第十四章 功能材料展望.ppt

1 第十四章新型功能材料展望 自然的奥秘是没有止境的 人类对未知世界的探求也是没有止境的 新型功能材料在知识爆炸的今天 也向着更好 更轻 更便宜 更坚固等方向发展 随着信息化数码时代的到来 对新型功能材料的需求日益最佳 对新型功能材料的功能要求日益多元化 2 第一节对功能材料的新要求 透明度高的光投射型聚合物正在研究之中 折射率分布型的材料也在开发之中 光导纤维是在透明物的周围包覆比该物质折射率低的材料 光导纤维的芯材是聚苯乙烯 外壳成分有聚甲基丙烯酸甲酯等 与石英纤维比较 缺点是对红外线和一部分可见光有吸收作用而引起很大损失 3 塑料光导纤维只适合于近距离以及限定的玻璃化转变温度之下 由于聚合物柔软 易加工 质轻价廉 因此日益广泛地应用于传送光信号 装饰和广告陈列 如果能够提高透明度 减少光损失 提高玻璃化温度 则用于光导纤维的高聚物用量会迅速增大 4 功能材料在光路上的应用有连接器 滤光器 光分度器 衍射光栅 光集成电路等 功能材料在光存贮器中的应用也很有前途 利用光的二聚作用 光异构化以及光开闭环等反应 将活性基导入到材料中以便控制反应的进行等等都是技术开发的关键 5 随着微机技术的普及 硅板上越来越多的使用了各种工程塑料 树脂 薄膜和陶瓷制品作为半导体的保护材料 印刷线路板和绝缘材料 超大规模集成电路使得存储容量从16K升至32 64 128K 进而发展到256K 这都是由于照相蚀刻时所采用的光致刻蚀剂的功能进一步提高 使细微的电路图的描制成为可能 6 导电聚合物材料广泛用于导电元件 电阻元件 电磁波屏蔽和防静电等方面 由于分散型聚合物导电材料其微观结构含有不均一性 目前的进展方向为开发聚合物本身具有导电性的材料 目前超导聚合物材料的研制也日益受到重视 有机系列的超导体一般导热性低 易发脆 难以实际应用 因此人们致力于开发出超导的新材料和新的加工方法 7 敏感元件的需求 材料用作敏感元件时 按照材料的特性 可分为几类 在主链上或侧链上含有酞青 卟啉环或吡唑啉环等基团的聚合物材料在外加电压的情况下会产生色泽的变化 被用于电场感应材料 8 液晶高聚物具有磁场定向 磁各向异性等特征 为使聚合物本身带有磁性 人们力图以不对称电子 原子 离子或自由基为骨架制备高聚物用于磁场感应材料 共轭系高聚物具有光致导电性 希望在半导体激光使用的近红外领域 开发出灵敏度高的材料用于光感应材料 9 在热和光学性质之间 有聚苯乙烯和三苯甲烷系色素及对苯醌混合物的色泽变化 聚丙烯酸树脂和EVA共聚物的透明度变化 用聚偏二氟乙烯可进行热致发热 聚合物由于温度的变化而发生顺反结构互变 具有可逆性伸缩的性质 这些性质可用于温度敏感材料 10 聚偏二氟乙烯或偏二氰乙烯共聚物由于受压力或压电作用 会产生电阻或介电常数的变化 这种功能在扩音器 机器人触觉以及振动传感器等方面具有开发前景 通过高分子链的设计 有望出现更大压电系数的材料 11 物性传感材料是一种利用物理吸附而发生阻抗变化的材料 作为传感器的必备条件 微小的异常应该引起很大的物性变化 重复性以及各种使用条件的耐受力也要有一定要求 如水的传感剂可用于离子交换树脂 多孔聚氟苯乙烯用在空调和控制程序上等等 12 工农业上的需求 功能材料用于工业领域要求材料在强度 耐热性 耐久性和耐化学药品性等方面有良好的性能 同时还要具备可加工性以及良好的经济效益 合成树脂涂料还要有耐气候性和强韧性等性能 反渗透膜 超滤膜以及气体分离膜 吸附剂 离子交换树脂等被用于质量转移和分离 13 通过化学转化导致的物理性刺激 如光 放射线 热 力 电场等 可以用于光聚合物 压敏复写纸以及放射线交联等等 各种催化剂提高了反应的选择性 同时还具有高分子效应和协同效应 预计在工业上的用量会进一步扩大 14 功能材料中电 磁 光 热 力和音的相互转化可以分别适用于适当的领域 膜分离技术在工业上得到了广泛的应用 将反渗透膜 离子交换树脂或挣来法同时并用制备超纯水取得了良好的效果 食品工业也迫切需要使用膜分离法取代真空蒸发和冷冻干燥 未来工业废水的回收和利用以及海水的淡化也可以通过膜渗透以及生物工艺学的配合而产生新的途径 而实际情况是膜的性能和耐久性等方面还不能满足需要 15 在农业上 广泛应用地膜 其耐候性 透光率以及可降解性都有待研究 功能材料用于农药 对材料提出了以下要求 保持药效的持久性 增强药效 增强稳定性降低毒性 减小气味 减轻作物所受毒害 使用方便 16 高分子农药有本身带有活性的 如用于抑制水中藻类或菌类繁殖用的季铵盐高聚物 有将低分子制成高分子的农药 如聚氨基甲酸乙酯型共聚物的除草剂 17 用于改良剂型的材料主要有 被高聚物溶解或吸附的农药 如聚氯乙烯中浸渍2 2 二氯乙烯二甲基磷酸酯杀虫剂20 制成的缓释杀虫片 用有机磷类杀虫剂交联的聚酰胺膜 明胶膜 聚氨基甲酸乙酯等制成的微胶囊 包合化合物如将对紫外线敏感的除虫菊酯用 环糊精包合 缓释农药以及缓释化肥 或按照植物生长特定时期提供必要肥料的智能型化肥 都被人们寄予厚望 18 能源开发 交通中的需求 在耐高压 耐高温等苛刻条件下 可靠性高的高强度材料一直是以高性能的金属材料为主 近年来开始使用陶瓷或高聚物等材料 随着油田的二次开发 要求开发出耐压 耐热 耐水 耐腐蚀等综合性能优良的高性能材料 目前美国杜邦公司开发出的Karlez橡胶已基本满足上述要求 19 此外用高分子吸附剂在海水中提取铀 重水等应用有助于原子能的利用 据认为 高分子功能材料选由于择性广 可加工性好 可以用涂覆的方法得到廉价而且大面积的元件等优点 希望能够将以硅材料为主的无机类太阳能电池转向高分子材料制成的电池 但光电转化效率尚有待提高 稳定性也有待进一步改善 20 汽车中应用的塑料制品越来越多 但纤维增强塑料的成型时间长 生产效率低 价格比钢板高且涂装质量不如钢板 与其它材料的接合性差都限制了其应用 但纤维增强塑料作外装修部件的轻型材料的需求量还是比较大 一些功能部件的塑料化也正在减小2 其老化疲劳问题是主要要解决的问题 21 飞机的轻型化是以复合材料取代铝 钢等金属材料 但有些问题尚有待改进如改善加工性能 开发粘结材料 增强纤维的三维化等等 铁路上 日本已研制出用增强塑料制造的火车车厢 未来的铁路运输将采用流线型电动车辆 其轻型化所采用的结构材料与汽车相似之处很多 22 医疗以及日常生活中的需求 医疗上 医用材料越来越广泛的用于检查 诊断 辅助治疗以及药品 人工脏器等方面 其生物适应性和医用功能都有待提高 不能一概而论 作为医用功能材料的一般要求 提高其医用功能和安全性 延长使用时间 改善其加工性能等 有待于进一步开发新的适合不同需求的材料 23 日常生活中时时处处都充斥了塑料的影子 衣食住行样样离不开塑料 但其耐磨性 阻燃性耐候性等都相当重要 随着材料用量的进一步扩大 废弃的材料容易处理也成为材料必备的功能之一 24 第二节功能材料展望 随着新材料的开发 功能材料制品进入商品领域成为必然 功能材料正向着质量更高 附加值更大和功能更好的方向发展 25 在电学领域要求有绝缘和导电两种相反功能的材料 在光学性质上需要光导纤维所具有的光透射性和光转换元件 以及组成传感器所应有的性质如电场感应性 磁场感应性 光感应性 温度感应性和物性传感能力等等 26 医药领域的重要功能有生物体适应性 替代功能和药理活性等等 工业上 有待提高物料的分离功能 化学转化功能和物理转化功能 目前已经有许多领域应用功能材料 今后可以采用Auto CAD进行计算机的辅助设计 开展更高层次的功能材料的分子设计 那么一批更为新型的功能材料必将进入我们的生活 在各个领域作出更大的贡献 27 分子设计的思想在化学领域中由来已久 人们利用化学符号以及化学式对化学反应进行了规划和设计 对试验结果加以验证 近年来由于各种基础数据和知识的积累 分子设计的可靠程度有了显著提高 材料设计的思想比分子设计要更为新颖 经分子设计合成的产品应称之为物质 在考虑其性质中可能具有某种功能或性能可供利用时 便成为候选材料 在使用时才把它看作材料 28 在当前的市场经济条件下 科研要力求高效利用产品开发资金 从迅速掌握社会需求开始建立能及时反映材料功能的新产品开发体系 以往的设计方法主要是依靠研究者的知识和经验进行 而今后的计算机设计是通过数据库进行检索来产生候选材料 通过性能的预测来进行 从输入要求开始到实用化实验结束的过程相当于广义的材料设计 这种流程结合了参与者或研究小组通常所采用的方法加以概括而成 29 材料的设计程序首先要分析输入的要求项目 挑选规格参数和选定候选材料然后参阅科技情报以及文献情况 加热自己的观点和看法 再开始实验 评价成果 在取得满意结果之前要耐心反复的思考 在科学技术迅速发展的今天 文献浩瀚 而人的能力是有限的 因此我们可以借助计算机将情报处理系统编入材料设计的系统 以便对材料进行充分的整理利用 30 对以往设计过程中的设想 实验和评价所需要的各种参考数据及基础理论或经验规律等等分别用计算机加以处理 保存在数据库及知识库中 将数据库与知识库并用 提出适合需要的候选材料作为实验的原则同时预测其性能 然后对这些结果用多变量分析等方法选出新理论及经验规律 31 由于功能材料具有各种奇特的功能 其发展潜力是巨大的 随着科学技术的发展 必将会有更多的新型功能