功能材料
功能材料是与结构材料相对的另一种材料，它不同于结构材料的以力学性能为基础，用来制造受力构件的。功能材料主要是指在物质的物理、化学性质或生物功能等方面具有特殊性能的一类材料。人们在日常生活中到处可见功能材料的影子：如日光灯管内壁涂有的发光材料；照相胶卷上的感光材料；扩音器话筒和电唱机唱头里装有压电晶体材料。功能材料的不断发展，把人们带入了一个神奇的世界；光电、电声、激光、红外、半导体、超导技术的应用，使上天、入地、千里眼、顺风耳已不再是神话。
功能材料在科学技术中的应用更为广泛。例如，人们习惯上称的“电脑”、“电鼻”、“电眼”、“电耳”、“功能高分子材料”等，就是分别采用记忆、光电、气敏、压电晶体和人工合成材料制成的。
目前，电脑已取代了纸笔的记忆功能，进入了人们的生活、工作中。那么电脑是怎样存贮记忆大量信息的呢？这就要提到电脑的“大脑”——存贮器中的圆环记忆磁芯了。存贮器中有许多这样的记忆磁芯，它们的直径比芝麻粒还小。每粒磁芯能够在电场作用下，互相转化成两种磁化状态。这两种磁化状态分别代表“0”和“1”。如果加正向电流代表“1”，那么反向电流就代表“0”，一个磁环能表示“0”和“1”两种状态。如果有三个磁环组成一串，就能表示八种状态，即：000，001，010，011，100，101，110，111。若用四个磁环，就能表示16个（24=16）状态。许许多多串磁环组成的磁芯体，就能像人的头脑一样，记忆大量数码。可以把信息随时写入存在磁芯体里，要用的时候可让计算机随时“读”出，或通过打字机打印出来。如果不用时去掉也很容易，只要送入一个负电位，磁芯体立刻变成“0”状态，好像写满字的纸瞬间变成了白纸。可见，磁芯体是电脑的核心。而这些磁芯体，正是用功能材料中的氧化铁磁性材料制成的。
德国大诗人歌德曾经说过：“眼睛的存在应当归功于光。”正是由于光的刺激，动物身上的有机物才在亿万年进化的过程中，逐步形成了感光的器官——眼睛。然而，今天人们只花数十年的时间就利用光电材料制成了与人们眼睛功能相似的“光电管”。
19世纪末，人们发现铯、铷、钾、钠等金属内部的电子很不稳定，受到光线照射后，一部分电子会被释放出来，所释放的电子数量与光的强弱成正比，这种现象叫光电效应。如果用一块具有光电效应的金属板和另一导电的金属板组成光电管，并分别加上正负电压。那么，一旦光线照在负极板上，电路中就立即会有电流通过，而电流的大小与光照的强弱成正比。由于光电管能够把光和电联系起来，使光信号变成电信号，因此光电管又称“光电眼”。而铯、铷等金属正是制造光电管最重要的材料。光电管现已广泛用于电视、电影、无线电传真等方面，正为人类造福。
“光电眼”还在信号装置、光度计、照明、自动控制等技术方面，有着广泛应用。例如，用于自动控制炼钢炉温度，由于“光电眼”可以根据炉内光线强弱精确地“算出”温度，自动装置就能够采取相应措施，及时准确地调节炉温；有的“光电眼”不仅对光的强弱很敏感，而且还能识别颜色。生产中如要实现带色图案工作的自动化，可让“光电眼”分辨彩色图案的色泽、亮度和形状，把光电信号输入到电子计算机，“电脑”经过鉴别判断，即可命令机器去完成规定的动作。
“电鼻”的学名叫“气体检漏仪”，是发现危险气体和检查危险气体浓度的仪器。它是怎么“闻”到气味的呢？原来，这个仪器中装有一种金属氧化物材料，叫气敏半导体。由二氧化锡、氯化钯等材料混合烧结制成，它的表面吸附着氧分子。当仪器靠近易燃、易爆气体时，这些气体很容易和氧结合，夺走气敏半导体表面的氧，警报器便发出信号。气体消散后，即可再次使用。
“电鼻”对许多气体反应非常灵敏。例如它能把百万分之一浓度的氢气指示出来；对冷冻机、电冰箱中用的氟利昂，哪怕只有十万分之一的浓度，它就能“闻”出来；对剧毒的一氧化碳，人鼻子闻不出，“电鼻”却很灵敏。目前，“电鼻”能够“闻”出的气味已有40多种，包括苯、染料、油漆、氨、树脂、瓦斯和酸等。它可以很负责地担任气体检漏、浓度测定、报警等工作，在石油、化工、矿山、仓库、环境保护及科学研究等部门很有用处。另外，人们还根据“电鼻”的原理研制出了一种“电子警犬”，它比狗的鼻子还要灵敏1000倍，已开始用于侦缉破案工作。
眼，明察秋毫；耳，能探微音。人的耳朵是灵敏的声音接收器。可是有一种“电耳”要比人耳高明许多倍，它的专业名称叫声纳，是利用超声波在水中进行通信和探测的一种仪器。声纳发射机发出的超声波，碰到水中的物体便被反射回来形成回波，并由接收机接收。根据超声波从发出到返回的时间，声纳便可以发现目标并探测两者之间的距离。
声纳的探测和接收元件，是用一种所谓压电陶瓷制成的。这是一种具有压电特性的陶瓷材料。压电效应是1880年由法国科学家皮埃尔·居里兄弟发现的。他们在研究石英、电石、酒石酸钾钠等晶体的过程中，发现这些晶体在一定温度下受压时会有信号产生；在通电时，又会发生形变。后来，人们便利用这种奇特的压电效应，将机械能转变成电能，或把电能转变成为机械能。如果把电子振荡器产生的几万周的振荡电流加到压电晶体上，使薄片周围的水也随着发生波动，这就是超声波。装有“电耳”的潜水艇就是凭借压电晶体所发出的超声波以及接收的回波，来发现敌舰、水雷、暗礁以及冰山的。
目前，常用的压电陶瓷材料，主要是钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷及以其为基础的三元素陶瓷等。
功能高分子材料是在某领域具有特殊性能的人工合成材料。一部分功能高分子材料的用途已为人们所熟知，占有稳定的市场，如通用塑料等，而另一些独特的功能材料正在扩大使用范围，留给人们深刻的印象，逐步建立起不容置疑的地位，如集成电路用的感光树脂、电子照相用的光导电性树脂、海水淡化用的离子交换树脂、回收废污水中重金属离子的螯合树脂、人造肾脏渗析的中空纤维等。
下面让我们举例说明这些功能高分子材料的重要性。如加有AsF5掺杂剂的聚乙炔和聚苯硫醚都是能导电的塑料，这些聚合物在结构上和一般塑料没有什么不同，但外表看起来却非常像金属，它们的导电性接近于金属铅，所以又称“塑料金属”，因为它们既能导电，又具有重量轻的特点，因此有广泛的用途。美国新研制出的一种塑料蓄电池，就是采用这种塑料做电池的电极，它的体积小、重量轻，可以提供常规铅蓄电池10倍的电力，并且在长期使用过程中不需要维修，充电次数可达1000次以上。还有一个优点，即塑料电池是密封的，不会释放出有害的化学物质和气体污染环境。
选择性吸收高分子功能材料也是功能材料的新秀，它优于碳吸附剂。因为规则的高分子碳化后，具有可控制的选择吸收性，如碳化聚丙烯腈吸附硫醇的能力，比活性碳高10～20倍，用于冷库、空气净化机可以消除臭味；碳化聚乙烯醇具有分子筛的作用，筛目可以控制，能用于分离氧、一氧化碳和氢气等；选择性螯合树脂，能与特定的金属离子形成络合物，可用于工业废水回收有害金属或化工溶液去除金属离子。
生物高分子材料的产量增长很快。例如具有肾脏功能的人工肾脏渗析器由中空纤维或膜组成，年产量达到数百万只；能渗透氧和二氧化碳的人工肺有机硅胶膜，年产量近万只；人造血液（聚乙烯基吡咯烷酮）也有商品供应。
减阻功能高分子材料给许多工业部门带来了福音。例如，在流体中加入某些微量的高分子材料，可使流动阻力大大降低。水中加入25ppm（百万分之）的聚环氧乙烷，就使水管中的阻力下降75％，出水率增加好几倍，可用于灭火水管等方面；在油田开采中加入聚丙烯酰胺和聚丁烯类聚合物，就会使原油易于从岩石缝隙中渗出和在输油管中通过，多出油和减小远程输油中的油量及能量消耗。
保湿功能高分子材料对农业有重要意义，这种用纤维素或淀粉与丙烯酸的接枝共聚物有很强的吸水能力，能吸收自身重量300倍的水分，其中95％可供植物吸收，因此起到了地下小水库的作用。施用保湿剂后，小麦产量可提高15％，大豆产量可提高25％。
有的科学家指出，近年来一场“革命”材料已悄悄地走出实验室而进入了工程界各个领域。这里的“革命”材料实际上是指高分子材料，不久之后，它就会成为无所不在的万能材料了。
大自然的馈赠——木材
从人类钻木取火开始，木材在数千年内成为人类最重要的能源。人类应用木材起始于获取能源。约在新石器向中石器时代过渡时期（约一万年前），人类学会了加工木材，人类学会用木材造船和修筑简单的住所以及制造各种家庭用具。直到最近三四千年，木材作为原材料应用才发展到目前的状况。现在我们在技术和艺术活动中到处可见木材。
木材虽密实，但仍是一种孔隙性有机材料。木材由其细胞构成，细胞壁内的空腔中充有多种不同物质。木材的原始形式，即未经加工的形式，称为原木。木材都是指砍伐后的、长度厚度和质量不同的树木。可见木材既是原料又是材料。木材主要产在经济林中，在一定程度上也来自森林之外（公路、通道旁）。大陆的三分之一有森林覆盖，当然其中有50％的面积不易通行。约有35％的森林面积未加利用，也就是说这种森林的生长无人工影响。世界森林面积只有11％左右属于经济林。人类付出力量经营经济林，以获得木材。木材砍伐分两个阶段，其中又要区别初期利用和最终利用。按森林建设和保障质量的要求，在种植了15～30年以后要进行初次砍伐。以后每隔5～10年重复进行（使森林变稀，初期利用）。到树木完全成熟（不同树种的成熟期介于80～140年之间）为止，整个森林面积上生产的全部木材有40％～60％已经砍伐进行初期利用，其中大部分为较细的木材品种，然后才将余留的树木伐掉（较粗的木材品种）。
从物理上看，木材并不密实，含有大大小小的空腔，因此称之为孔隙体。细胞壁的空腔（毛细管）比细胞的空腔小得多，并在一定程度上充填有水或水汽混合物。木材的这种水分对其强度影响很大。木材的体积密度为300～900公斤每立方米，软木与硬木的界限约为550公斤每立方米，如不考虑空腔，即所谓“净密度”，对木纤维是1600公斤每立方米，对木质素是1400公斤每立方米，对所有树种，可用的平均值为1500公斤/米3。木材像任何孔隙物体一样，吸收空气中的水蒸汽，这就是说有吸湿性。随着空气的温度及湿度的不同，木材总是具有相应的湿度，也就是说，木材和环境空气间总是达到吸湿平衡状态。空气相对湿度为20％时，木材经过一段时间的适应后，湿度达到11％。木材吸水膨胀，反之则收缩。俗话说这是木材在“干活”。其轴向上的膨胀和收缩率大多降低05％，故可以忽略不计；而切向上的长度变化（松树为8％）几乎总是径向上的2倍，但膨胀和收缩只发生在湿度从0％～30％这个范围内，之后就达到所谓纤维饱和状态，停止了这个过程，水分继续增加而膨胀不会继续增加。木材的热延伸性意义不大。木材的磁性能也相当有利，因为用木材制作天线的塔架时，它几乎不影响天线的发射电磁场。木材的声学特性与其他材料有明显区别，因此在制作乐器方面优先得到采用。最典型的例子是声阻力和隔声能力比金属高十倍左右。木材也具有良好的弹性。如果木梁的负荷处于虎克定律范围而距离破断负荷足够远，那么在当负荷解除时，变形几乎完全消失，这是典型的弹性材料性质。当然，木材也像其他材料那样具有屈服现象，即在一定负荷下，变形与时间有关。
木材的强度（在毛密度条件下测出）是突出的，然而，木材允许负荷仅为破断力的10％左右，所有强度特性与木材的水分相关，水分增加，强度下降。例如，水分为50％时，强度为初始值的50％以下。
木材缺点中最甚者，是容易受到寄生的菌类及寄生虫的侵蚀，但可以用某些药剂和其他方法保护木材。
木材的质量和品种的不同，每立方米的价格也不同，我们决不能忽视。森林除了有生产木材的功能以外，还有其他功能。它们对国家文化、环保、水土保护和人类休养的重要性是难以用数字表达的。
目前，我们的地球上有24亿公亩的有用森林（全部森林面积为38亿公亩），可供利用的木材约有3000亿立方米，其中每年约采伐30亿立方米。
从世界范围来看，在天然原料的使用数量方面，木材仅次于煤和石油而居第三位，因而在整个原料经济中占有重要地位。木材同煤、石油及另外一些天然原料（金属矿、矿物）相比，有一个根本性的区别，就是它作为天然高分子聚合物能够不断生长，从而能持久地供人使用。由于气候、供水设施、国家文明及其他原因，地球上可居住地区的森林必须保持一定面积，因此木材生产将持久不断。但木材产量也不能任意提高，因为一棵树从幼树到可砍伐要生长80～140年，而人烟稀少或无人地区的砍伐在经济方面也有一定限度。
谨慎而节约地使用材料的要求无疑也适用于木材，何况木材并不是取之不尽的。根据预测，木材必然发展为化学燃料。这种趋势可能会使木材这种“传统”的原材料将来在材料经济中的地位发生质的变化。
现代工业的钢筋铁骨——金属
在我们日常生活中，经常谈到金属或金属材料。众所周知，铁、铜、铝、金和银是金属，钢是一种金属材料，而且，金属和金属材料的种类繁多，历史悠久。金属由于反射率高，因而有光泽，几乎可以说只有金属才有光泽。金属的重要特征是具有晶体结构。除水银之外，在室温下所有金属均为固体结晶状态。一提到金属，人们就会想到，它具有高强度而且又具有良好变形能力。众所周知，金属具有良好的导电性和导热性。腐蚀现象是金属和金属材料发生化学反应的一种标志。换句话说，这是其不利因素。
比重是划分金属和金属材料的一个重要标准。轻金属和轻金属合金，比重一般低于44克每立方厘米；重金属和重金属合金，比重高于44克每立方厘米，工业中最重要的轻金属是铝、镁及其合金；最重要的重金属包括铜、铅、锌和锡以及以这些金属为基础所组成的合金。在二者之间，还有钛，一般把钛划归轻金属。
