非金屬材料及成形

1、第5章 非金屬材料及成形5.1概述    非金屬材料是指除金屬材料之外的所有材料的總稱。隨著高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使用材料的領(lǐng)域越來越廣，所提出的要求也越來越高。對于要求密度小、耐腐蝕、電絕緣、減振消聲和耐高溫等性能的工程構(gòu)件，傳統(tǒng)的金屬材料已難以勝任。而非金屬材料這些性能卻有著各自優(yōu)勢。另外，單一金屬或非金屬材料無法實現(xiàn)的性能,可通過復(fù)合材料得以實現(xiàn)。    非金屬材料的來源十分廣泛，大多成形工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輕工、家電、建材、機(jī)電等各行各業(yè)中，目前在工程領(lǐng)域應(yīng)用最多的非金屬材料主要是塑料、橡膠、陶瓷及各種復(fù)合材料

2、。5.1.1非金屬材料的發(fā)展    人類社會的發(fā)展在很大程度上取決于生產(chǎn)力的發(fā)展，生產(chǎn)力水平的高低往往以勞動工具為代表，而勞動工具的進(jìn)步又離不開材料的發(fā)展。早在一百萬年以前，人類開始用石頭做工具，標(biāo)志著人類進(jìn)入舊石器時代。大約一萬年以前，人類知道對石頭進(jìn)行加工，使之成為精致的器皿或工具，從而標(biāo)志著人類進(jìn)入新石器時代。在新石器時代，人類開始用皮毛遮身。8000年前，中國就開始用蠶絲做衣服，4500年前，印度人開始種植棉花，這些都標(biāo)志著人類使用材料促進(jìn)文明進(jìn)步。在新石器時代，人類已發(fā)明了用黏土成形，經(jīng)火燒固化而成為陶器。陶器不但成為器皿，而且成為裝飾品，歷史上雖無陶器

3、時代的名稱，但其對人類文明的貢獻(xiàn)卻不可估量。這是人類有史以來第一次使用自然界存在的物質(zhì)（黏土和水），發(fā)明制造了自然界沒有的物品（陶器）。陶器可以盛水、煮食物。水在100oC沸騰而保持恒溫，食物的營養(yǎng)成分不但不被破壞，而且更易于消化吸收。人類的飲食生活習(xí)性由燒烤發(fā)展為蒸煮，人類自身生存狀況有了徹底改觀。因此，甚至有史學(xué)家認(rèn)為陶器是人類最偉大的發(fā)明。時至今日，滿足人類居住的建筑用材料，仍以非金屬材料為主。隨著5000年前的青銅、3000年前的鐵以及后來鋼等金屬材料的出現(xiàn)，人類在十八世紀(jì)發(fā)明了蒸汽機(jī)，十九世紀(jì)發(fā)明了電動機(jī)、平爐和轉(zhuǎn)爐煉鋼。金屬材料使人類農(nóng)業(yè)繁榮并逐步走向工業(yè)時代，把人類帶進(jìn)了現(xiàn)代物質(zhì)

4、文明。當(dāng)隨著有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，人造合成纖維的發(fā)明是人類改造自然材料的又一里程碑。目前各種有機(jī)合成材料幾乎滲透到人類日常生活的各個領(lǐng)域。高性能的陶瓷材料以及各種復(fù)合材料支撐了航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，使人類的文明走向宇宙。以單晶硅、激光材料、光導(dǎo)纖維為代表的新材料的出現(xiàn)，使人類僅用五十年就進(jìn)入了信息時代。所以非金屬材料對人類社會文明的進(jìn)步發(fā)揮著重大的作用。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的推動下，材料科學(xué)發(fā)展迅速，材料的種類日益增多，不同功能的新材料不斷涌現(xiàn)，原有材料的性能不斷改善與提高，以滿足人類未來的各種使用需求，因此，材料特別是品種繁多的新型非金屬材料是未來高科技的基石、先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的支柱和人類文明發(fā)展的基礎(chǔ)。

5、5.1.2非金屬材料的分類    目前，非金屬材料通常以其組成的主要成分分為無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料及復(fù)合材料三大類。    典型無機(jī)非金屬材料:水泥、玻璃、陶瓷。典型有機(jī)高分子材料：塑料、橡膠、化纖。    典型復(fù)合材料：無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料、有機(jī)高分子材料基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料。5.1.3非金屬材料的選擇及應(yīng)用1非金屬材料的選擇    由于非金屬材料的種類繁多，不同類型、成分、性能及不同成形方法的非金屬材料在工程實際中的使用和選擇，是個很復(fù)雜的過程。設(shè)計師和

6、工程師在選擇非金屬材料時，主要應(yīng)考慮以下的因素：1）滿足使用性能和工藝性能；2）防止出現(xiàn)失效事故；3）經(jīng)濟(jì)性；4）考慮可持續(xù)發(fā)展選材。   此外，材料的選擇是一個系統(tǒng)工程。在一個部件或者裝置中，所選用的各種材料要能夠在一起使用，而不能因相互作用而降低對方的性能。   因此，在大多數(shù)情況下，材料的選擇是一個反復(fù)權(quán)衡的復(fù)雜過程。在某種意義上，其重要性不亞于材料本身的研究開發(fā)。2非金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域    過去，非金屬結(jié)構(gòu)材料傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是建筑、輕工、紡織、家電、儀器儀表、農(nóng)業(yè)等，在工業(yè)上主要是裝飾件、密封件、刀具、輪胎等。

7、但是現(xiàn)在，非金屬結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用正以前所未有的速度發(fā)展。隨著各種非金屬材料合成和制備技術(shù)不斷提高和完善，非金屬材料的產(chǎn)量和性能均不斷提高。有關(guān)專家預(yù)測，很多傳統(tǒng)上由金屬制造的零件、部件、結(jié)構(gòu)件，將會被工程塑料、工程陶瓷及復(fù)合材料等非金屬材料所取代。例如，汽車的車身可采用工程塑料或復(fù)合材料，每千克工程塑料可代替45千克鋼鐵，而且可整體成形，因而成本和油耗將進(jìn)一步降低。由于原料充足，可以設(shè)計、制造出無窮的新產(chǎn)品，非金屬結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。    另外，各種新型非金屬材料，其應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)比非金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊得多，特別是現(xiàn)代高科技密集

8、的領(lǐng)域。在微電子、信息通信、航空航天、生物工程、環(huán)境保護(hù)、新能源等領(lǐng)域中應(yīng)用了大量的新型非金屬材料，其中最具代表的有單晶硅、超導(dǎo)材料、固體激光材料、飛船高溫防護(hù)材料、仿生材料、環(huán)保材料、隱形納米材料等等。由于篇幅所限，本章的主要內(nèi)容為非金屬結(jié)構(gòu)材料及其成形。5.2工程塑料及成形    塑料是一類以天然或合成樹脂為主要成分，在一定溫度、壓力條件下經(jīng)塑制成形，并在常溫下能保持形狀不變的高分子工程材料。    塑料具有一定的耐熱、耐寒及良好的力學(xué)、電氣、化學(xué)等綜合性能，可以替代非鐵金屬及其合金，作為結(jié)構(gòu)材料用來制造機(jī)器零件或工程結(jié)構(gòu)。塑料以

9、其質(zhì)輕、耐蝕、電絕緣，具有良好的耐磨和減磨性，良好的成形工藝性等特性以及有豐富的資源而成為應(yīng)用很廣泛的高分子材料，在工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、國防工業(yè)及日常生活中均得到廣泛應(yīng)用。5.2.1工程塑料的組成和性能l. 塑料的組成    一般說來，塑料是由樹脂和若干種添加劑 (如填充劑、增塑劑、潤滑劑、著色劑、穩(wěn)定劑、固化劑和阻燃劑)組成。1)樹脂 樹脂是塑料的主要組分，它是塑料中能起粘結(jié)作用的部分，并使塑料具有成形性能。2)填充劑 其主要作用是:改變塑料的某些性能，降低塑料成本，擴(kuò)大塑料的應(yīng)用范圍。3)增塑劑 增塑劑是用來提高樹脂可塑性的。常用增塑劑如氧化石蠟、磷酸脂類等。

10、4)潤滑劑 潤滑劑是為防止塑料在成形過程中粘模而加人的添加劑。5)著色劑 著色劑是使塑料制品具有美麗色彩的有機(jī)或無機(jī)顏料。6)固化劑 固化劑是熱固性塑料所必需的添加劑，目的在于促使線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，成形后獲得堅硬的塑料制品。7)穩(wěn)定劑 穩(wěn)定劑又稱防老化添加劑，其主要作用是提高某些塑料的受熱或光照穩(wěn)定性。8)其他添加劑 塑料添加劑除上述幾項外還有阻燃劑(如氧化銻等)、抗靜電劑、發(fā)泡劑、溶劑、稀釋劑等。2. 工程塑料的性能1)力學(xué)性能    力學(xué)性能是決定工程塑料使用范圍的重要指標(biāo)之一，工程塑料具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性和耐磨性，可代替金屬制造機(jī)器零件或構(gòu)

11、件，尤其是某些工程塑料的比強(qiáng)度(材料拉伸強(qiáng)度與密度之比)很高，大大超過金屬的比強(qiáng)度(如玻璃纖維增強(qiáng)塑料)，可制造減輕自重的各種結(jié)構(gòu)件。5.2.2工程塑料的分類和應(yīng)用1. 塑料的分類1)按樹脂受熱的行為分為熱塑性與熱固性塑料    熱塑性塑料:其分子結(jié)構(gòu)主要為線型或支鏈線型分子結(jié)構(gòu)，工藝特點(diǎn)是受熱軟化、熔融，具有可塑性，冷卻后堅硬；再受熱又可軟化，可重復(fù)使用而其基本性能不變；可溶解在一定的溶劑中。成形工藝簡便、形式多種多樣，生產(chǎn)效率高，可直接注射、擠壓、吹塑成形。如聚乙烯、聚丙烯、ABS等。熱固性塑料:具有體型分子結(jié)構(gòu)，熱固性塑料一次成形后，質(zhì)地堅硬、性質(zhì)穩(wěn)定，不再

12、溶于溶劑中，受熱不變形，不軟化，不能回收。成形工藝復(fù)雜，大多只能采用模壓或?qū)訅悍?，生產(chǎn)效率低。如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。5.2.3工程塑料的成形1. 塑料成形加工技術(shù)分類    塑料的成形，按各種成形加工技術(shù)在生產(chǎn)中所屬成形加工階段的不同，可將其劃分為一次成形技術(shù)、二次成形技術(shù)和二次加工技術(shù)三個類別。2. 塑料的一次成形技術(shù)    塑料的一次成形是指將粉狀、粒狀、纖維狀和碎屑狀固體塑料、樹脂溶液或糊狀等各種形態(tài)的塑料原料制成所需形狀和尺寸的制品或半制品的技術(shù)。這類成形方法很多，目前生產(chǎn)上廣泛采用注射、擠出、壓制、澆鑄等方法成形。注射成形

13、主要應(yīng)用于熱塑性塑料和流動性較大的熱固性塑料，可以成形幾何形狀復(fù)雜、尺寸精確及帶各種嵌件的塑料制品，如電視機(jī)外殼、日常生活用品等。目前注射制品約占塑料制品總量的30%。近年來新的注射技術(shù)如反應(yīng)注射、雙色注射、發(fā)泡注射等的發(fā)展和應(yīng)用，為注射成形提供了更加廣闊的應(yīng)用前景。2)擠出成形    擠出成形又稱擠塑成形或擠出模塑，其成形過程如圖5-3所示。首先將粒狀或粉狀的塑料加入到擠出機(jī)(與注射機(jī)相似)料斗中，然后由旋轉(zhuǎn)的擠出機(jī)螺桿送到加熱區(qū)，逐漸熔融呈粘流態(tài)，然后在擠壓系統(tǒng)作用下，塑料熔體通過具有一定形狀的擠出模具(機(jī)頭)口模而成形為所需斷面形狀的連續(xù)型材。3)壓制成形&

14、#160;   壓制成形是指主要依靠外壓的作用，實現(xiàn)成形物料造型的一次成形技術(shù)。壓制成形是塑料加工中最傳統(tǒng)的工藝方法，廣泛用于熱固性塑料的成形加工。根據(jù)成形物料的性狀和加工設(shè)備及工藝的特點(diǎn)，壓制成形可分為模壓成形和層壓成形。模壓成形(圖5-4a)是將粉狀、粒狀、碎屑狀或纖維狀的熱固性塑料原料放人模具中，然后閉模加熱加壓而使其在模具中成形并硬化，最后脫模取出塑料制件，其所用設(shè)備為液壓機(jī)、旋壓機(jī)等。3.塑料的二次成形技術(shù)    塑料的二次成形是指在一定條件下將塑料半制品（如型材或坯件等）通過再次成形加工，以獲得制品的最終形樣的技術(shù)。目前生產(chǎn)上采用的

15、有中空吹塑成形、熱成形和薄膜的雙向拉伸成形等幾種二次成形技術(shù)。1)中空吹塑成形    吹塑成形是制造空心塑料制品的成形方法，是借助氣體壓力使閉合在模腔內(nèi)尚處于半熔融態(tài)的型坯吹脹成為中空制品的二次成形技術(shù)。中空吹塑又分為注射吹塑和擠出吹塑，注射吹塑是用注射成形法先將塑料制成有底型坯，再把型坯移入吹塑模內(nèi)進(jìn)行吹塑成形。圖5-6所示為注射吹塑成形過程。首先由注射機(jī)在高壓下將熔融塑料注入型坯模具內(nèi)并在芯模上形成適宜尺寸、形狀和質(zhì)量的管狀有底型坯，所用模芯為一端封閉的管狀物，壓縮空氣可從開口端通入并從管壁上所開的多個小孔逸出。型坯成形后，打開注射模將留在芯模上的熱型坯移入吹

16、塑模內(nèi)，合模后從模芯通道吹入0.20.7Mpa的壓縮空氣，型坯立即被吹脹而脫離模芯并緊貼吹塑模的型腔壁上，并在空氣壓力下進(jìn)行冷卻定型，然后開模取出制品。5.4工業(yè)陶瓷及成形    陶瓷是由天然或人工合成的粉狀礦物原料和化工原料組成,經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的,由金屬和非金屬元素構(gòu)成化合物反應(yīng)生成的多晶體相固體材料。5.4.1陶瓷的組織結(jié)構(gòu)及性能1陶瓷的組織結(jié)構(gòu)    普通陶瓷的典型組織是由晶體相、玻璃相和氣體相組成的。特種陶瓷的原料純度高，組織比較單一。如含Al203在95%以上氧化鋁陶瓷，其組織主要由Al203晶體和少量氣體相組成。2

17、陶瓷的性能1）陶瓷的力學(xué)性能    陶瓷的彈性模量E一般都較高，極不容易變形。有的先進(jìn)陶瓷有很好的彈性，可以制作成陶瓷彈簧。陶瓷的硬度很高，絕大多數(shù)陶瓷的硬度遠(yuǎn)高于金屬。陶瓷的耐磨性好，是制造各種特殊要求的易損零、部件的好材料。例如用碳化硅陶瓷制造的各種泵類的機(jī)械密封環(huán)，壽命很長，可以用到整臺機(jī)器報廢為止。陶瓷的抗拉強(qiáng)度低，但抗彎強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度更高，一般比抗拉強(qiáng)度高一個數(shù)量級。陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬的高溫強(qiáng)度，在1000oC以上的高溫下陶瓷仍能保持其室溫下的強(qiáng)度，而且高溫抗蠕變能力強(qiáng)，是工程上常用的耐高溫材料。傳統(tǒng)陶瓷在室溫幾乎沒有塑性。近年來還發(fā)現(xiàn)一些陶瓷

18、具有超塑性，斷裂前的應(yīng)變可達(dá)到 300左右。傳統(tǒng)陶瓷的韌性低、脆性大。而許多先進(jìn)陶瓷材料則是既堅且韌，如增韌氧化鋯瓷就非常堅韌。2）陶瓷的物理性能 熱性能    陶瓷的線膨脹系數(shù)較小，比金屬低得多；陶瓷的熱傳導(dǎo)主要靠原子的熱振動來完成的，不同陶瓷材料的導(dǎo)熱性能不同，有的是良好的絕熱材料，有的則是良好的導(dǎo)熱材料，如氮化硼和碳化硅陶瓷。熱穩(wěn)定性陶瓷材料在溫度急劇變化時具有抵抗破壞的能力。熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差、韌性低的材料熱穩(wěn)定性不高。多數(shù)陶瓷的導(dǎo)熱性差、韌性低，故熱穩(wěn)定性差。但也有些陶瓷具有高的熱穩(wěn)定性，如碳化硅等。 導(dǎo)電性    多數(shù)

19、陶瓷具有良好的絕緣性能，但有些陶瓷具有一定的導(dǎo)電性，如壓電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等。 光學(xué)特性    陶瓷一般是不透明的，隨著科技發(fā)展，目前已研制出了如制造固體激光器材料，光導(dǎo)纖維材料、光存儲材料等陶瓷新品種3）陶瓷的化學(xué)性能    陶瓷的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，通常情況下不可能同介質(zhì)中的氧發(fā)生反應(yīng)，不但室溫下不會氧化，即使1000oC以上的高溫表5-6 常見纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼等金屬的性能材料名稱密度 (g/cm2)抗拉強(qiáng)度(x103MPa)拉伸彈性模量 (x105MPa)比強(qiáng)度(x106m)比模量(x108m)鋼7.81.032.100.130.2

20、7鋁2.800.470.750.170.27鈦4.500.961.140.210.25玻璃鋼2.001.060.400.530.21高強(qiáng)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料1.451.501.401.030.97高模石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料1.601.072.400.671.50芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料1.401.400.801.000.57硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料2.101.382.100.661.00硼纖維/鋁復(fù)合材料2.651.002.000.380.75也不會氧化，并且對酸、堿、鹽等的腐蝕有較強(qiáng)的抵抗能力，也能抵抗熔融金屬(如鋁、銅等)的侵蝕。5.4.2陶瓷的分類及應(yīng)用    陶瓷按

21、組成可分為硅酸鹽陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷(氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和復(fù)合陶瓷)；按性能可分為普通陶瓷(如日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等)和特種陶瓷(如結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷)；按用途可分為日用瓷、藝術(shù)瓷、建筑瓷、工程陶瓷等。5.5復(fù)合材料及成形5.5.1 復(fù)合材料的定義、分類和性能1復(fù)合材料定義復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的組分材料通過適當(dāng)?shù)闹苽涔に噺?fù)合在一起的新材料，其既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無法獲得的或更優(yōu)異的特性。從理論上說，金屬材料、陶瓷材料或高分子材料相互之間或同種材料之間均可復(fù)合形成新的復(fù)合材料。事實上也是如此，如在高分子材料/高分子材料、陶瓷材料/高分子材料、

22、金屬材料/高分子材料、金屬材料/金屬材料、陶瓷材料/金屬材料、陶瓷材料/陶瓷材料之間的復(fù)合都已獲得許多種高性能新型復(fù)合材料。復(fù)合材料通常由基體材料和增強(qiáng)材料兩部分組成，基體一般選用強(qiáng)度韌性好的材料，如聚合物、橡膠、金屬等，而增強(qiáng)材料則選用高強(qiáng)度、高彈性模量的材料，如玻璃纖維、碳纖維和硼纖維等。4復(fù)合材料的性能1）比強(qiáng)度和比模量大復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）與比模量（彈性模量/密度）高，比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個指標(biāo)，比強(qiáng)度愈高，同一零件的自重愈??；比模量愈高，零件的剛度愈大。表5-6 列出了常見纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼等金屬的性能比較。因此，這些特性為某些要求自重輕和剛度好

23、的零件提供了理想的材料。2）抗疲勞性能好多數(shù)金屬的疲勞極限是抗拉強(qiáng)度的40%50%，而碳纖維聚酯樹脂復(fù)合材料則可達(dá)70%80%。3）耐熱性高碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的耐熱性比樹脂基體有明顯提高，而金屬基復(fù)合材料在耐熱性方面更顯示出其優(yōu)越性，碳化硅纖維、氧化鋁纖維與陶瓷復(fù)合，在空氣中能耐1200oC1400oC高溫，要比所有超高溫合金的耐熱性高出100oC以上。用于汽車發(fā)動機(jī)，使用溫度可高達(dá)1370oC4）減振性能好結(jié)構(gòu)的自振頻率除與結(jié)構(gòu)本身形狀有關(guān)外，還與材料的比模量的平方根成正比。高的自振頻率避免了工作狀態(tài)下共振而引起的早期破壞。而且復(fù)合材料中纖維與基體界面具有吸振能力，因此其振動阻尼很高。5

24、）高韌性和抗熱沖擊性，在PMC和CMC中尤為重要；6）絕緣、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性玻璃纖維增強(qiáng)塑料是一種優(yōu)良的電氣絕緣材料，用于制造儀表、電機(jī)與電器中的絕緣零部件，這種材料還不受電磁作用，不反射無線電波，微波透過性良好，還具有耐燒蝕性、耐輻照性，可用于制造飛機(jī)、導(dǎo)彈和地面雷達(dá)罩。金屬基復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，可以使局部的高溫?zé)嵩春图须姾珊芸鞌U(kuò)散消失，有利于解決熱氣流沖擊和雷擊問題。7）耐燒蝕性、耐磨損8）特殊的光、電、磁性能等。復(fù)合材料除具有上述性能外，還具有可設(shè)計性，可以根據(jù)對材料的性能要求，在基體、增強(qiáng)材料的類型和含量上進(jìn)行選擇，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹苽渑c加工。在制品制造時，復(fù)合材料還適合一次整

25、體成形，具備良好的加工性能。5.5.2復(fù)合材料的應(yīng)用    復(fù)合材料的基體可以是聚合物（樹脂）、金屬材料和無機(jī)非金屬材料，增強(qiáng)材料可以是各類纖維、晶須和顆粒。為了便于介紹，以下主要介紹幾種已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的各類典型復(fù)合材料。1. 聚合物基復(fù)合材料    在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早、研究最多、應(yīng)用最廣和用量最大的是聚合物基復(fù)合材料（PMC）。眾所周知，現(xiàn)代復(fù)合材料就是以20世紀(jì)40年代玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）的出現(xiàn)為標(biāo)志。經(jīng)過60余年的發(fā)展，已經(jīng)研究開發(fā)出了具有各種優(yōu)異性能及應(yīng)用的聚合物基復(fù)合材料，包括玻璃纖維增強(qiáng)、碳纖維增強(qiáng)、芳綸纖維

26、、硼纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料。其中為了獲得更高比強(qiáng)度、比模量的復(fù)合材料，除主要用于玻璃鋼的酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和聚酯外，研究與開發(fā)了許多具有耐熱性好的基體樹脂，如聚酰亞胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PES）和聚醚醚酮（PEEK）等熱塑性樹脂。1）玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料，GFRP）    GFRP是一類采用玻璃纖維增強(qiáng)以酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等熱固性樹脂以及聚酰胺、聚丙烯等熱塑性樹脂為基體的聚合物基復(fù)合材料。GFRP是物美價廉的復(fù)合材料。GFRP的突出特點(diǎn)是密度低、比強(qiáng)度高。其密度為1.62.0g/cm3，比輕金屬鋁還低；而比強(qiáng)度要比最高強(qiáng)度的

27、合金鋼還高3倍，“玻璃鋼”的名稱就是由此而來。因此，玻璃鋼在需要輕質(zhì)高強(qiáng)材料的航空航天工業(yè)首先得到廣泛應(yīng)用，在波音B-747飛機(jī)的機(jī)內(nèi)、外結(jié)構(gòu)件中玻璃鋼的使用面積達(dá)到了2700m2，如雷達(dá)罩、機(jī)艙門、燃料箱、行李架和地板等。由于火箭結(jié)構(gòu)材料不但要求具有高比強(qiáng)度和比模量，而且還要求材料的耐燒蝕性能，玻璃鋼用于航天工業(yè)中做火箭發(fā)動機(jī)殼體、噴管。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中為了減輕自重、降低油耗，玻璃鋼也得到了大量應(yīng)用，如汽車車身、保險杠、車門、擋泥板、燈罩以及內(nèi)部裝飾件等。    除了比強(qiáng)度高外，玻璃鋼還具有良好的耐腐蝕性能，在酸、堿、海水，甚至有機(jī)溶劑等介質(zhì)中都很穩(wěn)定，耐腐蝕性

28、超過了不銹鋼。因此，在石油化工工業(yè)中玻璃鋼得到了廣泛應(yīng)用，如玻璃鋼制成的貯罐、容器、管道、洗滌器、冷卻塔等。值得一提的是采用玻璃鋼制作的體育用品也越來越多，大到快艇、帆船、滑雪車，小到自行車賽車、滑雪板等，應(yīng)有盡有。此外，玻璃鋼具有透光、隔熱、隔音和防腐等性能，因而可作為輕質(zhì)建筑材料，如用于建筑工程的各種玻璃鋼型材，這是玻璃鋼應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。2）碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）    在要求高模量的結(jié)構(gòu)件中，往往采用高模量的纖維，如碳纖維、B纖維或SiC纖維等增強(qiáng)。其中應(yīng)用最廣泛的是碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）。CFRP密度更低，具有比玻璃鋼更高

29、的比強(qiáng)度和比模量，比強(qiáng)度是高強(qiáng)度鋼和鈦合金的56倍，是玻璃鋼的2倍，比模量是這些材料的34倍。因此CFRP應(yīng)用在航天工業(yè)中，如航天飛機(jī)有效載荷門、副翼、垂直尾翼、主起落架門、內(nèi)部壓力容器等，使航天飛機(jī)減重達(dá)2噸之多。此外在空間站大型結(jié)構(gòu)桁架及太陽能電池支架也采用CFRP。在航空工業(yè)，CFRP首先在軍用飛機(jī)中得到應(yīng)用，如美國F-14、F-16、F-18上主翼外殼、后翼、水平和垂直尾翼等，軍用直升飛機(jī)主旋翼和機(jī)身等?，F(xiàn)在甚至在研究全機(jī)身CFRP的戰(zhàn)斗機(jī)。同樣，在民用飛機(jī)中也在大量采用CFRP，如波音B-757、B-777上的阻流板、方向舵、升降舵、內(nèi)外副翼等。由于碳纖維的價格高，CFRP主要應(yīng)用于

30、航空航天領(lǐng)域。但隨著碳纖維的研究開發(fā)工作的深入，碳纖維價格在不斷降低，因此在玻璃鋼應(yīng)用的一些領(lǐng)域也開始采用更輕、更強(qiáng)和剛度更好的CFRP。如體育用品中的網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、釣魚桿，F(xiàn)-1方程式賽車車身。同樣，為減輕車體重量，降低油耗，提高車速，汽車的部分部件也開始采用CFRP。甚至在大型混凝土結(jié)構(gòu)遭受一定的破壞后（如地震），用CFRP片材進(jìn)行修復(fù)，可節(jié)省大量資金。5.6納米材料5.6.1納米材料的定義和特性1. 納米材料的定義    納米(nm)和米、微米等單位一樣，是一種長度單位，一納米等于十的負(fù)九次方米，約比化學(xué)鍵長大一個數(shù)量級。納米科技是研究由尺寸在0.11

31、00nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)?？裳苌黾{米電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)、加工學(xué)等。    納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。由于其組成單元的尺度小，界面占用相當(dāng)大的成分。而且原子排列互不相同，界面周圍的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因此，納米材料具有多種特點(diǎn)，這就導(dǎo)致由納米微粒構(gòu)成的體系出現(xiàn)了不同于通常的大塊宏觀材料體系的許多特殊性質(zhì)。納米體系使人們認(rèn)識自然又進(jìn)入

32、一個新的層次，它是聯(lián)系原子、分子和宏觀體系的中間環(huán)節(jié)，是人們過去從未探索過的新領(lǐng)域，實際上由納米粒子組成的材料向宏觀體系演變過程中，在結(jié)構(gòu)上有序度的變化，在狀態(tài)上的非平衡性質(zhì)，使體系的性質(zhì)產(chǎn)生很大的差別，對納米材料的研究將使人們從宏觀到微觀的過渡有更深入的認(rèn)識。2. 納米材料的特性    在納米材料中，納米晶粒和由此而產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無限長程有序，通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級，高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。納米相材料跟普通的金屬、

33、陶瓷，和其他固體材料都是由同樣的原子組成，只不過這些原子排列成了納米級的原子團(tuán)，成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。其常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100nm，包含的原子不到幾萬個。一個直徑為3nm的原子團(tuán)包含大約900個原子，幾乎是英文里一個句點(diǎn)的百萬分之一，這個比例相當(dāng)于一條300多米長的輪船跟整個地球的比例。 當(dāng)材料的尺寸進(jìn)入納米級，材料本身便會出現(xiàn)以下奇異的嶄新的物理性能：1）量子尺寸效應(yīng)    當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費(fèi)米面附近電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級；并且納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級和最低未被占據(jù)的分子軌

34、道能級，使能隙變寬的現(xiàn)象，被稱為納米材料的量子尺寸效應(yīng)。 在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子的一系列特殊性質(zhì)，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長，德布羅意波長，超導(dǎo)態(tài)的相干長度或與磁場穿透深度相當(dāng)或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常。如光吸收顯著增加，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變，金屬熔點(diǎn)降低，增強(qiáng)微波吸收等。利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱型飛機(jī)等。由于納

35、米粒子細(xì)化，晶界數(shù)量大幅度的增加，可使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大為提高。其結(jié)構(gòu)顆粒對光，機(jī)械應(yīng)力和電的反應(yīng)完全不同于微米或毫米級的結(jié)構(gòu)顆粒，使納米材料在宏觀上顯示出許多奇妙的特性，例如：納米相銅強(qiáng)度比普通銅高5倍；納米相陶瓷是摔不碎的，這與大顆粒組成的普通陶瓷完全不一樣。納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu)，可望得到諸如高強(qiáng)度金屬和合金、塑性陶瓷、金屬間化合物以及性能特異的原子規(guī)模復(fù)合材料等新一代材料，為克服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長期未能解決的問題開拓了新的途徑。2）表面效應(yīng)    納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性

36、質(zhì)上的變化。如圖5¬-23所示：從圖中可見，隨納米粒子粒徑的減小，表面原子所占比例急劇增加。當(dāng)粒徑為1nm時，納米材料幾乎全部由單層表面原子組成。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。3）納米材料的體積效應(yīng)    由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小。因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明，這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。隨納米粒子的直徑減小，能級間隔增大，電子移動困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。4)量子隧道效應(yīng)

37、60;   微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。它的研究對基礎(chǔ)研究及實際應(yīng)用，如導(dǎo)電、導(dǎo)磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意義。超導(dǎo)材料定義具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料特性超導(dǎo)材料和常規(guī)導(dǎo)電材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。零電阻性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持

38、續(xù)電流”已多次在實驗中觀察到。完全抗磁性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場恒為零。約瑟夫森效應(yīng)：兩超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時，會有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可加一電壓U），同時，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為，其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù)。 基本臨界參量有以下 3個基本臨界參量。臨界溫度:外磁場為零時超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)

39、的溫度，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢，為0.012K。到1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。臨界磁場：使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T 的關(guān)系為Hc=H01-(T/Tc)2，式中H0為0K時的臨界磁場。臨界電流和臨界電流密度：通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時也會使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用材料的條件，因而尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的重要課題。以Tc為例，從1911年荷蘭

40、物理學(xué)家H.開默林昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人們發(fā)現(xiàn)的最高的 Tc才達(dá)到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理學(xué)家K.A.米勒和聯(lián)邦德國物理學(xué)家J.G.貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物陶瓷材料的超導(dǎo)電性，從而將Tc提高到35K。之后僅一年時間，新材料的Tc已提高到100K左右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎金。 超導(dǎo)材料分類超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。超導(dǎo)元素：在常壓下有28種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。電工中實際應(yīng)用的

41、主要是鈮和鉛(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔等。 合金材料： 超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼后發(fā)展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。目前鈮鈦合金是用于78特磁場下的主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進(jìn)一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc9.9K，Hc=12.4特（4.2

42、K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。超導(dǎo)化合物:超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。超導(dǎo)陶瓷：20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性，他們的小組對一些材料進(jìn)行了試驗，于1986年在鑭鋇銅氧化物中發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的超導(dǎo)電性。1987年，中國、美國、日本等國科學(xué)家在鋇釔銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材

43、料。 超導(dǎo)材料應(yīng)用超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料制作的工藝等問題（例如脆性的超導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材就有一系列工藝問題）。到80年代，超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有：利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利

44、用約瑟夫森結(jié)作計算機(jī)的邏輯和存儲元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快1020倍，功耗只有四分之一。 超導(dǎo)材料研究歷史1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(18531926)發(fā)現(xiàn)，水銀的電阻率并不象預(yù)料的那樣隨溫度降低逐漸減小，而是當(dāng)溫度降到4.15K附近時，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時，它們的電阻率突然減小到無法測量的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體。超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為這種物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度(或臨界溫度)TC?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬元素以及數(shù)以千計的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性。如鎢的轉(zhuǎn)變溫度為0.012K，

45、鋅為0.75K，鋁為1.196K，鉛為7.193K。超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。人們一直在探索高溫超導(dǎo)體，從1911年到1986年，75年間從水銀的42K提高到鈮三鍺的2322K，才提高了19K。 1986年，高溫超導(dǎo)體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象，以尋找高臨界溫度超導(dǎo)體為目標(biāo)的“超導(dǎo)熱”。全世界有260多個實驗小組參加了這場競賽。 1986年1月，美國國際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實驗室科學(xué)家柏諾茲和繆勒首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到30K；

46、緊接著，日本東京大學(xué)工學(xué)部又將超導(dǎo)溫度提高到37K；12月30日，美國休斯敦大學(xué)宣布，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武又將超導(dǎo)溫度提高到402K。 1987年1月初，日本川崎國立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到46K和53K。中國科學(xué)院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了486K的鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體，并看到這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。2月15日美國報道朱經(jīng)武、吳茂昆獲得了98K超導(dǎo)體。2月20日，中國也宣布發(fā)現(xiàn)100K以上超導(dǎo)體。3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導(dǎo)體。3月12日中國北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮實驗。3月27日美國華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)

47、在氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超導(dǎo)跡象。很快日本鹿兒島大學(xué)工學(xué)部發(fā)現(xiàn)由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在14溫度下存在超導(dǎo)跡象。高溫超導(dǎo)體的巨大突破，以液態(tài)氮代替液態(tài)氦作超導(dǎo)制冷劑獲得超導(dǎo)體，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。氮是空氣的主要成分，液氮制冷機(jī)的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的價格實際僅相當(dāng)于液氦的1100。液氮制冷設(shè)備簡單，因此，現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體雖然還必須用液氮冷卻，但卻被認(rèn)為是20世紀(jì)科學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。 超導(dǎo)科學(xué)研究1.非常規(guī)超導(dǎo)體磁通動力學(xué)和超導(dǎo)機(jī)理 主要研究混合態(tài)區(qū)域的磁通線運(yùn)動的機(jī)理，不可逆線性質(zhì)、起因及其與磁場和溫度的關(guān)系，臨界電流密度與磁場和溫度的依賴關(guān)系及

48、各向異性。超導(dǎo)機(jī)理研究側(cè)重于研究正常態(tài)在強(qiáng)磁場下的磁阻、霍爾效應(yīng)、漲落效應(yīng)、費(fèi)米面的性質(zhì)以及T<Tc時用強(qiáng)磁場破壞超導(dǎo)達(dá)到正常態(tài)時的輸運(yùn)性質(zhì)等。對有望表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)電性的體系象有機(jī)超導(dǎo)體等以及在強(qiáng)電方面具有廣闊應(yīng)用前景的低溫超導(dǎo)體等，也將開展其在強(qiáng)磁場下的性質(zhì)研究。 2.強(qiáng)磁場下的低維凝聚態(tài)特性研究 低維性使得低維體系表現(xiàn)出三維體系所沒有的特性。低維不穩(wěn)定性導(dǎo)致了多種有序相。強(qiáng)磁場是揭示低維凝聚態(tài)特性的有效手段。主要研究內(nèi)容包括：有機(jī)鐵磁性的結(jié)構(gòu)和來源；有機(jī)（包括富勒烯）超導(dǎo)體的機(jī)理和磁性；強(qiáng)磁場下二維電子氣中非線性元激發(fā)的特異屬性；低維磁性材料的相變和磁相互作用；有機(jī)導(dǎo)體在磁場中的輸運(yùn)

49、和載流子特性；磁場中的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征等。 3.強(qiáng)磁場下的半導(dǎo)體材料的光、電等特性 強(qiáng)磁場技術(shù)對半導(dǎo)體科學(xué)的發(fā)展愈益變得重要，因為在各種物理因素中，外磁場是唯一在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下改變動量空間對稱性的物理因素，因而在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)研究以及元激發(fā)及其互作用研究中，磁場有著特別重要的作用。通過對強(qiáng)磁場下半導(dǎo)體材料的光、電等特性開展實驗研究，可進(jìn)一步理解和把握半導(dǎo)體的光學(xué)、電學(xué)等物理性質(zhì)，從而為制造具有各種功能的半導(dǎo)體器件并發(fā)展高科技作基礎(chǔ)性探索。 4.強(qiáng)磁場下極微細(xì)尺度中的物理問題 極微細(xì)尺度體系中出現(xiàn)許多常規(guī)材料不具備的新現(xiàn)象和奇異特性，這與這類材料的微結(jié)構(gòu)特別是電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。強(qiáng)磁

50、場為研究極微細(xì)尺度體系的電子態(tài)和輸運(yùn)特性提供強(qiáng)有力的手段，不但能進(jìn)一步揭示這類材料在常規(guī)條件下難以出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，而且為在更深層次下認(rèn)識其物理特性提供豐富的科學(xué)信息。主要研究強(qiáng)磁場下極微細(xì)尺度金屬、半導(dǎo)體等的電子輸運(yùn)、電子局域和關(guān)聯(lián)特性；量子尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面、界面效應(yīng)；以及極微細(xì)尺度氧化物、碳化物和氮化物的光學(xué)特性及能隙精細(xì)結(jié)構(gòu)等。 5.強(qiáng)磁場化學(xué) 強(qiáng)磁場對化學(xué)反應(yīng)電子自旋和核自旋的作用，可導(dǎo)致相應(yīng)化學(xué)鍵的松弛，造成新鍵生成的有利條件，誘發(fā)一般條件下無法實現(xiàn)的物理化學(xué)變化，獲得原來無法制備的新材料和新化合物。強(qiáng)磁場化學(xué)是應(yīng)用基礎(chǔ)性很強(qiáng)的新領(lǐng)域，有一系列理論課題和廣泛應(yīng)用

51、前景。近期可開展水和有機(jī)溶劑的磁化及機(jī)理研究以及強(qiáng)磁場誘發(fā)新化學(xué)反應(yīng)研究等。 6.磁場下的生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)研究等 磁體科學(xué)和技術(shù) 強(qiáng)磁場的價值在于對物理學(xué)知識有重要貢獻(xiàn)。八十年代的一個概念上的重要進(jìn)展是量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。這是在強(qiáng)磁場下研究二維電子氣的輸運(yùn)現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)的（獲85年諾貝爾獎）。量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)激起物理學(xué)家探索其起源的熱情，并在建立電阻的自然基準(zhǔn)，精確測定基本物理常數(shù)e，h和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)(e2/h(0c等應(yīng)用方面，已顯示巨大意義。高溫超導(dǎo)電性機(jī)理的最終揭示在很大程度上也將依賴于人們在強(qiáng)磁場下對高溫超導(dǎo)體性能的探索。 熟悉物理學(xué)史的人都清楚，由固體

52、物理學(xué)演化為凝聚態(tài)物理學(xué)，其重要標(biāo)志就在于其研究對象的日益擴(kuò)大，從周期結(jié)構(gòu)延伸到非周期結(jié)構(gòu)，從三維晶體拓寬到低維和高維，乃至分?jǐn)?shù)維體系。這些新對象展示了大量新的特性和物理現(xiàn)象，物理機(jī)理與傳統(tǒng)的也大不相同。這些新對象的產(chǎn)生以及對新效應(yīng)、新現(xiàn)象的解釋使得凝聚態(tài)物理學(xué)得以不斷的豐富和發(fā)展。在此過程中，極端條件一直起著至關(guān)重要的作用，因為極端條件往往使得某些因素突出出來而同時抑制其它因素，從而使原本很復(fù)雜的過程變得較為簡單，有利于直接了解物理本質(zhì)。 相對于其它極端條件，強(qiáng)磁場有其自身的特色。強(qiáng)磁場的作用是改變一個系統(tǒng)的物理狀態(tài)，即改變角動量（自旋）和帶電粒子的軌道運(yùn)動，因此，也就改變了物理系統(tǒng)的狀態(tài)。

53、正是在這點(diǎn)上，強(qiáng)磁場不同于物理學(xué)的其他一些比較昂貴的手段，如中子源和同步加速器，它們沒有改變所研究系統(tǒng)的物理狀態(tài)。磁場可以產(chǎn)生新的物理環(huán)境，并導(dǎo)致新的特性，而這種新的物理環(huán)境和新的物理特性在沒有磁場時是不存在的。低溫也能導(dǎo)致新的物理狀態(tài)，如超導(dǎo)電性和相變，但強(qiáng)磁場極不同于低溫，它比低溫更有效，這是因為磁場使帶電的和磁性粒子的遠(yuǎn)動和能量量子化，并破壞時間反演對稱性，使它們具有更獨(dú)特的性質(zhì)。 強(qiáng)磁場可以在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下改變動量空間的對稱性，這對固體的能帶結(jié)構(gòu)以及元激發(fā)及其互作用等研究是非常重要的。固體復(fù)雜的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)正是利用強(qiáng)磁場使得電子和空穴在特定方向上的自由運(yùn)動從而導(dǎo)致磁化和磁阻的振

54、蕩這一原理而得以證實的。固體中的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)及特征研究一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域中的前沿課題。當(dāng)今凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的許多重大熱點(diǎn)都離不開強(qiáng)磁場這一極端條件，甚至很多是以強(qiáng)磁場下的研究作為基礎(chǔ)。如波色凝聚只發(fā)生在動量空間，要在實空間中觀察到此現(xiàn)象必需在非均勻的強(qiáng)磁場中才得以可能。又如高溫超導(dǎo)的機(jī)理問題、量子霍爾效應(yīng)研究、納米材料和介觀物體中的物理問題、巨磁阻效應(yīng)的物理起因、有機(jī)鐵磁性的結(jié)構(gòu)和來源、有機(jī)（包括富勒烯超導(dǎo)體的機(jī)理和磁性、低維磁性材料的相變和磁相互作用、固體中的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征以及元激發(fā)及其互作用研究等等，強(qiáng)磁場下的研究工作將有助于對這些問題的正確認(rèn)識和揭示，從而促進(jìn)凝聚態(tài)物理學(xué)的進(jìn)一

55、步發(fā)展和完善。 帶電粒子象電子、離子等以及某些極性分子的運(yùn)動在磁場特別是在強(qiáng)磁場中會產(chǎn)生根本性變化。因此，研究強(qiáng)磁場對化學(xué)反應(yīng)過程、表面催化過程、材料特別是磁性材料的生成過程、生物效應(yīng)以及液晶的生成過程等的影響，有可能取得新的發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生交叉學(xué)科的新課題。強(qiáng)磁場應(yīng)用于材料科學(xué)為新的功能材料的開發(fā)另辟新徑，這方面的工作在國外備受重視，在國內(nèi)也開始有所要求。高溫超導(dǎo)體也正是因為在未來的強(qiáng)電領(lǐng)域中蘊(yùn)藏著不可估量的應(yīng)用前景才引起科技界乃至各國政府的高度重視。因此，強(qiáng)磁場下的物理、化學(xué)等研究，無論是從基礎(chǔ)研究的角度還是從應(yīng)用角度考慮都具有非常重要的科學(xué)和技術(shù)上的意義，通過這一研究，不僅有助于將當(dāng)代的基礎(chǔ)性

56、研究向更深層次開拓，而且還會對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的推動作用。儲氫合金20世紀(jì)60年代，材料王國里出現(xiàn)了能儲存氫的金屬和合金，統(tǒng)稱為儲氫合金（hydrogen storage metal）,這些金屬或合金具有很強(qiáng)的捕捉氫的能力，它可以在一定的溫度和壓力條件下，氫分子在合金(或金屬)中先分解成單個的原子，而這些氫原子便“見縫插針”般地進(jìn)入合金原子之間的縫隙中，并與合金進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物(metal hydrides)，外在表現(xiàn)為大量“吸收”氫氣，同時放出大量熱量。而當(dāng)對這些金屬氫化物進(jìn)行加熱時，它們又會發(fā)生分解反應(yīng)，氫原子又能結(jié)合成氫分子釋放出來，而且伴隨有明顯的吸熱效應(yīng)。別看儲氫合金

57、的金屬原子之間縫隙不大，但儲氫本領(lǐng)卻比氫氣瓶的本領(lǐng)可大多了，因為它能像海綿吸水一樣把鋼瓶內(nèi)的氫氣全部吸盡。具體來說，相當(dāng)于儲氫鋼瓶重量1/3的儲氫合金，其體積不到鋼瓶體積的1/10，但儲氫量卻是相同溫度和壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，由此可見，儲氫合金不愧是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。采用儲氫合金來儲氫，不僅具有儲氫量大、能耗低，工作壓力低、使用方便的特點(diǎn)，而且可免去龐大的鋼制容器，從而使存儲和運(yùn)輸方便而且安全。目前儲氫合金主要包括有鈦系、鋯系、鐵系及稀土系儲氫合金。其主要用途包括以下幾個方面:（1）氫氣分離、回收和凈化材料?；瘜W(xué)工業(yè)、石油精制以及冶金工業(yè)生產(chǎn)中，通常有大量的含氫尾氣排出，

58、含氫量有些達(dá)到5060%，而目前多是采用排空或者白白的燃燒處理。因此，對這部分加以回收利用，在經(jīng)濟(jì)上有巨大的意義。另外，集成電路、半導(dǎo)體器件、電子材料和光纖等產(chǎn)業(yè)中，需要超高純氫體。利用儲氫合金對氫原子有特殊的親和力，而對其他氣體雜質(zhì)擇優(yōu)排斥的特性，即利用儲氫合金具有只選擇吸收氫和捕獲不純雜質(zhì)的功能，不但可以回收廢氣中的氫，而且可以使氫純度高于 99.9999%以上，價格便宜、安全，具有十分重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)意義。（2）制冷或采暖設(shè)備材料。由于儲氫合金具有在吸氫化學(xué)反應(yīng)時放出大量熱，而在放氫時吸收大量熱的特性，因此，人們可以利用儲氫合金的這種放熱吸熱循環(huán)，可進(jìn)行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖

59、設(shè)備。美國和日本競相采用儲氫合金制成太陽能和廢熱利用的冷暖房，其原理就是利用儲氫合金在吸氫時的放熱反應(yīng)和釋放氫時的吸熱反應(yīng)。我國北京有色金屬研究總院則利用儲氫合金儲放氫過程的吸放熱循環(huán)效應(yīng)，制造了一臺可以制冷到77K的制冷機(jī)，該機(jī)器可用于工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)需要低溫環(huán)境的場合。（3）鎳氫充電電池。由于目前大量使用的鎳鎘電池（NiCd）中的鎘有毒，使廢電池處理復(fù)雜，環(huán)境受到污染，因此它將逐漸被用儲氫合金做成的鎳氫充電電池（NiMH）所替代。從電池電量來講，相同大小的鎳氫充電電池電量比鎳鎘電池高約1.52倍，且無鎘的污染，現(xiàn)已經(jīng)廣泛地用于移動通訊、筆記本計算機(jī)等各種小型便攜式的電子設(shè)備。目前，更大容量的鎳氫電池已經(jīng)開始用于汽油/電動混合動力汽車上，利用鎳氫電池可快速充放電過程，當(dāng)汽車高速行駛時，發(fā)電機(jī)所發(fā)的電可儲存在車載的鎳氫電池中，當(dāng)車低速行駛時，通常會比高速行駛狀態(tài)消耗大量的汽油，因此為了節(jié)省汽油，此時可以利用車載的鎳氫電池驅(qū)動電動機(jī)來代替內(nèi)燃機(jī)工作，這樣既保證了汽車正常行駛，又節(jié)省了大量的汽油，因此，混合動力車相對傳統(tǒng)意義上的汽車具有更大的市場潛力，世界各國目前都在加緊這方面的研究。某些金屬具有很強(qiáng)的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，這些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時放出熱量