中还将国防计划中还将列为列为“国防尖端国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。功能材料领域取得了丰硕的成果。84在在“863”计划支持下，开辟了计划支持下，开辟了、等新能源材料，等新能源材料，高性能固体推进剂材料高性能固体推进剂材料，等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国

45、际上占有了一席之地。先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。85、的主要性能指标和生产工艺技术的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以为目为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在和和上形成了自己的特色并实现了产业化，使上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式片式电容材料电容材料及其及其组件组件进入了世界先进行列。进入了世界先进行列。86高档高档产品的研究开发和产业化取得显著进产

46、品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权；权；功能材料还在功能材料还在“”等国防工程中作出等国防工程中作出了举足轻重的贡献。了举足轻重的贡献。87根据预测，二十一世纪的新材料技术产业根据预测，二十一世纪的新材料技术产业在在世界市场的销售额世界市场的销售额将超过将超过4000亿美元，其中功能亿美元，其中功能材料约占材料约占7580%。88我国的国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的我国的国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国的国防用封锁和禁运，所以我国的国防用是不可能依是不可能依靠

47、进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军军事通信事通信、航空航空、航天航天、导弹导弹、热核聚变热核聚变、激光武器激光武器、激光雷达激光雷达、新型战斗机新型战斗机、主战坦克主战坦克以及以及军用高能量密度组件军用高能量密度组件等，都离不等，都离不开特种功能材料的支撑。开特种功能材料的支撑。89 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法(sol-gel)sol-gel)溶胶溶胶-凝胶法是以凝胶法是以,其它其它或或为原料进行为原料进行、(生成无机聚合物材料的生成无机聚合物材料的)反反应应,使溶液经溶胶使溶液经溶胶-凝胶化凝胶化,干燥干燥,热处理后制备热处理

48、后制备玻璃膜玻璃膜,玻玻璃纤维璃纤维,分子筛膜分子筛膜,特种陶瓷材料特种陶瓷材料的方法。的方法。优点：较低合成及烧结温度；高纯和高均匀产物；制造优点：较低合成及烧结温度；高纯和高均匀产物；制造传统固相反应法无法得到的材料。传统固相反应法无法得到的材料。90(CVD，Chemical Vapor Deposition)在相当高的温度下，在相当高的温度下，与与相互作相互作用，使用，使混合气体中某些成分分解混合气体中某些成分分解，并在基体上形成一，并在基体上形成一种种金属或化合物的固态薄膜金属或化合物的固态薄膜或或镀层镀层。91氢气保护，氢气保护，1000100010501050，钢件表面镀，钢件表

49、面镀TiCTiC：TiClTiCl4 4(l)+CH(l)+CH4 4(g)TiC(s)+4HCl(g)(g)TiC(s)+4HCl(g)TiClTiCl4 4(l)+C(l)+C(钢钢)+2+2H H2 2(g)TiC(s)+4HCl(g)(g)TiC(s)+4HCl(g)TiC TiC 化学气相沉积装置图化学气相沉积装置图92利用特定模板结构的基质为模板进行合成。特定结构利用特定模板结构的基质为模板进行合成。特定结构的基质模板包括的基质模板包括、，等。等。例如例如:将将Na-YNa-Y型沸石与型沸石与Cd(NOCd(NO3 3)2 2溶液混合溶液混合,离子交换离子交换后形成后形成Cd-YCd-Y型沸石，经干燥后与型沸石，经干燥后与H H2 2S S气体反应，在分子筛八气体反应，在分子筛八面体沸石笼中生成面体沸石笼中生成。93在接近室温的条件在接近室温的条件(室温室温100)100)下通过混合、下通过混合、研磨固体反应物直接形成生成物。研磨固体反应物直接形成生成物。