第三講新材料

1、第三章 新材料技術(shù) 材料是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代化文明社會(huì)的重要支柱。能源、材料、信息是現(xiàn)代社會(huì)的三大要素。材料是骨架，能源是血液，信息是神經(jīng)。 材料是社會(huì)生產(chǎn)力的標(biāo)志，是人類文明的里程碑石器原始社會(huì)青銅奴隸社會(huì)鐵器封建社會(huì)鋼鐵資本主義社會(huì)、工業(yè)社會(huì)新材料信息社會(huì)、后工業(yè)社會(huì) 材料科學(xué)技術(shù)是研究材料的組成、性質(zhì)、性能、制備工藝和用途的應(yīng)用性科學(xué)技術(shù)。 材料分類 1、按形成方式：天然材料、人工材料 2、按發(fā)展歷史：傳統(tǒng)材料、新材料 3、按用途性能：結(jié)構(gòu)材料（力學(xué)性質(zhì)） 功能材料（光、電、磁、熱等性能）4、按化學(xué)組成：金屬材料 黑色金屬和有色金屬 黑色金屬有鐵、鉻、錳 有色金屬有鉀、鈉、

2、銅、金、銀 無機(jī)非金屬材料 陶瓷、水泥、玻璃有機(jī)高分子材料 天然有機(jī)和人工合成（分子量大于10000）復(fù)合材料第一節(jié) 金屬材料 1、黑色金屬 8高溫合金 2、稀土金屬 9防震合金 3、輕合金 4、超塑合金 5、記憶合金 6、貯氫合金 7、快速冷凝金屬（金屬玻璃）1、黑色金屬 鐵、錳、鉻及以其為基的合金統(tǒng)稱為黑色金屬。 含C量大于2% 生鐵 含C量0.04%2 % 鋼 其中可加錳、鉬、鈦、鎳、鉻等 含C量0.03%0.04% 熟鐵 塑性好2、稀土金屬 鈧、釔和鑭系（原子量5771）共17種元素總稱為稀土元素?；瘜W(xué)活性強(qiáng)、物理性能差異大。3、輕合金 鋰的密度是0.53g/cm，是鋁的1/5。鋰在鎂

3、、鋁中溶解度高，易形成合金。1924年，德國(guó)制得AlLi1957年，美國(guó)把AlLi用于飛機(jī)蒙皮，減重6%1971年，美國(guó)制得 AlMgLiZr現(xiàn)今美國(guó)制得AlMgLi、AlCuLi、 AlCuLiMg三個(gè)系列，可用于航空航天材料。 這種合金具有抗輻射、耐低溫性能。4、超塑合金 金屬合金在特定的情況下可以象麥芽糖一樣在外力作用下發(fā)生粘滯性變形，達(dá)到非常大的變形量而不破裂，這就是金屬合金的超塑現(xiàn)象。處于超塑性狀態(tài)的合金，其變形抵抗力較小，但延伸率卻很高，可達(dá)到百分之幾千。5、形狀記憶合金 1962年，美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室在鈦鎳合金中發(fā)現(xiàn)了“形狀記憶效應(yīng)”，即合金在一定條件下，雖然發(fā)生變形，但是仍然能

4、夠恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。稱其為鎳鈦諾爾（Nitinol)。 特點(diǎn)：變形可以非常大（1/10） 目前發(fā)現(xiàn)這種合金已有幾十種之多。合金的這種奇異效應(yīng)是由合金微觀結(jié)構(gòu)固有的變化規(guī)律所決定的。形狀記憶合金6、貯氫合金 能在通常條件下大量吸收，放出氫氣的合金。如鐵鈦、鈦錳、鎂鎳、鑭鎳。7、快速冷凝金屬 包括非晶態(tài)金屬、微晶和單晶金屬非晶態(tài)金屬是指液態(tài)金屬急冷（冷凝106度/秒）使原子無規(guī)則排列而得到的金屬。 8 高溫合金 渦輪葉片 超過1000度 鎳 鈷 9 防震合金 高韌性的基體 嵌在基體中的柔軟顆粒 交界面容易產(chǎn)生變形 降噪340 分貝第二節(jié) 陶瓷材料 陶瓷材料是人類最早利用自然界所提供的原材

5、料制造而成的材料，它的研究歷史經(jīng)歷了三次飛躍：傳統(tǒng)陶瓷、先進(jìn)陶瓷和納米陶瓷。 傳統(tǒng)陶瓷：黏土、石英等無機(jī)非金屬天然礦物 為原料 特殊陶瓷：合成的化學(xué)原料，經(jīng)特殊工藝合成 的原料 先進(jìn)陶瓷按功能和用途可分為兩類：結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷發(fā)揮其機(jī)械、熱、化學(xué)等功能，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的特性。功能陶瓷指那些利用其電、磁、聲、光、熱等性質(zhì)或其耦合效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)某種使用功能的先進(jìn)陶瓷。 特種陶瓷有熱壓鑄、熱壓、靜壓及氣相沉積等多種成型方法。 這些陶瓷由于其化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)及性能不同于普通陶瓷，故稱為特種陶瓷或高技術(shù)陶瓷，在日本稱為精細(xì)陶瓷。 特種陶瓷不同的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)決定了它不同的特殊性

6、質(zhì)和功能，如高強(qiáng) 度、高硬度、高韌性、耐腐蝕、導(dǎo)電、絕緣、磁性、透光、半導(dǎo)體以及壓電、光電、電光、聲光、磁光等。 由于性能特殊，這類陶瓷可作為工程結(jié)構(gòu)材料和功能材料應(yīng)用于機(jī)械、電子、化工、冶煉、能源、醫(yī)學(xué)、激光、核反應(yīng)、宇航等方面。 一、國(guó)外特種陶瓷的發(fā)展及新動(dòng)向 1.生產(chǎn)工藝技術(shù)方面的新進(jìn)展 （1）在粉末制備方面，目前最引人注目的是超高溫技術(shù)。 （2）在成型及燒結(jié)方面，熱等靜壓法最為引人注目。 （3）在特種陶瓷的精密加工方面，真空擴(kuò)散焊接法是一種最有前途的方 法。 2.應(yīng)用方面的新發(fā)展 特種陶瓷由于擁有眾多優(yōu)異性能，因而用途廣泛。現(xiàn)按材料的性能及種類簡(jiǎn)要說明。 （1）耐熱性能優(yōu)良的特種陶瓷可

7、望作為超高溫材料用于原子 能有關(guān)的高溫結(jié)構(gòu)材料、高溫電極材料等。 （2）隔熱性優(yōu)良的特種陶瓷可作為新的高溫隔熱材料，用于高 溫加熱爐、熱處理爐、高溫反應(yīng)容器、核反應(yīng)堆等。 （3）導(dǎo)熱性優(yōu)良的特種陶瓷極有希望用作內(nèi)部裝有大規(guī)模集 成電路和超大規(guī)模集成電路電子器件的散熱片。 （4）耐磨性優(yōu)良的硬質(zhì)特種陶瓷用途廣泛，目前的工作主要是集中在軸承、切削刀具方面。 （5）高強(qiáng)度的陶瓷可用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器、葉片、渦輪、套管等;在加工機(jī)械上可用于機(jī)床身、軸承、燃燒噴嘴等。目前，這方面的工作開展得較多，許多國(guó)家如美國(guó)、日本、德國(guó)等都投入了大量的人力和物力，試圖取得領(lǐng)先地位。這類陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化鋁

8、、氧化鋯等。 （6）具有潤(rùn)滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼極為引人注目，目前國(guó)外正在加緊研究。 （7）生物陶瓷方面目前正在進(jìn)行將氧化鋁、磷石炭等用作人工牙齒、人工骨、人工關(guān)節(jié)等研究，這方面的應(yīng)用引起人們極大關(guān)注。 3.今后研究與開發(fā)的重點(diǎn) （1）特種陶瓷基礎(chǔ)技術(shù)的研究，例如燒結(jié)機(jī)理、檢測(cè)技術(shù)和粉末制備技術(shù)等; （2）超導(dǎo)陶瓷的研究; （3）特種陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法，因而許多國(guó)家都把它作為一項(xiàng)主要內(nèi)容而加以研究; （4）陶瓷的纖維化是研制隔熱材料、復(fù)合增強(qiáng)材料等的重要基礎(chǔ)，目前國(guó)外，尤其是日本對(duì)陶瓷纖維及晶須增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料的研究極為重視，其研究主要集中于碳化硅及氮化硅; （5

9、）多孔陶瓷由于具有特殊結(jié)構(gòu)，所以引起了各界的重視; （6）陶瓷與陶瓷或陶瓷與其他材料復(fù)合（陶瓷纖維增強(qiáng)陶瓷，陶瓷纖維增強(qiáng)金屬）問題也是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)。 （7）在非氮化物陶瓷中，目前國(guó)外研究最多的是陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)， 高壓熱交換器及陶瓷刀具等; （8）隨著生物化學(xué)，生物醫(yī)學(xué)這些新興學(xué)科的發(fā)展，生物陶瓷的開發(fā)研究也變得越來越重要。 二、國(guó)內(nèi)特種陶瓷產(chǎn)業(yè)概況及材料發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)目前特陶行業(yè)特點(diǎn)是:在材料開發(fā)上具有一定能力，水平較高，但要低成本、高效地將優(yōu)質(zhì)材料大批量制造成優(yōu)質(zhì)的商品，則缺乏必要的先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和管理水平，這也與全國(guó)整體基礎(chǔ)工 業(yè)水平較為落后有關(guān)。因而，目前世界最先進(jìn)的超高利潤(rùn)的特陶產(chǎn)品我

10、們未能占領(lǐng)市場(chǎng)，許多電子整機(jī)中的電子陶瓷元件仍需大量進(jìn)口，如手機(jī)中使用的片式壓電陶瓷濾波器，市場(chǎng)很大，但全是進(jìn)口。 影響我國(guó)特陶發(fā)展的重要因素之一是特陶粉體 （ 原材料 ） 的生產(chǎn)加工落后，體現(xiàn)在專用粉體生產(chǎn)缺乏，產(chǎn)量低，質(zhì)量穩(wěn)定性差，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，因而目前許多生產(chǎn)線所需原材料必須從國(guó)外進(jìn)口?？梢哉f這是我國(guó)特陶發(fā)展的一個(gè)“ 瓶 頸 ” 。 根據(jù)國(guó)家新材料技術(shù)發(fā)展綱要，我國(guó)今后高性能陶瓷發(fā)展規(guī)劃包括下列8個(gè)方面: （1） 超純超細(xì)粉末原料的制備技術(shù)，批量和工業(yè)生產(chǎn)裝備的 研制; （2） 高性能陶瓷特殊成型、燒結(jié)、精密加工、涂層纖維增強(qiáng)復(fù)合技術(shù)和工藝裝備的研制; （3） 脆性材

11、料評(píng)價(jià)技術(shù)、無損檢測(cè)、破壞準(zhǔn)則及燒結(jié)、復(fù)合機(jī)理; （4） 高溫工程陶瓷:包括陶瓷無冷機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、高溫密封閥、軸承、泵、風(fēng)機(jī)、煉鋼機(jī)械、輥道等的研制; （5） 敏感陶瓷與電子陶瓷，如各種氣敏、熱敏、光敏、聲敏、壓敏等敏感元件，高導(dǎo)熱高絕緣基板及磁性材料等的研制; （6） 光學(xué)功能 （ 如透光、偏光、集光、熒光等 ） 陶瓷和光電、光磁、非線性光學(xué)陶瓷的研制; （7） 化學(xué)功能 （ 如耐腐蝕、催化劑及其載體、燃料電池、離子交換、吸附劑等 ） 陶瓷的研制; （8） 生物功能 （ 如具有生物活性和親和性的人工骨、牙齒、心瓣膜等 ） 及固體酶載體陶瓷的研究、試劑及系列化生產(chǎn)并用于醫(yī)療臨床實(shí)踐或工業(yè)化應(yīng)用

12、等。第三節(jié) 高分子材料 高分子材料具有重量輕、容易加工等特點(diǎn) 包括 天然高分子材料 人工合成高分子材料 1、塑料 具有可塑性，即在一定溫度和壓力下受到外力時(shí)可以產(chǎn)生形變，而外力去除后仍能保持受力時(shí)的形狀。 現(xiàn)在的塑料有三、四十大類，300多個(gè)品種。按其熱性能可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。顧名思義，前者的特點(diǎn)是遇熱會(huì)軟化或熔化，產(chǎn)生熱塑料，冷卻后又會(huì)變硬;而熱固性塑料是在一定條件下起化學(xué)反應(yīng)后，形成固化塑料，再不能軟化或熔化。 通用塑料 工程塑料（可承受一定的外力載荷，具有良好的機(jī)械性能，有較寬的使用溫度范圍，能經(jīng)受比較苛刻的物理和化學(xué)環(huán)境） 特種工程塑料（性能更優(yōu)異，可在150度以上使用

13、） 通用塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。通用塑料的產(chǎn)量較大，占塑料總產(chǎn)量的80%以上。它們共同的特點(diǎn)是價(jià)格低、用途廣，可制成生活用品、一般零 件和包裝材料，以代替紙和木材，并部分代替金屬。 工程塑料是指機(jī)械性能好，可以代替金屬制造機(jī)械零件，并且能在一些特殊環(huán)境，如高溫、低溫、腐蝕、大載荷條件下長(zhǎng)期工作的工程材料的一類塑料。工程塑料的出現(xiàn)是20世紀(jì)60年代塑料應(yīng)用方面的重大突破，它既可用作電工器材，又可應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)，作鋼鐵和有色金屬的代用品。廣泛使用工程塑料的工業(yè)部門包括:機(jī)械制造、電子、化工、汽車、飛機(jī)、制造、原子能和建筑等 從20世紀(jì)70年代中期開始，又逐

14、漸從工程塑料中分出高性能工程塑料。高性能工程塑料包括聚芳醚、聚芳砜、聚芳酯、聚芳雜環(huán)類、聚芳酰胺、聚對(duì)二甲苯、含氟材料等。2、合成橡膠具有高彈性，即在很小的作用力下能產(chǎn)生很大的形變（500%1000%），外力去除后形變能恢復(fù)。合成橡膠問世已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。在20世紀(jì)20年代，人們首先合成了丁二烯橡膠，它具有很高的彈性和耐寒性，到了30年代，合成橡膠工業(yè)蓬勃發(fā)展。目前，合成橡膠的數(shù)量和性能都大大超過了天然橡膠。 在通用合成橡膠中，最常用的有丁苯、丁基、氯丁、丁腈橡膠等，它們都可以代替天然橡膠制成日常橡膠制品如輪胎、救生艇、密封件、電纜、軟管和油箱等。丁苯橡膠在合成橡膠中產(chǎn)量最高，主要用于制造

15、汽車和飛機(jī)輪胎等;氯丁橡膠彈性和加工性好，可制造密封件和減震零件;丁腈橡膠具有耐熱、耐油和耐老化的特點(diǎn)，可制作耐油膠管和油箱。 特種合成橡膠在國(guó)防尖端工業(yè)中起著重要作用，它們產(chǎn)量不大但品種繁多，包括乙丙橡膠、異戊橡膠、聚硫橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚氨酯橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、丙烯酸橡膠、氯醇橡膠等。 膠粘劑和涂料也是有機(jī)高分子化合物的重要應(yīng)用領(lǐng)域，在許多新型機(jī)械、電工和電子產(chǎn)品中都離不開它們。各種膠粘劑不僅可用于木材、皮革、紡織品、塑料、玻璃、陶瓷自身和相互間的膠接，還適用于金屬自身和與上述材料相互間的膠接，甚至在醫(yī)學(xué)上劃破的傷口、人工骨與天然骨之間也采用了膠接。 三、合成纖維 合成纖維是以煤、

16、石油、天然氣、水、空氣、食鹽、石灰石等為原料，經(jīng)化學(xué)處理制成的人工纖維。20世紀(jì)70年代合成纖維的年產(chǎn)量已占世界纖維總產(chǎn)量的一半。合成纖維的主要品種有:綿綸（聚酰胺）、腈綸（聚丙烯腈）、滌綸（聚酯）、維綸（聚乙烯醇）、丙綸（聚丙烯）和氯綸（聚氯乙烯）等6種，其中前3種產(chǎn)量最大，占整個(gè)合成纖維產(chǎn)量的90%。它們都具有強(qiáng)度高、耐磨、比重小、彈性大、防蛀、防霉等優(yōu)點(diǎn)。除做衣服以外，在工業(yè)或其他方面也很有用處。它們共同的缺點(diǎn)是吸濕性和耐熱性較差，染色比較困難。 在尖端工業(yè)中起作用的是特種合成纖維，它們的產(chǎn)量不大，品種卻不下數(shù)十種，它們具有特殊的物理、機(jī)械性能，是天然纖維和通用合成纖維無法達(dá)到的。 與“

17、塑料王”氟塑料源出一家的氟綸（聚四氟乙烯），在各種酸堿介質(zhì)中耐腐蝕性最好，還可耐250左右的高溫，并保持良好的絕緣性，在原子能、航空和化學(xué)工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。 號(hào)稱“合成的鋼絲”的芳綸（芳香族聚酰胺）在20世紀(jì)60年代就打入航空和航天領(lǐng)域，是目前有機(jī)合成纖維中強(qiáng)度最大、產(chǎn)量最高的纖維。比強(qiáng)度（同樣重量材料得到的強(qiáng)度）是鋼絲的5倍，用手指粗的芳綸繩就可以吊起兩輛大卡車!有的品種可以在260高溫下連續(xù)使用上百小時(shí)。在飛機(jī)上，芳綸被制成降落傘、機(jī)輪簾布、電絕緣和過濾結(jié)構(gòu)，或作為增強(qiáng)纖維用于復(fù)合材料框架、桁條和艙門等;在航天飛機(jī)上，芳綸氈毯用于再返大氣層時(shí)的熱防護(hù);宇航員穿的宇航服中有氟綸防火保暖

18、層和芳綸防輻射及防流星層。 芳綸堅(jiān)韌耐磨，剛?cè)峒鎮(zhèn)?，現(xiàn)在又發(fā)展成最有希望的防彈材料。過去的防彈材料主要是防彈鋁板和鋼板，都比較笨重，使用起來不靈活?，F(xiàn)在用芳綸編織的防彈背心重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、層數(shù)多、防護(hù)力強(qiáng)，適合于警察和公安人員日常穿用。士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上感到威脅最大的是彈片和散彈，穿上一種內(nèi)襯陶瓷板的芳綸避彈衣，就可以保證肺、胸、脊骨等重要部位的安全。芳綸編織層能吸收彈丸60%的能量，陶瓷板能使彈丸偏離或碰掉。由80%芳綸纖維20%樹脂制成的“鋼”盔，在與真正鋼盔重量大致相等的情況下，安全性提高了兩倍以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，芳綸防彈衣和鋼盔最少能防護(hù)人的60%70%關(guān)鍵部位，使傷亡人數(shù)至少降低1/3。 四、

19、高分子材料技術(shù)的創(chuàng)新研究 1.高分子材料的化學(xué)合成 多品種的合成高分子材料雖然體現(xiàn)了多用途的使用價(jià)值，但卻增加了材料合成與制備的復(fù)雜性和材料回收再利用的難度。因?yàn)椴煌贩N的高分子材料是由不同的原料單體采用不同的合成技術(shù)制得的，要采用不同的技術(shù)進(jìn)行分類后才能回收再利用。如果能開發(fā)一種化學(xué)合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)的調(diào)控，達(dá)到由一種或有限的幾種原料單體，制得具備不同性質(zhì)、滿足多種需求的高分子材料，顯然是很有挑戰(zhàn)意義的。這和鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)提出的“一鋼多能”一樣，對(duì)通用高分子材料的更新?lián)Q代有戰(zhàn)略意義。 2.高分子材料的物理合成 高分子材料的作用和功能的發(fā)揮，不僅取決于化學(xué)合成形成的分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)

20、，還取決于分子鏈間的非化學(xué)成鍵的相互作用的支撐和協(xié)調(diào)。分子鏈間的非化學(xué)成鍵的相互作用的形成，可以通過所謂的物理合成方法來實(shí)現(xiàn)。利用外場(chǎng)的物理作用，在確定的空間或環(huán)境中像搬運(yùn)積木塊一樣地移動(dòng)分子鏈，采用自組合、自合成或自組裝等方法，靠分子鏈間的相互作用，構(gòu)建具有特殊結(jié)構(gòu)形態(tài)的分子鏈聚集體。如果再在分子鏈聚集體中引發(fā)化學(xué) 成鍵，則能得到具有高度準(zhǔn)確的多級(jí)結(jié)構(gòu)的高分子材料。這種物理合成的方法對(duì)獲得大面積高分子功能薄膜材料和器件很有意義。 3.高分子材料的仿生合成和生命活性化 日光、二氧化碳和水經(jīng)過植物的“合成”，成為可以使用的高分子材料（如天然橡膠等）。柔蠶將桑葉“合成”蠶絲，蜘蛛將體液“合成”蜘蛛

21、網(wǎng)，可以得到別具特色的纖維材料。自然界中生物體的這種活性反應(yīng)器和活性催化劑的功能和作用，正是高分子材料的仿 生合成可借鑒之處。傳遞著所有生命過程的生物大分子，與合成高分子一樣都是長(zhǎng)鏈分子，但由于難以在合成高分子的分子鏈上接上確定的序列結(jié)構(gòu)，難以形成精確的鏈折疊和鏈間組裝，合成高分子表現(xiàn)不出生命活性。生命大分子結(jié)構(gòu)的精確、活性的專一和功能的多元，對(duì)合成高分子材料的生物應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。合成高分子材料與生物工程學(xué)和生命科學(xué)的結(jié)合，不僅能開發(fā)出更多生物醫(yī)用高分子材料，還能制備出與生物高分子一樣精確的序列結(jié)構(gòu)，組裝成類似細(xì)胞那樣能控制生命過程的生物活性合成高分子材料，也能得到連接細(xì)胞與計(jì)算機(jī)、溝通生命與

22、信息的合成高分子材料。 4.高分子材料的成型加工 高分子材料的最終使用形式是高分子材料制品，而高分子材料制品的性能與其成型加工過程息息相關(guān)。成型加工技術(shù)不僅要適應(yīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)不斷變化的各種新型高分子材料的出現(xiàn)，不僅要通過成型加工，在材料制品中實(shí)現(xiàn)甚至優(yōu)化體現(xiàn)材料性能的分子聚集架構(gòu)，還要發(fā)展諸如在工程學(xué)層次上操縱分子鏈進(jìn)行高分子材料成型加工的新技術(shù)，這是納米材料規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。注意發(fā)展在材料表面引人分子、納米粒子的超臨界流體溶脹技術(shù)，制備分子鏈有序排列的大面積高分子光電功能薄膜或納米纖維的外場(chǎng)輔助制膜成纖技術(shù)，適用于超分子體系制備的成型加工技術(shù)，以 及計(jì)算模擬技術(shù)在成型加工中的應(yīng)用等技術(shù)，是很

23、有戰(zhàn)略意義的。 5.高分子材料的智能化 材料的智能化是未來各類材料發(fā)展的一個(gè)方向。智能化是指材料的作用和功能可隨外界條件的變化而有意識(shí)的調(diào)節(jié)、修飾和修復(fù)。高分子材料中長(zhǎng)鏈分子的豐富構(gòu)象變化及較弱的分子相互作用，賦予高分子材料以自適應(yīng)性。高分子表現(xiàn)出的其結(jié)構(gòu)、作用和功能隨外界環(huán)境而變化的軟物質(zhì)特征，是高分子材料作為 智能材料應(yīng)用的基礎(chǔ)。已經(jīng)知道無論是最大的力學(xué)載荷的傳遞，還是最快的功能信號(hào)的傳遞，都是沿著高分子的鏈軸方向，因此，了解和掌握外場(chǎng)存在下分子鏈的取向和聚集，實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)方向與分子鏈取向和聚集的同步變化（即當(dāng)根據(jù)需要調(diào)節(jié)外場(chǎng)方向和強(qiáng)度時(shí)，分子鏈的取向方向和聚集層次也可以隨之變化），則能在不同

24、方向和不同層次上調(diào)節(jié)和發(fā)揮高分子材料的功能和性質(zhì)，使其表現(xiàn)出智能性。 五、我國(guó)高分子材料產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展 1.改善高分子材料對(duì)資源的依賴 當(dāng)代合成高分子材料主要依賴石油這種化石資源。石油的生成是一個(gè)漫長(zhǎng)的地質(zhì)過程，石油資源正日益減少而又無法及時(shí)再生，因此，有必要尋找可以替代石油的其他資源來作為合成高分子材料的原料來源。解決的途徑可以是天然高分子的利用，也可以探索無機(jī)高分子材料的合成。結(jié)合基因工程的方法，促使植物產(chǎn)生出更多的可直接利用的天然高分子，或可供合成高分子材料需要的原料單體。無機(jī)高分子泛指主鏈原子是除碳以外的其他原形成的長(zhǎng)鏈分子。無機(jī)高分子的原料來源豐富且多樣，已知約有四五十種無機(jī)元素可以

25、形成長(zhǎng)鏈分子。如地球上儲(chǔ)量最豐富的硅元素，可以合成得到主鏈全部是硅原子且具有有機(jī)側(cè)鏈的聚硅烷材料。這種聚硅烷既可用作結(jié)構(gòu)材料又可用作功能材料，還可以制得氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷材料。 2.加強(qiáng)高分子材料與環(huán)境的協(xié)調(diào) 合成高分子材料的生產(chǎn)要盡可能實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)過程，高分子材料的應(yīng)用要體現(xiàn)綠色材料的概念。研究高分子材料的環(huán)境同化，強(qiáng)化環(huán)境友好的特征，實(shí)現(xiàn)高分子材料的生物降解、無害焚燒或循環(huán)再生。增加高分子材料的循環(huán)和再生使用的價(jià)值和效率，減少對(duì)環(huán)境的污染乃至用高分子材料治理環(huán)境污染。探索化學(xué)合成、物理合成或仿生合成的新概念、新方法，利用植物或微生物比如生物催化劑或菌種，進(jìn)行有實(shí)用價(jià)值的高分子的合成，在環(huán)境友好

26、的水或二氧化碳等化學(xué)介質(zhì)中進(jìn)行合成，甚至利用日光、二氧化碳和水合成高分子材料等等。研究高分子材料與生態(tài)環(huán)境的相互影響，實(shí)現(xiàn)高分子材料與生態(tài)環(huán)境的和諧等。 3.政府組織，應(yīng)對(duì)國(guó)家需求 對(duì)于國(guó)家急需而又短缺的材料，例如碳纖維材料，在充分論證的基礎(chǔ)上，要由政府組織采取國(guó)家行為進(jìn)行一體化的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。為保證這類國(guó)家行為行之有效，一是可行性要有充分論證，二是要保護(hù)參與國(guó)家行為的人員的積極性。這類政府組織的工作，有許多在科學(xué)技術(shù)方面是硬骨頭，個(gè)人決定是否參與的一個(gè)重要因素是考慮科學(xué)技術(shù)上的難度和可行性。在當(dāng)今較注重個(gè)人績(jī)效與個(gè)人利益掛鉤的大環(huán)境下，保護(hù)參與者的積極性，顯然是政 府組織的國(guó)家攻關(guān)工作

27、要考慮的問題。 4.企業(yè)為主，提高高新技術(shù)含量 實(shí)現(xiàn)由材料大國(guó)到材料強(qiáng)國(guó)的跨越，提高傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量至關(guān)重要。如我國(guó)通用聚烯烴材料的專用牌號(hào)的質(zhì)量問題亟待改進(jìn)，雖有各種形式的研究開發(fā)活動(dòng)得到了若干改進(jìn)技術(shù)，但 只有通過企業(yè)的工業(yè)化驗(yàn)證才能發(fā)揮作用，只有盡可能多的企業(yè)采用，這些技術(shù)才能形成生產(chǎn)力。這就需要企業(yè)集團(tuán)進(jìn)行組織協(xié)調(diào)和所有相關(guān)企業(yè)自覺參與。 5.開辟新型材料產(chǎn)業(yè) 新興的信息產(chǎn)業(yè)和生物技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要新型材料予以支 撐。先進(jìn)高分子結(jié)構(gòu)材料、光電高分子材料、高分子光通訊材料、生物高分子材料和高分子材料智能系統(tǒng)等新型材料的研發(fā)，需要不同領(lǐng)域的知識(shí)交叉，需要不同行業(yè)的技術(shù)交流，因而

28、是最可能由新人形成的嶄新產(chǎn)業(yè)。不拘一格的用人、寬松平等的學(xué)術(shù)氛圍、公平公正的產(chǎn)業(yè)政策等，是新型材料百花齊放的關(guān)鍵。當(dāng)代材料領(lǐng)域的科技研究和產(chǎn)業(yè)開發(fā)具有以下特點(diǎn):傳統(tǒng)材料（鋼鐵、陶瓷和有機(jī)高分子）之間的界限變得越來越模糊而融合變得更明顯，如無機(jī)高分子材料和有機(jī)/無機(jī)雜化材料的應(yīng)用等;通用材料與功能材料之間的相互滲透越來越明顯，更多的通用材料會(huì)同時(shí)具有某些功能特性，而功能材料也會(huì)顯現(xiàn)通用性;材料中原子和分子組合配置的精確設(shè)計(jì)和精確制備，以及納米尺度上其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的觀察和測(cè)量變得更重要，如化學(xué)制備智能材料、生命 材料和單分子薄膜器件等;材料的傳統(tǒng)研究方法與當(dāng)代信息社會(huì) 提供的新技術(shù)的結(jié)合變得更為必要

29、，如計(jì)算材料科學(xué)等。這些特點(diǎn)表明一個(gè)材料發(fā)展的新時(shí)代已經(jīng)到來。第四節(jié) 先進(jìn)復(fù)合材料 基體 復(fù)合材料 增強(qiáng)材料 按基體不同可分為以下幾種： 1、高聚物基（樹脂基）復(fù)合材料 2、陶瓷基復(fù)合材料 3、金屬基復(fù)合材料 1.玻璃鋼 玻璃鋼是人們熟悉的一種多用途的復(fù)合材料，它的學(xué)名叫玻璃纖維增強(qiáng)塑料，誕生于20世紀(jì)30年代。人們發(fā)現(xiàn)玻璃原來很脆，但拉成纖維后柔軟如絲，可以像棉紗一樣紡織。玻璃纖維愈細(xì)，強(qiáng)度愈高。玻璃網(wǎng)所用的增強(qiáng)纖維直徑為59微米，只有頭發(fā)的十幾分之一，但單絲的拉伸強(qiáng)度高達(dá)100300公斤每平方毫米，比天然纖維和化學(xué)纖維高510倍，比高強(qiáng)度鋼高12倍。 2.人造大理石和塑料混凝土 20世紀(jì)7

30、0年代以來，傳統(tǒng)的建筑材料也發(fā)生了很大的變化。以合成樹脂為粘接劑，加入各種填料的人造大理石和塑料混凝土異軍突起，迅速打入高層建筑和豪華的賓館中。人造大理石色澤鮮明，紋理清晰，在外觀和性能上與天然大理石相似，而價(jià)格只有它的1/51/2，特別是一些異型制品，如浴盆和洗面池等，使用人造大理石的優(yōu)點(diǎn)更為突出。人造大理石是在聚酯樹脂中加入粉末填料，如碳酸鈣、氧化鋁、石英砂、玻璃粉和天然大理石粉等混合澆 注而成。為了追求色澤和花紋的美觀典雅，還可以加入各種顏料，如二氧化鈦、三氧化二鐵等。 3.碳纖維復(fù)合材料 碳纖維是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的另一種新型增強(qiáng)纖維。 碳纖維的誕生是在百年之前，直到人們?cè)趯で髲?fù)

31、合材料的新增強(qiáng)纖維時(shí)才想到它?，F(xiàn)代的碳纖維是以聚丙烯腈、人造絲或木質(zhì)素為原絲，在高溫分解和碳化后得到的，具有強(qiáng)度高、重量輕、比重小、剛性好、抵抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是現(xiàn)代良好的復(fù)合材料。 碳碳復(fù)合材料是一種性能特殊的復(fù)合材料，它是由多孔碳素基體和埋在其中的碳纖維骨架組成的。在極高的溫度下，仍有可以抵抗腐蝕性介質(zhì)的作用，保持很高的強(qiáng)度。它的耐熱、耐腐蝕性也十分優(yōu)異，因而是一種高溫結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)的理想材料。在所有的復(fù)合材料中，它的工作溫度居第一位。它用于制造先進(jìn)飛機(jī)的剎車盤，以代替過去用的鋼和燒結(jié)材料，可以減重60%左右，提高壽命23倍。首先采用碳碳剎車盤的為A310“空中公共汽車”旅客機(jī)，減重400

32、公斤以上。在火箭和航天飛機(jī)上，碳碳復(fù)合材料用于受熱最高的再返大氣層頭錐、前緣、熱屏蔽、激光屏蔽和火箭噴嘴等部位。 在修復(fù)醫(yī)學(xué)上，碳碳人工骨和人工關(guān)節(jié)已被植入人體，其密度、強(qiáng)度和生物相容性都比金屬件和陶瓷件優(yōu)越。 在民用工業(yè)中，使用碳纖維最多的是汽車和運(yùn)動(dòng)器具。 二、金屬基復(fù)合材料 與非金屬基復(fù)合材料相比，金屬基復(fù)合材料的潛力尚未充分發(fā)揮，應(yīng)用面比較窄，成熟的品種很少。這種情況一直到20世紀(jì)70年代中期才略有好轉(zhuǎn)。1974年美國(guó)材料咨詢局第一次肯定了研制和使用金屬基復(fù)合材料的正確性，表示對(duì)這項(xiàng)工作要重視和支持。這主要是航空、航天、能源工業(yè)的發(fā)展提出的一系列嚴(yán)格的要求，只有依賴金屬基復(fù)合材料和精陶

33、瓷才能夠解決。金屬基復(fù)合材料所用的增強(qiáng)劑除了石墨、硼（硼硅克）纖維外，還有高強(qiáng)度鋼線、高熔點(diǎn)合金絲（鎢、鉬）和晶須（氧化鋁、碳化硅）等。這些纖維分別用來與鋁、鎂、鈦、銅和鎳鈷基高溫合金組成復(fù)合材料。 我國(guó)復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點(diǎn)問題。 1.復(fù)合材料創(chuàng)新 2.聚丙烯腈基纖維發(fā)展 3.玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整 4.開發(fā)能源、交通用復(fù)合材料市場(chǎng) 5.纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用 6.復(fù)合材料綜合處理與再生 第五節(jié) 電子材料與光電子材料 一、電子材料 電子材料是指在電子技術(shù)和微電子技術(shù)中使用的材料，包括半導(dǎo)體材料、介電材料、壓電及鐵電材料、磁性材料、某些金屬材料、高分子材料及其他相關(guān)材料，其中最重

34、要的是半導(dǎo)體材料。 在人類社會(huì)的發(fā)展中，沒有一種材料像半導(dǎo)體那樣會(huì)如此迅速地推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。半導(dǎo)體是劃時(shí)代的材料，它使社會(huì)發(fā)展從工業(yè)時(shí)代進(jìn)入信息時(shí)代 第一代的半導(dǎo)體材料以硅（包括鍺）材料為主 第二代化合物半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）為代表的顯示 第三代半導(dǎo)體材料為以氮化物（包括SiC、ZnO等寬禁帶半導(dǎo)體） 其中氮化鎵是最早被利用的、并且是研究得最充分的第三代半導(dǎo)體。 二、光電子材料 光電子信息材料無疑是整個(gè)光電子技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。光電子信息材料包括光源和信息獲取材料、信息傳輸材料、信息存儲(chǔ)材料以及信息處理和運(yùn)算材料等，其中主要是各類光電子半導(dǎo)體材料、各種光纖和薄膜材料、各種

35、液晶顯示材料和電色材料、新型相變和光色存儲(chǔ)材料、光子選通材料、光致折變材料、新型非線性光學(xué)晶體材料等。 1.激光材料 2.光存儲(chǔ)材料 3.光電子控制元件材料 4.光電子集成化材料 5.光導(dǎo)纖維 第六節(jié) 其他新材料技術(shù) 一、納米材料 所謂納米科學(xué)，是人們研究納米尺度 即100納米至0.1納米范圍的物質(zhì)所具有的特異現(xiàn)象和特異功能的科學(xué)，而納米技術(shù)則是指在此基礎(chǔ)之上制造新材料，研究新工藝的方法和手段。納米材料納米材料 納米材料是指在三維空間中至少有一納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍維處于納米尺度范圍(10(10-9-91010-7-7m)m)或由或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。它們

36、作為基本單元構(gòu)成的材料。 納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu) 所謂納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造一種新的體系.納米微粒納米微粒穩(wěn)定的團(tuán)簇穩(wěn)定的團(tuán)簇人造原子人造原子納米管納米管納米棒納米棒納米絲納米絲納米尺寸的孔洞納米尺寸的孔洞() 零維指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等；納米材料納米材料SnO2 () ) 一維一維指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒納米棒、納米管等納米管等；() () 二維二維指在三維空間中有一維在納米尺度，如超指在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜薄膜、多層膜多層膜；超晶格等。超晶格等。 Si-S

37、i3N4 Film 納米材料的奇異性能納米材料的奇異性能 納米材料的特殊性能是由于納米材料納米材料的特殊性能是由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)、表面的特殊結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等其它效應(yīng)，從而具有傳統(tǒng)材料所效應(yīng)等其它效應(yīng)，從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的物理、化學(xué)性能。由于納米材不具備的物理、化學(xué)性能。由于納米材料在磁、熱、光、電、催化、生物等方料在磁、熱、光、電、催化、生物等方面具有奇異的特性，使其在諸多領(lǐng)域有面具有奇異的特性，使其在諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景，并已經(jīng)成為當(dāng)著非常廣泛的應(yīng)用前景，并已經(jīng)成為當(dāng)今世界科技前沿的熱點(diǎn)之一今世界科技前沿的熱點(diǎn)之一。納米材料特殊效應(yīng)原理

38、 表面效應(yīng) ：隨著顆粒直徑變小，比表面積（表面積體積）將會(huì)顯著增大，表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加 。表面原子極易遷移，使顆粒物理性能發(fā)生極大變化。 小尺寸效應(yīng) ：隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。納米材料的奇異特性納米材料的奇異特性 特殊的熱學(xué)性質(zhì) ：固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如金的常規(guī)熔點(diǎn)為10640C ，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327oC左右 。納米材料的奇異特性納米材料的奇異特性 特殊的光學(xué)性質(zhì) ：超微顆粒對(duì)光的反射率很低，

39、通?？傻陀趌，利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。 納米材料的奇異特性納米材料的奇異特性 特殊的磁學(xué)性質(zhì) ：人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng) 。超微顆粒磁性與大塊材料顯著不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍。據(jù)此已作成高貯存密度的磁記錄磁粉 。納米材料的奇異特性納米材料的奇異特性 特殊的力學(xué)性質(zhì) ：陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆

40、粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性 。 奇異性能實(shí)例奇異性能實(shí)例納米材料家族的重要成員納米材料家族的重要成員- -碳碳 碳納米管多種優(yōu)異性能碳納米管多種優(yōu)異性能 碳納米管是由碳原碳納米管是由碳原子按一定規(guī)則排列形成子按一定規(guī)則排列形成的空心籠狀管式結(jié)構(gòu)，的空心籠狀管式結(jié)構(gòu)，其直徑不超過幾十納米其直徑不超過幾十納米（一納米為十億分之一（一納米為十億分之一米）。導(dǎo)電性強(qiáng)、場(chǎng)發(fā)米）。導(dǎo)電性強(qiáng)、場(chǎng)發(fā)射性能優(yōu)良、強(qiáng)度是鋼射性能優(yōu)良、強(qiáng)度是鋼的的100100倍、韌度高等，是倍、韌

41、度高等，是一種用途廣泛的新材料。一種用途廣泛的新材料。碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩 在航天事業(yè)中，在航天事業(yè)中，利用碳納米管制利用碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖造人造衛(wèi)星的拖繩，不僅可以為繩，不僅可以為衛(wèi)星供電，還可衛(wèi)星供電，還可以耐受很高的溫以耐受很高的溫度而不會(huì)燒毀。度而不會(huì)燒毀。 用碳納米管制成像紙一樣薄的彈簧用碳納米管制成像紙一樣薄的彈簧 莫斯科大學(xué)的研究人員為了弄清納米管莫斯科大學(xué)的研究人員為了弄清納米管的受壓強(qiáng)度，將少量納米管置于的受壓強(qiáng)度，將少量納米管置于2929KpaKpa的水的水壓下（相當(dāng)于水下壓下（相當(dāng)于水下1800018000千米深的壓力）做千米深的壓力

42、）做實(shí)驗(yàn)。不料未加到預(yù)定壓力的實(shí)驗(yàn)。不料未加到預(yù)定壓力的1/31/3，納米管，納米管就被壓扁了。他們馬上卸去壓力，它卻像就被壓扁了。他們馬上卸去壓力，它卻像彈簧一樣立即恢復(fù)了原來形狀。應(yīng)用：科彈簧一樣立即恢復(fù)了原來形狀。應(yīng)用：科學(xué)家得到啟發(fā)，發(fā)明了用碳納米管制成像學(xué)家得到啟發(fā)，發(fā)明了用碳納米管制成像紙一樣薄的彈簧，用作汽車或火車的減震紙一樣薄的彈簧，用作汽車或火車的減震裝置，可大大減輕車輛的重量。裝置，可大大減輕車輛的重量。納米為醫(yī)學(xué)帶來什么納米為醫(yī)學(xué)帶來什么 科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)想，用基因芯片、蛋白質(zhì)芯片組裝成“納米機(jī)器人”，通過血管送入人體去偵察疾?。粩y帶DNA去更換或修復(fù)有缺陷的基因片段。這當(dāng)

43、然還比較遙遠(yuǎn) ，但納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)起步。 美國(guó)已發(fā)明了攜帶納米藥物的芯片放入人體，在外部加以導(dǎo)向，使藥物集中到患處，提高藥物療效。 最近德國(guó)柏林醫(yī)療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細(xì)胞部位完全被磁場(chǎng)封閉，通電加熱時(shí)溫度達(dá)到47，慢慢殺死癌細(xì)胞，而周圍的正常組織絲毫不受影響，以改變目前化療、放療中“好人壞人統(tǒng)統(tǒng)殺光”的狀況。 現(xiàn)在已能制備出包含幾百、現(xiàn)在已能制備出包含幾百、幾千個(gè)原子的顆粒，長(zhǎng)度只有幾千個(gè)原子的顆粒，長(zhǎng)度只有幾十個(gè)納米，表面活性很大，幾十個(gè)納米，表面活性很大，可以在血管中自由移動(dòng)，就像可以在血管中自由移動(dòng)，就像一個(gè)巡航導(dǎo)彈，能自動(dòng)尋找

44、沉一個(gè)巡航導(dǎo)彈，能自動(dòng)尋找沉積于靜脈血管壁上的膽固醇，積于靜脈血管壁上的膽固醇，然后一一分解，也可以清除心然后一一分解，也可以清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，疏通腦血臟動(dòng)脈脂肪沉積物，疏通腦血管中的血栓，因此納米技術(shù)在管中的血栓，因此納米技術(shù)在治療心血管疾病上十分看好。治療心血管疾病上十分看好。 納米機(jī)器人在清除血管中的有還沉淀物 醫(yī)學(xué)界更看好的是納米藥物。例如將不易被人體吸收的藥物（如雌二醇）或食品做成納米粉或懸浮液，就變得容易吸收，提高了藥物的生物利用度，把納米藥物做成膏藥貼在患處，可通過皮膚直接吸收而無須注射。二 超導(dǎo)材料 1911年荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：在液氮溫度條件下汞的電阻完全消失即電阻為

45、零，處于環(huán)路中流通的電流持續(xù)試驗(yàn)一年以上不見衰減而繼續(xù)流動(dòng)。 材料的電阻等于零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，這樣的材料稱為超導(dǎo)材料。 已發(fā)現(xiàn)常溫下有28種元素、近5000種合金和化合物具有超導(dǎo)電性。超導(dǎo)電性的基本特征：1、完全導(dǎo)電性 完全導(dǎo)電性是超導(dǎo)電性的基本特征。用次感應(yīng)方法在一個(gè)閉合的超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生電流，它便可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)下去。2、完全抗磁性?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，不僅是外加磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體的內(nèi)部，而且原來處在外磁場(chǎng)中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使它變成超導(dǎo)體時(shí)，也會(huì)把原來在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排除出去。這種特性稱完全抗磁性，也稱邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)材料的應(yīng)用1、超導(dǎo)磁體超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全抗磁性，只要消

46、耗極小的電力，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)。醫(yī)療診斷上的超導(dǎo)核磁共振成像裝置，高能環(huán)形加速器。2、磁懸浮列車 超導(dǎo)體隨列車行進(jìn)，超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)被地面線圈切割，在地面線圈中就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流，同時(shí)也產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。這個(gè)新產(chǎn)生的磁場(chǎng)和超導(dǎo)體的磁場(chǎng)形成排斥力，就造成磁懸浮，從而把行進(jìn)的列車“托”起來。超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車三、功能材料 功能材料是指在電、光、熱、催化、分離、生物和醫(yī)學(xué)等方面具有特殊性能的材料、如日光燈管內(nèi)壁涂的發(fā)光材料、照像膠卷上的感光材料、擴(kuò)音器話筒和電唱機(jī)唱頭里的壓電晶體材料等，均屬于功能材料。 1.記憶功能材料 電子計(jì)算機(jī)的存貯器是一個(gè)很大的“記憶倉(cāng)庫(kù)”，

47、是存貯數(shù)據(jù)和指令的地方。它好比我們使用的筆和紙。用氧化鐵磁性材料制成的磁芯成了電子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵材料。 2.光電功能材料 19世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)銫、銣、鉀、鈉等金屬內(nèi)部的電子很不穩(wěn)定，受到光線照射后，一部分電子會(huì)被釋放出來，所釋放的電子數(shù)量與光的強(qiáng)弱成正比，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。如果用一塊具有光電效應(yīng)的金屬板和另一導(dǎo)電的金屬板組成光電管，并分別加上正負(fù)電壓。那么，一旦光線照在負(fù)極板上，電路中就立即會(huì)有電流通過，而電流的大小與光照的強(qiáng)弱成正比。由于光電管能夠把光和電聯(lián)系起來，使光信號(hào)變成電信號(hào)，因此，光電管又稱“光電眼”。而銫、銣等金屬正是制造光電管最重要的材料。光電管現(xiàn)已廣泛用于電視、電影、無線電

48、傳真等方面，正為人類造福。 3.氣敏功能材料 氣體檢漏儀是發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體和檢查危險(xiǎn)氣體濃度的儀器。這個(gè)儀器中裝有一種金屬氧化物材料，叫氣敏半導(dǎo)體。由二氧化錫、氯化鈀等材料混合燒結(jié)制成，它的表面吸附著氧分子。當(dāng)儀器靠 近易燃、易爆氣體時(shí)，這些氣體很容易和氧結(jié)合，奪走氣敏半導(dǎo)體表面的氧，警報(bào)器便發(fā)出信號(hào)。氣體消散后，即可再次使用。因此，氣體檢漏儀又稱為“電鼻”。 4.壓電晶體功能材料 聲納的探測(cè)和接收元件，是用一種所謂壓電陶瓷制成的。這是一種具有壓電特性的陶瓷材料。壓電效應(yīng)是1880年由法國(guó)科學(xué)家皮埃爾居里兄弟發(fā)現(xiàn)的。他們?cè)谘芯渴?、電石、酒石酸鉀鈉等晶體的過程中，發(fā)現(xiàn)這些晶體在一定溫度下受壓時(shí)會(huì)有信號(hào)產(chǎn)生;在通電時(shí)，又會(huì)發(fā)生形變。后來，人們便利用這種奇特的壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，或把電能轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能。如果把電子振蕩器產(chǎn)生的幾萬周的振蕩電流加到壓電晶體上，使薄片周圍的水也隨著發(fā)生波動(dòng)，這就是超聲波。裝有聲納的潛水艇就是憑借壓電晶體所發(fā)出的超聲波以及接收的回波，來發(fā)現(xiàn)敵艦、水雷、