《現(xiàn)代物理技術(shù)》新材料技術(shù)

1、16.6 新材料技術(shù)16.6.1新材料技術(shù)1金屬材料金屬材料是進(jìn)入工業(yè)社會以后，人類用得最早也是用得最多的材料，并長期占絕對優(yōu)勢。將來也將是主導(dǎo)地位，特別是發(fā)展中國家。其共同優(yōu)點是高韌性、延展性好、強度高、導(dǎo)電性好。作為結(jié)構(gòu)材料，開始時幾乎全是鐵和鋼，上世紀(jì)初出現(xiàn)了以硬鋁為首的鋁合金 一直到現(xiàn)在，作為結(jié)構(gòu)材料的金屬材料，主要仍是鋼(鐵的合金)、鋁合金、鈦合金， 但它們的品種層出不窮，性能也遠(yuǎn)非昔日可比。金屬材料的發(fā)展，幾乎可用一“超”字來概括。如發(fā)展超高純度鐵、超高強度鋼、超高速鋼(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐熱合金、超低溫材料等等 有色金屬是指除鐵、鉻、錳等幾種黑色金屬之外的多種金

2、屬的統(tǒng)稱 在自然界的元素中，有色金屬占64種，是元素周期表中最龐大的“家族”。其中，銅、鋁、鉛、鋅、錫、鎳、銻、鈦、鎂、汞等10種有色金屬被視為“家族”中的“十大金剛”。 2非金屬材料陶瓷陶瓷材料是人類最早利用的材料，由粘土、石英、長石等礦物原料配制而成。從陶器發(fā)展到瓷器是第一次飛躍， 從傳統(tǒng)陶瓷到先進(jìn)陶瓷是第二次飛躍，從先進(jìn)陶瓷到納米陶瓷是第三次飛躍。 陶瓷的優(yōu)點是強度高，收縮小，機械性能好；耐各種酸堿腐蝕，耐高溫，耐輻射，抗氧化。陶瓷的致命缺點是性脆易碎。 以碳、硅、氮、氧、硼等元素的人工化合物為主要原料，改進(jìn)和發(fā)展傳統(tǒng)陶瓷工藝而獲得的新型陶瓷材料 由于特種陶瓷的強度和韌性都有大幅度提高，

3、克服了傳統(tǒng)陶瓷性脆易碎的弱點，已成為受到普遍重視的一種重要的新型工程材料。這種陶瓷在國外又稱為工程陶瓷、精密陶瓷或結(jié)構(gòu)陶瓷。按應(yīng)用和發(fā)展大致可分為高強高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電工電子特種功能陶瓷兩大類。 玻璃鋼化玻璃是使用最普遍的玻璃深加工制品。汽車、火車等交通工具的風(fēng)擋玻璃、窗玻璃，高級賓館的玻璃大門及隔斷，玻璃桌面及許多玻璃幕墻都使用鋼化玻璃。這是因為鋼化玻璃的強度是平板玻璃的35倍，耐急冷急熱性也較好，而且破碎后呈小粒狀，不會對人造成大的傷害，所以叫作安全玻璃。 夾層玻璃是另外一種安全玻璃。 它的結(jié)構(gòu)像“三明治”，兩層玻璃中間有透明的有機材料，把玻璃牢固地粘在一起。所以即使夾層玻璃被打破，也不會有

4、碎片飛濺傷人，而且透明中間膜具有良好的強度和韌性，起到很好的安全作用。 例如，在發(fā)生劇烈撞車時，汽車夾層風(fēng)擋玻璃可阻止司機和乘客被從風(fēng)檔處拋出，柔軟的有機材料還可以減輕人頭部的撞擊。增加玻璃的厚度和層數(shù)可使夾層玻璃具有防彈，防爆及防盜等性能，成為特殊窗口用的特種玻璃。 中空玻璃是兩片玻璃中間墊上鋁制的隔離柜，再用粘結(jié)材料把它們粘在一起， 中空玻璃的隔熱性很好，12毫米厚的中空玻璃的保溫性可與100毫米厚的混凝土墻相比擬。所以，建筑物的玻璃幕墻、較大的玻璃窗都應(yīng)使用中空玻璃以便減少取暖能耗。中空玻璃還有良好的隔音效果。除用平板玻璃為原片制造中空玻璃外，還可以用鋼化玻璃、夾層玻璃、鍍熱反射膜玻璃、

5、吸熱玻璃等為原片制成具有多種功能的高級中空玻璃，用于超高層建筑物的觀光廳等重要部位。此外，列車的空調(diào)車箱和地鐵車窗玻璃都是鋼化中空玻璃，以提高隔熱、隔音等性能。 鍍膜玻璃是在玻璃的一個或兩個表面上，用物理或化學(xué)的方法鍍上金屬、金屬氧化物等的薄膜而制成的玻璃深加工制品。不同的膜層顏色和對光線的反射率不同，使得用鍍膜玻璃裝飾的建筑物晶瑩輝煌。 熱反射鍍膜玻璃可以控制陽光的入射，減少空調(diào)能耗，而低輻射鍍膜玻璃可限制室內(nèi)熱量向外輻射散失，在寒冷地區(qū)有顯著的節(jié)能效果。 3高分子材料由高分子化合物組成的一大類材料。分為天然的和合成的兩類，都是由大量小分子單元以化學(xué)鍵連接起來的，具有很高分子量的聚合物。 合

6、成纖維、合成橡膠、合成樹脂和塑料都是合成高分子材料，也稱為三大合成材料。 合成纖維的主要品種有：聚酰胺纖維(商品名尼龍、耐綸、錦綸)、聚丙烯腈纖維(商品名腈綸、奧綸)、聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維或簡稱聚酯纖維（商品名滌綸、的確良）、聚丙烯纖維（產(chǎn)品名丙綸）、聚乙烯醇縮甲醛纖維(商品名維尼綸)。它們的出現(xiàn)，使紡織工業(yè)大為改觀。16.6.2 新材料的發(fā)展前景1.光子材料光導(dǎo)纖維傳光原理是不同折光率介質(zhì)界面的全反射現(xiàn)象，即光從折射率大的光密介質(zhì)以一定角度射向折射率小的光疏介質(zhì)時，光在界面會發(fā)生全反射而全部折回光密介質(zhì)。 這一定的角度稱全反射臨界角。光導(dǎo)纖維的纖芯是光密介質(zhì)，而包層是光疏介質(zhì)，傳輸?shù)墓庑?/p>

7、號只要在界面的入射角大于臨界角，光就在纖芯中曲折反射前進(jìn)而不會泄漏。 2.先進(jìn)電子材料和研究材料我們通常用的磁體是用鋼、合金或金屬氧化物制成的，叫人造磁性材料。 最初，人造磁體是用鋼制成的。20世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)在鋼中加入硅可以改善磁性。從此，硅鋼就被大量用于制作變壓器。 將鎳和鐵以適當(dāng)比例熔在一起時，在低磁化磁場下，磁導(dǎo)率比最好的鐵的磁導(dǎo)率還高。鎳鐵合金的磁性與成分和熱處理方法有關(guān)。鎳鐵合金是韌性磁性材料，可用作精密儀表的變壓器鐵芯。隨后又出現(xiàn)了鐵鈷、鐵硅鋁、鐵鉻、鐵鎳鉬、鐵鈷釩、鈷鋁硼等合金磁性材料和鐵氧體（即人造的鎳、錳、鈷、鋅一類氧化物燒結(jié)體）。3.高級陶瓷材料高強高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電工電子功能

8、陶瓷和復(fù)合陶瓷是新材料中普遍注重的發(fā)展方向。4.新型建筑材料是區(qū)別于傳統(tǒng)的磚瓦、灰砂石等建材的建筑材料新品種，包括的品種和門類很多。從功能上分，有墻體材料、裝飾材料、門窗材料、保溫材料、防水材料、粘結(jié)和密封材料，以及與其配套的各種五金件、塑料件及各種輔助材料等。從材質(zhì)上分，不但有天然材料，還有化學(xué)材料、金屬材料、非金屬材料等等。 5.先進(jìn)復(fù)合材料纖維增強型、彌散粒子型、疊層復(fù)合型復(fù)合材料以及碳纖維、石墨纖維、硼纖維、金屬纖維、晶須的研制發(fā)展，將使被稱為“21世紀(jì)材料”的復(fù)合材料更放光彩。6.先進(jìn)金屬材料非晶態(tài)金屬(金屬玻璃)、記憶合金、防振合金、超導(dǎo)合金和金屬氫等。 一種原子排列很有規(guī)則、體積

9、變化為小于0.5%的馬氏體相變合金。這種合金在外力作用下會產(chǎn)生變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能回復(fù)原來的形狀。由于它具有百萬次以上的回復(fù)功能，因此叫做“記憶合金”。當(dāng)然它不可能像人類大腦思維記憶，更準(zhǔn)確地說應(yīng)該稱之為記憶形狀的合金 7稀土材料：稀土金屬在激光、熒光、磁性、紅外、微波、核能、特種陶瓷以及化工材料中，有奇異的性能，稀土材料已成為重要的開發(fā)領(lǐng)域。 我國稀土資源儲量居世界首位，因此稀土的開發(fā)對我國更為重要。8.其它材料（極限材料） 在超高壓、超高溫、超低溫、超高真空等極端條件下應(yīng)用和制取的各種材料。 如超導(dǎo)、超硬、超塑性、超彈性、超純、超晶格膜等材料。原子分子設(shè)計材料。這是在

10、材料科學(xué)深入研究的基礎(chǔ)上，對表面、非晶態(tài)、結(jié)構(gòu)點陣與缺陷、固態(tài)雜質(zhì)、非平衡態(tài)、相變以及變形、斷裂、磨損等領(lǐng)域研究探索的發(fā)展方向，以期獲得原子、分子組成結(jié)構(gòu)按性能要求設(shè)計的新材料。 材料技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下幾種：第一，從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質(zhì)材料，現(xiàn)在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結(jié)合在一起的復(fù)合材料。 第二，由結(jié)構(gòu)材料向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。 隨著高技術(shù)的發(fā)展，其它高技術(shù)要求材料技術(shù)為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術(shù)也越來越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料越來越多，終會有一天功能材料將同結(jié)構(gòu)材料在材料領(lǐng)域平分秋色。 第三，材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展。以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米(100萬分之一米)方向發(fā)展的材料。由于顆粒極度細(xì)化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。以前給人以極脆印象的陶瓷，居然可以用來制造發(fā)動機零件。 第四，