制備功能材料的常用方法(常用的功能材料)

1.常用的功能材料有哪些

(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(zhì)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)按照功能材料的應用領域分類。分為電子材料、軍工材料、核材料、信息工業(yè)用材料、能源材料、醫(yī)學材料等。

擴展資料

功能材料的發(fā)展前景：

世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿了機遇和挑戰(zhàn)，新技術、新專利層出不窮。發(fā)達國家企圖通過知識產(chǎn)權的形式在特種功能材料領域形成技術壟斷，并試圖占領中國廣闊的市場，這種態(tài)勢已引起我國的高度重視。

我國在新型稀土永磁、生物醫(yī)用、生態(tài)環(huán)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(chuàng)新性研究不夠，申報的專利數(shù)，尤其是具有原創(chuàng)性的國際專利數(shù)與我國的地位遠不相稱。我國功能材料在系統(tǒng)集成方面也存在不足，有待改進和發(fā)展。

參考資料來源：百度百科-功能材料

2.常用的功能材料有哪些

功能材料是指那些具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫(yī)學功能，特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于各類高科技領域的高新技術材料。

功能材料是新材料領域的核心，是國民經(jīng)濟、社會發(fā)展及國防建設的基礎和先導。它涉及信息技術、生物工程技術、能源技術、納米技術、環(huán)保技術、空間技術、計算機技術、海洋工程技術等現(xiàn)代高新技術及其產(chǎn)業(yè)。功能材料不僅對高新技術的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用，還對我國相關傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級，實現(xiàn)跨越式發(fā)展起著重要的促進作用。

功能材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個規(guī)模宏大的高技術產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。世界各國均十分重視功能材料的研發(fā)與應用，它已成為世界各國新材料研究發(fā)展的熱點和重點，也是世界各國高技術發(fā)展中戰(zhàn)略競爭的熱點。在全球新材料研究領域中，功能材料約占 85 % 。我國高技術（863）計劃、國家重大基礎研究[973]計劃、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（約占新材料領域70%比例），并取得了大量研究成果。

如：

1.納米材料

2.功能材料的陶瓷，稱為精細陶瓷。陶瓷的功能如表1所列，有電學、電子功能，磁學功能，光學功能，化學功能，熱功能，力學功能，生物體功能等。最近議論最多的氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）等高強度陶瓷，它們是具有力學功能的精細陶瓷之一。

1）電學、電子功能材料 該領域中有各種類型的材料，例如：絕緣材料、壓電材料、半導體材料、離子傳導材料等，現(xiàn)將典型的材料列舉如下：氧化鋁（Al2O3）、鈦酸鋇（BaTiO3）、鈦鋯酸鉛（PbTiO3-PbZrO3）、氧化鋅系陶瓷（ZnO-Bi2O3）、β-Al2O3等，在表1所列領域中可以使用。

(2)磁學功能材料 鐵氧體就是在這種功能的材料，鐵氧體有軟質(zhì)和硬質(zhì)之分。在軟質(zhì)鐵氧體中，有尖晶石型（例如：NiFe2O4）和石榴石型（例如，Y3Fe5O12）；在硬質(zhì)鐵氧體中，有磁鉛酸鹽型（例如，BaFe12O19）。在表1所列領域中可以應用。

(3)光學功能材料 透光陶瓷有氧化鋁（Al2O3）、氧化鎂（MgO）、氧化釔（Y2O3）；透光壓電陶瓷（光電陶瓷）已知有PLZT。在表1所列領域中可以應用。

(4)化學功能材料 這一領域的材料中，作為敏感元件的有：氣敏元件、濕敏元件和催化劑；作為氧化物有的：氧化錫（SnO）、氧化鋅（ZnO）、復合氧化物（MgCr2O4-TiO2）等，應用很廣。

(5)熱功能材料 作為紅外線輻射材料的有氧化鋯（ZrO2）、氧化鈦（TiO2）?？捎米鳠嵩?。

(6)生物體功能材料 生物體功能材料如表1所列之陶瓷。在各自的領域可以應用。

等等。

3.制備納米材料的方法有哪幾種

1 物理方法1.1 真空冷凝法 用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。

其特點純度高、結晶組織好、粒度可控，但技術設備要求高。1.2 物理粉碎法 通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。

其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。1.3 機械球磨法 采用球磨方法，控制適當?shù)臈l件得到純元素、合金或復合材料的納米粒子。

其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。2 化學方法2.1 氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成納米材料。

其特點產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。2.2 沉淀法 把沉淀劑加入到鹽溶液中反應后，將沉淀熱處理得到納米材料。

其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。2.3水熱合成法 高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。

其特點純度高，分散性好、粒度易控制。2.4溶膠凝膠法 金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫熱處理而生成納米粒子。

其特點反應物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和Ⅱ~Ⅵ族化合物的制備。2.5微乳液法 兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結、團聚、熱處理后得納米粒子。

其特點粒子的單分散和界面性好，Ⅱ~Ⅵ族半導體納米粒子多用此法制備。

4.試述幾種功能材料的制備與應用

光催化材料是由CeO2(70%-90%) ZrO2(30%-10%)組成，形成ZrO2穩(wěn)定CeO2的均勻復合物，外觀呈淺黃色，具有納米層狀結構，在 1000℃ 經(jīng)4小時老化后，比表面仍較大（>15M# G），因此高溫下也能保持較高的活性。 用途：適用于高溫催化材料，如汽車尾氣催化劑 技術背景——能源危機和環(huán)境問題人類目前使用的主要能源有石油、天然氣和煤炭三種。根據(jù)國際能源機構的統(tǒng)計，地球上這三種能源能供人類開采的年限，分別只有40年、50年和240年。值得注意的是，中國剩余可開采儲蓄僅為1390億噸標準煤，按照中國2003年的開采速度16.67億噸/年，僅能維持83年。中國石油資源不足，天然氣資源也不夠豐富，中國已成為世界第二大石油進口國。因此，開發(fā)新能源，特別是用清潔能源替代傳統(tǒng)能源，迅速地逐年降低它們的消耗量，保護環(huán)境改善城市空氣質(zhì)量早已經(jīng)成為關乎社會可持續(xù)發(fā)展的重大課題。中國能源發(fā)展方向可以鎖定在前景看好的五種清潔能源： 水電、風能、太陽能、氫能和生物質(zhì)。 太陽能不僅清潔干凈，而且供應充足，每天照射到地球上的太陽能是全球每天所需能源的一萬倍以上。直接利用太陽能來解決能源的枯竭和地球環(huán)境污染等問題是其中一個最好、直接、有效的方法。為此，中國政府制定實施了“中國光明工程”計劃。模仿自然界植物的光合作用原理和開發(fā)出人工合成技術被稱為“21世紀夢”的技術。它的核心就是開發(fā)高效的太陽光響應型半導體光催化劑。目前國內(nèi)外光催劑的研究多數(shù)停留在二氧化鈦及相關修飾。盡管這些工作卓有成效，但是在規(guī)?；锰柲芊矫孢€遠遠不夠。因此搜尋高效太陽光響應型半導體作為新型光催化劑成為當前此領域最重要的課題。二， 光催化材料的基本原理 半導體在光激發(fā)下，電子從價帶躍遷到導帶位置，以此，在導帶形成光生電子，在價帶形成光生空穴。利用光生電子-空穴對的還原氧化性能，可以降解周圍環(huán)境中的有機污染物以及光解水制備H2和O2。 高效光催化劑必須滿足如下幾個條件： （1）半導體適當?shù)膶Ш蛢r帶位置，在凈化污染物應用中價帶電位必須有足夠的氧化性能，在光解水應用中，電位必須滿足產(chǎn)H2和產(chǎn)O2的要求。（2）高效的電子-空穴分離能力，降低它們的復合幾率。（3）可見光響應特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太陽光能的4%，如何利用可見光乃至紅外光能量，是決定光催化材料能否在得以大規(guī)模實際應用的先決條件。常規(guī)anatase-type TiO2 只能在紫外光響應，雖然通過攙雜改性，其吸收邊得以紅移，但效果還不夠理想。 因此，開發(fā)可見光響應的高效光催化材料是該領域的研究熱點。只是，現(xiàn)在的研究狀況還不盡人意。三， 光催化材料體系的研究概況 從目前的資料來看，光催化材料體系主要可以分為氧化物，硫化物，氮化物以及磷化物 氧化物：最典型的主要是TiO2及其改性材料。目前，絕大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d區(qū)， 研究的比較多的是含Ti,Nb,Ta的氧化物或復合氧化物。其他的含W,Cr,Fe,Co,Ni,Zr等金屬氧化物也見報道。個人感覺，d區(qū)過渡族金屬元素氧化物經(jīng)過炒菜式的狂轟亂炸后，開發(fā)所謂的新體系光催化已經(jīng)沒有多大潛力。目前，以日本學者J. Sato為代表的研究人員，已經(jīng)把目光鎖定在p區(qū)元素氧化物上，如含有Ga,Ge,Sb,In,Sn,Bi元素的氧化物。 硫化物：硫化物雖然有較小的禁帶寬度，但容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，較氧化物而言，穩(wěn)定性較差。主要有ZnS,CdS等 氮化物：也有較低的帶系寬度，研究得不多。有Ta/N,Nb/N等體系 磷化物：研究很少，如GaP按照晶體/顆粒形貌分類： （1）層狀結構 **半導體微粒柱撐于石墨及天然/人工合成的層狀硅酸鹽 **層狀單元金屬氧化物半導體如：V2O5,MoO3,WO3等 **鈦酸，鈮酸，鈦鈮酸及其合成的堿（土）金屬離子可交換層狀結構和半導體微粒柱撐于層間的結構 **含Bi層狀結構材料，（Bi2O2）2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba,Bi,Pb;B=Ti,Nb,W)，鈣鈦礦層 （An-1BnO3n+1）2-夾在（Bi2O2）2+層之間。典型的有：Bi2WO6,Bi2W2O9,Bi3TiNbO9 **層狀鉭酸鹽：RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm) (2)通道結構 比較典型的為BaTi4O9,A2Ti6O

5.梯度功能材料的制備方法

1.1 自蔓延高溫合成法 自蔓延高溫合成法（self-prepagating high-temprature synthesis，以下簡稱SHS）作為制備金屬-陶瓷復合材料的新方法起源于20世紀80 年代，目前在梯度材料制備中應用非常廣泛。

它是利用本身的化學反應熱使材料固結的一種方法，其基礎是組元之間的化學反應為放熱反應，形成燃燒波能使化學反應自發(fā)地維持下去。該法具有制備過程簡單、反應迅速且能耗少、產(chǎn)品純度高、反應轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點，但是，利用SHS法制備金屬- 陶瓷復合材料也存在合成產(chǎn)物孔隙率大以及反應過程速度快、溫度高，致使陶瓷相的大小和形貌難以控制等不足，如果在材料制備過程中同時施加壓力，則可以得到高密度的燃燒產(chǎn)品。

李益民等人分別采用無壓SHS 法及爆炸固結+SHS兩種方法制備了完整的Al2O3系梯度材料。結果表明，用無壓SHS法制備的FGM致密度比較低，只有82%，而且材料各個方向收縮率不同，軸向收縮較多，徑向收縮不均勻；而采用爆炸 固結+SHS 法制備的FMG的致密度達到94%，制品完整無裂紋。

1.2 激光加熱合成法 激光是一種受激輻射的特殊光源，經(jīng)聚焦后可以達到極高的功率密度。20世紀90年代初期，日本學者結成正弘等開創(chuàng)附加溫度激光掃描燒結PSZ-Mo系梯度材料的新方法，將激光加工技術引入梯度材料的研究，探討梯度材料常規(guī)燒結技術即爐內(nèi)恒溫燒結法難以解決的不同成分梯度層的燒結溫度差異和收縮量差異的重大難題，展示了激光加熱源溫度梯度燒結無污染、高效率等優(yōu)點。

目前激光在梯度材料制備中的應用還比較少，李克平等人采用激光加熱制備了Al2O3系FGM，這是國內(nèi)首例使用激光加熱法燒結梯度材料粉末坯體。1.3 干式噴涂+溫度梯度燒結法 A.OTSUKA]等利用該法在Ti基體上制備了Ti/Al2O3梯度涂層。

其主要工藝過程是先將一定混合比的，Ti與Al2O3混合粉末放入等離子氣體室中，利用高頻射流使原料粉末變成超細粒子，然后冷卻，使其轉(zhuǎn)化成氣溶膠狀態(tài)噴涂在Ti基體上，通過控制喂料過程中Ti/Al2O3比例的連續(xù)變化，得到Ti/Al2O3梯度涂層，然后將所得涂層連同基體一起放入自制的特殊燒結爐中，利用溫度梯度燒結。為了控制燒結過程中基體與涂層間收縮率差異，制備過程中在Ti 基體中加入5%左右的Ti-或Zr-的氫化物，使二者收縮達到一致，最終得到了與基體結合良好的致密的Ti/Al2O3梯度涂層。

該工藝中運用超細顆?？梢越档椭破返臒Y溫度，得到的梯度涂層結晶細小、良好，使涂層的性能大大提高，但實驗過程比較復雜，設備要求高。1.4 顆粒共沉降制備工藝探索 可見，上述Ti/Al2O3系梯度材料現(xiàn)有制備工藝各有利弊，而且都不適合制備大體積以及特異形狀的梯度材料。

因此，要加快該體系梯度材料的實用化進程，就必須對現(xiàn)有工藝進行改進或者探索材料制備新工藝。對于金屬—陶瓷梯度材料來說，即要充分發(fā)揮其優(yōu)越的耐熱性能，同時又要大大緩和熱應力，就必須使所得梯度材料的成分和組織在厚度方向上盡可能連續(xù)變化，以最大限度地緩和熱應力。

為達到這一要求，作者目前正在探索利用共沉降法制備Ti/Al2O3系梯度材料。共沉降法制備梯度材料是近年發(fā)展起來的一種材料制備新技術，其理論基礎就是stokes定律. 球形顆粒在重力作用下的沉降速度與顆粒的大小與密度有關。

可以推論，在一定條件下，同種粉末沉降時，顆粒大的沉降快；不同種粉末共沉降時，顆粒度大的，密度大的沉降快。因而，對于給定的2種粉末，通過調(diào)整沉降參數(shù)和選擇合適的粉末特性，就可以控制2種粉末的沉降行為，制備出組分連續(xù)分布的梯度材料。

利用該方法制備FGM具有設備簡單、操作簡便、得到的梯度材料成分漸變性更好等許多特點。共沉降法已經(jīng)成為梯度功能材料領域的一個重要發(fā)展方向，到目前為止，在其理論研究，如沉降模型的建立以及實驗研究等方面已取得了較大進展，利用該法制備Ti/Al2O3系梯度材料既有理論基礎又有實踐優(yōu)勢.1.5 氣相沉積法 通過兩種氣相物質(zhì)在反應器中均勻混合，在一定條件下發(fā)生化學反應，使生成的固相物質(zhì)在基板上沉積以制備FGM。

然而，材料制備工藝的選取以及制備過程中各項參數(shù)的確定都不是隨意的，必須建立在對復合體系特性的全面了解和對材料制備工藝、結構形成與性能三者之間關系的深入研究基礎之上。Ti/Al2O3系梯度功能材料是一種具有優(yōu)良性能及廣闊應用前景的超高溫耐熱材料。

目前，對其制備技術及Ti與Al2O3之間的潤濕性、界面反應情況有了較多的研究，但是對其界面反應的評價體系、界面反應對潤濕性及材料宏觀性能的影響，界面反應模型的建立及2相材料同時燒結致密化等方面還缺乏研究，只有對體系界面反應、潤濕性的特點和燒結致密化機理等進行全面的認識、研究，才能開發(fā)出適宜的制備技術，并通過采用相應的措施控制其顯微組織，改善材料的宏觀性能，推進Ti/Al2O3系梯度功能材料的實用化進程。2.2.1 干法 周靜等人報道了采用等離子噴涂法獲得合金基復合梯度潤滑涂層。

采用梯度化結構使得涂層與基體的結合力明顯地提高。蔡建平等人報道了采用等離子噴涂羥基磷灰石涂層，指出此涂層設計成梯度功能涂層是解決涂層與基體熱應力的行之有效的方。

6.制備梯度功能復合材料有哪幾種方法,各自有什么優(yōu)缺點

主要分為高溫和低溫制備法。 方法名稱 優(yōu)點 缺點

氣相沉積法

氣體的壓力、組成及反應溫度可以控制；

可制備大尺寸的功能梯度材料。

沉積速率慢；成份分布不能連續(xù)控制；不能制備出大厚度的梯度膜，涂層與基體結合強度低、設備比較復雜。

自蔓延燒結法

合成時間短、操作簡單；產(chǎn)品純度高、效率高、能耗少、工藝相對簡單；能夠制備大體積的梯度材料。

成分不均勻，造成反應熱相差較大；需要專用設備。

等離子噴涂法

可以調(diào)整粉末的組成、沉積率高、無需燒結、不受基體面積大小的限制；涂層的界面結合強度、抗熱沖擊性和熱疲勞性均明顯改善。

梯度涂層與基體間的結合強度不高，并存在涂層組織不均勻、空洞疏松、表面粗糙等缺陷。

粉末冶金法

易于操作，控制靈活，適于工業(yè)生產(chǎn)，可以制備大尺寸材料，可靠性高、適合于制造形狀比較簡單的功能梯度材料部件。

工藝比較復雜、制備的梯度材料有一定的孔隙率；不能做到材料成分的連續(xù)過渡。

離心鑄造法

能制備高致密度、大尺寸的梯度材料。

限于管狀或環(huán)形零件。

激光融覆法

熔覆速度非常快。

需要特殊的設備。

7.制備有機/無機雜化材料的常用方法有哪些,選取其中的兩種方法進行論

復合材料（Compositematerials），是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。

各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。

金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。

增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。復合材料是一種混合物。

在很多領域都發(fā)揮了很大的作用，代替了很多傳統(tǒng)的材料。復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。

按其結構特點又分為：①纖維復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內(nèi)復合而成。

如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層復合材料。

由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質(zhì)輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。

分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒復合材料。

將硬質(zhì)細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜復合材料。

由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。

分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)/層間混雜和超混雜復合材料。復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。

其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復合的材料，其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。

石墨纖維與樹脂復合可得到膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強材料的另一個特點是各向異性，因此可按制件不同部位的強度要求設計纖維的排列。

以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化硅纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機風扇葉片。

碳化硅纖維與陶瓷復合，再生樹脂復合材料使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨，構成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導彈和原子能反應堆中。

非金屬基復合材料由于密度小，用于汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當。

有機無機雜化材料是一種分散均勻的多相材料，兼?zhèn)溆袡C聚合物或無機聚合物的性能優(yōu)勢。它可以是無機改性有機聚合物，也可以是有機改性無機玻璃。

可以通過調(diào)節(jié)有機相與無機相的組分及比例，實現(xiàn)對材料功能的“剪裁”和“組裝”。