新材料的發(fā)展趨勢及材料測試方法在分析中的應(yīng)用

1、新材料的發(fā)展趨勢及材料測試方法在分析中的應(yīng)用材料是人類用以制成用于生活和生產(chǎn)的物品、器件、構(gòu)件、機器及其它產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。所謂新材料，指的是那些新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的具有傳統(tǒng)材料所具備的優(yōu)異性能的材料。從人類科技發(fā)展史中可以看到，近代世界已經(jīng)歷了兩次工業(yè)革命都是以新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用為先導(dǎo)的。鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，為18世紀(jì)以蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用為代表的第一次世界革命奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。本世紀(jì)中葉以來，以電子技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用為代表的第二次世界革命，硅單晶材料則起著先導(dǎo)和核心作用，加之隨后的激光材料和光導(dǎo)纖維的問世，使人類社會進(jìn)入了“信息時代”，因此，可以預(yù)料，誰掌

2、握了新材料，誰就掌握了21世紀(jì)高新技術(shù)競爭的主動權(quán)！1新材料技術(shù)的發(fā)展趨勢和特點縱觀國際新材料研究發(fā)展的現(xiàn)狀，西方主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家正集中人力、物力，尋求突破，美國、歐共體、日本和韓國等在他們的最新國家科技計劃中，都把新材料及其制備技術(shù)列為國家關(guān)鍵技術(shù)之一加以重點支持，非常強調(diào)新材料對發(fā)展國民經(jīng)濟、保衛(wèi)國家安全、增進(jìn)人民健康和提高人民生活質(zhì)量等方面的突出作用。我國對新材料及其制備技術(shù)歷來非常重視，一直作為一個重要的領(lǐng)域被列入我國自1956年以來的歷次國家科技發(fā)展規(guī)劃之中。在我國863高技術(shù)中，新技術(shù)材料又是七大重點領(lǐng)域之一。經(jīng)過40余年的努力，已在許多方面取得顯著進(jìn)展，一大批新材料已成功地應(yīng)用于

3、國防和民用工業(yè)領(lǐng)域，有些新材料的研究居國際領(lǐng)先水平，為我國新材料及其制備技術(shù)在21世紀(jì)初的持續(xù)發(fā)展奠定了較好的基礎(chǔ)。新材料及其制備技術(shù)的研究將對世界經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大影響，其發(fā)展趨主要體現(xiàn)在：(1)功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向發(fā)展；(2)結(jié)構(gòu)材料向高性能化、復(fù)合化、功能化和低成本化方向發(fā)展;(3)薄膜和低維材料研帛發(fā)展迅速，生物醫(yī)用材料異軍突起；(4)新材料制品的精加工技術(shù)和近凈形成形技術(shù)受到高度重視；(5)材料及其制品與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性倍受重視，以滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求；(6)材料的制備及評價表征技術(shù)日受重視，材料制備與評價表征新技術(shù)、新裝備不斷涌現(xiàn)；(7)材料在不同層次(

4、微觀、介觀和宏觀)上的設(shè)計發(fā)展迅速，已成為發(fā)展新材料的重要基礎(chǔ)。綜上所述，當(dāng)今新材料及其制備技術(shù)的發(fā)展趨勢具有以下幾個特點：(1)新材料技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)發(fā)展中的共性關(guān)鍵技術(shù)，材料科學(xué)技術(shù)已成為當(dāng)代和下世紀(jì)初最重要的、發(fā)展最快的科學(xué)技術(shù)之一。信息、能源、農(nóng)業(yè)和先進(jìn)制造等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展都離不開新材料及其制備技術(shù)的發(fā)展；(2)綜合利用現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成就，多學(xué)科交叉，知識密集，導(dǎo)臻新材料及其制備技術(shù)的投資強度大、更新?lián)Q代快，經(jīng)濟效益和社會效益巨大；(3)新材料的制備和質(zhì)量的提高更加依賴于新技術(shù)、新工藝的發(fā)展和精確的檢測控制技術(shù)的應(yīng)用。對制備技術(shù)的重視與投入直線上升，極大地加速了基礎(chǔ)材料的發(fā)展和

5、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造。(4)對材料基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性的認(rèn)識已形成共識。材料的研帛和發(fā)展既要與器件的研帛密切配合，又要注意到自身的系統(tǒng)性和超前性，這樣才有利于材料實現(xiàn)跨躍發(fā)展。2新材料技術(shù)前沿研究領(lǐng)域進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展異常迅速。材料科學(xué)與生命科學(xué)、信息科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等共同構(gòu)成了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿。展望21世紀(jì)，基于物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等自然科學(xué)與電子、化工、冶金等工程技術(shù)最新成就的材料科學(xué)技術(shù)前沿主要如下：微電子材料主要是大真徑(400mm硅單晶及片材技術(shù)，大直徑(200mm硅片外延技術(shù)，150mmGaAS口100mmInP晶片及其以它們?yōu)榛腎IIV族半導(dǎo)體超晶格、量子阱

6、異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)，GeSi合金和寬禁帶半導(dǎo)體材料等。新型光子材料主要是大直徑、高光學(xué)質(zhì)量人工晶體制備技術(shù)和有機、無機新型非線性光學(xué)晶體探索，大功離半導(dǎo)體激光光纖模塊及全固態(tài)（可調(diào)諧）激光技術(shù)，有機、無機超高亮度紅、綠、蘭之基色材料及應(yīng)用技術(shù)，新型紅外、蘭、紫半導(dǎo)體激光材料以及新型光探測和光存儲材料等。稀土功能材料主要是高純稀土材料的制備技術(shù)，超高磁能稀土永磁材料大規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)技術(shù)，高性能稀土儲氫材料及相關(guān)技術(shù)。生物醫(yī)用材料高可靠性植入人體內(nèi)的生物活性材料合成關(guān)鍵技術(shù)，生物相容材料，如組織器字替代材料，人造血液，人造皮和透析膜技術(shù)，以及生物新材料制品性能、質(zhì)量的在線監(jiān)測和評價技術(shù)。先進(jìn)復(fù)合材

7、料主要是復(fù)合材料低成本制備技術(shù)，復(fù)合材料的界面控制與優(yōu)化技術(shù)，不同尺度不同結(jié)構(gòu)異質(zhì)材料復(fù)合新技術(shù)。新型金屬材料主要是交通運輸用輕質(zhì)高強材料，能源動力用高溫耐蝕材料，新型有序金屬間化合物的脆性控制與韌化技術(shù)以及高可靠性生產(chǎn)制造技術(shù)。先進(jìn)陶瓷材料主要是信息功能陶瓷的多功能化及系統(tǒng)集成技術(shù)，高性能陶瓷薄膜、異質(zhì)薄膜的制備、集成與微加工技術(shù)，結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料的補強、韌化技術(shù)，先進(jìn)陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制備技術(shù)。高溫超導(dǎo)材料主要是高溫超導(dǎo)體材料（準(zhǔn)單晶和織構(gòu)材料）批量生產(chǎn)技術(shù)，可實用化高溫超導(dǎo)薄膜及異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜制備、集成和微加工技術(shù)研究開發(fā)等。環(huán)境材料主要是材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價技術(shù)，材料的延

8、壽、再生與綜合利用新技術(shù)，降低材料生產(chǎn)資源和能源消耗新技術(shù)。納米材料及技術(shù)主要是納米材料制備與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，固態(tài)量了器件的制備及納米加工技術(shù)。智能材料主要是智能材料與智能系統(tǒng)的設(shè)計、制備及應(yīng)用技術(shù)。材料的制備與評價技術(shù)主要是材料精密制備、近凈形成形技術(shù)與智能加工技術(shù)，材料表面改性技術(shù)的低成本化途徑與批量生產(chǎn)技術(shù)，材料微觀結(jié)構(gòu)的模型化技術(shù)、智能化控制及動態(tài)實時監(jiān)測分析技術(shù)，不同層次的設(shè)計、性能預(yù)測和評價表征新技術(shù)。3掃描電子顯微鏡在材料檢測分析中的應(yīng)用a.斷口分析材料斷口的微觀形貌往往與其化學(xué)成分、顯微組織、制造工藝及服役條件存在密切聯(lián)系，所以斷口形貌的確定對分析斷裂原因常常具有決定性作用。b.

9、金相組織觀察與分析在多相結(jié)構(gòu)材料中，特別是在某些共晶材料和復(fù)合材料的顯微組織和分析方面，由于可以獵助于掃描電鏡景深大的特點，所以完全可以采用深浸蝕的方法，把基體相溶去一定的深度，使得欲觀察和研究的相顯露出來，這樣就可以在掃描電鏡下觀察到該相的三維立體的形態(tài)，這是光學(xué)顯微鏡和透射電鏡無法做到的。c.斷裂過程的動態(tài)研究有的型號的掃描電鏡帶有較大拉力的拉伸臺裝置，這就為研究斷裂過程的動態(tài)過程提供了很大的方便。在試樣拉伸的同時既可以直接觀察裂紋的萌生及擴展與材料顯微組織之間的關(guān)系，又可以連續(xù)記錄下來，為科學(xué)研究提供最直接的證據(jù)。d.表面化學(xué)成分分析掃描電鏡附帶功能可以增加能譜（EDS）,可以對斷口表面

10、異常部位或不清楚的異物進(jìn)行表面化學(xué)成分測試，幫助分析和判斷異物情況，測試的結(jié)果是定性測量，相對于ICP之類定量測試的設(shè)備誤差較大。e.景深大掃描的電鏡的景深大，比一般的光學(xué)放大鏡有獨特的優(yōu)點，可以對不同高度層次位置同時取照，拍攝一些立體感比較強的樣品圖片，例如電路板焊錫狀況檢查，劃痕的深度等。f.樣品制備對導(dǎo)電性材料來說，除了幾何尺寸和重量外幾乎沒有任何要求，尺寸和重量對不同型號的掃描電鏡的樣品室也有不同的要求。對于導(dǎo)電性較差或絕緣的樣品若采用常規(guī)掃描電鏡來觀察，則必須通過噴鍍金、銀等重金屬或碳真空蒸鍍等手段進(jìn)行導(dǎo)電性處理。所有的樣品均必須無油污，無腐蝕等，以免對鏡筒和探測器的污染。4.X射線

11、的應(yīng)用一一衍射檢測殘余應(yīng)力定量分析軸承和內(nèi)燃機噴射器部件中的殘余奧氏體檢測輸片惰性輪中的殘余應(yīng)力檢測汽車發(fā)動機部件的殘余應(yīng)力（凸輪軸、連桿、發(fā)動機軸、均衡器）檢測由于全回火引起的殘余應(yīng)力（家用電器、結(jié)構(gòu)部件）檢測氣體傳導(dǎo)時所存在的工作壓力檢測大幅度拉伸結(jié)構(gòu)件中的工作應(yīng)力通過檢測應(yīng)力來測量工件噴丸和軋制的效率檢測鑄件的殘余應(yīng)力（機械工具鑄鐵件和汽車鑄鋁部件）檢測焊接引起的應(yīng)力（激光和電焊）研究鋁合金汽車輪廓中的殘余應(yīng)力和應(yīng)力阻抗的關(guān)系優(yōu)化切削去除的工作參數(shù)以提高機械部件的應(yīng)力阻抗檢測螺旋式和葉式彈簧的殘余應(yīng)力研究加上工作載荷后的臨界區(qū)域（武器和航空）最新便攜式X射線衍射系統(tǒng)，可以分析殘余應(yīng)力和計算殘余奧氏體含量。生產(chǎn)過程中，工件在經(jīng)熱處理、機械加工、焊接、表面處理等工序處理時就會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這類應(yīng)力會永久的影響工件抗力，尤其在有應(yīng)變的情況下，它往往導(dǎo)致工件的斷裂，這種斷裂原因用冶金學(xué)無法解釋。殘余應(yīng)力的分析越來越重要。焊接工件、齒輪、噴丸或噴砂工件，以及工件進(jìn)行熱處理或其它工序時，都可以借助X射線衍射進(jìn)行控制和監(jiān)督。減少數(shù)據(jù)收集時間是進(jìn)一步的要求