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功 能 材 料
化学化工学院 薄其兵
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主要参考资料
1,现代功能材料及其应用 — 郭卫生,汪济奎（化学工业出版社,2002）
2、功能材料学 ---周馨我 (北京理工大学出版社,2002)
3、新型功能材料 --- 贡长生，张克立 (化学工业出版社,2001)
4、新型无机材料 -----杨华明,宋晓岚,金胜明 （化学工业出版社,2005）
5、信息和功能材料 -----刘先曙 马傅华 辛秀田（宇航出版社,1998 ）
6、功能材料学概论 -----马如璋 蒋民华 （冶金工业出版社,1999）
建议教材：
功能材料概论 ---殷景华 王雅珍 （哈尔滨工业大学出版社,1999）
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第一章 功能材料概论
第二章 超导材料
第三章 功能玻璃材料
第四章 陶瓷材料
第五章 敏感陶瓷
第六章 快离子导体陶瓷
第七章 稀土发光材料
第八章 智能材料
第九章 储氢材料和磁性材料
目 录
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第一章 功能高分子绪论
第二章 离子交换树脂
第三章 吸水树脂
第四章 高聚物膜
第五章 液晶材料
第六章 催化剂
第七章 医用高分子
第八章 其它功能高分子
功能材料授课内容
（材料化学 01,02班）
5
1986年，我国制定了《高技术发展计划纲
要》，被评选列入的 七个技术群 是 生物技术,
信息技术, 激光技术, 航天技术, 自动化技术,
新能源技术 和 新材料技术 。
6
一般认为,新材料 有 晶须 材料,非晶 材料,超
塑性合金, 形状记忆 材料,功能 陶瓷,功能有机 材
料,超导 材料,碳纤维, 能量转换 材料等。
新材料发展的重点 已经从 结构材料 转向 功能材料 。
功能材料被誉为－－ 2l世纪人类文明的重要支柱
7
随着时代的发展，人类将进入一个信息时代 。 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，
更需要用高科技的方法和手段来生产 新型的, 功能性的 产品，
以获得各种优良的综合性能。近年来 新型功能材料 层出不穷，
得到了突破性的进展。
第一章 功能材料概论
8
日本和欧美各国对 新型功能材料 的研究十分
注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、
电子、激光等 现代科学的基础,功能材料在未来
的社会发展中具有重大战略意义。
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近 10年来，功能材料成为 材料科学和工程领
域中 最为活跃的部分。每年以 5％以上的速度增
长，相当于每年有 1.25万种新材料问世。未来世
界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正
在渗透到现代生活的各个领域。
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一、功能材料的概念
功能材料是指通过 光, 电, 磁, 热, 化学, 生化 等作用
后具有 特定功能 的材料。
在国外，常将这类材料称为 功能材料 (Functional
Materials),特种材料 (Speciality Materials))或 精细材料
(Fine Materials)。
第一节 功能材料的概念与分类
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功能材料 涉及面较广，具体包括 光, 电功能,
磁功能, 分离功能, 形状记忆功能 等。
这类材料相对于通常的 结构材料 而言，一般除
了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。
12
材料的 特定的功能 与材料的 特定结构 是相联系的。
如对于 导电聚合物 来说，它一般具有 长链共轭双键 ；
金属结构中由于 弹性马氏体相变 能产生记忆效应，
因此出现了 形状记忆合金 ；压电陶瓷晶体必须有极
轴等。
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功能材料是一门新的学科，目前对它进行
严格的定义 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
低级运动一样，功能材料既遵循材料的 一般特
性 和 变化规律 又具有其 自身的特点 。因此可认
为是 传统材料的更高级的运动形式。
14
二,功能材料的分类
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
法。从 功能的不同 考虑，可将功能材料分为以下四类。
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(1)力学功能
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。
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(2)化学功能
① 分离 功能材料：如 分离膜, 离子交换树脂, 高分子络合物 ；
② 反应 功能材料；如 高分子试剂, 高分子催化剂 ；
③ 生物 功能材料：如 固定化菌, 生物反应器 等 。
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（ 3） 物理化学功能
① 电学 功能材料：如 超导体, 导电高分子 等；
② 光学 功能材料：如 光导纤维, 感光性高分子 等 ；
③ 能量转换 材料：如 压电材料, 光电材料 。
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(4)生物化学功能
① 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；
② 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；
③ 生物降解 材料
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下图为材料显示功能的示意图。
输
入
材
料
输
出
第二节 功能设计的原理和方法
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。
20
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 。
21
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 。
Ａ、一次功能
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一次功能主要有下面的八种 。
① 力学 功能。如 惯性, 粘性, 流动性, 润滑性, 成型性,
超塑性, 恒弹性, 高弹性, 振动性 和 防震性 。
② 声 功能。如 隔音 性,吸音 性。
③ 热 功能。如 传热 性,隔热 性,吸热 性和 蓄热 性等。
④ 电 功能。如 导电 性,超导 性,绝缘 性和 电阻 等。
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⑤ 磁 功能。如 硬磁性, 软磁性, 半硬磁性 等。
⑥ 光 功能。如 遮光性, 透光性, 折射光性, 反射光性, 吸
光性, 偏振光性, 分光性, 聚光性 等。
⑦ 化学 功能。如 吸附作用, 气体吸收性, 催化作用, 生物
化学反应, 酶反应 等。
⑧ 其他 功能。如 放射特性, 电磁波特性 等。
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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 。有人认为
这种材料才是真正的功能材料。
Ｂ、二次功能
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二次功能按 能量的转换系统 可分为如下四类 。
① 光 能与其他形式能量的转换；
② 电 能与其他形式能量的转换；
③ 磁 能与其他形式能量的转换；
④ 机械 能与其他形式能量的转换。
26
如 光合成 反应,光分解 反应,光化 反应、
光致抗蚀, 化学发光, 感光 反应,光致伸缩,
光生伏特 效应和 光导电 效应。
① 光 能与其他形式能量的转换
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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,电化学 效应和 电光 效应等 。
② 电 能与其他形式能量的转换
28
③ 磁 能与其他形式能量的转换
如 光磁 效应,热磁 效应,磁冷冻 效应和 磁性转变
效应等。
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④ 机械 能与其他形式能量的转换 。
如 形状记忆 效应,热弹性 效应,机械化学 效应、
压电 效应,电致伸缩, 光压 效应,声光 效应、
光弹性 效应和 磁致伸缩 效应等。
30
按 材料种类 分，功能材料还可分为,金属 功
能材料,无机非金属 功能材料和 有机 功能材料。
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无论哪种功能材料，其 能量传递过程 或者 能量转
换形式 所涉及的微观过程都与 固体物理 和 固体化学 相
联系。正是这两门基础科学为新兴学科 —— 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
究和应用。它们把功能材料推进到 功能设计 的时代。
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所谓 功能设计,就是赋予材料以 一次功能 或
二次功能 特性的科学方法。有人认为 21世纪将逐
渐实现 按需设计 材料。
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材料科学与工程 一般都认为由 四要素 组成，即 结构 /成分,
合成 /流程, 性能 与 效能 。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
出现不同性能，所以 材料科学与工程 应为五要素，即 成分,
合成 /流程, 结构, 性能 与 效能 。
根据材料所要求的性能不同,材料设计 可以从 电子, 光
子 出发．也可从 原子, 原子集团 出发，可以从 微观, 显微 到
宏观 。
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材料设计 是一个很复杂的过程：
如 材料的制备 与 存在状态 往往属于 非平衡热力学 ；
有些结构敏感性质 (材料的力学性质 )的 可变因素 太多，
即使一个微小缺陷都会产生很大影响； 表面与内部 结
构及性质的不一致性；复杂的 环境因素 等等。
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材料设计的实现 是一个 长期过程,其最终应达
到 提出一个需求目标 就可 设计出成分, 制造流程 并
做出合乎要求的工程材料 以至零件、器件或构件。
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为实现 材料设计,必须开展深入的 基础研究,以
了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的 数
据库 ；建立正确的 物理模型 ；需要有 大容量计算机 ；
更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力
合作。
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一、金属功能材料设计
金属功能材料 按性能 分主要包括 磁 性,电 性,力学, 热学,
光学, 化学, 生物功能材料 和 特种功能材料 。
金属功能材料的 功能设计 主要有以下两个方面。
(１ )寻找 具有特定功能的金属材料。
(２ )利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
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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，
稀土功能材料 的制备和应用。
(1)寻找具有特定功能的金属材料
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稀土功能材料 主要包括 稀土永磁 材料,稀土储
氢 材料,信息显示 材料,催化 材料,超磁致伸缩 材
料,巨磁电阻 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 13个领域的 40
多个行业。
40
我国 稀土资源 非常丰富，其工业储量约占世界
已探明总储量 6200万 t的 80％。将我国的稀土 资源优
势 变为 产业优势 和 经济优势,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
产业的技术进步。
41
因此，发展 稀土功能材料 对我国来讲具有重
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
金属功能材料 开发的一个方面。
42
合金的迅速发展，给 金属功能材料的发展 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
材料被开发出来，如 纳米材料, 大块非晶材料, 真空快
淬材料, 磁性形状记忆合金 等。
(2)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
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无机非金属功能材料的 主要代表 是 功能玻璃 和
功能陶瓷 。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：
(1) 根据功能的要求 设计配方 。
(2) 根据功能的要求 设计合适的加工工艺 。
二、无机非金属功能材料设计
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无机非金属功能材料的 配方比较复杂,每种不同功能
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 所含的材质 决定了无机非金属功
能材料的 宏观性能 。
比如 功能玻璃 包括 微晶玻璃, 激光玻璃, 半导体玻璃,
光色玻璃, 生物玻璃 等。
(1) 根据功能的要求设计配方
45
无机非金属功能材料的 加工工艺 根据所需功能的不同，
有的采用 普通的 无机非金属材料加工工艺，有的采用 特殊
的 加工工艺。
不同的加工工艺 可以得到 不同功能 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
的制造是非常重要的。
(2)根据功能的要求设计合适的加工工艺
46
功能高分子材料功能设计的主要途径如下：
(1)通过 分子设计 合成新功能。
(2)通过 特殊加工 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 材料复合
获得新功能。
(4)通过对材料进行各种 表面处理 以获得新功能。
三、高分子功能材料设计
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分子设计包括高分子 结构设计 和 官能团设计,
它是使高分子材料获得具有一定化学结构的 本征
性功能特征 的主要方法，因而又称为 化学方法 。
(1)通过分子设计合成新功能
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例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结
构中 引入感光功能基团,从而合成出 感光高分子材料 。合成
可供选择的 措施 有,共聚合, 接技聚合, 嵌段聚合, 界面缩
聚, 交联反应, 官能团引入, 模板聚合, 管道聚合, 交替共
聚 以及 用高聚物作支持体的聚合 等。
49
这种方法又称为 物理方法 。例如：
高分子材料通过 薄膜化 制作 偏振光膜, 滤光片, 电磁传感
器, 薄膜半导体, 薄膜电池, 接点保护材料, 防蚀材料 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
取得了广泛的应用。
高分子材料 纤维化 可用于 二次电子倍增管 或作 离子交换纤维 。
对于高分子材料来说，最引人注目的是 塑料光纤 的开发应用。
(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性
50
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。
关于这方面的理论，近年来还提出了所谓 复合相乘效应
公式 。即如 A组分具有 X/Y功能 (即对材料施加 X作用，可得
Y效应，例如加压生电 ),B组分有 Y/Z功能，则复合之后可
产生 (X/Y)＊ (Y/Z)＝ X/Z的新功能。根据这个原理，已试制
出 温度自控塑料发热体 等一批新型复合功能高分子材料。
(3)通过具有不同功能或性能的材料复合获得新功能。
51
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。 功能材料的设计 是
当代材料技术的重大成就之一。
(4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能
52
功能材料是目前材料领域 发展最快 的新领域。
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 特有的“功能
性” 。
第三节 功能材料的特点
53
功能材料的 结构与性能 之间存在着密切的联
系，材料的 骨架, 功能基团 以及 分子组成 直接影
响着材料的宏观结构与材料的功能。
研究功能材料的 结构与功能之间的关系,可
以指导开发更为先进、新颖的功能材料。
54
不同种类的功能材料各具特色。
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。
一、金属功能材料
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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。
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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。
57
无机非金属功能材料 的发展速度也很快，新
的种类也是层出不穷。它以 功能玻璃 和 功能陶瓷
为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。
二、无机非金属功能材料
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组合化学作为 合成化学 的一个新分支，它展现出巨大的
发展潜力。组合化学与 计算机科学 相结合，特别是与 数据库
技术 相结合，是组合化学发展的未来方向。
无机功能材料组合化学研究 主要集中在具有特殊 光, 电,
磁 和 催化 等性质的材料上。其主要表现在以下五个方面：
1．组合化学在无机功能材料方面的应用
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它是以 无机微孔材料, 无机／有机杂化材料 中存在的 基
本结构单元 为基础，组合合成具有设计结构单元的化合物。
功能材料组合库 的 合成与表征 包括 发光材料, 铁电 及 介
电材料, 巨磁阻材料 等。
(1)无机结构基元 或 虚拟结构基元 的组合化学
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(2)无机功能材料组合 合成技术 与 表征方法 的基础研究。
(3)特殊技术 和 特定结构 组合化学。它包括激光喷涂组
合化学研究，主客体组装组合化学等。
61
(4)固体氧化物燃料电池中 新型中、低温 (600— 800℃ )区
工作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。
(5)从 热力学平衡角度 研究材料的 相态, 结构 及 稳定性,
获得所需材料体系的 相图,同时进行 性能测定,由此全
面掌握不同 组成,结构和 工作温度 下的材料特性。
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无机材料组合化学研究应在具有雄厚条件的基
础上，利用 组合数学的理论 思想来指导不同材料库
的建立，完善材料合成的 组合技术 及 筛选方法,将
无机功能材料组合化学 与 数据库分析 相结合，从而
最终实现无机功能材料的定向合成。
63
功能玻璃 和 功能陶瓷 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。
新型功能玻璃 除了具有普通玻璃的一般性质以外，
还具有许多 独特的性质,如 磁光玻璃 的磁 — 光转换性能、
声光玻璃 的声光性,导电玻璃 的导电性,记忆玻璃 的记
忆特性等。
2,功能玻璃和功能陶瓷发展的新特点
64
新型功能玻璃的发展 以 光功能玻璃 为代表。作
为蓝光、可见光元件上的 转换材料, 光存储显示材
料 及各种 非线性光学玻璃 特别引人注意，它们将占
据未来的光量子时代，是 功能玻璃材料研究的主要
方向 。快离子导体玻璃的发展也很快，有机 — 无机
复合玻璃是玻璃研究者的又一大开拓目标。
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功能陶瓷 有以下几方面发展趋向：
(1)微电子技术推动下的 微型化 (薄片化 )和 高速度化 ；
(2)在安全和环保工作的促进下，发展 传感器 和 多孔瓷 ；
(3)重视 材料复合 技术；
(4)加速 智能化 。
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科学的发展，特别是 学科交叉 促进了 无机非金属功能材
料的发展 。另一方面,材料本身的进展 与 相邻学科或技术的
迅速发展 关系很大。
例如 量子物理, 量子化学 的发展促进了 纳米陶瓷, 磁性
陶瓷 等技术的发展； 半导体物理 的发展促进了各种 电介质陶
瓷, 压电陶瓷 的发展和应用；特别是 缺陷物化 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
料和功能高分子材料。
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相关技术 促进 无机非金属功能材料的发展 也有很多，例如：
信息自动化 促进了传感器； 薄膜变薄 涉及粉体制备技术；薄膜
技术发展又促进 铁电存储器 的应用； 高纯原料 为功能陶瓷的发
展创造了条件。
物理检测手段 也影响材料发展，原来的 显微图像 是利用 光
性或电子性差别 成像，而近代利用 热性能 或 弹性力学性能差别
可分别得出 热像 及 声学像,从而揭示了新现象，对功能陶瓷作
用很大。
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各学科之间,学科与工艺技术 之间的 相互作用
和渗透,对无机非金属功能材料的发展产生了深远
的影响。
各学科的交叉，使各种 功能材料之间的界限 开
始变得模糊，甚至各种材料组成的复合材料可通过
协同作用 获得最佳性能以及得到其他新功能。
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1．影响功能高分子材料“功能性”的 结构因素
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。
Ａ,骨架的性质,如 润湿性, 溶胀性, 骨架的邻位效应 等；
Ｂ、在分子中起到特殊关键作用的 官能团的性质 。
三、功能高分子材料
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功能高分子材料的制备一般是指通过 物理的或化
学的方法 将 功能基团 与 聚合物骨架 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：
①是 功能性小分子 固定在骨架材料上；
②是 大分子材料 的功能化；
③是 已有的功能高分子材料 的功能扩展。
2．功能高分子材料的制备方法
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第四节 功能材料制备用的新方法
用于功能材料制备的新方法很多。例如,快速凝固,
镀膜, 超晶格, 机械合金化, 溶胶 — 凝胶, 极限 (极高温、
高压、高真空、失重等 )条件下制备 的方法,复合及杂化,
晶须 及 大单晶 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。
72
在溶胶 — 凝胶方法中，常是把含有 Si,A1,Ti,B等网络
形成元素的 烃氧化物 作为母体，以添加 碱或酸 作 催化剂,在酒
精溶液中使烃氧化物水解、浓聚而形成［ — M — Ｏ — M— ］
链的无机氧化物网络。
xR O HORHOSiOxHORSi xx ??? ?42 )()()(
)()4()2(])()([ 224 OHRxnOHxnn S i OOROHSin xx ??????
溶胶 — 凝胶方法
73
通过改变 母体的化学成分 和 生成条件,就可改
变 冷凝物 的拓朴结构，可从无水氧化物的 致密球 变
为稀疏的 分枝状结构,以满足待定的使用要求。
无水氧化物具有可以控制 微孔尺寸, 微孔体积,
折射率 和 化学性质 的特点。这对于高技术的应用是
有利的。
74
通过快淬快凝工艺可以得到 在常规条件下 的 亚稳相 。
亚稳相可以是材料的 使用状态,也可能是为得到好性能的
中间状态 。
在自然界中，亚稳相是很常见的。从 亚稳相到平衡态
的转变 不少情况下是 非常缓慢 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
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。
快淬快凝技术
75
复合 就是把两种以上组分材料组成一种新材
料的方法； 杂化 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。
复合和杂化
76
杂化是 在纳米数量级上 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 量子效应, 表面能
量效应 等。这些现象对材料里的载流子的 传输过程 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
的电学性质相加后的平均值，而可以说是相乘的结果。
可以出现 各向异性, 超导电性 等现象。
77
例如，在绝缘性 高分子薄膜表面 镀上一层 薄金属层,
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 导
电薄膜 。
采用杂化技术，还可以制得具有特殊功能的 肖脱基
元件 和 非线性光学有机薄膜 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。
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第五节 功能材料的发展现状
一,新型功能材料国外发展现状
当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸
如 超导 材料,微电子 材料,光子 材料,信息 材料,能源转换
及储能 材料,生态环境 材料,生物医用 材料及材料的 分子,
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
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。
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以 NbTi,Nb3Sn为代表的 实用超导材料 已实现了商品化,
在 核磁共振人体成像 （ NMRI）, 超导磁体 及 大型加速器磁
体 等多个领域获得了应用 。
高温 氧化物超导体 的出现，突破了温度壁垒，把超导应
用温度从液氦（ 4.2K） 提高到液氮（ 77K） 温区。高温超
导材料的研究工作已在 单晶, 薄膜, 体材料, 线材 和 应用 等
方面取得了重要进展。
超导材料
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作为高技术重要组成部分的 生物医用材料 已进入一个
快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年 16%的速度递
增，预计 20年内，生物医用材料所占的份额将赶上 药物 市
场，成为一个支柱产业。 生物活性陶瓷 已成为 医用生物陶
瓷 的主要方向； 生物降解高分子材料 是医用高分子材料的
重要方向。
生物医用材料
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太阳能电池材料 是新能源材料研究开发的热点,IBM
公司研制的 多层复合太阳能电池,转换率高达 40%。
美国能源部在全部 氢能研究 经费中，大约有 50%用于
储氢 技术 。
固体氧化物燃料电池 的研究十分活跃，关键是电池
材料，如 固体电解质薄膜 和 电池阴极材料,还有质子交
换膜型燃料电池用的 有机质子交换膜 等，都是目前研究
的热点。
能源材料
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是 20世纪 90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
发达国家十分活跃，主要有 三个研究方向,
生态环境材料
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①直接面临的 与环境问题相关 的材料技术，例
如,生物可降解 材料技术,CO 2 气体的固化 技术，
SOx,NOx催化转化 技术,废物的再资源化 技术,环
境污染修复 技术，材料制备加工中的 洁净技术 以及
节省资源, 节省能源 的技术。
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②开发能使经济可持续发展的 环境协调性材料,
如 仿生材料, 环境保护材料,氟里昂、石棉等 有害
物质的替代材料, 绿色新材料 等；
③材料的 环境协调性评价 。
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智能材料是继 天然材料, 合成高分子材料, 人
工设计材料 之后的 第四代材料, 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,
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 结构功能化, 功能多样化的 目标 。
智能材料
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国外智能材料 的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇
航公司在 导线传感器,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 形状记忆合金,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 10
秒钟；在 压电材料, 磁致伸缩材料, 导电高分子材料 等在航空
上的应用取得大量创新成果。
87
我国非常重视功能材料的发展, 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
大比例 。 在, 九五,,, 十五, 国防计划中还将 特种功能材
料 列为, 国防尖端, 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 。
二, 国内功能材料发展的现状
88
在,863”计划支持下，开辟了 超导材料, 平板显示材料
,稀土功能材料, 生物医用材料, 储氢 等新能源材料,金刚
石薄膜, 高性能固体推进剂材料, 红外隐身材料, 材料设计
与性能预测 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，在国际上占有了一席之地。
89
镍氢电池, 锂离子电池 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
陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以 片式电子组件 为目
标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在 低烧瓷料
和 贱金属电极 上形成了自己的特色并实现了产业化，使 片式
电容材料 及其 组件 进入了世界先进行列。
90
高档 钕铁硼 产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
权； 功能材料还在,两弹一星,等国防工程中作出
了举足轻重的贡献。
91
根据预测, 二十一世纪的新材料技术产业 在
世界市场的销售额 将超过 4000亿美元, 其中功能
材料约占 75～ 80%。
三、国内、外功能材料社会经济发展需求
92
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 关键特种功能材料 是不可能依
靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如 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。
93
第六节 无机功能材料的现代合成与制备方法
⑴ 溶胶 -凝胶法 (sol-gel)
溶胶 - 凝胶法是以 金属醇盐,其它 金属有机化合物 或 无
机化合物 为原料进行 水解, 缩合 (生成无机聚合物材料的 )反
应,使溶液经溶胶 -凝胶化,干燥,热处理后制备 玻璃膜,玻
璃纤维,分子筛膜,特种陶瓷材料 的方法 。
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 。
94
⑵ 化学气相沉积法 (CVD,Chemical Vapor Deposition)
在相当高的温度下, 混合气体 与 基体的表面 相互作
用, 使 混合气体中某些成分分解, 并在基体上形成一
种 金属或化合物的固态薄膜 或 镀层 。
95
氢气保护, 1000～ 1050℃, 钢件表面镀 TiC：
TiCl4(l)+CH4(g)→TiC(s)+ 4HCl(g)
TiCl4(l)+C(钢 ) +2H2(g)→TiC(s)+4HCl(g)
TiC
化
学
气
相
沉
积
装
置
图
96
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 多孔玻璃, 沸石分子筛, 大孔离子交换树
脂 等 。
例如, 将 Na-Y型沸石与 Cd(NO3)2溶液混合,离子交换
后形成 Cd-Y型沸石, 经干燥后与 H2S气体反应, 在分子筛八
面体沸石笼中生成 CdS纳米粒子 。
⑶ 模板合成法
97
在接近室温的条件 (室温～ 100℃ )下通过混合,
研磨固体反应物直接形成生成物 。
⑷ 低温固相合成法
功 能 材 料
化学化工学院 薄其兵
2
主要参考资料
1,现代功能材料及其应用 — 郭卫生,汪济奎（化学工业出版社,2002）
2、功能材料学 ---周馨我 (北京理工大学出版社,2002)
3、新型功能材料 --- 贡长生，张克立 (化学工业出版社,2001)
4、新型无机材料 -----杨华明,宋晓岚,金胜明 （化学工业出版社,2005）
5、信息和功能材料 -----刘先曙 马傅华 辛秀田（宇航出版社,1998 ）
6、功能材料学概论 -----马如璋 蒋民华 （冶金工业出版社,1999）
建议教材：
功能材料概论 ---殷景华 王雅珍 （哈尔滨工业大学出版社,1999）
3
第一章 功能材料概论
第二章 超导材料
第三章 功能玻璃材料
第四章 陶瓷材料
第五章 敏感陶瓷
第六章 快离子导体陶瓷
第七章 稀土发光材料
第八章 智能材料
第九章 储氢材料和磁性材料
目 录
4
第一章 功能高分子绪论
第二章 离子交换树脂
第三章 吸水树脂
第四章 高聚物膜
第五章 液晶材料
第六章 催化剂
第七章 医用高分子
第八章 其它功能高分子
功能材料授课内容
（材料化学 01,02班）
5
1986年，我国制定了《高技术发展计划纲
要》，被评选列入的 七个技术群 是 生物技术,
信息技术, 激光技术, 航天技术, 自动化技术,
新能源技术 和 新材料技术 。
6
一般认为,新材料 有 晶须 材料,非晶 材料,超
塑性合金, 形状记忆 材料,功能 陶瓷,功能有机 材
料,超导 材料,碳纤维, 能量转换 材料等。
新材料发展的重点 已经从 结构材料 转向 功能材料 。
功能材料被誉为－－ 2l世纪人类文明的重要支柱
7
随着时代的发展，人类将进入一个信息时代 。 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，
更需要用高科技的方法和手段来生产 新型的, 功能性的 产品，
以获得各种优良的综合性能。近年来 新型功能材料 层出不穷，
得到了突破性的进展。
第一章 功能材料概论
8
日本和欧美各国对 新型功能材料 的研究十分
注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、
电子、激光等 现代科学的基础,功能材料在未来
的社会发展中具有重大战略意义。
9
近 10年来，功能材料成为 材料科学和工程领
域中 最为活跃的部分。每年以 5％以上的速度增
长，相当于每年有 1.25万种新材料问世。未来世
界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正
在渗透到现代生活的各个领域。
10
一、功能材料的概念
功能材料是指通过 光, 电, 磁, 热, 化学, 生化 等作用
后具有 特定功能 的材料。
在国外，常将这类材料称为 功能材料 (Functional
Materials),特种材料 (Speciality Materials))或 精细材料
(Fine Materials)。
第一节 功能材料的概念与分类
11
功能材料 涉及面较广，具体包括 光, 电功能,
磁功能, 分离功能, 形状记忆功能 等。
这类材料相对于通常的 结构材料 而言，一般除
了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。
12
材料的 特定的功能 与材料的 特定结构 是相联系的。
如对于 导电聚合物 来说，它一般具有 长链共轭双键 ；
金属结构中由于 弹性马氏体相变 能产生记忆效应，
因此出现了 形状记忆合金 ；压电陶瓷晶体必须有极
轴等。
13
功能材料是一门新的学科，目前对它进行
严格的定义 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
低级运动一样，功能材料既遵循材料的 一般特
性 和 变化规律 又具有其 自身的特点 。因此可认
为是 传统材料的更高级的运动形式。
14
二,功能材料的分类
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
法。从 功能的不同 考虑，可将功能材料分为以下四类。
15
(1)力学功能
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。
16
(2)化学功能
① 分离 功能材料：如 分离膜, 离子交换树脂, 高分子络合物 ；
② 反应 功能材料；如 高分子试剂, 高分子催化剂 ；
③ 生物 功能材料：如 固定化菌, 生物反应器 等 。
17
（ 3） 物理化学功能
① 电学 功能材料：如 超导体, 导电高分子 等；
② 光学 功能材料：如 光导纤维, 感光性高分子 等 ；
③ 能量转换 材料：如 压电材料, 光电材料 。
18
(4)生物化学功能
① 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；
② 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；
③ 生物降解 材料
19
下图为材料显示功能的示意图。
输
入
材
料
输
出
第二节 功能设计的原理和方法
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。
20
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 。
21
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 。
Ａ、一次功能
22
一次功能主要有下面的八种 。
① 力学 功能。如 惯性, 粘性, 流动性, 润滑性, 成型性,
超塑性, 恒弹性, 高弹性, 振动性 和 防震性 。
② 声 功能。如 隔音 性,吸音 性。
③ 热 功能。如 传热 性,隔热 性,吸热 性和 蓄热 性等。
④ 电 功能。如 导电 性,超导 性,绝缘 性和 电阻 等。
23
⑤ 磁 功能。如 硬磁性, 软磁性, 半硬磁性 等。
⑥ 光 功能。如 遮光性, 透光性, 折射光性, 反射光性, 吸
光性, 偏振光性, 分光性, 聚光性 等。
⑦ 化学 功能。如 吸附作用, 气体吸收性, 催化作用, 生物
化学反应, 酶反应 等。
⑧ 其他 功能。如 放射特性, 电磁波特性 等。
24
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 。有人认为
这种材料才是真正的功能材料。
Ｂ、二次功能
25
二次功能按 能量的转换系统 可分为如下四类 。
① 光 能与其他形式能量的转换；
② 电 能与其他形式能量的转换；
③ 磁 能与其他形式能量的转换；
④ 机械 能与其他形式能量的转换。
26
如 光合成 反应,光分解 反应,光化 反应、
光致抗蚀, 化学发光, 感光 反应,光致伸缩,
光生伏特 效应和 光导电 效应。
① 光 能与其他形式能量的转换
27
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,电化学 效应和 电光 效应等 。
② 电 能与其他形式能量的转换
28
③ 磁 能与其他形式能量的转换
如 光磁 效应,热磁 效应,磁冷冻 效应和 磁性转变
效应等。
29
④ 机械 能与其他形式能量的转换 。
如 形状记忆 效应,热弹性 效应,机械化学 效应、
压电 效应,电致伸缩, 光压 效应,声光 效应、
光弹性 效应和 磁致伸缩 效应等。
30
按 材料种类 分，功能材料还可分为,金属 功
能材料,无机非金属 功能材料和 有机 功能材料。
31
无论哪种功能材料，其 能量传递过程 或者 能量转
换形式 所涉及的微观过程都与 固体物理 和 固体化学 相
联系。正是这两门基础科学为新兴学科 —— 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
究和应用。它们把功能材料推进到 功能设计 的时代。
32
所谓 功能设计,就是赋予材料以 一次功能 或
二次功能 特性的科学方法。有人认为 21世纪将逐
渐实现 按需设计 材料。
33
材料科学与工程 一般都认为由 四要素 组成，即 结构 /成分,
合成 /流程, 性能 与 效能 。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
出现不同性能，所以 材料科学与工程 应为五要素，即 成分,
合成 /流程, 结构, 性能 与 效能 。
根据材料所要求的性能不同,材料设计 可以从 电子, 光
子 出发．也可从 原子, 原子集团 出发，可以从 微观, 显微 到
宏观 。
34
材料设计 是一个很复杂的过程：
如 材料的制备 与 存在状态 往往属于 非平衡热力学 ；
有些结构敏感性质 (材料的力学性质 )的 可变因素 太多，
即使一个微小缺陷都会产生很大影响； 表面与内部 结
构及性质的不一致性；复杂的 环境因素 等等。
35
材料设计的实现 是一个 长期过程,其最终应达
到 提出一个需求目标 就可 设计出成分, 制造流程 并
做出合乎要求的工程材料 以至零件、器件或构件。
36
为实现 材料设计,必须开展深入的 基础研究,以
了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的 数
据库 ；建立正确的 物理模型 ；需要有 大容量计算机 ；
更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力
合作。
37
一、金属功能材料设计
金属功能材料 按性能 分主要包括 磁 性,电 性,力学, 热学,
光学, 化学, 生物功能材料 和 特种功能材料 。
金属功能材料的 功能设计 主要有以下两个方面。
(１ )寻找 具有特定功能的金属材料。
(２ )利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
38
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，
稀土功能材料 的制备和应用。
(1)寻找具有特定功能的金属材料
39
稀土功能材料 主要包括 稀土永磁 材料,稀土储
氢 材料,信息显示 材料,催化 材料,超磁致伸缩 材
料,巨磁电阻 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 13个领域的 40
多个行业。
40
我国 稀土资源 非常丰富，其工业储量约占世界
已探明总储量 6200万 t的 80％。将我国的稀土 资源优
势 变为 产业优势 和 经济优势,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
产业的技术进步。
41
因此，发展 稀土功能材料 对我国来讲具有重
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
金属功能材料 开发的一个方面。
42
合金的迅速发展，给 金属功能材料的发展 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
材料被开发出来，如 纳米材料, 大块非晶材料, 真空快
淬材料, 磁性形状记忆合金 等。
(2)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
43
无机非金属功能材料的 主要代表 是 功能玻璃 和
功能陶瓷 。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：
(1) 根据功能的要求 设计配方 。
(2) 根据功能的要求 设计合适的加工工艺 。
二、无机非金属功能材料设计
44
无机非金属功能材料的 配方比较复杂,每种不同功能
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 所含的材质 决定了无机非金属功
能材料的 宏观性能 。
比如 功能玻璃 包括 微晶玻璃, 激光玻璃, 半导体玻璃,
光色玻璃, 生物玻璃 等。
(1) 根据功能的要求设计配方
45
无机非金属功能材料的 加工工艺 根据所需功能的不同，
有的采用 普通的 无机非金属材料加工工艺，有的采用 特殊
的 加工工艺。
不同的加工工艺 可以得到 不同功能 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
的制造是非常重要的。
(2)根据功能的要求设计合适的加工工艺
46
功能高分子材料功能设计的主要途径如下：
(1)通过 分子设计 合成新功能。
(2)通过 特殊加工 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 材料复合
获得新功能。
(4)通过对材料进行各种 表面处理 以获得新功能。
三、高分子功能材料设计
47
分子设计包括高分子 结构设计 和 官能团设计,
它是使高分子材料获得具有一定化学结构的 本征
性功能特征 的主要方法，因而又称为 化学方法 。
(1)通过分子设计合成新功能
48
例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结
构中 引入感光功能基团,从而合成出 感光高分子材料 。合成
可供选择的 措施 有,共聚合, 接技聚合, 嵌段聚合, 界面缩
聚, 交联反应, 官能团引入, 模板聚合, 管道聚合, 交替共
聚 以及 用高聚物作支持体的聚合 等。
49
这种方法又称为 物理方法 。例如：
高分子材料通过 薄膜化 制作 偏振光膜, 滤光片, 电磁传感
器, 薄膜半导体, 薄膜电池, 接点保护材料, 防蚀材料 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
取得了广泛的应用。
高分子材料 纤维化 可用于 二次电子倍增管 或作 离子交换纤维 。
对于高分子材料来说，最引人注目的是 塑料光纤 的开发应用。
(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性
50
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。
关于这方面的理论，近年来还提出了所谓 复合相乘效应
公式 。即如 A组分具有 X/Y功能 (即对材料施加 X作用，可得
Y效应，例如加压生电 ),B组分有 Y/Z功能，则复合之后可
产生 (X/Y)＊ (Y/Z)＝ X/Z的新功能。根据这个原理，已试制
出 温度自控塑料发热体 等一批新型复合功能高分子材料。
(3)通过具有不同功能或性能的材料复合获得新功能。
51
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。 功能材料的设计 是
当代材料技术的重大成就之一。
(4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能
52
功能材料是目前材料领域 发展最快 的新领域。
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 特有的“功能
性” 。
第三节 功能材料的特点
53
功能材料的 结构与性能 之间存在着密切的联
系，材料的 骨架, 功能基团 以及 分子组成 直接影
响着材料的宏观结构与材料的功能。
研究功能材料的 结构与功能之间的关系,可
以指导开发更为先进、新颖的功能材料。
54
不同种类的功能材料各具特色。
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。
一、金属功能材料
55
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。
56
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。
57
无机非金属功能材料 的发展速度也很快，新
的种类也是层出不穷。它以 功能玻璃 和 功能陶瓷
为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。
二、无机非金属功能材料
58
组合化学作为 合成化学 的一个新分支，它展现出巨大的
发展潜力。组合化学与 计算机科学 相结合，特别是与 数据库
技术 相结合，是组合化学发展的未来方向。
无机功能材料组合化学研究 主要集中在具有特殊 光, 电,
磁 和 催化 等性质的材料上。其主要表现在以下五个方面：
1．组合化学在无机功能材料方面的应用
59
它是以 无机微孔材料, 无机／有机杂化材料 中存在的 基
本结构单元 为基础，组合合成具有设计结构单元的化合物。
功能材料组合库 的 合成与表征 包括 发光材料, 铁电 及 介
电材料, 巨磁阻材料 等。
(1)无机结构基元 或 虚拟结构基元 的组合化学
60
(2)无机功能材料组合 合成技术 与 表征方法 的基础研究。
(3)特殊技术 和 特定结构 组合化学。它包括激光喷涂组
合化学研究，主客体组装组合化学等。
61
(4)固体氧化物燃料电池中 新型中、低温 (600— 800℃ )区
工作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。
(5)从 热力学平衡角度 研究材料的 相态, 结构 及 稳定性,
获得所需材料体系的 相图,同时进行 性能测定,由此全
面掌握不同 组成,结构和 工作温度 下的材料特性。
62
无机材料组合化学研究应在具有雄厚条件的基
础上，利用 组合数学的理论 思想来指导不同材料库
的建立，完善材料合成的 组合技术 及 筛选方法,将
无机功能材料组合化学 与 数据库分析 相结合，从而
最终实现无机功能材料的定向合成。
63
功能玻璃 和 功能陶瓷 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。
新型功能玻璃 除了具有普通玻璃的一般性质以外，
还具有许多 独特的性质,如 磁光玻璃 的磁 — 光转换性能、
声光玻璃 的声光性,导电玻璃 的导电性,记忆玻璃 的记
忆特性等。
2,功能玻璃和功能陶瓷发展的新特点
64
新型功能玻璃的发展 以 光功能玻璃 为代表。作
为蓝光、可见光元件上的 转换材料, 光存储显示材
料 及各种 非线性光学玻璃 特别引人注意，它们将占
据未来的光量子时代，是 功能玻璃材料研究的主要
方向 。快离子导体玻璃的发展也很快，有机 — 无机
复合玻璃是玻璃研究者的又一大开拓目标。
65
功能陶瓷 有以下几方面发展趋向：
(1)微电子技术推动下的 微型化 (薄片化 )和 高速度化 ；
(2)在安全和环保工作的促进下，发展 传感器 和 多孔瓷 ；
(3)重视 材料复合 技术；
(4)加速 智能化 。
66
科学的发展，特别是 学科交叉 促进了 无机非金属功能材
料的发展 。另一方面,材料本身的进展 与 相邻学科或技术的
迅速发展 关系很大。
例如 量子物理, 量子化学 的发展促进了 纳米陶瓷, 磁性
陶瓷 等技术的发展； 半导体物理 的发展促进了各种 电介质陶
瓷, 压电陶瓷 的发展和应用；特别是 缺陷物化 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
料和功能高分子材料。
67
相关技术 促进 无机非金属功能材料的发展 也有很多，例如：
信息自动化 促进了传感器； 薄膜变薄 涉及粉体制备技术；薄膜
技术发展又促进 铁电存储器 的应用； 高纯原料 为功能陶瓷的发
展创造了条件。
物理检测手段 也影响材料发展，原来的 显微图像 是利用 光
性或电子性差别 成像，而近代利用 热性能 或 弹性力学性能差别
可分别得出 热像 及 声学像,从而揭示了新现象，对功能陶瓷作
用很大。
68
各学科之间,学科与工艺技术 之间的 相互作用
和渗透,对无机非金属功能材料的发展产生了深远
的影响。
各学科的交叉，使各种 功能材料之间的界限 开
始变得模糊，甚至各种材料组成的复合材料可通过
协同作用 获得最佳性能以及得到其他新功能。
69
1．影响功能高分子材料“功能性”的 结构因素
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。
Ａ,骨架的性质,如 润湿性, 溶胀性, 骨架的邻位效应 等；
Ｂ、在分子中起到特殊关键作用的 官能团的性质 。
三、功能高分子材料
70
功能高分子材料的制备一般是指通过 物理的或化
学的方法 将 功能基团 与 聚合物骨架 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：
①是 功能性小分子 固定在骨架材料上；
②是 大分子材料 的功能化；
③是 已有的功能高分子材料 的功能扩展。
2．功能高分子材料的制备方法
71
第四节 功能材料制备用的新方法
用于功能材料制备的新方法很多。例如,快速凝固,
镀膜, 超晶格, 机械合金化, 溶胶 — 凝胶, 极限 (极高温、
高压、高真空、失重等 )条件下制备 的方法,复合及杂化,
晶须 及 大单晶 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。
72
在溶胶 — 凝胶方法中，常是把含有 Si,A1,Ti,B等网络
形成元素的 烃氧化物 作为母体，以添加 碱或酸 作 催化剂,在酒
精溶液中使烃氧化物水解、浓聚而形成［ — M — Ｏ — M— ］
链的无机氧化物网络。
xR O HORHOSiOxHORSi xx ??? ?42 )()()(
)()4()2(])()([ 224 OHRxnOHxnn S i OOROHSin xx ??????
溶胶 — 凝胶方法
73
通过改变 母体的化学成分 和 生成条件,就可改
变 冷凝物 的拓朴结构，可从无水氧化物的 致密球 变
为稀疏的 分枝状结构,以满足待定的使用要求。
无水氧化物具有可以控制 微孔尺寸, 微孔体积,
折射率 和 化学性质 的特点。这对于高技术的应用是
有利的。
74
通过快淬快凝工艺可以得到 在常规条件下 的 亚稳相 。
亚稳相可以是材料的 使用状态,也可能是为得到好性能的
中间状态 。
在自然界中，亚稳相是很常见的。从 亚稳相到平衡态
的转变 不少情况下是 非常缓慢 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
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。
快淬快凝技术
75
复合 就是把两种以上组分材料组成一种新材
料的方法； 杂化 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。
复合和杂化
76
杂化是 在纳米数量级上 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 量子效应, 表面能
量效应 等。这些现象对材料里的载流子的 传输过程 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
的电学性质相加后的平均值，而可以说是相乘的结果。
可以出现 各向异性, 超导电性 等现象。
77
例如，在绝缘性 高分子薄膜表面 镀上一层 薄金属层,
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 导
电薄膜 。
采用杂化技术，还可以制得具有特殊功能的 肖脱基
元件 和 非线性光学有机薄膜 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。
78
第五节 功能材料的发展现状
一,新型功能材料国外发展现状
当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸
如 超导 材料,微电子 材料,光子 材料,信息 材料,能源转换
及储能 材料,生态环境 材料,生物医用 材料及材料的 分子,
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
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。
79
以 NbTi,Nb3Sn为代表的 实用超导材料 已实现了商品化,
在 核磁共振人体成像 （ NMRI）, 超导磁体 及 大型加速器磁
体 等多个领域获得了应用 。
高温 氧化物超导体 的出现，突破了温度壁垒，把超导应
用温度从液氦（ 4.2K） 提高到液氮（ 77K） 温区。高温超
导材料的研究工作已在 单晶, 薄膜, 体材料, 线材 和 应用 等
方面取得了重要进展。
超导材料
80
作为高技术重要组成部分的 生物医用材料 已进入一个
快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年 16%的速度递
增，预计 20年内，生物医用材料所占的份额将赶上 药物 市
场，成为一个支柱产业。 生物活性陶瓷 已成为 医用生物陶
瓷 的主要方向； 生物降解高分子材料 是医用高分子材料的
重要方向。
生物医用材料
81
太阳能电池材料 是新能源材料研究开发的热点,IBM
公司研制的 多层复合太阳能电池,转换率高达 40%。
美国能源部在全部 氢能研究 经费中，大约有 50%用于
储氢 技术 。
固体氧化物燃料电池 的研究十分活跃，关键是电池
材料，如 固体电解质薄膜 和 电池阴极材料,还有质子交
换膜型燃料电池用的 有机质子交换膜 等，都是目前研究
的热点。
能源材料
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是 20世纪 90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
发达国家十分活跃，主要有 三个研究方向,
生态环境材料
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①直接面临的 与环境问题相关 的材料技术，例
如,生物可降解 材料技术,CO 2 气体的固化 技术，
SOx,NOx催化转化 技术,废物的再资源化 技术,环
境污染修复 技术，材料制备加工中的 洁净技术 以及
节省资源, 节省能源 的技术。
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②开发能使经济可持续发展的 环境协调性材料,
如 仿生材料, 环境保护材料,氟里昂、石棉等 有害
物质的替代材料, 绿色新材料 等；
③材料的 环境协调性评价 。
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智能材料是继 天然材料, 合成高分子材料, 人
工设计材料 之后的 第四代材料, 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,
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 结构功能化, 功能多样化的 目标 。
智能材料
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国外智能材料 的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇
航公司在 导线传感器,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 形状记忆合金,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 10
秒钟；在 压电材料, 磁致伸缩材料, 导电高分子材料 等在航空
上的应用取得大量创新成果。
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我国非常重视功能材料的发展, 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
大比例 。 在, 九五,,, 十五, 国防计划中还将 特种功能材
料 列为, 国防尖端, 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 。
二, 国内功能材料发展的现状
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在,863”计划支持下，开辟了 超导材料, 平板显示材料
,稀土功能材料, 生物医用材料, 储氢 等新能源材料,金刚
石薄膜, 高性能固体推进剂材料, 红外隐身材料, 材料设计
与性能预测 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，在国际上占有了一席之地。
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镍氢电池, 锂离子电池 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
陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以 片式电子组件 为目
标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在 低烧瓷料
和 贱金属电极 上形成了自己的特色并实现了产业化，使 片式
电容材料 及其 组件 进入了世界先进行列。
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高档 钕铁硼 产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
权； 功能材料还在,两弹一星,等国防工程中作出
了举足轻重的贡献。
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根据预测, 二十一世纪的新材料技术产业 在
世界市场的销售额 将超过 4000亿美元, 其中功能
材料约占 75～ 80%。
三、国内、外功能材料社会经济发展需求
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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 关键特种功能材料 是不可能依
靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如 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。
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第六节 无机功能材料的现代合成与制备方法
⑴ 溶胶 -凝胶法 (sol-gel)
溶胶 - 凝胶法是以 金属醇盐,其它 金属有机化合物 或 无
机化合物 为原料进行 水解, 缩合 (生成无机聚合物材料的 )反
应,使溶液经溶胶 -凝胶化,干燥,热处理后制备 玻璃膜,玻
璃纤维,分子筛膜,特种陶瓷材料 的方法 。
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 。
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⑵ 化学气相沉积法 (CVD,Chemical Vapor Deposition)
在相当高的温度下, 混合气体 与 基体的表面 相互作
用, 使 混合气体中某些成分分解, 并在基体上形成一
种 金属或化合物的固态薄膜 或 镀层 。
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氢气保护, 1000～ 1050℃, 钢件表面镀 TiC：
TiCl4(l)+CH4(g)→TiC(s)+ 4HCl(g)
TiCl4(l)+C(钢 ) +2H2(g)→TiC(s)+4HCl(g)
TiC
化
学
气
相
沉
积
装
置
图
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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 多孔玻璃, 沸石分子筛, 大孔离子交换树
脂 等 。
例如, 将 Na-Y型沸石与 Cd(NO3)2溶液混合,离子交换
后形成 Cd-Y型沸石, 经干燥后与 H2S气体反应, 在分子筛八
面体沸石笼中生成 CdS纳米粒子 。
⑶ 模板合成法
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在接近室温的条件 (室温～ 100℃ )下通过混合,
研磨固体反应物直接形成生成物 。
⑷ 低温固相合成法
