材料科學與工程材料的展望論文
摘要:對材料科學與工程材料現狀簡單作了綜述,并對材料科學的發展趨勢作一展望,提出了等離子體學對未來材料發展的影響。
關鍵詞:材料科學;工程材料;等離子體
材料是人們生活和生產必須的物質基礎,也是人類進化的重要里程碑。材料科學主要研究材料的成分、分子或原子結構、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關系。它是一門邊緣新學科,主要以固體物理與固體化學、晶體學、熱力學等為基礎,結合冶金、化工及各種高新技術來探討材料內在規律和應用。
1 金屬、陶瓷和高分子材料的發展材料科學發展很快,內容正不斷充實,但它目前尚處于金屬學、陶瓷學和高分子物理學交叉滲透、平行發展的階段,是否能代替這三門學科尚屬疑問[1]。材料科學的發展有待冶金、物理、化學(化工)和數學等領域專家的攜手合作,共同探索。
金屬材料在材料工業中一直占絕對優勢,近半個世紀來,隨著高分子材料、無機金屬材料及各種復合材料的發展,金屬材料的絕對主導地位才逐漸被其它材料所部分取代。金屬材料因為其獨特性能而不斷地推陳出新,例如:鋼鐵材料質量的提高、成本降低、品種多樣化;有色金屬及合金出現高純和高韌鋁合金、高強和高韌并且耐高溫的鈦合金;還涌現了一些新型高性能金屬材料,例如快速冷凝金屬非晶和微晶材料、納米金屬材料、定向凝固柱晶和單晶合金等。新型金屬功能材料也不斷出現,如廣泛應用的超導體—超導合金、釹鐵硼稀土永磁合金、非晶態軟磁合金、形狀記憶合金、超細金屬隱身材料、貯氫合金、活性生物醫用金屬材料等[2]。
將等離子體理論應用于材料科學的研究是現代材料科學的一個重要方面,下面著重討論等離子體理論在陶瓷材料、高分子材料領域中的應用。
陶瓷材料是無機材料的一種。它可分為工程陶瓷和功能陶瓷兩大類。陶瓷材料以離子鍵(如MgO、A12O3等)、共價鍵(如金剛石等)以及離子鍵和共價鍵的混合鍵接合一起,它與其它工程材料相比,物理和化學性能中最突出區別是極好的耐熱性能和化學穩定性。陶瓷是一種多晶態材料,從物理性能來看,陶瓷通常是各向異性的固體,組成陶瓷的基本相及其結構要比金屬復雜得多,把它放在顯微鏡下觀察可知其通常由晶體相、玻璃相、氣相組成。陶瓷晶體缺陷也可分為3大類:點缺陷(空位、間隙原子、電子空穴等);線缺陷(位錯);面缺陷(晶界、亞晶界)。一般來說,在正常情況下,大多數陶瓷材料不滿足等離子體定義,但在陶瓷制造工藝過程中,陶瓷材料的應用特別是作為功能材料時,它的等離子體性質便顯示出來,等離子體理論也是大有用武之地。隨著近代材料科學的發展,某些陶瓷材料的半導體性質和導電性質引起人們的高度重視。例如經過高溫燒結的氧化錫,由于高溫缺氧造成陰離子缺位,并引起晶格畸變,使其內部出現自由電子,成為半導體,在β-A12O3中,鈉離子可占據許多能量相近的晶體位置,具有很高的擴散系數和電導率,是離子導電體;高級耐火材料的ZrO2用CaO、MgO等穩定后,在高溫(1000℃以下)時是一種好的導體。現在人們對高溫超導陶瓷系列的研究深感興趣,它也是超導材料研究的一個重要方面。對于上述陶瓷材料,利用等離子體理論來描述是一個很好的方法。
高分子材料是非常有用的絕緣材料和介電材料,在正常情況下具有等離子體性質。它在電場作用下表現出極化、介質松弛、電導及擊穿等性質。但隨著近代合成高聚物材料的發展,出現了高分子光電體、壓電體、半導體、導體、超導體等。例如,在聚乙炔中,每個碳原子有一個導電電子(π電子),類似堿金屬,是良導體,但實踐證明,純凈的聚乙炔是絕緣體,σ=10-7(1/Ω·m),只有摻入受主雜質(Cl、Br等)或施主雜質(Li、Na、K等)后,電導率將增加12個數量級,變成良導體;在金屬中載流子是電子,具有自旋S=h/2和自旋磁矩M=eh/2mc;在半導體中純凈時,低溫下不導電,加入雜質則有傳導電流,其載流子有電子和空穴,空穴具有自旋S=h/2和自旋磁矩M=eh/2mc。
1979年SSH理論認為聚乙炔中載流子是孤子(Soliton),孤子可帶正電或負電,但沒有自旋,并發現孤子和反孤子是成對出現的,孤子所帶電荷能夠是分數;在孤子—反孤子對產生過程中,還會形成一種定域振動模———呼吸子;當電子—空穴對演變為孤子—反孤子對后,孤子和反孤子以一定速度相分離。極化子是一種定域的晶格畸變狀態,是孤子和反孤子所形成的束縛態,可由孤子和反孤子結構得到極化子結構,它包括原子分布結構和電子能帶結構。在聚乙炔中,導帶和價帶都起作用,是一種“雙帶極化子”,順式聚乙炔的基態是順—反式(A相),若將單鍵和雙鍵交換一下,則變為反—順式(B相),其能量將高于順—反式,因而基態只有一個,其它的高聚物如聚對苯撐等,其基態都是非簡并的。在非簡并基態的高聚物中,不能產生孤子,只能產生極化子,且可產生多種極化子,不僅存在帶單個電荷±e的極化子,還存在帶兩個電荷±Ze的極化子———雙極化子。由于常數吸引力的存在,對非簡并基態的高聚物,孤子和反孤子對就不能分離成相互獨立運動的孤子和反孤子,孤子和反孤子將永遠處于束縛態中,此情況稱“禁閉效應”。在高聚物中孤子和反孤子之間的“禁閉效應”來源于基態的非簡并性,這種束縛著的孤子—反孤子對就是極化子[3]。對于聚乙炔,反式的基態是簡并的,順式是非簡并的,故在反式聚乙炔中可以有獨立運動的孤子。
2 結束語
新材料有些是從傳統材料改進發展起來的,一些是根據需要設計構造得來的,還有些是從基礎研究和應用基礎研究的成果逐步發展起來的。新材料的這個來源代表了3個不同的層次,說明人類認識世界、改造世界由必然王國向自由王國過渡的能力,證明宇宙萬物運動是有規律性的、可認識的。新材料是知識密集、技術密集、資金密集的一類新興產業;是許多學科相互交叉、滲透、相輔相成的結果。它們中的多數是有機化學、無機化學、量子化學、分析化學、固體物理、固體力學、冶金科學、陶瓷科學、生物學、微電子學、光電子學等多種學科的最新成就[4]。新材料的發展還與其它高新技術密切相關,例如:新材料的合成與制造往往與許多極端條件(超高壓、超高溫、超高真空、超高速、超高純、微重力、極低溫等)和技術聯系;新材料的測試與評價更需要各種各樣的精密儀器設備。任何新科學技術的發展總是在傳統科學技術的基礎上進行的,在傳統材料基礎上發展新材料是與原材料→基礎材料→工程材料的總體循環密切相關的,這里每一個環節的改進與創新都會導致新材料的產生。
21世紀將是生命科學技術的世紀,由于知識經濟和可持續發展的需要,古今中外的科學將逐步統一融合,各類科學乃至自然科學、人文及社會科學亦將統一融合。在新的世紀里,材料科學與工程必將在當代科學技術迅猛發展的基礎上,在科學大統一融合的潮流中,朝著高功能化、超高性能化、復雜化和智能化的方向發展,先導的材料和材料科學一直是社會進步的重要物質基礎,必將為人類社會的物質文明建設作出巨大的貢獻。
參考文獻:
[1] 師昌緒·新型材料和材料科學技術的現狀和發展[M]·長沙:湖南科技出版社,1984·[2] 徐祖耀,李鵬興·材料科學導論[M]·上海:上海科技出版社,1986·[3] 師昌緒·高技術現狀與發展趨勢[M]·北京:科學出版社,1993·[4] 閻 洪·金屬表面處理新技術[M]·北京:冶金工業出版社,1996·
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