材料科學(xué)基礎(chǔ)重點(diǎn)知識(shí)復(fù)習(xí)

材料科學(xué)基礎(chǔ)重點(diǎn)知識(shí)復(fù)習(xí)一、材料與材料科學(xué)

材料是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民生活水平的重要標(biāo)志，也是一個(gè)時(shí)代的重要標(biāo)志。人類社會(huì)的發(fā)展史事實(shí)上也是一部材料的發(fā)展史，材料與人類的發(fā)展和進(jìn)步息息相關(guān)，材料的每一次重大發(fā)現(xiàn)及其大量制造和使用，推動(dòng)人類社會(huì)向更新更高的階段發(fā)展。幾百萬(wàn)年來(lái)，人類已經(jīng)跨越了石器時(shí)代，青銅器時(shí)代，鐵器時(shí)代，以水泥、玻璃、塑料、橡膠為代表的非金屬時(shí)代，21世紀(jì)將以復(fù)合材料和功能材料為特色。材料的涵義及其分類材料是指人類利用化合物的某些功能來(lái)制作物件時(shí)用的化學(xué)物質(zhì)。

使用性能（物理）合成/加工

（工程）

性質(zhì)（化學(xué)）

結(jié)構(gòu)/成分

（物理）

作為材料，必須具備如下特點(diǎn)：一定的組成可加工性現(xiàn)狀保持性使用性能經(jīng)濟(jì)性再生性從以上的分析可見(jiàn)，材料與物質(zhì)是兩個(gè)不同的概念，材料總是和一定的用場(chǎng)相聯(lián)系的。材料按用途可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料主要是利用材料的力學(xué)和理化性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、工程建設(shè)、交通運(yùn)輸和能源等各個(gè)工業(yè)部門。功能材料則利用材料的熱、光、電、磁等性能，用于電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新技術(shù)領(lǐng)域。功能材料的最新發(fā)展是智能材料。材料按化學(xué)組成的不同，可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料。金屬材料又分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬通常包括鐵、錳、鉻以及它們的合金。除黑色金屬以外的其他各種金屬及其合金都稱為有色金屬。產(chǎn)量最大的金屬材料是鋼鐵。無(wú)機(jī)非金屬材料主要是指硅酸鹽材料，包括陶瓷、玻璃和水泥。新近發(fā)展起來(lái)的特種陶瓷，成分?jǐn)U展到純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。此外半導(dǎo)體材料也屬于無(wú)機(jī)非金屬材料。高分子材料是一類合成材料，主要有塑料、合成纖維和合成橡膠，此外還有涂料和膠粘劑等。這類材料具有優(yōu)異的性能，如較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性、耐腐蝕、不導(dǎo)電等，發(fā)展速度很快，已部分取代了金屬材料。合成具有特殊性能的高分子材料是其發(fā)展方向。復(fù)合材料是由金屬材料、陶瓷材料和高分子材料復(fù)合組成的。復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛性和耐腐蝕性等比單一材料更為優(yōu)越，是一類具有廣闊應(yīng)用發(fā)展前景的新型材料。材料科學(xué)：范疇及任務(wù)

材料是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是與人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步密切相關(guān)的。最初，各種材料的發(fā)展是分別進(jìn)行，互不相關(guān)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)不斷深化，積極吸取了近代物理、化學(xué)，特別是固體物理、量子化學(xué)等基礎(chǔ)理論并應(yīng)用各種先進(jìn)分析儀器和尖端技術(shù)來(lái)研究和闡明材料的本性，為認(rèn)識(shí)材料的性能——結(jié)構(gòu)——應(yīng)用之間的關(guān)系和探索新材料提供了理論基礎(chǔ)。這樣就在各種基礎(chǔ)學(xué)科的滲透和現(xiàn)代科學(xué)儀器的幫助下，從20世紀(jì)60

年代開(kāi)始形成了一門新的綜合性學(xué)科——材料科學(xué)。

材料科學(xué)是一門以材料為研究對(duì)象，介于基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。材料科學(xué)的內(nèi)容：一是從化學(xué)的角度出發(fā)，研究材料的化學(xué)組成、鍵性、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系規(guī)律；二是從物理學(xué)角度出發(fā)，闡述材料的組成原子、分子及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與各種物性之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上為材料的合成、加工工藝及應(yīng)用提出科學(xué)依據(jù)。材料科學(xué)的主要任務(wù)是以現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科理論為基礎(chǔ)，從電子、原子分子間結(jié)合力、晶體及非晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、結(jié)構(gòu)缺陷等觀點(diǎn)研究材料的各種性能以及材料在制造和應(yīng)用過(guò)程中的行為，了解結(jié)構(gòu)——性能——應(yīng)用之間的規(guī)律關(guān)系，提高現(xiàn)有材料的性能，發(fā)揮材料的潛力，并能動(dòng)地探索和發(fā)展新型材料以滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展對(duì)材料日益增長(zhǎng)的需求。金屬材料

自然界中存在的94多種化學(xué)元素中有2/3是金屬(72種)，20世紀(jì)中幾乎所有的金屬都被研究過(guò)。金屬材料在工程中一直是最重要的材料。

鋼鐵是鐵和碳的合金體系總稱。鋼鐵中含碳量大于2%的叫生鐵，小于0.02%的叫純鐵，在這兩者之間的稱為鋼。鋼中含碳量大于0.25%的稱低碳鋼，介于0.25%~0.60%的稱中碳鋼，大于0.60%的稱為高碳鋼。所謂煉鋼，其實(shí)質(zhì)是控制生鐵中含碳量達(dá)到鋼的要求，同時(shí)除去危害鋼的性能的一些雜質(zhì)，如S、P等。若要想得到特殊性能的合金鋼，當(dāng)然還要加入一些其他金屬。電力系統(tǒng)中的工業(yè)鍋爐、高壓鍋爐及其熱交換管道，發(fā)電機(jī)中的大型篆字和葉輪，變壓器的鐵芯。汽車工業(yè)：根據(jù)美國(guó)的一份調(diào)查，美國(guó)平均美臺(tái)車消耗的材料鋼鐵的九大應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)床與工程機(jī)械，包括起重機(jī)、挖掘機(jī)、拖拉機(jī)。鐵路（鋼軌）與橋梁。船舶和海上鉆井平臺(tái)。它們對(duì)鋼材的強(qiáng)度、韌性和耐海水腐蝕都有很高的要求。兵器：包括坦克、大炮、槍械。石油開(kāi)采機(jī)械、輸油管道和泵站?；毫θ萜?、反應(yīng)釜和管道，其中不銹鋼、耐熱鋼等特殊鋼用量很大。建筑鋼筋和構(gòu)架

有機(jī)高分子材料和金屬以外的固體材料都屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，范圍很廣。無(wú)機(jī)非金屬材料大都具有熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化、耐腐蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)良性能，有些無(wú)機(jī)非金屬材料還具有某些獨(dú)特的性能而作為功能材料使用。這里主要介紹陶瓷、水泥和玻璃等材料。無(wú)機(jī)非金屬材料高分子材料是一種古老而又年輕的材料。合成高分子材料從問(wèn)世到今天不到一個(gè)世紀(jì)，但在這短短的幾十年中，其發(fā)展速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它傳統(tǒng)材料。在過(guò)去的40年中，美國(guó)塑料生產(chǎn)猛增100倍，而同一時(shí)期鋼鐵生產(chǎn)卻幾乎是負(fù)增長(zhǎng)。如按體積計(jì)算，全世界塑料的產(chǎn)量在90年代初已超過(guò)鋼鐵，高分子材料在世界經(jīng)濟(jì)中的作用已變得越來(lái)越重要。高分子材料主要能源分類

凡是能提供某種形式能量的物質(zhì),或是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),統(tǒng)稱為能源。它是人類取得能量的來(lái)源，包括已開(kāi)采出來(lái)的可供使用的自然資源與經(jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)移的能量的來(lái)源。

二、能源材料能源可分為一次能源和二次能源：自然界中以現(xiàn)成形式提供的能源稱為一次能源，需依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二次能源。一級(jí)能源二級(jí)能源燃料能源非燃料能源煤、石油、薪柴、天然氣

汽油、酒精、液化氣、煤氣

水力、鈾、風(fēng)力熱水、蒸汽、電能源還可以分為常規(guī)能源與新能源。常規(guī)能源：在一定歷史時(shí)期和科學(xué)水平下，已被人們廣泛利用的能源稱為常規(guī)能源，如煤、石油、天然氣、水能等；新能源：隨著科技的不斷發(fā)展，才開(kāi)始被人類采用先進(jìn)的方法加以利用的古老能源以及新發(fā)展的利用先進(jìn)技術(shù)所獲得的能源都是新能源，如：核聚變能、用以發(fā)電的風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等。

此外，能源也可以分為再生能源和非再生能源。再生能源：可連續(xù)再生、持續(xù)利用的一次能源稱為可再生能源，如水力、風(fēng)能等；非再生能源：經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年形成的、短期內(nèi)無(wú)法恢復(fù)的能源，稱之為非再生能源，如：石油、煤、天然氣等。

能源是與人類社會(huì)的生存和發(fā)展休戚相關(guān)的。人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，另一方面，隨著科技進(jìn)步包括能源技術(shù)的進(jìn)步，單位GDP的能耗正逐步降低。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，科學(xué)工作者提出了資源與能源最充分利用技術(shù)（maximumenergyandresourecesutilization,MERU)和環(huán)境最小負(fù)擔(dān)技術(shù)（minimumenvironmentalimpactMEI)等。

新材料的作用：新材料把原來(lái)習(xí)用已久的能源變成新能源一些新材料可提高儲(chǔ)能和能量轉(zhuǎn)化效果新材料決定著核反應(yīng)堆的性能與安全性材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作與加工工藝決定著新能源的投資與運(yùn)行成本。

新能源材料的任務(wù)及面臨的課題：研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)以提高能量的利用效率與轉(zhuǎn)換效率。能源的合理利用。安全與環(huán)境保護(hù)材料規(guī)模生產(chǎn)的制作與加工工藝延長(zhǎng)材料的使用壽命。一些主要的新能源材料：金屬氫化物鎳電池材料鋰離子二次電池材料燃料電池材料太陽(yáng)能電池材料核能材料

目前，世界各國(guó)都投入極大的人力和物力來(lái)發(fā)展新型二次電池技術(shù)，并形成以下研究熱點(diǎn)：儲(chǔ)氫材料及金屬氫化物鎳電池；鋰離子嵌入材料及液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池；聚合物電解質(zhì)鋰蓄電池或鋰離子電池。Ni/MH電池

Ni-MH電池的正極都是鎳電極（氫氧化鎳），負(fù)極是儲(chǔ)氫合金，電解液是氫氧化鉀的水溶液。儲(chǔ)氫合金是一種能大量吸收并釋放氫的功能材料一般適用于Ni-MH電池的儲(chǔ)氫材料有兩大系列：一類是以LaNi5稀土系儲(chǔ)氫合金；另一類是以TiNi2為主體的儲(chǔ)氫合金。Ni/MH二次電池及正負(fù)極材料的發(fā)展現(xiàn)狀正極：泡沫鎳、纖維鎳和高密度球形Ni(OH)2負(fù)極：主要有AB5和AB2型合金兩種，在AB5型方面，采用富Ce或富La混合稀土（Mm或Ml）取代LaNi5中的La，并對(duì)合金B(yǎng)側(cè)進(jìn)行多元合金化，研究開(kāi)發(fā)出性價(jià)比良好的AB5型混合稀土系多元合金。鋰離子二次電池

鋰是金屬中最輕的元素，且標(biāo)準(zhǔn)電極電位為－3.045v,是金屬元素中電位最負(fù)的一個(gè)元素。自70年代以來(lái)，以金屬鋰為負(fù)極的各種高比能量鋰原電池分別問(wèn)世，并得以廣泛應(yīng)用。1990年日本索尼公司宣稱，采用可以使鋰離子嵌入和脫嵌的碳材料代替金屬鋰和采用可以脫嵌和可逆嵌入鋰離子的高電位氧化鈷鋰正負(fù)極材料和與正負(fù)極能相容的LiPF6–EC+DEC電解質(zhì)后，終于研制出新一代實(shí)用化的新型鋰離子蓄電池。鋰離子電池的優(yōu)越性能

相對(duì)于傳統(tǒng)的鎘鎳電池（Ni/Cd）和氫鎳電池（Ni/MH）,鋰離子電池的電壓大約是它們的3倍;重量比能量密度提高了約3倍;對(duì)于同樣的功率消耗，鋰離子電池的使用期限約為鎳鎘電池的倍.現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)是電子信息產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的普通配置.

工作電壓高比能量大

循環(huán)壽命長(zhǎng)自放電率低

無(wú)記憶效應(yīng)無(wú)污染

鎘鎳、氫鎳、鋰離子蓄電池性能對(duì)比

太陽(yáng)能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來(lái)自太陽(yáng)能，廣義地說(shuō)，太陽(yáng)能包含以上各種可再生能源。太陽(yáng)能作為可再生能源的一種，則是指太陽(yáng)能的直接轉(zhuǎn)化和利用。通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽(yáng)能熱利用技術(shù)，再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的稱為太陽(yáng)能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽(yáng)能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽(yáng)能光伏技術(shù)。太陽(yáng)能電池按照所用材料的不同：硅太陽(yáng)能電池(單晶硅、多晶硅、非晶硅）

（光電轉(zhuǎn)化效率高，成本高，制備工藝復(fù)雜?。┮詿o(wú)機(jī)鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池（鎘：劇毒。銦、硒：稀有元素）功能高分子材料制備的大陽(yáng)能電池（處于研發(fā)初期、轉(zhuǎn)化效率低、使用壽命短）染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池（正在研發(fā)）

太陽(yáng)能發(fā)電(Photovoltaic)原理(I)太陽(yáng)能電池是以P型與

N型半導(dǎo)體材料接合構(gòu)成正極與負(fù)極。當(dāng)太陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池時(shí)，光的能量會(huì)使半導(dǎo)體材料內(nèi)的正、負(fù)電荷分離。正、負(fù)電荷會(huì)分別往正、負(fù)極方向移動(dòng)并且聚集。將太陽(yáng)能電池正、負(fù)極接上負(fù)載時(shí)，將有電流流出，可以對(duì)負(fù)載作功(燈泡會(huì)亮、馬達(dá)會(huì)轉(zhuǎn))。正極：P型負(fù)極：N型PNPNPN-++-+-+-++++++-------+-+正、負(fù)電荷+-+-+-太陽(yáng)光太陽(yáng)光太陽(yáng)光電流-+“十五”國(guó)家863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，從國(guó)家汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的高度出發(fā)，選擇新一代電動(dòng)汽車技術(shù)作為我國(guó)汽車科技創(chuàng)新的主攻方向，組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，以官、產(chǎn)、學(xué)、研四位一體的方式，聯(lián)合進(jìn)行攻關(guān)，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源安全、改善大氣環(huán)境、提高加入WTO后我國(guó)汽車工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力做出積極貢獻(xiàn)。專項(xiàng)總體目標(biāo)是：在“十五”期間，促進(jìn)我國(guó)符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的研發(fā)體系、機(jī)制和人才隊(duì)伍的形成；以電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺(tái)為工作重點(diǎn)，力爭(zhēng)在電動(dòng)汽車關(guān)鍵單元技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及整車技術(shù)上取得重大突破；集中有限資源搶占新一代電動(dòng)汽車制高點(diǎn)，促進(jìn)我國(guó)汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

“電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”提出“三縱三橫”研究開(kāi)發(fā)布局。強(qiáng)調(diào)建立符合整車開(kāi)發(fā)規(guī)律嚴(yán)密的整車開(kāi)發(fā)程序。提出以整車開(kāi)發(fā)為主導(dǎo)，關(guān)鍵零部件和相關(guān)材料緊密結(jié)合，基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)發(fā)展，政策法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)估技術(shù)同步展開(kāi)的基本方針,作為國(guó)內(nèi)汽車科技項(xiàng)目的一個(gè)探索，以保證電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?！半妱?dòng)汽車重大專項(xiàng)”在市場(chǎng)和技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、電動(dòng)車共性技術(shù)采取了不同的研發(fā)導(dǎo)向、時(shí)段安排、投資策略和推廣及產(chǎn)業(yè)化措施，致力于體現(xiàn)有所為有所不為的原則，恰當(dāng)定位、突出重點(diǎn)、取得實(shí)效。專項(xiàng)特別提出了支持技術(shù)創(chuàng)新和專利保護(hù)。美國(guó)知名科學(xué)家

StephenWainwright更指出，仿生學(xué)將結(jié)合分子生物學(xué)并取代分子生物技術(shù)，成為21世紀(jì)最具挑戰(zhàn)與重要性的生物科技！生物的骨骼構(gòu)造比鋼鐵強(qiáng)硬；

啄木鳥(niǎo)的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；

蜘蛛絲有五倍鋼鐵的硬度與延展性；

墨魚(yú)的瞬間加速可以達(dá)到每小時(shí)20哩；

蜂鳥(niǎo)飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司的能量；

蝙蝠的回音定位使用促進(jìn)了雷達(dá)開(kāi)發(fā)改進(jìn)；蓮花效應(yīng)有絕佳的抗污性(self-cleaningproperties)和疏水性(waterrepellent)自然生命世界蘊(yùn)藏所有科技的奧秘與答案……。但數(shù)千年來(lái)，人類卻靠剝削自然為基礎(chǔ)而發(fā)明各種科技，

並開(kāi)始卷入大自然反撲的漩渦。三、仿生材料仿生結(jié)構(gòu)陶瓷

陶瓷材料的脆性和增韌問(wèn)題一直是研究的熱點(diǎn)之一，也是陶瓷材料得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一

。近二十年來(lái)，人們相繼提出了長(zhǎng)纖維或晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、顆粒彌散強(qiáng)化、相變?cè)鲰g等多種強(qiáng)韌化措施，也取得了很多積極的研究成果。但是，這些強(qiáng)韌化措施的增韌效果還很有限，還沒(méi)有從本質(zhì)上解決陶瓷材料的脆性問(wèn)題。仿竹木結(jié)構(gòu)的纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷材料

abc仿貝殼結(jié)構(gòu)的層狀結(jié)構(gòu)陶瓷許多植物表面，如蓮葉面具有超疏水(superhydrophobicity)及自潔(self-cleaning)的特性。蓮葉表面的疏水、不吸水的表面始終葉面永遠(yuǎn)保持一塵不染。為什麼會(huì)有這種“蓮花效應(yīng)”？用傳統(tǒng)的化學(xué)分子極性理論來(lái)解釋，不僅解釋不通，恰恰是相反。從機(jī)械學(xué)的粗糙度、光潔度角度來(lái)解釋也不行，因?yàn)樗谋砻婀鉂嵍雀具_(dá)不到機(jī)械學(xué)意義上的光潔度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它的粗糙程度。經(jīng)過(guò)兩位德國(guó)科學(xué)家的長(zhǎng)期觀察研究，即在1990年代初終於揭開(kāi)了荷葉葉面的奧妙。原來(lái)在荷葉葉面上存在著非常複雜的多重奈米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。表面細(xì)微的奈米結(jié)構(gòu)

在自潔功能上扮演著關(guān)鍵的角色以蓮葉為例，水珠與葉面接觸的面積大約只佔(zhàn)總面積的2～3%，若將葉面傾斜，則水珠被迫以滾動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)時(shí)，會(huì)順便吸附起葉面上的污泥顆粒，一同滾出葉面達(dá)到清潔的效果。表面細(xì)微的奈米結(jié)構(gòu)

在自潔功能上扮演著關(guān)鍵的角色相形之下，在同樣具有疏水性的光滑表面水珠只會(huì)以滑動(dòng)的方式移動(dòng)並不會(huì)夾帶灰塵離開(kāi)因此不具有自潔的能力。今年六月初，BBC新聞指出，英國(guó)曼徹斯特(Manchester)大學(xué)一群材料科學(xué)家研發(fā)出一種超強(qiáng)黏性的膠帶，任何人只要掌心貼上這種膠帶，便可如壁虎掛吊在天花板上。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，爬蟲(chóng)類每隻爪佈滿了幾十億個(gè)毛髮狀分子結(jié)構(gòu)，並藉由分子與周遭不平衡電流的相互吸引產(chǎn)生力量，讓壁虎能在壁上爬行自如。目前，科學(xué)家正努力進(jìn)一步開(kāi)發(fā)大量生產(chǎn)方式，並期望這種新膠帶與新技術(shù)可應(yīng)用來(lái)處理電腦晶片，或用在醫(yī)學(xué)方面。跳蚤－節(jié)肢彈性蛋白而澳大利亞的科學(xué)家日前宣布，他們已經(jīng)成功利用跳蚤身上的特殊組織合成出一種超彈性材料，并可能生產(chǎn)出全世界最完美的橡膠。他們還表示，這種節(jié)肢彈性蛋白未來(lái)的應(yīng)用前景非常廣泛，如在工業(yè)中用于高效能橡膠，醫(yī)學(xué)上用于脊椎盤移植、心臟和血壓的替換，甚至可能用于增加跑鞋后跟的彈力。四、納米材料

納米（Nanometer）又稱毫微米，是一種長(zhǎng)度單位.把1米分成10億份,每一份就是1納米（1nm=10-9m）。

1982年,一種奇特的顯微鏡(掃描隧道顯微鏡)發(fā)明后,便誕生了一門以至100納米尺度空間為研究對(duì)象的前沿學(xué)科,也就是研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性的高新學(xué)科,它就是納米科技。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)納米蛋白質(zhì)、DNA、RNA、病毒，都在1~100nm的范圍光合作用在“納米車間”進(jìn)行細(xì)胞中的一些結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞象一個(gè)“納米工廠”蓮花荷葉出污泥而不染:“荷葉效應(yīng)”納米結(jié)構(gòu)是生命現(xiàn)象中基本的東西納米材料的特性A.特殊的光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，便失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。

金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。還可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。1991年春的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)F－117A型隱身戰(zhàn)斗機(jī)外表所包覆的材料中就包含有多種納米超微顆粒，它們對(duì)不同波段的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力，以欺騙雷達(dá)，達(dá)到隱形目的，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)伊拉克重要軍事目標(biāo)的打擊。B.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1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米時(shí)，則降低27℃，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。

金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑?？捎眉{米顆粒的粉體作為火箭的固體燃料、催化劑。例如,在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加l％重量比的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加l倍。C.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)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。通過(guò)電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為2*10-2微米的磁性氧化物顆粒。當(dāng)顆粒尺寸減小到2*10-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6*10-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤及磁卡中。利用超順磁性，已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。D.

特殊的力學(xué)性質(zhì)由于納米材料粒度非常微小,具有良好的表面效應(yīng),1克納米材料的表面積達(dá)到幾百平方米。因此,用納米材料制成的產(chǎn)品其強(qiáng)度、柔韌度、延展性都十分優(yōu)越，就象一種有千萬(wàn)對(duì)腳的毛毛蟲(chóng)，當(dāng)它吸附在光滑的玻璃面上時(shí)，由于接觸面積大，12級(jí)臺(tái)風(fēng)有也吹不掉它。陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，竟然可以象彈簧一樣具有良好的韌性。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。至于金屬---陶瓷等復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。E.特殊的電學(xué)性質(zhì)由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)受到限制，電子能量被量子化了。結(jié)果表現(xiàn)為當(dāng)在金屬顆粒的兩端加上合適電壓時(shí)，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時(shí)金屬顆粒不導(dǎo)電。原來(lái)是導(dǎo)體的銅等金屬，在尺寸減少到幾個(gè)納米時(shí)就不導(dǎo)電了；而絕緣的二氧化硅等，電阻會(huì)大大下降，失去絕緣特性，變得能導(dǎo)電了。還有一種奇怪的現(xiàn)象，當(dāng)金屬納米顆粒從外電路得到一個(gè)額外的電子時(shí)，金屬顆粒具有了負(fù)電性，它的庫(kù)侖力足以排斥下一個(gè)電子從外電路進(jìn)入金屬顆粒內(nèi)，從而切斷了電流的連續(xù)性。這就使得人們想到是否可以發(fā)展用一個(gè)電子來(lái)控制的電子器件，即所謂的單電子器件。單電子器件的尺寸很小，把它們集成起來(lái)做成計(jì)算機(jī)芯片其容量和計(jì)算速度不知要提高多少倍。第一次產(chǎn)業(yè)革命(1734-1834）

主導(dǎo)技術(shù)：蒸汽機(jī)動(dòng)力變革，熱能、機(jī)械能

科學(xué)基礎(chǔ)：牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、能量轉(zhuǎn)化原理第二次產(chǎn)業(yè)革命（1835-1914）

科學(xué)基礎(chǔ)：電的發(fā)現(xiàn)電磁理論

主導(dǎo)技術(shù)：電氣化技術(shù)

(發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)、電力傳輸、無(wú)線電通訊)第三次產(chǎn)業(yè)革命（1945-2010？）

科學(xué)基礎(chǔ)：X射線的發(fā)現(xiàn)放射線的發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

主導(dǎo)技術(shù)：微米技術(shù)微電子技術(shù)

三次產(chǎn)業(yè)革命的啟示:1.每一次產(chǎn)業(yè)革命造就了一、二個(gè)先進(jìn)國(guó)家；2.主導(dǎo)技術(shù)經(jīng)歷了孕育期

生長(zhǎng)期、高速發(fā)展期、穩(wěn)定期，主導(dǎo)技術(shù)周期約50-60年；3.主導(dǎo)技術(shù)的穩(wěn)定期開(kāi)始蘊(yùn)釀下一個(gè)主導(dǎo)技術(shù)；4.主導(dǎo)技術(shù)帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)革命，先從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始，逐漸形成新的產(chǎn)業(yè)群。半導(dǎo)體材料的分代以硅Si為代表的半導(dǎo)體材料為第一代半導(dǎo)體材料以砷化鎵GaAs為代表的化合物半導(dǎo)體材料為第二代半導(dǎo)體材料以氮化鎵GaN為代表的寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料為第三代半導(dǎo)體材料GaN半導(dǎo)體材料特點(diǎn)寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬度（2.3—6.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍(lán)、紫和紫外光譜范圍，是到目前為止其它任何半導(dǎo)體材料都無(wú)法達(dá)到的高頻特性，可以達(dá)到300GHz（硅為10G，砷化鎵為80G）

高溫特性，在300℃正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境）耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）高壓特性（耐沖擊，可靠性高）大功率（對(duì)通訊設(shè)備是非?？释模〨aN半導(dǎo)體材料特點(diǎn)優(yōu)異的性能白光LED

固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)（連續(xù)10年）低電壓工作是照明領(lǐng)域的又一次革命白光LED的構(gòu)成方式基于藍(lán)光LED，通過(guò)熒光粉激發(fā)一個(gè)黃光，組合成為白光通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光基于紫外光LED，通過(guò)三基色粉，組合成為白光光纖通信

光(導(dǎo))纖(維)是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地(領(lǐng)域)。光纖的出現(xiàn)產(chǎn)生了光纖通信技術(shù)，特別是光纖在有線通信廣的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出，它為人類21世紀(jì)的通信基礎(chǔ)一——信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體(符號(hào)、數(shù)字、語(yǔ)音、圖形和動(dòng)態(tài)圖像)通信提供了實(shí)現(xiàn)的必需條