第一章 功能材料与功能设计

1、12v除了具有除了具有和和外，还具有外，还具有。由于多种多样，。由于多种多样，也就没有一也就没有一个统一标准。个统一标准。v一种常见的分类方法是按照一种常见的分类方法是按照和和将材料分为将材料分为(structural materials)和和(functional materials)两大类。两大类。3是具有较高是具有较高，并主要用来制造，并主要用来制造机械产品结构件的材料；机械产品结构件的材料；则主要是具有特殊的则主要是具有特殊的，并主要用来制造具有特定功能元件、器件和产，并主要用来制造具有特定功能元件、器件和产品的材料。品的材料。已经从已经从转向转向。4功能材料可以定义为：具有优良的功能

2、材料可以定义为：具有优良的及其及其，被用于，被用于的高的高技术材料。技术材料。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(Fine Materials)。5功能材料为高技术密集型材料，在研究开发和功能材料为高技术密集型材料，在研究开发和生产功能材料时具有三个显著的特点：生产功能材料时具有三个显著的特点：综合运用现代先进的科学技术成就，综合运用现代先进的科学技术成就，；，生产规模一般比较小，更新换，生产规模一般比较小，更新换代快，代快，；需要投入大量的资金和时间，需要投入大量的资金和时间，但一旦研

3、究开发成功，则成为高技术、，但一旦研究开发成功，则成为高技术、高性能、高产值和高效益的产业。高性能、高产值和高效益的产业。6(1)学学(2)工程学工程学(3)的表征和测试技术的表征和测试技术7研究功能材料的研究功能材料的，在此基础上，研究功，在此基础上，研究功能材料的能材料的。8研究功能材料的研究功能材料的及及。9研究一般通用的研究一般通用的及各类及各类。10v现已开发的以现已开发的以最多，主要有：最多，主要有：v(1)材料材料v(2)材料材料v(3)材料材料v(4)材料材料v(5)功能材料功能材料11 材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、

4、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料等。材料等。12 材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料等。材料等。13 材料、三防（材料、三防（、和和）材料、）材料、材料、材料、材料等。材料等。14材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料等。材料等。15材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料、材料材料(见事例见事例)等。等。16目前，从国内外功能材料的目前，从国内外功能材料的看，看，可归纳为如下几个方面：可归纳为如下几个方面：开发开发新型功能材料，特别是新型功能材料，特别是(如航空航天、分

5、子电子学、高速信息、新能如航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等源、海洋技术和生命科学等)所需和在所需和在(如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧和核爆炸等氧和核爆炸等)高性能功能材料。高性能功能材料。17功能材料的功能由功能材料的功能由向向和和发展，从发展，从(如单一的物理功能如单一的物理功能)向向(如人工智能、生物功能和生命功能等如人工智能、生物功能和生命功能等)发发展。展。一体化、高集成化、超微一体化、高集成化、超微型化、高密积

6、化和超分子化。型化、高密积化和超分子化。，即功能材料结构，即功能材料结构化，结构材料功能化。化，结构材料功能化。18进一步研究和发展进一步研究和发展、。有梯度化、低维化、智能化、有梯度化、低维化、智能化、非平衡态、分子组装、杂化、超分子化和生物分子非平衡态、分子组装、杂化、超分子化和生物分子化等；化等；有化学模式识别设计、分子设有化学模式识别设计、分子设计、非平衡态设计、量子化学和统计力学计算法等，计、非平衡态设计、量子化学和统计力学计算法等，这些新设计方法都要采用计算机辅助设计这些新设计方法都要采用计算机辅助设计(CAD)，这，这就要求建立数据库和计算机专家系统；就要求建立数据库和计算机专家

7、系统；19有激光加工、离子注入、等有激光加工、离子注入、等离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下(如如高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、强辐射、急冷和超净等强辐射、急冷和超净等)的工艺技术。的工艺技术。20完善和发展功能材料完善和发展功能材料的方法。的方法。加强功能材料的加强功能材料的，扩展功能材料的，扩展功能材料的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并将成熟的研究成

8、果迅速推广，以形成生产力。将成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。21 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，经过材料的的或或等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。22功能材料按其功能材料按其又可分为又可分为和和。 23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。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。24。功能。如

9、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。25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、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

10、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。26 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。27二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

11、能量的转换。能与其他形式能量的转换。28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29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30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。31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、效应、效应和效应和效应等。效应等。32无论哪种功能材料，其无论哪种功能材料，

12、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（原子层次，原子层次，共同规律性共同规律性）和和固体化学（固体化学（分子层次，特性、个性分子层次，特性、个性）相联系。正是这两门基础科学为新兴学科相联系。正是这两门基础科学为新兴学科功能材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。它们把功能材料推进到研究和应用。它们把功能材料推进到的时代。的时代。33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。34 无机非金属功能材料的

13、无机非金属功能材料的是是和和。无机非金属功能材料进行功能设计的方。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。35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。 36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

14、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。37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

15、行各种以获得新功能。以获得新功能。38 分子设计包括高分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。39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。40

16、这种方法又称为这种方法又称为。例如：。例如：高分子材料通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，最引人注目是对于高分子材料来说，最引人注目是的开发应用。的开发应用。 41例如借助纤维复合、层叠复合、细粒复合、骨

17、架复合、例如借助纤维复合、层叠复合、细粒复合、骨架复合、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。 42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

18、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成就之一。当代材料技术的重大成就之一。43 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。44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()()(224OHRxnOHxnnSiOOROHSinxx45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。46通过快淬