Transcript （材料科学研究动向及其基本化学问题）

继往开来的化学（材料科学研
究动向及其基本化学问题）
医药化工学院：梁华定
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材料科学研究动向及其基本化学问
题
一、对新材料设计和研制的要求
二、21世纪动向
三、材料科学中的基本化学问题
四、分类动向
五、纳米材料
一些新型材料发展
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一、对新材料设计和研制的要求
化学是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。
20世纪化学家以结构－功能关系研究为主线，合成了
许多具有各种功能的分子
结构与功能相结合
对新材料
设计和研
制的要求
智能型，即敏感和驱动双重性
无（少）污染，包括材料本身的无毒，环保，安全等
可再生性，要求材料能再生循环使用
节约能源
长寿命
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二、21世纪动向
21世纪主要工作是如何把功能分子组装成有一定结构的组装体
从功能分子到功能材料还有一个必要的环节
需要解决
两个问题
20世纪后期
有两个动向
分子及组装体的结构问题
分子的合成与组装反应问题
具有特殊功能的先进材料变得越来越重要
高级材料对于特殊物理性质和材料的高级结构的
依赖性增加
从材料科学独立出来并物理学交叉增加以后，忽视了两个问题
一是虽然利用的是物理性质，但都是由化学结构决定的
二是不仅分子要用化学方法合成，高级结构也必须通过化
学过程来构筑。
化学将在以上两方面作贡献
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三、材料科学中的基本化学问题
1、总结20世纪材料化学取得的具大进展，可以证明化学
是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。
20世纪化学研究方法
先是针对已有的问题谋求改进，总结已知聚合物的结
构，设计新的结构，研究新的聚合反应，又经过不同
的单体的选择，找出可行的工艺。
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材料科学中的基本化学问题
2、近年来化学家提出的新型“准材料”不少，高分子电子材料、
富勒烯和纳米碳管、自组装单分子层、纳米晶体等，但有两个弱
点。
（1）缺少基于化学的设计思想。因此，采取大量合成并加大范
围筛选的研究模式。一旦发现个别结构，便引起许多人跟踪研
究。结果命中率低。近年来，引用组合化学方法大大扩大了化
合物库，如建立组合材料库。虽然加快了工作效率，但缺少根
据功能与结构关系的深入了解。
（2）仅仅基于分子结构与性能关系，缺少对于材料高级结构的
认识。多数研究目的定位在功能分子，没有考虑什么样的高级
结构才能表现所需的功能。目前正在研究用计算机模拟复杂材
料的合成、特性和预计理论最佳结构。不过，没有高级结构的
测定以及对于材料结构与功能定量关系的深入了解，计算机就
没有设计依据。
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3、推动材料科学发展的化学基本问题
（1）分子结构－分子聚集体高级结构－材料结构－理化
性质－功能之间的关系掌握这些关系便可以减少盲目性，
增加命中率。
（2）合成功能分子与构筑高级结构的理论 与方法研究
结构单元如何自组装成为所需的高级结构，再组装成材料。
（3）分子器件的研究
可行可用的手段。
要有实际目标，微流体器件是一种
模拟生物材料形成过程的基础研究 研究历史：开始多
从组成上模拟，其后从结构上模拟，但没有模拟生物体内
材料组装过程，因而不能有生物材料原有的功能或达不到
工作水平
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四、分类动向
1、新型导电材料
（1）半导体材料
20世纪发现了纯半导体材料硅和锗，混合型半导体化合物
如锑化铟、砷化镓，从综合性能看，砷化镓作为半导体材
料更为优越，特别是开头速度大千倍。这种芯片做成计算
机后，其运算速度将高出千倍。
21世纪努力方向是寻找高性能的半导体
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（2）超导材料
1911年荷兰物理学家Heike发现了汞冷却到4K（液氦温度）
时具有零电阻，但由于液氦温度的获得成本昂贵且操作不便，
让人们失去了应用的信心。
1986年4月IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的J.G.Bednorz和
K.A.Mueller发现镧钡铜的复合氧化物在30K显示超导性，激起
超导热。1987年2 月，美国休斯顿大学的美籍华人朱经武研制
成功YBa3Cu3O7,其转变温度在90K，进入了液氮温度区1988
年研制出了转变温度为125K的新型超导材料Tl2Ca2Ba2Cu3O10.
1991年有两项
重要发展
一是有机超导体的临界温度达12 .5K
一是发现碱金属掺杂的C60也有超导性，临界
温度达33K；
21世纪的目标是创造各种超导体以提高临界转变温度（1993年俄
L.N.Grigorov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导
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性。）
（3）有机导体
1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中，
偶然地投入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色
的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。
H－C≡C－H
1000 倍催化剂
10－8～10－7 S/m
温度
Ti(OC4H9)4
Al(C2H5)3
10－3～10－2 S/m
世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔
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聚乙炔的掺杂反应
1975年，G.
MacDiarmid 、 J.Heeger与
H.Shirakawa合作进行研究，
他们发现当聚乙炔曝露于
碘蒸气中进行掺杂氧化反
应(doping)后，其电导率令
人吃惊地达到3000S/m。
美国物理学
家Heeger
获得2000年诺贝尔化学奖
美国化学家
MacDiarmi
d
日本化学家
Shirakawa
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（3）有机导体
1987年日本的
Bridgestone和
Seiko公司率先
开发了聚苯胺
二次电池，首
次获得工业化
应用。
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（3）有机导体
导电聚合物是由具有共轭∏键的聚合物经过化学或电化学的掺
杂而形成的
掺杂方法
掺杂剂
电导率，
·21世纪的研究方向是如何合成
S/m
缺陷少、结晶度高、电性能好和
未掺杂型
顺式聚乙炔 1.7×10－7
易于加工的有机高分子材料。
－3
反式聚乙炔 4.4 ×10
高分子的导电是在一个分子链上实
现的
适当地控制分子链的结构，或者改
变它的局部环境，一个分子的各
个区域可能具有不同的导电行为
有可能制成“分子导线”、“分子
电路”和“分子器件”
p－掺杂型 碘蒸汽掺杂 5.5×104
（氧化型） 五氟化二砷 1.2×105
掺杂
5×103
高氯酸蒸汽 1×105
电化学掺杂
n－掺杂型 萘基钾掺杂 2×104
（还原型） 萘基钠掺杂 103～104
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（4）有机磁性材料
抗磁性
按磁性种类
软磁材料
硬磁材料
半硬磁材料
旋磁材料
矩磁材料
压磁材料
按化学成份
金属磁性材料
非金属磁性材料
按使用形态
块体磁性材料
粉末磁性材料
薄膜磁性材料
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顺磁性
物质磁性
铁磁性
反铁磁性
亚铁磁性
磁性材料
（4）有机磁性材料
常见的软磁材料：
铁和MFe2O4、MFeO3、
M3Fe2O5、MFe12O19（M为金属离
子）等 铁氧体都是软磁材料。
磁性传感器
变压器
变压器的铁芯处于不断变化的电磁场
中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强
度也是不断改变的。这就自然要求铁
芯材料对这种变化的阻力小，变化足
够灵敏。所以，几乎对所有的变压器
铁芯，都要求导磁率高。
普通的水雷或者地雷只能在接触目标时爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷
上安装磁性传感器，由于坦克或者军舰都是钢铁制造的，在它们接近（无须接触目标）
时，传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸，提高了杀伤力。
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硬磁材料
铝镍钴系硬磁合金、硬磁铁氧体材料、稀土硬磁材料等几个系列
扬声器
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（4）有机磁性材料
20世纪末林展如以二茂铁为原料合成出室温下具有磁性、
居里温度达摄氏200度的高分子金属配合物，并发现用
它们做成的磁性元件对电磁波的传输具有明显有低频
率损耗系数和低温度损耗系数的特点。这说明有机磁
性材料在高频电磁波通讯领域有潜在用途。
科学家预言几种
具有特殊结构的
有机化合物和高
分子化合物可能
具有磁性
高分子--金属配合物
分子内含氮氧稳定自由基团结构的有机化合物
平面大键结构的有机物
电子转移复合物
21世纪将作进一步探索。
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2、新型光学材料
（1）非线性光学材料
这是一种广泛应用于倍频器件、激光唱盘、激光彩色打印、自
聚焦透镜、红外成象、纤维光学等高科技领域的新型光学材料。
20世纪在无机材料方面BBO（偏硼酸钡）是一种优质的
紫外倍频晶体材料，广泛用于激光技术中。
近年来，非线性有机光学材料发展较快，且发现材料要具有
高的极化性，特别是高度的二次谐波发生性（简写为SHG），
通常要求材料具有共轭电子体系，且共轭体系的一端连有强
的吸电子基团，另一端连有强的给电子基团，晶格结构应为
非中心对称（已知只有29％）。
21世纪的方向和难题
应用分子的手性，选择含手性中心的旋光活性分子，以优
化分子在晶体中的排列，从而提高有机晶体的SHG活性
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（2）液晶和有机电致发光材料
1994年~2000年,全球显示器销售额从194亿美元增加到337亿
美元。预期平板显示器生产将成为21世纪信息社会的支柱产业。
液晶是一种具有一定的几何结构或极性的合成小分子有机物
和高分子化合物。
如何设计和合成一些新型结构（如球状、棒
21世纪的目标是
状、盘形、层状、螺旋状）液晶材料，从分
子水平上揭示液晶的结构和性能的关系
另一类显示器材料是电致发光材料，具有低压直流驱动，高亮
度、高效率以及实现全色大面积显示、成本低等优点，可克服
液晶显示的其些不足，具有很大的应用前景
1998年英国和日本推出了一个仅2mm的聚合物电致发光电视显示
屏，21世纪大屏幕电致发光电视屏的广泛使用将不是遥远的事情。
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(3)光导纤维
从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔
融体中，拉出直径约100um的细丝，
称为石英玻璃纤维。其特点是光损耗
小，故称为光导纤维，是精细陶瓷中
的一种
利用光导纤维进行光纤通讯。激光
的方向性强，频率高，是进行光张
通讯的理想光源。与电波通讯相比，
光纤通讯能提供更多的通讯通路，
可满足大容量通讯系统的需要。
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光导纤维
光导纤维也是玻璃的一种
通常光是直线传播，但当光线从一种折射率较大的介质射向
折射率较小的介质时，若光线的入射角度超过某一数值，则
光线就会全部反射原来的介质。因此，科学家们就想是否用
一种“管道”，让光在其中发生全反射而不能出去，只能在
“管道”的界面上作波浪式前进，并从“管道”的另一端出
来。于是，就发明了能任意弯曲的石英玻璃纤维。
光导纤维一般由两层组成，里面一层称
为内芯，直径几十微米，但折射率较高；
外面一层称包层，折射率较低。从光导
纤维一端入射的光线，经内芯反复折射
而传到末端，由于两层折射率的差别，
使进入内芯的光始终保持在内芯中传输
着。
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光导纤维
但光在玻璃纤维中传播时,往往会
被一些杂质吸收而减弱.经过长时
间的试验与探索,工程师们最终制
造了杂质含量仅有十亿分之一的
光导纤维,这样光的损耗率达到了
10～3分贝/千米.所以,在现代信息
时代,光电通讯事业得以迅速发展。
在实际使用时，常把千百根光导
纤维组合在一起并加以增强处理，
制成象电缆一样的光缆，既提高
了光导纤维的强度，又大大增加
了通讯容量。
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光导纤维
光纤电缆通信已在20世纪推广使用
生产高透明度、低损耗的石英纤维是用化学－蒸汽
沉积法（CVD），但石英纤维仍有一定光损耗。
近年来发现氟纤维如三元氟玻璃（即ZrF4、LaF3和BaF4
混合体）可提高光纤性能，从原理上讲，其光信号传输横
跨太平洋而不需中继站。
21世纪的动向是研究新型光纤材料，面临的难点
是如何提高高分子光纤材料的纯度问题。
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（4）光开关材料
在处理光信号的过程中需要一种光学装置来开关、放
大及储存光信号。
目前是铌酸锂、砷化镓铝。近年来发现，一些新材料如聚
乙炔、手性有机分子、液晶等显示了更优越的光学性能
21世纪新的发现及其实际应用的潜力很大。
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3、新型陶瓷材料
按化学成分
按使用性能
氧化物陶瓷
氮化物陶瓷
碳化物陶瓷
硼化物陶瓷
硅化物陶瓷
特点:耐高温、超硬度、高强度、
结构陶瓷
耐磨损、 抗腐蚀
用途：能源、机械、冶金、宇
航……
功能陶瓷 特点： 电、磁、光、热等性能
用途：通信、电子、自控、集成
电路 ……
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3、新型陶瓷材料
（1）工程陶瓷
氮化硅(Si3N4)陶瓷在1200℃左右的高
温下，仍具有很高的强度，可用来制
造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。
目前有Si3N4、SiC、WSi2、
ZrO2、Al2O3等。
这些材料具有耐热、高硬度、耐磨、耐腐
蚀、相对密度小等特点。若能用于燃气轮
机，工作温度从目前1100 ℃ 提高到1370
℃ ，热效率从60%提高到80%，是理想的
发动机材料。
致命的缺点是脆性
近期表明：用不同配比的各种原料和
陶瓷复合材料制成的纳米级原材料经
烧结可提高韧性，预期合成陶瓷研究
将使全陶瓷内燃机尽快成为现实。
氮化硅结构陶瓷制品
工作温度 1300 ℃
不水冷
重量轻
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(2)
超硬陶瓷材料
金刚石是一种天然“陶瓷”。人造金刚石已进入工业
生产，其高温抗氧化性能较差，在8000C开始氧化。
现已研制出氮化硼材料，硬度仅次于金刚石，在1200 ℃
才开始氧化，具良好的应用前景。
(3) 热敏元件陶瓷
半导体热敏陶瓷（PTC）具有正的温度系数，当温度上
升到相变温度时，电阻急剧增大，可用于各种温控元件。
如电热器、电饭煲、烤箱、干燥器等。
湿敏元件ZnO-Li2O-Cr2O3-V2O5，其相对湿度为90％，
电阻4.24欧，可用于空调机
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( 4 ) 透明陶瓷 ( 光学陶瓷 )
光学性能优异
特点
用途
耐高温 ( 熔点 2000 ℃ 以上 )
高压灯（ 如高压鈉灯 工作温度 1200 ℃
寿命1—2万小时）
防弹玻璃
（5）电气陶瓷
以Al2O3为主体，经1500~19000C烧结而成，具有压
电陶瓷性能，就可实现机械能与电能的相互转变，用
于电波滤波器、压电变换器、点火器等。
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4
复合材料
将多种材料（不同功能和性能）用化学方法使其结合成
一体，将产生某一些特殊性能并优点互补的新型复合。
这是材料科学中的新的生长点，对解决某些实际用途起
很大作用。
主要是指纤维增强聚合物材料。
（１）聚合物基复合材料
如将碳纤维包埋在环氧树脂中使
玻璃纤维复合材料为玻璃纤维 复合材料强度增强，用于制造网
与聚酯的复合体，可以用于结 球拍、高尔夫球棍和滑雪撬等。
构材料，如汽车和飞机中的某
玻璃纤维
些部件、桥体的结构材料和船
体等，其强度可与钢材相比。
增强的聚酰亚胺树脂可用于汽
车的“塑料发动机”，使发动
机的质量减轻，节约燃料。
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（２）陶瓷基复合材料
为改变陶瓷的脆性，将石墨或聚合物纤维包埋在陶瓷中，
制成的复合材料有一定的韧性、不易碎裂，且还可在极高
的温度下使用。这类陶瓷基复合材料可望成为汽车、火箭
发动机的新型结构材料。金属网陶瓷基材料具有超强刚性，
可作为防弱弹衣的材料。
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（３）金属基复合材料
在金属表面涂层，可以保护金属表面或赋以金属表面某种
特殊功能，如金属表面涂油漆以防抗腐蚀
金属表面作搪瓷内衬可制造化学反应釜
金属表面镀铬使表面光亮
金属表面涂以高分子弹性体赋以表面韧性，可作为抗气蚀材
料用于水轮机，汽轮机的不锈钢叶片上，延长其使用年限
在纯的硅晶片上复合多层有专门功能的物质可用于计算机
的集成电路片
近年 铝－硼纤维，其比强度为铝合金的2倍，比模量为铝合
金的3.5倍，用于飞机，重量可减轻23-40%
铜－钨纤维可耐温1100-1300 ℃
在醋枝纤维片上涂上氯化银及多层不同的染料化学品便成
了彩色胶片
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主要几种复合材料
（1）钢筋混凝土：钢筋（金属材
料）和混凝土（无机非金属材料）
的复合材料；
（2）机动车轮胎：合金钢（金属
材料）和合成橡胶（合成材料）
的复合材料；
玻璃钢
（3）玻璃钢：塑料（合成纤维）
和玻璃纤维（无机非金属材料）
的复合材料；
（4）碳纤维
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5、生物医学材料
对植入生物
部件的代替
物的要求
生物相容性好，对肌体无免疫排异反应
血液相容好，无溶血、凝血反应
不会引起代谢作用异常现象
对人体无毒、不会致癌
医用金属材料
根据材料本身
的性质分类
医用高分子材料
生物陶瓷材料
医用复合材料
生物医学材料发展方向之一是制造人工材料做生物
部件的人工代替物或在非医学领域中使用
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（1）医用金属材料
医用金属材料主要适用于人体硬组织的修复和置换，有
钴基合金、不锈钢、钛及钛合金、贵金属系、形状记忆
合金、金属磁性材料等七大类。
医用金属材料的显著特点是具有较高的强度和韧性，
加工性能好，工艺成熟稳定可靠。
生物合金的缺点
易腐蚀
如把不锈钢做成人工关节植入人体
内，三五年内便会出现腐蚀斑，并
且还会有微量金属离子析出
广泛用于齿科充填、人工关节、人工心脏、磁疗、放射
疗法、药物载体、生殖控制等。
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( 7) 生物陶瓷材料
生物陶瓷材料根据材料本身的性质可分为三类：一类是生物体
内近于惰性的生物材料，如氧化铝（纯刚玉）陶瓷材料、碳素
材料等；第二类称为生物体内可控表面活性材料，如生物玻
璃陶瓷、羟基磷灰石等；第三类是生物体内可吸收的生物材
料，如磷酸钙系可吸收材料、熟石膏等
优点:生物相容性好，耐腐蚀、 稳定性好
用途: 人体器官、组织修复、再造
生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入人体。
最大缺点是性脆，韧性不足。脆性和加工成型困难，仍是
制约生物陶瓷广泛应用的两个最大难题，严重影响了它作
为人工人体器官的推广应用。
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（3）医用高分子材料
降解型高 材料在植入体内后，可在生物环境作用下发生结构
分子材料 破坏和性能蜕变，最终通过体内新陈代谢分解而排
出体外
如胶原、纤维素、聚氨基酸、壳聚糖及某些聚酯材
料等
常见的聚乙烯、聚丙烯、硅橡
非降解型高
可作长期植入之用 胶、聚砜、聚丙烯酸酯（有机
分子材料
玻璃）等
有机高分子材料做成的人工器官容易老化
如人工尿道（1950年）、人工血管（1951
医用高分子人
年）、人工食道（1951年）、人工心脏瓣
工器官在50年
膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人
代试用于临床
工关节（1954年）、人工肝（1958年）等。
进入60年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期
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医用高分子材料
人工脏器
高分子材料
心 脏
嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶
肾 脏
铜氨法再生纤维素，醋酸纤维素，聚甲基丙
烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯－乙烯醇
共聚物（EVA），聚氨酯豪，聚丙烯，聚碳
酸酯，聚甲基丙烯酸－β－羟乙酯
肝 脏
赛璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸—
β—羟乙酯
胰 脏
共聚丙烯酸酯中空纤维
肺
关节、骨
人造心脏
人工膝关节
硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜
超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基
丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯
人工肾脏
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医用高分子材料
皮 肤
硝基纤维素，聚硅酮—尼龙复合物，聚酯，
甲壳素
角 膜
聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸－β－
羟乙酯，硅橡胶
玻璃体
硅油，聚甲基丙烯酸－β－羟乙酯
鼻、耳
硅橡胶，聚乙烯
乳 房
聚硅酮
血 管
聚酯纤维，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯
人工红血球 全氟烃
人工血浆
胆 管
羟乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮
硅橡胶
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医用高分子材料
鼓 膜
食 道
硅橡胶
聚硅酮
喉 头
聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙
烯
气 管
聚乙烯，聚四氟乙烯，聚硅
酮，聚酯纤维
腹 膜
尿 道
聚硅酮，聚乙烯，聚酯纤维
硅橡胶，聚酯纤维
人工心脏瓣膜
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6、新型合金材料
（1)轻质合金
锂（密度仅为0.5g/cm3 ）是常温下最轻的固体单质，铍锂
合金称为超轻合金，是金属结构材料中最轻的一种。
铍铝合金（含铍62％、铝38％），具有质量轻、耐高温、
强度大，加式性能好等优点，应用于导弹、火箭、超音
速飞机的结构部件，电子计算机、核燃料包壳。
镁合金是镁和铝、锌、锰等的合金。用于制造仪器、仪表
零件，飞机起落架等。
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铝及其合金的应用
铝对人类最大的贡献，就在于航天航空事业。虽然其单质的
密度小，强度不大，但与一些金属形成合金后，就具有了轻
而结实的优越性能。所以航空、航天工业上发挥了极大的作
用，目前，一架超音速飞机，铝合金的用量已占用材的70%
用铝锂合金具有高比强度、高比刚性且相对密度小的特
点，如用代替飞机蒙皮材料，一架大型飞机可减轻重量
50kg，以波音747为例每减轻1kg，一年获利2000美元。
我国第一颗人造地球卫星
东方红I号”的外壳，就
是全部用铝合金制成的
美国 “阿波罗Ⅱ号” 宇
宙飞船使用的金属材料
中,75%以上是铝合金。
阿波罗II号宇宙飞船
东方红I号人造卫星
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铝及其合金的应用
若将铝粉、石墨及氧化钛
等物质按一定比例混合,涂
在火箭、导弹的金属外壳
表面,再经高温处理后，可
使火箭与导弹“穿”了一
层特殊的“外衣”,经能保
护火箭与导弹在飞行过程
中不会因与空气摩擦而烧
毁。
美国中程空对空导弹
俄罗斯KH29空地导弹
中国长征运载火箭
美国AGM86B巡航导弹
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钛合金的性能与应用
钛与铝比, 硬度是其2倍，制
成合金则比铝高出2～4倍。
而与钢相比钛的密度仅相当
于钢(7.8g/cm3)的57%，但
强度与硬度与之接近。
钛合金优点：
所以，钛同时兼有钢(高强度)
和铝(质地轻)的优点。在原来
使用钢材和铝材的地方，它可
以而代之；而在钢和铝不能胜
任的地方，钛则能“轻松应
对”。
高强度
高韧性
耐腐蚀
质地轻
无磁性
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钛合金的性能与应用
钛是制造宇宙飞船的关键材料。由于太
美国航天飞机
空的温度低达零下 100～200℃，这个
环境中的飞船所需要的液氢和液氧燃料，
必须贮藏在用耐超低温的容器中。但大
多数金属罐均会破裂，而钛制成的容器
非但不破,且强度还会增加.所以，液氢
和液氧是贮藏在用钛制成罐中
。
当美国航天飞机从太空返回地球
时，必须穿过大气层。但由于高速
摩擦会使航天飞机表面温度高达
1000℃。一般金属及其合金都难
以抵抗，也只有钛合金作为其“蒙
皮”，才能担此重任。
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钛合金的性能与应用
钛材同时也是现代飞机的主要材
料。以前飞机的外壳都用铝合金，
但当飞机的速度超过音速的2.2
倍时, 飞机外壳与空气的剧烈摩
US隐形战斗机
擦而产生很高的温度。一般铝合
金在300℃以上强度便大大下降。 “黑鸟”军用飞机
而钛合金在650℃以上仍泰然无
法国阵风战斗机
事。
美国制造的著名“黑鸟”战机，其飞
行速度已达3200千米/小时, 是音速的
2.5倍以上，其表面材料即为钛合金。
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钛合金的性能与应用
普通钢铁制成的船体易被海水侵
蚀，且海水深度每增加10米，压
力就增大1个大气压。潜艇或军舰
须用超强耐腐蚀材料来制造。
而钛及其合金长期浸泡在海水中
不被腐蚀，且由于其没有磁性，
故用钛合金制造的舰船，可免受
磁性水雷的攻击。
海狼号核动力攻击潜艇
美国的深海潜艇就是用钛合
金制成的，它能够在4500米
深海中航行。
英国大刀级导弹护卫舰
46
（２）耐热合金
能在高温（＞700 ℃）下工作的金属，通称为耐热金属，
“耐热”是指金属在高温下能保持足够的强度和良好的抗
氧化性。它们广泛地应用于制造航空涡轮发动机，各种燃
气轮机热端部件，应用领域涉及航艇、火车、汽车、火箭
发动机、核反应堆等高技术领域。
耐热金属主要集中于周期表的中部，ⅣＢ、ⅤＢ、ⅥＢ
元素，其中钨的熔点最高（3410 ℃），通常将熔点高于
铬（熔点1903 ℃）的金属，叫做高熔点金属或难熔金属。
工业上常用的高熔点金属，主要有Mo、W、Nb、Ta等金属
及其合金，但它们的价格高，数量少。常采用合金化的方法
提高金属的耐热性。即在钢铁中添加某些元素，制成耐热抗
氧化的合金钢，合金元素有W、Mo、Cr、V、Nb、Al、Si
等
47
（２）耐热合金
耐热合金目前有铁基、钴基、镍基、钼基、铌基、钽基和
钨基合金等。
镍钴合金能耐1200 ℃用于喷气发动机和燃气轮机的构件
镍铬铁非磁性耐热合金在1200 ℃时仍具有高强度、韧性
好的特点，可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒。
今后方向是寻找耐高温（1000 ℃以上）、可长时间运行
（10000h以上）、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料。
48
（3）形状记忆合金
形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金
属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在
瞬间恢复原来形状。例如，最早研究成功的形状记忆合金镍
钛脑(Ni-Ti合金)，如果把它加工成Nitanon字样，然后加热
到１５０ ℃再冷却，再把字形弄成一团，当把它加热到９
５ ℃时发现它又重现了Nitanon字样。这种能“记忆”起自
己受外力作用而变形前的形状，并能自动恢复的合金，称为
形状记忆合金。
应用
记忆合金铆钉
紧固件
卫星自展天线（镍— 钛）
形状记忆合金发动机
49
形状记忆合金
形状记忆合金的这种“记忆”功
能，是因为这类合金具有马氏体
相变。凡是具有马氏体相变的合
金，将它加热到相变温度时，就
能从马氏体转变为奥氏体结构，
完全恢复原来的形状。
具有形状记忆效应的合金现已发
现很多，主要的有Ni-Ti体系合金、
Cu-Zn-Al合金以及Cu-Al-Ni系合
金。
近年来发现在高分子材料、铁
磁性材料和超导材料中也存在
形状记忆效应。
50
形状记忆合金
由于Ni-Ti合金具有神奇的形状记忆性能，因此它在许多工业和
民用部门发挥神奇的作用，广泛地用于卫星、航空、生物工
程、医药、能源和自动化等方面。
在工业生产中，不同材料管道的连接是非常普遍的，但连接通
常比较困难。若用记忆合金管路接头，问题即可解决。只要
把常温下轻松连接的记忆合金连接件放入热水里，过一会儿
再取出来，就会发现两根管子已经紧紧地连接在一起了。在
对其做抗压试验时发现，先被击碎的竟是钢管，而记忆合金
则完好无损。形状记忆合金还可以垫在机器底下起减振、消
除噪声的作用。因为形状记忆合金在冷热交替时电阻率显著
增大，所以还是很好的阻尼材料。在汽车工业中，可以制造
出“可复原”的汽车外壳：即使被撞扁，只要用80℃的热水
一浇便可恢复原状。
51
形状记忆合金
美国曾用Ni-Ti合金制成飞船的发射和接收天线。此天线被折叠
发射到月球上，以减少飞船的体积。在月球上，由于吸收太
阳的辐射而升温，又恢复抛物面形状。
在服装工业中记忆合金最早用于在文胸内起托垫保形作用。这
种托垫在冷水中可以洗涤，而带在身上因体温而恢复原状，
保持其很强的弹性。另外人们还利用这种超弹性开发出手机
天线、高级眼镜架等。
在医学上，如对脊椎骨弯曲的患者进行脊椎校直时，可用形状
记忆合金制成的器件固定在脊椎骨上，受热时因器件伸长，
而使脊椎校直。又如，可用Ni-Ti合金制造人造牙和牙床。传
统的治疗血管狭窄的方法是开刀手术，若用形状记忆合金的
腔内支架，则只需开一小口，用导管把支架植入血管即可，
从而大大减轻了病人的痛苦。
北京有色金属研究总院在开发记忆合金方面走在世界前列，已
成为我国最大、世界一流的形状记忆合金生产基地。
52
（4）储氢合金
储氢的传统方法
气态 --- 150 大气压
液态 --- －253 ℃ 液化
钢瓶
钢瓶
储氢金属或合金 —— 能吸收 H2 的金属或合金。
储氢金属或合金为什么能储存氢气？
金属结构中存在着很多空隙
，
氢元素较活泼，原子半径又小，它
很容易钻进金属空隙中去并和金属
起化学反应生成金属氢化物。
例如LaNi5若吸氢后形成LaNi5H6，这时在合
金中氢的密度为0.111g/cm3，它比标准状态下
氢气的密度大千余倍，也比液氢密度大。
53
五、纳米材料
纳米的“纳”字,在希腊文中是“矮小”之意。纳米的符号
是nm,是一个长度单位。1nm＝10-9m,即1纳米是十亿分之
一米,它是普通氢原子的27倍，相当于人发直径的十万分之
一。
纳米颗粒一般
是指尺寸在1～
100纳米之间的
颗粒。这样小
的固体颗粒是
人眼无法看到
的，所以，需
要借助20万倍
的电子显微镜
才能看清楚。
10厘米
1厘米
1毫米
100微米
10微米
1微米
100纳米
10纳米
54
纳米材料
纳米材料 颗粒加工到纳米级大小（1-100nm)
特点
特性
应用举例
粒子具超细微、粒子多，表面积大
具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。
如Au熔点1063 ℃，纳米金330 ℃；Ag熔点1063 ℃，
纳米Ag100 ℃；使低温烧结制备合金成为可能。
纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12倍
实际上，纳米材料早就存在(荷花叶的表面结构)，只是到
20世纪80年代才被科技工作者发现与重视。
55
纳米颗粒与原子
随着颗粒直径的不断减小，其表面原子的
百分数会迅速增加。当微粒直径达到10纳
米时，表面原子数是颗粒中原子总数的
20%;但当直径小到1纳米时,表面原子百分
数增加至99%。
据资料报道，当表面原子百分数达到99%时，
就会有组成该颗粒的30个原子几乎完全裸露
在颗粒表面。因表面原子与纳米颗粒内部原
子所处的环境不同，它周围缺少相邻的原子，
又有许多悬空键，具有不饱和性，易与其他
原子结合而稳定。所以，纳米颗粒直径减小
的结果，使其表面积、表面结合能及化学活
性等迅速增大。因而纳米材料就具有了一些
特殊的性能。
56
纳米材料的性能
⒈光学性质
不同的金属块往往有不同的颜色,但当其颗粒度减小到纳
米级的时候，其吸光能力大大增加，几乎所有的光线都
被吸收。所以，不管原来金属块是什么颜色，此时都呈
黑色，且颗粒越细，颜色越深。
纳
米
氧
化
铁
57
纳米材料的性能
⒉催化性质
作为催化剂，催化反应通常是在其表面进行。当催化剂颗粒达
到纳米级时，由于其表面积和表面能都非常高，导致活性点急
剧增多。因此，与传统催化剂相比，纳米级催化剂的催化活性
与选择性大幅度提高
如纳米铂黑催化剂可使乙烯氢化反应的温度从600 ℃降至室温
超细的Fe、Ni、Fe2O3混合轻烧结体可代替贵金属作为汽
车尾气的催化剂。
58
纳米材料的性能
⒊化学反应性质
纳米颗粒的粒径小，表面原子百分数高，吸附能力强，因此，
表面反应的活性很高。如金属纳米颗粒容易被氧化，在空气
中极易发光燃烧。
平均颗粒度3～5nm
59
纳米材料的应用
⒈利用纳米半导体颗粒制备光电转化率更高的新型太阳能电池
⒉再创“磁记录材料”的新高
1998年美国首次研制出由磁性纳米棒组成
的“量子磁盘”，该磁盘的记录密度可达
400Gb/in2，相当于每平方英寸可储存20万
部《红楼梦》。
计算机存储器的存储能力将提高1000倍，
到那时巨型计算机小到放到口袋里；美国
国会图书馆的全部资料的信息可以存储在
一块水果糖大小的存储器中。
据调查，到2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的
世界第二大产业，拥有14400亿美元的市场份额。
60
纳米材料的应用
⒊细胞机器人
细胞是生命的最小单位，其中酶分子就
是一个活的微型机器人。利用纳米技术
模拟生命过程中功能不同的酶，就可以
解决常规医疗条件不能解决的事情。纳
米机器人可注入人体血管内，进行全身
健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除
心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死
癌细胞。
61
纳米材料的应用
如制造出负责清扫血管的纳米机器人,专门清除血
管壁上的胆固醇等沉积物,以预防心血管疾病。
瑞典科学家用黄金和
多层聚合物制作微型
医用机器人，用它在
人体内移动单个细胞，
成为微型手术器械。
62
纳米材料的应用
⒋汽车尾气处理
在汽车尾气处理中加入纳米复合稀土氧
化物后，尾气净化的效果非常好，N、
O和NO几乎完全转化成无毒的N2和
CO2。
纳米TiO2可用来降解有机磷，催化降
解纺染中的废水，从而解决环境污
染问题。
⒌纳米防晒品
在防晒品中加入表面遮盖能力强,吸光性
强但对身体无害的聚合物纳米颗粒,既可
增强防晒品阻挡紫外线能力,同时也改善
防晒品的其他功能。
63
纳米材料的应用
⒍纳米杀菌除味剂
利用纳米颗粒吸附能力强的特点,
将纳米颗粒添加到纤维制品和制
冰箱的塑料中，可制得除味杀菌
的纤维和无菌冰箱。
⒎纳米隐形飞机
雷达探测飞行物的基本方法，是通过接受经由飞行物表面所反
射回来的电磁波来确定其方位的。而纳米材料对电磁波有很强
的吸收能力,因此,利用这个优势便可制造出隐形飞机。
64
纳米材料的应用
纳米材料对光的反射率很低(约1%)，粒度越细，对光和电
磁波的吸收越多，据此纳米金属材料可制作红外线检测元
件、红外吸收材料和隐形飞机上的雷达吸收材料。据报道
日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运
转的汽车；德国还制成了一架只有黄蜂大小、并能升空的
直升机以及肉眼几乎看不见的发动机。
在20世纪90年代，科学家发现许多纳米陶瓷（如
ZrO2、Ti2O3、Si3N4）在适当温度下具有很好的塑性，
甚至塑性形变可达100％。这使人们想到陶瓷的最大
缺点－－脆性是否可以在这种异常性能中得到解决。
这是将来陶瓷材料研究中的一个重要课题。
65
纳米碳管
碳纳米管是在20世纪末制成的新型纳米材料。碳纳米管是石墨
中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，
外径只有几十纳米。这种纤维的密度是纲的1／6，而强度却是
钢的100倍。有人指出，用它做绳索是惟一可以从月球表面拉
到地球表面而不能被自身重量拉断的绳索。这种材料还能储存
和凝聚大量氢气，并可能作为燃料电池驱动汽车。
2000年11月香港科学家研制成功的最小碳管直径只有0.4mm,它
是由一个个笼状的小单元连接而成,这些小单元看起来很像足球
。
现代纳米技术不仅是指制造超细粉末的技术，它的重要意义
在于人类能够在纳米尺度范围内对原子、分子进行操纵和加
工，并按人的意愿组成所需要的超微细器件
2001年11月三位中国科学家在美国制造出10-15mm厚，30300nm宽的“纳米带”，纳米带的生产可解决在大量生产纳米
管时难免出现的结构上的缺陷。
66
纳米碳管
纳 米 碳 管 ( NTs) 以 其 特
有的力学、电学和化学
性质，独特的准一维管
状分子结构和在未来高
科技领域中所具有的许
多潜在的应用价值，迅
速成为化学、物理及材
料科学等领域的研究热
点。
不过，纳米碳管是否
属于碳的同素异形体在
学术上还存在争议。
67
碳纳米管的结构
纳米碳管(NTs)即管状的纳米级石墨晶体，是单层或多
层石墨片围绕中心轴，按一定的螺旋角卷曲形成的无缝纳
米级管，管端基本上都封口。每层纳米管是一个由碳原子
通过sp2 杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形
平面组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为24.6 nm，最短
的碳－碳键长14.2 nm。根据制备方法和条件的不同，纳米
碳管存在多壁纳米碳管(MWNTs)和单壁纳米碳管(SWNTs)
两种表式。多壁纳米碳管的层间接近ABAB……堆垛，其
层数从2～50不等，层间距为(0.34～0.01) nm，与石墨层间
距(0.34 nm)相当。单壁纳米碳管典型的直径和长度分别为
0.75～3 nm。纳米碳管的长度从几十纳米到1 微米。
无论是多壁纳米碳管还是单壁纳米碳管都具有很高的长
径比, 一般为100～1000, 最高可达1000～10000, 完全可以认
为是一维分子。
68
碳纳米管的制备
碳纳米管的制备方法有多种，其中电弧放电和催化热裂解是
两种使用较广的方法
电弧放电法中阴极采用厚约10 mm，直径约30 mm的
高纯高致密的石墨片，阳极采用直径约6 mm的石墨棒，
整个系统保持在气压约l04 Pa的氦气气氛中，放电电流为
50 A左右，放电电压20 V，通过调节阳极进给速度，可
以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长的同时，两电极
放电端面间的距离不变，从而可以得到大面积离散分布
的碳纳米管。
催化热裂解法制备的碳纳米管结构较单一、纯度较高。
一般采用催化剂Ni作为衬底材料，在700 ℃温度下催化裂
解乙烯制备碳纳米管。
69
碳纳米管的应用
(1)高强度碳纤维
材料理论计算表明，纳米碳管的抗张强度比钢高100倍，但
重量只有钢的六分之一。其长度是直径的几千倍，5万个并
排起来才有人的一根头发那么宽，因而号称“超级纤维”。
(2)复合材料
近年的研究表明，纳米碳管与介孔固体(孔径在2～50 nm
的多孔固体)组装，形成介孔复合体，将是一种特殊性能
的新型材料。
（3）储氢材料
碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气
的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度
还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在
试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。
70
一些新型材料发展
微型化学开关－朝着分子计算机迈出一大步
现在科学家将开发出的微型化学开关细如毛发，可反复开
启和关闭，从而可能用来制造随机存取的存储器。这是计
算机中的关键设备，它使用户能保存和任意处理信息。
分子计算机将淘汰掉今天体积庞大、笨重、能耗巨大的硅计算机
目前的晶体管尺寸比分子器件大8000倍，最终计算机将变得
十分微小，可编织到衣服中。
它能完整地保存大量数据而不必担心出现系统崩溃或其它故障
一般的计算机，基本器件是二极管（开关，电流放大器）、
三极管（信号－电压放大器，信息存储器）。
71
微型化学开关－朝着分子计算机迈出一大步
微型化学开关的基础是一种叫连环体的分子
（2、4－二苯硫酚－3－氨基硝基苯，如
图）。
它是由两个微小的互相连锁的环状结构组
成的。通过施加电脉冲可以移走一个电
子，从而导致一个环出现翻转或绕另一
个环旋转，这就打开了开关。若把电子
送回原处，便会使开关关闭。如右图的
分子结构中，－SH与Au易结合，中间苯
环的电子可流动。加电场时，苯环发生
扭曲，电子不能通过－－这就是二极管。
它在5V时，可承受0.2mA,穿过分子通道
的电子数约为1012个，相当于电子是逐
步通过的。
SH
Au
NO
H N
3
SH
Au
72
2
基因芯片
基因芯片，也叫DNA芯片，是在90年代中期发
展出来的高科技产物。基因芯片大小如指甲盖
一般，其基质一般是经过处理后的玻璃片。每
个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小
区。在指定的小区内，可固定大量具有特定功
能、长约20个碱基序列的核酸分子（也叫分子
探针）。
73
基因芯片
基因芯片即脱氧核糖核酸（DNA）阵。在不大的芯片上，储
存着巨大数量的信息，而传递信息的使者就是DNA。基因
芯片由若干基因探针构成，每种基因探针包含着由若干个
核苷酸对构成的DNA片段。
基因芯片的工作原理与探针相同。在指甲盖大小的芯片上，排
列着许多已知碱基顺序的DNA片段，根据碱基互补规律，
芯片上单链的DNA片段能捕捉样品中相应的ＤＮＡ，从而
确定对方的身份，通过这种方式可准确识别异常蛋白等。
基因芯片的制作是一项十分复杂的技术，要在小小的玻璃芯片
上加工数十万个孔槽，然后在每个孔上精确地放上不同的、
特定的DNA片段而不使它们发生任何混淆则是十分困难的。
更重要的是，要制作基因芯片，首先必须分离出数十万种
不同的DNA片段，并了解它们各自的功能特点。
74
基因芯片
中国科学家已分别研制出白血病病毒毒检芯片、染色体易位检
测基因芯片、白血病相关癌基因表达检测基因芯片和白血病
相关癌基因突变检测基因芯片。在此基础上，综合设计出白
血病预警基因芯片。这一基因芯片从设计、制作到检测等都
拥有自己的特色，并自成体系。
通过基因芯片检查，可以发现血液中是否存在白血病病毒，细
胞是否存在突变的基因，以此来诊断某患者是否患有白血病，
可能或将有多大可能发生白血病，并能指导医生用药。
75
基因芯片
基因芯片将用于许多创新性研究，从癌症的基因到使艾滋
病病毒产生抗药性的基因变异。它将代替传统的体格检
查和疾病诊断办法，尽早预知疾病。通过用几个基因芯
片探查你的基因，就可了解你全部的遗传缺陷，预测你
未来若干年的健康会受到哪些威胁，以便采用相应的对
策加以预防，当然也可以采用基因疗法加以治疗。
由于被固定的分子探针在基质上形成不同的探针阵列，利
用分子杂交及平行处理原理，基因芯片可对遗传物质进
行分子检测，因此可用于进行基因研究、法医鉴定、疾
病检测和药物筛选等。基因芯片技术具有无可比拟的高
效、快速和多参量特点，是在传统的生物技术如检测、
杂交、分型和DNA测序技术等方面的一次重大创新和
飞跃。
76
DNA计算机
用一个盛着液体的试管来解答数学题乍听起来像是天方夜
谭，可这种事情却真真切切地发生了。
DNA的计算并行度是非常大的，在1毫升的DNA溶液中，
可以容纳1018条DNA。每条DNA都可以看成是一个微处
理器。虽然生化反应是在一小时之内完成的，DNA每秒
种的运算量却可以达到1015次。现在最快的计算机每秒
种的运算速度是1012次。这样的话，DNA计算要比最快
的计算机还要快一千倍。
DNA体积很小，但存储的信息量却很大。1克DNA所能存
储的信息量可与1万亿张CD光盘相当，远大于现有的计
算机存储芯片和存储介质。
77
DNA计算机
虽然DNA计算很吸引人，但近期还不能投入使用。关键在
哪里呢？首先是信息的输入、输出问题。要想看到DNA
计算的结果，要先扩增，再做电泳。这些都需要很长
的时间和很繁杂的操作。
目前，DNA计算机还称不上是真正意义的计算机。它看上
去只不过是一些盛有液体的试管。它更象算盘，很初
级，需要人的协助才能完成计算。得这是很原始的DNA
计算机却代表了人类更高的智慧。
科学的发展使一个个不可能成为可能。未来的计算机将
突破以硅为基础的图灵机的形式，以人们做梦都想不
到的形式展现在我们眼前。
78
氮也有极活泼的单质－－“盐类”炸弹
人们都知道，氮在自然界的存在形式是N2。它于1772年就被分
离出来，是极稳定的单质。 N3-在19世纪90年代被发现，是极
不稳定、易爆炸的物质。
1998年11月，在美国爱德华兹空军基地（这是宇航飞机、宇航
员培训基地）有一间实验室发生了爆炸。爆炸物才0.1g，约
盐粒大小，被称为“盐粒炸弹”。炸弹爆炸时，实验室主任
大声欢呼：“在预料之中！在预料之中！ ”原来他们合成了
N5 。现在的火箭推进剂，发射1吨设备需50吨燃料，若用，
则可大大减少。
N
N
制造N5的方法是用N2与As F2混合，在真
空条件下，在不锈钢与特氟隆制造的试管
N
N
中合成的。原来每次只能合成0.1g这种固
N
体，现在可以合成0.5g。这种极不稳定的
物质， 要保存在－80 ℃ 的干冰里。
79
塑料汽车、坦克
1998年美国克莱斯勒汽车公司宣布，它们用对苯二甲酸
乙酯作原料，研制出一种新型塑料汽车。车身只需6大
部分组成，而一般金属车身需80个部件。造价降低一
半且不用油漆。他们将于2003年试生产这种塑料汽车。
据悉，这种塑料汽车可采用旧塑料作为原料，因此可
视为环保汽车。
2001年初，英国研制出环氧树脂和玻璃钢为主要原料制
成的坦克，其抗打能力并不比金属差。由于塑料制成
的，所以雷达几乎对它不起作用，因而具有完全的隐
身功能。在战场上塑料比钢铁更易恢复，重量轻（约
24吨，比装甲坦克轻10吨）速度更快（80km／h）；
机动性大为增强，燃料消耗也更低（减少后勤供给的
压力），对乘员来说更安全（不用担心被击中后金属
碎片伤人）。
80