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国际社会公认,材料、能源和信息技术是现代文明的三大支柱。预计21世纪新材料技术将有新的突破,并由此带动电子信息、能源、医疗、航天航空、交通运输等领域的发展突飞猛进。当前研制的新材料很多,这里只扼要介绍几种极具商业前景的功能材料——高性能金属与合金、特种陶瓷、纳米材料、超导材料。
纵观人类的歷史可以发现,材料是人类生存和发展的物质基础,也是人类文明进步的重要标志和推动力量。几乎每一种重要的新材料的发现和推广应用,都会把人类改造自然的能力提高到一个新的水平,使社会生产和人们的生活发生巨大的变化,使社会发展的进程大大加快。
1 高性能金属与合金
高性能金属与合金是通过新工艺、新技术改变已有金属或合金的结构,从而赋予它新的特别优良的性能,主要有以下几种。
1.1 形状记忆合金这种合金存在形状记忆效应,将在高温下处理成一定形状的金属急剧冷却下来,在低温状态下不论把它变成什么形状,只要加热到转变温度,就能使它恢复原来的形状。此外,形状记忆合金还具有超弹性、耐磨性及耐蚀性等。利用这些特性,可开发多种应用,如用作空调器的风向转换器、断路器、管接头、记忆铆钉、控温装置、接骨夹板、人造心脏、人造肌肉、人工关节、牙齿矫形唇弓丝、同步通信卫星的天线等。
1.2 非晶态合金它又称金属玻璃,是将合金加热到熔融状态,再急速冷却下来得到的。由于其原子排列不像一般金属那样呈现周期性的规则排列(即呈晶态),因而性质与一般金属和玻璃截然不同。它具有金属光泽和韧性,硬度超过超高硬度工具钢,耐腐蚀性比最好的不锈钢高出百倍,磁性能也较优良,此外还呈现出催化性、超导性、吸氢性等特殊性能。因此。它主要用作变压器铁芯、传感器、磁屏蔽材料、焊料等。
非晶态合金材料的应用开发至今仍在迅速发展,可望随着非晶化技术的发展,非晶态合金的品种和应用范围日益扩大。
2 特种陶瓷
特种陶瓷又称精细陶瓷或新型陶瓷,是以人工原料制备,在原料及工艺产品显微结构等方面与传统陶瓷有较大差异。先进陶瓷一般具有高强度、高韧性、高硬度和耐高温、耐腐蚀等特性,有的还具有能量转换、信息传递功能和敏感功能等。从使用性能上进行区分,特种陶瓷可分为结构陶瓷、多功能陶瓷和生物陶瓷。
目前,功能陶瓷在电子、石油、化工、钢铁、能源、纺织、交通、人工智能、医疗、生物工程以及很多尖端技术领域都有十分广阔的应用前景。功能陶瓷与电子技术关系密切,根据其组成结构的易调和可控性,可以制备超高绝缘性、半导性和超导性等陶瓷。另外,许多光学仪器、光存贮元件和光电子管都可用先进陶瓷材料制造,如透明氧化铝作为理想的灯管材料和高性能的封装材料,现已是一个巨大的产业。功能陶瓷还可用于医疗领域,作为人体修复材料,如用来制作假牙、人造骨骼和人工关节等。
3 纳米材料
纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒。
复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20%超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料;金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒,可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变(梯度)功能材料的原材料。例如,材料的耐高温表面为陶瓷,与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属,其间为陶瓷与金属的复合体,使其间的成分缓慢连续地发生变化,这种材料可用于温差达1 000 ℃的航天飞机隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。渐变功能材料是近年来发展起来的新型材料,预期在医学生物上可制成具有生物活性的人造牙齿、人造骨、人造器官,可制成复合的电磁功能材料、光学材料等。
目前纳米科学技术正处于重大突破的前夜,它已经取得的一系列成果,在纳米尺度上重新认识和改造客观世界,确实是件激动人心的事情,足以使科技界为之震动,并引起全世界的关注。
4 超导材料
超导材料是一种具有超导电性的材料。它除了具有在临界低温下电阻突然消失的效应外,还具有完全抗磁(排斥磁场)效应。利用这2个特性,可开发其极有价值的应用。例如,超导变压器体积缩小、损耗减低,超导导线电阻几近于零,电能损耗也相应几近于零,这对于节能意义重大。用来制造超导磁悬浮列车,速度快、无噪声、无污染、无振动,是未来理想的铁路运输工具。做成超导量子干涉器,用于电磁测量,具有极高的灵敏度,可用于金属材料的探伤、探矿;用于医学,可检测微弱的生物磁效应,可诊断脑病和心脏病;用作电子开关,耗能只有一般半导体的千分之一,但速度快10倍。此外,在红外探测、微波器件、电机、磁屏蔽装置等方面也都有重要的应用前景。同时,随着高温超导研究的进展,超导体有望在21世纪初达到实用化和产业化。
目前,新材料的发展正处在一个日新月异的快速发展时期,其发展的趋势可归纳为以下几方面:1)由于多种材料学科的交叉、融合,新材料的功能化、复合化、智能化特征将更加突出;2)新材料将层出不穷,诸如信息功能材料、生物材料、纳米材料、低维材料、环保材料、梯度材料、智能材料等将日益受到重视,从而获得发展;3)新能源材料、环保材料及其制造工艺、加工技术将被优先采用,材料的可再生循环技术将备受青睐。
参考文献
[1]汪小兰,田荷珍,耿承延.基础化学[M].北京:高等教育出版社,2006
[2]王德胜.现代科技精华[M].银川:宁夏人民出版社,1993
[3]宋健.现代科学技术基础知识[M].北京:科学出版社,1995
纵观人类的歷史可以发现,材料是人类生存和发展的物质基础,也是人类文明进步的重要标志和推动力量。几乎每一种重要的新材料的发现和推广应用,都会把人类改造自然的能力提高到一个新的水平,使社会生产和人们的生活发生巨大的变化,使社会发展的进程大大加快。
1 高性能金属与合金
高性能金属与合金是通过新工艺、新技术改变已有金属或合金的结构,从而赋予它新的特别优良的性能,主要有以下几种。
1.1 形状记忆合金这种合金存在形状记忆效应,将在高温下处理成一定形状的金属急剧冷却下来,在低温状态下不论把它变成什么形状,只要加热到转变温度,就能使它恢复原来的形状。此外,形状记忆合金还具有超弹性、耐磨性及耐蚀性等。利用这些特性,可开发多种应用,如用作空调器的风向转换器、断路器、管接头、记忆铆钉、控温装置、接骨夹板、人造心脏、人造肌肉、人工关节、牙齿矫形唇弓丝、同步通信卫星的天线等。
1.2 非晶态合金它又称金属玻璃,是将合金加热到熔融状态,再急速冷却下来得到的。由于其原子排列不像一般金属那样呈现周期性的规则排列(即呈晶态),因而性质与一般金属和玻璃截然不同。它具有金属光泽和韧性,硬度超过超高硬度工具钢,耐腐蚀性比最好的不锈钢高出百倍,磁性能也较优良,此外还呈现出催化性、超导性、吸氢性等特殊性能。因此。它主要用作变压器铁芯、传感器、磁屏蔽材料、焊料等。
非晶态合金材料的应用开发至今仍在迅速发展,可望随着非晶化技术的发展,非晶态合金的品种和应用范围日益扩大。
2 特种陶瓷
特种陶瓷又称精细陶瓷或新型陶瓷,是以人工原料制备,在原料及工艺产品显微结构等方面与传统陶瓷有较大差异。先进陶瓷一般具有高强度、高韧性、高硬度和耐高温、耐腐蚀等特性,有的还具有能量转换、信息传递功能和敏感功能等。从使用性能上进行区分,特种陶瓷可分为结构陶瓷、多功能陶瓷和生物陶瓷。
目前,功能陶瓷在电子、石油、化工、钢铁、能源、纺织、交通、人工智能、医疗、生物工程以及很多尖端技术领域都有十分广阔的应用前景。功能陶瓷与电子技术关系密切,根据其组成结构的易调和可控性,可以制备超高绝缘性、半导性和超导性等陶瓷。另外,许多光学仪器、光存贮元件和光电子管都可用先进陶瓷材料制造,如透明氧化铝作为理想的灯管材料和高性能的封装材料,现已是一个巨大的产业。功能陶瓷还可用于医疗领域,作为人体修复材料,如用来制作假牙、人造骨骼和人工关节等。
3 纳米材料
纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒。
复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20%超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料;金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒,可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变(梯度)功能材料的原材料。例如,材料的耐高温表面为陶瓷,与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属,其间为陶瓷与金属的复合体,使其间的成分缓慢连续地发生变化,这种材料可用于温差达1 000 ℃的航天飞机隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。渐变功能材料是近年来发展起来的新型材料,预期在医学生物上可制成具有生物活性的人造牙齿、人造骨、人造器官,可制成复合的电磁功能材料、光学材料等。
目前纳米科学技术正处于重大突破的前夜,它已经取得的一系列成果,在纳米尺度上重新认识和改造客观世界,确实是件激动人心的事情,足以使科技界为之震动,并引起全世界的关注。
4 超导材料
超导材料是一种具有超导电性的材料。它除了具有在临界低温下电阻突然消失的效应外,还具有完全抗磁(排斥磁场)效应。利用这2个特性,可开发其极有价值的应用。例如,超导变压器体积缩小、损耗减低,超导导线电阻几近于零,电能损耗也相应几近于零,这对于节能意义重大。用来制造超导磁悬浮列车,速度快、无噪声、无污染、无振动,是未来理想的铁路运输工具。做成超导量子干涉器,用于电磁测量,具有极高的灵敏度,可用于金属材料的探伤、探矿;用于医学,可检测微弱的生物磁效应,可诊断脑病和心脏病;用作电子开关,耗能只有一般半导体的千分之一,但速度快10倍。此外,在红外探测、微波器件、电机、磁屏蔽装置等方面也都有重要的应用前景。同时,随着高温超导研究的进展,超导体有望在21世纪初达到实用化和产业化。
目前,新材料的发展正处在一个日新月异的快速发展时期,其发展的趋势可归纳为以下几方面:1)由于多种材料学科的交叉、融合,新材料的功能化、复合化、智能化特征将更加突出;2)新材料将层出不穷,诸如信息功能材料、生物材料、纳米材料、低维材料、环保材料、梯度材料、智能材料等将日益受到重视,从而获得发展;3)新能源材料、环保材料及其制造工艺、加工技术将被优先采用,材料的可再生循环技术将备受青睐。
参考文献
[1]汪小兰,田荷珍,耿承延.基础化学[M].北京:高等教育出版社,2006
[2]王德胜.现代科技精华[M].银川:宁夏人民出版社,1993
[3]宋健.现代科学技术基础知识[M].北京:科学出版社,1995