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材料科學(xué)與工程材料的展望論文
摘要:對材料科學(xué)與工程材料現(xiàn)狀簡單作了綜述,并對材料科學(xué)的發(fā)展趨勢作一展望,提出了等離子體學(xué)對未來材料發(fā)展的影響。
關(guān)鍵詞:材料科學(xué);工程材料;等離子體
材料是人們生活和生產(chǎn)必須的物質(zhì)基礎(chǔ),也是人類進(jìn)化的重要里程碑。材料科學(xué)主要研究材料的成分、分子或原子結(jié)構(gòu)、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關(guān)系。它是一門邊緣新學(xué)科,主要以固體物理與固體化學(xué)、晶體學(xué)、熱力學(xué)等為基礎(chǔ),結(jié)合冶金、化工及各種高新技術(shù)來探討材料內(nèi)在規(guī)律和應(yīng)用。
1 金屬、陶瓷和高分子材料的發(fā)展材料科學(xué)發(fā)展很快,內(nèi)容正不斷充實(shí),但它目前尚處于金屬學(xué)、陶瓷學(xué)和高分子物理學(xué)交叉滲透、平行發(fā)展的階段,是否能代替這三門學(xué)科尚屬疑問[1]。材料科學(xué)的發(fā)展有待冶金、物理、化學(xué)(化工)和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域?qū)＜业臄y手合作,共同探索。
金屬材料在材料工業(yè)中一直占絕對優(yōu)勢,近半個世紀(jì)來,隨著高分子材料、無機(jī)金屬材料及各種復(fù)合材料的發(fā)展,金屬材料的絕對主導(dǎo)地位才逐漸被其它材料所部分取代。金屬材料因?yàn)槠洫?dú)特性能而不斷地推陳出新,例如:鋼鐵材料質(zhì)量的提高、成本降低、品種多樣化;有色金屬及合金出現(xiàn)高純和高韌鋁合金、高強(qiáng)和高韌并且耐高溫的鈦合金;還涌現(xiàn)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(xiàn),如廣泛應(yīng)用的超導(dǎo)體—超導(dǎo)合金、釹鐵硼稀土永磁合金、非晶態(tài)軟磁合金、形狀記憶合金、超細(xì)金屬隱身材料、貯氫合金、活性生物醫(yī)用金屬材料等[2]。
將等離子體理論應(yīng)用于材料科學(xué)的研究是現(xiàn)代材料科學(xué)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(lǐng)域中的應(yīng)用。
陶瓷材料是無機(jī)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(xué)性能中最突出區(qū)別是極好的耐熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性。陶瓷是一種多晶態(tài)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(jié)構(gòu)要比金屬復(fù)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(diǎn)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(shù)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(yīng)用特別是作為功能材料時,它的等離子體性質(zhì)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(xué)的發(fā)展,某些陶瓷材料的半導(dǎo)體性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)引起人們的高度重視。例如經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)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(nèi)部出現(xiàn)自由電子,成為半導(dǎo)體,在β-A12O3中,鈉離子可占據(jù)許多能量相近的晶體位置,具有很高的擴(kuò)散系數(shù)和電導(dǎo)率,是離子導(dǎo)電體;高級耐火材料的ZrO2用CaO、MgO等穩(wěn)定后,在高溫(1000℃以下)時是一種好的導(dǎo)體。現(xiàn)在人們對高溫超導(dǎo)陶瓷系列的研究深感興趣,它也是超導(dǎo)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(zhì)。它在電場作用下表現(xiàn)出極化、介質(zhì)松弛、電導(dǎo)及擊穿等性質(zhì)。但隨著近代合成高聚物材料的發(fā)展,出現(xiàn)了高分子光電體、壓電體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體等。例如,在聚乙炔中,每個碳原子有一個導(dǎo)電電子(π電子),類似堿金屬,是良導(dǎo)體,但實(shí)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(zhì)(Cl、Br等)或施主雜質(zhì)(Li、Na、K等)后,電導(dǎo)率將增加12個數(shù)量級,變成良導(dǎo)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(dǎo)體中純凈時,低溫下不導(dǎo)電,加入雜質(zhì)則有傳導(dǎo)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(rèn)為聚乙炔中載流子是孤子(Soliton),孤子可帶正電或負(fù)電,但沒有自旋,并發(fā)現(xiàn)孤子和反孤子是成對出現(xiàn)的,孤子所帶電荷能夠是分?jǐn)?shù);在孤子—反孤子對產(chǎn)生過程中,還會形成一種定域振動�！粑�;當(dāng)電子—空穴對演變?yōu)楣伦印垂伦訉?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(tài),是孤子和反孤子所形成的束縛態(tài),可由孤子和反孤子結(jié)構(gòu)得到極化子結(jié)構(gòu),它包括原子分布結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)。在聚乙炔中,導(dǎo)帶和價帶都起作用,是一種“雙帶極化子”,順式聚乙炔的基態(tài)是順—反式(A相),若將單鍵和雙鍵交換一下,則變?yōu)榉础樖?B相),其能量將高于順—反式,因而基態(tài)只有一個,其它的高聚物如聚對苯撐等,其基態(tài)都是非簡并的。在非簡并基態(tài)的高聚物中,不能產(chǎn)生孤子,只能產(chǎn)生極化子,且可產(chǎn)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(shù)吸引力的存在,對非簡并基態(tài)的高聚物,孤子和反孤子對就不能分離成相互獨(dú)立運(yùn)動的孤子和反孤子,孤子和反孤子將永遠(yuǎn)處于束縛態(tài)中,此情況稱“禁閉效應(yīng)”。在高聚物中孤子和反孤子之間的“禁閉效應(yīng)”來源于基態(tài)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(tài)是簡并的,順式是非簡并的,故在反式聚乙炔中可以有獨(dú)立運(yùn)動的孤子。
2 結(jié)束語
新材料有些是從傳統(tǒng)材料改進(jìn)發(fā)展起來的,一些是根據(jù)需要設(shè)計(jì)構(gòu)造得來的,還有些是從基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的成果逐步發(fā)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(rèn)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(yùn)動是有規(guī)律性的、可認(rèn)識的。新材料是知識密集、技術(shù)密集、資金密集的一類新興產(chǎn)業(yè);是許多學(xué)科相互交叉、滲透、相輔相成的結(jié)果。它們中的多數(shù)是有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、量子化學(xué)、分析化學(xué)、固體物理、固體力學(xué)、冶金科學(xué)、陶瓷科學(xué)、生物學(xué)、微電子學(xué)、光電子學(xué)等多種學(xué)科的最新成就[4]。新材料的發(fā)展還與其它高新技術(shù)密切相關(guān),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(shù)聯(lián)系;新材料的測試與評價更需要各種各樣的精密儀器設(shè)備。任何新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展總是在傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,在傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)上發(fā)展新材料是與原材料→基礎(chǔ)材料→工程材料的總體循環(huán)密切相關(guān)的,這里每一個環(huán)節(jié)的改進(jìn)與創(chuàng)新都會導(dǎo)致新材料的產(chǎn)生。
21世紀(jì)將是生命科學(xué)技術(shù)的世紀(jì),由于知識經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的需要,古今中外的科學(xué)將逐步統(tǒng)一融合,各類科學(xué)乃至自然科學(xué)、人文及社會科學(xué)亦將統(tǒng)一融合。在新的世紀(jì)里,材料科學(xué)與工程必將在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上,在科學(xué)大統(tǒng)一融合的潮流中,朝著高功能化、超高性能化、復(fù)雜化和智能化的方向發(fā)展,先導(dǎo)的材料和材料科學(xué)一直是社會進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ),必將為人類社會的物質(zhì)文明建設(shè)作出巨大的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn):
[1] 師昌緒·新型材料和材料科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[M]·長沙:湖南科技出版社,1984·[2] 徐祖耀,李鵬興·材料科學(xué)導(dǎo)論[M]·上海:上�？萍汲霭嫔�,1986·[3] 師昌緒·高技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[M]·北京:科學(xué)出版社,1993·[4] 閻 洪·金屬表面處理新技術(shù)[M]·北京:冶金工業(yè)出版社,1996·
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