功能材料

新型功能材料及其应用

谢进利

摘要：科学技术特别是纳米技术的发展，推动了功能材料的飞速发展。功能材料种类的增多和性能的改进拓展了它在各领域的应用范围，使得功能材料在科学研究和经济建设中起到越来越重要的作用。

关键词：功能材料，纳米技术，发展，应用

1. 功能材料概述

功能材料是指那些可用于工业和技术中，具有光、电、磁、声、热等物理或化学性能的各种材料。与结构材料主要利用的是材料的力学性能不同，功能材料主要是以其优越的光、电、磁、热等力学性能以外的特殊性能得到应用。包括电功能材料、磁功能材料、光功能材料、超导材料、功能陶瓷、功能纤维等。

功能材料家族中成员繁多，按照不同的角度可以分成不同类型。按照材料性能分类，有金属功能材料、陶瓷功能材料、高分子功能材料、复合功能材料；按照材料性能分类，有电功能材料、光功能材料、磁功能材料、热功能材料；按照应用领域分类，包括耐高温材料、超导材料、储氢材料、生物医学材料、功能膜和功能纤维等。

在现代航空航天等高新技术行业中，功能材料占有不可或缺的地位。如飞机、航天器、火箭和导弹上起制导、导航和跟踪的作用；环境控制、能源供给、电气系统上的传感、遥控和通信作用等等。功能材料是这些高新技术发展的决定性因数之一。

2. 功能材料与纳米材料

如前所述，功能材料的种类很多。传统的功能材料已被广泛应用于工业技术中的各个领域。如：铜、铝及其合金被用作导电材料；纯铁、铁镍合金、硅钢片被用作软磁材料；α-Al2O3晶体被用作红宝石激光器的基质晶体等等。

随着科学技术的发展，功能材料在工业技术中的应用越来越广泛。同时，新技术的发展和应用也对材料的性能提出了更高的要求。将纳米技术应用到材料的制备过程中，在单个原子、分子层次上实现对材料结构形态和性能的控制，可以获得许多优越性能的纳米功能材料。

纳米材料是其组成相或晶粒在任一维上尺寸都小于100 nm的一类材料的总称。由于物质处于纳米尺度时具有小尺寸效应、表面效应、量子效应及宏观隧道效应，此种变化反应在材料的结构和性能上，就会表现出奇异的功能。因此，功能材料未必是纳米材料，但纳米材料肯定是功能材料。而且，纳米技术不但能使功能材料的性能变得更好，还能制造出新的功能材料和使功能材料具有新的功能。例如，采用纳米技术将导电率高的金属粉末或金属氧化物杂化到柔软的塑料中，可以将绝缘体的塑料变成半导体或导体。

3. 新型功能材料及其应用

功能材料的种类繁多，同一材料可能具有不同的功能，同样的功能也可以用不同的材料来实现。并且，随着材料制备技术的发展和许多应用场合对材料性能提出了更高的要求，材料的许多原有的优良性能被人们加以开发利用，各国研究人员也制造出了许多新的功能材料以满足实际应用的需要。现将一些新发展起来的功能材料及其相关技术简单介绍如下。其中着重介绍与纳米技术相关的新型功能材料的应用。

3.1 超高纯度铜（UHPC）

超高纯度铜（UHPC）是一种优良的电功能材料。通常是对一般铜进行进一步精制而获

得UHPC。在UHPC的熔化、铸造和成型过程中要特别注意避免污染。一般是先用隔板法降低硫含量，然后用真空熔化和区熔提纯的方法进一步精炼。目前也有开发应用悬浮区熔和脱硫区熔的方法。

UHPC的电阻率与其纯度和温度有关，可以根据应用的需要对UHPC的电阻率进行控制。目前，UHPC已被应用于话筒导线和声频插脚电缆，它能够明显地提高保真度，在中频和低频段的声音深沉而清晰。用于机器人和发报机的抗弯曲导线，延长了导线的使用寿命，且可以实现微弱小信号的传输。此外，UHPC在溅射靶和超导磁场技术方面也有很好的应用前景。

3.2 导电性MoSi2材料

二硅化钼是良好的电发热材料，具有与SiC接近的抗氧化性，因此能在空气中直接使用。其密度低（6.24g/cm-3）、工作温度高（可达1900℃），并具有R特性（即在一定范围内，温度升高时强度基本不变），故可用作高温结构材料。

MoSi2是电子器件中很有应用前景的材料。一般集成电路在制造过程中要经过1000℃以上的高温处理，MoSi2能经受这样的高温。它可用于大规模集成电路的栅极薄膜和电触头材料。目前，国内外研究者正对多用途的MoSi2的生产工艺和性能进行改进。

3.3 纳米导电聚合物

一般高分子为绝缘体，但具有某些特殊分子结构或掺杂在分子水平进行复合的聚合物，其电导率可以达到半导体和导体之间，使高分子成为半导体或导体。将纳米自组装技术应用于聚合物材料的制备中，可以获得导电的纳米复合膜和纳米纤维（管）。聚合物纳米复合膜和纳米纤维（管）均可以通过控制一定的参数来实现对材料电导率等性能指标的控制，为纳米聚合物的实用化创造了良好的条件。如：将具有一定电活性的聚3-醋酸噻吩(PTAA-PAH)n 和磺化聚苯胺(SPAn-PAH)n等有机薄膜与SPS类聚阴离子化合物自组装成具有较高环境稳定性、导电性的纳米复合膜，如PPy-SPS等。

3.4 纳米磁/电流变液

纳米磁/电流变液是利用纳米磁粉制备成的智能材料。纳米磁粉在磁液中如果受到外加磁/电场的作用，磁粉在液体中形成定向排列，使磁/电流体粘度剧增，磁/电液体变成固体。当磁/电场撤销时，磁/电流体又有极好的流动性。利用这一点，可以作为汽车的刹车液，也可以用作密封和阻尼减振材料。

3.5 纳米晶太阳能电池

从工作方式看，纳米晶太阳能电池可以分为以下两类：

（1）纳米晶光电化学电池

它是利用氧化还原化学反应来实现光生电-空穴对的分离，也常被称为液态太阳电池。将纳米超微粒（如硫化镉、硫化铅）沉积在一个多孔纳米晶极上，可以获得比表面积很大的多孔电极。这种多孔电极有利于吸收大量的入射光，光吸收所产生的载流子也能快速转移到二氧化钛电极上，从而大大提高了电池的光电转换效率。

（2）纳米晶有机光伏电池

它是基于P-N结的固体半导体光伏电池。主要利用纳米级的半导体晶体尺寸可以与散射相比较来实现能量转换。其关键技术是要制备尺寸均一的纳米结构晶体。通常是在阳极电化学蚀刻得到的多孔铝模板上，电化学合成半导体纳米结构。这种方法费用低、尺寸大小易于控制，适合大规模制备。可现在的半导体沉积层有CdS、ZnS、CdSe、CdS x Se1-x及GaAs等。

3.6 纳米生物医学材料

将纳米技术运用于生物医学材料中，可以人工合成活性材料即组织工程材料，它是生物医学材料的一个发展方向。如，在骨组织材料的制备上，用纳米级羟基磷灰石进行模压制，