材料科学与工程材料的展望论文
摘要:对材料科学与工程材料现状简单作了综述,并对材料科学的发展趋势作一展望,提出了等离子体学对未来材料发展的影响。
关键词:材料科学;工程材料;等离子体
材料是人们生活和生产必须的物质基础,也是人类进化的重要里程碑。材料科学主要研究材料的成分、分子或原子结构、微观及宏观组织以及加工制造工艺和性能之间的关系。它是一门边缘新学科,主要以固体物理与固体化学、晶体学、热力学等为基础,结合冶金、化工及各种高新技术来探讨材料内在规律和应用。
1 金属、陶瓷和高分子材料的发展材料科学发展很快,内容正不断充实,但它目前尚处于金属学、陶瓷学和高分子物理学交叉渗透、平行发展的阶段,是否能代替这三门学科尚属疑问[1]。材料科学的发展有待冶金、物理、化学(化工)和数学等领域专家的携手合作,共同探索。
金属材料在材料工业中一直占绝对优势,近半个世纪来,随着高分子材料、无机金属材料及各种复合材料的发展,金属材料的绝对主导地位才逐渐被其它材料所部分取代。金属材料因为其独特性能而不断地推陈出新,例如:钢铁材料质量的提高、成本降低、品种多样化;有色金属及合金出现高纯和高韧铝合金、高强和高韧并且耐高温的钛合金;还涌现了一些新型高性能金属材料,例如快速冷凝金属非晶和微晶材料、纳米金属材料、定向凝固柱晶和单晶合金等。新型金属功能材料也不断出现,如广泛应用的超导体—超导合金、钕铁硼稀土永磁合金、非晶态软磁合金、形状记忆合金、超细金属隐身材料、贮氢合金、活性生物医用金属材料等[2]。
将等离子体理论应用于材料科学的研究是现代材料科学的一个重要方面,下面着重讨论等离子体理论在陶瓷材料、高分子材料领域中的应用。
陶瓷材料是无机材料的一种。它可分为工程陶瓷和功能陶瓷两大类。陶瓷材料以离子键(如MgO、A12O3等)、共价键(如金刚石等)以及离子键和共价键的混合键接合一起,它与其它工程材料相比,物理和化学性能中最突出区别是极好的耐热性能和化学稳定性。陶瓷是一种多晶态材料,从物理性能来看,陶瓷通常是各向异性的固体,组成陶瓷的基本相及其结构要比金属复杂得多,把它放在显微镜下观察可知其通常由晶体相、玻璃相、气相组成。陶瓷晶体缺陷也可分为3大类:点缺陷(空位、间隙原子、电子空穴等);线缺陷(位错);面缺陷(晶界、亚晶界)。一般来说,在正常情况下,大多数陶瓷材料不满足等离子体定义,但在陶瓷制造工艺过程中,陶瓷材料的应用特别是作为功能材料时,它的等离子体性质便显示出来,等离子体理论也是大有用武之地。随着近代材料科学的发展,某些陶瓷材料的半导体性质和导电性质引起人们的高度重视。例如经过高温烧结的氧化锡,由于高温缺氧造成阴离子缺位,并引起晶格畸变,使其内部出现自由电子,成为半导体,在β-A12O3中,钠离子可占据许多能量相近的晶体位置,具有很高的扩散系数和电导率,是离子导电体;高级耐火材料的ZrO2用CaO、MgO等稳定后,在高温(1000℃以下)时是一种好的导体。现在人们对高温超导陶瓷系列的研究深感兴趣,它也是超导材料研究的一个重要方面。对于上述陶瓷材料,利用等离子体理论来描述是一个很好的方法。
高分子材料是非常有用的绝缘材料和介电材料,在正常情况下具有等离子体性质。它在电场作用下表现出极化、介质松弛、电导及击穿等性质。但随着近代合成高聚物材料的发展,出现了高分子光电体、压电体、半导体、导体、超导体等。例如,在聚乙炔中,每个碳原子有一个导电电子(π电子),类似碱金属,是良导体,但实践证明,纯净的聚乙炔是绝缘体,σ=10-7(1/Ω·m),只有掺入受主杂质(Cl、Br等)或施主杂质(Li、Na、K等)后,电导率将增加12个数量级,变成良导体;在金属中载流子是电子,具有自旋S=h/2和自旋磁矩M=eh/2mc;在半导体中纯净时,低温下不导电,加入杂质则有传导电流,其载流子有电子和空穴,空穴具有自旋S=h/2和自旋磁矩M=eh/2mc。
1979年SSH理论认为聚乙炔中载流子是孤子(Soliton),孤子可带正电或负电,但没有自旋,并发现孤子和反孤子是成对出现的,孤子所带电荷能够是分数;在孤子—反孤子对产生过程中,还会形成一种定域振动模———呼吸子;当电子—空穴对演变为孤子—反孤子对后,孤子和反孤子以一定速度相分离。极化子是一种定域的晶格畸变状态,是孤子和反孤子所形成的束缚态,可由孤子和反孤子结构得到极化子结构,它包括原子分布结构和电子能带结构。在聚乙炔中,导带和价带都起作用,是一种“双带极化子”,顺式聚乙炔的基态是顺—反式(A相),若将单键和双键交换一下,则变为反—顺式(B相),其能量将高于顺—反式,因而基态只有一个,其它的高聚物如聚对苯撑等,其基态都是非简并的。在非简并基态的高聚物中,不能产生孤子,只能产生极化子,且可产生多种极化子,不仅存在带单个电荷±e的极化子,还存在带两个电荷±Ze的极化子———双极化子。由于常数吸引力的存在,对非简并基态的高聚物,孤子和反孤子对就不能分离成相互独立运动的孤子和反孤子,孤子和反孤子将永远处于束缚态中,此情况称“禁闭效应”。在高聚物中孤子和反孤子之间的“禁闭效应”来源于基态的非简并性,这种束缚着的孤子—反孤子对就是极化子[3]。对于聚乙炔,反式的基态是简并的,顺式是非简并的,故在反式聚乙炔中可以有独立运动的孤子。
2 结束语
新材料有些是从传统材料改进发展起来的,一些是根据需要设计构造得来的.,还有些是从基础研究和应用基础研究的成果逐步发展起来的。新材料的这个来源代表了3个不同的层次,说明人类认识世界、改造世界由必然王国向自由王国过渡的能力,证明宇宙万物运动是有规律性的、可认识的。新材料是知识密集、技术密集、资金密集的一类新兴产业;是许多学科相互交叉、渗透、相辅相成的结果。它们中的多数是有机化学、无机化学、量子化学、分析化学、固体物理、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[4]。新材料的发展还与其它高新技术密切相关,例如:新材料的合成与制造往往与许多极端条件(超高压、超高温、超高真空、超高速、超高纯、微重力、极低温等)和技术联系;新材料的测试与评价更需要各种各样的精密仪器设备。任何新科学技术的发展总是在传统科学技术的基础上进行的,在传统材料基础上发展新材料是与原材料→基础材料→工程材料的总体循环密切相关的,这里每一个环节的改进与创新都会导致新材料的产生。
21世纪将是生命科学技术的世纪,由于知识经济和可持续发展的需要,古今中外的科学将逐步统一融合,各类科学乃至自然科学、人文及社会科学亦将统一融合。在新的世纪里,材料科学与工程必将在当代科学技术迅猛发展的基础上,在科学大统一融合的潮流中,朝着高功能化、超高性能化、复杂化和智能化的方向发展,先导的材料和材料科学一直是社会进步的重要物质基础,必将为人类社会的物质文明建设作出巨大的贡献。
参考文献:
[1] 师昌绪·新型材料和材料科学技术的现状和发展[M]·长沙:湖南科技出版社,1984·[2] 徐祖耀,李鹏兴·材料科学导论[M]·上海:上海科技出版社,1986·[3] 师昌绪·高技术现状与发展趋势[M]·北京:科学出版社,1993·[4] 阎 洪·金属表面处理新技术[M]·北京:冶金工业出版社,1996·
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