第十讲 新材料技术.ppt

公共选修课 现代物理概论 第十讲新材料技术 由 提供下载 材料是人类生存和发展的物质基础 是社会生产力的重要因素 材料的发展推动了人类的物质文明 成为标志人类社会进步的重要里程碑 20世纪中叶以来 世界各国对新材料的研究和开发都十分重视 出现了一个 材料革命 的新时代 当前人类进入知识经济时代 材料与信息 能源并称为现代科学技术的三大支柱 成为现代科学技术发展的物质基础 材料是指用来加工成器件 结构件或其他可供使用的物质 新材料是那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料 新材料的发展与新技术密切相关 并且是多种学科相互交叉和渗透的结果 新材料是新技术发展的必要物质基础 是当代新技术革命的先导 第一节材料技术发展简史材料是人类生活和生产的物质基础 是人类认识自然和改造自然的工具 可以这样说 自从人类一出现就开始了使用材料 材料的历史与人类史一样久远 从考古学的角度 人类文明曾被划分为旧石器时代 新石器时代 青铜器时代 铁器时代等 由此可见材料的发展对人类社会的影响 材料也是人类进化的标志之一 任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺 一种新材料的出现 必将支持和促进当时文明的发展和技术的进步 从人类的出现到20世纪的今天 人类的文明程度不断提高 材料及材料科学也在不断发展 在人类文明的进程中 材料大致经历了以下五个发展阶段 1 使用纯天然材料的初级阶段在原古时代 人类只能使用天然材料 如兽皮 甲骨 羽毛 树木 草叶 石块 泥土等 相当于人们通常所说的旧石器时代 这一阶段 人类所能利用的材料都是纯天然的 在这一阶段的后期 虽然人类文明的程度有了很大进步 在制造器物方面有了种种技巧 但是都只是纯天然材料的简单加工 2 人类单纯利用火制造材料的阶段这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代 铜器时代和铁器时代 也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期 并且延续至今 它们分别以人类的三大人造材料为象征 即陶 铜和铁 这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧 冶炼和加工的时代 例如人类用天然的矿土烧制陶器 砖瓦和陶瓷 以后又制出玻璃 水泥 以及从各种天然矿石中提炼铜 铁等金属材料 等等 3 利用物理与化学原理合成材料的阶段20世纪初 随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现 人类一方面从化学角度出发 开始研究材料的化学组成 化学键 结构及合成方法 另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性 就是以凝聚态物理 晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成 结构及性能间的关系 并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题 由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用 从而出现了材料科学 在此基础上 人类开始了人工合成材料的新阶段 这一阶段以合成高分子材料的出现为开端 一直延续到现在 而且仍将继续下去 人工合成塑料 合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现 加上已有的金属材料和陶瓷材料 无机非金属材料 构成了现代材料的三大支柱 除合成高分子材料以外 人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料 超导材料 半导体材料 光纤等材料都是这一阶段的杰出代表 从这一阶段开始 人们不再是单纯地采用天然矿石和原料 经过简单的煅烧或冶炼来制造材料 而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料 并且根据需要 人们可以在对以往材料组成 结构及性能间关系的研究基础上 进行材料设计 使用的原料本身有可能是天然原料 也有可能是合成原料 而材料合成及制造方法更是多种多样 4 材料的复合化阶段20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来 随后又出现了玻璃钢 铝塑薄膜 梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮 都是复合材料的典型实例 它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的 到这时 人类已经可以利用新的物理 化学方法 根据实际需要设计独特性能的材料 现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6 而是要想办法使他们变成3乘以3等于9 乃至更大 严格来说 复合材料并不只限于两类材料的复合 只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料 5 材料的智能化阶段自然界中的材料都具有自适应 自诊断合资修复的功能 如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复 人工材料目前还不能做到这一点 但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能 这就是目前最吸引人们注意的智能材料 如形状记忆合金 光致变色玻璃等等 尽管近10余年来 智能材料的研究取得了重大进展 但是离理想智能材料的目标还相距甚远 而且严格来讲 目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构 如上所述 在20世纪中 材料经历了五个发展阶段中的三个阶段 这种发展速度是前所未有的 总的说来 本世纪材料科学的发展有以下几个特点 超纯化 从天然材料到合成材料 量子化 从宏观控制到微观和介质控制 复合化 从单一到复合 及可设计化 从经验到理论 当前 高技术新材料的发展日新月异 材料科学的内涵也日益丰富 21世纪会出现什么样的高技术材料 材料科学又将发展到何种程度 我们很难预料 材料科学与工程的定义是 研究有关材料成份 结构 制备 合成 性能和使用效能及其关系的科学技术与生产 对材料四要素的认识和理解 要有动态的观念 材料科学与工程四个基本要素的说明和控制应放在更高 更深的层次 即从原子尺度来阐释和控制 材料的结构与成分应更着重于包括原子的类型及所观察尺度范围 纳米 介观 微观 宏观 内原子的排列组合 使原子 原子团 分子可得到特定排列组合的合成与加工 由不同原子 原子团 分子及其排列组合所得到的使材料具有值得研究和使用的性能 考虑经济和社会效益的材料使用服役实际条件及其有效性的度量 四要素是一个整体 内部有机联系是其核心与活力所在 据此 我们认为材料科学与工程的任务在于针对实际需要 使宏微观紧密结合 在原子 分子的层次上将成分 组织的设计与合成加工综合起来 通过合成与加工过程的精确控制有效地安排与控制原子 分子的特定排列组合 达到控制组织结构 控制形状进而达到所需的使用性能 图示意地表示了这种关系 材料学科发展至今日 追溯其历史相关性 它主要是来自冶金与化工 虽然现在物理 化学 电子 能源 信息 建筑等许多学科领域都有致力于研究材料的学术内容 但它们都只偏重于某些特定的材料或材料四要素中的一个 针对多数材料 较多地涉及四要素中主要方面的学科只有冶金与化工 而面对所有材料 面向所有四个要素 特别是它们之间关系的学科则只有 材料科学与工程 图是材料 冶金及化工学科与现代材料领域的关系 它显示 大部分新型材料仍然位于三大学科的交汇范围 当前的材料从使用要求 多样化 复合化 智能化 高性能从应用 结构材料 功能材料 结构 功能一体化材料从材料 金属 合金 金属间化合物 金属 非金属化合物 金属 非金属复合材料 非金属复合材料从组织结构 多晶 单晶 微晶 纳米晶 非晶从形态尺度 块体 薄膜 线材 一维 现材料已发展到成千上万种 涉及社会经济生活的几乎所有方面 随社会经济与科学技术的发展 材料品种及用途日趋繁多 新材料层出不穷 据统计每年出现的新材料达3000多种 据前述材料的发展趋势 决定材料基本性质的键合特性与结构特征 必然由相对单纯的金属键向混合键 由简单立方的晶体结构向复杂晶体结构及复杂分子结构演进 从而决定或影响了材料的制备 加工 组织 力学和功能性能 第二节纳米科学技术纳米科学技术 简称为纳米技术 是指在0 1 100纳米的尺度里 研究电子 原子和分子内部运动规律和特性的一项崭新技术 科学家们在研究物质构成的过程中 发现纳米尺度下隔离出来的几个 几十个可数原子或分子 显著地表现出许多新的特性 而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术 就称为纳米技术 纳米是一种长度单位 就是10 9米 10亿分之一米 相当于4至5个原子串起来那么长 纳米技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术 它是现代科学 混沌物理 量子力学 介观物理 分子生物学 和现代技术 计算机技术 微电子技术 超微技术 结合的产物 其学科领域包括纳米物理学 纳米电子学 纳米生物学和纳米医学 纳米材料学 纳米机械学 纳米显微学和纳米制造等 它的最终目标是人类按照自已的意志直接操纵单个原子 制造具有特定功能的产品 这一目标的实现意味着纳米技术改变人类生活和生产方式的时代的来临 纳米技术主要包括下列方面 1 纳米材料学 纳米材料学是纳米技术发展的基础 就纳米材料的结构而言 大体上可分为以下几类 1 量子点及其列阵结构 包括半导体量子点列阵结构 金属量子点列阵结构 氧化物量子点列阵结构和超分子点阵结构等 2 一维量子线及其组成的纳米结构 包括一维有机导体 金属量子线 半导体量子线 氧化物量子线和碳纳米管以及由它们组成的复合结构 3 超薄膜及其组成的多层膜结构或量子阱结构 包括半导体超晶格结构 金属多层膜结构或有机膜结构等 纳米材料从根本上改变了材料的结构 为材料的研究和应用开拓了新的领域 自然界本身就存在着纳米材料 如蜡烛燃烧后所剩下的碳黑 用手轻捻会感到十分细腻 这实际上就是一种纳米微粒 水在某些 植物的叶子表面不是平铺 而是形成一个一个的小水珠 这是因为这种植物的叶子表面存在着一种纳米膜的缘故 现在已经可以将纳米材料用于现实生活 如用纳米材料处理过的衣物就像表面具有纳米膜的植物叶子一样 具有自洁功能 它不沾水不沾油 在飞机的表面涂上一层某种纳米材料 可以吸收某些波段的电磁波 使对方的雷达等探测设备无法感知飞机的存在 达到隐身的目的 用一些特殊的纳米材料作涂层可用来制造太阳能电池 或作为制造高密度磁盘的基本材料 2 纳米电子学 纳米电子学是在纳米级尺度上研究制造电子元件的技术 主要思想是基于纳米粒子的 量子效应来设计并制备纳米量子器件 它包括纳米有序或无序阵列体系 纳米微粒与微孔固体组装体系 纳米超结构组装体系 纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构进一步减小 研制出由单原子或单分子构成的各种器件 利用纳米材料的量子效应工作的电子器件称为量子器件 如共振隧道二级管 量子阱激光器和量子干涉部件等 与电子器件相比量子器件具有高速 速度可提高1000倍 低耗 能耗降低1000倍 高效高集成度经济可靠等优点 3 纳米机械学 主要是微机械和微电机 或总称为微型电动机械系统 MEMS 用于有传动机械的微型传感器和执行器 光纤通讯系统 特种电子设备 医疗和诊断仪器等 MEMS用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺 特点是部件很小 刻蚀的深度往往要求数十至数百微米 而宽度误差只允许万分之一 这种工艺还可用于制作转子直径为400微米的三相电动机 用空气做轴承 转速可达106 107转 分 调向时间小于1微秒 用于超快速离心机或陀螺仪等 在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等 虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度 但有很大的潜在科学价值和经济价值 4 纳米生物学和纳米医学 纳米生物学主要包含两个方面 一是利用新兴的纳米技术来研究和解决生物学问题 二是利用生物大分子制造分子器件 模仿和制造类似生物大分子的分子机器 科学家认为 生物细胞本身就是 纳米技术大师 细胞中所有的酶都是能完成独特任务的 纳米机器 它们在微观世界里能极其精确地制造物质 而这正是科学家希望通过纳米技术实现的梦想 虽然现在研究制造的纳米机器体积越来越小 但要达到分子的尺度仍然很遥远 科学家希望通过对细胞的研究来进一步掌握纳米技术 利用DNA和某些特殊蛋白质的特殊性质 有可能制造出分子器件 目前研究的热点在分子马达 神经细胞体系和DNA相关的纳米体系与器件 利用纳米技术 人们已经可以操纵单个的生物大分子 国际纳米界权威杂志 纳米通讯 2002年第1期封面刊登了用DNA书写的 DNA 三个字母 这项成果是中德科学家合作取得的 它是通过纳米操纵技术 用单个DNA分子长链书写的 展现了人类在生物大分子纳米成像与操纵方面的又一巨大进步 操纵生物大分子 被认为是有可能引发生物学革命的重要技术之一 纳米医学是在分子级水平上 利用分子工具和人体的分子知识 所从事的诊断 医疗 预防疾病 保健和改善健康状况的科学技术 人们将从分子水平上认识自己 创造并利用纳米结构和纳米装置来防病疾病 改善人类的整个生命系统 纳米材料的特点 一 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时 便失去了原有的富贵光泽而呈黑色 事实上 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色 尺寸越小 颜色愈黑 银白色的铂 白金 变成铂黑 金属铬变成铬黑 由此可见 金属超微颗粒对光的反射率很低 通常可低于l 大约几微米的厚度就能完全消光 利用这个特性可以作为高效率的光热 光电等转换材料 可以高效率地将太阳能转变为热能 电能 此外又有可能应用于红外敏感元件 红外隐身技术等 1991年春的海湾战争 美国执行空袭任务的F 117A型隐身战斗机 其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中就包含有多种纳米超微颗粒 它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力 以欺骗雷达 达到隐形目的 在海湾战争中使用了该项技术 成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击 二 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时 其熔点是固定的 超细微化后却发现其熔点将显著降低 当颗粒小于10纳米量级时尤为显著 例如 金的常规熔点为1064 当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时 则降低27 2纳米尺寸时的熔点仅为327 左右 银的常规熔点为670 而超微银颗粒的熔点可低于100 因此 超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结 此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料 甚至可用塑料 金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼 实验发现 如果将金属铜或铝作成纳米颗粒 遇到空气就会激烈燃烧 发生爆炸 可用纳米颗粒的粉体作为固体火箭的燃料 催化剂 例如 在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l 重量比的超微铝或镍颗粒 每克燃料的燃烧热可增加l倍 三 特殊的磁学性质小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同 大块的纯铁矫顽力约为80安 米 而当颗粒尺寸减小到20纳米以下时 其矫顽力可增加1千倍 若进一步减小其尺寸 大约小于6纳米时 其矫顽力反而降低到零 呈现出超顺磁性 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性 已作成高贮存密度的磁记录磁粉 大量应用于磁带 磁盘 磁卡以及磁性钥匙等 利用超顺磁性 人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体 人们发现鸽子 海豚 蝴蝶以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒 使这类生物在地磁场导航下能辨别方向 具有回归的本领 磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘 生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底 四 特殊的力学性质 由于纳米材料粒度非常微小 具有良好的表面效应 1克纳米材料的表面积达到几百平方米 因此 用纳米材料制成的产品其强度 柔韧度 延展性都十分优越 就象一种有千万对脚的毛毛虫 当它吸附在光滑的玻璃面上时 由于接触面积大 12级台风有也吹不掉它 陶瓷材料在通常情况下呈脆性 陶瓷茶壶一摔就碎 然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料 竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性 因为纳米材料具有大的界面 界面的原子排列是相当混乱的 原子在外力变形的条件下很容易迁移 因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性 使陶瓷材料具有新奇的力学性质 研究表明 人的牙齿之所以具有很高的强度 是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3 5倍 至于金属 陶瓷等复合纳米材料 则可在更大的范围内改变材料的力学性质 其应用前景十分宽广 五 特殊的电学性质 把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内或一根非常细的短金属线内 线的宽度只有几个纳米 会发生十分奇妙的事情 由于颗粒内的电子运动受到限制 电子能量被量子化了 结果表现为当在金属颗粒的两端加上电压 电压合适时 金属颗粒导电 而电压不合适时金属颗粒不导电 原来是导体的铜等金属 在尺寸减少到几个纳米时就不导电了 而绝缘的二氧化硅等 电阻会大大下降 失去绝缘特性 变得能导电了 还有一种奇怪的现象 当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时 金属颗粒具有了负电性 它的库仑力足以排斥下一个电子来控制的电子器件 即所谓的单电子器件 单电子器件的尺寸很小 一旦实现 并把它们集成起来做成计算机芯片 计算机的容量和计算速度不知要提高多少倍 纳米材料应用 陶瓷领域的应用微电子学的应用生物工程的应用光电领域的应用化工领域的应用医学上的应用分子组装方面的应用在其它方面的应用 微观纳米精美组图 二氧化硅酷似向日葵氧化锌纳米微观像中国国画晶体管像山川湖泊遥远星系聚合体像河畔森林 二氧化硅纳米线能够自行组成形成令人深刻印象的图案 香港中文大学教授郝少康在电子扫描显微镜下观看二氧化硅呈现出花卉的形状 不同于植物的是 这些花卉需要的 肥料 是镓和金催化剂 这些催化剂可让二氧化硅纳米线的长度增长至几微米 直径保持在10纳米左右 这幅精美纳米微观图片与真实的向日葵颇为相似 新加坡南洋理工大学博士后研究员杨英辉 音译 在检测氧化锌纳米针的时候 意外地发现这呈现出典型的中国国画风格 通过对场景上色 杨英辉又绘画了一部分 使得氧化锌纳米微观图成为一幅精美中国国画 在美国斯坦福大学包哲楠 音译 和她的研究小组使有机晶体管成为更加先进的电子设备 她的一位研究生使用横向极化光显微镜将有机晶体管进行微观转换 从微观上观测 薄膜的明亮区域就像是山川湖泊 而金电极部分则像一面篱笆墙 钾铌氧化物堆积在硅表面 研究生迈克尔 塞格纳托维茨使用一个光学显微镜拍摄了这张图像 观看起来非常像一个遥远星系 多孔硅模具的聚合体图像 这张图片是电子扫描显微镜覆盖一个多孔硅模具的聚合体图像 但是对于美国德克萨斯州大学研究员法蒂赫 布约克塞林来说 这看上去非常像哈得孙河畔的森林 磁性液体受磁场作用的演示照片 国外纳米技术进展 实心的纳米棒 纳米线 量子线 国外纳米技术进展 朗讯公司和牛津大学 纳米镊子碳纳米管 秤 称量一个病毒的重量称量单个原子重量的 纳米秤 国外纳米技术进展 DNA开关 纳米技术在中国 1993年 中科院操纵原子写字 第三节新材料技术的基本内容新材料技术是按照人的意志 通过物理研究 材料设计 材料加工 试验评价等一系列研究过程 创造出能满足各种需要的新型材料的技术 新材料按材料的属性划分 有金属材料 无机非多属材料 如陶瓷 砷化镓半导体等 有机高分子材料 先进复合材料四大类 按材料的使用性能性能分 有结构材料和功能材料 结构材料主要是利用材料的力学和理化性能 以满足高强度 高刚度 高硬度 耐高温 耐磨 耐蚀 抗辐照等性能要求 功能材料主要是利用材料具有的电 磁 声 光热等效应 以实现某种功能 如半导体材料 磁性材料 光敏材料 热敏材料 隐身材料和制造原子弹 氢弹的核材料等 新材料在国防建设上作用重大 例如 超纯硅 砷化镓 研制成功 导致大规模和超大规模集成电路的诞生 使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上 航空发动机材料的工作温度每提高100 推力可增大24 隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射 使敌方探测系统难以发现 新材料技术被称为 发明之母 和 产业粮食 超导材料 有些材料当温度下降至某一临界温度时 其电阻完全消失 这种现象称为超导电性 具有这种现象的材料称为超导材料 超导体的另外一个特征是 当电阻消失时 磁感应线将不能通过超导体 这种现象称为抗磁性 一般金属 例如 铜 的电阻率随温度的下降而逐渐减小 当温度接近于0K时 其电阻达到某一值 而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银 当温度下降到4 2K 即 269 时 发现水银的电阻完全消失 超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性 使超导体电阻为零的温度称为临界温度 TC 超导材料研究的难题是突破 温度障碍 即寻找高温超导材料 高温氧化物超导体的出现 突破了温度壁垒 把超导应用温度从液氦 4 2K 提高到液氮 77K 温区 同液氦相比 液氮是一种非常经济的冷媒 并且具有较高的热容量 给工程应用带来了极大的方便 另外 高温超导体都具有相当高的磁性能 能够用来产生20T以上的强磁场 超导材料最诱人的应用是发电 输电和储能 能源材料能源材料主要有太阳能电池材料 储氢材料 固体氧化物电池材料等 太阳能电池材料是新能源材料 IBM公司研制的多层复合太阳能电池 转换率高达40 氢是无污染 高效的理想能源 氢的利用关键是氢的储存与运输 美国能源部在全部氢能研究经费中 大约有50 用于储氢技术 氢对一般材料会产生腐蚀 造成氢脆及其渗漏 在运输中也易爆炸 储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物 当需要时加热放氢 放完后又可以继续充氢的材料 目前的储氢材料多为金属化合物 如LaNi5H Ti1 2Mn1 6H3等 固体氧化物燃料电池的研究十分活跃 关键是电池材料 如固体电解质薄膜和电池阴极材料 还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等 智能材料智能材料是继天然材料 合成高分子材料 人工设计材料之后的第四代材料 是现代高技术新材料发展的重要方向之一 国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破 如英国宇航公司的导线传感器 用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况 英国开发出一种快速反应形状记忆合金 寿命期具有百万次循环 且输出功率高 以它作制动器时 反应时间仅为10分钟 形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等 医学等领域 另外 还有压电材料 磁致伸缩材料 导电高分子材料 电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料 磁性材料磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类 软磁材料是指那些易于磁化并可反复磁化的材料 但当磁场去除后 磁性即随之消失 这类材料的特性标志是 磁导率 B H 高 即在磁场中很容易被磁化 并很快达到高的磁化强度 但当磁场消失时 其剩磁很小 这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术 如磁芯 磁头 存储器磁芯 在强电技术中可用于制作变压器 开关继电器等 目前常用的软磁体有铁硅合金 铁镍合金 非晶金属 硬磁材料 永磁材料 永磁材料经磁化后 去除外磁场仍保留磁性 其性能特点是具有高的剩磁 高的矫顽力 利用此特性可制造永久磁铁 可把它作为磁源 如常见的指南针 仪表 微电机 电动机 录音机 电话及医疗等方面 永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类 碳纤维碳纤维是指化学组成中碳元素质量分数在90 以上的纤维材料 是利用各种含碳的有机纤维 如尼龙丝 腈纶丝 人造丝等做原料 在惰性气体中 经过低温氧化 低碳化及高温碳化而制得 有机纤维在惰性气体中加热到1000 3000 时 所有非碳原子将逐步被驱除 碳含量逐步增加 固相间发生一系列脱氢 环化 交联和缩聚等化学反应 最终形成了碳纤维 每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成 在原子层面的碳纤维跟石墨很相近 由一层层以六角型排列的碳原子构成 碳纤维与石墨两者的差别在于层与层之间的连接 石墨是晶体结构 它的层间连接松散 而碳纤维不是晶体结构 层间连接是不规则的 这样可防止滑移 增强物质强度 碳纤维具有一般碳素材料的特性 如比重小 耐高温 耐摩擦 导电 导热及耐腐蚀等 但与一般碳素材料不同的是 其外形有显著的各向异性 柔软 可加工成各种织物 沿纤维轴方向表现出很高的强度 新型陶瓷新型陶瓷采用人工合成的高纯度无机化合物为原料 在严格控制的条件下经成型 烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料 新型陶瓷以其独特的优异性能 已成为航天 航空 建筑 冶金 机械 化工 电子 生物等工程技术中的关键材料 且应用领域仍处于不断扩展中 新型陶瓷按化学成分主要分为纯氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 按照其性能与特征又可分为高温陶瓷 超硬质陶瓷 高韧陶瓷 半导体陶瓷 电解质陶瓷 磁性陶瓷 导电性陶瓷等 按其应用不同又可将它们分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类 光纤光纤是20世纪人类最伟大的发明之一 在过去的30年中 工程师和科学界已经完成了一场宁静的光纤通讯革命 光纤为光导纤维的简称 由直径大约为0 1mm的细玻璃丝构成 它透明 纤细 虽比头发丝还细 却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构 它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成 通常为了保护光纤 包层外还往往覆盖一层塑料加以保护 其中纤芯的芯径一般为50或62 5 m 包层直径一般为125 m 光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频 光导纤维为传输介质的一种通信方式 第四节新材料技术展望进入20世纪90年代以来 材料科学技术的发展异常迅速 材料科学与生命科学 信息科学 认知科学 环境科学和非线性科学共同构成了当代科学技术的前沿 展望21世纪 基于物理 化学 数学等自然科学与电子 化工 冶金等工程技术最新成就的材料科学技术前沿有 微电子材料 主要是大直径硅单晶及片材技术 用于硅亚微米工艺的大直径硅片外延技术 砷化镓和磷化铟晶片及以它们为基的 族半导体超晶格 量子阱异质结构材料制备技术 硅锗合金和宽禁带半导体材料制备与应用技术 新型光电子材料 主要是大直径 高光学质量人工晶体制备技术和有机 无机新型非线性光学晶体探索 大功率半导体激光光纤模块及全固态可调谐激光技术 有机 无机超高亮度红 绿 兰三基色材料及应用技术 新型红外 兰 紫半导体激光材料以及新型光探测和光存储材料及应用技术 稀土功能材料 主要是高纯稀土材料的制备技术 超高磁能和稀土永磁材料的大规模生产技术 高性能稀土储氢材料及相关技术 高性能稀土催化剂材料制备与应用技术 生物医用材料 高可靠植入体内的生物活性材料合成关键技术 生物相容材料制备技术 如组织器官替代材料 人造血液 人造皮和透析膜技术 先进复合材料 主要是复合材料的低成本制备技术 复合材料的界面控制与优化技术 不同尺度不同结构异质材料复合新技术 以及复合增强材料的高性能 低成本化技术 新型金属材料 主要是交通运输用轻质高强材料 能源动力用高温耐蚀材料 新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术 先进陶瓷材料 主要是信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及系统集成技术 高性能陶瓷薄膜 异质薄膜的制备 集成与微加工技术 结构陶瓷及其复合材料的补强 韧化技术 先进陶瓷的低成本 高可靠性技术 关于我国材料发展战略 节选 傅恒志 材料是国民经济 社会进步和国家安全的物质基础与先导先进材料具有强烈的基础性 支撑性 技术经济价值和迫切战略需求 材料发展战略思考 与新材料相关的战略研究 科技发展总体战略研究 世界科学技术发展的优先领域 信息科学和技术生命科学和生物技术能源科学和技术环境科学和技术材料科学和技术高密度存储材料 生态材料 生物材料 碳材料和高性能结构材料等纳米科学和技术先进制造技术 要加快发展电子信息 生物工程和新材料等高新技术产业 形成工业发展新的增长点 十五届五中全会 研发原创性成果在微电子材料技术 光电子材料技术 功能陶瓷 纳米材料 生物医用材料等前沿技术领域取得一批原创性成果提升支柱产业钢铁 有色金属 建材 化工等领域的关键新材料达到国际先进水平 辐射带动一大批支柱产业的技术改造升级促进高新成果转化一批应用型新材料项目取得重大突破 引导和促进形成年产值达数十亿元的大型新材料产业 材料领域总体战略目标 培育经济新增长点 信息新材料和特种功能新材料领域一批新兴的 产业化前景好的新材料技术步入国际先进行列 培育一批新兴产业生长点 形成和完善若干新材料研究开发基地保障重点工程建设 为国防重点工程 振兴东部老工业基地 奥运 大型民用客机 探月计划 等重大建设工程项目提供一批关键新材料培养创新人才 培育一批创新能力强 综合素质高的新材料科研群体 美国60 70年代阿波罗登月70 80年代星球大战80 90年代信息高速公路90 纳米科技俄罗斯21世纪9项优先发展的科学 工艺 技术中 新材料和化学 排在第三 先进材料科技的国际发展趋势 建立先进材料科技体系 加强基础与战略性的材料研究 促进成果快速转化材料的复合与组装材料智能化及结构 功能一体化材料与环境 资源的 协调与融合 材料制备和表征技术备受重视经济可承受性和可持续发展军民结合 寓军于民 我国新材料技术发展趋势 规划纲要 主题一 基础 原 材料先进制造技术绿色制造技术 低成本制造技术 催化与分离技术 通用材料高性能化制备技术主题二 超级结构材料高性能金属材料 高性能结构陶瓷 高性能工程塑料 先进结构复合材料主题三 先进功能材料与器件光电子材料与器件 微电子材料与器件 信息功能材料与器件 超导材料与器件 智能材料与器件主题四 能源与生态环境材料新型能源材料 环境友好材料 生物与仿生材料主题五 纳米材料与器件纳电子