第1章 功能材料概述
1.1 概述
1.1.1 材料的發展
材料無處不在，是人類賴以生存和發展的物質基礎。材料是人類用於製造物品、器件、構件、機器或其他產品的物質。材料是物質，但不是所有物質都可以稱為材料，如燃料、化學原料、工業化學品、食物和藥物等，一般都不算是材料。但是這個定義並不那麼嚴格，如炸藥、固體火箭推進劑，一般稱之為“含能材料”，因為它們屬於火炮或火箭的組成部分。
材料是人類生活和生產的物質基礎，是人類認識自然和改造自然的工具。可以這樣說，自從人類一出現就開始使用材料。材料的曆史與人類曆史一樣久遠。從考古學的角度，人類文明曾被劃分為舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代等，由此可見材料的發展對人類社會的影響。材料也是人類進化的標誌之一，任何工程技術都離不開材料的設計和製造工藝，一種新材料的出現，必將支持和促進當代文明的發展和技術的進步。從人類的出現到21世紀的今天，人類的文明程度不斷提高，材料及材料科學也在不斷發展。
在人類文明的進程中，材料大致經曆了以下五個發展階段。
1.使用純天然材料的初級階段
在遠古時代，人類隻能使用天然材料（如獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等），相當於人們通常所說的石器時代。這一階段，人類所能利用的材料都是純天然的，或隻是純天然材料的簡單加工。
2.單純利用火製造材料的階段
人們通常所說的銅器時代和鐵器時代，也就是距今約1000年前到20世紀初的一個漫長的時期，它們分別以人類的三大人造材料為象征，即陶、銅和鐵。這一階段主要是人類利用火來對天然材料進行煆燒、冶煉和加工的時代。例如，人類用天然的礦土燒製陶器、磚瓦和陶瓷，以及從各種天然礦石中提煉銅、鐵等金屬材料等。
3.利用物理與化學原理合成材料的階段
20世紀初，隨著物理和化學等學科的發展以及各種檢測技術的出現，人類一方麵從化學角度出發，開始研究材料的化學組成、化學鍵、結構及合成方法；另一方麵從物理學角度出發，開始研究材料的性質、材料製備，以及與使用材料有關的工藝性問題。在此基礎上，人類開始了人工合成材料的新階段。這一階段以人工合成塑料、合成纖維及合成橡膠等合成高分子材料的出現為開端，一直延續到現在。除合成高分子材料以外，人類也合成了一係列的合金材料和無機非金屬材料。超導材料、半導體材料、光纖材料等都是這一階段的傑出代表。
從這一階段開始，人們不再是單純地通過簡單的煆燒或冶煉天然礦石和原料來製造材料，而是利用一係列物理與化學原理及現象來製造新的材料。同時根據需要，人們可以在對以往材料的組成、結構及性能間關係的研究基礎上進行材料設計。使用的原料有可能是天然原料，也有可能是合成原料。材料合成及製造方法更是多種多樣。
4.材料的複合化階段
20世紀50年代，金屬陶瓷的出現標誌著複合材料時代的到來。隨後又出現了玻璃鋼、梯度功能材料金屬陶瓷等，這些都是複合材料的典型實例。它們都是為了適應高新技術的發展以及人類文明程度的提高而產生的。當時，人類已經可以利用新的物理、化學方法，根據實際需要設計獨特性能的材料。
現代複合材料最根本的思想不隻是要使兩種材料的性能變成3加3等於6，而是要想辦法使它們變成3乘以3等於9，乃至更大。
嚴格來說，複合材料並不隻限於兩種材料的複合。隻要是由兩種或兩種以上不同性質的材料組成的材料，都可以稱為複合材料。
5.材料的智能化階段
自然界中所有的動物或植物都能在沒有受到絕對破壞的情況下進行自我診斷和修複。近三四十年研製出的一些材料已經具備了其中的部分功能，這就是目前最引起人們關注的智能材料，如形狀記憶合金等。
盡管近4餘年來，智能材料的研究取得了重大進展，但是離理想智能材料的目標還相距甚遠。
如上所述，在20世紀，材料經曆了五個發展階段中的三個階段，這種發展速度是前所未有的。總的來說，材料科學的發展有以下幾個特點:超純化（從天然材料到合成材料）、量子化（從宏觀控製到微觀和介質控製）、複合化（從單一到複合）及可設計化（從經驗到理論）。當前，高技術新材料的發展日益豐富，將來會出現什麼樣的高技術材料，材料科學又將發展到何種程度，我們很難預料。
1.1.2 材料的分類
材料除了具有重要性和普遍性以外，還具有多樣性。因此，其分類方法也就沒有一個統一標準。
從物理、化學屬性來分，材料可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料，以及由不同性質材料所組成的複合材料。
從用途來分，材料又分為電子材料、航空航天材料、核材料、建築材料、能源材料、生物材料等。其中，能源材料是近十年發展起來的一類新型材料。它包括儲能材料、節能材料、能量轉換材料和核能材料等。生物材料是用於人體組織和器官的診斷、修複或增進其功能的一類高技術材料，即用於取代、修複活組織的天然或人造材料，其作用是藥物不可替代的。核材料即核燃料（nuclearfuel），是指能產生裂變或聚變核反應並釋放出巨大核能的物質。
更常見的兩種分類方法則是結構材料與功能材料，以及傳統材料與新型材料。其中，傳統材料是指已經成熟且在工業中已批量生產並大量應用的材料，如鋼鐵、水泥、塑料等。這類材料由於其量大、產值高、涉及麵廣，又是很多支柱產業的基礎，所以又稱為基礎材料。新型材料(先進材料)是指正在發展，且具有優異性能和應用前景的一類材料。新型材料與傳統材料之間並沒有明顯的界限，傳統材料通過采用新技術，提高技術含量和性能，大幅度增加附加值就成為新型材料；新型材料在經過長期生產與應用之後也就成為傳統材料。傳統材料是發展新型材料和高技術的基礎，而新型材料又往往能推動傳統材料的進一步發展。
1.1.3 材料的應用
不同類型材料體現出來的效能與其價格的關係。可以看到，建築材料作為傳統材料，其產量大，涉及麵廣，效能低，相對價格最低;而醫用生物材料作為新型材料，具有優異性能和應用前景，其效能最高，因而其價格也最高。
1.2 功能材料的概念與特點
根據性能不同，材料可分為結構材料和功能材料。
結構材料是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結構不變的優良力學性能，用於結構目的的材料，通常用來製造工具、機械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。結構材料是人們熟悉的機械製造材料、建築材料，包括結構鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統結構材料以及高溫合金、結構陶瓷等高級結構材料。
功能材料是指以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學及生物學等性能作為主要性能指標的一類材料，是用於非結構目的的高技術材料。在國外，常將這類材料稱為功能材料(functional materials)、特種材料(speciality materials)或精細材料(fine materials)。功能材料相對於通常的結構材料而言，除了具有機械特性外，一般還具有其他的功能特性。
結構材料和功能材料的主要區別是結構材料利用材料的力學性能，功能材料利用材料的光、電、磁、熱、聲等物理、化學性能。但是兩者之間沒有嚴格的界限，如鋁、銅等既可以做結構件，又可以做導線。
功能材料與結構材料相比，具有以下一些主要特征：
（1）功能材料的功能對應於材料的微觀結構和微觀物體的運動，這是最本質的特征。
（2）功能材料的聚集態和形態非常多樣化。除了晶態外，還有氣態、液態、液晶態、非晶態、準晶態、混合態和等離子態等；除了三維立體材料外，還有二維、一維和零維材料；除了平衡態外，還有非平衡態。
（3）結構材料常以材料形式為最終產品，而功能材料有相當一部分是以元件形式為最終產品，即材料元件一體化。
（4）功能材料是利用現代科學技術的多學科交叉的知識密集型產物。
（5）功能材料的製備技術不同於製備結構材料的傳統技術，而是采用許多先進的新工藝和新技術，如急冷、超淨、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、密集化、智能化以及精細控製和檢測技術等。
材料的特定功能與特定結構是互相聯係的。如有些材料，在發生了塑性變形後，經過合適的熱過程，能夠回複到變形前的形狀，因此出現了形狀記憶合金等。
功能材料的概念是由美國貝爾研究所Morton J A博士在1965年首先提出來的，但人類對功能材料的研究和應用遠早於1965年，隻是其品種和產量很少，且在相當一段時間內發展緩慢。20世紀60年代以來，各種現代技術如微電子、激光、紅外、光電、空間、能源、計算機、機器人、信息、生物和醫學等技術的興起，強烈刺激了功能材料的發展。同時，由於固體物理、固體化學、量子理論、結構化學、生物物理和生物化學等學科的飛速發展，以及各種製備功能材料的新技術和現代分析測試技術在功能材料研究和生產中的實際應用，許多新的功能材料不僅已在實驗室中研製出來，而且已批量生產並投入使用。現代科學技術的迅猛發展，使得適應高技術的各種新型功能材料如雨後春筍一般不斷湧現，它們賦予高技術新的內涵，促進了高技術的發展和應用的實現。
近10年來，功能材料成為材料科學和工程領域中最為活躍的部分，它每年以5％以上的速度增長，相當於每年有1.25萬種新型材料問世。未來世界需要更多的性能優異的功能材料，功能材料正在滲透到現代生活的各個領域。
1.3 功能材料的分類
隨著技術的發展和人類認識的擴展，新型功能材料不斷被開發出來，因此對其也產生了許多不同的分類方法。
1.3.1 按功能分類
從功能的不同考慮，可將功能材料分為以下幾類。
1.力學功能材料
主要是指強化功能材料和彈性功能材料，如力學功能玻璃、超彈性合金等。
2.化學功能材料
（1）分離功能材料，如分離膜、離子交換材料、分子篩等。
（2）催化功能材料，如各種催化劑等。
（3）含能功能材料，如炸藥、固體火箭推進劑等。
3.物理化學功能材料
（1）電學功能材料，如超導材料等。