吉林农业大学资源与环境学院
摘要：随着时代的发展，各式各样的材料走进人们的生活中，功能材料也越来越多的应用到各行各业.功能材料已经是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。本文从功能技术材料、功能无机非金属材料、功能高分子材料、功能晶体材料、功能复合材料、具有特殊结构的功能材料等方面对功能材料进行了分类和描述，概述了功能材料在航天领域、环保领域以及防伪领域上的应用。 关键词：功能材料；分类；应用
功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。
1功能材料定义
功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称，即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质，或在其作用下表现出特殊功能的材料[1 ]。
2功能材料的分类
2.1功能金属材料[2]
2.1.1电性材料
包括导电材料：电阻材料，电阻敏感材料-应变电阻、热敏电阻、光敏电阻；电热材料；热电材料，主要用作热电偶。
2.1.2磁性材料
具有能量转换、存储或改变能量状态的功能，按矫顽力大小分为硬磁、半硬磁、软磁材料3种，广泛应用于计算机、通讯、自动化、音响、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。应用较多的有：金属软磁材料，金属永磁材料，磁致伸缩材料，铁氧体磁性材料。
2.1.3超导材料
具有零电阻特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。常规超导体；高温超导体：镧锶铜氧化物(La - Sr - Cu - O )、钇钡铜氧化物( YBa2Cu3O7 -δ) 、铋锶钙铜氧化物(Bi - Sr - Ca - Cu- O)、铊钡钙铜氧化物(Tl - Ba - Ca - Cu - O)、汞钡钙铜氧化物(Hg - Ba - Ca - Cu - O)、无限层超导体、钕铈铜氧
电梯箱
化物(Nd - Ce - Cu - O) ；其它类型超导材料：金属间化合物(R - T - B - C)超导体，有机超导体和碱金属掺杂的C60超导体，重费米子超导体。
2.1.4膨胀材料和弹性材料
膨胀合金(低膨胀合金又称因瓦合金)，定膨胀合金又称封接合金、高膨胀合金，主要用作热双金属的主动层；弹性合金(包括高弹性合金)，主要用于航空仪表、精密仪表和精密机
械中作弹性元件，如弹簧、膜盒、波纹管、发条、轴尖等；恒弹性合金，按承载方式不同分静态和动态2类。
2.2功能无机非金属材料[2,3-8]高吸程水泵
比较重要的有：功能陶瓷材料；功能玻璃材料；功能半导体材料；功能晶体材料；氧化物无机非金属超导材料和氧化物磁性材料等。
2.3功能高分子材料[2]
2.3.1化学功能和分离功能高分子材料
主要包括高分子催化剂，高分子试剂，高吸水性树脂，高分子絮凝剂，螯合树脂，离子交换树脂，分离膜材料等。
2.3.1光功能高分子材料
主要包括感光高分子材料(可发生光化学反应)，光导材料(塑料光导纤维，光曲线传播)，光致变材料和光导电材料(能量转换)，光电材料，光盘(信息贮存)，高分子光敏剂，紫外线吸收剂、高分子液晶等。
2.3.3光磁(电) 功能高分子材料
主要包括导电高分子材料，光电导高分子材料，压电和热电高分子材料，声电高分子材料，高分子驻极体，高分子超导体，磁功能高分子材料(结构型与复合型)等。
2.3.4生物医用功能高分子材料
主要包括人工脏器用材料，如人工肾、心脏等；高分子药物及药用高分子；生物降解材料如生物降解塑料等。
导电高分子材料
2.3.5声功能高分子材料
主要包括吸音功能高分子材料，声电功能高分子材料等。
2.4功能晶体材料[2]
有天然晶体和人工晶体之分。晶体有许多宝贵的性质，如金刚石的超硬度、方解石的双折射，许多还能实现光、电、声、热、磁、力等不同能量形式的交互作用和转换。按化学分类可分为无机晶体和有机晶体；按状态分类可分为单晶、多晶、晶体薄膜和晶体纤维；作为功能材料，最常用的是按物理性质分类，如光学晶体、激光晶体、非线性晶体、压电晶体、电光晶体、磁光晶体、闪烁晶体等。
2.4.1光学晶体
一般指光学介质用的晶体(非线性)，主要用于光学仪器的透过窗口、棱镜、透镜、滤光和偏光元件及相位补偿镜等。按化学成分分为金属卤化物单晶、氧化物和含氧酸盐单晶、IV族与II - VI族化合物半导体单晶和多晶等。
2.4.1人造宝石晶体
宝石分为有机宝石和无机宝石，无机宝石分为天然宝石和人造宝石，人造宝石分为合成和仿制宝石。重要人造宝石有：钢玉类(红宝石、蓝宝石、白宝石等)；石英类(彩水晶)；金刚石仿制品-立方氧化锆(CZ)等。
2.4.3非线性光学晶体
与强光有关的不同于线性光学现象的效应称非线性光学效应。其重要应用之一是激光频率转换晶体，用于红宝石激光器、可调谐激光器、半导体激光器。主要种类有：石英(α- SiO2)、磷酸二氢钾(KH2PO4，KDP)和磷酸二氘钾(KD2PO4，DKDP)、铌酸锂(LiNbO3)、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)、淡红银矿(Ag3AsS3)、α-碘酸锂(α- LiIO3)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4，KTP)、磷酸精氨酸(LAP)、偏硼酸钡(β- BBO)、三硼酸锂(LBO)、三硼酸锂铯(CsLiB6O40，CLBO)等。
2.4.4红外非线性光学晶体
此类较少，主要有单质晶体硒(S)和碲(Te)；二元化合物晶体硫化锌(α-ZnS，β- ZnS)、砷
化镓(GaAs)、硒化镉(CdSe)；三元化合物淡红银矿(硫砷银Ag3AsS3)、硫镓银(Ag2GaS2)、硫锗锌(ZnGeS2)、硫镓汞(HgGa2S4)、硒砷铊( Tl3AsSe3)、碲镉汞(HgCdTe2)等晶体。
2.4.5有机非线性光学晶体
习惯常按晶体主要成分分为苯基衍生物晶体、酰胺类晶体、吡啶衍生物晶体、酮衍生物晶体、有机盐类晶体、有机金属络(配) 合物晶体及聚合物晶体；按结构分为平面状、链状、类球状分子晶体及有机金属络合物等；按有机体的功能分为二阶、三阶非线性光学晶体和有机光折变晶体等。
2.5功能复合材料[2]
2.5.1磁性复合材料
包括永磁复合材料，软磁复合材料，磁记录复合材料，磁性流体(又称磁性液体)。
2.5.2电性复合材料
包括金属填充材料，电磁屏蔽复合材料，压电复合材料，超导复合材料。
2.5.3隐身复合材料
可分为涂料型和结构型，都是以树脂为基体的复合材料，以碳纤维、玻璃纤维、芳纶等为增强体，可同时兼具隐身和承载双重功能。
2.5.4抗声的复合材料
声波在材料内传递时材料的分子也随之运动，但其位相滞后，使材料内的部分声能变为热能而被吸收。
其它功能复合材料：主要有抗X射线辐射复合材料，仿生复合材料，摩擦功能复合材料，透光复合材料，
热性能复合材料。
2.6具有特殊结构的功能材料[2,5,8]
2.6.1纳米结构材料
磁性定位器按纳米结构被约束的空间维数可分为4种：(1)零维的纳米原子团族；(2)一维纤维状纳米结构，长度显著大于宽度；如碳纳米管；(3)二维层状纳米结构，长度和宽度尺寸至少要比厚度大得多，晶粒尺寸在一个方向上为纳米级；(4)三维的纳米固体。目前人们对纳米材料进行了大量研究，重点是三维结构的纳米固体，其次是层状纳米结构，而对线状纳米纤维则研究得较少。
2.6.2贮氢材料
贮氢合金主要有镁系合金，稀土系合金，钛系和锆系合金。主要用于氢的贮存、净化和回收，氢燃料发动机，热-压传感器和热液激励器，氢同位素分离和核反应堆，空调、热泵和热贮存，加氢和脱氢反应催化剂，氢化物-镍电池。
2.6.3薄膜功能材料
半导体薄膜(半导体单晶薄膜，薄膜晶体管，太阳能电池，薄膜场致发光材料)；电学薄膜(集成电路中
的布线，透明导电膜，绝缘膜，压电薄膜材料)；信息记录用薄膜(磁记录材料，巨磁电阻材料，光记录元件材料)；敏感薄膜(湿度传感器，各种气敏元件等等)；光学薄膜(防反射膜，薄膜激光器，光电导膜等。
2.6.4形状记忆材料
主要为形状记忆合金和高温型形状记忆金属间化合物，包括TiNi形状记忆合金，铜基形状记忆合金，铁基形状记忆合金。另外陶瓷和树脂中也发现形状记忆效应。
2.6.5减震材料
是具有结构材料应有的强度并能通过阻尼过程(也称为内耗)把震动能较快地转变为热能消耗掉的合金等。主要有动滞后型内耗(驰豫型内耗)，静滞后型内耗，阻尼共振型内耗。
2.6.6生物医学材料
简单地说，生物医学材料是用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组
织和器官进行诊断、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。主要有医用金属材料；生物陶瓷；医用高分子材料。按来源可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料，按性质
分为非降解型和可生物降解型医用高分子材料，按目的分为软组织修复替代材料、硬组织修复替代材料、介入型医用材料、口腔科医用材料、医用膜材料、血液吸附净化材料和心血管系统医用材料等；医用复合材料；新型生物材料。
3 功能材料的应用
3.1 功能材料在航空工业中的作用[9]
3.1.1功能材料是在现代化战争中抓离飞椒作战能力的关键材料
海湾战争的启示之一是飞机的超视距空对空攻击能力、精确制导的空对地攻击能力、航空夜战能力和电子对抗能力在现代化战争中起非常重要的作用。而实现这四项能力的物质基础都是功能材料，如用于导弹红外制导头的多元红外探测器器件材料碲镉汞、红外探测蓝宝石窗口，精确制导的激光晶体材料红宝石和铷钇铝石榴石、红外接收系统中的关键材料碲镉汞、电子吊舱中的砷化镓材料和空一空导弹整流罩材料多晶硫化锌等。
3.1.2隐身材料对抓离飞机在战斗中的生存能力起重要作用
在海湾战争中，美国的F—117A隐身战斗攻击机大约执行了1600架次空袭任务，摧毁了巴格达的大量目标，而自已无一伤亡。因此，航空专家普便认为，军用航空将跨入“隐身时代”，低可探测性将成为未蛋白质晶体
来军用飞机设计及其选材的一项重要指标。雷达吸波材料，结构吸波材料和外形技术是实施“隐身”的三项主要技术措施。由此可见隐身功能材料在现代军用飞机中的重要作用。
已应用和研制的雷达吸波材料有：铁氧体、金属超细粉末和视黄基席夫碱盐等；已应用和研究的结构吸波材料有：热塑性混杂纱吸波复合材料、多层结构和多层夹芯结构吸波材料、陶瓷型吸波材料和碳—碳吸波材料等；近期又提出用导电塑料制造未来战斗机的灵巧蒙皮，将大大提高军用飞机的生存能力和更有效的作战功能。
3.1.3 某些功能材料是使飞行达到离性能水平的关键材料
发动机所能达到的最高性能水平直接与涡轮进口温度及其效率有关。众所周知，MCrAlY·ZrO2隔热涂层涂敷于涡轮和导向叶片表面可提高其使用温度150℃或更高。
封严涂层则可提高压气机和涡轮效率。
耐磨和防腐功能材料可大幅度提高飞机及其零部件使用寿命。
3.2 功能材料在环保上的应用
3.2.1陶瓷在环保上的应用[10]
空气净化瓷
由于多孔陶瓷有良好的耐热、耐化学侵蚀、好维护的特点，成为过滤材料发展的主要方向。各种规格的多孔堇青石蜂窝瓷和碳化硅瓷已广泛用于轿车、摩托车等发动机的尾气净化过滤。有报道把纳米钙钛矿LaMnO3负在涂有γ-Al2O3的多孔堇青石蜂窝瓷上，可作为净化尾气的催化剂。但已有的负载技术牢固性不够，且产品使用周期短。
水处理陶瓷
无机陶瓷膜耐高温、结构稳定、孔径分布均匀、不易被微生物侵蚀、机械强度高及易再生，因此应用比有机膜广泛，特别是在处理酸碱性变化幅度大、高温和高选择性要求的工业废水废气方面有重大价值。采用Mg (OH)2吸附与无机陶膜相结合对印染废水脱处理，脱处理率可达98%以上。无机陶瓷膜有很强的疏油性，可将水中油的质量浓度浓缩到25%以上。用无机膜替代生化处理中的二沉池，较好的解决了活性污泥法中存在的问题。对膜生物反应器(MBR )进行了大量的研究。无机陶瓷膜需要解决的关键问题有：开发新材料、改善膜成型工艺、提高透过速度和膜分离选择性。
微孔陶瓷对腐蚀液(HF除外)有良好的耐腐蚀性、耐热性、机械强度高，特别适合于作为工业锅炉、电站锅炉废水的过滤装置。采用孔隙率为43. 3%、孔径10～500 nm的微孔陶瓷净化冲渣水，经过滤后，冲渣水中悬浮物明显小于国家允许的排放标准。
3.2.2高效吸附功能纤维
新型吸附分离功能纤维具有很大的比表面积，均匀的孔结构或丰富的表面官能团，显示出高的吸附容量，快的吸附或脱附速度和一定的吸附选择性。吸附功能纤维有一定的机械强度和耐酸耐热性，可制成束纤维布等。某些功能纤维还具有氧化还原能力。吸附功能纤维分为：活性碳纤维、离子交换纤维、蜇合纤维及氧化还原纤维等。
在20世纪70年代已开展功能纤维的研究，指出吸附功能材料对缓解自然资源过度消耗和环境污染具有重要的现实意义。活性碳纤维(ACF )可吸附有机蒸气无机气体水中有机质金属粒子甚至微生物，还可将贵金属粒子还原为低价粒子或金属单质。离子交换纤维可对SO2、HF、HCl、NH3等有害气体有效吸附，且由于它表面含有有机胺等非溶性活性基团，当它与人体皮肤接触时可改善皮肤微循环，达到抑杀细菌的目的。
3.2.3 其它功能材料
泡沫金属是一种多孔功能材料，由于其质轻强度高可以用在汽车工业中。减少了材料的使用，降低了燃料的消耗。同时由于它的强吸能性，可用作减震器，也可以用作降噪装置。
硅藻土是重要的非金属矿物材料，具有强吸附性，大比表面积，高空隙率及耐高温的优良性质，是得
天独厚的载体材料。20世纪90年代硅藻土开采量的60%左右用于加工过滤材料。硅藻土过滤剂可用于啤酒食油的过滤，也用来过滤杀虫剂、化妆品等。硅藻土吸附剂主要用于矿物油、植物油的脱精炼以及处理废水臭气等。今后硅藻土研究重点在于提高纯度，加强表面性质和结构的人为调控，研究界面作用机理，积极开发新产品。
抗震支架重量蒙托石、海泡石、坡缕石等粘土矿物具有良好的吸附、过滤及离子交换等性能，且价格低，处理工艺相对简单，现广泛应用在污水处理、大气吸附、过滤脱及杀菌消毒等方面。
新型能源材料如太阳能电池、燃料电池的使用可使人类摆脱对石油等不可再生资源的依赖。俄罗斯开发出若干降低太阳能电池价格及减少材料消耗的工艺，如用氧化硅制造簿膜光敏接收器，采用氧化氟化及离子技术。
3.3 功能材料在防伪上的应用[11]
3.3.1 荧光材料在防伪上的应用
荧光材料属功能性发光材料，这类材料当外来光（含紫外光）照射时，能吸收一定形态的能量，不转化成热能，而是激发光子，以低可见光形式把吸收的能量释放出来，从而产生不同相的荧光现象，而当光停止照射后，发光现象即消失。荧光材料与高分子树脂连接料、溶剂和助溶剂复配经研磨可值得荧光油墨。荧光油墨是现在包装防伪印刷中应用较广泛的油墨之一。
3.3.2 变材料在防伪上的应用
变材料系指受热或光照后颜可变化的新型功能材料，分为热致变和光致变。可用于印刷包装上。
热致变油墨是由热致变材料与普通油墨经特殊工艺加工而成，根据工艺配方的不同，可得到不同的变温度和各种不同的颜。
光致变油墨是由光致变材料与普通油墨加工制成，用于印刷包装上的标记时，标记一受到日光的照射，颜发生变化，避光后恢复原，不需仪器设备即可检验真伪，可多次反复使用。
3.3.3 激光材料在防伪上的应用
激光模压全息图具有价格低廉、容易验证及奇异的光学效果，广泛应用于防伪包装上。目前国内外许多厂家未达到整体防伪效果，改变了一小块激光全息图标识的局部防伪方式，整个包装都经激光处理，呈大面积立体化防伪，是者无从下手。目前还有一种PVC胶
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