第1章　新型功能材料概述

1．1　材料的发展及作用

材料是具有一定性能、可用于制作有用器件、构件、工具、装置或物品的物质，是人类生产活动和日常生活必需的物质基础。因为人类所需的衣、食、住、行离不开材料，人类所从事的各种生产活动也离不开材料。纵观人类社会发展历史和材料发展历史，可以看出，材料的使用和发展是与人类文明、科技进步和社会发展密切相关的。在人类历史发展上，一种新材料的出现和应用总是伴随着生产力的新飞跃，以及人类文明的新发展，从而推动科技的进步和人类社会的重大变革。

早在人类早期时代，人类使用石器作为劳动工具，随后使用青铜器和铁器，这些材料的出现和使用，促进了当时社会生产力的发展和社会的进步。史学界也以此来划分人类社会不同的历史时期，将使用石器、青铜器和铁器的时期分别称为“石器时代”、“青铜时代”和“铁器时代”。在近代史上，材料对人类文明的进步、社会经济和科技发展所产生的作用更加明显。例如，17～18世纪，由于钢铁的出现，机器制造工业得到很大发展，促进了机器大生产工业的形成，孕育了产业革命。19世纪后半叶到20世纪初，一系列电业材料(导电、绝缘、电磁等材料)的相继诞生和广泛使用，促进了电力工业的发展，使电磁理论迅速转换为生产力。20世纪以来，高纯半导体材料的问世，使得以计算机为主体的微电子工业迅速发展，大大促进了现代信息技术的形成与发展;放射性镭、钋等能源材料的发现，使核能的开发利用成为现实;先进复合材料、各种耐高温材料、烧蚀材料、涂层材料和一系列新型超合金材料的开发，为空间技术的发展奠定了物质基础;光导纤维的出现，使整个通信产业发生了质的变化，引起了一场信息革命;新型超导材料的研制和开发，大大推动了无损耗输电、大功率发电机、磁流发电以及受控热核反应堆等现代能源的发展。综上所述，材料是先进技术的物质基础，没有新材料的发展，就不可能有科学技术的进步和人类社会的发展。所以自20世纪后期以来，人们把材料、信息和能源一起称为现代科技或社会进步的三大支柱，而材料又是能源和信息的物质基础。一个国家所拥有的材料品种、质量和产量已成为一个国家现代化程度的直接标志。这充分说明了材料对一个国家技术及经济发展的重要性。

1．2　材料及材料科学

材料自古就有，但“材料科学”的提出却只有三四十年的历史。20世纪60年代以前，材料学没有本身的学科体系，材料专业的有关内容分设在冶金、陶瓷和有机化学等专业中，这是由于金属材料、陶瓷材料和有机高分子材料在发展初期确实各有特点，学科基础也各不相同。随着科技发展和对材料研究的深入，一方面材料领域在不断扩大延伸，除了上述三类材料外，又出现了复合材料，它们既不完全属于金属，也不完全属于有机物或陶瓷材料，而是混合体，如玻璃钢，以及正在发展的金属基和陶瓷基复合材料等。材料领域不断发展的另一种现象，像半导体材料，它们虽多属于类金属，如Si、Ge，或金属化合物如GaAs、InSb等，但也可属于陶瓷材料如SiC等，甚至属于有机物。此外，其他功能材料也有类似的情况。另一方面对材料内在规律也有深入的了解，如不同种类材料中的界面与表面、晶体结构与微观缺陷以及材料中的扩散与相变等方面确有共同之处。鉴于这些考虑，将材料领域中金属材料、陶瓷材料、有机高分子材料及复合材料统一形成材料科学体系就势在必行。另一重要原因是1957年苏联第一颗人造地球卫星首先被送上天，当时美国朝野上下为之震惊，普遍认为材料落后是重要原因之一。于是在20世纪50年代末，美国政府制订了一个“国家材料规划”，而且自1960年开始，调整国家政策和技术投向，在全国范围内相继建立了十几个“材料研究中心”，并在大学内建立“材料科学系”或“材料科学与工程系”。材料研究中心的成立，是把各类材料统一考虑的开始，而“材料科学系”的建立，则是把材料整体视为自然科学的一大分支。于是20世纪60年代美国学者首先提出了“材料科学”这个名词。至此，一个新兴的材料科学体系也随之开始建立。

材料科学的建立是社会经济与科学技术发展的必然结果。事实上，将原来分属于不同学科的知识融为一体，形成一个新的学科体系还有多方面的原因:

(1)各类材料的研究理论和方法可以互相借鉴，互相促进。例如金属材料中的缺陷及其行为的理论、各种力学测试方法和指标，都是研究陶瓷材料和有机高分子材料不可缺少的。同样，陶瓷材料的制备方法和高分子材料的成型方法等在不少方面也为金属材料的研究与开发提供了重要的参考。

(2)对不同类型材料的深入了解，为材料的相互代用及最佳选材创造了条件。例如，当前致力于开发陶瓷材料以部分代替高温合金，即所谓的“以陶代钢”。

(3)有利于开发复合材料。例如，第一代复合材料——玻璃钢，是无机非金属材料玻璃纤维与有机材料树脂的复合。金属基复合材料则是无机非金属纤维或颗粒(如SiC、Al2O3)增强金属而成的一类新材料。

(4)不同类型材料所用的研究、制备、生产的装置和工艺有颇多相同之处，工作原理也很相近，特别是性能与结构的测试设备往往是通用的，即使有的是专用的，但相互之间也有参考价值。而且把不同类型的材料统一考虑，不但可以节约投资，更重要的是相互借鉴、相互启发，能加速材料及材料科学的发展。

(5)有利于人才培养。由于拓宽了知识面，学习材料专业的人员增加了开发新课题和新产品的能力。

材料科学作为研究各类材料共性规律的学科，是一门多学科交叉而又相互渗透的新兴学科和边缘学科。材料科学的研究内容很广，但主要研究材料的组成、结构(包括原子、分子、微观和宏观等结构)、加工制备工艺、性质和使用性能之间的相互关系和变化规律，为材料设计、制造和合理使用提供科学依据。

材料科学是介于基础科学与应用科学之间的一门应用基础学科，它与物理、化学、化工、电子、冶金、无机非金属等学科相互交叉、彼此渗透。它以热力学、动力学、固体物理、固体化学及物理化学等基础学科为理论基础，结合化工、冶金、机械、陶瓷等学科，来研究探讨材料的内在规律和应用，并为材料工程等应用学科提供和发展新材料、新工艺和新技术。

1．3　材料化学

材料化学是近十几年来材料科学与化学和化学工程学科相互交叉形成的一个边缘性分支学科。它所论述的主题是材料科学中的化学问题，是沟通化学和材料科学两个学科领域的桥梁，既是材料科学的重要分支，也是应用化学的一部分。从化学学科的发展趋势来讲，一方面继续重视化学基础理论研究，另一方面特别注意加强应用化学的研究，即有意识地促使化学理论向化学实践的转化，以适应现代社会生产和科技发展对能源、材料和原料等方面日益增长的需求。对化学学科来说，材料科学的诞生和成长，不仅为化学在原子、分子层次上增添了新的学科伙伴，同时也为化学学科的发展提供了新的机遇，可以说化学在很大程度上已离不开和材料科学的相互依存关系而独立发展了。对材料学科来说，材料的制备、表征和性能测试是三个主要的研究领域，其中材料制备又是首要的。而材料的制备，尤其是新材料的开发，存在着大量的化学问题。因此化学参与材料科学是理所当然和责无旁贷的，因为化学家对于物质的结构和成键的复杂性有着深刻的理解，并掌握着精湛的化学反应实验技术，这些在探索和开发具有新组成、新结构和新功能的材料方面，在材料的复合、集成、加工等方面可以大有作为。例如在新材料的研制中，可以进行分子设计和分子剪裁;可以设计新的反应步骤;可以在极端条件(如超高压、超高温、超高真空、超低温、强辐射及无重力等环境)下进行反应，合成在常规条件下无法合成的新物质，这些极端条件下的反应称为硬化学(hard chemistry)反应。也可以在温和条件下进行化学反应，通过控制反应的过程、路径和机制，一步步地设计中间产物和最终产物的组成和结构，剪裁其物理化学性质。这种温和可控的化学反应，如溶液—溶胶—凝胶反应、水热合成反应、离子交换反应等称为软化学(soft chemistry)反应。所有这些都构成了材料化学的研究体系和研究内容。

材料化学的学科内容主要包括:采用新技术和新工艺方法，在高温、高压、高真空及低温和其他极端情况或温和条件下，合成新物质和新材料，并用现代化的研究方法如电子显微镜、电子(离子)探针、光电子能谱、X射线结构分析、热分析及各类光谱等来研究材料的组成、结构与性质和性能的关系。

材料化学的主要研究对象是新材料，即采用新技术、新工艺合成的具有特殊性能和新功能、新用途的材料，或者比常规材料在性能上有重大突破的材料。新材料在材料科学发展中占有极其重要的地位，是材料科学和新技术领域中最活跃的部分，也是材料科学当前研究的热点。(www.daowen.com)

1．4　材料分类

材料的品种繁多，形式各异。据统计，迄今为止登记注册的已达几十万种，且每年还以5%左右的速度继续增长。材料学科一般是根据材料的化学属性(或化学组成)将其分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类别。

金属材料是以金属元素为主要成分的材料，包括黑色金属和有色金属两类，前者包括钢、铁、锰、铬及它们的合金;后者包括黑色金属以外的其他各种金属及其合金。合金是在纯金属中有意识地加入一种或多种其他元素(即将几种金属组合或加入适当的杂质成分)以改善其原有特性。纯金属的直接应用很少，金属材料绝大多数以合金的形式出现。金属材料一般具有优良的力学性能，特别是高强度和高塑性的配合，此外，还具有优良的可加工性(富于延展性)及优异的物理特性。金属材料的性质主要取决于它的成分、显微组织结构和制造工艺，通过调整和控制成分、组织结构和制备工艺，可制造出具有不同性能的各种金属材料。在近代的物质文明中，金属材料(如钢铁、铝、铜等及其合金)起了关键的作用，至今这类材料仍然是用途最广、用量最大的一类材料。

无机非金属材料(简称无机材料)是指除金属材料和高分子材料以外的几乎所有的材料。这类材料范围极广，包括由非金属单质(如碳、硅、锗)以及金属与非金属元素组成的化合物所构成的材料。主要有玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等以硅酸盐化合物为主要成分的传统无机材料，以及由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制成的新型无机材料。无机材料种类繁多除了因化学组成千变万化外，还由于一些化学成分完全相同的材料，仅仅因其晶体结构或形态不同，便可构成迥然不同的材料。例如氧化铝(Al2O3)，当形成单晶时，便成为宝石或激光材料，做成质地细密的多晶陶瓷烧结体，就成为集成电路用的放热基板材料或高温电炉用的炉管和切削用的工具材料，而做成多孔的多晶体，可用作催化剂载体材料或传感材料，而拉成丝线的纤维状多晶体，则可用作高强度优质绝热材料。又如化学成分为碳(C)的石墨和金刚石，石墨具有层状结构、质软滑润、耐高温，且具有良好的导热、导电性能，可用作导电、耐高温、耐磨和润滑材料及高温发热体等，当把它在高压下处理转变为金刚石后，其性质则和石墨截然不同，金刚石是所有物质中最硬的，且是一种绝缘体。无机材料多是兼有离子键和共价键的结晶构成，因此它们的一般性能是质地脆、硬度大、强度高、抗化学腐蚀性强，对热和电的绝缘性良好。新型无机材料还具有优良的介电、压电、光学、电磁学及其功能转换等特性。无机材料是所有材料中应用量最大的一类材料，被广泛应用于国民经济的各个领域。

高分子材料又称高聚物或聚合物材料，其基本成分是有机高分子化合物，它由以脂肪族或芳香族的碳—碳共价键为基本结构的大分子所构成。构成这类材料的分子尺寸虽然很大、原子数(成千上万乃至千百个原子)多、相对分子质量(一般在103～107之间)高，但它们的化学组成往往比较简单，结构也很有规律，一般由一种或几种简单的结构单元多次重复连接而成。例如聚氯乙烯是由许多氯乙烯结构单元重复连接而成的，可表示为:

通常简写作。其中是结构单元。这样重复的结构单元叫作链节。n代表重复的结构单元数，称为聚合度。合成高分子化合物的原低分子化合物称为该聚合物的单体。如氯乙烯是聚氯乙烯的单体。

高分子材料可分为天然和合成两大类。像木材、皮革、蛋白质、天然橡胶、棉、麻、丝、生漆等都属于天然高分子化合物。合成高分子化合物(又称合成材料)的种类和品种比天然的多得多。自从20世纪20年代建立高分子学说以来，高分子材料和化学得到了迅速发展，人们可以不再单纯地依赖天然产物，而是可根据对材料性能的需要进行合理的分子设计，由化学合成获得，这使得高分子材料在品质和品种上都实现了飞跃。合成的高分子材料如聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、环氧树脂等，可以制成塑料、橡胶、纤维、涂料或黏合剂等。由于这类化合物多以石油、煤炭等为原料，资源丰富易得，因此发展迅速。高分子材料具有密度小(质量轻)、比强度大、电绝缘性和耐腐蚀性好、易加工成型等优点，可部分取代金属材料及无机材料。目前其应用已遍及衣、食、住、行以至信息、能源、航空航天及国防等各个领域。高分子材料与金属材料和无机材料一起构成工程材料的三大支柱。

将金属材料、无机材料和高分子材料中的两种或两种以上有机地结合在一起，使它们在性能上协同作用、互相取长补短，便可获得全新性能的新型材料，称为复合材料。复合材料既能保留原组成材料的主要特色，还能通过复合效应获得原组分所不具备的性能。它与一般材料的简单混合有着本质的区别。例如纤维补强复合材料(由基体和增强剂组成)中，碳纤维和环氧树脂复合而成的增强塑料，其韧性超过钢、钛和铍，且比强度、比刚度高，尺度稳定、质量轻，广泛用于航天飞行器中。此外，碳纤维或碳化硅纤维也可与金属(如Al、Ti)复合制得纤维增强金属基复合材料，碳化硅纤维或其他无机纤维也可与非氧化物陶瓷复合制得纤维补强陶瓷基复合材料等。复合材料在不同的发展阶段其追求的目标并不相同。1942～1960年，主要着眼质量轻和高刚度; 1960～1975年追求高强度和高韧性，所制材料主要用作航空航天工业部件; 1975年到现在，追求多功能已成为复合材料研究的主要奋斗目标，如梯度功能复合材料。近10年来复合材料发展很快，已成为新材料研究中最活跃的领域之一，有人预测在今后几十年内，复合材料将与金属材料、高分子材料和陶瓷材料形成四分天下的局面，这充分说明了复合材料发展之快和它的重要性。鉴于此，目前材料分类倾向于根据材料的组成和结构特点，将其分为金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料四大类。

材料的分类还有多种方法，不同方法考虑的角度不同。比如按材料的聚集状态，可将其分为单晶材料、多晶材料、非晶材料及微晶材料。根据材料的用途，可将其分为建筑材料、能源材料、电子材料、光学材料和航空材料等。根据材料的使用特性或功能，可将其分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的机械力学性能，是以强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料。功能材料主要是利用材料的物理与化学性质(如储氢、超导、光导、减振、分离、药用及形态记忆材料等)及材料的物理与化学效应(如热电、压电、光电、热释电及磁光、电光、声光和激光材料等)。事实上，大多数材料都同时具有几类材料的部分特征，通常按化学组成和使用特性两种分类方法使用较多。

1．5　新型功能材料

功能材料是指表现出力学性能以外的电、磁、光、生物、化学等特殊性质的材料。随着科学技术的快速发展，新型功能材料如雨后春笋般被研发和制造出来，并迅速得到了推广和应用。新型功能材料主要包括电子信息、能源、纳米、生物医用、高温超导、金刚石薄膜等材料。其中，最被外界熟知的有磁性材料、锂离子电池材料、太阳能电池材料等。

(1)超导材料　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、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用;超导量子干涉仪作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其他任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵的液氦(4．2 K)中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。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(4．2 K)提高到液氮(77 K)温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场，能够用来产生20 T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。正因为这些由本征特性Tc、Hc2所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高Tc超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多个领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。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。

(2)生物医用材料　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;医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料，带有治疗功能的HA生物复合材料的研究也十分活跃。

(3)能源材料　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。

(4)生态环境材料　生态环境材料是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，主要研究方向是: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，CO2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;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，氟利昂、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。

(5)智能材料　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。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司研制的导线传感器，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，以它制作制动器时，反应时间仅为10 min;压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能驱动组件材料在航空上的应用取得了大量创新成果。