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1、展望新型功能材料的未来化学与化学工程系 科学教育 杨飞飞 44 号摘要：随着社会技术的高度发展，材料，特别复合材料的加工得到很大的进步和发展，新材料因其特殊的属性，在航空航天领域发挥着越来越大的作用，众所周知，现代飞机和卫星的制造材料应具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，先进复合材料的独有性能使它成为制造飞机和卫星的理想材料。阐述了先进复合材料在飞机、航空发动机、卫星、导弹等方面的应用情况及先进复合材料未来的发展趋势。关键词：新型材料，复合材料，应用发展材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可
2、见材料的发展对人类社会的影响没有材料就是没有发展。先进复合材料（Advanced Composites ACM）专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料 随着航空航天技术的不断发展，促进了材料的不断更新，发展和进步，各种新材料不断涌现并得到应用，尤其以先进复合材料的发展和应用最突出，众所周知，由于航空航天飞行器的特殊使用环境，飞行器的制造材料要求非常之高，飞机和卫星制造材料要求质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀，这些苛刻的条件，只有借助新材料技术才能解决。先进复合材料具有质量轻，较高的比强度
3、、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高（低）温，独特的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。20 世纪以来，物理、化学、力学、生物学等学科的研究和发展推动了对于物质结构、材料的物理化学和力学性能的深入认识和了解。同时，金属学、冶金学、工程陶瓷技术、高分子科学、半导体科学、复合材料科学以及纳米技术等学科的发展促进了各种新型材料的产生,并推进了对于材料的制备、生产工艺、结构、性能及其相互之间关系的研究，为材料的设计、制造、工艺优化和材料功能和性能的
4、合理使用，提供了充分的科学依据。现代材料科学更注重于研究新型复合材料和纳米材料的制备和创新，对于设计具有不同性能要求的材料复合工艺和纳米态材料的凝聚过程，以及各类材料之间的相互渗透和交叉的性能以及综合性能的研究给予了更多的重视。现代材料科学的发展不仅与揭露材料本质及其演化规律的物理化学性质和力学性能有关，而且与使用材料的工程技术学科以及制造加工材料的工程学科有着相互交叉性的密切关系。在此基础上，“材料科学与工程”逐步形成学科，并发展成为一门独立的一级学科。作为一级学科的“材料科学与工程”下分三个二级学科：材料物理与化学、材料学、材料加工工程。材料的未来发展 新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅
5、速发展，甚至会催生新的产业和技术领域。材料科学现已发展成为一门跨学科的综合性学科。根据我国当前及未来发展的实际情况，新材料领域值得注意的新发展方向主要有半导体材料、结构材料、有机高分子材料、敏感与传感转换材料、纳米材料、生物材料及复合材料。 1.半导体材料 随着高科技发展的需要，半导体及其应用研究的中心正向直接影响市场的微型或低维量子器件、改善传输质量和效率、增大功率和距离等方向发展，半导体化合物（GaAs、InAs、GaN 、SiC 等）具有重要的应用前景。2.结构材料 Fe 基、Al 基、Ti 基以及 Mg 基合金作为力学材料的主体，构成了系列结构材料，其主要功能是承担负载（如火车、汽车、
6、飞机） 。汽车用钢近年来已从一般钢铁发展为使用灿合金或特殊的高强 Mg 基合金，高强 Ti 合金在高强钢中有重要位置，不锈钢则有取代碳钢的趋势。用于军用飞机的 Al 合金及一般钢材则被先进的 Ti 合金及高分子基复合材料所取代。进一步还需要发展碳纤维增强复合材料或 Al 基复合材料。结构材料的主体有： （1）钢铁； （2）Al 合金；（3）Mg 合金； （4）Ti 合金； （5）结构陶瓷及陶瓷基复合材料。 3.有机高分子材料 有机高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺的重要材料。一方面量大面广的通用高分子材料需要不断地升级改造，以降低成本、提高材料
7、的使用性能；另一方面各类新型的高分子材料将应运而生，尤其是有机及聚合物分子或少数分子组合体的光、电和磁特性将成为高分子向功能化以及微型器件化发展的重要方向。主要有以下三个研究方向： （1）分子材料与分子电子器件研究； （2）光电信息功能高分子材料研究； （3）生物医用高分子材料。4, 导电高分子材料 导电高分子材料科学是近年来发展较快的领域,自 1977 年第一个导电高分子聚乙炔(PAC) 发现以来,对导电聚合物的合成、结构、导电机理、性能、应用等方面有许多新认识,现已发展成为一门相对独立的学科。其可分为结构型导电高分子和复合型导电高分子类。主要应用在发光二极管、抗静电、导电性应用、电磁屏蔽与
8、隐身等领域中3 。从导电机理的角度看,导电高分子大致可分为两大类:一类是复合型导电高分子材料,它是指在普通的聚合物中加入各种导电性填料而制成的,这些导电性填料可以是银、镍、铝等金属的微细粉末、导电性碳黑、石墨及各种导电金属盐等,此类导电高分子材料在国内外已得以广泛的应用,如抗静电、电磁波屏蔽、微波吸收、电子元件中的电极等。还有一类是结构型导电高分子材料,即依靠高分子本身产生的导电载流子导电,这类导电高分子材料一般经“掺杂”(P 型掺杂或 N 型掺杂) 后具有高的导电性能(电导率增加几个数量级) ，多为共轭型高聚物聚乙炔、聚对苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯基乙炔等是目前研究较多的导电高分子
9、材料。这种功能高分子除具有优异的压电特性外，还具有热释电效应，可广泛地用于武器、电声、超声、诊断医疗传感器、无损测试、地震预报等诸多领域。5 土建功能高分子材料 (1)土工织物 土工织物是一种多功能材料，主要功能有滤层作用、排水作用、隔离作用、加强作用、防渗与防潮作用等。在工程中往往是一种功能起主导作用,其它功能也不同程度地起作用。土工织物是以高分子合成纤维、合成橡胶与塑料为基本原材料, 这些高分子土工产品通常是以聚丙烯、聚酯为主，还有聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙烯醇、聚烯烃、聚四氟乙烯，以及透水性的土工材料氯橡胶、丁腈橡胶等材料。由含有这些组分的纤维丝、绳和塑料袋、条、板所制成的土工合成
10、材料的主要特性是: 质地柔软而质量轻，整体连续性好，抗拉、抗折强度高，耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好, 反滤性好，防渗性好，施工非常方便。 目前, 国内土工织物的生产能力、应用范围、测试技术与理论研究等方面均发展很快。土工织物在长江三峡工程、长江综合开发治理工程、防治洪涝灾害、处理工业垃圾、保护水源以及环境保护等工程中均得到了应用。土工织物是一种非常有生命力的新型土工材料, 其经济效益、社会效益均非常显著，具有很高的推广价值。今后，土工织物将面向大中型工程、永久性工程, 并向系列化与复合型的方向发展；同时， 相应的理论研究、测试技术、施工规范等方面也将不断完善与提高。 (2) 超轻型填土材料 当前
11、, 应用较广泛的轻质填土材料是聚苯乙烯泡沫塑料( EPS)，它具有优异的物理、化学性能,以及随意切割成长型、逐层铺砌、搬运方便等优异的施工性能。作为一种土建结构材料, 它已广泛地应用于公路及铁路填土、桥台与挡墙填土、机场、港口码头、地下结构等工程中, 并取得了很好的效果。1995 年我国在杭甬高速公路桥头路堤采用 EPS 法，克服了软土地段填土的困难，将其填筑成 EPS 与混凝土相结合的桥头路堤 , 使用情况良好。现已在沿海地区的软土工程中得到推广应用5 。6 隐身材料 ( 1) 纳米吸波材料 由于纳米材料具有极好的吸波特性, 且纳米材料对电磁波的透射率及吸收率比微米粉要大得多,同时具备宽频带
12、、兼容性好、质量小和厚度薄等特点。因此美、法、日、俄等国家都把纳米材料作为新一代隐身材料进行探索和研究。美国已研制出一种称作“ 超墨粉” 纳米吸波材料, 其对雷达波的吸收率高达 99%,目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料。(2) 等离子体吸波涂料 等离子体吸波涂料是将放射性物质涂覆在目标上, 使目标表面附近的局部空间电离, 形成等离子体来吸收电磁波的能量。早在 20 世纪 60 年代,前苏联就开始了等离子体吸收电磁波性能的研究。80 年代初开始了等离子体的实验, 重点研究等离子体在高空超声速飞行器上的潜在应用。此技术最大的特点就是不用改变装备的结构, 只需利用等离
13、子体发生器就可以实现隐身目的, 且隐身效果非常好。目前, 这种技术比较先进的国家是俄罗斯和美国6 。 (3) 生物医用功能材料 生物医用高分子主要分医用高分子、药用高分子和仿生高分子三大类。目前, 除人脑外的大部分人体器官都可用高分子材料来制作, 有治疗保健作用的功能高分子也在开发之中。对生物医用高分子材料除了要求具有医疗功能外, 还要强调安全性, 即不仅要治病, 还要对人体健康无害。目前在血液相容性高分子、组织相容性高分子、生物降解吸收高分子、硬组织材料用高分子和生物复合高分子材料、医用高分子现场固化材料、医用粘合剂、固定化酶、高分子药物释放和送达体系等都有相应的研究, 并取得了初步成果73
14、 功能高分子材料发展趋势(1) 先进复合高分子材料 当今材料技术的发展趋势一是从均质材料向复合材料发展, 二是由结构材料往功能材料、多功能材料并重的方向发展。这种发展趋势造就了先进复合材料的迅速崛起与快速发展。 先进复合高分子材料是指以一种材料为基体(如树脂、陶瓷、金属等) , 加入另一种称之为增强(或增韧) 材料的高聚物(如纤维等) 复合成的高功能整体结构物8, 这种将多相物复合在一起, 充分发挥各相性能优势的结构特征赋予了高分子复合材料广阔的应用空间。目前高分子复合材料的发展和应用已进入世界科技和工业经济的各个领域, 重点集中在航空航天、基础设施、沿海油气田和汽车的应用, 与此同时, 医用
15、复合材料日益增长, 成为近年来不可忽视的快速发展领域9 。 ( 2 )生物降解及环境友好高分子材料 随着人们对环境问题认识日益加深，生态可降解已不再陌生，与此同时世界各国对材料的生态可降解性的要求也提上日程。在这种背景下，生态可降解的高分子材料的开发和应用也越来越受到各国政府、科研机构和企业的重视。目前，具有生态可降解性的高分子材料主要是发达国家产品，国内处于对国外产品的复制及仿制阶段。因此，开发具有自主知识产权的生物降解及环境友好高分子材料对于国内的相应企业和科研机构是当务之急。研究表明高分子的生物降解过程主要是其在各种生物酶作用下的水解反应、有时是先水解再进一步氧化或先氧化再水解，即易水解
16、的高分子往往具有生物降解性10 。即今后可降解高分子材料研究几种在在生物相容性、理化性能、降解速率的控制及缓释性等方面。7 智能高分子材料 智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和自我结论，实现自我指令和自我执行的新型材料。该类材料集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样具有智能属性。可以利用该类材料容易感知判断环境并实现环境响应的特性来制造传感器、制动器及仿生器等。因此，其将在医疗、环境监测、航空航天及制造业等方面得到广泛应用。 开发功能高分子材料的重要意义 功能高分子材料其独特的功能和不可替代的特性已带来各个领域技术进步，甚至质的飞跃，且在各行业已产生相当高的经济和社会效益，并导致许多新产品的出现。由于高分子材料在结构上的复杂性和多样性, 可以在分子结构(包括支链结构)、聚集态结构、共混、复合、界面和表面甚至外观结构等诸多方面,进行单一或多种结构的综合利用, 因此最大程度地满足了其他高技术要求材料技术为他们提供的更多、更好的功能。随着纳米技术研究的深入，在分子、甚至
