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jz体育平台解读高科技——21世纪初的材料科学技

日期:2021-06-07 07:17

  质料是人类退化史的里程碑,当代文化的主要支柱,开展高新手艺的根底和先导。跟着科学手艺的前进,人类糊口程度的进步,出格是因为天下生齿的疾速增长,资本的加快干涸,生态情况的不竭恶化,21世纪对质料科学手艺提出更高的请求。常识经济的兴旺开展与信息的收集化将增进质料科学手艺的日新月异,因此本文仅对21世纪初的状况做一大略的猜测,谨供参考。

  以硅为根底的微电子手艺仍占主要地位。因为量子效应、磁场及热效应,再加建造艰难、投资过大,芯片特性尺寸到2010年能够到达极限(0.07μm)。但差别层次的硅芯片在21世纪仍将大批存在,并将有新的开展,如在硅绝缘衬底上的硅(SOI)及单个芯片上的体系(IS)。单晶硅的直径不竭增长,从今朝的8英寸(200mm)到2010年要到达18英寸(450mm),并且对晶片质量请求越来越高,因而,硅单晶消费手艺必需不竭进步。Ⅲ-Ⅴ族化合物是第二代半导体质料,如GaAs以其电子迁徙率快、禁带宽而用于高速、高温、高频、大功率,是挪动德律风的次要质料,又是光纤通信所必须。现已普遍获得使用。第三代半导体质料是禁带更宽的SiC及金刚石,它们可用于高温。硅集成电路当前的能够路子:一是光集成(光子质料),一是原子操作(纳米手艺)。

  光子活动速率高,容量大,不受电磁滋扰,无电阻热。光电子质料包罗激光质料,变频晶体(非线性光学晶体)、红外探测质料、半导体光电子质料、显现质料、记载质料、敏感质料及光纤,出格光导纤维是信息高速公路的枢纽,其开展速率比芯片还要快,已进入。

  因为生齿的疾速增加,糊口程度的进步,能源需求量大幅度增长,而化石能源日趋干涸,且情况净化难以处理,21世纪能源质料重点有以下几个方面。

  太阳能的操纵与质料亲密相干。太阳辐射于地球的能量一万倍于人类所耗损能源收回的能量,但密度低(1kWh/m2),天气影响大。今朝经常使用的光伏转换质料服从太低,如非晶硅薄膜普通在10%以下,转换率较高的硅单晶或GaAs也不到30%,且本钱高,难以大范围推行。因而,开辟高效、价廉、长命命的光伏转换质料是燃眉之急。这对我国西部大开辟相当主要,那边日照工夫长,可供光伏发电的面积大,并且住民分离,有能够成为以太阳能为主的地域。太阳能射向地球时,30%被大气反射,23%为大气吸取,因而,有人假想在太空成立空间太阳能电站,以微波传回空中,由此所得电能能够有合作力。风能也是不成无视的再生能源,因太阳能有2%变成风能,在某些多风地域,如新疆,也可获得充实操纵。别的,潮汐能、海水温差与地热在21世纪都将会获得差别水平的操纵,这些都存在质料成绩。

  起首是铀资本的有用操纵。今朝热衷子反响堆只用了铀矿中占0.71%的235U,而占99.28%的238U要经由过程快中子增殖堆。这类堆型虽已运转多年,但所用冷却剂液钠腐化性太强,简单形成走漏,难以大批推行,这是有待处理的成绩。固然还存在239Pr的净化,近来提出的加快器驱动的核电站,用嬗变道理可望处理这一成绩。21世纪鼎力开辟的是可控热核聚变反响堆。它是操纵海水中氢同位素氘的聚合反响所发生的能量,据估量,一吨海水所含氘相称于300吨汽油,而海水中氘的含量为1013吨,以是说,这可视为人类的永世能源。惟手艺成绩难以处理,对质料来讲,请求耐高温、抗辐射和抗氦脆。据今朝估量,要到2050年或更长的工夫才气进入适用化。

  高温(液氦温度,-269℃)超导质料财产化已几十年,但因冷却剂氦的价钱高贵而遭到限定。高温(液氮温度,-196℃)超导体已发明30多种,只要YBaCuO(薄膜、块体)和BiSrCaCuO(带、线材)靠近适用形态,但不变性战争均性有待处理,估量2010年可望财产化。21世纪的另外一使命是探究室温超导质料和现有高温超导的机理。

  硅钢片是最主要的软磁质料,全天下年产650万吨;铁基非晶态合金虽然有较着劣势(铁损只要冷轧硅钢片的1/3-1/6),但在价钱上缺少合作力而未能大开展。永磁质料从机能看,NdFeB最好,而从价钱机能比来讲,铁氧体有很强的合作力,因而在21世纪两者都将占主要地位。

  贮能质料次要指贮氢质料和高密度蓄电池。这是电网调峰和环保的需求,是某些机器安装的动力源,或太阳能发电的配套安装。金属间化合物作为贮氢质料已根本成熟,并试用于汽车燃料,但存在比严重、易中毒和价钱太高的成绩。近来发明的纳米碳管,贮氢量高、质轻,有开展远景。电池的品种繁多。当前开展最快的是Ni-MH电池;而从比能量密度看,锂电池最好,但价钱是前者的3.5倍。Ni-MH电池与汽油混淆用于汽车已适用化,低速与启动时用电池,而高速时主动转到汽油并充电,云云可节油50%,且排放减到1/10,CO<sub>2</sub>排放只要一半。

  燃料电池是将化学能改变为电能的一种安装,燃效可达60%,此中电极质料是枢纽。近来美国NASA正在展开一种实验,即用太阳能电池与氢氧燃料电池结合开动的小飞机,时速37英里,白日太阳能电池事情,并将盈余电用来电解水,早晨氢氧燃料电池启动。这类小飞机今朝虽还不克不及载人,但可用于通信,估量21世纪将会有很大停顿。

  21世纪是性命科学时期,生物质料也将随之会有很大开展。所谓生物质料包罗三部门,即医用生物质料,仿生质料和生物模仿。

  经由过程构造工程、发展因子、DNA和自组装手艺,可消费出人类的各类器官。究竟上,除神经体系之外,人的各类器官都可制作。今朝正在操纵拍照机、光导体系与视网膜细胞相连接,为瞽者复明。

  珍珠壳和骨骼外表固然也是碳酸盐组成的,而其强度和韧性却远远高于陶瓷,深化研讨成果表白,它们是纳米构造的无机盐与有机物聚合体。人造丝与蚕丝构造附近,但舒适感则不不异,又是何以?因而深化研讨现有生物体和生物征象而停止仿制,对质料的开展将起到鞭策感化。

  催化剂使化肥、石油化工大范围消费成为能够,石墨改变为金刚石次要接纳了镍溶媒的催化反响而完成产业消费。中物资与能量转换在常温下完成,是酶催化的成果,其服从和速率千百万倍于产业催化剂。此后的使命是高效催化剂的探究与光合感化的模仿,假如后者一旦完成,使CO<sub>2</sub>和水成为碳水化物,食粮成绩可获得处理,多余的CO<sub>2</sub>也有了前途。细菌冶金已完成处置低档次铜、铀矿石、尾矿,并大幅度低落净化,这将是21世纪处理金属矿日益干涸的有用路子。

  变色眼镜便可视为一种智能质料,或机警(Smart)质料。因而,智能质料能够界说为质料随外界前提而发作变革,在变革前提去除当前又可回复复兴。外形影象合金,压电体都属于此。操纵质料的这类性子与传感器、光纤和电脑相分离而成为一个别系,到达操作一种机构的目标,称之为智能体系。但具有这些特性的质料并未几。操纵这类体系可随外界前提而改动飞机机翼,潜艇、车体和修建物的形状以削减阻力,既节流能耗,又进步宁静度。智能体系可以使质料完成自检测、自规复或自修复,以耽误机器寿命和宁静度。智能质料可完成药物的掌握开释以进步药效,削减药的副感化。

  情况质料就是指与情况相适的质料,称为情况友爱质料或绿色质料。这类质料次要指节省资本和能源;无净化或少净化,此中包罗可降解的成品;成品收受接管是节省资本和能源、削减净化的主要步伐。

  所谓高机能构造质料是指高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐化、抗磨损的构造质料。对动力机器来讲,事情温度愈高,比强度和比刚度愈高,服从也愈高。参军用策动机的开展趋向看,涡轮温度和推许比都在逐年进步,请求质料及冷却手艺要不竭改良。有材料表白,飞机及航空策动机机能的改良,别离为2/3和1/2是靠质料机能进步。对飞翔速率更高的卫星和飞船来讲,能减重1千克就可以带来极高的效益。汽车节油有37%靠质料的轻量化,40%靠策动机的改良,而绝热策动机(不需水冷),次要靠质料机能的进步。从高温质料来看,碳复合质料可达2500℃,但抗氧化才能太差,只能用于火箭、导弹。树脂基复合质料,已获得普遍使用,但事情温度只要300-350℃,金属基复合质料虽有较好的综合机能,因为其本钱高,也只限于宇航,只要颗粒或短纤维加强的金属质料有大批推行于民用的能够。钛及钛铝中心化物以其比重小、事情温度高(600-1000℃),在空间机器有宽广使用远景。陶瓷不管从资本或机能来讲都有非常较着的良好性,只是脆性成绩难以处理,即便断裂韧性到达工程合金的程度,但其临界裂纹太短(几十微米),形成机能分离度大、不变性差,并且本钱居高不下,是陶瓷质料有待处理的成绩。

  纳米质料是操纵物资在小到原子或份子标准当前,因为尺寸效应、外表效应或量子效应所呈现的奇特征象而开展出来的新质料。早在1959年就有人提出纳米科学手艺的观点,并提倡要展开在原子或份子程度制作质料的物理纪律研讨,只是到80年月草创造扫描地道显微镜和原子力显微镜当前,纳米质料的研讨才成为理想,80年月中期当前逐步热起来,并获得必然停顿。2000年2月美国提出“国度纳米手艺的倡议”(NationalNano-technologyInitiative),以为纳米手艺可招致下一代产业,由于这一手艺触及到质料、能源、信息、医学、航空航天和的各个方面,除纳米质料之外,另有纳米电子学、光电子学和磁学、纳米医学。今朝纳米科学手艺已成为全天下科学手艺的热门,我国也不破例,应留意增强指导,免得犯已往一哄而起的毛病。我国的纳米质料手艺在国际已有必然显现度,如纳米碳管有很多立异性的功效。纳米科学手艺今朝仍处于根底研讨阶段,估量要10-20年才气到达预期结果。固然,根底性研讨与财产化相分离,使研讨功效实时转化为消费力仍旧是最主要的勤奋标的目的。

  科学与工程普通都以为由四要素构成,jz体育棋牌即构造/身分、分解/流程、机能与效能(Performance)。思索到构造与身分并不是同义词,不异身分经由过程差别制备办法能够获得差别构造,从而呈现差别机能,以是应为五要素,即身分、分解/流程、构造、机能与效能、实际及质料与工艺设想。其中心为实际及质料与工艺设想,并且质料机能在必然前提下(如温度、氛围及受力形态等)的表示就是利用机能(效能)。质料设想能够从电子、光子动身,也可从原子、原子团体动身,能够从微观、显微到宏观,视所请求的机能而定。质料设想是一个很庞大的历程,如质料的制备与存在形态常常属于非均衡热力学;有些构造敏理性子(质料的力学性子),可变身分太多,即便一个细小缺点城市发生很大影响;外表与内部构造及性子的不分歧性,和庞大的情况身分等等。以是质料设想的完成是一个持久历程,终极应到达提出一个需求目的,便可设想出身分、制作流程、并做出符合请求的工程质料以致零件、器件或构件。为完成质料设想,必需展开深化的根底研讨,以理解物资构造与机能的干系;要成立完好的准确的数据库;成立准确的物理模子;需求有大容量计较机;更主要地是要差别窗科科学家与工程手艺职员的共同努力。

  金属在构造材猜中仍占次要地位,出格是钢铁在此后几十年内的产量不会降落(今朝全天下产量7-8亿吨),但钢的机能会大幅度进步。我国严重根底研讨的阶段成果表白,碳钢和低合金钢的强度可进步一倍,别离由200MPa、400MPa进步到400MPa和800MPa。有些有色金属,如铜、铅、锌的资本靠近干涸,代用品的开辟成为燃眉之急,同时要加快开辟低档次矿的提炼办法。镁和钛将获得更普遍的使用。跟着功用质料需求的增长,有数金属、稀散金属与稀土金属的用处将不竭扩展。功用陶瓷将会有更大开展,工程陶瓷的机能将进一步进步,消费本钱降落,但可否获得普遍使用,前程难卜。水泥和玻璃还是主要修建质料,水泥的消费将大批接纳矿渣、炉渣等废物,进步水泥标号,改良加强组元,削减水泥产量。玻璃将走向智能化到达节能的目标。有机高份子将获得更大开展,出格是功用高份子质料,包罗导电高份子、铁磁高份子、光学高份子,半导体及超导体和存储和显现质料都已显现有开展远景,但不变性和老化成绩今朝还是人们担忧的成绩。先辈复合质料在20世纪下半叶曾获得很大停顿,只要树脂基复合质料获得较为普遍的使用,金属基与陶瓷基复合质料则以其本钱太高而未打残局面。21世纪虽可获得进一步开展,也很难像钢铁或高份子质料那样获得遍及使用。碳素质料以其资本丰硕,碳的同素多形体而成为多用处的质料,并将获得更大开展。如片状石墨是最好的固体光滑剂;碳纤维强度高而价廉;金刚石至今还是最硬的质料,又是高温半导体的候选质料之一;活性炭是物美价廉的吸附质料;玻璃态碳是优秀阻氦质料等。1985年发明巴基球(C60),随后又发明了纳米碳管。固然今朝仍处于根底研讨阶段,但使用远景宽广,将成为21世纪研讨与开辟的热门。<b>(科技日报)(2001年9月13日)</b>

  <b>师昌绪</b>,质料科学家。1952年于美国诺特丹姆大学获博士学位,以后在麻省理工学院做3年博士后研讨事情。中国科学院院士,中国工程院院士,第三天下科学院院士。

  在中科院金属研讨所事情30年时期,在合金钢和高温合金范畴作出了凸起奉献。曾获国度三大奖10余项,包罗国度科技前进奖一等奖两项。1998年获国际材联颁布的适用质料立异奖。是首批何梁何利科技前进奖得到者。

  揭晓论文300多篇,培育硕士和博士80多名,兴办5种高程度科学期刊,创建中国质料研讨学会,屡次担当在中国举办的国际质料集会的主席。