功能材料有哪些

新型功能材料简介

1.超导体的概念:超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，减少电能因

电阻而消耗的能量，还能把电流储存起来，供急需时使用。

2.三个临界条件:临界温度（Tc）、临界电流（Ic）和临界磁场（Hc）是“约束”

超导现象的三大临界条件,三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处于三个

临界条件以内，才具有超导电性。

临界温度是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件维持足够低时，电阻突然变为

零时的温度;超导电性可以被外加磁场所破坏，对于温度为T(T＜Tc)的超导体，

当外磁场超过某一数值Hc(T)的时候，超导电性就被破坏了，使它由超导态转变

为常导态,电阻重新恢复。在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也

会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的最小极限电流，也就是超导态允许

流动的最大电流，称作临界电流Ic(T)。

迈斯纳效应(指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通量为

零)和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导

电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。

3.伦敦第一方程:

式中，m是电子质量，Js为超流电流密度，n

s

是超导电子密度

由上式可见：在稳态下，超导体中的电流为常值时，，则E＝0。

即，在稳态下，超导体内的电场强度等于零，因此，它说明了超导体的零电阻性

质。

4.功能玻璃:功能玻璃是指与传统玻璃结构不同的、有某一方面独特性能的、有

专门用途的、或者制造工艺有明显差别的一些新品种“玻璃”。生物玻璃是指能

够满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃,主要是由Si、Na、Ca以及P的氧

化物组成。

5.微晶玻璃是指通过玻璃热处理来控制晶体的生长发育而获得的一种多晶材料。

它既有玻璃的基本性能，也有陶瓷多晶体的特征。微晶玻璃的微晶化包括以下几

个过程：(1)玻璃结构发生微调；(2)晶核的形成；(3)基本晶相的形成及生长；

(4)介稳相转变为稳定晶相及残余玻璃。

微晶玻璃结晶过程中的核化与晶化多数属于非均相核化的类型。其基本原理是：

加入玻璃配合料中的成核剂，在熔制过程中，均匀地溶解于玻璃熔融体中。当玻

璃处在析晶温度区时，成核剂能降低晶核生成所需要克服的势垒，从而核化可以

在较低的温度下进行.

6.光色玻璃:我们把出现可逆的或不可逆的显色、消色现象的物质称为光致变色

材料。光色玻璃就是其中的一类光致变色材料。当受紫外线或日光照射时，由于

玻璃在可见光区产生光吸收而自动变色；当光照停止时，玻璃能可逆地自动恢复

到初始的透明状态。具有这种性质的玻璃称为光致变色玻璃(也称光色玻璃)。

7.陶瓷在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料，它和金属材料、高分子材料

并列为当代三大固体材料。结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学和化学

功能的先进陶瓷(现代陶瓷)，功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、热、力等

直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶

瓷(现代陶瓷)。根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应，则可制备热敏、气敏、湿

敏、压敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。

8.陶瓷三大原料:长石,黏土,石英.

E

m

en

J

t

s

s

2







0





s

J

t

石英在陶瓷生产中的作用:①在烧成前是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作

用，能降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。②在烧成时，石英

的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响，当玻璃质大量出现时，在高温下石英

能部分熔解于液相中，增加熔体的强度，而未熔解的石英颗粒，则构成坯体的骨

架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。③在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着

很大的影响，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度，否则效果相反。同时，

石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。④在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质

的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度与黏度，并减少釉的线胀

系数。同时它是赋予釉以高的力学强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因

素。

黏土作用概括为五个方面：1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成形的基础。2)黏土

使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3)黏土一般呈细分散颗粒，同时具有结

合性。4)黏土是陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的Al

2

O

3

含量和杂质含量是决定

陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要因素；5)黏土是形成陶器主体

结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。

9.发光是一种宏观现象，但它和晶体内部的缺陷结构、能带结构、能量传递、

载流子迁移等微观性质和过程密切相关。作为发光材料的晶体，往往有目的地搀

杂其它杂质离子以构成缺陷能级，它们对晶体的发光起着关键作用。发光的本质

是能量的转换，稀土之所以具有优异的发光性能，就在于它具有优异的能量转换

功能，而这又是由其特殊的电子层结构决定的。

10.被激发的物质在切断激发源后仍能继续发光，这种发光现象称为磷光,有时磷

光能持续几十分钟甚至数小时，这种发光物质就是通常所说的长余辉材料。它是

一类吸收太阳光或人工光源所产生的光发出可见光，而且在激发停止后仍可继续

发光的物质。尽管长余辉材料本身就是一种功能陶瓷材料，但它的热稳定性是有

一定限度的，温度对长余辉材料的发光性能的影响很大，随着灼烧温度的升高，

发光亮度急剧下降，甚至发生荧光猝灭。

11．激活剂吸收能量后，激发态的寿命极短，一般大约仅10-8s就会自动地回到

基态而放出光子，这种发光现象称为荧光。撤去激发源后，荧光立即停止.“荧

光”指的是激发时的发光，而“磷光”指的是发光在激发停止后，可以持续一

段时间。

12.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.智能材料需具

备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激

强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等;(2)具有驱动功能，能够

响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏、及

时和恰当；(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

13.智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。

14.有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的

形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。形状记忆合金可以分为三种：(1)单

程记忆效应;（2）双程记忆效应;（3）全程记忆效应;形状记忆材料兼有传感和

驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化。

15.在某些晶体材料上施加机械力时，晶体表面会产生电荷，这种现象称正压电

效应。在一定范围内，电荷密度与作用力成正比。相反，在晶体上施加电场时，

晶体会产生几何变形，称逆压电效应。

16.敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对

热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感的特性而制得的。按其

相应的特性，可把这些材料分别称作热敏(PTC陶瓷、NTC和CTR热敏陶瓷等)、

湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。此外，还有具有压电效应的压力、位

置、速度、声波等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的磁敏陶瓷及具有多种敏感特性的

多功能敏感陶瓷等。

热敏电阻材料是用特定组分合成，其电阻率随温度升高按指数关系减小

的一类材料，分低温型、中温型和高温型三大类。CTR热敏电阻主要是指以VO2

为基本成分的半导体陶瓷，在68℃附近电阻值突变达到3--4个数量级，具有很

大的负温度系数,因此称为巨变温度热敏电阻或临界(温度)热敏电阻材料。PTC

热敏电阻有两种用途：一是用于恒温电热器，PTC热敏电阻通过自身发热而工作，

达到设定温度后，便自动恒温，因此不需另加控制电路,二是用作限流元件，如

彩电消磁器、节能灯用电子镇流器、程控电话保安器、冰箱电机启动器等。

18.气敏陶瓷是一种对气体敏感的陶瓷材料,大致可分为半导体式、固体电解质式

及接触燃烧式三种。

19.当光线照射到半导体时，在光子作用下产生的光生载流子使电导增加的现象，

称为光电导效应。

20.太阳能电池是利用光生伏特效应将太阳能转换为电能的器件,太阳能电池的

转换率不仅受光子激发利用率的限制，还受其他因素的影响。虽然能量h≥Eg

的光子均可产生激发，但只有能量相当于Eg的部分才能转变为电能。光子吸收

材料的禁带在Eg≈0.9eV附近时，光子激发利用率最高.综合考虑影响转换效率

的因素，光子吸收材料的禁带宽度在1.0～1.6eV较合适，因此，Si、Cu2S、GaAs、

CdTe等均可用作太阳能电池材料。

21.快离子导体陶瓷是指电导率可以和液体电解质或熔盐相比拟的固态离子导体

陶瓷，又称电解质陶瓷。快离子导体的离子电导率可达10-1～10-2S/cm，活化能

低至0.1～0.2eV。

22.氢化物储氢原理：金属吸留氢形成金属氢化物，然后对该金属氢化物加热，

并把它放置在比其平衡压低的氢压力环境中使放出吸留的氢，其反应式是：

，

反应进行的方向取决于温度和氢压力。

23.储氢材料应具备的条件：1.易活化，氢的吸储量大；2.用于储氢时生成热尽

量小，而用于蓄热时生成热尽量大；3.在一个很宽的组成范围内，应具有稳定合

适的平衡分解压；4.氢吸收和分解过程中的分解过程中的平衡压差（滞后）小；

5.氢的俘获和释放速度快；6.金属氢化物的有效热导率大；7.在反复吸放氢的循

环过程中，合金的粉化小，性能稳定性好；8对不纯物的耐中毒能力强；9储氢

材料价廉。

(1)什么是超导体？其具有什么效应？这些效应产生的原因分别是什么？

答：超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，减少电能因电阻而消耗的

能量，还能把电流储存起来，供急需时使用。零电阻效应和超导体的完全抗磁性

（迈斯纳效应）。迈斯纳效应产生的原因，当超导体处于超导态时，在磁场的作

用下，表面产生无损耗感应电流，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相等，方

向相反，因而总合成磁场为零。即无损感应电流对外加磁场起着屏蔽的作用，因

此又称为抗磁性屏蔽电流。

(2)超导的三个临界条件是什么？

答：临界温度Tc，临界电流Ic，临界磁场Hc

(3)伦敦方程是什么？说明了超导体的什么性质？

答：伦敦第一方程，式中，m是电子质量，J

s

为超流电流密度，n

s

是超导电子密

度。说明了在稳态下，超导体内的电场强度等于零，因此，它说明了超导体的零

电阻性质。

伦敦第二方程

?╳（LJ

s

）=-B

式中，L＝(m／n

s

e2)。m是电子质量，J

s

为超流电流密度，n

s

是超导电子密度

说明了超导体的迈斯纳效应。

（4）PTC,NTC热敏电阻分别指什么？

①电阻随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电

阻

②电阻随温度的升高而减小的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏

电阻

（5）气敏陶瓷分为哪三类，分别指什么？

答：气敏陶瓷大致可分为半导体式、固体电解质式及接触燃烧式三种：

（6）太阳能电池发电的基本原理是什么？哪些材料可以做为太阳能电池材料？

太阳能电池对材料的具体要求？

答：太阳能电池是利用光生伏特效应，当光线照射到半导体的p-n结上时，如果

光子能量足够大，hn≥Eg，就在p-n结附近激发出电子--空穴对。在自建电场的

作用下，n区的光生空穴被拉向p区，p区的光生电子被拉向n区，结果n区积

累了负电荷，p区积累了正电荷，产生光生电动势。若将外电路接通，就有电

流由p区流经外电路至n区，这种效应称为光生伏特效应。

光子吸收材料的禁带宽度在1.0～1.6eV较合适作为太阳能电池材料，因此，Si、

Cu

2

S、GaAs、CdTe等均可用作太阳能电池材料。

（7）功能陶瓷和快离子导体陶瓷分别是什么？

答：功能陶瓷是属于无机非金属功能材料。快离子导体陶瓷是指电导率可以和液

体电解质或熔盐相比拟的固态离子导体陶瓷，又称电解质陶瓷。

（8）稀土功能材料包括哪些？

答：稀土功能材料主要包括稀土永磁材料、稀土储氢材料、信息显示材料、催化

材料、超磁致伸缩材料、巨磁电阻材料等。

（9）材料功能性与材料结构的关系？

答：功能材料的结构与性能之间存在着密切的联系，材料的骨架、功能基团以及

分子组成直接影响着材料的宏观结构与材料的功能。

（10）光色玻璃是什么？玻璃半导体的开关效应和存贮效应分别指什么？

答：物质在触及到光或者被光遮断时，其化学结构发生变化，其中的部分吸收光

谱发生改变。我们把出现可逆的或不可逆的显色、消色现象的物质称为光致变色

材料。光色玻璃就是其中的一类光致变色材料。开关效应：原先处于兆欧级高阻

绝缘态(“关态”)的玻璃半导体，当外加电压超过一定数值(阀值)时，就会在

l0-9s内，变成只有几个欧姆的低电阻态(“开态”)，这种特性称为“开关效应”。

存贮效应：当玻璃半导体由高阻绝缘态变成低阻态后，不需要维持电压便能永久

地保持在低阻态，具有永久记忆特性。玻璃半导体的这种特殊性质称为“存贮

效应”。

（11）微晶玻璃的微晶化包括哪些过程？微晶玻璃结晶过程中的核化和晶化多

属于什么类型？基本原理是什么？

答：微晶玻璃的微晶化包括以下几个过程

(1)玻璃结构发生微调；

(2)晶核的形成；

(3)基本晶相的形成及生长；

(4)介稳相转变为稳定晶相及残余玻璃。

微晶玻璃结晶过程中的核化与晶化多数属于非均相核化的类型。其基本原理

是：加入玻璃配合料中的成核剂，在熔制过程中，均匀地溶解于玻璃熔融体中。

当玻璃处在析晶温度区时，成核剂能降低晶核生成所需要克服的势垒，从而核化

可以在较低的温度下进行。

（12）生物玻璃是什么？新型功能玻璃按功能性可分为哪几类？

答：生物玻璃是指能够满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃。微晶玻璃、

光导纤维玻璃、激光玻璃、光色玻璃、半导体玻璃、非线性光学玻璃、磁功能玻

璃、生物玻璃、机械功能玻璃以及功能玻璃薄膜等。

（13）什么是永磁材料和软磁材料？

答：软磁材料：在较弱的磁场下易于磁化，也易于退磁的材料称为软磁材料，磁

导率大，矫顽力小，滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。磁化后不易退磁，而能长

期保留磁性的铁氧体材料称永磁材料。磁滞回线包围面积大，矫顽力大。

氢化物的储氢原理是什么？实用的储氢材料的特征是什么？

答：金属吸留氢形成金属氢化物，然后对金属氢化物加热，并把它放置在比其平

衡低的氢压力环境中使其放出吸留的氢，储氢材料应具备的条件:1,易活化，

氢的吸储量大2，用于储氢时生成热尽量小，而用于蓄热时生成热尽量大3.在

一个很宽的组成范围内，应具有稳定合适的平衡分解压4，氢吸收和分解过程中

的平衡压差小5，氢的俘获和释放速度快6，金属氢化物的有效热导率大7，在

反复吸放氢的循环过程中合金的粉化小，性能稳定性好8，对不纯物如氧，氮，

CO,CO

2

，水分等的耐中毒能力强9，储氢材料廉价。

（14）陶瓷胚体所需哪三种原料？

答：具有可塑性的黏土类原料、具有非可塑性的石英类原料和熔剂原料。

（15）黏土在陶瓷生产中的作用？石英在陶瓷生产中的作用？

答：黏土之所以作为陶瓷制品的主要原料，是由于其赋予泥料具有可塑性和烧结

性，黏土作用概括为五个方面：

1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成形的基础。

2)黏土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。

3)黏土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性

4)黏土是陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的Al

2

O

3

含量和杂质含量是决定陶

瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要因素；

5)黏土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。

石英在陶瓷生产中的作用

①在烧成前是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩，

缩短干燥时间并防止坯体变形。

②在烧成时，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响，当玻璃质大量出现

时，在高温下石英能部分熔解于液相中，增加熔体的强度，而未熔解的石英颗粒，

则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。

③在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响，合理的石英颗粒能大大提

高瓷器坯体的强度，否则效果相反。同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到

改善。

④在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉

的熔融温度与黏度，并减少釉的线胀系数。同时它是赋予釉以高的力学强度、硬

度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。

（16）稀土发光的本质是什么？稀土为什么具有优异的发光性能？

答：发光的本质是能量的转换，稀土之所以具有优异的发光性能，就在于它具有

优异的能量转换功能，而这又是由其特殊的电子层结构决定的。稀土离子的发

光特点

即+3价稀土离子的发光特点

①有f--f跃迁的发光材料的发射光谱呈线状，色纯度高；

②荧光寿命长；

③由于4f轨道处于内层，材料的发光颜色基本不随基质的不同而改变；

④光谱形状很少随温度而变，温度猝灭小，浓度猝灭小。

（17）智能材料所具备的三个基本要素？智能材料具备哪些内涵？

答：智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。

具体来说，智能材料需具备以下内涵：

(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、

光、热、应力、应变、化学、核辐射等；

(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；

(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；

(4)反应比较灵敏、及时和恰当；

(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

（18）什么是荧光和磷光？何为长余辉材料？何为荧光的猝灭？

答：荧光：激活剂吸收能量后，激发态的寿命极短，一般大约仅10-8s就会自动

地回到基态而放出光子，这种发光现象称为荧光。撤去激发源后，荧光立即停止。

磷光：被激发的物质在切断激发源后仍能继续发光，这种发光现象称为磷光即：

“荧光”指的是激发时的发光，而“磷光”指的是发光在激发停止后，可以持

续一段时间。长余辉材料：有时磷光能持续几十分钟甚至数小时，这种发光物质

就是通常所说的长余辉材料。荧光猝灭：基质晶格M吸收激发能，传递给搀杂离

子，使其上升到激发态，它返回基态时以热的形式把激发能量释放给邻近的晶格，

称为“无辐射弛豫”，也叫荧光猝灭。

（20）何为形状记忆效应？什么是光电导效应？

答：有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的

形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。光电导效应：当光线照射到半导体

时，在光子作用下产生的光生载流子使电导增加的现象，称为光电导效应。

请你就稀土材料中你感兴趣的性质做一个简要的论述

请你对新型功能材料热点的发展前景做一下简要论述