先进材料开发与应用的展望

    本文对材料的发展现状作了详尽综述，展望了先进材料的开发使用和材料科学的发展前景。由于材料特别是高性能、多用途先进材料是人类社会发展的重要推力，先进材料将继续成为科学和工程研究的重点。在众多新材料中，纤维增强树脂复合材料，和硅基电子材料是当今工业中*重要的材料，而智能材料、纳米材料、光电材料、生物材料、和高温陶瓷材料将是21世纪的研究开发重点，将发挥愈来愈大的作用。在这些*有前途的发展方向上，将可发掘出庞大的商业机会。

一、先进材料的历史地位

人们通常把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱，这三大支柱是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一，而材料科学显得尤为重要。从古至今，材料一直在扮演着划分时代的主角，可以说，材料是人类社会进步的里程碑，整个人类社会的物质文明史也就是一部材料发展的历史，从石器时代、青铜器时代到铁器时间，就是以每个时代出现的代表性材料而命名的。人类利用的材料的历史，溯来源远流长。人类*早使用的工具--石器，就是一种*早的天然陶瓷材料，大约在公元前5000年，人类发明用粘土烧成陶器，同时在烧陶过程中又还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，从而进入青铜器时代，5000年前发明炼铜技术。而现在被认为是材料的一重要发展方展方向的复合材料，其实在很久以前就已再出现，人类在6000年前就知道用稻草和泥巴混合垒墙，这是早期人工制备的复合材料；5000年前中东地区曾用芦苇增强沥青造船；我国越王剑是古老金属基复合材料的代表，它采用金属包层复合材料，不仅光亮锋利，且韧性和耐蚀性优异，在地下埋藏几千年，出土时仍然寒光夺目，锋利无比。如果说19世纪是机械世纪，20世纪是电子时代，那么21世纪将是光子时代。也有人认为21世纪将是生物、信息和材料的世纪，不管怎样，材料工业都将成为未来社会发展的重要组成部分。 现代的材料按化学组成可分为金属材料、有机材料和无机非金属材料，也即金属材料、高分子材料和无机材料。一般而言，材料可分为传统材料和先进材料两大类，先进材料是指那些新近开发或正在开发的、具有优异性能的材料，先进材料对高科技和技术具有非常并键的作用，没有先进材料就没有发展高科技的物质基础，掌握先进材料是一国在科技上处于*地位的标志之一。

二、先进材料研究与应用现状

现代科学技术发展具有学科之间相互渗透、综合交叉的特点，科学和经济之间的相互作用，推动了当前*活跃的信息和材料科学的发展，又导致了一系列高新技术和高性能材料的诞生。信息功能材料、高温结构材料、复合材料、生物材料、智能材料、纳米材料等取得了较大的发展，它们正成为国民经济发展的重要驱动力。 信息功能材料。功能材料是指凡具有优良的电、磁、声、光、热、化学和生物功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。功能材料与结构材料相比较，其*大特点是两者性能上的差异。功能材料是当代新技术如能源技术、信息技术、激光技术、计算技术、空间技术、海洋工程技术、生物工程技术的物质基础，是新技术革命的先导。

信息功能材料的发展对信息技术的进步起到了至关重要的作用。众所周知，集成电路的关键在于半导体材料和封装材料与技术。目前，硅是*重要的半导体材料，今后二、三十年也可能如此，但对硅材料的要求却愈来愈高，晶片尺寸愈大，质量要求越高，这是因为线宽赵来越细，IBM预测到2007年线宽将达到0.10微米，而现在的为0.25微米左右，那时所发的热量足以使基片熔化。于是随着电子工业的发展，集成电路、大规格集成电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要绝缘性能、导热性能、热膨胀匹配性能、高频性能及快速响应性能等一系列性能优良的绝缘陶瓷作为电路的基片与封装材料。特别是近10年来，由于高集成度、高信号速度电路的出现，在一块小小的硅片上安放37 000 000个晶体管，如此高密度的集成电路需要散热和热控制措施到位，于是高绝缘高热导的SiC 瓷与AlN 瓷被研究与开发并得到广泛的应用，它们不但绝缘电阻和热导率令人满意，而且热膨胀系数与单晶硅也匹配得相当好。当今，全世界每年要制造数百亿件质量相当高的集成电路，其中大约有20%要采用精密绝缘陶瓷基片。如果在计算机的集成电路中采用多层绝缘陶瓷基片与封装材料，可以使高速计算机的工作效率提高一倍，这已远超出陶瓷自身价值上千万倍。

光通信代替微波、电缆来传输信号，具有传输信号容量大造价低、中断站少、保密性强等优点，也是由于光导纤维材料的迅速发展才得以实现的。1970年美国康宁公司用气相沉积法拉制出世界上*根石英光纤，自1975年又建成世界上*个正式生产光纤的工厂后，光纤得到了迅速发展，各国相继建成了大规模的光纤电话网和长途干线。当然，光纤的应用不仅在于通信方面，它还可以做成各种传感器，用来测量温度、压力、位移、速度和声音等。光导纤维有氧化物玻璃、非氧化物玻璃、卤化物晶体与塑料光纤等，其中石英的性能是**的，具有透光度好、光损耗小、化学性能极为稳定的特点，可用来制造100千米以上的光纤，这已在长距离海底通信光缆中得到应用。激光材料在现代科技领域中得到了广泛的应用。以前有人提出利用激光来测量地球与月球队之间的距离，即通过记录激光从地球反射到月球然后又反射返回到地球队的时间再乘以光速求得距离，就是利用了激光的方向性好发散角度小的特点；电影"珊瑚岛上的死光"中所说的"死光"，能瞬间把攻击目标化为灰烬，即利用了激光的亮度高，能量集中的特点，可以在微米级的斑点内产生几万甚至几百万度的高温。这种神奇的激光就是由激光材料制成的激光器产生的，如在光通信中用钕-钇铝石榴石晶体制作连续波激光器，可产生很大的输出功率，超过了1kw，钕-钇铝石榴石晶体是目前激光工作物质中**的材料之一。Alpha-氧化铝也应用得极为普遍，是现在大功率激光器的良好材料，特别是它能产生可见光区的激光。信息记录材料正由磁记录向光记录发展，光记录也是以激光为光源，以薄膜作为光信息存储材料，光记录具有密度高、寿命长、保真度好、无噪声和可反复使用的优点。

复合材料。复合材料因为具有高强度、化学稳定性优良、耐磨、耐高温、韧性好、导热性和导电性好和自重小等性能，在许多工业领域如机械工业、汽车工业、化学工业建筑领域以及航空航天领域等得到了广泛的应用。复合材料在机械工业方面的应用主要有阀、泵、齿轮、风机、叶片和轴承等，如用酚醛玻璃钢和纤维增强聚丙烯制成的阀门使用奉命比不锈钢阀门的长，且价格便宜；铸铁泵一般重几十公斤，而玻璃钢泵重仅几公斤。在汽车工业聚合物基复合材料可用作车身驱动轴、操纵杆底盘、发动机罩等部件，近两年北京街头出现的火箭头出租车的外壳和看似笨重的黑色车轮自行车均为聚合物基复合材料所制。航空航天工业则普遍利用了复合材料的重量轻、耐腐蚀、耐高温和耐摩擦性好等特点，大量用于飞机的减速板和刹车装置、宇宙飞船控制舱的光学仪器热防护罩、内燃机活塞，X-20飞行器的鼻锥、喷嘴材料和机翼等，如飞机采用碳-碳复合材料刹车片，可减重600 kg。复合材料在现代飞行器的材料中占了较大的比重，1997年7月1日香港回归时，中国驻港空军驾驶的直-9型直升飞机，其使用的复合材料超过了60%。碳-碳复合材料的使用温度可达2200℃，是火箭基体的理想材料，现已用于火箭发动机的喷管和烧蚀层。利用复合材料的比高强度和比高模量，复合材料还可广泛用于制造网球拍、高尔夫球棒、钓鱼杆、滑雪板和乐器等。功能复合材料的应用更加引人注目，树脂基隐身复合材料在美国B2及F14、F19等飞机上均有应用。陶瓷基的耐热抗激光辐照复合材料，如碳化硅增强玻璃陶瓷基复合材料在氧化环境中能耐1300℃高温，氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料具有抗激光破坏的能力，特别适合于用作天线罩的结构材料。

智能材料。智能材料是高技术新材料发展的一个重要方向，有人认为它是继天然材料、人造材料和精细材料之后的第四代材料。如果将仿生功能引入材料，智能材料就能适时地感知与响应外界环境的变化，具有自检测、自诊断、自适应、自修复、自指令等功能。如在复合材料中埋入形状记忆合金丝，可以改变内部应力情况，提高结构件的承载能力，与传感器配合，可以进行自适应控制。有人就曾设想过在球拍中安置微型的智能材料和传感受器，使之能根据来球的方面及力度而自动调整，并使打出去的球在方向和力度上变幻莫测，令对手无所适从。将传感元件埋入基体材料中，采集结构中的信息（应变、振动等），利用现代数据处理方法，自行诊断损伤的位置、类型、程度，这就是智能材料的自诊断功能。桥梁、坝体等结构是长期承载的，应用强度自诊断进行检测很有实际意义，能监测结构的裂纹及损伤，当承受特殊事故如地震时，能测得结构损伤的地点和程度等。目前一种称为机敏蒙皮（Smart Skin）的机敏陶瓷可以降低飞行器和潜水器高速运动时的流动噪声，防止发生紊流，从而可以提高速度，减少红外辐射和声辐射，达到吸波隐身的目的。又如在飞机的机翼引入智能系统，它便能响应空气压力和飞行速度的变化而自动改变其形状，从而改变升力和阻力，这能提高飞机（特别是战斗机）的安全性和存活率。在医学方面，智能药物释放体系能响应血糖浓度、释放胰岛素，维持血糖浓度在正常水平。智能材料的研究极大地推动着材料科学技术与信息科学技术之间的交叉渗透，推动着材料加工技术与信息处理技术、传感技术、计算机技术以及控制技术的紧密结合，甚至可以萌发划时代的技术革命。

纳米材料。八十年代以来，一个新型的纳米材料科学领域，越来越引起人们的兴趣。由于纳米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸均处在100nm以下，且晶界数量大幅度增加，使得材料的强度和韧性、超塑性大为提高，对材料的电学、磁学、光学等性能产生重要影响。

纳米材料有四个基本的效应，即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺