1.3 功能材料的分类

随着技术的发展和人类认识的扩展，新型功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。

1.3.1 按功能分类

从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下几类。

1．力学功能材料

主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如力学功能玻璃、超弹性合金等。

2．化学功能材料

（1）分离功能材料，如分离膜、离子交换材料、分子筛等。

（2）催化功能材料，如各种催化剂等。

（3）含能功能材料，如炸药、固体火箭推进剂等。

3．物理化学功能材料

（1）电学功能材料，如超导材料等。

（2）光学功能材料，如发光材料等。

（3）能量转换材料，如压电材料、光电材料等。

4．生物化学功能材料

（1）医用功能材料，如人工脏器用材料——人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等。

（2）功能性药物，如缓释性高分子、药物活性高分子、高分子农药等。

（3）生物仿生材料。

5．磁学功能材料

如磁悬浮列车、核磁共振仪等。

1.3.2 按功能显示过程分类

功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。

1．一次功能材料

当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用，材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。

一次功能主要有以下八种：

（1）力学功能，如惯性、黏性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、弹性、高弹性、振动性和防震性等。

（2）声功能，如隔音性、吸音性等。

（3）热功能，如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。

（4）电功能，如导电性、超导性、绝缘性等。

（5）磁功能，如硬磁性、软磁性、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）化学功能，如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。

（8）其他功能，如放射特性、电磁波特性等。

2．二次功能材料

当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起到能量转换部件的作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为，二次功能材料才是真正的功能材料。

二次功能按能量的转换系统的不同，可分为以下四类：

（1）光能与其他形式能量的转换。

（2）电能与其他形式能量的转换。

（3）磁能与其他形式能量的转换。

（4）机械能与其他形式能量的转换。

1.3.3 按材料种类分类

按材料种类不同，功能材料还可分为金属功能材料、无机非金属功能材料、功能高分子材料和功能复合材料。

1．金属功能材料

金属功能材料是开发比较早的功能材料。随着高新技术的发展，一方面促进了非金属材料的迅速发展，同时也促进了金属材料的发展。许多区别于传统金属材料的新型金属功能材料应运而生，有的已被广泛应用，有的具有广泛应用的前景。例如形状记忆合金的发现及各种形状记忆合金体系的开发研制，使得这类新型金属功能材料在现代军事、电子、汽车、能源、机械、航空航天、医疗卫生等领域得到了广泛的应用。

有些金属材料本身具有特定的功能，经过开发研究，可以对这些特定的功能加以利用。例如，稀土功能材料的制备和应用。稀土元素在电、光、磁等方面具有独特性质，故在功能材料领域获得了广泛的应用。稀土功能材料主要包括稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、超磁致伸缩材料、超导材料等，其应用遍及航空航天、信息、电子、能源、交通、医疗卫生等13个领域的40多个行业。我国稀土资源非常丰富，其工业储量约占世界已探明总储量6200万吨的80%。将我国的稀土资源优势变为产业优势和经济优势，使它的研究开发既能形成一批新型高新技术产业，又能辐射、带动传统产业的技术进步。因此，发展稀土功能材料对我国具有重要的战略意义和现实意义。利用这种具有特殊功能的金属材料，是金属功能材料开发的一个方面。

另一方面，非晶态合金由于具有优异的物理、化学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料。由于超急冷凝固、合金凝固时原子来不及进行有序的排列结晶，所以由非晶态合金得到的固态合金是长程无序的结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在。非晶态合金具有优异的磁性、耐蚀性、耐磨性，高的强度、硬度和韧性，以及高的电阻率等性能。

2．无机非金属功能材料

无机非金属功能材料以功能玻璃和功能陶瓷为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。

（1）功能玻璃包括微晶玻璃、激光玻璃、半导体玻璃、光色玻璃、生物玻璃等。

微晶玻璃（玻璃陶瓷）具有玻璃和陶瓷的双重特性，和陶瓷一样是有规律的原子排列，比玻璃韧性强。微晶玻璃机械强度高，绝缘性能优良，热膨胀系数可在很大范围内调节，耐化学腐蚀，耐磨，热稳定性好，使用温度高，广泛应用于新型建筑材料、高档建筑的外墙及室内装饰。

半导体玻璃即非晶硅，制造工艺比较简单，也可制造出很大尺寸的薄膜材料，适合于工业化大规模生产，因此展现出巨大的应用前景。例如非晶硅太阳能电池，成本低，重量轻，转化效率较高，已成为太阳能电池主要发展产品之一。

光色玻璃是指在适当波长光的辐照下改变其颜色，而移去光源时则恢复其原来颜色的玻璃，又称变色玻璃，是在玻璃原料中加入光色材料制成的。

生物玻璃是指能实现特定的生物、生理功能的玻璃。将生物玻璃植入人体骨缺损部位，能与骨组织直接结合，起到修复骨组织、恢复其功能的作用。

新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁—光转换性能、声光玻璃的声光性、导电玻璃的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。

（2）功能陶瓷在电、磁、声、光、热等方面具备许多优异性能。功能陶瓷包括生物陶瓷、金属陶瓷、超导陶瓷、电子陶瓷、光导纤维、透明陶瓷等。

生物陶瓷：主要是用作生物硬组织的代用材料，可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面。

金属陶瓷：既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性，常用作各种切削刀具。

超导陶瓷：具有超导性的陶瓷材料，在诸如磁悬浮列车、超导电机、超导探测器、超导天线以及超导计算机等方面有着广泛的应用前景。

电子陶瓷：多数以氧化物为主成分的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷生产工艺大致相同，广泛用于制作电子功能元件。

光导纤维：由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维。特点是质量轻、成本低、敷设方便，而且容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强，可用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗卫生等许多领域。

透明陶瓷：如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。其特点是透明度、强度、硬度高于普通玻璃，而且耐磨损、耐划伤、耐高温。透明陶瓷不仅可应用于制造高压钠灯、防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等，还广泛应用于机械、化学、仪表、电子等工业及日常用品中。

3．功能高分子材料

功能高分子材料除了其力学性能外，还具有物质分离，光、电、磁、能量储存和转化，生物医用等特殊性能。这种特殊功能是由它们的链结构，链上所带的功能基的种类、数量、分布以及高分子的聚集态和形态所确定的。

4．功能复合材料

功能复合材料主要由功能体和基体，或由两种（或两种以上）功能体组成。

复合材料的最大特点在于它的可设计性，主要应用在航空航天（碳纤维、玻璃纤维复合材料、吸波材料）、交通车辆（玻璃纤维增强聚氨酯复合材料）、风力发电叶片（碳纤维增强塑料）、体育用品等。

另外，按应用领域不同，功能材料还可分为电工材料、能源材料、信息材料、光学材料、仪器仪表材料、航空航天材料、生物医学材料和传感器用敏感材料等。

功能材料种类很多，而且功能复杂，应用领域广泛。本书拟采用混合分类法进行介绍。