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功能材料
functional materials
功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。在国外，常将这类材料称为功能材料（functional materials）、特种材料（speciality materials）或精细材料（fine materials）。功能材料涉及面广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等等。这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。功能材料根据材料的特性特征和用途，可以将功能材料定义为：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。
典型功能材料
超导材料 以 nbti、nb3sn 为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（nmri）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；squid 作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦 (4.2k) 系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2k）提高到液氮（77k）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场[h c2 (4k)>50t]，能够用来产生 20t 以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。正因为这些由本征特性 tc、hc2 所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高 tc 超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。
医用材料 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年 16% 的速度递增，预计 20 年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向；医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料，带有治疗功能的 ha 生物复合材料的研究也十分活跃。
能源材料 太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，ibm 公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达 40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有 50% 用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是研究的热点。
生态环境 生态环境材料是 20 世纪 90 年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：①直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，co 2 气体的固化技术，sox、nox 催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；③材料的环境协调性评价。
智能材料 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为 10 分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。
能源材料 ①固体氧化物燃料电池：固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放 50%，不产生 nox，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但研究的固体氧化物燃料电池的工作温度达 800～900℃，其关键部件的材料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技术主要有：a）高性能电极材料及其制备技术；b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术；c）电池结构优化设计及其制备技术；d）电池的结构、性能与表征的研究。②光电转换效率大于 18% 的硅基太阳能电池商品化；研制出光电转换效率大于 18% 的低成本、大面积、可商业化的硅基太阳能电池及其组件。③太阳能的综合利用 (光电、热电、热交换)及其与风力发电的耦合技术；建立总体利用效率达 15% 的追尾聚集光式太阳能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合利用与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供电。
稀土材料 ①稀土催化材料 ②稀土永磁材料 突破高性能 (n50)、高均匀性、高工作温度、低温度系数的烧结稀土永磁材料和高性能(磁能积 20mgoe）粘结稀土永磁材料的产业化关键技术。③高亮度、长寿命白光 led 节能照明系统 低成本、高亮度、长寿命白光 led 节能照明系统产业化并进入普通百姓家庭。
生物医用材料 ①生物芯片；②生物兼容性好、可降解或可诱导再生的人体软、硬组织替换材料；③具有分子识别和特异免疫功能的血液净化材料和装置。生态环境材料 ①有机膜分离技术：海水（或盐碱水）淡化效率达 50% 的有机膜实用化和产业化。②固沙植被材料与技术；③节能、环保的建筑材料及其关键工艺技术：突破日产 2000 吨的流态化水泥烧成技术，其单位能耗与粉尘排放低于的新型干法工艺；实现纯氧燃烧生产浮法建筑玻璃的产业化。
特种功能材料 ①无机分离催化膜：突破无机分离催化膜（透氧膜、分子筛膜、透氢膜）的关键制备技术，建立无机分离催化膜用于天然气催化转化制备合成气和液体燃料、天然气直接转化制备乙烯、生物质原料制备乙醇、天然气制氢等方面的示范性生产装置。②大尺寸光学金刚石膜；③有机磁性材料: 突破本征有机磁性材料的关键技术。④敏感材料与传感器。
超导材料 高温超导材料的制备与应用技术