功能材料

功能材料

功能材料是指通過、化學、生化等作用後具有特定功能的材料。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)。功能材料涉及面廣,具體包括光、電功能,磁功能,分離功能,形狀記憶功能等等。這類材料相對于通常的結構材料而言,一般除了具有機械特徵外,還具有其他的功能特徵(《現代功能材料及其套用》)。

功能材料根據材料的特徵特征和用途,可以將功能材料定義為:具有優良的電學、磁學、光學、熱學聲學、力學、化學、生物學功能及其相互轉化的功能,被用于非結構目的的高技術材料(《新型功能材料》)。

  • 中文名稱
    功能材料
  • 興起
    國家新興產業結構調整
  • 發展
    信息技術、生物工程技術
  • 優點
    有政策支持,專業的就業前景不錯

分類

​關于功能材料的分類,沒有統一的界定,下面關于其分類摘自3本書籍。

《功能材料學概論》

功能材料本身的範圍還沒有公認的嚴格的界定,所以對它的分類就很難有統一的認識。比較常見的分類方法有:

功能材料

(1)按照材料的化學鍵分類。分為功能性金屬材料、功能性無機非金屬材料、功能性有機材料和功能性復合材料。

(2)按照材料物理性質分類。分為磁性材料、電性材料、光學材料、聲學材料、力學材料、化學功能材料等。

(3)按照功能材料的套用領域分類。分為電子材料、軍工材料、核材料、信息工業用材料、能源材料、醫學材料等。

《新型功能材料》

與上述相似:

功能材料種類繁多,涉及面廣,迄今還沒有一個公認的分類方法。目 前主要是根據材料的物質性,或功能性、套用型進行分類。

(1)根據材料的物質性進行分類

①金屬功能材料

②無機非金屬功能材料

③有機功能材料

④復合功能材料

(2)根據材料的功能性進行分類

按照材料的物理化學功能進行分類,例如,按材料的主要使用性能大致可分為9大類型:

①電學功能材料

②磁學功能材料

③光學功能材料

④聲學功能材料

⑤力學功能材料

⑥熱學功能材料

⑦化學功能材料

⑧生物醫學功能材料

⑨核功能材料

(3)根據材料的套用性進行分類

按照功能材料套用的技術領域進行分類,主要可分為信息材料電子材料、電工材料、電訊材料、電腦材料、感測材料、儀器儀表材料、能源材料、航空航天材料、生物醫用材料。

《現代功能材料及其套用》

也提到按材料種類分,可分為金屬功能材料、無機非金屬功能材料和有機功能材料。本書主要從功能角度考慮將功能材料分類。大致寫了兩種分類方法:

(一)從功能的不同可以分為如下幾類:

(1)力學功能,主要是指強化功能材料和彈性功能材料,如高結晶材料,超高強材料等等。

(2)化學功能

①分離功能材料:如分離膜,離子交換樹脂、高分子絡合物。

②反應功能材料:如高分子試劑、高分子催化劑等等。

③生物功能材料:如固定化酶,生物反應器等等。

(3)物理化學功能

①電學功能材料:如超導體,導電高分子等。

②光學功能材料:如光導纖維、感光性高分子等。

③能量轉換材料:如壓電材料、光電材料等。

(4)生物化學功能

①醫用功能材料:人工髒器用材料如人工腎、人工心肺,可降解的醫用縫合線、骨釘、骨板等等。

②功能性葯物:如緩釋高分子,葯物活性高分子,高分子農葯等。

③生物降解材料

(二)按功能的顯示過程可分為一次功能材料和二次功能材料。

(1)一次功能。當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于同一種形式時,材料起到能量傳輸部件的作用,材料的這種功能稱為一次功能。以一次功能為使用目的的材料又稱為載體材料。

①力學功能。如慣性、粘性、流動性、潤滑性、成型性、超塑性、恆彈性、高彈性、振動性和防震性。

②聲功能。如隔音性、吸音性。

③熱功能。如傳熱性、隔熱性、吸熱性和蓄熱性。

④電功能。如導電性、超導性、絕緣性和電阻等。

⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、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化學功能。如吸附作用、氣體吸附性、催化作用、生物化學反應、酶反應等。

⑧其他功能。如放射性、電磁波特徵等等。

(2)二次功能。當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時,材料起能量的轉換部件作用,材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。二次功能按能量的轉換系統可分類如下。

①光能和其他形式能量的轉換。如光合成反應、光分解反應、光化反應、光致抗蝕、化學發光,感光反應,光致伸縮,光生伏特效應和光導電效應。

②電能和其他形式能量的轉換。如電磁效應、電阻發熱效應、熱點效應、光電效應、場致發光效應、電化學效應和電光效應等。

③磁能與其他形式能量的轉換。如光磁效應、熱磁效應、磁冷凍效應和磁性轉變等。

④機械與其他形式能量的轉換。如形狀記憶效應、熱彈性效應、機械化學效應、壓電效應、電致伸縮、光壓效應、聲光效應、光彈性效應和磁致伸縮等。

網路資料

功能材料種類繁多,用途廣泛,正在形成一個規模宏大的高技術產業群,有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰略意義。世界各國均十分重視功能材料的研發與套用,它已成為世界各國新材料研究發展的熱點和重點,也是世界各國高技術發展中戰略競爭的熱點。在全球歐諾個一段新材料研究領域中,功能材料約佔 85 % 。我國高技術(863)計畫、國家重大基礎研究[973]計畫、國家自然科學基金項目中均安排了許多功能材料技術項目(約佔新材料領域70%比例),並取得了大量研究成果。

高溫超導材料製備與套用技術

稀土功能材料

新型能量轉換材料與技術(能源材料)

生物醫用材料

綠色奧運工程材料與技術

分辨離膜材料與技術(海水、氯鹼膜)

印刷(製版、感光)、顯示( OLED)材料

高新技術改造傳統產業技術

當前國際功能材料及其套用技術正面臨新的突破,諸如超導材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及儲能材料、生態環境材料、生物醫用材料及材料的分子、原子設計等正處于日新月異的發展之中,發展功能材料技術正在成為一些發達國家強化其經濟及軍事優勢的重要手段。

超導材料

以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現了商品化,在核磁共振人體成像(NMRI)、超導磁體及大型加速器磁體等多個領域獲得了套用;SQUID作為超導體弱電套用的典範已在微弱電磁信號測量方面起到了重要作用,其靈敏度是其它任何非超導的裝置無法達到的。但是,由于常規低溫超導體的臨界溫度太低,必須在昂貴復雜的液氦(4.2K)系統中使用,因而嚴重地限製了低溫超導套用的發展。

高溫氧化物超導體的出現,突破了溫度壁壘,把超導套用溫度從液氦( 4.2K)提高到液氮(77K)溫區。同液氦相比,液氮是一種非常經濟的冷媒,並且具有較高的熱容量,給工程套用帶來了極大的方便。另外,高溫超導體都具有相當高的上臨界場[H c2 (4K)>50T],能夠用來產生20T以上的強磁場,這正好克服了常規低溫超導材料的不足之處。正因為這些由本征特徵Tc、Hc2所帶來的在經濟和技術上的巨大潛在能力,吸引了大量的科學工作者採用最先進的技術裝備,對高Tc超導機製、材料的物理特徵、化學性質、合成工藝及顯微組織進行了廣泛和深入的研究。高溫氧化物超導體是非常復雜的多元體系,在研究過程中遇到了涉及多種領域的重要問題,這些領域包括凝聚態物理、晶體化學、工藝技術及微結構分析等。一些材料科學研究領域最新的技術和手段,如非晶技術、納米粉技術、磁光技術、隧道顯微技術及場離子顯微技術等都被用來研究高溫超導體,其中許多研究工作都涉及了材料科學的前沿問題。高溫超導材料的研究工作已在單晶、薄膜、體材料、線材和套用等方面取得了重要進展。

醫用材料

作為高技術重要組成部分的生物醫用材料已進入一個快速發展的新階段,其市場銷售額正以每年16%的速度遞增,預計20年內,生物醫用材料所佔的份額將趕上葯物市場,成為一個支柱產業。生物活性陶瓷已成為醫用生物陶瓷的主要方向;生物降解高分子材料是醫用高分子材料的重要方向;醫用復合生物材料的研究重點是強韌化生物復合材料和功能性生物復合材料,帶有治療功能的HA生物復合材料的研究也十分活躍。

能源材料

太陽能電池材料是新能源材料研究開發的熱點,IBM公司研製的多層復合太陽能電池,轉換率高達40%。美國能源部在全部氫能研究經費中,大約有50%用于儲氫技術。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍,關鍵是電池材料,如固體電解質薄膜和電池陰極材料,還有質子交換膜型燃料電池用的有機質子交換膜等,都是研究的熱點。

生態環境

生態環境材料是20世紀90年代在國際高技術新材料研究中形成的一個新領域,其研究開發在日、美、德等發達國家十分活躍,主要研究方向是:①直接面臨的與環境問題相關的材料技術,例如,生物可降解材料技術,CO 2 氣體的固化技術,SOxNOx催化轉化技術、廢物的再資源化技術,環境污染修復技術,材料製備加工中的潔凈技術以及節省資源、節省能源的技術;②開發能使經濟可持續發展的環境協調性材料,如仿生材料、環境保護材料、氟裏昂、石棉等有害物質的替代材料、綠色新材料等;③材料的環境協調性評價。

智慧型材料

智慧型材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之後的第四代材料,是現代高技術新材料發展的重要方向之一,將支撐未來高技術的發展,使傳統意義下的功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失,實現結構功能化、功能多樣化。科學家預言,智慧型材料的研製和大規模套用將導致材料科學發展的重大革命。國外在智慧型材料的研發方面取得很多技術突破,如英國宇航公司在導線感測器,用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況;英國開發出一種快速反應形狀記憶合金,壽命期具有百萬次迴圈,且輸出功率高,以它作製動器時、反應時間,僅為10分鍾;在壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智慧型材料驅動組件材料在航空上的套用取得大量創新成果。

能源材料

①固體氧化物燃料電池:

固體氧化物燃料電池是一種新型綠色能源裝置,比質子交換膜燃料電池有更高的轉換效率和節能效果,可減少二氧化碳排放 50%,不產生NOx,已成為發達國家重點研究開發的新能源技術。但研究的固體氧化物燃料電池的工作溫度達800~900℃,其關鍵部件的材料製備總是成為製約固體氧化物燃料電池發展的瓶頸。應突破的關鍵技術主要有:a)高性能電極材料及其製備技術;b)新型電解質材料及電極支撐電解質隔膜的製備技術;c)電池結構最佳化設計及其製備技術;d)電池的結構、性能與表征的研究。

②光電轉換效率大于 18%的矽基太陽能電池商品化;

研製出光電轉換效率大于 18%的低成本、大面積、可商業化的矽基太陽能電池及其組件。

③太陽能的綜合利用 (光電、熱電、熱交換)及其與風力發電的耦合技術;

建立整體利用效率達15%的追尾聚集光式太陽能光電、熱電、熱交換系統並實用化,建立太陽能綜合利用與風力發電耦合的實用型分散式地面電站,並可並網供電。

稀土材料

①稀土催化材料

②稀土永磁材料

突破高性能 (N50)、高均勻性、高工作溫度、低溫度系數的燒結稀土永磁材料和高性能(磁能積20MGOe)粘結稀土永磁材料的產業化關鍵技術。

③高亮度、長壽命白光 LED節能照明系統

低成本、高亮度、長壽命白光 LED節能照明系統產業化並進入普通百姓家庭。

生物醫用材料

①生物晶片;

②生物兼容性好、可降解或可誘導再生的人體軟、硬組織替換材料;

③具有分子識別和特異免疫功能的血液凈化材料和裝置。

生態環境材料

①有機膜分離技術:海水(或鹽鹼水)淡化效率達 50%的有機膜實用化和產業化。

②固沙植被材料與技術;

③節能、環保的建築材料及其關鍵工藝技術:

突破日產 2000噸的流態化水泥燒成技術,其單位能耗與粉塵排放低于的新型幹法工藝;實現純氧燃燒生產浮法建築玻璃的產業化。

特種功能材料

①無機分離催化膜:突破無機分離催化膜(透氧膜、分子篩膜、透氫膜)的關鍵製備技術,建立無機分離催化膜用于天然氣催化轉化製備合成氣和液體燃料、天然氣直接轉化製備乙烯、生物質原料製備乙醇、天然氣製氫等方面的示範性生產裝置。

②大尺寸光學金剛石膜;

③有機磁性材料:突破本征有機磁性材料的關鍵技術。

④敏感材料與感測器。

超導材料

高溫超導材料的製備與套用技術

發展前景

我國非常重視功能材料的發展,在國家攻關、" 863"、"973"、國家自然科學基金等計畫中,功能材料都佔有很大比例。在"九五""十五"國防計畫中還將特種功能材料列為"國防尖端"材料。這些科技行動的實施,使我國在功能材料領域取得了豐碩的成果。在"863"計畫支持下,開闢了超導材料、平板顯示材料、稀土功能材料、生物醫用材料、儲氫等新能源材料,金剛石薄膜,高性能固體推進劑材料,紅外隱身材料,材料設計與性能預測等功能材料新領域,取得了一批接近或達到國際先進水準的研究成果,在國際上佔有了一席之地。鎳氫電池、鋰離子電池的主要性能指標和生產工藝技術均達到了國外的先進水準,推動了鎳氫電池的產業化;功能陶瓷材料的研究開發取得了顯著進展,以片式電子組件為目標,我國在高性能瓷料的研究上取得了突破,並在低燒瓷料和賤金屬電極上形成了自己的特色並實現了產業化,使片式電容材料及其組件進入了世界先進行列; 高檔釹鐵硼產品的研究開發和產業化取得顯著進展,在某些成分配方和相關技術上取得了自主智慧產權; 功能材料還在"兩彈一星"、"四大裝備四顆星"等國防工程中作出了舉足輕重的貢獻。

世界各國功能材料的研究極為活躍,充滿了機遇和挑戰,新技術、新專利層出不窮。發達國家企圖通過智慧產權的形式在特種功能材料領域形成技術壟斷,並嘗試佔領中國廣闊的市場,這種態勢已引起我國的高度重視。我國在新型稀土永磁、生物醫用、生態環境材料、催化材料與技術等領域加強了專利保護。但是,我們應該看到,我國功能材料的創新性研究不夠,申報的專利數,尤其是具有原創性的國際專利數與我國的地位遠不相稱。我國功能材料在系統集成方面也存在不足,有待改進和發展。

國外

根據預測, 2001年新材料技術產業在世界市場的銷售額將超過4000億美元,,其中功能材料約佔75~80%。某些特種功能材料就其單項而言,其市場也是巨大的。1995年信息功能陶瓷材料及其製品的世界市場銷售額已達210億美元,預期到2010年將達到800億美元;2000年超導材料銷售額已達80億美元,預測2010年的年銷售額預計將達到600億美元,其中高溫超導電力設備的全球銷售額可達50-60億美元,到2020年,全球與超導相關的產業的產值(按1995年的價格估算)可能達到1500億到2000億美元,其中高溫超導佔60%;2010年全球釹鐵硼永磁材料的市場需求量將達14.6萬噸,產值達80億美元,帶動相關產業產值700億美元;生物醫用材料是一個正在迅速發展的高技術領域,全球生物醫用材料及製品的產值超過700億美元,美國約為400億美元,與半導體產業相當,是美國經濟中最活躍、出口量最大的6個產業之一,一直保持每年20%以上的速率持續成長,預計到本世紀前十年左右,生物醫用材料產業將達到葯物市場的份額;隨著可持續發展政策被各國政府的廣泛採納,生態環境材料的市場需求也將迅速增加,估計2010年的社會需求將高于500億美元。可見,在全球經濟中,特種功能材料無論是需求的規模,還是需求的成長速度,都是相當驚人的。

國內

中國作為一個 13億人口的大國,正在實施宏偉的第三步發展戰略,這一根本國情加之特種功能材料在經濟社會發展中的重要作用和地位,決定了我國對功能材料的需求將是巨大的。

功能材料不僅是發展我國信息技術、生物技術、能源技術等高技術領域和國防建設的重要基礎材料,而且是改造與提升我國基礎工業和傳統產業的基礎 ,直接關系到我國資源、環境及社會的可持續發展。

我國國防現代化建設一直受到以美國為首的西方國家的封鎖和禁運,所以我國國防用關鍵特種功能材料是不可能依靠進口來解決的,必須要走獨立自主、自力更生的道路。如軍事通信、航空、航天、飛彈、熱核聚變、雷射武器、雷射雷達、新型戰鬥機、主戰坦克以及軍用高能量密度組件等,都離不開特種功能材料的支撐。

我國經濟的快速成長和社會可持續發展,對發展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是發展能源技術、提高能源生產和利用效率的關鍵因素,我國目前是世界上能源消費成長最快的國家,同時也是能源緊缺的國家。發展電動汽車、使用清潔能源、節約石油資源等政策措施使得新型能源轉換及儲能材料的需求不斷增加。隨著電子信息技術的迅猛發展,我國攜帶型電器如手提電話、筆記本電腦使用者每年均以超過 20%的速度增加,形成了一個對小型高能量密度電池的巨大社會需求。

隨著移動通信等新一代電子信息技術的迅速崛起,作為一大批基礎電子元器件技術核心的信息功能陶瓷日益成為我國發展相關高技術的需求重點。按照 5%的世界市場佔有率計,2010 年我國信息功能陶瓷材料及製品的年銷售額將達 300億元人民幣,對信息通訊產業發展具有舉足輕重的作用。

我國是一個稀土大國,其工業儲量佔世界總儲量的 70%以上,發展稀土功能材料我國有著獨特的資源優勢。例如,稀土永磁材料全世界的年平均成長率為23%,而我國高達60%,1995年全球的釹鐵硼永磁材料的生產總量為6000噸,其中我國為2000噸,佔總量的1/3,預測2010年全球釹鐵硼永磁材料的產量將達14.6萬噸,產值達80億美元,其中我國的產量將達5.4萬噸,產值達20多億美元,相關器件產值達100~150億美元。稀土在發光、催化等領域的套用也具有廣闊的市場需求。

我國西部還擁有一些儲量豐富的資源,如稀土、鎢、鈦、、釩、等,有的工業儲量甚至佔世界總儲量的一半以上,這些資源均是特種功能材料的重要原材料。研究開發與上述元素相關的特種功能材料,拓寬其套用領域,取得自主智慧產權,將大幅度地提高我國相關特種功能材料及製品的國際市場競爭力,這對實現西部資源的高附加值利用,將西部的資源優勢轉化為技術優勢和經濟優勢具有重要意義,將有力地支持國家的西部大開發。

隨著我國人民生活質量的進一步改善和提高 ,我國潛在的生物醫用材料市場將很快轉化為充滿勃勃生機的現實市場,從而創造出巨大的社會經濟效益,成為國民經濟的一個支柱產業。

我國已確定"在發展中解決保護,在保護環境的基礎上實現持續發展"的原則,簽署了有關國際公約,並通過了國家有關環境保護的法律、法規,這些都為生態環境材料需求發展創造了有利條件。發展生態環境材料,除了在社會和經濟方面具有巨大的需求之外,在政治上還對我國加入 WTO,融入國際社會,提升國際地位具有重要作用。此外,生態環境材料還對我國的"科技、人文、綠色"奧運工程起著特殊的作用。

總之,在未來的五到十年,我國經濟、社會及國家安全對功能材料有著巨大的需求,功能材料是關系到我國能否順利實現第三步戰略目標的關鍵新材料。

教育教學

本專業為2011年新增專業。

專業代碼:080215S,修業年限:四年,授予學位門類:工學。

通過學習,將具備了以下幾方面的能力:

1、具有堅實的學科基礎,較好的人文、藝術和社會科學基礎及正確運用本國語 言、文字的表達能力;

2、較系統地掌握專業領域寬廣的技術理論基礎知識;

3、具有較強的解決與力學有關的材料加工技術問題的理論分析能力與實驗技能;

4、具有較強的電腦和外語套用能力;

5、具備相應的實驗、科研能力。

職業前景:這個專業是在國家新興產業結構調整下應運而生的,有政策支持,專業的就業前景不錯。畢業生可以從事與信息技術、生物工程技術等相關的新材料開發與套用相關的職業,也可在高校、事業部門從事教學、科研工作。功能材料在國外發展迅速,新工藝層出不窮,相對于傳統材料領域,就讀國內該專業的學生具有較多的出國、讀研機會。

相近專業:無機非金屬材料工程(080203)、冶金工程(080201)、材料科學與工程(080205Y)、復合材料與工程(080206W)、焊接技術與工程(080207W)、生物功能材料(080213S)。

開辦學校:河北工業大學,蘭州大學,蘭州理工大學,浙江工業大學,東北大學,石家庄鐵道大學,西安建築科技大學,沈陽建築大學,華中科技大學,華僑大學,天津大學,北京石化學院,昆明理工大學,東華大學,河南師範大學,中國計量學院,山東理工大學,大連理工大學,蘇州科技學院,天津理工大學,西南科技大學。

航空材料

航空材料超高強度鋼高溫合金變形高溫合金鑄造高溫合金
鎳基高溫合金鐵基高溫合金鈷基高溫合金硼碳高溫合金定向凝固高溫合金
定向共晶高溫合金單晶高溫合金低膨脹高溫合金變形鋁合金硬鋁合金
高強鋁合金耐蝕鋁合金鍛鋁合金線鋁合金鑄造鋁合金
鋁鋰合金變形鎂合金鑄造鎂合金鈦合金變形鈦合金
鑄造鈦合金結構鈦合金抗蠕變鈦合金粉末高溫合金粉末鈦合金
粉末鋁合金快速凝固材料霧化金屬粉末惰性氣體霧化粉末超聲氣體霧化粉末
旋轉盤霧化粉末噴射成形材料機械合金化彌散強化材料金屬間化合物鎳鋁化合物
鈦鋁化合物鐵鋁化合物鈮鈦鋁化合物樹脂基復合材料熱固性樹脂復合材料
熱塑性樹脂復合材料預浸料夾層結構材料多孔層壓材料混雜纖維復合材料
超混雜復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料碳-碳復合材料結構陶瓷
功能材料有機功能材料功能復合材料隱形材料紅外隱形材料
形狀記憶合金紅外視窗材料發散冷卻材料機敏材料智慧型材料
功能陶瓷功能梯度材料阻燃材料定向有機玻璃層合玻璃
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