材料科學(xué)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的論文

材料是人們生活和生產(chǎn)必須的物質(zhì)根底,也是人類(lèi)進(jìn)化的重要里程碑。材料科學(xué)主要研究材料的成分、分子或原子構(gòu)造、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(mén)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)等為根底冶金、化工及各種高新技術(shù)來(lái)探討材料內(nèi)在規(guī)律和應(yīng)用。金屬材料在材料工業(yè)中一直占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),近半個(gè)世紀(jì)來(lái),隨著高分子材料、無(wú)機(jī)金屬材料及各種復(fù)合材料的開(kāi)展,金屬材料的絕對(duì)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、本錢(qián)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(gè)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(wú)機(jī)材料的一種。它可分為工程陶瓷和功能陶瓷兩以及離子鍵和共價(jià)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(lái)看陶瓷通常是各向異性的固體成陶瓷的根本相及其構(gòu)造要比金屬?gòu)?fù)雜得多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(lèi):點(diǎn)缺陷(空位、間隙原子、電子空穴等);線缺陷(位錯(cuò));面缺陷(晶界、亞晶界)。一般來(lái)說(shuō),在正常情況下,大多數(shù)陶瓷材料不滿(mǎn)足等離子體定義,但在陶瓷制造工藝過(guò)程中,陶瓷材料的應(yīng)用特別是作為功能材料時(shí),它的等離子體性質(zhì)便顯示出來(lái),等離子體理論也是大有用武之地。隨著近代材料科學(xué)的開(kāi)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(guò)高溫?zé)Y(jié)的氧化錫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(jí)耐火材料的體?，F(xiàn)在人們對(duì)高溫超導(dǎo)陶瓷系列的研究深感興趣,也是超導(dǎo)材料研究的一個(gè)重要方面。對(duì)于上述陶瓷材料,利用等離子體理論來(lái)描述是一個(gè)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正常情況下具有等離子體性質(zhì)。它在電場(chǎng)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開(kāi)展,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(gè)碳原子有一個(gè)導(dǎo)電電子(π電子),類(lèi)似堿金屬,是良導(dǎo)體,但實(shí)踐證明,純潔的聚乙炔是絕緣體,σ=10-7(1/Ω·m),只有摻入受主雜質(zhì)(Cl、M=eh/2mc;在半導(dǎo)體中純潔時(shí),低溫下不導(dǎo)電,參加雜質(zhì)那么有傳導(dǎo)電M=eh/2mc。帶正電或負(fù)電但沒(méi)有自旋,并發(fā)現(xiàn)孤子和反孤子是成對(duì)出現(xiàn)的所帶電荷能夠是分?jǐn)?shù);在孤子—反孤子對(duì)產(chǎn)生過(guò)程中,還會(huì)形成一種定域振動(dòng)?！粑?當(dāng)電子—空穴對(duì)演變?yōu)楣伦印垂伦訉?duì)后,孤子和反孤子以一定速度相別離。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),可由孤子和反孤子構(gòu)造得到極化子構(gòu)造,它包括原子分布構(gòu)造和電子能帶構(gòu)造。在聚乙炔中,導(dǎo)帶和價(jià)帶都起作用,是一種“雙帶極化子”,順式聚乙炔的基態(tài)是順—其能量將高于順—反式,因而基態(tài)只有一個(gè),其它的高聚物如聚對(duì)苯撐等,其基態(tài)都是非簡(jiǎn)并的。在非簡(jiǎn)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(gè)電荷±e的極化子,還存在帶兩個(gè)電荷±Ze的極化子———雙極化子。由于常數(shù)吸引力的存在,對(duì)非簡(jiǎn)并基態(tài)的高聚物,孤子和反孤子對(duì)就不能別離成相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)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(chēng)“禁閉效應(yīng)”。在高聚物中孤子和反孤子之間的“禁閉效應(yīng)”基態(tài)的非簡(jiǎn)并性,這種束縛著的孤子—反孤子對(duì)就是極化子[3]。對(duì)于聚乙炔,反式的基態(tài)是簡(jiǎn)并的,順式是非簡(jiǎn)并的,故在反式聚乙炔中可以有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的孤子。新材料有些是從傳統(tǒng)材料改進(jìn)開(kāi)展起來(lái)的,一些是根據(jù)需要設(shè)計(jì)構(gòu)造得來(lái)的,還有些是從根底研究和應(yīng)用根底研究的成果逐步開(kāi)展起3造世界由必然王國(guó)向自由王國(guó)過(guò)渡的能力,證明宇宙萬(wàn)物運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律性的、可認(rèn)識(shí)的。新材料是知識(shí)密集、技術(shù)密集、資金密集的一類(lèi)新興產(chǎn)業(yè);是許多學(xué)科相互穿插、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(wú)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]。新材料的開(kāi)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(cè)試與評(píng)價(jià)更需要各種各樣的精細(xì)儀器設(shè)備。任何新科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展總是在傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)的根底上進(jìn)展的,在傳統(tǒng)材料根底上開(kāi)展新材料是與原材料→根底材料→工程材料的總體循環(huán)密切相關(guān)的里每一個(gè)環(huán)節(jié)的改進(jìn)與創(chuàng)新都會(huì)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(shí)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)開(kāi)展的需要,古今中外的科學(xué)將逐步統(tǒng)一融合,各類(lèi)科學(xué)乃至自然科學(xué)、人文及社會(huì)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)迅猛開(kāi)展的根底上,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開(kāi)展的材料和材料科學(xué)一直是社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)根底,必將為人類(lèi)社會(huì)的物質(zhì)文明建立作出宏大的奉獻(xiàn)。[1]師昌緒·新型材料和材料科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀和開(kāi)展[M]·長(zhǎng)沙:湖南科