第五章 超导体和新材料第一节 材料及其分类
所谓 材料,是指人类能用来制作有用物件的物质 。 新材料是指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异性能的一类材料。
按大的类别划分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料。
按使用性能划分：结构材料、功能材料。
按应用对象划分：信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、光机电材料、航空航天材料。
按来源划分：天然材料、人造材料。
发光材料 超导材料 磁性材料 航天材料
1．金属材料 —— 一般分为 黑色金属材料 和 有色金属材料 两大类。
自然界共有 83种金属元素，黑色金属包括铁、锰、铬 3种金属元素及它们的合金，另外 80种元素统称为有色金属。
合金是由两种或两种以上的金属元素，或者金属元素与非金属元素所组成的具有金属性质的物质。
由铁和碳组成的合金称为 钢铁 。含碳量低于 0.04%时为 熟铁 ;
含碳量在 2.0－３,5%时为 生铁 ; 含碳量在 0.8－ 1.7%时为 钢 。
黄铜是铜和锌的合金、白铜是铜镍合金、紫铜是较纯的铜。
有色金属中铝的用途最广，如厨房设备、门窗、装饰材料、
硬币、电线均用铝制作，铝合金是造飞机的好材料。（如铝镁合金，铝钛合金，铝锂镁合金，铝镁锰合金等 ）钛以其高强度、高熔点、耐腐蚀等优异性能被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、航天飞机等航天航空尖端领域，故被称为“宇宙金属”。
2．无机非金属材料无机非金属材料品种繁多，有氧化物、硫化物、卤化物等，
包括酸、碱、盐。
重要的传统无机非金属材料是水泥、玻璃和陶瓷，因其均含有二氧化硅，故统称为硅酸盐材料。
水泥 是一种重要的建筑材料，除普通水泥外，还有各类耐高温、高强度、耐油、抗水渗、速凝等特种水泥。
陶瓷 材料有很好的力学性质，且耐高温、抗腐蚀。
玻璃 是一种特殊陶瓷材料，它既有耐酸耐腐蚀的化学稳定性，
又有仅次于金刚石的硬度，并有很好的透光性。
另外还有铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等
3.有机高分子材料所谓高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量特别大有机化合物,常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间。
高分子材料具有长链结构，其分子像一条长长的线，众多分子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，所以不仅有较高的机械强度，还有较好的弹性、可塑性强、硬度大、耐磨、耐热、耐腐蚀、耐溶剂、电绝缘性强、气密性好等，可以作为结构材料使用。
棉、毛、丝、塑料、橡胶等都是最常用的有机高分子材料。
根据来源分为天然高分子化合物、合成高分子化合物和半合成高分子化合物。天然高分子化合物如纤维素、淀粉等；各种人工合成的高分子如聚乙烯、聚丙烯等为合成高分子化合物；醋酸纤维素等为半合成高分子化合物 。
4.复合材料复合材料是 金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 通过复合工艺组合而成的新型材料（ 一种材料为 基体 另一种材料为增强体 ）,它既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组成所不具备的性能，还能通过材料设计使各组成部分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、
橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、
硼纤维、芳纶纤维、纤维、碳化硅、石棉、晶须（由高纯度单晶生长而成的短纤维）,金属丝和硬质细粒等。
硼酸镁晶须 硅晶须第二节 超导体及其研究一、什么是超导体
通常把低于 81K以下的温度范围称为低温，研究物质在低温下的结构、特性和运动规律的科学，叫做低温物理。
电阻突然消失为零的现象叫做 超导电现象 ；把具有超导电性的物质叫做 超导体 ；把物质所处的这种以零电阻为特征的状态叫做 超导态 ；把电阻突然为零时的温度称为 临界温度,用 Tc表示。
根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料
（液氮温度 77K以上 ）和低温超导材料。
完全抗磁性（迈斯纳效应） —— 当超导体处在超导态时，它始终保持内部磁场为零，外部磁场的磁力线将无法穿透并被统统排斥到体外，该特性使超导体成为理想的抗磁体。
超导体光传感器 超导体磁悬浮列车 由超导体制造的电阻温度计二,超导体的发展历程超导电性研究的历史可分为四个阶段：
第一阶段 从 1911年至 1945年，全世界只有几个实验室可以生产液氦，对超导现象的机制缺乏理论上的解释。
第二阶段 是二战后的十年，美国科学家巴丁、库珀等发表了经典的超导电性量子理论，认为电子通过晶格（称为声子）而相互吸引，从而导致超导作用。
第三阶段 是 60年代到 80年代初，超导磁体成为超导电性的最大量和最有成效的应用，如美国阿贡实验室用铌 —— 钛线多股合金电缆绕制了气泡室用的大型超导磁体。
第四阶段 从 1986年开始，超导研究跨入液氮温区阶段。 86年
4月，美国国际商用机器公司（ IBM）研制出钡镧铜氧化物，在
30 K表现出超导电性；同年 12月，日本东京大学在锶镧铜氧化物中得到的超导转变温度为 37 K； 1987年 2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到 90K以上，液氮的禁区（ 77K）也奇迹般地被突破了。 1993年，人们发现了超导临界转变温度为 133K的汞 -钡
-钙 -铜 -氧。 2005年科学家已经制造出 138K的高温超导体。
三、超导技术的应用
1.超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得 10特斯拉以上的稳态强磁场。
超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到
5～ 6特斯拉，并且几乎没有能量损失。
磁流体发电机 同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为 5～ 6特斯拉的强磁场而发电。
超导输电线路,超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。
目前的铜或铝导线输电，约有 15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，
每年的电力损失高达 1000多亿度。 2007年三峡水库电厂计划发电 630亿度。
2.超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方 。 利用这 种 磁 悬 浮 效 应 可 以 制 作 高 速 超 导 磁 悬 浮 列 车 。
3.超导计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会发生大量的热,而散热是超大规模集成电路面临的难题 。 超导计算机中的超大规模集成电路,其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作,不存在散热问题,同时计算机的运算速度大大提高 。
此外,科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管,甚至完全用超导体来制作晶体管 。
4,核聚变反应堆,磁封闭体,核聚变反应时,
内部温度高达 1亿～ 2亿 ℃,没有任何常规材料可以包容这些物质 。 而超导体产生的强磁场可以作为,磁封闭体,,将热核反应堆中的超高温等离子体包围,约束起来,然后慢慢释放,从而使受控核聚变能源成为 21世纪前景广阔的新能源 。
第三节 不断发展的新材料一、金属新材料
1.锂及其合金 —— 锂合金具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、耐冲击的优点，还有阻止高速辐射粒子穿透的能力，是研制人造天体的理想结构材料。锂还是高效的储能材料和重要的能源材料。
把金属锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。
另外还有镁锂合金等。科学家发现了一种含锂的耐热玻璃，其强度比普通玻璃大 15倍，而且其重量比金属铝还轻，用它作超音速飞机的玻璃窗就安全多了。
2．记忆合金 —— 形状记忆合金是一种特殊的合金，存在一个记忆温度，在记忆温度以下可以任意加工，当温度回到记忆温度时，可以恢复到加工前的形状。
记忆合金中以 1:1的镍与钛组成的“镍钛诺”合金应用最广，
这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做“记忆合金”。当然它不可能像人类大脑思维记忆，
更准确地说应该称之为“记忆形状的合金”。记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点。
记忆合金骨科内固定支架 记忆合金内科气管支架 记忆合金肌肉缝合线形状记忆合金的分类,
（ 1）单程记忆效应 —— 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
（ 2）双程记忆效应 —— 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
（ 3）全程记忆效应 —— 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
形状记忆合金的应用工业应用：
（ 1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、
套环等。
（ 2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。
（ 3）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。
医学应用：
TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、节育环、心脏修补元件、
人造肾脏用微型泵等。
高科技应用展望：
形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化,(如全息机器人、毫米级超微型机械手等） 。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，
可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。
利用记忆合金在特定温度下的形变功能，可以制作多种温控器件，可以制作温控电路、温控阀门，温控的管道连接。利用记忆合金制作宇宙空间站上的太阳电池板（ 先在地面上制成大面积的平面电池板，折叠成一团，
用飞船带到太空，温度转变后，自展成原来的大面积和形状。 ）
3．非晶态金属 —— 是金属中的原子杂乱无章组合的一种结构。
非晶态金属又称无定形金属、玻璃金属，具有特别优异的物理、
化学和力学性能。
非晶态合金的强度、韧性和耐磨性明显高于普通钢铁材料。
制备非晶态合金带材采用的是一种快速凝固工艺，即将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。在这里，钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，以致金属中的原子来不及重新排列而形成了杂乱无章的组合，这样就产生了非晶态合金。
如采用非晶态合金制备的高耐磨音频视频磁头在高档录音、
录相机中广泛应用；而采用非晶丝复合强化的高尔夫球杆、钓鱼杆已经面市。铁基非晶态合金具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点，现代工业多用它制造配电变压器，铁心的空载损耗与硅钢铁芯的空载损耗相比降低 60％ — 80％，具有显著的节能效果。
二,无机非金属新材料
1．精密陶瓷 —— 是由极纯的硅、铝、
碳、氮等元素的化合物的超细粉末烧结而成的具有强度高、耐高温、耐腐蚀、
透光性好等优良性能。
精密陶瓷球产品已经被成功用于热传导、热机械、核能、微电子技术、自动化装臵、敏感传感器、光学领域、医疗领域及新能源等领域。
目前，各国的精密陶瓷研究与生产，正在形成新一轮的生产高潮与竞争更加激烈的市场局面。
陶瓷轴承工作温度高达 1300摄氏度以上，其工作强度为普通金属材料 5倍以上。耐热氧化锆陶瓷瓦可以忍耐高达 6000摄氏度的航天高温摩擦，被大量用作航天飞机的盔甲。生物陶瓷产品已经被应用于骨骼修复、瓷牙修补等方面。陶瓷活塞盖、排气管内衬、涡轮增压转子及燃气轮转子等正在研究中。 空中客车 A320
超大型飞机，就采用了许多高温陶瓷材料与敏感陶瓷元件。尤其在其引擎与动力系统，由于在冷却部位大量采用了耐热陶瓷，大幅度降低了能耗与热损耗。
2.光导纤维 —— 是纯度极高的细玻璃丝，用它可以传输光信号，
实现光通讯。
光导纤维的直径在几十微米（ 10-4米）数量级，由芯子、包层和涂敷层组成，芯子材料的主要成分是二氧化硅，其中掺有微量的二氧化锗、五氧化二磷等，以提高材料的折射率（ n1=1.8）包层一般是纯二氧化硅 (n2=1.4)；最外面涂敷层的成分是硅酮或丙烯酸盐，用以保护光导纤维。光导纤维柔软，不怕震，它能使光沿弯曲路径传播，可以传输图象信号。其传输原理是光的全反射。
由于包层的折射率比芯线折射率小，这样进入芯线的光线在芯线与包层的界面上作多次全反射而曲折前进，不会透过界面。
2,光导纤维的实际应用
(1)光纤通讯 — 信息高速公路激光是进行光纤通信的理想光源。 光缆的直径不到 0,1毫米，
然而在这种小小的信息通道上，从理论上讲，同时能传送 100亿路的电话,100万路高质量的电视节目，且不受电磁干扰，信息损失也极小。而目前一对直径为 0,65毫米的铜线仅能同时提供
24路电话，一条直径为 76,2毫米包括 22个铜轴管的铜轴电缆，
也只能同时传送 4万路电话或 23个电视频道的节目。
光导纤维的原料就是我们常见的石英。 1公斤高纯度的石英玻璃可以拉制出成千上万公里的光导纤维，要制造 100公里的
1800路电话的铜轴电缆则需要耗铜 12吨、铅 50吨，光缆的直径仅是铜轴电缆的 1／ 50— 1／ 250，其重量仅为后者的百分之一。
由于体积小，重量轻，可沿电缆同孔铺设，节省了管道建设费用，
长途干线用光缆代替电缆，可节省 30％的费用。在宇航和军事航空上更可大显身手，被称为材料科学的神通。
(2)医用内窥镜光导纤维可以用于食道、直肠、膀胱、子宫、胃等深部探查内窥镜（胃镜、血管镜等）的光学元件和不必切开皮肉直接插入身体内部，切除癌瘤组织的外科手术激光刀，即由光导纤维将激光传递至手术部位。
(3)照明和光能传送利用光导纤维可以实现一个光源多点照明，光缆照明，可利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下、地下照明。由于光导纤维柔软易弯曲变形，可做成任何形状，以及耗电少、光质稳定、光泽柔和、色彩广泛，是未来的最佳灯具，如与太阳能的利用结合起来将成为最经济实用的光源。今后的高层建筑、礼堂、宾馆、
医院,娱乐场所、甚至家庭都可直接使用光导纤维制成的天花板或墙壁，以及彩织光导纤维字画等，也可用于道路、公共设施的路灯、广场的照明和商店橱窗的广告。此外，还可用于易燃、
易爆、潮湿和腐蚀性强的环境中的安全光源。
(4)光纤服装法国一公司首创了光纤喷砂打磨技术。用该方法处理后，可使激光沿着光导纤维束传播而不受其包裹在外层的有反光作用的护套的影响。用这种光导纤维束织成的布料可通过发光传递信息。
这些信号在黑暗里或浓烟密布中，可起到很大的救生作用。若用光导纤维织物制作带传感器的消防服，则其上的传感器装臵可探测出化学危害并通过发光显示，以警示附近其他人员。若特种部队穿上这种面料制成的迷彩服，真成了,变色龙,。
（变色龙是一种,善变,的树栖爬行类动物，在自然界中它当之无愧是,伪装高手,,为了逃避天敌的侵犯和接近自己的猎物，
它常在人们不经意间改变身体颜色，将自己融入周围的环境之中。
变色龙能够变换体色完全取决于皮肤表层内的色素细胞，在这些色素细胞中充满着不同颜色的色素。变色龙皮肤有三层色素细胞，
最深的一层是由载黑素细胞构成，其中细胞带有的黑色素可与上一层细胞相互交融；中间层是由鸟嘌呤细胞构成，它主要调控暗蓝色素；最外层细胞则主要是黄色素和红色素。）
三、电子信息材料
电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料。
电子信息材料主要包括：
1.单晶硅为代表的 半导体微电子材料 ；
2.激光晶体为代表的 光电子材料 ；
3.介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的 电子陶瓷材料 ；
4.钕铁硼（ NdFeB）永磁材料为代表的 磁性材料 ；
5.光纤通信材料 ；
6.磁存储和光盘存储为主的数据 存储材料 ；
7.压电晶体与薄膜材料 ；
8.贮氢材料
9.以锂离子嵌入材料为代表的 绿色电池材料 。
这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。
四、有机高分子新材料和复合材料
1．高性能工程塑料 —— 工程塑料是指一类可以作为结构材料，
在较宽的温度范围内承受机械应力，在较为苛刻的化学物理环境中使用的高性能的高分子材料，它们具有密度小、抗张强度与质量之比、耐磨损、耐腐蚀、不生锈、电绝缘性好、耐磨、抗冲击、
抗疲劳性能优良、成本低等 优点 。
工程塑料的 缺点,
(a)耐热性低，软化点低；
(b)机械强度低，抗张强度一般约为钢的十分之一；
(c)尺寸稳定性差，线膨胀系数约为钢的 5倍；
(d)耐久性差，长期受重力作用易产生疲劳，在室外长期受紫外线作用，易降低性能。
工程塑料可采用通常的塑料加工方法加工成各种制品。还可通过增韧技术、嵌段共聚或几种聚合物混炼等方法制成高分子共混物，以改进性能，使其抗冲击强度接近金属。工程塑料广泛用于电子、电工、建筑、汽车、机械、航空、航天等工业部门。
如 ABS（塑料合金）、尼龙、聚矾等。
2．功能高分子材料 ——
（ 1） 高分子液晶材料 作为一类新型的特种材料，已经应用于手表、仪表、广告及电视行业。
（ 2） 高吸水性树脂 是一种具有高吸水性和高保水性的新型功能材料。它能吸收相当自重数百倍乃至千倍的水分，吸水膨胀后即使加压，也不会析出水来。
（ 3） 高分子粘合剂 可以把不同的材料如金属、木材、水泥、
橡胶塑料等牢固地粘结在一起，甚至比某些材料本身还结实，故又称万能胶粘剂。其类型分为：
① 热固性胶粘剂 。用于木材加工、金属和非金属结构联接、
层压板层间粘结等。
② 热塑性胶粘剂 。用于金属零件、电子器件、纸制品的粘接，
也用于木材加工和包装、装订等。
③ 橡胶型胶粘剂 。用于金属、橡胶制品及皮革、织物的粘接。
④ 复合型胶粘剂 。主要用作结构胶粘剂。
3．新型复合材料
（ 1） 玻璃钢 是一种纤维增强塑料，其强度可与钢相媲美，
具有瞬时耐高温性能。
根据使用的树脂品种不同有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢。
利用玻璃钢撑竿跳高纪录已经超过了６米。化工厂采用酚醛树脂的玻璃钢代替不锈钢做各种耐腐蚀设备 。
玻璃钢无磁性，不阻挡电磁波通过。用它来做导弹的雷达罩，
就好比给导弹戴上了一副防护眼镜，既不阻挡雷达的,视线,,
又起到防护作用。现在，许多导弹和地面雷达站的雷达罩都是玻璃钢制造的。
玻璃钢坚韧，比钢材轻得多。喷气式飞机上用它作油箱和管道，可减轻飞机的重量。登上月球的宇航员们，他们身上背着的微型氧气瓶，也是用玻璃钢制成的。
（ 2） 碳纤维 是一种 强度 比钢的大 (其抵抗变形的能力要比钢大两倍多 ),密度 比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、
比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的 电学,热学 和 力学 性能的新型材料。
用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，
而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制作电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，
质量小，可节约大量的燃料。 1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。 目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维
（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成 。
第四节 材料科学技术的兴起及发展趋势
一、什么是材料科学材料科学是由多学科相互交叉形成的一门新兴综合性学科，它研究材料的组成、结构和性能之间的相互关系及其变化规律，是介于基础科学与应用科学之间的技术学科。
新材料是现代科学技术赖以形成和发展的基础，而的现代科学技术的发展又反过来刺激了新材料的发展。
目前，新材料已经成为知识密集、技术密集、资金密集的一类新兴产业，是多学科相互交叉和渗透的结果。它们中的多数是固体物理、有机化学、量子化学、固体力学、冶金科学、陶瓷科学、生物学、微电子学、光电子学等多种学科的最新成就。
近几十年来，由于 现代物理学和现代化学,特别是固体物理和固体化学理论 的进展，加上用电子技术和计算机技术武装起来的分析测试技术的进步，使人们对材料的认识从宏观到微观，从而有可能在分子和原子的水平上深入了解各种材料的物质结构以及揭示不同的物质结构与性能之间的关系。特别是现代尖端技术创造的 超高温、超低温、高真空、超低压、强磁场 等条件，使人们能够从本质上去认识材料的各种物理和化学机制。
在人们对各种材料由感性到理性、由表面到本质、
由对各个单一的材料到对多种材料普遍规律认识的基础上，材料科学这一专门性学科，于 20世纪 60年代初建立了起来。
二、材料科学研究的内容
1．研究影响材料性能的因素 ——
（ 1） 化学键的影响,离子键；共价键；金属键；分子键。
离子键 是由电子转移（失去电子者为阳离子，获得电子者为阴离子）形成的。即正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键。离子既可以是单离子，如 Na+,CL-；也可以由原子团形成；如 SO4 - -,NO3-等。
共价键 的形成是相邻两个原子之间自旋方向相反的电子相互配对，此时原子轨道相互重叠，两核间的电子云密度相对地增大，
从而增加对两核的引力。 共价键的作用力很强，有饱和性与方向性 。因为只有自旋方向相反的电子才能配对成键，所以共价键有饱和性；另外，原子轨道互相重叠时，必须满足对称条件和最大重叠条件，所以共价键有方向性。
金属原子容易失去最外层的电子而成为正离子，脱离原子的电子为所有正离子所共有，在金属内部自由运动形成,电子气,。正离子与,电子气,相互作用使粒子结合在一起，该种结合力称为 金属键 。 金属键没有方向性与饱和性。
外层电子已经饱和的原子（氩、氖、氦、氙等）以及某些分子（ HCl,CO,O2,H2等 )，在低温下组成晶体时，离子间靠微弱的吸引力而相结合，该种结合力称为 分子键 或 范德瓦耳斯键。
（ 2） 结构类型,原子或分子的几何排列即结构类型，所决定的基本物性有力学性、热学性、光学的各向异性、双折射等。
（ 3） 缺陷,晶体中存在的原子空穴、填隙原子、杂质原子、
位错统称为缺陷。
缺陷既有使材料性能下降的一面，也有显示功能性的一面。
近年来发展起来的多种功能材料，有不少是利用由缺陷引起的敏感性来实现的。
（ 4） 织构,织构是指组成及结构相同或不同的分散材料在组合成为整体时的聚合状态。织构对材料的力学性质、热学性质等有重大影响。（如织布）运用固体物理及量子化学的理论，开展相平衡、缺陷分布、织构形成等规律的研究，弄清组成、结构、
状态、缺陷与材料性能的关系，是材料科学研究的主要内容。
精细结构 肉眼光学显微镜下的影像 光学显微镜
扫描电子显微镜下的影像 扫描电子显微镜
2．研究材料的形成机理和制备方法为获得有用的材料，首先要了解它的形成机理，以便采取有效的方法和措施。在合成有机高分子材料时，
要知道用什么单体，采用哪一种聚合反应。培养单晶材料要了解晶体生长的机制，找出合适的生长方法。熔炼金属、烧结陶瓷都要依据它们的物理化学变化过程，选择适当的工艺条件。只有对这些规律充分认识并掌握好制备方法，才能使材料在生产中质量稳定，成品率提高。
3英寸碳化硅单晶 金刚石单晶
3．研究材料的测试技术为了合理地使用材料，需要对材料的各种物性有较全面的了解，对材料的进行分析、检测就是完成这项任务。例如利用扫描电子显微镜，能够显示出分子的空间结构，清楚地观察位错和空隙的位置；利用电子计算机能把微观缺陷在材料中的行为定量地计算出来；利用各种类型的断裂韧性、动平衡、无损探伤等实验仪器，可以检验材料的机械性能和质量。但是仅依靠技术性能测试，有时尚不能完全反映真实情况，还需要进行实际应用的 模拟试验或采用特别设计的方法进行测试，才能保证材料在使用过程中所经受的工作条件和使用周期的考验。此外，还要制定统一的材料测试方法和检验标准。
布氏硬度计 韧性试验仪 材料腐蚀试验仪
三、材料科学的任务
1．提高现有材料的利用率。
现有材料品种繁多，用途广泛，
不胜枚举。但是如何提高现有材料的利用率，乃是材料科学的一个主要任务。首先要应用材料力学原理，提高选材和机械设计水平，使各种工程合理使用材料，使材料能充分发挥其功能，并保证安全可靠。
其次要发展各式各样的涂层和表面工艺，如等离子喷涂、激光处理等以加强表面防护。 液氮温度下超导磁浮体
2．解决合格材料的制备问题。
在许多新技术、新产业和现代化工程项目中，很关键的问题是要按照需要设计和制备出合格的材料。因为先进的技术必然对材料的性能有相当高的要求。比如，研究受控热核反应需要十几万高斯以上的强磁场条件，而为了产生这种强磁场，即必须研制出在液氮温区的高温超导材料。 （ 液氮临界温度 77K）
现在航天飞机的外板是特殊陶瓷制成的，当航天飞机进入大气层时候温度升到一定程度就脱落掉，相当于脱一层皮。航天飞机外壳用钛合金制作，还涂上好多层绝热材料 —— 改性电木，就是改性酚醛树脂 。
欧洲月球探测器,智能１
号,2006年 9月 3
日撞击月球，击出月球表面撞出一个直径 3至 10米的坑，并把月球表面尘埃送上十几公里的高空。
3．不断研究和开发新材料。
新型材料的不断出现，对现代产业和高新技术的发展起着巨大的推动作用。为使自己的产品在国际市场上独占鳌头，各国都拼命在新型材料的研制上下功夫，尤其重视独创性的新型材料的研究和开发。显然，不断研制更多、更好的新材料将是材料科学永恒的主题。
（ 1969年珍宝岛中苏之战,我军 75毫米无后坐力炮,85毫米加农炮和 56式火箭筒等都无法击穿 苏联 T-62坦克正面装甲 。被 我军地雷炸毁的 苏联坦克，苏军用炮火想摧毁，但被我军炮击冰面沉到江底，又从江底拉回，现展览于北京军事博物馆。 ）
四,新材料高技术的研究热点与趋势
1,当前材料科学发展的总趋势
① 材料与器件趋向于一体化，达到小型化和多功能化。
② 制造材料的新工艺、新流程及结构与性能的新测试方法，
往往成为新材料和研究材料的突破点。
③ 材料的复合是得到所需性能的最经济而重要的途径。
④ 分子和原子尺度的研究工作日趋重要，以形成零维、一维、
二维材料。
⑤ 材料与生物的交叉日趋发展，从而得到与生物相近的高效率、高功能的新材料。
金相显微镜 战略导弹核潜艇 嫦娥一号探月卫星 中国 99式主战坦克
2.当前材料科学的研究热点
（ 1）低能材料的研究 低能材料（ 0,1,2维）不同于块状（ 3维）材料，不仅存在尺寸效应，更重要的是量子状态的影响，从而导致电、磁和光学等方面的性能奇异变化。
① 零维材料 —— 它指的是超微粒子或纳米级
（ 1～ 100nm）晶体或非晶体，这类材料具有以下特点：
熔点下降 由于自由能的升高,10nm直径的微粒，
其熔点值,Fe为 33℃,Au为 27℃,Al为 18℃,从而大大降低了烧结温度，如 (钛 ） TiO2的烧结温度从 900℃ 降到 500℃,W从 2000℃ 降到 1100℃ 。
扩散加剧 纳米材料的扩散系数提高 100倍左右，
且扩散距离大大缩短，溶质原子的溶解度也大为提高，
如（ 铋 ） Bi在常规 Cu中的溶解度为 10－ 4％，而在纳米
Cu中溶解度提高到 4％ 。
随着高科技的发展，材料科学和新材料主要在以下几个方面得到发展。①复合材料是结构材料发展的重点，其中主要包括树脂基高强度、高模量纤维复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料，其量大面广、经济实用，具有广阔的发展前景。②功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。特别是外延技术与超晶格理论的发展，使材料与器件的制备可以控制在原子尺度上，这将成为发展的重点。③开发低维材料。
低维材料具有体材料不具备的性质。
例如零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体，以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度为块体铝的 8倍；
作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都已显示出广阔的应用前景。④信息功能材料增加品种、
提高性能。这里主要是指半导体、激光、红外、
光电子、液晶、敏感及磁性材料等，它们是发展信息产业的基础。高温超导材料将会继续得到重视，并预计在 20世纪末达到产业化。 ⑤生物材料将得到更多应用和发展。
⑥ 传统材料仍将占有重要位置。金属材料在性能价格比、工艺及现有装备上都具有明显优势，
而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。
高分子材料还会大大发展，性能会更优异，特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，还将不断发展。⑦
C60的出现为发展新材料开辟了一条崭新的途径。
利用原子簇技术可能发展出更多的新材料。
晶界比例大为增加 以晶界厚度 1～ 2nm计，粒度为
5nm的合金，晶界占 50％，粒度为 10,50,100nm的晶界所占比例急剧下降到 30％,10％,3％。
性能的特异变化 膨胀系数成倍增加，特别是力学性能，如纳米级的陶瓷材料可从脆性材料变为塑性为
100％的延性材料，如 1.8％ C的 Fe-C合金在正常的状态下断裂强度为 490MPa，而纳米级晶粒可达到 5880MPa，
提高了 100倍多，且仍塑性良好。
纳米陶瓷轴承纳米陶瓷涂料
② 一维材料 —— 目前最活跃的是 光导纤维和 C纤维,
众所周知光导纤维传递的信息量大，而所需要的材料呈数量级下降,1kg石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆，且保密性强，不受干扰，目前的研究主要进一步降低衰减率，现衰减率已由 20dB／ km降为 0.1dB／ km。
C纤维是复合材料的主要原料，目前还多用于军事和国防工程建设。
荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥 碳纤维布
③ 二维材料 —— 二维材料也就是 薄膜材料,它由于用途广泛而受到人们重视。目前研究发展的厚度从几个纳米到几百纳米，由于其电子所处状态和外界环境的影响，可表现为不同的电子迁移规律，从而完成特定的电光、光电或电算功能，可以制成光学薄膜，作光开关用于放大或调幅；也可制成敏感元件，用于传感器；还可作为信息储存，其容量可达 100兆以上。
另一类就是金刚石薄膜，它具有半导体、高硬度、耐高温和导热不导电等性能，可以满足许多特殊用途的要求。
（ 2）超导材料的研究 超导材料用作输电的块材和线材还存在有许多问题，一是电流密度较低，现为 104A
／ cm2，要实用化需要达到 MA( 106A／ cm2)量级；二是脆性问题，要找出使用脆性材料的可靠途径。另外研究领域存在的 两大攻关项目 是：研究更高临界温度的超导材料，突破液氮温度而达到室温；另一是理论探索，到目前为止还没有能提出一个令人信服而又适用于陶瓷体的超导理论。
日本磁悬浮列车 上海磁悬浮列车
（ 3） C60的开发研究 1985年美国化学家偶尔发现了 C的第三种同素异型体 C60，它是由 60个 C原子组成的簇状大分子。
C60的应用前景,① 1991年 7月北京大学和中科院核物理所研制的新超导体 KxC60的临界温度为 17.9K,
② C60的结构决定其硬度比金刚石更高，而它的微粒尤如硬质小钢球，可能成为微型机械的超级润滑剂。
③ C60可在不损坏自身结构的条件下，吸收电子而后放出，
因而可能成为制造轻型高效电池的原料。
④ C60分子内部可包裹其它元素（如包裹放射性元素治疗癌症，减少对健康组织的破坏）。
（ 4） 生物材料将得到更多应用和发展 一是生物医学材料，
可用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等；另一是生物模拟材料，即模拟生物的机能，如反渗透膜等。
（ 5） 传统材料仍将占有重要位置。 金属材料在性能价格比、
工艺及现有装备上都具有明显优势，而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。高分子材料还会大大发展，性能会更优异，
特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，
还将不断发展。
（ 6） 智能材料的研究,如人工智能计算机的研究；
（ 7） 材料与器件一体化的研究,使新器件向微型化和多功能化方向发展；
（ 8） 光子计算机的研究,光子无质量，不产生干扰，也不发热，运行速度可达电子计算机运行速度的 100倍；
（ 9） 新的材料设计方法的研究,应用电子计算机从材料的原子和分子层次对材料进行设计。
现代科技第五章思考题
1.什么是新材料？
2.金属材料分为哪两大类？
3.什么是高分子材料？
4.何谓超导电现象、超导体、超导态、超导体的临界温度？
5.超导技术的主要应用包括哪几方面？
6.记忆合金的含义是什么？
7.形状记忆合金有哪几种分类？
8.什么是光导纤维？
9.什么是非晶态金属？
10.原子间的化学键有哪几种？各有何特点？
所谓 材料,是指人类能用来制作有用物件的物质 。 新材料是指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异性能的一类材料。
按大的类别划分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料。
按使用性能划分：结构材料、功能材料。
按应用对象划分：信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、光机电材料、航空航天材料。
按来源划分：天然材料、人造材料。
发光材料 超导材料 磁性材料 航天材料
1．金属材料 —— 一般分为 黑色金属材料 和 有色金属材料 两大类。
自然界共有 83种金属元素，黑色金属包括铁、锰、铬 3种金属元素及它们的合金，另外 80种元素统称为有色金属。
合金是由两种或两种以上的金属元素，或者金属元素与非金属元素所组成的具有金属性质的物质。
由铁和碳组成的合金称为 钢铁 。含碳量低于 0.04%时为 熟铁 ;
含碳量在 2.0－３,5%时为 生铁 ; 含碳量在 0.8－ 1.7%时为 钢 。
黄铜是铜和锌的合金、白铜是铜镍合金、紫铜是较纯的铜。
有色金属中铝的用途最广，如厨房设备、门窗、装饰材料、
硬币、电线均用铝制作，铝合金是造飞机的好材料。（如铝镁合金，铝钛合金，铝锂镁合金，铝镁锰合金等 ）钛以其高强度、高熔点、耐腐蚀等优异性能被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、航天飞机等航天航空尖端领域，故被称为“宇宙金属”。
2．无机非金属材料无机非金属材料品种繁多，有氧化物、硫化物、卤化物等，
包括酸、碱、盐。
重要的传统无机非金属材料是水泥、玻璃和陶瓷，因其均含有二氧化硅，故统称为硅酸盐材料。
水泥 是一种重要的建筑材料，除普通水泥外，还有各类耐高温、高强度、耐油、抗水渗、速凝等特种水泥。
陶瓷 材料有很好的力学性质，且耐高温、抗腐蚀。
玻璃 是一种特殊陶瓷材料，它既有耐酸耐腐蚀的化学稳定性，
又有仅次于金刚石的硬度，并有很好的透光性。
另外还有铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等
3.有机高分子材料所谓高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量特别大有机化合物,常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间。
高分子材料具有长链结构，其分子像一条长长的线，众多分子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，所以不仅有较高的机械强度，还有较好的弹性、可塑性强、硬度大、耐磨、耐热、耐腐蚀、耐溶剂、电绝缘性强、气密性好等，可以作为结构材料使用。
棉、毛、丝、塑料、橡胶等都是最常用的有机高分子材料。
根据来源分为天然高分子化合物、合成高分子化合物和半合成高分子化合物。天然高分子化合物如纤维素、淀粉等；各种人工合成的高分子如聚乙烯、聚丙烯等为合成高分子化合物；醋酸纤维素等为半合成高分子化合物 。
4.复合材料复合材料是 金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 通过复合工艺组合而成的新型材料（ 一种材料为 基体 另一种材料为增强体 ）,它既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组成所不具备的性能，还能通过材料设计使各组成部分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、
橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、
硼纤维、芳纶纤维、纤维、碳化硅、石棉、晶须（由高纯度单晶生长而成的短纤维）,金属丝和硬质细粒等。
硼酸镁晶须 硅晶须第二节 超导体及其研究一、什么是超导体
通常把低于 81K以下的温度范围称为低温，研究物质在低温下的结构、特性和运动规律的科学，叫做低温物理。
电阻突然消失为零的现象叫做 超导电现象 ；把具有超导电性的物质叫做 超导体 ；把物质所处的这种以零电阻为特征的状态叫做 超导态 ；把电阻突然为零时的温度称为 临界温度,用 Tc表示。
根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料
（液氮温度 77K以上 ）和低温超导材料。
完全抗磁性（迈斯纳效应） —— 当超导体处在超导态时，它始终保持内部磁场为零，外部磁场的磁力线将无法穿透并被统统排斥到体外，该特性使超导体成为理想的抗磁体。
超导体光传感器 超导体磁悬浮列车 由超导体制造的电阻温度计二,超导体的发展历程超导电性研究的历史可分为四个阶段：
第一阶段 从 1911年至 1945年，全世界只有几个实验室可以生产液氦，对超导现象的机制缺乏理论上的解释。
第二阶段 是二战后的十年，美国科学家巴丁、库珀等发表了经典的超导电性量子理论，认为电子通过晶格（称为声子）而相互吸引，从而导致超导作用。
第三阶段 是 60年代到 80年代初，超导磁体成为超导电性的最大量和最有成效的应用，如美国阿贡实验室用铌 —— 钛线多股合金电缆绕制了气泡室用的大型超导磁体。
第四阶段 从 1986年开始，超导研究跨入液氮温区阶段。 86年
4月，美国国际商用机器公司（ IBM）研制出钡镧铜氧化物，在
30 K表现出超导电性；同年 12月，日本东京大学在锶镧铜氧化物中得到的超导转变温度为 37 K； 1987年 2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到 90K以上，液氮的禁区（ 77K）也奇迹般地被突破了。 1993年，人们发现了超导临界转变温度为 133K的汞 -钡
-钙 -铜 -氧。 2005年科学家已经制造出 138K的高温超导体。
三、超导技术的应用
1.超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得 10特斯拉以上的稳态强磁场。
超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到
5～ 6特斯拉，并且几乎没有能量损失。
磁流体发电机 同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为 5～ 6特斯拉的强磁场而发电。
超导输电线路,超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。
目前的铜或铝导线输电，约有 15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，
每年的电力损失高达 1000多亿度。 2007年三峡水库电厂计划发电 630亿度。
2.超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方 。 利用这 种 磁 悬 浮 效 应 可 以 制 作 高 速 超 导 磁 悬 浮 列 车 。
3.超导计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会发生大量的热,而散热是超大规模集成电路面临的难题 。 超导计算机中的超大规模集成电路,其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作,不存在散热问题,同时计算机的运算速度大大提高 。
此外,科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管,甚至完全用超导体来制作晶体管 。
4,核聚变反应堆,磁封闭体,核聚变反应时,
内部温度高达 1亿～ 2亿 ℃,没有任何常规材料可以包容这些物质 。 而超导体产生的强磁场可以作为,磁封闭体,,将热核反应堆中的超高温等离子体包围,约束起来,然后慢慢释放,从而使受控核聚变能源成为 21世纪前景广阔的新能源 。
第三节 不断发展的新材料一、金属新材料
1.锂及其合金 —— 锂合金具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、耐冲击的优点，还有阻止高速辐射粒子穿透的能力，是研制人造天体的理想结构材料。锂还是高效的储能材料和重要的能源材料。
把金属锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。
另外还有镁锂合金等。科学家发现了一种含锂的耐热玻璃，其强度比普通玻璃大 15倍，而且其重量比金属铝还轻，用它作超音速飞机的玻璃窗就安全多了。
2．记忆合金 —— 形状记忆合金是一种特殊的合金，存在一个记忆温度，在记忆温度以下可以任意加工，当温度回到记忆温度时，可以恢复到加工前的形状。
记忆合金中以 1:1的镍与钛组成的“镍钛诺”合金应用最广，
这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做“记忆合金”。当然它不可能像人类大脑思维记忆，
更准确地说应该称之为“记忆形状的合金”。记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点。
记忆合金骨科内固定支架 记忆合金内科气管支架 记忆合金肌肉缝合线形状记忆合金的分类,
（ 1）单程记忆效应 —— 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
（ 2）双程记忆效应 —— 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
（ 3）全程记忆效应 —— 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
形状记忆合金的应用工业应用：
（ 1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、
套环等。
（ 2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。
（ 3）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。
医学应用：
TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、节育环、心脏修补元件、
人造肾脏用微型泵等。
高科技应用展望：
形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化,(如全息机器人、毫米级超微型机械手等） 。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，
可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。
利用记忆合金在特定温度下的形变功能，可以制作多种温控器件，可以制作温控电路、温控阀门，温控的管道连接。利用记忆合金制作宇宙空间站上的太阳电池板（ 先在地面上制成大面积的平面电池板，折叠成一团，
用飞船带到太空，温度转变后，自展成原来的大面积和形状。 ）
3．非晶态金属 —— 是金属中的原子杂乱无章组合的一种结构。
非晶态金属又称无定形金属、玻璃金属，具有特别优异的物理、
化学和力学性能。
非晶态合金的强度、韧性和耐磨性明显高于普通钢铁材料。
制备非晶态合金带材采用的是一种快速凝固工艺，即将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。在这里，钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，以致金属中的原子来不及重新排列而形成了杂乱无章的组合，这样就产生了非晶态合金。
如采用非晶态合金制备的高耐磨音频视频磁头在高档录音、
录相机中广泛应用；而采用非晶丝复合强化的高尔夫球杆、钓鱼杆已经面市。铁基非晶态合金具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点，现代工业多用它制造配电变压器，铁心的空载损耗与硅钢铁芯的空载损耗相比降低 60％ — 80％，具有显著的节能效果。
二,无机非金属新材料
1．精密陶瓷 —— 是由极纯的硅、铝、
碳、氮等元素的化合物的超细粉末烧结而成的具有强度高、耐高温、耐腐蚀、
透光性好等优良性能。
精密陶瓷球产品已经被成功用于热传导、热机械、核能、微电子技术、自动化装臵、敏感传感器、光学领域、医疗领域及新能源等领域。
目前，各国的精密陶瓷研究与生产，正在形成新一轮的生产高潮与竞争更加激烈的市场局面。
陶瓷轴承工作温度高达 1300摄氏度以上，其工作强度为普通金属材料 5倍以上。耐热氧化锆陶瓷瓦可以忍耐高达 6000摄氏度的航天高温摩擦，被大量用作航天飞机的盔甲。生物陶瓷产品已经被应用于骨骼修复、瓷牙修补等方面。陶瓷活塞盖、排气管内衬、涡轮增压转子及燃气轮转子等正在研究中。 空中客车 A320
超大型飞机，就采用了许多高温陶瓷材料与敏感陶瓷元件。尤其在其引擎与动力系统，由于在冷却部位大量采用了耐热陶瓷，大幅度降低了能耗与热损耗。
2.光导纤维 —— 是纯度极高的细玻璃丝，用它可以传输光信号，
实现光通讯。
光导纤维的直径在几十微米（ 10-4米）数量级，由芯子、包层和涂敷层组成，芯子材料的主要成分是二氧化硅，其中掺有微量的二氧化锗、五氧化二磷等，以提高材料的折射率（ n1=1.8）包层一般是纯二氧化硅 (n2=1.4)；最外面涂敷层的成分是硅酮或丙烯酸盐，用以保护光导纤维。光导纤维柔软，不怕震，它能使光沿弯曲路径传播，可以传输图象信号。其传输原理是光的全反射。
由于包层的折射率比芯线折射率小，这样进入芯线的光线在芯线与包层的界面上作多次全反射而曲折前进，不会透过界面。
2,光导纤维的实际应用
(1)光纤通讯 — 信息高速公路激光是进行光纤通信的理想光源。 光缆的直径不到 0,1毫米，
然而在这种小小的信息通道上，从理论上讲，同时能传送 100亿路的电话,100万路高质量的电视节目，且不受电磁干扰，信息损失也极小。而目前一对直径为 0,65毫米的铜线仅能同时提供
24路电话，一条直径为 76,2毫米包括 22个铜轴管的铜轴电缆，
也只能同时传送 4万路电话或 23个电视频道的节目。
光导纤维的原料就是我们常见的石英。 1公斤高纯度的石英玻璃可以拉制出成千上万公里的光导纤维，要制造 100公里的
1800路电话的铜轴电缆则需要耗铜 12吨、铅 50吨，光缆的直径仅是铜轴电缆的 1／ 50— 1／ 250，其重量仅为后者的百分之一。
由于体积小，重量轻，可沿电缆同孔铺设，节省了管道建设费用，
长途干线用光缆代替电缆，可节省 30％的费用。在宇航和军事航空上更可大显身手，被称为材料科学的神通。
(2)医用内窥镜光导纤维可以用于食道、直肠、膀胱、子宫、胃等深部探查内窥镜（胃镜、血管镜等）的光学元件和不必切开皮肉直接插入身体内部，切除癌瘤组织的外科手术激光刀，即由光导纤维将激光传递至手术部位。
(3)照明和光能传送利用光导纤维可以实现一个光源多点照明，光缆照明，可利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下、地下照明。由于光导纤维柔软易弯曲变形，可做成任何形状，以及耗电少、光质稳定、光泽柔和、色彩广泛，是未来的最佳灯具，如与太阳能的利用结合起来将成为最经济实用的光源。今后的高层建筑、礼堂、宾馆、
医院,娱乐场所、甚至家庭都可直接使用光导纤维制成的天花板或墙壁，以及彩织光导纤维字画等，也可用于道路、公共设施的路灯、广场的照明和商店橱窗的广告。此外，还可用于易燃、
易爆、潮湿和腐蚀性强的环境中的安全光源。
(4)光纤服装法国一公司首创了光纤喷砂打磨技术。用该方法处理后，可使激光沿着光导纤维束传播而不受其包裹在外层的有反光作用的护套的影响。用这种光导纤维束织成的布料可通过发光传递信息。
这些信号在黑暗里或浓烟密布中，可起到很大的救生作用。若用光导纤维织物制作带传感器的消防服，则其上的传感器装臵可探测出化学危害并通过发光显示，以警示附近其他人员。若特种部队穿上这种面料制成的迷彩服，真成了,变色龙,。
（变色龙是一种,善变,的树栖爬行类动物，在自然界中它当之无愧是,伪装高手,,为了逃避天敌的侵犯和接近自己的猎物，
它常在人们不经意间改变身体颜色，将自己融入周围的环境之中。
变色龙能够变换体色完全取决于皮肤表层内的色素细胞，在这些色素细胞中充满着不同颜色的色素。变色龙皮肤有三层色素细胞，
最深的一层是由载黑素细胞构成，其中细胞带有的黑色素可与上一层细胞相互交融；中间层是由鸟嘌呤细胞构成，它主要调控暗蓝色素；最外层细胞则主要是黄色素和红色素。）
三、电子信息材料
电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料。
电子信息材料主要包括：
1.单晶硅为代表的 半导体微电子材料 ；
2.激光晶体为代表的 光电子材料 ；
3.介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的 电子陶瓷材料 ；
4.钕铁硼（ NdFeB）永磁材料为代表的 磁性材料 ；
5.光纤通信材料 ；
6.磁存储和光盘存储为主的数据 存储材料 ；
7.压电晶体与薄膜材料 ；
8.贮氢材料
9.以锂离子嵌入材料为代表的 绿色电池材料 。
这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。
四、有机高分子新材料和复合材料
1．高性能工程塑料 —— 工程塑料是指一类可以作为结构材料，
在较宽的温度范围内承受机械应力，在较为苛刻的化学物理环境中使用的高性能的高分子材料，它们具有密度小、抗张强度与质量之比、耐磨损、耐腐蚀、不生锈、电绝缘性好、耐磨、抗冲击、
抗疲劳性能优良、成本低等 优点 。
工程塑料的 缺点,
(a)耐热性低，软化点低；
(b)机械强度低，抗张强度一般约为钢的十分之一；
(c)尺寸稳定性差，线膨胀系数约为钢的 5倍；
(d)耐久性差，长期受重力作用易产生疲劳，在室外长期受紫外线作用，易降低性能。
工程塑料可采用通常的塑料加工方法加工成各种制品。还可通过增韧技术、嵌段共聚或几种聚合物混炼等方法制成高分子共混物，以改进性能，使其抗冲击强度接近金属。工程塑料广泛用于电子、电工、建筑、汽车、机械、航空、航天等工业部门。
如 ABS（塑料合金）、尼龙、聚矾等。
2．功能高分子材料 ——
（ 1） 高分子液晶材料 作为一类新型的特种材料，已经应用于手表、仪表、广告及电视行业。
（ 2） 高吸水性树脂 是一种具有高吸水性和高保水性的新型功能材料。它能吸收相当自重数百倍乃至千倍的水分，吸水膨胀后即使加压，也不会析出水来。
（ 3） 高分子粘合剂 可以把不同的材料如金属、木材、水泥、
橡胶塑料等牢固地粘结在一起，甚至比某些材料本身还结实，故又称万能胶粘剂。其类型分为：
① 热固性胶粘剂 。用于木材加工、金属和非金属结构联接、
层压板层间粘结等。
② 热塑性胶粘剂 。用于金属零件、电子器件、纸制品的粘接，
也用于木材加工和包装、装订等。
③ 橡胶型胶粘剂 。用于金属、橡胶制品及皮革、织物的粘接。
④ 复合型胶粘剂 。主要用作结构胶粘剂。
3．新型复合材料
（ 1） 玻璃钢 是一种纤维增强塑料，其强度可与钢相媲美，
具有瞬时耐高温性能。
根据使用的树脂品种不同有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢。
利用玻璃钢撑竿跳高纪录已经超过了６米。化工厂采用酚醛树脂的玻璃钢代替不锈钢做各种耐腐蚀设备 。
玻璃钢无磁性，不阻挡电磁波通过。用它来做导弹的雷达罩，
就好比给导弹戴上了一副防护眼镜，既不阻挡雷达的,视线,,
又起到防护作用。现在，许多导弹和地面雷达站的雷达罩都是玻璃钢制造的。
玻璃钢坚韧，比钢材轻得多。喷气式飞机上用它作油箱和管道，可减轻飞机的重量。登上月球的宇航员们，他们身上背着的微型氧气瓶，也是用玻璃钢制成的。
（ 2） 碳纤维 是一种 强度 比钢的大 (其抵抗变形的能力要比钢大两倍多 ),密度 比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、
比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的 电学,热学 和 力学 性能的新型材料。
用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，
而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制作电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，
质量小，可节约大量的燃料。 1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。 目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维
（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成 。
第四节 材料科学技术的兴起及发展趋势
一、什么是材料科学材料科学是由多学科相互交叉形成的一门新兴综合性学科，它研究材料的组成、结构和性能之间的相互关系及其变化规律，是介于基础科学与应用科学之间的技术学科。
新材料是现代科学技术赖以形成和发展的基础，而的现代科学技术的发展又反过来刺激了新材料的发展。
目前，新材料已经成为知识密集、技术密集、资金密集的一类新兴产业，是多学科相互交叉和渗透的结果。它们中的多数是固体物理、有机化学、量子化学、固体力学、冶金科学、陶瓷科学、生物学、微电子学、光电子学等多种学科的最新成就。
近几十年来，由于 现代物理学和现代化学,特别是固体物理和固体化学理论 的进展，加上用电子技术和计算机技术武装起来的分析测试技术的进步，使人们对材料的认识从宏观到微观，从而有可能在分子和原子的水平上深入了解各种材料的物质结构以及揭示不同的物质结构与性能之间的关系。特别是现代尖端技术创造的 超高温、超低温、高真空、超低压、强磁场 等条件，使人们能够从本质上去认识材料的各种物理和化学机制。
在人们对各种材料由感性到理性、由表面到本质、
由对各个单一的材料到对多种材料普遍规律认识的基础上，材料科学这一专门性学科，于 20世纪 60年代初建立了起来。
二、材料科学研究的内容
1．研究影响材料性能的因素 ——
（ 1） 化学键的影响,离子键；共价键；金属键；分子键。
离子键 是由电子转移（失去电子者为阳离子，获得电子者为阴离子）形成的。即正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键。离子既可以是单离子，如 Na+,CL-；也可以由原子团形成；如 SO4 - -,NO3-等。
共价键 的形成是相邻两个原子之间自旋方向相反的电子相互配对，此时原子轨道相互重叠，两核间的电子云密度相对地增大，
从而增加对两核的引力。 共价键的作用力很强，有饱和性与方向性 。因为只有自旋方向相反的电子才能配对成键，所以共价键有饱和性；另外，原子轨道互相重叠时，必须满足对称条件和最大重叠条件，所以共价键有方向性。
金属原子容易失去最外层的电子而成为正离子，脱离原子的电子为所有正离子所共有，在金属内部自由运动形成,电子气,。正离子与,电子气,相互作用使粒子结合在一起，该种结合力称为 金属键 。 金属键没有方向性与饱和性。
外层电子已经饱和的原子（氩、氖、氦、氙等）以及某些分子（ HCl,CO,O2,H2等 )，在低温下组成晶体时，离子间靠微弱的吸引力而相结合，该种结合力称为 分子键 或 范德瓦耳斯键。
（ 2） 结构类型,原子或分子的几何排列即结构类型，所决定的基本物性有力学性、热学性、光学的各向异性、双折射等。
（ 3） 缺陷,晶体中存在的原子空穴、填隙原子、杂质原子、
位错统称为缺陷。
缺陷既有使材料性能下降的一面，也有显示功能性的一面。
近年来发展起来的多种功能材料，有不少是利用由缺陷引起的敏感性来实现的。
（ 4） 织构,织构是指组成及结构相同或不同的分散材料在组合成为整体时的聚合状态。织构对材料的力学性质、热学性质等有重大影响。（如织布）运用固体物理及量子化学的理论，开展相平衡、缺陷分布、织构形成等规律的研究，弄清组成、结构、
状态、缺陷与材料性能的关系，是材料科学研究的主要内容。
精细结构 肉眼光学显微镜下的影像 光学显微镜
扫描电子显微镜下的影像 扫描电子显微镜
2．研究材料的形成机理和制备方法为获得有用的材料，首先要了解它的形成机理，以便采取有效的方法和措施。在合成有机高分子材料时，
要知道用什么单体，采用哪一种聚合反应。培养单晶材料要了解晶体生长的机制，找出合适的生长方法。熔炼金属、烧结陶瓷都要依据它们的物理化学变化过程，选择适当的工艺条件。只有对这些规律充分认识并掌握好制备方法，才能使材料在生产中质量稳定，成品率提高。
3英寸碳化硅单晶 金刚石单晶
3．研究材料的测试技术为了合理地使用材料，需要对材料的各种物性有较全面的了解，对材料的进行分析、检测就是完成这项任务。例如利用扫描电子显微镜，能够显示出分子的空间结构，清楚地观察位错和空隙的位置；利用电子计算机能把微观缺陷在材料中的行为定量地计算出来；利用各种类型的断裂韧性、动平衡、无损探伤等实验仪器，可以检验材料的机械性能和质量。但是仅依靠技术性能测试，有时尚不能完全反映真实情况，还需要进行实际应用的 模拟试验或采用特别设计的方法进行测试，才能保证材料在使用过程中所经受的工作条件和使用周期的考验。此外，还要制定统一的材料测试方法和检验标准。
布氏硬度计 韧性试验仪 材料腐蚀试验仪
三、材料科学的任务
1．提高现有材料的利用率。
现有材料品种繁多，用途广泛，
不胜枚举。但是如何提高现有材料的利用率，乃是材料科学的一个主要任务。首先要应用材料力学原理，提高选材和机械设计水平，使各种工程合理使用材料，使材料能充分发挥其功能，并保证安全可靠。
其次要发展各式各样的涂层和表面工艺，如等离子喷涂、激光处理等以加强表面防护。 液氮温度下超导磁浮体
2．解决合格材料的制备问题。
在许多新技术、新产业和现代化工程项目中，很关键的问题是要按照需要设计和制备出合格的材料。因为先进的技术必然对材料的性能有相当高的要求。比如，研究受控热核反应需要十几万高斯以上的强磁场条件，而为了产生这种强磁场，即必须研制出在液氮温区的高温超导材料。 （ 液氮临界温度 77K）
现在航天飞机的外板是特殊陶瓷制成的，当航天飞机进入大气层时候温度升到一定程度就脱落掉，相当于脱一层皮。航天飞机外壳用钛合金制作，还涂上好多层绝热材料 —— 改性电木，就是改性酚醛树脂 。
欧洲月球探测器,智能１
号,2006年 9月 3
日撞击月球，击出月球表面撞出一个直径 3至 10米的坑，并把月球表面尘埃送上十几公里的高空。
3．不断研究和开发新材料。
新型材料的不断出现，对现代产业和高新技术的发展起着巨大的推动作用。为使自己的产品在国际市场上独占鳌头，各国都拼命在新型材料的研制上下功夫，尤其重视独创性的新型材料的研究和开发。显然，不断研制更多、更好的新材料将是材料科学永恒的主题。
（ 1969年珍宝岛中苏之战,我军 75毫米无后坐力炮,85毫米加农炮和 56式火箭筒等都无法击穿 苏联 T-62坦克正面装甲 。被 我军地雷炸毁的 苏联坦克，苏军用炮火想摧毁，但被我军炮击冰面沉到江底，又从江底拉回，现展览于北京军事博物馆。 ）
四,新材料高技术的研究热点与趋势
1,当前材料科学发展的总趋势
① 材料与器件趋向于一体化，达到小型化和多功能化。
② 制造材料的新工艺、新流程及结构与性能的新测试方法，
往往成为新材料和研究材料的突破点。
③ 材料的复合是得到所需性能的最经济而重要的途径。
④ 分子和原子尺度的研究工作日趋重要，以形成零维、一维、
二维材料。
⑤ 材料与生物的交叉日趋发展，从而得到与生物相近的高效率、高功能的新材料。
金相显微镜 战略导弹核潜艇 嫦娥一号探月卫星 中国 99式主战坦克
2.当前材料科学的研究热点
（ 1）低能材料的研究 低能材料（ 0,1,2维）不同于块状（ 3维）材料，不仅存在尺寸效应，更重要的是量子状态的影响，从而导致电、磁和光学等方面的性能奇异变化。
① 零维材料 —— 它指的是超微粒子或纳米级
（ 1～ 100nm）晶体或非晶体，这类材料具有以下特点：
熔点下降 由于自由能的升高,10nm直径的微粒，
其熔点值,Fe为 33℃,Au为 27℃,Al为 18℃,从而大大降低了烧结温度，如 (钛 ） TiO2的烧结温度从 900℃ 降到 500℃,W从 2000℃ 降到 1100℃ 。
扩散加剧 纳米材料的扩散系数提高 100倍左右，
且扩散距离大大缩短，溶质原子的溶解度也大为提高，
如（ 铋 ） Bi在常规 Cu中的溶解度为 10－ 4％，而在纳米
Cu中溶解度提高到 4％ 。
随着高科技的发展，材料科学和新材料主要在以下几个方面得到发展。①复合材料是结构材料发展的重点，其中主要包括树脂基高强度、高模量纤维复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料，其量大面广、经济实用，具有广阔的发展前景。②功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。特别是外延技术与超晶格理论的发展，使材料与器件的制备可以控制在原子尺度上，这将成为发展的重点。③开发低维材料。
低维材料具有体材料不具备的性质。
例如零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体，以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度为块体铝的 8倍；
作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都已显示出广阔的应用前景。④信息功能材料增加品种、
提高性能。这里主要是指半导体、激光、红外、
光电子、液晶、敏感及磁性材料等，它们是发展信息产业的基础。高温超导材料将会继续得到重视，并预计在 20世纪末达到产业化。 ⑤生物材料将得到更多应用和发展。
⑥ 传统材料仍将占有重要位置。金属材料在性能价格比、工艺及现有装备上都具有明显优势，
而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。
高分子材料还会大大发展，性能会更优异，特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，还将不断发展。⑦
C60的出现为发展新材料开辟了一条崭新的途径。
利用原子簇技术可能发展出更多的新材料。
晶界比例大为增加 以晶界厚度 1～ 2nm计，粒度为
5nm的合金，晶界占 50％，粒度为 10,50,100nm的晶界所占比例急剧下降到 30％,10％,3％。
性能的特异变化 膨胀系数成倍增加，特别是力学性能，如纳米级的陶瓷材料可从脆性材料变为塑性为
100％的延性材料，如 1.8％ C的 Fe-C合金在正常的状态下断裂强度为 490MPa，而纳米级晶粒可达到 5880MPa，
提高了 100倍多，且仍塑性良好。
纳米陶瓷轴承纳米陶瓷涂料
② 一维材料 —— 目前最活跃的是 光导纤维和 C纤维,
众所周知光导纤维传递的信息量大，而所需要的材料呈数量级下降,1kg石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆，且保密性强，不受干扰，目前的研究主要进一步降低衰减率，现衰减率已由 20dB／ km降为 0.1dB／ km。
C纤维是复合材料的主要原料，目前还多用于军事和国防工程建设。
荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥 碳纤维布
③ 二维材料 —— 二维材料也就是 薄膜材料,它由于用途广泛而受到人们重视。目前研究发展的厚度从几个纳米到几百纳米，由于其电子所处状态和外界环境的影响，可表现为不同的电子迁移规律，从而完成特定的电光、光电或电算功能，可以制成光学薄膜，作光开关用于放大或调幅；也可制成敏感元件，用于传感器；还可作为信息储存，其容量可达 100兆以上。
另一类就是金刚石薄膜，它具有半导体、高硬度、耐高温和导热不导电等性能，可以满足许多特殊用途的要求。
（ 2）超导材料的研究 超导材料用作输电的块材和线材还存在有许多问题，一是电流密度较低，现为 104A
／ cm2，要实用化需要达到 MA( 106A／ cm2)量级；二是脆性问题，要找出使用脆性材料的可靠途径。另外研究领域存在的 两大攻关项目 是：研究更高临界温度的超导材料，突破液氮温度而达到室温；另一是理论探索，到目前为止还没有能提出一个令人信服而又适用于陶瓷体的超导理论。
日本磁悬浮列车 上海磁悬浮列车
（ 3） C60的开发研究 1985年美国化学家偶尔发现了 C的第三种同素异型体 C60，它是由 60个 C原子组成的簇状大分子。
C60的应用前景,① 1991年 7月北京大学和中科院核物理所研制的新超导体 KxC60的临界温度为 17.9K,
② C60的结构决定其硬度比金刚石更高，而它的微粒尤如硬质小钢球，可能成为微型机械的超级润滑剂。
③ C60可在不损坏自身结构的条件下，吸收电子而后放出，
因而可能成为制造轻型高效电池的原料。
④ C60分子内部可包裹其它元素（如包裹放射性元素治疗癌症，减少对健康组织的破坏）。
（ 4） 生物材料将得到更多应用和发展 一是生物医学材料，
可用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等；另一是生物模拟材料，即模拟生物的机能，如反渗透膜等。
（ 5） 传统材料仍将占有重要位置。 金属材料在性能价格比、
工艺及现有装备上都具有明显优势，而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。高分子材料还会大大发展，性能会更优异，
特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，
还将不断发展。
（ 6） 智能材料的研究,如人工智能计算机的研究；
（ 7） 材料与器件一体化的研究,使新器件向微型化和多功能化方向发展；
（ 8） 光子计算机的研究,光子无质量，不产生干扰，也不发热，运行速度可达电子计算机运行速度的 100倍；
（ 9） 新的材料设计方法的研究,应用电子计算机从材料的原子和分子层次对材料进行设计。
现代科技第五章思考题
1.什么是新材料？
2.金属材料分为哪两大类？
3.什么是高分子材料？
4.何谓超导电现象、超导体、超导态、超导体的临界温度？
5.超导技术的主要应用包括哪几方面？
6.记忆合金的含义是什么？
7.形状记忆合金有哪几种分类？
8.什么是光导纤维？
9.什么是非晶态金属？
10.原子间的化学键有哪几种？各有何特点？
