功能材料展望課件

第十四章新型功能材料展望自然的奧秘是沒(méi)有止境的，人類(lèi)對(duì)未知世界的探求也是沒(méi)有止境的。新型功能材料在知識(shí)爆炸的今天，也向著更好、更輕、更便宜、更堅(jiān)固等方向發(fā)展。隨著信息化數(shù)碼時(shí)代的到來(lái)，對(duì)新型功能材料的需求日益最佳，對(duì)新型功能材料的功能要求日益多元化。1第一節(jié)對(duì)功能材料的新要求透明度高的光投射型聚合物正在研究之中，折射率分布型的材料也在開(kāi)發(fā)之中。光導(dǎo)纖維是在透明物的周?chē)脖仍撐镔|(zhì)折射率低的材料。光導(dǎo)纖維的芯材是聚苯乙烯，外殼成分有聚甲基丙烯酸甲酯等。與石英纖維比較，缺點(diǎn)是對(duì)紅外線(xiàn)和一部分可見(jiàn)光有吸收作用而引起很大損失。2塑料光導(dǎo)纖維只適合于近距離以及限定的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之下。由于聚合物柔軟、易加工，質(zhì)輕價(jià)廉，因此日益廣泛地應(yīng)用于傳送光信號(hào)、裝飾和廣告陳列。如果能夠提高透明度，減少光損失，提高玻璃化溫度，則用于光導(dǎo)纖維的高聚物用量會(huì)迅速增大。3隨著微機(jī)技術(shù)的普及，硅板上越來(lái)越多的使用了各種工程塑料、樹(shù)脂、薄膜和陶瓷制品作為半導(dǎo)體的保護(hù)材料、印刷線(xiàn)路板和絕緣材料。超大規(guī)模集成電路使得存儲(chǔ)容量從16K升至32、64、128K，進(jìn)而發(fā)展到256K，這都是由于照相蝕刻時(shí)所采用的光致刻蝕劑的功能進(jìn)一步提高，使細(xì)微的電路圖的描制成為可能。5

導(dǎo)電聚合物材料廣泛用于導(dǎo)電元件、電阻元件、電磁波屏蔽和防靜電等方面。由于分散型聚合物導(dǎo)電材料其微觀(guān)結(jié)構(gòu)含有不均一性，目前的進(jìn)展方向?yàn)殚_(kāi)發(fā)聚合物本身具有導(dǎo)電性的材料。目前超導(dǎo)聚合物材料的研制也日益受到重視。有機(jī)系列的超導(dǎo)體一般導(dǎo)熱性低，易發(fā)脆，難以實(shí)際應(yīng)用，因此人們致力于開(kāi)發(fā)出超導(dǎo)的新材料和新的加工方法。6敏感元件的需求材料用作敏感元件時(shí)，按照材料的特性，可分為幾類(lèi):

在主鏈上或側(cè)鏈上含有酞青、卟啉環(huán)或吡唑啉環(huán)等基團(tuán)的聚合物材料在外加電壓的情況下會(huì)產(chǎn)生色澤的變化，被用于電場(chǎng)感應(yīng)材料。7液晶高聚物具有磁場(chǎng)定向、磁各向異性等特征。為使聚合物本身帶有磁性，人們力圖以不對(duì)稱(chēng)電子、原子、離子或自由基為骨架制備高聚物用于磁場(chǎng)感應(yīng)材料。共軛系高聚物具有光致導(dǎo)電性，希望在半導(dǎo)體激光使用的近紅外領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出靈敏度高的材料用于光感應(yīng)材料。8聚偏二氟乙烯或偏二氰乙烯共聚物由于受壓力或壓電作用，會(huì)產(chǎn)生電阻或介電常數(shù)的變化。這種功能在擴(kuò)音器、機(jī)器人觸覺(jué)以及振動(dòng)傳感器等方面具有開(kāi)發(fā)前景，通過(guò)高分子鏈的設(shè)計(jì)，有望出現(xiàn)更大壓電系數(shù)的材料。10物性傳感材料是一種利用物理吸附而發(fā)生阻抗變化的材料，作為傳感器的必備條件，微小的異常應(yīng)該引起很大的物性變化，重復(fù)性以及各種使用條件的耐受力也要有一定要求。如水的傳感劑可用于離子交換樹(shù)脂，多孔聚氟苯乙烯用在空調(diào)和控制程序上等等。11通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的物理性刺激，如光、放射線(xiàn)、熱、力、電場(chǎng)等，可以用于光聚合物、壓敏復(fù)寫(xiě)紙以及放射線(xiàn)交聯(lián)等等。各種催化劑提高了反應(yīng)的選擇性，同時(shí)還具有高分子效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)，預(yù)計(jì)在工業(yè)上的用量會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。13功能材料中電、磁、光、熱、力和音的相互轉(zhuǎn)化可以分別適用于適當(dāng)?shù)念I(lǐng)域。膜分離技術(shù)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，將反滲透膜、離子交換樹(shù)脂或掙來(lái)法同時(shí)并用制備超純水取得了良好的效果。食品工業(yè)也迫切需要使用膜分離法取代真空蒸發(fā)和冷凍干燥。未來(lái)工業(yè)廢水的回收和利用以及海水的淡化也可以通過(guò)膜滲透以及生物工藝學(xué)的配合而產(chǎn)生新的途徑。而實(shí)際情況是膜的性能和耐久性等方面還不能滿(mǎn)足需要。14在農(nóng)業(yè)上，廣泛應(yīng)用地膜，其耐候性、透光率以及可降解性都有待研究。功能材料用于農(nóng)藥，對(duì)材料提出了以下要求：保持藥效的持久性，增強(qiáng)藥效，增強(qiáng)穩(wěn)定性降低毒性，減小氣味，減輕作物所受毒害，使用方便。15用于改良劑型的材料主要有：被高聚物溶解或吸附的農(nóng)藥，如聚氯乙烯中浸漬2，2－二氯乙烯二甲基磷酸酯殺蟲(chóng)劑20％制成的緩釋殺蟲(chóng)片；用有機(jī)磷類(lèi)殺蟲(chóng)劑交聯(lián)的聚酰胺膜，明膠膜，聚氨基甲酸乙酯等制成的微膠囊；包合化合物如將對(duì)紫外線(xiàn)敏感的除蟲(chóng)菊酯用－環(huán)糊精包合。緩釋農(nóng)藥以及緩釋化肥(或按照植物生長(zhǎng)特定時(shí)期提供必要肥料的智能型化肥)，都被人們寄予厚望。17能源開(kāi)發(fā)、交通中的需求在耐高壓、耐高溫等苛刻條件下，可靠性高的高強(qiáng)度材料一直是以高性能的金屬材料為主，近年來(lái)開(kāi)始使用陶瓷或高聚物等材料。隨著油田的二次開(kāi)發(fā)，要求開(kāi)發(fā)出耐壓、耐熱、耐水、耐腐蝕等綜合性能優(yōu)良的高性能材料。目前美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)出的Karlez橡膠已基本滿(mǎn)足上述要求。18此外用高分子吸附劑在海水中提取鈾、重水等應(yīng)用有助于原子能的利用。據(jù)認(rèn)為，高分子功能材料選由于擇性廣，可加工性好，可以用涂覆的方法得到廉價(jià)而且大面積的元件等優(yōu)點(diǎn)，希望能夠?qū)⒁怨璨牧蠟橹鞯臒o(wú)機(jī)類(lèi)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)向高分子材料制成的電池。但光電轉(zhuǎn)化效率尚有待提高，穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步改善。19飛機(jī)的輕型化是以復(fù)合材料取代鋁、鋼等金屬材料，但有些問(wèn)題尚有待改進(jìn)如改善加工性能，開(kāi)發(fā)粘結(jié)材料，增強(qiáng)纖維的三維化等等。鐵路上，日本已研制出用增強(qiáng)塑料制造的火車(chē)車(chē)廂。未來(lái)的鐵路運(yùn)輸將采用流線(xiàn)型電動(dòng)車(chē)輛，其輕型化所采用的結(jié)構(gòu)材料與汽車(chē)相似之處很多。21醫(yī)療以及日常生活中的需求醫(yī)療上，醫(yī)用材料越來(lái)越廣泛的用于檢查、診斷、輔助治療以及藥品、人工臟器等方面。其生物適應(yīng)性和醫(yī)用功能都有待提高，不能一概而論。作為醫(yī)用功能材料的一般要求，提高其醫(yī)用功能和安全性，延長(zhǎng)使用時(shí)間，改善其加工性能等，有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的適合不同需求的材料。22日常生活中時(shí)時(shí)處處都充斥了塑料的影子，衣食住行樣樣離不開(kāi)塑料。但其耐磨性、阻燃性耐候性等都相當(dāng)重要，隨著材料用量的進(jìn)一步擴(kuò)大，廢棄的材料容易處理也成為材料必備的功能之一。23在電學(xué)領(lǐng)域要求有絕緣和導(dǎo)電兩種相反功能的材料；在光學(xué)性質(zhì)上需要光導(dǎo)纖維所具有的光透射性和光轉(zhuǎn)換元件，以及組成傳感器所應(yīng)有的性質(zhì)如電場(chǎng)感應(yīng)性、磁場(chǎng)感應(yīng)性、光感應(yīng)性、溫度感應(yīng)性和物性傳感能力等等。25醫(yī)藥領(lǐng)域的重要功能有生物體適應(yīng)性、替代功能和藥理活性等等。工業(yè)上，有待提高物料的分離功能、化學(xué)轉(zhuǎn)化功能和物理轉(zhuǎn)化功能。目前已經(jīng)有許多領(lǐng)域應(yīng)用功能材料，今后可以采用Auto-CAD進(jìn)行計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，開(kāi)展更高層次的功能材料的分子設(shè)計(jì)，那么一批更為新型的功能材料必將進(jìn)入我們的生活，在各個(gè)領(lǐng)域作出更大的貢獻(xiàn)。26材料的設(shè)計(jì)程序首先要分析輸入的要求項(xiàng)目，挑選規(guī)格參數(shù)和選定候選材料然后參閱科技情報(bào)以及文獻(xiàn)情況，加熱自己的觀(guān)點(diǎn)和看法，再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)成果。在取得滿(mǎn)意結(jié)果之前要耐心反復(fù)的思考。在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，文獻(xiàn)浩瀚，而人的能力是有限的，因此我們可以借助計(jì)算機(jī)將情報(bào)處理系統(tǒng)編入材料設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，以便對(duì)材料進(jìn)行充分的整理利用。29對(duì)以往設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)想、實(shí)驗(yàn)和評(píng)價(jià)所需要的各種參考數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)理論或經(jīng)驗(yàn)規(guī)律等等分別用計(jì)算機(jī)加以處理，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)及知識(shí)庫(kù)中，將數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)并用，提出適合需要的候選材料作為實(shí)驗(yàn)的原則同時(shí)預(yù)測(cè)其性能，然后對(duì)這些結(jié)果用多變量分析等方法選出新理論及經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。30由于功能材料具有各種奇特的功能，其發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮模S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必將會(huì)有更多的新型功能材料出現(xiàn)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)和將要開(kāi)發(fā)的主要功能材料將集中在功能分離膜、醫(yī)用藥用材料、信息轉(zhuǎn)換以及信息記錄材料等