第一章功能材料與功能設(shè)計(jì)

1、12v除了具有除了具有和和外，還具有外，還具有。由于多種多樣，。由于多種多樣，也就沒(méi)有一也就沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。v一種常見(jiàn)的分類(lèi)方法是按照一種常見(jiàn)的分類(lèi)方法是按照和和將材料分為將材料分為(structural materials)和和(functional materials)兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。3是具有較高是具有較高，并主要用來(lái)制造，并主要用來(lái)制造機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料；機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料；則主要是具有特殊的則主要是具有特殊的，并主要用來(lái)制造具有特定功能元件、器件和產(chǎn)，并主要用來(lái)制造具有特定功能元件、器件和產(chǎn)品的材料。品的材料。已經(jīng)從已經(jīng)從轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向。4功能材料可以定義為：具有優(yōu)良的功能

2、材料可以定義為：具有優(yōu)良的及其及其，被用于，被用于的高的高技術(shù)材料。技術(shù)材料。在國(guó)外，常將這類(lèi)材料稱(chēng)為在國(guó)外，常將這類(lèi)材料稱(chēng)為(Functional Materials)、(Speciality Materials)或或(Fine Materials)。5功能材料為高技術(shù)密集型材料，在研究開(kāi)發(fā)和功能材料為高技術(shù)密集型材料，在研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)功能材料時(shí)具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：生產(chǎn)功能材料時(shí)具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：綜合運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成就，綜合運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成就，；，生產(chǎn)規(guī)模一般比較小，更新?lián)Q，生產(chǎn)規(guī)模一般比較小，更新?lián)Q代快，代快，；需要投入大量的資金和時(shí)間，需要投入大量的資金和時(shí)間，但一旦研

3、究開(kāi)發(fā)成功，則成為高技術(shù)、，但一旦研究開(kāi)發(fā)成功，則成為高技術(shù)、高性能、高產(chǎn)值和高效益的產(chǎn)業(yè)。高性能、高產(chǎn)值和高效益的產(chǎn)業(yè)。6(1)學(xué)學(xué)(2)工程學(xué)工程學(xué)(3)的表征和測(cè)試技術(shù)的表征和測(cè)試技術(shù)7研究功能材料的研究功能材料的，在此基礎(chǔ)上，研究功，在此基礎(chǔ)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類(lèi)及各類(lèi)。10v現(xiàn)已開(kāi)發(fā)的以現(xiàn)已開(kāi)發(fā)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(見(jiàn)事例見(jiàn)事例)等。等。16目前，從國(guó)內(nèi)外功能材料的目前，從國(guó)內(nèi)外功能材料的看，看，可歸納為如下幾個(gè)方面：可歸納為如下幾個(gè)方面：開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)新型功能材料，特別是新型功能材料，特別是(如航空航天、分

5、子電子學(xué)、高速信息、新能如航空航天、分子電子學(xué)、高速信息、新能源、海洋技術(shù)和生命科學(xué)等源、海洋技術(shù)和生命科學(xué)等)所需和在所需和在(如超高壓、超高溫、超低溫、高燒蝕、高熱沖擊、如超高壓、超高溫、超低溫、高燒蝕、高熱沖擊、強(qiáng)腐蝕、高真空、強(qiáng)激光、高輻射、粒子云、原子強(qiáng)腐蝕、高真空、強(qiáng)激光、高輻射、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發(fā)展，從發(fā)展，從(如單一的物理功能如單一的物理功能)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)發(fā)發(fā)展。展。一體化、高集成化、超微一體化、高集成化、超微型化、高密積

6、化和超分子化。型化、高密積化和超分子化。，即功能材料結(jié)構(gòu)，即功能材料結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)材料功能化?；Y(jié)構(gòu)材料功能化。18進(jìn)一步研究和發(fā)展進(jìn)一步研究和發(fā)展、。有梯度化、低維化、智能化、有梯度化、低維化、智能化、非平衡態(tài)、分子組裝、雜化、超分子化和生物分子非平衡態(tài)、分子組裝、雜化、超分子化和生物分子化等；化等；有化學(xué)模式識(shí)別設(shè)計(jì)、分子設(shè)有化學(xué)模式識(shí)別設(shè)計(jì)、分子設(shè)計(jì)、非平衡態(tài)設(shè)計(jì)、量子化學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算法等，計(jì)、非平衡態(tài)設(shè)計(jì)、量子化學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算法等，這些新設(shè)計(jì)方法都要采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)這些新設(shè)計(jì)方法都要采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)，這，這就要求建立數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)專(zhuān)家系統(tǒng)；就要求建立數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)專(zhuān)家

7、系統(tǒng)；19有激光加工、離子注入、等有激光加工、離子注入、等離子技術(shù)、分子束外延、電子和離子束沉積、固離子技術(shù)、分子束外延、電子和離子束沉積、固相外延、精細(xì)刻蝕、生物技術(shù)及在特定條件下相外延、精細(xì)刻蝕、生物技術(shù)及在特定條件下(如如高溫、高壓、低溫、高真空、微重力、強(qiáng)電磁場(chǎng)、高溫、高壓、低溫、高真空、微重力、強(qiáng)電磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射、急冷和超凈等強(qiáng)輻射、急冷和超凈等)的工藝技術(shù)。的工藝技術(shù)。20完善和發(fā)展功能材料完善和發(fā)展功能材料的方法。的方法。加強(qiáng)功能材料的加強(qiáng)功能材料的，擴(kuò)展功能材料的，擴(kuò)展功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是尖端領(lǐng)域和民用高技術(shù)領(lǐng)域，并應(yīng)用領(lǐng)域，特別是尖端領(lǐng)域和民用高技術(shù)領(lǐng)域，并將成熟的研究成

8、果迅速推廣，以形成生產(chǎn)力。將成熟的研究成果迅速推廣，以形成生產(chǎn)力。21 下圖為材料顯示功能的示意圖。下圖為材料顯示功能的示意圖。輸入輸入材料材料輸出輸出材料的材料的是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過(guò)材料是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過(guò)材料的的或或等過(guò)程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。等過(guò)程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。22功能材料按其功能材料按其又可分為又可分為和和。 23當(dāng)向材料當(dāng)向材料和從材料和從材料屬于屬于時(shí)，材料起到時(shí)，材料起到部件的部件的作用。材料的這種功能稱(chēng)為一次功能。作用。材料的這種功能稱(chēng)為一次功能。以一次功能為使用目的的材料又稱(chēng)為以一次功能為使用目的的材料又稱(chēng)為。24。功能。如

9、功能。如慣性慣性、粘性粘性、流動(dòng)性流動(dòng)性、潤(rùn)滑性潤(rùn)滑性、成型性成型性、超塑性超塑性、恒彈性恒彈性、高彈性高彈性、振動(dòng)性振動(dòng)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。如傳熱傳熱性、性、隔熱隔熱性、性、吸熱吸熱性和性和蓄熱蓄熱性等。性等。功能。如功能。如導(dǎo)電導(dǎo)電性、性、超導(dǎo)超導(dǎo)性、性、絕緣絕緣性和性和電阻電阻等。等。25功能。如功能。如硬磁性硬磁性、軟磁性軟磁性、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、氣體吸收性氣體吸收性、催化作用催化作用、生物生物化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)酶反應(yīng)等。等。功能。如功能。如放射特性放射特性、電磁波特性電磁波特性等。等。26 當(dāng)向材料當(dāng)向材料和從材料和從材料屬于屬于時(shí)，材料起時(shí)，材料起部件作用，材部件作用，材料的這種功能稱(chēng)為料的這種功能稱(chēng)為二次功能二次功能或或高次功能高次功能。有人認(rèn)為。有人認(rèn)為這種材料才是真正的功能材料。這種材料才是真正的功能材料。27二次功能按二次功能按可分為如下四類(lèi)可分為如下四類(lèi)。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換； 能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式

11、能量的轉(zhuǎn)換。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。28如如反應(yīng)、反應(yīng)、反應(yīng)、反應(yīng)、反應(yīng)、反應(yīng)、，反應(yīng)，反應(yīng)，效應(yīng)和效應(yīng)和效應(yīng)。效應(yīng)。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換29如如效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)和效應(yīng)和效應(yīng)等效應(yīng)等。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換30能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如如效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)和效應(yīng)和效應(yīng)等。效應(yīng)等。31能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。如如效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)和效應(yīng)和效應(yīng)等。效應(yīng)等。32無(wú)論哪種功能材料，其無(wú)論哪種功能材料，

12、其或者或者所涉及的微觀過(guò)程都與所涉及的微觀過(guò)程都與固體物理（固體物理（原子層次，原子層次，共同規(guī)律性共同規(guī)律性）和和固體化學(xué)（固體化學(xué)（分子層次，特性、個(gè)性分子層次，特性、個(gè)性）相聯(lián)系。正是這兩門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)為新興學(xué)科相聯(lián)系。正是這兩門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)為新興學(xué)科功能材功能材料科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而也推動(dòng)了功能材料的料科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而也推動(dòng)了功能材料的研究和應(yīng)用。它們把功能材料推進(jìn)到研究和應(yīng)用。它們把功能材料推進(jìn)到的時(shí)代。的時(shí)代。33所謂所謂，就是賦予材料以，就是賦予材料以或或特性的科學(xué)方法。有人認(rèn)為特性的科學(xué)方法。有人認(rèn)為21世紀(jì)將逐世紀(jì)將逐漸實(shí)現(xiàn)漸實(shí)現(xiàn)材料。材料。34 無(wú)機(jī)非金屬功能材料的

13、無(wú)機(jī)非金屬功能材料的是是和和。無(wú)機(jī)非金屬功能材料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)的方。無(wú)機(jī)非金屬功能材料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)的方法主要有以下兩種：法主要有以下兩種： (1)根據(jù)功能的要求根據(jù)功能的要求。 (2)根據(jù)功能的要求根據(jù)功能的要求。35無(wú)機(jī)非金屬功能材料的無(wú)機(jī)非金屬功能材料的配方比較復(fù)雜配方比較復(fù)雜，每種不同功能，每種不同功能的無(wú)機(jī)非金屬功能材料采用不同的配方。的無(wú)機(jī)非金屬功能材料采用不同的配方。無(wú)機(jī)非金屬功能材料無(wú)機(jī)非金屬功能材料決定了無(wú)機(jī)非金屬功決定了無(wú)機(jī)非金屬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無(wú)機(jī)非金屬功能材料的無(wú)機(jī)非金屬功能材料的根據(jù)所需功能的不同，根據(jù)所需功能的不同，有

14、的采用有的采用無(wú)機(jī)非金屬材料加工工藝，有的采用無(wú)機(jī)非金屬材料加工工藝，有的采用加工工藝。加工工藝?？梢缘玫娇梢缘玫降臒o(wú)機(jī)非金屬功能的無(wú)機(jī)非金屬功能材料。因此，控制合適的加工工藝對(duì)無(wú)機(jī)非金屬功能材料材料。因此，控制合適的加工工藝對(duì)無(wú)機(jī)非金屬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設(shè)計(jì)的主要途徑如下：功能高分子材料功能設(shè)計(jì)的主要途徑如下：(1)通過(guò)通過(guò)合成新功能。合成新功能。(2)通過(guò)通過(guò)賦予材料以功能特性賦予材料以功能特性(3)通過(guò)兩種或兩種以上的具有不同功能或性能的通過(guò)兩種或兩種以上的具有不同功能或性能的獲得新功能。獲得新功能。(4)通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行各種通過(guò)對(duì)材料進(jìn)

15、行各種以獲得新功能。以獲得新功能。38 分子設(shè)計(jì)包括高分子分子設(shè)計(jì)包括高分子和和，它是使高分子材料獲得具有一定化學(xué)結(jié)構(gòu)的它是使高分子材料獲得具有一定化學(xué)結(jié)構(gòu)的的主要方法，因而又稱(chēng)為的主要方法，因而又稱(chēng)為。39例如，通過(guò)高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和官能團(tuán)設(shè)計(jì)，在高分子結(jié)例如，通過(guò)高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和官能團(tuán)設(shè)計(jì)，在高分子結(jié)構(gòu)中構(gòu)中，從而合成出，從而合成出。合成。合成可供選擇的可供選擇的有：有：共聚合共聚合、接技聚合接技聚合、嵌段聚合嵌段聚合、界面縮界面縮聚聚、交聯(lián)反應(yīng)交聯(lián)反應(yīng)、官能團(tuán)引入官能團(tuán)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體的聚合用高聚物作支持體的聚合等。等。40

16、這種方法又稱(chēng)為這種方法又稱(chēng)為。例如：。例如：高分子材料通過(guò)高分子材料通過(guò)制作制作偏振光膜偏振光膜、濾光片濾光片、電磁傳感電磁傳感器器、薄膜半導(dǎo)體薄膜半導(dǎo)體、薄膜電池薄膜電池、接點(diǎn)保護(hù)材料接點(diǎn)保護(hù)材料、防蝕材料防蝕材料等，尤等，尤其是在超細(xì)過(guò)濾、反滲透、精密過(guò)濾、透析、離子交換等方面其是在超細(xì)過(guò)濾、反滲透、精密過(guò)濾、透析、離子交換等方面取得了廣泛的應(yīng)用。取得了廣泛的應(yīng)用。高分子材料高分子材料可用于可用于二次電子倍增管二次電子倍增管或作或作離子交換纖維離子交換纖維。對(duì)于高分子材料來(lái)說(shuō)，最引人注目是對(duì)于高分子材料來(lái)說(shuō)，最引人注目是的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 41例如借助纖維復(fù)合、層疊復(fù)合、細(xì)粒復(fù)合、骨

17、架復(fù)合、例如借助纖維復(fù)合、層疊復(fù)合、細(xì)粒復(fù)合、骨架復(fù)合、互穿網(wǎng)絡(luò)等方法。互穿網(wǎng)絡(luò)等方法。關(guān)于這方面的理論，近年來(lái)還提出了所謂關(guān)于這方面的理論，近年來(lái)還提出了所謂。即如。即如A組分具有組分具有X/Y功能功能(即對(duì)材料施加即對(duì)材料施加X(jué)作用，可得作用，可得Y效應(yīng)，例如加壓生電效應(yīng)，例如加壓生電)，B組分有組分有Y/Z功能，則復(fù)合之后可功能，則復(fù)合之后可產(chǎn)生產(chǎn)生(X/Y)(Y/Z)X/Z的新功能。根據(jù)這個(gè)原理，已試制的新功能。根據(jù)這個(gè)原理，已試制出出等一批新型復(fù)合功能高分子材料。等一批新型復(fù)合功能高分子材料。 42將上述各種方法的適當(dāng)組合就可以設(shè)計(jì)得將上述各種方法的適當(dāng)組合就可以設(shè)計(jì)得到所需要的各種

18、功能材料。到所需要的各種功能材料。是是當(dāng)代材料技術(shù)的重大成就之一。當(dāng)代材料技術(shù)的重大成就之一。43 用于功能材料制備的新方法很多。例如：用于功能材料制備的新方法很多。例如：、(極高溫、極高溫、高壓、高真空、失重等高壓、高真空、失重等)的方法、的方法、及及制備法等等。這些方法的發(fā)展與使用加快了制備法等等。這些方法的發(fā)展與使用加快了新品種的開(kāi)發(fā)和質(zhì)量的提高。新品種的開(kāi)發(fā)和質(zhì)量的提高。44在溶膠在溶膠凝膠方法中，常是把含有凝膠方法中，常是把含有Si、A1、Ti、B等網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)形成元素的形成元素的作為母體，以添加作為母體，以添加作作，在酒，在酒精溶液中使烴氧化物水解、濃聚而形成精溶液中使烴氧化物水解、濃聚而形成 M M鏈的無(wú)機(jī)氧化物網(wǎng)絡(luò)。鏈的無(wú)機(jī)氧化物網(wǎng)絡(luò)。xROHORHOSiOxHORSixx42)()()()()4()2()()(224OHRxnOHxnnSiOOROHSinxx45通過(guò)改變通過(guò)改變和和，就可改，就可改變變的拓樸結(jié)構(gòu)，可從無(wú)水氧化物的的拓樸結(jié)構(gòu)，可從無(wú)水氧化物的變變?yōu)橄∈璧臑橄∈璧模詽M(mǎn)足待定的使用要求。，以滿(mǎn)足待定的使用要求。無(wú)水氧化物具有可以控制無(wú)水氧化物具有可以控制、和和的特點(diǎn)。這對(duì)于高技術(shù)的應(yīng)用是的特點(diǎn)。這對(duì)于高技術(shù)的應(yīng)用是有利的。有利的。46通過(guò)快淬