时间：2023-05-30 10:55:36
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇功能材料，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
【关键词】功能材料；特点；发展现状
一、引言
功能材料的概念是美国Morton J A于1965年首先提出来的。功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。随着社会的不段发展，功能材料的作用越来越大。下面对几种功能材料做一些简单的介绍。
二、铁电材料
在具有压电效应的材料中，具有自发极化（自发极化包括二部分：一部分来源于离子直接位移；另一部分是由于电子云的形变），且自发极化能够为外电场所转向的一类材料称为铁电材料。铁电材料的发展大体可以分为四个阶段：罗息盐时期—发现铁电性；KDP时期—铁电热力学理论；钙钛矿时期—铁电软模理论；铁电薄膜及器件时期—小型化（铁电液晶、聚合物复合材料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统）。
现代功能材料的应用非常广泛，可作信息存储、图象显示；可以做成小体积大容量的陶瓷电容器；铁电薄膜能用于不挥发存贮器外，还可利用其压电特性，用于制作压力传感器，声学共振器，还可利用铁电薄膜热释电非致冷红外传感器研究等。
虽然应用广泛，但铁电材料的研究面临很多困难，例如薄膜化引起的界面问题，小型化带来的尺寸效应和加工、表征问题，集成化导致的兼容性问题等等。同时，与铁电材料及器件相关的新原理、新方法、新应用都值得我们去研究和开发。
三、铁磁材料
随着材料科学的发展，铁磁材料已成为一种重要的智能材料。铁磁材料主要包括软磁材料、硬磁材料、和矩磁材料。
软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。例如变压器，变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是一级级线圈、二级线圈和铁心。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、安全隔离等。其中铁芯芯便是软磁体。
硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁材料可用于永久扬声器、扩音器、电话等。扬声器纸盆背面是磁铁，外磁式扬声器用金属螺丝刀去接触磁铁时会感觉到磁性的存在；内磁式扬声器中没有这种感觉，但是外壳内部确有磁铁，便是硬磁体。
矩磁材料，是指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。它的特点是，当有较小的外磁场作用时，就能使之磁化，并达到饱和，去掉外磁场后，磁性仍然保持与饱和时一样。
四、热电材料
热电材料又叫称温差电材料，是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料，主要用于热电发电和制冷。
热电材料根据运作温度可分为三类：碲化铋及其合金，这是被广为使用于热电致冷器的材料，其最佳运作温度
五、形状记忆材料
具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。形状记忆材料分为三类：形状记忆合金（钛-镍系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁系形状记忆合金）；形状记忆陶瓷；形状记忆聚合物。
形状记忆材料作为新型功能材料在航空航天、自动控制系统、医学、能源等领域具有重要的应用。形状记忆合金已广泛用于人造卫星天线、机器人和自动控制系统、仪器仪表、医疗设备和能量转换材料。近年来，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应，而且在性能上各具特色，更加促进了形状记忆材料的发展相应用。
六、纳米材料
纳米是一个长度单位，1nm=10-9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1-100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。
纳米材料的发展大致可划分为三个阶段：
第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能。
第二阶段（1990-1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。
纳米材料的特性主要有：小尺寸效应、表面和界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。
纳米材料的应用非常广泛，比如纳米陶瓷材料、纳米传感器、纳米倾斜功能材料、纳米半导体材料、纳米催化材料以及在家电、纺织工业和机械工业上的应用。
材料是现代科技和国民经济的物质基础。一个国家生产材料的品种、数量和质量是衡量其科技和经济发展水平的重要标志。随着新技术将更迅猛地发展，我们对功能材料的需求也日益迫切。因此，我们要加强对功能材料的研制和开发应用，把新成果应用于劳动生产。
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基
体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-
20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
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文章从生态文明观念培养、航空特色建设、课堂创新和考核创新四个方面探讨了南昌航空大学材料化学专业功能材料课程的改革。
[关键词]
生态文明；航空特色；创新；改革
功能材料是具有特殊电、磁、光、声、热、化学以及生物功能的新型材料，其种类繁多、性能各异，既是能源、计算机、通讯、电子等现代科学技术研究的基础，又对众多不同领域的科技进步、社会发展产生着越来越大的影响，据报导，在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%，近二十年来已成为材料科学领域中的研究热点之一。鉴于功能材料的重要地位作用，功能材料作为材料科学的一个分支，其理论与实验教学也日益受到人们的重视，各高校材料科学及与材料相关的专业都把功能材料作为专业课程来开设，有关功能材料的专著和教材逐年增多[1,2]。功能材料作为一门学科，具有多学科交叉，涉及面广，内容繁杂，既理论性强，又与实际应用密切结合的特征。作为一门课程，相对专业基础课而言，课程的理论教学时数少。目前出版的教材其体例内容各不相同，各校教学大纲也各异。对于功能材料课程的改革也各有说法[3-5]。因此，本文试图从南昌航空大学航空特色出发，结合课程所在学院的环境科学工程背景，在生态文明和绿色化学思维下，来探讨南昌航空大学材料化学专业功能材料课程的改革。
1生态文明思想观念的培养与加强
十报告把生态文明建设与经济建设、政治建设、文化建设、社会建设并列提出，把生态文明建设提高到前所未有的地位。是因为，人类自从进入工业文明以来，在创造辉煌的物质文明、精神文明的同时，也带来了难以承受的环境污染、资源危机和生态灾难，于致以发展不能持续，民生不能有效改善，人类的生存遇到了前所未有的挑战。生态文明是工业文明发展到一定阶段的产物，是超越工业文明的新型文明境界，是正在积极推动、逐步形成的一种社会形态，是人类社会文明的高级形态。以生态文明取代工业文明成为人类历史发展的必然，这是全人类智慧的结晶，也是可持续发展、克服人类生存危机的明智之举。生态文明作为人类文明的基础，延续了人类社会原始文明、农耕文明、工业文明的历史血脉，承载了物质文明、精神文明、政治文明的建设成果，贯穿在经济建设、政治建设、文化建设、社会建设的各方面和全过程，建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。材料是推动人类文明和社会进步的物质基础，与能源、信息并列为现代高新科技发展的三大支柱之一。随着社会的进步和科学技术的发展，高质量、高性能的新材料日新月异层出不穷。但，材料产业及其相关产业和行业是资源、能源的主要消耗者，又是造成地球环境问题的主要责任者。因此，尽管我校材料化学专业为学生开设了环境材料和绿色化学两门课，但笔者认为，在功能材料课程的教学大纲、教学目的、教学内容及教学过程中，也一定要贯彻生态文明建设的思想观点，进一步培养学生生态文明意识。让学生加深认识材料在带给人类物质文明的同时，其生产、消费过程中，也消耗了能源与资源，排放了大量的废弃物，造成大气、水体和土壤污染，危害人类身体健康。学会在寻找新的功能材料时，运用绿色化学原理和环境生态材料知识，合成制备对环境影响小而又能满足使用性能的新型功能材料——功能环境材料。如在讲授半导体材料这章，用直拉法制备GaAs单晶时，可以与用同样的直拉法制备Si单晶方法对比，提出：为什么直拉法制备GaAs单晶需在密闭液封的条件下？让学生思考。
2航空特色的建设
南昌航空大学是一所航空特色鲜明的学校，航空材料的教学研究与开发应用，更是其航空特色的体现。航空材料，在人们的习惯思维中，更多的是那些结构力学材料；但随着科学的发展，社会的进步，特别是知识经济、信息化时代的到来，智能一体化，功能材料在航空材料所占地位越来越重要，比例越来越高。因此，作为航空院校开设的功能材料课程，更应体现其航空特色，在教学目的上注意培养学生的国防航空意识；在教学内容、教学过程中结合航空产品说明功能材料在其中的应用。如，歼-20、F-35中的隐身材料，无人机中的电子元件所用的半导体材料，导弹制导用的红外或激光材料，等等。这样，不但会激发学生的求知欲，学生的学习兴趣也会大大提高，从而促进教学效果的明显改善。
3课堂创新
随着计算机技术、网络技术的发展，多媒体教学、网络教学蓬勃兴起，传统课堂教学模式受到了极大的冲击。近年在《教育部、财政部关于“十二五”期间实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”的意见》等文件的推动下，创新课堂与课堂创新的课堂教学改革，蔚然成风。各种教学方式方法层出不穷，如，PBL教学法、案例教学法、慕课(MOOC)、微课(Microlecture)、颠倒课堂法(TheFlippedClassroom)，等等。文本、图片、音频、视频、动画等媒体在课堂教学中广泛应用。因此，针对功能材料课程的具体授课目标、授课内容和授课对象，应会善于根据授课条件选取不同的教学方法和教学媒体。尤其是作为高年级开设的功能材料课程，更应该注意研究性或探究性教学法、文献学习法的运用，于以提高学生科研创新能力。同时，也可从日常生活用品出发，来讲解教学内容。比如，手机、计算机、电视机这些同学日常使用的产品，运用了大量的功能材料，如，液晶材料、发光材料、半导体材料、导电材料，等等。让学生感到功能材料就在身边，与日常生活密切相关，从而激发学生的学习兴趣。
4创新考核方式
课程成绩考核一般分为两个部分，一部分是平时成绩，另一部分是课程结束时的考试成绩。传统的做法是，平时成绩一般由出勤率、课堂提问和平时作业构成。课程结束时的考试成绩，也一般由任课教师根据所教内容命题试卷让学生做答，教师依据学生答卷情况给以评定成绩。在这种课程考核体系下，学生的学习往往处于被动状态，无法真正提高学生学习主动性。因此，为充分调动学生学习的自主性和积极性，培养学生的创新思维和自主学习能力，保证教学质量的有效性和高效性，必须优化课程考核体系，改革成绩评定方式。加大平时考核力度，提高平时成绩在总成绩中的比例，平时除了老师考核学生的作业、课堂问答、出勤率外，还可进行研究性教学，让学生自己评分。如，根据学生兴趣、课程教学的内容，让学生分成若干小组，选择不同的专题，通过共同查阅文献资料，写成3500字左右的研究性综述，内容涉及材料的性能、分类、组成、制备、用途、应用和未来的发展方向，等等。最后，从每个小组挑选一位代表以PowerPoint形式在课堂上作报告，各小组之间可以互相提问，相互评分，并按一定的比例计入平时成绩。这既可以锻炼学生查阅文献的能力、分析问题的能力、解决问题的能力，又可提高学生的写作能力和口头语言表达能力，还可使学生感到一定的成就感。从而更加全面、科学、准确地反映学生学习情况。
5结语
以上从生态文明观念培养、航空特色建设、课堂创新和考核创新，四个方面探讨了南昌航空大学材料化学专业功能材料课程的改革，其目的是为提高人才培养质量。而课程教学改革不仅仅是以上四个方面，牵涉到教师更多的付出和学生的密切配合，还有学校资源的配置，社会大环境的影响，等等。唯如此，课程教学改革方能成功。
参考文献
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随时代的发展与科学技术的进步，应用到各行各业的功能材料层出不穷，而且每年以百分之五的增长率不断增加。功能材料的特点就是种类繁多，且随时间的推移不断完善和更新。所以讲授本门课程之前，首先就要求任课教师要根据本专业特色选教材，其次还要与时俱进，不断关注学术上的前沿领域，及时汲取科研上的新方法、新成果扩充到教学内容中，充分调动学生的学习兴趣。而有限学时(32学时)下，在保证完成基础理论知识教学的同时，如何让学生对多种功能材料的内容比较全面而系统的掌握，如何开阔学生视野，扩大知识面是我们选取教材，整合教学内容时需要思考的问题。有关功能材料方面的教材书籍很多，但每本书编者根据自己研究方向不同各有偏重，基于这些原因，我们在选教材时，只是指定哈尔滨工业大学主出版的《功能材料概论》作为参考教材，根据本专业的特色，重点选取超导材料、半导体材料、贮氢材料、磁性材料、光学材料、功能陶瓷、纳米材料进行讲述，这本书虽然包含的内容较多，但相对较简单，所以讲解功能特性的基本理论时，我们利用便利的网络向学生提供相关的参考书，如讲压电陶瓷这一章节时，为学生提供中南大学出版社出版的《特种陶瓷》作为主要参考资料，该书详细讲述了结构与性能的关系、压电性能产生的机制及压电陶瓷的应用，通过该书与教师的讲解能让学生较为全面、细致地掌握压电材料的原理和应用，取得了良好的教学效果，也进一步拓宽本专业学生的知识面。这种教学过程虽然不可能面面俱到，但能做到重点突出，所以仍能起到很好的教学效果。当然，这并不是长久之计，我们正在自己编纂适宜本专业的，有地区特色功能材料教材。
2功能材料课程的教学思路与目的
功能材料课程是在学生学习材料化学这门课的基础上开设的，学生已了解并基本掌握了材料组成与结构、合成与制备、性能以及应用四者之间相互关系和变化规律，故本门课程不涉及有关材料学的基础知识，但在应用到这些知识时课前会复习一下。所以在教学内容的选材上结合本专业的学生需要，体现知识活、内容新颖的原则，重点讲述功能性的原理，阐明材料的功能特性与组成、结构之间的关系，体现功能材料在科技和社会发展中的重要作用，培养学生从应用角度提出问题、分析问题、解决问题的方法和思路;同时材料专业大三的学生已涉及部分材料方面的知识，且有一定的自学、查询和阅读文献的能力，所以在教学内容上适当增加培养学生主观能动性和创造性的教学环节，鼓励学生就当前的研究热点、出现的新材料或是自己感兴趣的课题总结相关文献资料，在老师的指导下制作PPT，让学生在课堂上做报告，这样不但能够进一步巩固学生的理论基础知识，而且还能及时了解功能材料的最新发展动向和国际前沿，同时激发了学生的专业学习兴趣。总之，本课程的目的是，通过本课程的学习进一步深化材料化学的基础知识，掌握各种类型材料功能特性的原理，制备、性能、应用以及具有解决实际应用中出现问题的能力，同时培养了学生综合分析、解决问题的能力和实验技能，为今后从事新材料开发与研制工作打下坚实基础。
3教学形式的探索
3.1建立教师主导型的案例式、问题式、讨论式教学模式
传统的教学方法通常是以教师为中心，教材为中心，教室为中心的“三中心”模式，从教学效果来看，传统的课堂教学将知识的传递仅仅停留在概念本身，以学生能识记概念和定义为目标，忽略学生综合素质和能力的培养。功能材料课程的课堂容量有限，课堂上的决大部分时间只能传授知识的基本框架、基本原理和基本思路，要提高学习的层次和效果，必须利用好课外时间和资源。本课程涉及的功能材料在我们实际生活中、影视资料都能接触到，我们在丰富教学内容的同时，积极改革教学方法，在学生掌握基本理论的基础上采取案例式、问题式、讨论式的教学方式，提高学生的自学能力、创新能力和实践能力。如讲液晶材料这一章之前，先让学生根据常见的液晶屏电子手表、手机、电视机进行思考，液晶能发光吗?是如何显像的?这三者液晶的显像原理是否相同?市场上卖的液晶电视与等离子体电视各有什么特点?让学生基于这几个问题课下查资料并课上讨论，讨论时教师给学生一定的启发，使学生在讨论中了解液晶的工作原理，教师再根据学生的掌握程度进一步讲解，这样的教学过程改变了传统的从概念到概念的教学方式，变成一种促进学生成为教学主体，采用自主学习、研究性学习、探索性学习案例性教学实践，让学生在轻松教学环境中就很好地掌握了液晶概念、液晶材料性能及应用原理，取得了良好的教学效果。
3.2灵活运用多种教学手段，激发学生的学习兴趣
由于《功能材料》课程知识面覆盖广，涉及到多个学科方向的基础理论，综合性强，传统的教学只利用板书或PPT进行“填鸭”式的教学手段，很难满足课程教学的需要，教学过程中，我们采用多媒体课件演示和教师板书讲解相结合的方式，利用板书简单的书写功能材料性能理论，书写相对较慢，可以留给学生一定的思考时间;幻灯片主要给学生传递图像，增大课堂信息量、提高教学水平和效果。同时采用动画、视频等影像资料辅助课堂讲授，把课程中的一些难点更直观高效、生动形象地表达出来，不仅使教师易于讲解，而且学生也易于接受，提高学生学习的主动性。如半导体材料这一章中的掺杂半导体，我们利用动画的方式形象地表达出P型半导体、N型半导体、P－N结的形成过程;在磁记录材料这一节中我们除用动画演示磁记录材料中磁头的读写原理后，同时让学生针对自己手里各种各样磁卡的工作原理进行讨论，从而激发了学生的好奇心与求知欲;讲解压电陶瓷的应用时我们还借助一些影像资料来分析说明压电机理及压电陶瓷在日常生活中和军事上的应用，进一步加深了学生的理解。我校已建成了校园网络教学平台，它可以作为课堂教学的重要补充，利用这个平台我们把相关学习资料上网，学生能充分利用互联网优势和校园网络教学平台，获得相关学习资料和前沿专业知识。而且教师和学生能够网上交流和沟通，这样教师可以及时得到来自学生的反馈信息，了解学生的学习情况。
3.3改进考核方法，提高学生的综合能力
为使教师更全面掌握学生学习的真实水平，我们积极改进考核方法，在平时作业中，注意布置综合性、应用性的习题，提高学生解决实际问题的能力，在成绩评定中作为平时成绩的一部分。将平时成绩、期中成绩和期末成绩进行加权，平时成绩占10%，包括课堂讨论与提问发言、习题作业、课堂报告。期中考试成绩占20%，期末考试成绩(闭卷)占70%，为学生提供了全面展示自己能力的机会，调动了他们主观能动性，培养了创新精神，充分体现了“以学生为中心”的教育新观念。
4结语
关键词：环境功能材料；教学方法；教学效果
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0226-02
一、引言
在当今的世界，环境污染威胁着人类的生存，制约着人类的发展。因此，用于环境保护的功能材料成为世界关注的热点。环境功能材料是指具有独特化学、物理、生物性能，并有良好环境净化能力的新型材料。它们可以在经典的环境净化工艺中发挥重要作用，也可以为人类新的环境污染提供解决方案。为了使学生掌握好材料与环境之间的关系，并为今后的研究和实际工作中利用好环境功能材料治理环境污染打下前期基础，在环境专业中开设“环境功能材料”课程至关重要。但是，这门课的教学面临着诸多问题，比如：这门课程内容涉及材料、化学、物理、环境、生物等多个领域，学习内容多、学时少。而且大部分的材料是学生日常不熟悉的，容易造成学习困难。因此，如何在有限的教学时间获得良好的教学效果，是师生共同关注的问题。本文作者结合近几年来对本课程的教学体会阐述一些个人的观点和看法，与同行商榷。
二、将生活实际融入课程，激发学生的学习兴趣
学生对这门课程的兴趣将直接关系到他们对这门课的掌握程度。为了激发学生的学习兴趣，笔者平时留心将环境功能材料有关的生活资料收集和整理出来，适时穿插到课程中去。例如，在讲到吸附材料或活性炭时，先给学生提出一个问题：“大家常见的空气净化器以及厨房净水系统用的滤芯一般用的是什么材料？”让学生调研后再来回答这个问题；在讲到汽车尾气净化材料时，可以让学生先去了解一下平时经常听到的“三效催化剂”到底能处理哪三种污染物，车子的性能与“三效催化剂”是否有关等问题，然后再对材料的组分和结构进行分析和讲解，这样可以提高学生的学习兴趣。因此，将环境功能材料的理论与学生日常生活中感受到的、易于接受的实际问题联系起来，并能学以致用，使学生对环境相关的新材料产生强烈的亲切感，由此激发强烈的学习动机，进而主动学习这门课程。
三、成立兴趣小组，定期开展实验研究进一步提高学生学习热情
可以通过自荐和推荐的方式将学习环境功能材料兴趣浓厚的学生组织起来，成立由老师指导的兴趣小组，定期开展与课程相关的小型实验课题研究，以期进一步提高学生的学习热情。在积累了一定研究成果的基础上，举行阶段性研究成果小型报告会，锻炼学生的讲演能力，同时增加成就感。报告会要适当邀请环境功能材料专业老师、研究人员和学院相关领导参加。例如，利用业余时间，让兴趣小组的学生针对当前某种典型的水或大气污染，基于某种环境功能材料设计实验方案来治理或解决这种污染，对所选择的环境功能材料进行适当的改性或结构优化，并研究材料的微观结构和物理化学性质，最后将所得到的改性材料尽可能做到一个简单的小产品中，实现更高的污染物去除能力。如果效果理想的话，可以让他们参加校级或市级的大学生创新项目比赛，或将最终的成果写成。实践证明，这些有针对性的、趣味性的小项目研究和实验，不仅提高了兴趣小组学生的独立处理问题的能力，也带动了其他学生的学习热情，加深了所学的理论知识印象，起到事半功倍的学习效果。
四、合理利用多媒体提高课堂教学效果
环境功能材料课程中，有些章节比如多孔材料的内部结构，一些微观概念和理论相对比较晦涩难懂，某些微观过程也很难理解。因此，我们需要适时地引入多媒体教案。例如，分子筛的结构和种类，微观结构相对比较抽象，学生仅凭想象很难判断。多媒体课件能以立体图来表现，使其“具现化”，这对学生来说就容易理解多了；再如，讲到离子交换树脂交换原理的时候，由于内容抽象，老师在讲解时很难解释清楚，为了清晰地阐明这一问题，我们可以采用多媒体动画的表现形式，以两个钠离子交换一个镁离子软化水质为例来展示交换过程。课件具体设计时，首先显示出离子树脂上的钠离子，当含有镁离子的流体通过时，两个钠离子就会与一个镁离子交换，随后钠离子随流体流出。这样直观的画面展示形式，在一定程度上突破了时间和空间的限制，使学生有身临其境的感觉，不仅扩大了宏观视野，同时也强化了直观效果。
五、建立合理科学的考评体系
新教育观念下，理论联系实际地探索具有科学性、严谨性、实用性的考评体系是一大重点。其实，考试只是检验学习效果的一种手段，并不是学生学习、老师教学、乃至学校和社会培养相关专业人才最终目的。“环境功能材料”作为环境工程专业的一门新兴学科，具有更新快的特点。这门课的主要目的是培养学生的创新思想和分析解决问题的能力，因此，用闭卷考试的传统评价形式很难合理科学地评价学生对“环境功能材料”这一课程的掌握程度。闭卷考试很容易使学生形成为考试过关而死记硬背的应试学习心态，为了能更好地避免这一消极现象，更科学合理地评价学生的整个课程学习过程的表现、学科知识掌握情况和应用能力，本课程需要将考核方式进行细化，注重考察学生的综合能力。课程考核的方式要加强多样性和实用性。例如，一些基础性的知识点可以利用较短的课堂时间通过随堂测验的考核方式来测验，并及时给出相应的评价结果；为了加强学生运用理论知识解决实际问题的能力，学期伊始即可布置开放性的研究型论文，这也将成为期末成绩考评的一个重要组成部分；根据实际情况也可在期末以个人或小组的形式，将“学术报告会”也作为考评的一部分内容，既锻炼学生能力，也可节约老师的评阅时间，教师结合学生的讲演给课程论文评分。通过这种方式，学生们以小组形式自主设计实验过程，与授课教师讨论并提出可行的研究方案。合理科学的考核方式能够有效提高学生的学习效率，同时锻炼其解决实际问题的能力。
六、小结
环境功能材料是一门与生活息息相关，多学科交叉、综合发展的新学科。本文作者结合这几年对本课程的教学在教学方法和手段上浅谈几点体会和看法。笔者坚信，通过广大专业教师的不懈坚持和共同努力，不断总结经验、与时俱进，今后环境专业中“环境功能材料”课程的教学手段将更加丰富多彩，教学评价也更能反映学生实际情况，教学效果也必将更上一层楼。
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Some Opinions and Experience on Teaching of "Environmental Function Materials" Course
WANG Yan-gang
（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
选择合适的材料是实现有机光敏二极管功能以及提高其性能的第一步。目前研究者们对有机光敏二极管的光敏材料研究涉及紫外、可见、红外光区各个波段。一些已报道的有机光敏二极管的性能如表1所示。
1.1可见光光敏二极管材料富勒烯及其衍生物是研究较早也是目前较为热门的一类n型有机半导体材料。研究者正不断地探索该类材料的潜能，Lee等［6］报道了一种多层结构的并五苯/C60器件，该器件在500～690nm的波长范围内都有良好的吸光效率，而在670nm左右，其EQE甚至可以超过100%。P3HT(聚-3-己基噻吩，图2)和PC61BM(［6，6］-苯基-碳六十一-丁酸甲酯，图2)也是一组常见的给体、受体材料组合，有报道显示用P3HT∶PC61BM制备的器件在540nm光照，－5V偏压下光响应度可以达到390mA/W，(图3)［7］。近年来，聚芴衍生物及其共聚物也被证明是一类很有前途的有机半导体材料，目前已经报道的聚芴衍生物F8T2(聚(9，9-二辛基芴-二噻吩)，图2)为给体，PC61BM为受体，得到的器件光响应度约为625mA/W(460nm，9mW/cm2光照，－10V偏压)［8］。而Park等［9］报道DMQA(N，N-二甲基喹啉并吖啶)∶DCV3T(二氰乙烯基-三联噻吩，图2)材料用于有机光敏二极管，可以得到光响应度超过250mA/W(5mW/cm2光照，－3V偏压)，外量子效率超过64%的器件。本课题组在可见光光敏二极管方面也有着一定的研究基础。2009年，基于C60/NPB(N，N''''-二(1-萘基)-N，N''''-二苯基-1，1''''-联苯-4-4''''-二胺，图6)有机异质结，我们报道了一个蓝光敏感的有机光敏二极管［10］。以蓝色OLED(发光波长为462nm)为光源，我们将此有机光敏二极管应用到有机光电耦合(OOC)器件中，实现了0.17%的电流传输效率，这是当时已报道的有机小分子光电耦合器件中的最高值。同时，其截止频率达到了400kHz，并且在1MHz的输入信号下也能表现出极好的跟随特性(如图4)。在此工作基础上，基于C60/m-MTDATA(4，4''''，4″-三(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺，图6)有机异质结，其在462nm的OLED光源下的光响应度达到130mA/W，将有机光耦的电流传输效率提高到了1.3%［3］。同时，我们实现了在柔性基底上制备该有机光耦，可以应用于压力传感中。由于其良好的电隔离性能，可将其应用到低压控制电路中，实现了对处于2000V高电势电路的控制(图5)。随着应用需求的增加，对特定颜色选择性吸收的有机光敏二极管也逐渐地为人们所重视，Burn等［11］合成了一种以氧化花青素为核心的树枝状分子(Dendrimers3，图2)，以它和PC61BM组成的体异质结有机光敏二极管可以选择性地吸收460～570nm的绿光，而在500nm光照条件下，该器件在0V时的光暗电流比可以达到2.7×104。Park等［12］报道的DMQA/SubPc(二氯硼酞菁，图2)器件也显示出了对绿光较好的选择性，其在560nm光照条件下的比探测率可以达到2.34×1012Jones。红光选择型器件在这方面报道较少，有课题组利用P6T(α，ω-二苯基六噻吩，图2)和BP3T(α，ω-二(联苯-4-基)三噻吩，图2)作为蓝绿光吸收材料来阻止蓝绿光到达传统的CuPc(铜酞菁)/C60结构的器件光敏层，从而得到较好的红光选择性，该器件的比探测率可以达到4.0×1011Jones，EQE达到51.4%［13］。
1.2紫外光光敏二极管材料m-MTDATA是紫外吸收材料里的明星分子，目前报道的基于m-MTDATA∶BPhen(二苯基邻菲咯啉，图6)的器件，在－12V偏压，365nm的光照条件下，其光响应度达到872mA/W［14］。而m-MTDATA搭配Cu(I)配合物CuDD(硼氟酸二［2-(二苯基膦基)苯基］醚•二吡啶并(3，2-a:2''''，3''''-c)吩嗪合铜(Ⅱ)，图6)组成的器件在365nm光照条件下，其光响应度可达560mA/W，比探测率达到2.82×1011Jones［15］。NPB也是一种不错的紫外光吸收材料，基于NPB/PBD(2-(4-叔丁基苯基)-5-(4-联苯基)-1，3，4-二唑，图6)的器件光响应度可以达到4.5A/W(3V偏压，350nm，60μW/cm2光照)，同时光暗电流比达到了2.4×103［16］。纳米复合材料同样得到了研究者们的青睐，如Huang等将C-TPD(4，4''''-二［(对-三氯代甲硅烷基苯基)苯基氨基］-联苯，图6)和ZnO组成的纳米复合材料与C60用于紫外光敏二极管，得到EQE约400%的高效率器件［17］。然而，以上器件或多或少都会在可见光区有所吸收，这对它们的应用造成了一定的限制，另外，由于ITO对深紫外区光线的吸收也给深紫外区的探测造成了困难，为解决这个问题，有课题组利用在12nm的超薄铝电极上加镀一层TPD(N，N''''-二(3-甲基苯基)-N，N''''-二(苯基)联苯胺，图6)作为可见光吸收材料的方法，得到了紫外区与可见光光响应度比值达到1000左右的器件［18］，也有课题组利用PVA(聚乙烯醇)达到了类似的效果。
1.3红外光光敏二极管材料红光-红外区域的探测在光学通信、遥感控制等领域有着无法替代的作用，然而由于有机半导体红外吸收材料较少，使得相关研究目前要落后于紫外和可见光区的研究。Chen等［20］通过在半导体层P3HT和PC61BM间插入Ir-125(4，5-苯并吲哚三碳菁，图7)染料，使得器件的光谱探测上限从650nm提升到1050nm处，在－1.5V偏压下，该器件在800nm处的EQE达到了757%，然而，该器件在可见光区域更加明显的光响应使其并不能被称为一个典型的红外探测器(图8)。Sampietro课题组［21］报道了基于方酸菁类化合物AlkSQ的有机光敏二极管，700nm处的比探测率达到3.41012Jones。此外，基于二硫纶类材料也表现出不错的红外吸收性能，Awaga等［22］报道的以二硫纶类材料BDN(二(4-二甲基氨基二硫代苯偶酰)合镍(Ⅱ)，图7)为基础的器件探测范围可以覆盖700～1600nm区域，比探测率达到1.6×1011Jones，带宽约为1.4MHz。曹镛研究组近年来在近红外有机光敏探测器方面做了很好的研究工作，他们报道了两种性能优良的红外光敏材料，即苯并三唑类的高聚物PTZBTTT-BDT(图7)和卟啉类小分子材料DHTBTEZP(图7)［23，24］，用它们和PC61BM配合制成的器件在近红外区处的比探测率都可以达到1012Jones以上，是两种很有潜力的红外光敏二极管材料。另外，他们还尝试采用ZnO纳米线作为电子取出层，使得PDDTT(聚(5，7-二(4-癸基-2-噻吩基)-噻吩并(3，4-b)-噻二唑-噻吩-2，5)，图7)和PCBM制成的器件可以对400～1450nm的光照产生响应，且在1300～1450nm的红外区比探测率达到109Jones以上［25］，这也为提高红外光敏二极管的性能提供了一种有效的方法。
2有机光敏二极管的结构优化与界面修饰
有机光敏二极管依异质结构造方式的不同大致可以分为平面异质结(图9a)、体异质结(图9b)以及混合型(图9c)三类器件。不同结构的器件往往会有很不一样的性能表现。
2.1平面异质结结构平面异质结结构是有机光敏二极管较为常见的结构，其中acceptor和donor分别成层，两者有一个平面界面，形成异质结。如Wang等［27］设计的基于C60/TPBi(1，3，5-(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯，图6)的器件就是基于这一结构，该课题组发现该器件在做成平面异质结结构的时候可以对365和330nm双波长的光线发生响应，而一旦做成体异质结结构则会失去这一特点。在平面异质结的基础上，研究者们也通过不同的优化手段来提高器件的性能，Lee等设计了超薄的并五苯与C60层交替多层的器件(图10a)，该器件充分利用了并五苯内单线态激子裂变形成两个三线态激子的特性，将器件EQE提高到了100%以上(670nm光照条件下)［6］。也有一些课题组尝试在给体/受体之间插入一个内联层作为红光吸收材料，有效地提高了红光的利用率，EQE最高超过了7000%［20］。另外，有课题组采用C-TPD等作为阳极缓冲层对平面异质结结构的器件做修饰，C-TPD是一种良好的空穴传输材料，有很低的电子迁移率，另一方面，它较高的LUMO能级也有效地阻挡了C60层电子的注入，因此，它的引入可以使器件的暗电流降低3～4个量级［28］。
2.2体异质结结构体异质结结构的有机光敏二极管近年来发展迅速，有研究人员认为这是比平面异质结更有效率的结构［26］。这主要取决于体异质结结构相比于平面异质结结构具有的更加大的acceptor和donor的接触面积。由于光照产生的空穴电子对的分离主要发生在acceptor和donor界面处，随之迁移到电极中产生光电流，因而体异质结中的空穴电子对能够得到更加有效的分离，进而得到较高的光电转换效率。MEH-PPV(聚［2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-亚苯基-亚乙烯基］，图2)∶PC61BM组成的体异质结器件暗电流密度可以降到1nA/cm2以下［2］。Gong课题组［29］利用溶液法制备的P3HT∶PCBM体异质结的器件EQE约为80%，比探测率(500nm，0.32mW/cm2光照，－0.5V偏压)超过1×1013Jones，线性动态范围超过120dB，暗电流同样低至nA/cm2量级。研究者也通过表面修饰的方式来提高体异质结结构的器件性能。Leem等［30］以DMQA和DCV3T组成的体异质结为基础，利用TPD/MoOX双层结构作为阳极缓冲层得到的器件在540nm处EQE达到55.2%，而在－3V偏压下的暗电流降低到6.41nA/cm2。其他还有利用PEIE(聚乙烯亚胺)作为PBDTT-C(图2)和PC70BM组成的体异质结结构器件的阳极缓冲层，最终得到的器件在－2V偏压下暗电流为2nA/cm2，比探测率(680nm光照，－2V偏压)可达1013Jones，带宽为12kHz。
2.3其他结构还有一些器件采用给体/体异质结/受体这样的三层混合结构。如Ma等［32］发现他们构建的ITO/红荧烯(Rubrene)/红荧烯∶C60/C60/Al结构的器件的带宽比普通的平面异质结器件有显著的提高，达到15.6MHz，比探测率(405nm光照条件下)在较低的－2V偏压下就高达5×1012Jones，此时暗电流仅为1.5nA/cm2。另外，该器件在同一电压下入射光强改变约5个量级的范围内，光电流都与光强成线性关系。该课题组还采用TAPC(1，1-双［(二-4-甲苯基氨基)苯基］环己烷，图2)和C70这一组材料，器件结构也是平面-体异质结混合的结构(图10b)，同样取得了很好的器件性能，其比探测率达到2.5×1013Jones，EQE为62%，在同一电压下，光电流可以和入射光强在6个量级的范围内呈线性关系［33］。近年来也有一些无机纳米棒、纳米等与有机半导体材料相结合的新型异质结组合，Xie等［34］报道的TiO2纳米棒与Spiro-MeOTAD组成的器件即是这样的结构(图11)，Ogale研究组［35］报道的ZnO(N)纳米棒-Spiro-MeOTAD杂交光敏二极管也是类似的结构，此类器件往往有自供电的特性，即可以在0V偏压下表现出光响应性，符合未来社会节能环保化的倾向。
2.4界面机理研究对有机光敏二极管器件的电子空穴传输机理的研究有利于人们通过设计器件结构得到最优化的器件性能。目前，有机光敏二极管的机理研究多集中在界面处。Hayden课题组［36］利用TSC(热激发电流分析)研究有机光敏二极管内的界面陷阱状态，他们发现在低光强下，有机光敏二极管的带宽受到界面陷阱的影响，而当光强足够高时，体陷阱的影响居主导地位。Wang等［37］研究了有机光敏二极管在光照下的性能衰退现象，最终他们将引起光电流降低的原因定位在了界面处的光解现象上，并提出合适的缓冲层有利于器件性能的提高。本课题组通过调节C60/NPB异质结中半导体薄膜的厚度，建立了OPD界面中关于耗尽区形成的定量模型，并提供了一个普遍适用的方法来探究有机半导体界面的信息。该模型描述了暗电流和开路电压与C60和NPB薄膜厚度的关系。界面处的相关电子结构信息，如内建电场、电荷密度、耗尽区完全形成的最小厚度和异质结每一侧上的能级弯曲，都可以从这个拟合模型中得到(图12)。该模型的拟合结果显示，有光照和无光照情况下，半导体耗尽区的厚度分别是5nm(C60)/70nm(NPB)和8nm(C60)/60nm(NPB)。器件的性能优化结果验证了拟合模型的合理性。以此为基础，对有机光敏二极管(OPD)进行了结构优化，并与有机发光二极管(OLED)组装成OOC。测试表明该OOC的电流传输比、信噪比、截止频率、跟随频率分别为0.58%、3×104、400kHz、1.25MHz［38］。
2.5光强分布的计算有机薄膜器件中由于光在薄膜内的反射与干涉现象，光场强度在薄膜内层波浪状分布(图13)，研究器件内部光强分布对于器件光敏性能的优化有指导性的意义。O''''connor研究组在光伏器件中引进了一个Cap层，通过转移矩阵法计算了不同Cap层厚度下异质结界面处的光强分布，他们发现当器件界面处光强分布达到最大时，器件的光电流也达到最大值［40］。Hung等同样用器件内部光场强度的变化来解释改变器件厚度时，器件光电流的变化［41］。本课题组发展了利用光强分布预测光电流的方法，将器件薄膜厚度对器件内部的光场和电场分布的影响同时列入考虑，提出了一个模型，可以预测mMTDATA/C60器件光电流随厚度变化的趋势，并指导器件结构的优化，使器件光敏性能得到了显著提高。该方法也可用于其他材料体系［42］。
2.6有机光敏二极管的稳定性有机光敏二极管的稳定性也是一个非常重要的性能指标。器件在使用过程中，通常会受到来自环境中水、氧的侵蚀，还会出现由光和电引起的材料老化或降解，这些都会导致器件性能的衰减，影响器件使用寿命。通常情况下，我们可以使用高功函的电极，如Au、Ag等，作为光敏二极管的阴极，这样可以降低电极氧化的几率，在一定程度上对器件起到保护的作用，以提高其稳定性。但这对器件内部的能级匹配提出了较为严格的要求和限制。Wang课题组在电极和有机层界面处引入界面修饰层LiF和Li-acac(乙酰丙酮合锂)，通过其和无界面修饰层器件的瞬态光电流谱的对比，得出了电极/有机层界面在光生激子的衰减方面起着十分重要的作用。并且在界面处引入界面修饰层可以有效地降低光生激子的衰减，从而得到较稳定的器件性能。Simonato课题组通过在Ag电极和光敏层之间引入缓冲层聚乙烯亚胺(PEIE)，使得该器件在环境条件下放置100天之后，性能仍没有出现明显的衰减，如图14所示。这些研究对制备高稳定、高效率的光敏二极管器件起到十分有效的指导作用。
3未来发展方向
关键词：自洁功能材料 自洁功能陶瓷 自洁机理
随着工业的发展和人类的各种活动日益频繁，由此而滋生的疾病也越来越多。要解决这一问题，必须走可持续发展之路：一方面解决污染源，另一方面要提高家居环境的抗污染能力，即研制相应的抗污染材料及其制品。对于陶瓷行业而言，这一抗污染材料和制品就是自洁功能陶瓷[1]。
1、自洁功能陶瓷的概念和分类
1.1 概念
自洁功能陶瓷由陶瓷基体和自洁功能材料两大主要部分构成，它是指在陶瓷制品表面或釉层中加入一种或几种具有抗菌、杀菌、防污、除臭和具有净化大气功能的材料，这些功能材料必须以较强的结合力附着在陶瓷上或者与陶瓷本身结为一体，同时对人体不产生任何危害，这样制得的多功能陶瓷称为自洁陶瓷。
1.2 分类
主要分为两大类：一类是有机材料，另一类是无机材料。有机材料多用于塑料、橡胶、纺织行业等，无机材料则多用于无机非金属行业，尤以玻璃和陶瓷行业应用较广。现在所见报导的无机自洁功能材料分三类：一类是含金属离子的无机化合物，如AgNO3、CuO等，另一类是光催化半导体化合物，如TiO2、ZnO等，第三类是具有远红外辐射功能的自洁材料，如锰及其氧化物。另外，有人还提出用稀土复合磷酸盐无机抗菌材料按一定比例添加到陶瓷中制备抗菌功能陶瓷材料。
2、自洁原理
2.1 含金属离子的自洁功能材料
含金属离子的自洁功能材料其杀菌作用主要依赖金属离子中不稳定电子的迁移，这些电子在迁移的过程中阻碍微生物的呼吸和代谢，破坏其蛋白质。以Cu2+离子为例，Cu2+离子失去一至两个电子时，具有强烈的氧化性，这种氧化性阻碍了周围的微生物的呼吸。同时，还可氧化分解周围有机物。由此可见，金属离子的杀菌和抗污主要是由强氧化性来完成的。金属离子按其抗菌效果依次为：Ag>Co>Al>Cu>Zn>Fe>Mn>Sn>Ba>Mg>Ca。而其杀菌效果则有变化，为：Ag>Cu>Fe>Sn>Al>Zn>Co，这主要是因为抗菌作用与原子的电子云磁场有关，而杀菌作用则与其氧化作用的大小有关。一般情况下，常用的金属离子有Ag+、Zn2+和Cu2+，分别以其化合物的形式带入。
2.2 光催化半导体自洁功能材料
物质根据其电性可以分为导体、半导体和绝缘体。在半导体材料中，有这样一族材料，它们能够被光子激活，从而实现电子流动，这一族材料称为光催化半导体材料。[4]其中经常应用的光催化半导体材料有：TiO2、ZrO2、V2O3、ZnO、CaS、Se、GaP、SiC等，在自洁陶瓷的研究中应用较多的为：TiO2、ZrO2和ZnO。
2.3 远红外线自洁功能材料
远红外线自洁功能材料包括锆（Zr）、钴（Co）、镍（Ni）锰（Mn）其及氧化物，这类材料的杀菌自洁与其所放出的远红外线射线有关。但这类材料的杀菌效果是有限的，它必须和以上两类自洁功能材料配合使用才有更好的应用价值。
2.4 添加稀土复合磷酸盐抗菌功能陶瓷材料
将稀土复合磷酸盐无机抗菌材料按一定比例添加到陶瓷中制备抗菌功能陶瓷材料[2]。结果表明：在陶瓷中加入稀土复合磷酸盐无机抗菌材料不会降低陶瓷表面质量，且对金黄色葡萄球菌的6h杀抑率可达94.8%。[3]将复合磷酸盐无机抗菌材料、陶瓷熔块、粘土、添加物、水按一定比例加入球磨机中研磨制得抗菌磨浆.然后经过施釉、烧结制备了抗菌功能陶瓷。
3、自洁功能陶瓷的制作工艺
自洁功能陶瓷的制作工艺基本一致。首先必须有基体（陶瓷）、载体和自洁功能材料，其中载体不仅仅是前述几种，也可以用溶胶凝胶法或其它化学反应方法制成薄膜（载体），再把杀菌自洁功能材料涂覆在其上，在较低的温度下进行烤制，烤制后应以结合较为牢固为前提。也有人将自洁功能材料和载体合二为一，先将载体制成溶液，然后将自洁功能材料加入，最后用蒸涂、浸渍等工艺与陶瓷表面的结合[5]。显然，以上方法都是把自洁功能材料涂覆在陶瓷制品的表面，这样自洁功能材料的自洁作用较好，但有可能结合的不是很牢固。有人也研究了将自洁功能材料加入釉中，这种加入釉中的方法显然是简单，但是自洁作用要丧失许多。如有学者在釉中加入抗菌剂，可以提高自洁性能。抗菌剂最好是以磷酸三钙载银（质量分数为8%～10%）引入釉中。抗菌釉面砖采用低温一次快烧，烧成温度
4、结语
自洁功能陶瓷问世以来，受到国内外同行的普遍关注。但至今，仍然有两个问题没有得到完全的解决。一是当自洁功能材料涂覆于陶瓷表面或加入陶瓷釉中时，引起陶瓷表面颜色失真，使得陶瓷表面的光泽度变差。二是当自洁功能材料涂覆在陶瓷表面制得自洁功能陶瓷时，由于烤制的温度较低，使得自洁功能材料与陶瓷表面的结合力不够，日常表现为耐久性较差。要解决以上问题，还需作进一步的基础研究，其中颜色的改变可以尝试用相关的蔽色剂加以解决；光泽度不够必须对基础釉进行调整，耐久性不好的解决办法自然是将自洁功能材料和陶瓷基础釉融为一体，这方面已有许多的研究者正在努力研究。
参考文献
[1]郝小勇.自洁功能陶瓷及其发展.陶瓷工程，2000.10，34（2）45-48.
[2]肖汉宁.抗菌性陶瓷材料.中国陶瓷，1997.10，33（5）17-18.
[3]梁金生，金宗哲，王静.抗菌功能陶瓷材料的研究.河北工业大学学报，2000.10，29（5），45-47.
[4]贺飞，唐怀军，赵文宽，方佑龄.二氧化钛光催化自洁功能陶瓷的研制.武汉大学学报（理学版），2001.8，47（4）419-424.
《光电材料导论》是我校无机非金属材料专业2013年开设的专业课程。开设这门课程的原因是：（1）国家在十二五规划中提出了重点发展的七大战略性新兴产业，其中之一的的新材料产业包含了功能材料，而光电材料是功能材料的一种；（2）我校的无机非金属材料教研室的很多老师从事光电材料相关的研究，具备开设这门课程的师资力量。所以在课程的教学内容的选材方面，我们会着重从这两个方面考虑。而教学方法会利用现在的多媒体技术，与传统的板书相结合，让学生更加形象生动的加深对知识的理解[1]。
1 教学内容的选材
在教学内容的选材方面，我们综合考虑了以下几个因素：
首先，学生必须能够有所学，开设一门课程才是有意义的。光电材料是功能材料的一种，为了便于学生循序渐进地吸收理解光电材料的专业知识点，教学内容分成三个方面：光功能材料、电功能材料、光电材料及器件。首先，讲解光功能材料和电功能材料方面的知识点，在具有这些知识的基础上，再讲解光电材料及器件方面的知识，学生们就比较容易理解。
其次，我们结合现在的就业情况及研究热点。我们设置的教学内容，既考虑了学生们以后的就业，也考虑到想进一步深造读研究生的学生们的研究工作。光功能材料方面的教学内容包含了激光材料、发光材料、红外材料及光纤材料。电功能材料方面的教学内容包含了导电材料、半导体材料、介电材料、铁电材料及超导材料，其实半导体材料也是一种导电材料，之所以把半导体材料单独作为一个章节，是因为半导体材料是太阳能电池和LED照明灯的核心材料，这也是为后面的光电材料及器件的讲解做铺垫。光电材料及器件方面的教学内容包含了光电子发射材料、光电导材料、透明导电薄膜材料、光伏材料与太阳能电池及光电显示材料。
2 教学方法的探索
光电材料的内容更新很快，现在的学生不仅应该掌握传统基础的材料知识，更应该掌握最新的知识点，更应该了解光电材料的最新研究进展，而使用多媒体教学能够及时地更新课件的内容，使得教学内容能够跟上最新的研究成果[2]，也能让学生及时了解学习最新的材料知识。
多媒体教学还有助于激发学生学习的兴趣[3]，因为它在视觉上能够让学生很直观的学习知识，比如：太阳能电池的工作原理，我们可以在Powerpoint（PPT）上给出太阳能电池工作原理图，然后再对照图给学生详细讲解其原理，学生将更深刻的理解其原理。再比如，在讲解光纤的传输原理时，可以通过多媒体技术使用动画，让学生很直观地了解光纤的原理。
但是多媒体教学应该和传统的板书结合起来，因为有些知识仅仅通过多媒体展示，学生可能比较难理解，还需要老师再次将其中的重点和难点板书出来详细讲解，同时也可以加深同学的印象。
同时，我们在整个的教学过程中，采用的是启发式及提问式的教学方法。通过对学生进行提问，启发学生自主思考，加深学生对知识点的理解。
3 课程考核方式的选择
课程考核的成绩包含两个方面，一个是平时成绩的考核，一个是期末成绩的考核。
平时成绩的考核，我们通过上课提问、课后习题、出勤率等方面进行考核。上课提问可以考查学生对上节课内容的掌握程度，还可以考查学生是否认真听讲、是否认真思考问题。课后习题包括两个方面，一个是对课上内容的考查，帮助学生巩固课上知识，另一个是对课外知识的拓展，督促学生课后查阅文献，培养学生的学习能力。
期末成绩的考核，我们采用撰写科技论文的形式进行考核。《光电材料导论》开设在大四上学期，总共24个课时。因为光电材料的内容更新比较快，而教学课时比较有限，通过撰写科技论文的形式，既可以督促学生去更全面的了解光电材料最新的研究进展，又可以锻炼学生查阅文献的能力，培养学生总结文献的能力，有利于大四学生在下学期更快进入本科毕业论文的工作。
4 需要改进的地方
作为本专业开设的新课，在教学的探索与实践过程中，肯定存在一些不足，有很多地方需要我们去反省和改进。我们自己对此进行了总结，具体包括以下三个方面：
（1）在多媒体教学过程中，我们不仅只是使用了PPT这个软件，还应该引入视频，比如，在讲解使用直拉法制备单晶硅时，就可以引入一段视频，让学生更直观地了解使用直拉法是如何制备单晶硅的。
（2）在教学的过程中，我们还应该出示实物，让学生能够直接接触，加深印象。可以出示实物包括光纤、发光二极管LED，单晶硅片和多晶硅片（这时，还可以教学生从宏观上如何分辨单晶硅片和非晶硅片）、ITO玻璃、闪锌矿及纤锌矿结构模型等，不但增强生学习光电材料的兴趣，而且让他们对光电材料实体有直接的感性认识[4]。
（3）在教学过程中，我们还应该加入两个学时的讨论课，老师布置一个题目，让学生课后准备，几个学生一组，进行资料搜集与整理，然后让一个学生做代表，在讨论课上做PPT报告，其他组的学生进行提问，作报告的学生做解答。同时这个也要纳入平时成绩中，占总成绩的20%。
绪论是引导学生快速进入材料化学主体内容比较关键的部分，在绪论这章应该让学生尽快对材料化学这门课程的一些基本概念、材料化学的主体内容范围及其地位和作用以及一些学习方法，包括思维方式的转化和训练方面有一些了解，同时由于是双语教学，不断渗透英语教学内容仍是主体，所以在绪论内容设计上，逐步导入英文教材内容，用英语表述一些概念，对概念的理解上，采取中英文表述，主要是照顾英文理解较差的学生，同时给学生一个适应的过程。在“以学生为本”的教学理念下，对材料化学绪论内容进行设计和实践，以下是教学实践中的尝试和总结，以其今后更好地进行材料化学课程双语教学，教学方法上“重视学”，“以学生为本”，提高教学质量，实施以培养能力为中心的素质教育。
材料概念的导入
1材料的定义有关材料的定义有以下几种：材料是具有结构、光、磁、电的用途的物质(Matterisamaterialwhenthatformofmatterhasstructural,optical,magnetic,orelectricuse)。材料是能为人类社会经济地制造有用器材(或物品)的物质(Matterisamaterialwhenthatformofmattercanbemanufacturedintousefulobjectseconomicallyforthehumansociety)[13]。材料是人类用来制作物件，如用具、工具、元器件、设备设施、系统等的物质。《辞海》给材料下的定义是：经过人类劳动所取得的劳动对象称为原料，而经过工业加工的原料如钢材、水泥等则称为材料[14]。这是以往对材料的定义，随着时代的发展，材料基本含义没有太大变化，内容上丰富许多。与时俱进，现在采用英文教材的最新定义，是需要学生理解和掌握的。英文教材的定义为：材料可广泛定义为可用于解决当前或未来社会需要的任何固态组件和设备(Thetermmaterialmaybebroadlydefinedasanysolid-statecomponentordevicethatmaybeusedtoaddressacurrentorfuturesocietalneed)[15-16]。例如，钉子、木材、涂料等解决我们住房需求的简单建筑材料(Forinstance,simplebuildingmaterialssuchasnails,wood,coatings,etc.addressourneedofshelter)。
2材料的分类材料分类有很多种，现代材料一般分为金属(metals)材料，高分子(polymer)材料如塑料、橡胶、纤维等，无机材料如陶瓷(ceramics)、玻璃、水泥、砖瓦等和复合(composites)材料四大类[17]。英文教材将材料分为天然的(natural)和合成的(synthetic)两大类材料。天然的材料分为无机(inorganic)和有机(organic)材料。无机天然材料包括矿物(minerals)、黏土(clays)、砂(sand)、骨(bone)和牙(teeth)。有机天然材料包括木材(wood)、皮革(leather)、糖(sugars)和蛋白质(proteins)。合成的材料包括大块(bulk)、微米(microscale)、纳米(nanoscale)材料。大块(bulk)材料包括非晶态(amorphous)和结晶(crystalline)材料[15-16]，这种材料分类更贴近材料化学的定位。
3复合材料复合材料广义上是指由两个或多个物理相(以微观或宏观的形式)所组成的固体材料。狭义上是指用高性能玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、晶须、芳香族聚酰胺纤维等增强的塑料，金属和陶瓷材料等。国际标准化组织把复合材料定义为由两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料[18-19]。
4新材料与功能材料为适应国民经济、科学技术与国防建设的发展，满足生产力发展与社会进步的要求新近出现或研发出来的、或正在发展中、具有传统材料无法比拟或更为优异的性能之各种新型材料，均称为新材料。新材料一般具备表征性、先导性、依托性、时间性、优能性和新颖性6个特征[14]。材料通常可分为结构材料与功能材料两大类。结构材料是以强度、刚度、韧性、塑性、耐磨性、硬度等力学性能为其基本特征，用于制造以承受重力或传递应力为主要服役方式之结构构件的材料。功能材料则是具有特殊物理性能、化学性能或生物学性能等，主要用于制造各种功能元、器件的材料[14,20-21]。1965年，美国贝尔实验室Morton博士提出功能材料的概念，20世纪70年代日本材料科技界完善确立，20世纪80年代在我国逐渐被人们接受。功能材料的定义，国内外尚无统一定论，国内比较一致的定义，功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理学、化学、生物学效应，能完成功能相互转化、并被用于非结构用途的高技术材料。这些材料在元件、器件、整机或系统中，可实现对信息与能源的感知、采集、计测、传输、屏蔽、绝缘、吸收、贮存、记忆、处理、控制发射和转换等目的[14]。
5纳米材料20世纪70年代，日本科学家最早认识到纳米性能并引用纳米概念。20世纪80年代中期，人们正式把这种材料命名为纳米材料。纳米材料是指物质的粒径至少有一维在1~100nm之间，具有特殊物理化学性质的材料[22-27]。组成纳米材料的基本单元在维数上可分为三类：(1)零维。指在空间三维尺寸均在纳米尺度内。如原子簇等。(2)一维。指在空间有两维处于纳米尺度。如纳米丝、纳米棒、纳米管等。(3)二维。指在三维空间中有一维处于纳米尺度。如超薄膜、多层膜等[24]。在实际应用中，以一个材料的10%质量分数作为阈值来确定其是否为纳米材料，作为化妆品纳米材料的判断指标[28]。材料及其分类的介绍，主要侧重英文教材的定义，让学生记住其英文表达，同时强调材料的应用及最新材料介绍。
材料科学与材料工程的界定
材料科学是研究材料结构与性能间的关系，而材料工程是在这些结构与性能间的关系基础上，对材料结构进行设计和工程化以生产预期性质的系列产品(Thedisciplineofmaterialsscienceinvolvesinvestigatingtherelationshipsthatexistbetweenthestructuresandpropertiesofmaterials.Incontrast,materialsengineeringis,onthebasisofthesestructure-propertycorrelations,designingorengineeringthestructureofamaterialtoproduceapredeterminedsetofproperties)[29]。
材料化学的定义
广义上材料化学学科的定义致力于研究组成材料的原子、离子或分子排列之间的相互关系和它的整体宏观结构/物理性质(Thebroadlydefineddisciplineofmaterialschemistryisfocusedonunderstandingtherelationshipsbetweenthearrangementofatoms,ions,ormoleculescomprisingamaterial,anditsoverallbulkstructural/physicalproperties)。依据这个定义，普通学科如高分子、固体和表面化学都包括在材料化学的研究范围内(Bythisdesignation,commondisciplinessuchaspolymer,solid-state,andsurfacechemistrywouldallbeplacedwithinthescopeofmaterialschemistry)。这个广泛的领域是由研究现有材料的结构/性质，新材料的合成和表征以及利用先进的计算法来预测未知材料的结构和性质组成的(Thisbroadfieldconsistsofstudyingthestructures/propertiesofexistingmaterials,synthesizingandcharacterizingnewmaterials,andusingadvancedcomputationaltechniquestopredictstructuresandpropertiesofmaterialsthathavenotyetbeenrealized)[15-16]。#p#分页标题#e#
苹果手机将大批量使用OLED显示屏的新闻再度甚嚣尘上。消息称，苹果已与三星签署为期两年的供货f议，2017年将采购7000万块小尺寸OLED手机面板，用于装配即将推出的iPhone 8手机；不仅如此，谷歌也将投入8.8亿美元建OLED生产线，装配其最新的手机产品。
与传统液晶显示屏依靠灯管、滤镜、液晶的组合来实现显示不同，OLED依靠特殊的有机发光材料提供光源并改变亮度和色彩，其显示效果更佳，同时更为轻薄，也更便于同VR和柔性显示相结合，被认为将引发一场技术革命，全面取代原有的显示技术。
与三星深耕OLED多年不同，国内企业涉足OLED的历史并不久远，但这丝毫不妨碍2016年上半年OLED在A股市场掀起一场热潮，成为当时最热门的题材之一；尽管如此，国内OLED产业的发展概况不仅没有明朗，反而愈发神秘，题材降温后，众多OLED概念股股价回到起点。
如果苹果公司如期在2017年推出OLED显示屏的iPhone 8，势必意味着OLED时代真正意义上的到来，A股公司又能分得几杯羹呢？
发光材料遭遇技术门槛
OLED产业链上游主要为材料供应和设备供应，其中发光材料和蒸镀设备又是最为核心的技术。
濮阳惠成（300481.SZ）业务涉及OLED功能材料中间体，其股价（前复权）由2016年3月的20元/股开始，三个月时间一路飙涨到接近60元/股。
在各种有机发光材料中，芴具有较高的光热稳定性、较高的发光效率和较宽的能隙，是OLED普遍使用的蓝光材料，濮阳惠成拥有500吨左右的OLED 功能材料产能，包括芴类、咔唑类、硼酸类和噻吩类。
2015年，濮阳惠成芴类业务实现2163万元收入，同比增加76.26%，但2016年该项业务收入仅为1675万元，同比下降22.58%。
濮阳惠成在2016年年报中表示，公司将通过不断改进OLED功能材料的合成工艺，增加产品种类，重点开发咔唑类衍生物、芴类衍生物，持续提升自身在OLED功能材料领域的市场地位和产品竞争力，逐渐将其培育成公司新的利润增长点。不难发现，OLED对于濮阳惠成目前的业绩影响几乎可以忽略不计，太平洋证券研报认为，上游OLED材料的需求大规模放量预计要到2018年以后。
但是，让国内功能材料企业无法享受OLED红利的似乎不仅仅是时间。OLED功能材料生产中，首先由化学原料合成OLED中间体，再由单体厂商把中间体合成升华前材料（单体），最后进行升华提纯，形成OLED终端材料。
太平洋证券研报认为，仅从OLED 功能材料的合成难度来看，中间体进入门槛和成本并不高。兴业证券研报提出同样质疑，OLED产业链中收益和技术壁垒最高的部分实际上为单体及提纯，而目前单体市场几乎被国外企业垄断，国内OLED企业缺乏关键材料的专利和技术。这也意味着，最具利润和核心竞争力的部分，国内企业难以吃到。
另一家涉及功能材料的A股公司万润股份（002643.SZ），其股价同样在三个月时间内由每股30元上涨到接近60元。万润股份不仅涉及中间体，同样在单体上也有动作。
万润股份单体研发主要由子公司江苏三月光电科技有限公司承担，三月光电创始人李崇参与过日本OLED研究，2009年创办三月光电，主要进行OLED技术研发。根据万润股份年报，2015年和2016年，三月光电营业收入分别为2373万元和1631万元，净利润却分别只有24万元和25万元。
对于OLED布局，万润股份在年报中表示，公司主要产品包括OLED单体与OLED中间体，为该领域国内领先企业，公司早在OLED材料兴起之时就开始布局OLED材料产业链，为可能出现的显示材料产业升级做好了准备；未来随着OLED材料在小尺寸显示领域应用规模的扩大，公司OLED材料领域有望进一步扩大在该领域的市场占有率。
尽管无法否认国内企业在功能材料尤其是单体材料后来居上的可能性，但仅就目前来看，仍然存在着极大的不确定性和未知数。
在2016年6月股价达到顶峰后，濮阳惠成和万润股份开始进入下跌通道，2017年4月26日分别收于25.30元/股和36.10元/股，几乎被打回原型，也说明了题材躁动后，市场对国内OLED行业的谨慎态度。
PI膜“难产”
OLED相较传统液晶屏的另一大优势，是便于同屏幕柔性可折叠相结合，丹邦科技（002618.SZ）是这个故事的主角之一。
2016年3月初到6月底，丹邦科技股价由最低12元/股上涨到最高36元/股，除了OLED整个题材启动外，其PI膜项目是另一推手。
2013年，丹邦科技定增6亿元，用于建设微电子级高性能聚酰亚胺研发与产业化项目，即微电子级PI膜项目，该种材料应用于柔性显示领域，存在较高技术壁垒，微电子级PI膜基本被国外企业垄断。
根据当时的募投方案，丹邦科技将建设年产300吨微电子级PI膜项目，其中9微米和12.5微米各150万吨，两种规格的PI膜售价分别为109.8万元/吨和91.5万元/吨，完全达产后，预计新增营业收入3亿元、新增净利润1.52亿元，项目建设期24个月，建设完成后第一年和第二年的产能利用率分别为60%、80%，第三年完全达产。
也就是说，2015年丹邦科技PI项目建设完成，2016年就将贡献1.8亿元的营业收入和9000万元的净利润。但是，该项目却一波三折，2015年6月，丹邦科技公告表示，公司预计PI膜项目达到预定可使用状态的日期将由2015年5月31日调整至2015年10月31日，这是该项目首次推迟，随后便进入胶着状态。
直到丹邦科技股价达到36元/股后，其PI膜项目仍然未能落地，伴随着OLED退潮，股价也迅速回落。2016年7月底，故事发生了转机，丹邦科技在互动易平台上表示，其PI膜项目将在8月底完成，于是股价开始反弹，并在8月底创下接近40元/股的新高。
股价创下新高后，丹邦科技的PI膜项目却再次杳无音讯，其股价也像濮阳惠成和万润科技一样，一路下滑到最低20元/股。
2017年4月5日，丹邦科技再发公告，表示PI膜项目已经完成测试并小批量试产，并开始着手进行批量生产，似乎终于看到了胜利的曙光。
值得注意的是，2015年，丹邦科技营业收入和净利润分别为4.19亿元和6687万元，同比分别下降16.54%和26.46%；2016年，其营收和净利润分别为2.71亿元和2459万元，同比分别下降35.39%和63.23%。
连续两年的业绩大幅下滑，让PI膜项目成为丹邦科技最后的救命稻草，排除该项目仍然存在的众多不确定性，即便全额完成预定效益，又能否匹配其80亿元的市场估值呢？
三星供应链难入
2016年7月，中颖电子（300327.SZ）设立合资公司“芯颖科技有限公司”，公司持股75%，其所有AMOLED显示驱动芯片业务转入芯颖科技负责。
公开资料显示，2015年，中颖电子已经与国内OLED面板厂商和辉光电合作开发AMOLED驱动芯片，后者批量采用中颖电子OLED芯片。
国联证券认为，和辉光电OLED面板产能有望达到3万片/月，中颖电子还将与国内其他主流面板厂商合作，2017年至2019年驱动IC收入有望达到7300万元、2.5亿元和8.2亿元。
比起研报的乐观，中颖电子在2016年年报中并未透露其OLED相关业务的具体信息，仅表示，该业务短期会影响公司盈利，长期有机会，以AMOLED显示屏驱动芯片为公司带来新的盈利增L点。而根据年报中提供的芯颖科技财务数据，2016年其营业收入为292万元，净利润为-328万元。
【关键词】高分子；化学；发展；方向
中图分类号： F407 文献标识码： A
一、前言
我国高分子化学一直都是我国发展的重点，这项技术对于很多相关产业非常有帮助，高分子化学是高分子材料的研究基础，已经涉及到了机械行业，建筑行业等多个行业，因此发展高分子化学对于我国高分子材料行业是非常有帮助的。
二、现如今高分子化学的发展情况和应用范围
自从20世纪到现在，随着工业技术的快速发展，天然资源已经露出了疲态，科学家们已经开始使用高分子化学进行材料的合成。有数字表明，在之前的40年中，使用材料的速度正在以每10年五倍增长，人类三大合成材料，其中包括塑料、橡胶、纤维，在使用过程中表现出了令人惊讶的增长速度。新型的材料，特别表现在合成材料，在工业、建筑、农业、电子技术方面都被广泛使用，极大的支撑着人类的日常生活，是使国民经济持续发展的必要动力源泉。
相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。
三、高分子化学与高科技的结合
当今社会，人们将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息发展的物质基础。自从合成有机高分子材料的那一天起，人们始终在不断地研究、开发性能更优异、应用更广泛的新型材料，来满足计算机、光导纤维、激光、生物工程、海洋工程、空间工程和机械工业等尖端技术发展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。
随着生产和科学技术的发展，许多具有特殊功能的高分子材料也不断涌现出来，如分离材料、光电材料、磁性材料、生物医用材料、光敏材料、非线性光学材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活跃的领域，下面简单介绍特种高分子材料：功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应反应的高分子材料；高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。它们都属于特种高分子材料的范畴；特种高分子材料是指带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂）的范畴。
第一，力学功能材料：强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；)弹材料，如热塑性弹性体等。
第二，化学功能材料：分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。
第三，生物化学功能材料：人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。
四、高分子材料化学的应用
材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。
第二，纤维：人们开发出聚酯、尼龙、腈纶、维尼纶等高分子化合物，通过不同的加工，生产出了各种纤维制品，极大地满足着人类的需要。
第三，橡胶：天然橡胶的种类和品质都受到很大的限制，于是科学家们不断开发出了各种人造橡胶，如丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶等。
第四，精细化工：比如使得我们的世界变得丰富多彩的各种涂料产品，如家具漆、内外墙乳胶漆、汽车漆、飞机漆等。女孩子用的指甲油，使牙齿变白的增白剂也都是涂料。还有万能胶、建筑用胶、医用胶、结构胶等黏合剂，以及各种吸水树脂等都是高分子产品。
五、高分子化学的发展方向
1、使地球更加绿色化
在现在很多工业发达的城市，天空中都会飘着非常浓郁的黑烟，对人们的日常生活有非常严重的污染。绿色，在现在被认为是没有污染、再生性或者可以循环使用。在没有污染方面，我们需要做的就是减少工业废弃物的排放、相对的减少污染源。现在的情况表明，化学行业中具有污染和治理两个方面的性质，可以对绿色使用材料进行研究，也可以继续对环境造成恶化。例如：在研制的过程中使用的催化剂、溶解剂、中间物品等，在生产过程中产生的废气、废渣、废弃液体等都是对环境造成影响的主要元凶，若长期的进行排放，会对环境造成严重的影响，甚至会导致不可逆转的事情发生。
2、减少的自然资源的使用依赖
目前研究的高分子合成材料对石油具有很强的依赖性，众所周知，石油是经过地球非常漫长孕育才出现的，另外，石油也是现如今人类社会非常重要的能源，石油资源现在正在快速的减少，而且不能快速的进行补充，所以人们现在非常急切的找到可以代替石油使用的资源，这已经成为现在高分子化学研究中非常重要的课题。在对物质中原子和分子的比率进行调节，对物质的微观特性、宏观特性以及表面性质进行加强控制，也许这种物质就会满足一些行业的使用要求，当这种情况出现的时候就可以把这种物质作为材料使用。所以，在对材料进行配置的时候就会减少对不可再生资源的依赖程度，并对使用材料和环境进行相互协调，这是现如今化学研究当中非常重要的领域。现在很多高分子合成材料都非常依赖石油资源。想要解决目前的情况，可以对天然高分子进行利用，这其中也应该包含对无机高分子的不断探索和研究。
现在由石油合成的高分子材料，主要因为原子中以碳为主要元素，其中还含有少量的氮、氧等原子，所以被称为有机高分子。无机高分子是因为主链上的组成原子中不含碳。根据元素的性质进行判断，大约有40～50种元素可以成为长链分子。现在引起科学家高度重视的一种无机高分子，它的主链上都是硅原子，并且含有有机侧链的聚硅烷。
3、使高分子材料不断纳米化
现在很多高分子化学反应中的原子经过重新排列组合之后的反应空间要比原子的大小大出很多，所以，化学反应的研究要在一个受限空间之中进行。若在有限的空间中，像纳米量级的片层当中，小型分子由于和片层分子相互作用而且还在一个比较受限的空间内进行排列，之后产生单体聚合，聚合之后的产物的拓扑结构不会再受限的空间内进行全部的复制，这种情况和自由空间的结果完全不同。我们也许会在受限制空间内进行聚合反应的分子中提炼出高分子纳米化学的定义。化学的研究对象基本都是纳米量级的分子和原子，但是因为没有精细的方式，没有达到可以在纳米尺度上精确控制分子或者原子的程度，所以现如今很难做到对分子的精准设计，使化学的合成让人感觉非常的粗放。高分子化学在纳米程度上精要精确的按照分子设计，在此基础上确定分子链中的原子配比位置以及相互结合的方式，通过纳米技术对分子、原子和分子链进行非常精确的控制，达到对高分子各级结构的位置确定。这样就可以精确的控制新合成材料的功能和特性。
4、面向智能材料的高分子化学研究路线
20世纪的人类社会是以合成材料为标志的，在21世纪人类社会的标志将会是智能材料。高分子化学仍然是进入智能材料时期非常重要的组成部分。材料自身具有的功能可以根据外部条件的变化，有意识的进行调节和修复等一系列措施，这就是智能材料的基本定义。现在科学家已经了解高分子有软物质这一特征，简单说就是可以对外场具有反应。
六、结束语
综上所述，高分子化学已经发展到了非常不错的方向，在很多方面都有非常广阔的运用，目前高分子化学会朝着绿色以及环保方面进行发展，随着高分子化学不断取得突破，未来使用高分子材料的前景会更加的广阔。
参考文献
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电气石功能的复合型材料，一般情况下是将电气石与有机、无机、天然材料等复合而成的材料，经过复合之后，这些材料在功能和性质方面都发生了一些变化，可以使材料的性能得到进一步的优化，同时，经过复合之后，制造的成本还能降低，提高材料在使用方面的功能，满足人们对不同物质材料的需求。
一、目前我国电气石功能复合材料研究进展
目前，电气石在应用上主要包括以下几个方面：
1.环保方面
在空气以及水的净化方面，电气石的负离子对其的改善作用是十分明显的，在改善环境、促进人身体健康发展方面有着重要的作用。
2.保健行业
电气石具有防臭、抗菌、发射远红外线、抗静电、抗电磁波等功能，这些功能在人体保健方面有着极大的好处，因此，在一些人体休闲的场所得到广泛的应用，比如在汗蒸馆，可以通过电气石的复合型材料所释放出的能量，让人在静止的情况下细胞可以处于运动的状态，促进血液的循环，加快人体的新陈代谢，达到为人体进行治疗以及保健的作用效果。
3.建筑材料方面
在建筑材料，例如水泥、石材等方面加入电气石的微粉，在消毒、净化方面有着重要的作用，还可以去除污渍等。
4.农业方面
电气石材料应用在农业方面，可以使土壤的结构得到改善，从而促进农作物的生长，达到农作物增产的目的。与此同时，在养殖业、造酒业、鲜花的培育方面，电气石材料的应用都十分广泛。
二、电气石功能材料的发展前景
在电气石功能材料的诸多的研究以及应用之中，可以发现这样的现象，在改善环境以及促进各种产品的功能特性方面，电气石有着重要的作用，对我们的生产生活有着重要的意义。但目前为止，我们在电气石功能材料方面的研究和开发仍不够深入，需要我们去进行深层次的开发。
当前，电气石在应用方面仅仅是作为矿物的填料去应用的，虽然在实际的应用方面有一定的用处，也可以发挥出一定的作用，但从整体情况以及电气石的整个功用来看，并没能将其应用在比较高端的技术领域方面，若是可以在高分子的结构制备中将电气石的功能以化学化学键合的方式规则地引入其中，将其进行研究和开发，制造出一些高端的材料，那么在我们的生活中就可以得到更大的应用价值，同时获得更多的经济效益。
目前，我们在电气石的负离子释放方面的机理、抑制细菌消灭细菌方面的机理以及对远红外的辐射性能方面的影响因素等，都需要进行深入的研究，这样才能更好地找出电气石功能材料的结构与性能方面的一些联系。同时，电气石复合的材料在电磁方面的屏蔽以及影响条件的方面还需要得到提升，必须提高电气石功能的复合材料在制备方面的技术水平，在电气石功能的复合性材料的研究和开发应用领域应花费大量的时间和精力去进行研发，提高材料的应用范围。
同时，改性剂在电气石的结构和性能方面的影响方面的研究，在未来电气石材料的发展方面也有着重要的意义。随着人们对电气石的研究的加深，电气石复合型材料在应用方面会越来越广泛，应用的实际效果也会越来越明显。
三、结束语
作为天然的非金属的矿产资源，电气石在复合材料的应用方面是十分重要的，电气石在物理化学方面的独特性，在复合材料的制造和应用中前景十分广泛，对特殊性能、综合性能材料的开发有着十分重要的意义。目前，我国在电气石的复合材料研究方面仍处于比较简单的阶段，没有进行深入的研究，在电气石资源的利用方面也不够充分。鉴于电气石的复合型材料在我们实际的生活中应用是十分有潜力的，我相信，随着人们对电气石材料的深入研究，我国在电气石复合型材料方面的发展一定会更加快速，在应用方面也会更加广泛，推动我国经济的发展。
参考文献：
[1]胡应模，陈旭波，汤明茹.电气石功能复合材料研究进展及前景展望[J].地学前缘，2014，05：331-337.
