2.2 现代功能材料的分类及发展方向

由于现代技术领域在不断变革，功能材料各学科相互交融，各层次的划分是相对的。随着功能材料科技与产业的发展，特别是21世纪信息技术的发展，功能材料分类发生了巨大的变化，也衍生出许多新兴的材料。同时，鉴于功能材料的分类有交叉、混合特点，现代科技也赋予功能材料新的定义、特征及发展方向，结合上述情况可将功能材料分为十类。

2.2.1 纳米功能材料

当物质达到纳米尺度以后，大约在1～100nm范围内，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米功能材料。

发展方向：纳米技术及材料将向着与信息技术、现代生命科学和认知科学融合的方向发展，它们的融合将促进所有科技经济领域的创新和新发现。

2.2.2 新能源材料

新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所需的关键材料，它是发展新能源技术的核心和应用基础。从材料学的本质和能源发展的观点看，能储存和有效利用现有传统能源的新型材料也可以归属为新能源材料。主要包括以镍氢电池材料、锂离子电池材料为代表的绿色电池材料，燃料电池材料，太阳能电池材料，发展生物质能所需的重点材料，可燃冰，新型相变材料，节能材料（如LED发光材料）以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。

2.2.3 生物功能材料

生物功能材料的研究在于开发生物材料的物理、化学、生物特性的应用。生物功能材料的发展可分为两个方面，即功能生物材料和仿生功能材料。功能生物材料的研究在于开发生物材料的物理、化学、生物特性的应用。仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。

2.2.4 磁功能材料

磁功能材料分为软磁体功能材料、永磁材料。软磁体功能材料是指在有限时间内能产生不稳定磁场的功能材料，永磁材料是产生磁场的功能材料。

2.2.5 电功能材料

主要分为压电材料、介电材料、光电材料、热电材料和半导体材料等。

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，可分为细晶粒压电陶瓷、PbTiO3系压电陶瓷、压电复合材料和多元单晶压电体。介电材料又称电介质，是电的绝缘材料。光电材料是指用于制造各种光电设备（主要包括各种主动、被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等）的材料，主要包括红外材料、激光材料、光纤材料和非线性光学材料等。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料。半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约1mΩ·cm～1GΩ·cm）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

2.2.6 热功能材料

随着温度的变化，有些材料的某些物理性能会发生显著变化，如热胀冷缩、出现形状记忆效应或热电效应等，这类材料称为热功能材料。主要分为膨胀材料、形状记忆材料、测温材料等。

膨胀材料：热膨胀是指材料的长度或体积在不加外力时随温度的升高而变大的现象。常用的膨胀材料包括低膨胀材料、定膨胀材料和热双金属材料。

形状记忆材料：将该材料制成的具有某种初始形状的制品进行变形后，通过加热等手段处理时，制品又恢复到初始形状。形状记忆材料通常包括形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷。

测温材料应满足四个基本要求：①材料的某种性质应是温度的单值函数，最好是线性的；②有较强的输出信号；③有较好的测温稳定性和较宽的测温范围；④易于制作成组织性能均匀的丝、片材。对热电偶电极材料，还要求有小的电阻系数和电阻温度系数；对热电阻用感温材料则要求有大的电阻系数和电阻温度系数，受磁场影响小。它包括贵金属热电偶电极材料和热电阻用贵金属感温材料。

2.2.7 光功能材料

光功能材料指在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用材料本身光学性质（如折射率或感应电极化）发生变化的原理，去实现对入射光信号的探测、调制以及能量或频率转换作用的光学材料的统称。按照具体作用机理或应用目的之不同，可把光功能材料进一步区分为电光材料、磁光材料、弹光材料、声光材料、热光材料、非线性光学材料以及激光材料、光导纤维等。

发展方向：①固体激光材料；②光纤，如石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤、各种传感器用光纤等；③长余辉发光材料；④光子晶体，如发光二极管、光波导、微波天线、光子晶体光纤、抗手机辐射、光子晶体超棱镜、光子晶体偏振器。

2.2.8 生态环境材料

生态环境材料是指那些具有良好使用性能和优良环境协调性的材料。

其发展方向是：①减少人均材料流量，减少材料集约化程度；②减少寿命周期中的环境负荷，使用生态化的生产工艺；③开发天然能源，使用藏量丰富的矿物和天然材料；④避免使用有害物质，使用“清洁”材料；⑤使用长寿命材料，强化再生利用，强化生物降解性等。

2.2.9 功能复合材料

功能复合材料是指除机械性能以外还提供其他物理性能的复合材料。功能复合材料主要由功能体或增强体及基体组成。功能体可由一种或一种以上功能材料组成，多元功能体的复合材料可以具有多种功能，同时还有可能由于复合效应而产生新的功能。多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。

2.2.10 其他新型功能材料

智能材料还没有统一的定义。不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。大体来说，智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。构成智能材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变液、磁致伸缩材料和智能高分子材料等。

超材料“Metamaterial”是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。一般文献中都认为Metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。其发展方向是零折射率超材料，即超材料可吸收所有光线等。