制备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)按照材料的化学键分类。分为功能性金属材料、功能性无机非金属材料、功能性有机材料和功能性复合材料。

(2)按照材料物理性质分类。分为磁性材料、电性材料、光学材料、声学材料、力学材料、化学功能材料等。

(3)按照功能材料的应用领域分类。分为电子材料、军工材料、核材料、信息工业用材料、能源材料、医学材料等。

扩展资料

功能材料的发展前景：

世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。

我国在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。但是，我们应该看到，我国功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。

参考资料来源：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优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

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。

功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。我国高技术（863）计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。

如：

1.纳米材料

2.功能材料的陶瓷，称为精细陶瓷。陶瓷的功能如表1所列，有电学、电子功能，磁学功能，光学功能，化学功能，热功能，力学功能，生物体功能等。最近议论最多的氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）等高强度陶瓷，它们是具有力学功能的精细陶瓷之一。

1）电学、电子功能材料 该领域中有各种类型的材料，例如：绝缘材料、压电材料、半导体材料、离子传导材料等，现将典型的材料列举如下：氧化铝（Al2O3）、钛酸钡（BaTiO3）、钛锆酸铅（PbTiO3-PbZrO3）、氧化锌系陶瓷（ZnO-Bi2O3）、β-Al2O3等，在表1所列领域中可以使用。

(2)磁学功能材料 铁氧体就是在这种功能的材料，铁氧体有软质和硬质之分。在软质铁氧体中，有尖晶石型（例如：NiFe2O4）和石榴石型（例如，Y3Fe5O12）；在硬质铁氧体中，有磁铅酸盐型（例如，BaFe12O19）。在表1所列领域中可以应用。

(3)光学功能材料 透光陶瓷有氧化铝（Al2O3）、氧化镁（MgO）、氧化钇（Y2O3）；透光压电陶瓷（光电陶瓷）已知有PLZT。在表1所列领域中可以应用。

(4)化学功能材料 这一领域的材料中，作为敏感元件的有：气敏元件、湿敏元件和催化剂；作为氧化物有的：氧化锡（SnO）、氧化锌（ZnO）、复合氧化物（MgCr2O4-TiO2）等，应用很广。

(5)热功能材料 作为红外线辐射材料的有氧化锆（ZrO2）、氧化钛（TiO2）。可用作热源。

(6)生物体功能材料 生物体功能材料如表1所列之陶瓷。在各自的领域可以应用。

等等。

3.制备纳米材料的方法有哪几种

1 物理方法1.1 真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。

其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。1.2 物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。

其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。1.3 机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。

其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。2 化学方法2.1 气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。

其特点产品纯度高，粒度分布窄。2.2 沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。

其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。2.3水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。

其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。2.4溶胶凝胶法 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。

其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ~Ⅵ族化合物的制备。2.5微乳液法 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。

其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ~Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。

4.试述几种功能材料的制备与应用

光催化材料是由CeO2(70%-90%) ZrO2(30%-10%)组成，形成ZrO2稳定CeO2的均匀复合物，外观呈浅黄色，具有纳米层状结构，在 1000℃ 经4小时老化后，比表面仍较大（>15M# G），因此高温下也能保持较高的活性。 用途：适用于高温催化材料，如汽车尾气催化剂 技术背景——能源危机和环境问题人类目前使用的主要能源有石油、天然气和煤炭三种。根据国际能源机构的统计，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。值得注意的是，中国剩余可开采储蓄仅为1390亿吨标准煤，按照中国2003年的开采速度16.67亿吨/年，仅能维持83年。中国石油资源不足，天然气资源也不够丰富，中国已成为世界第二大石油进口国。因此，开发新能源，特别是用清洁能源替代传统能源，迅速地逐年降低它们的消耗量，保护环境改善城市空气质量早已经成为关乎社会可持续发展的重大课题。中国能源发展方向可以锁定在前景看好的五种清洁能源： 水电、风能、太阳能、氢能和生物质。 太阳能不仅清洁干净，而且供应充足，每天照射到地球上的太阳能是全球每天所需能源的一万倍以上。直接利用太阳能来解决能源的枯竭和地球环境污染等问题是其中一个最好、直接、有效的方法。为此，中国政府制定实施了“中国光明工程”计划。模仿自然界植物的光合作用原理和开发出人工合成技术被称为“21世纪梦”的技术。它的核心就是开发高效的太阳光响应型半导体光催化剂。目前国内外光催剂的研究多数停留在二氧化钛及相关修饰。尽管这些工作卓有成效，但是在规模化利用太阳能方面还远远不够。因此搜寻高效太阳光响应型半导体作为新型光催化剂成为当前此领域最重要的课题。二， 光催化材料的基本原理 半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2。 高效光催化剂必须满足如下几个条件： （1）半导体适当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必须满足产H2和产O2的要求。（2）高效的电子-空穴分离能力，降低它们的复合几率。（3）可见光响应特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的4%，如何利用可见光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决条件。常规anatase-type TiO2 只能在紫外光响应，虽然通过搀杂改性，其吸收边得以红移，但效果还不够理想。 因此，开发可见光响应的高效光催化材料是该领域的研究热点。只是，现在的研究状况还不尽人意。三， 光催化材料体系的研究概况 从目前的资料来看，光催化材料体系主要可以分为氧化物，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，绝大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d区， 研究的比较多的是含Ti,Nb,Ta的氧化物或复合氧化物。其他的含W,Cr,Fe,Co,Ni,Zr等金属氧化物也见报道。个人感觉，d区过渡族金属元素氧化物经过炒菜式的狂轰乱炸后，开发所谓的新体系光催化已经没有多大潜力。目前，以日本学者J. Sato为代表的研究人员，已经把目光锁定在p区元素氧化物上，如含有Ga,Ge,Sb,In,Sn,Bi元素的氧化物。 硫化物：硫化物虽然有较小的禁带宽度，但容易发生光腐蚀现象，较氧化物而言，稳定性较差。主要有ZnS,CdS等 氮化物：也有较低的带系宽度，研究得不多。有Ta/N,Nb/N等体系 磷化物：研究很少，如GaP按照晶体/颗粒形貌分类： （1）层状结构 **半导体微粒柱撑于石墨及天然/人工合成的层状硅酸盐 **层状单元金属氧化物半导体如：V2O5,MoO3,WO3等 **钛酸，铌酸，钛铌酸及其合成的碱（土）金属离子可交换层状结构和半导体微粒柱撑于层间的结构 **含Bi层状结构材料，（Bi2O2）2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba,Bi,Pb;B=Ti,Nb,W)，钙钛矿层 （An-1BnO3n+1）2-夹在（Bi2O2）2+层之间。典型的有：Bi2WO6,Bi2W2O9,Bi3TiNbO9 **层状钽酸盐：RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm) (2)通道结构 比较典型的为BaTi4O9,A2Ti6O

5.梯度功能材料的制备方法

1.1 自蔓延高温合成法 自蔓延高温合成法（self-prepagating high-temprature synthesis，以下简称SHS）作为制备金属-陶瓷复合材料的新方法起源于20世纪80 年代，目前在梯度材料制备中应用非常广泛。

它是利用本身的化学反应热使材料固结的一种方法，其基础是组元之间的化学反应为放热反应，形成燃烧波能使化学反应自发地维持下去。该法具有制备过程简单、反应迅速且能耗少、产品纯度高、反应转化率高等优点，但是，利用SHS法制备金属- 陶瓷复合材料也存在合成产物孔隙率大以及反应过程速度快、温度高，致使陶瓷相的大小和形貌难以控制等不足，如果在材料制备过程中同时施加压力，则可以得到高密度的燃烧产品。

李益民等人分别采用无压SHS 法及爆炸固结+SHS两种方法制备了完整的Al2O3系梯度材料。结果表明，用无压SHS法制备的FGM致密度比较低，只有82%，而且材料各个方向收缩率不同，轴向收缩较多，径向收缩不均匀；而采用爆炸 固结+SHS 法制备的FMG的致密度达到94%，制品完整无裂纹。

1.2 激光加热合成法 激光是一种受激辐射的特殊光源，经聚焦后可以达到极高的功率密度。20世纪90年代初期，日本学者结成正弘等开创附加温度激光扫描烧结PSZ-Mo系梯度材料的新方法，将激光加工技术引入梯度材料的研究，探讨梯度材料常规烧结技术即炉内恒温烧结法难以解决的不同成分梯度层的烧结温度差异和收缩量差异的重大难题，展示了激光加热源温度梯度烧结无污染、高效率等优点。

目前激光在梯度材料制备中的应用还比较少，李克平等人采用激光加热制备了Al2O3系FGM，这是国内首例使用激光加热法烧结梯度材料粉末坯体。1.3 干式喷涂+温度梯度烧结法 A.OTSUKA]等利用该法在Ti基体上制备了Ti/Al2O3梯度涂层。

其主要工艺过程是先将一定混合比的，Ti与Al2O3混合粉末放入等离子气体室中，利用高频射流使原料粉末变成超细粒子，然后冷却，使其转化成气溶胶状态喷涂在Ti基体上，通过控制喂料过程中Ti/Al2O3比例的连续变化，得到Ti/Al2O3梯度涂层，然后将所得涂层连同基体一起放入自制的特殊烧结炉中，利用温度梯度烧结。为了控制烧结过程中基体与涂层间收缩率差异，制备过程中在Ti 基体中加入5%左右的Ti-或Zr-的氢化物，使二者收缩达到一致，最终得到了与基体结合良好的致密的Ti/Al2O3梯度涂层。

该工艺中运用超细颗粒可以降低制品的烧结温度，得到的梯度涂层结晶细小、良好，使涂层的性能大大提高，但实验过程比较复杂，设备要求高。1.4 颗粒共沉降制备工艺探索 可见，上述Ti/Al2O3系梯度材料现有制备工艺各有利弊，而且都不适合制备大体积以及特异形状的梯度材料。

因此，要加快该体系梯度材料的实用化进程，就必须对现有工艺进行改进或者探索材料制备新工艺。对于金属—陶瓷梯度材料来说，即要充分发挥其优越的耐热性能，同时又要大大缓和热应力，就必须使所得梯度材料的成分和组织在厚度方向上尽可能连续变化，以最大限度地缓和热应力。

为达到这一要求，作者目前正在探索利用共沉降法制备Ti/Al2O3系梯度材料。共沉降法制备梯度材料是近年发展起来的一种材料制备新技术，其理论基础就是stokes定律. 球形颗粒在重力作用下的沉降速度与颗粒的大小与密度有关。

可以推论，在一定条件下，同种粉末沉降时，颗粒大的沉降快；不同种粉末共沉降时，颗粒度大的，密度大的沉降快。因而，对于给定的2种粉末，通过调整沉降参数和选择合适的粉末特性，就可以控制2种粉末的沉降行为，制备出组分连续分布的梯度材料。

利用该方法制备FGM具有设备简单、操作简便、得到的梯度材料成分渐变性更好等许多特点。共沉降法已经成为梯度功能材料领域的一个重要发展方向，到目前为止，在其理论研究，如沉降模型的建立以及实验研究等方面已取得了较大进展，利用该法制备Ti/Al2O3系梯度材料既有理论基础又有实践优势.1.5 气相沉积法 通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM。

然而，材料制备工艺的选取以及制备过程中各项参数的确定都不是随意的，必须建立在对复合体系特性的全面了解和对材料制备工艺、结构形成与性能三者之间关系的深入研究基础之上。Ti/Al2O3系梯度功能材料是一种具有优良性能及广阔应用前景的超高温耐热材料。

目前，对其制备技术及Ti与Al2O3之间的润湿性、界面反应情况有了较多的研究，但是对其界面反应的评价体系、界面反应对润湿性及材料宏观性能的影响，界面反应模型的建立及2相材料同时烧结致密化等方面还缺乏研究，只有对体系界面反应、润湿性的特点和烧结致密化机理等进行全面的认识、研究，才能开发出适宜的制备技术，并通过采用相应的措施控制其显微组织，改善材料的宏观性能，推进Ti/Al2O3系梯度功能材料的实用化进程。2.2.1 干法 周静等人报道了采用等离子喷涂法获得合金基复合梯度润滑涂层。

采用梯度化结构使得涂层与基体的结合力明显地提高。蔡建平等人报道了采用等离子喷涂羟基磷灰石涂层，指出此涂层设计成梯度功能涂层是解决涂层与基体热应力的行之有效的方。

6.制备梯度功能复合材料有哪几种方法,各自有什么优缺点

主要分为高温和低温制备法。 方法名称 优点 缺点

气相沉积法

气体的压力、组成及反应温度可以控制；

可制备大尺寸的功能梯度材料。

沉积速率慢；成份分布不能连续控制；不能制备出大厚度的梯度膜，涂层与基体结合强度低、设备比较复杂。

自蔓延烧结法

合成时间短、操作简单；产品纯度高、效率高、能耗少、工艺相对简单；能够制备大体积的梯度材料。

成分不均匀，造成反应热相差较大；需要专用设备。

等离子喷涂法

可以调整粉末的组成、沉积率高、无需烧结、不受基体面积大小的限制；涂层的界面结合强度、抗热冲击性和热疲劳性均明显改善。

梯度涂层与基体间的结合强度不高，并存在涂层组织不均匀、空洞疏松、表面粗糙等缺陷。

粉末冶金法

易于操作，控制灵活，适于工业生产，可以制备大尺寸材料，可靠性高、适合于制造形状比较简单的功能梯度材料部件。

工艺比较复杂、制备的梯度材料有一定的孔隙率；不能做到材料成分的连续过渡。

离心铸造法

能制备高致密度、大尺寸的梯度材料。

限于管状或环形零件。

激光融覆法

熔覆速度非常快。

需要特殊的设备。

7.制备有机/无机杂化材料的常用方法有哪些,选取其中的两种方法进行论

复合材料（Compositematerials），是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料是一种混合物。

在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。

按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。

如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。

由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。

分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。

将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。

由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。

分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。

其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。

以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。

碳化硅纤维与陶瓷复合，再生树脂复合材料使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。

非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

有机无机杂化材料是一种分散均匀的多相材料，兼备有机聚合物或无机聚合物的性能优势。它可以是无机改性有机聚合物，也可以是有机改性无机玻璃。

可以通过调节有机相与无机相的组分及比例，实现对材料功能的“剪裁”和“组装”。