材料的调色板正在扩大

5. 材料的调色板正在扩大

奇葩竞放的复合材料

把两种或两种以上不同性质的物质材料通过复合工艺组合而成的新型材料，叫做复合材料。它既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能，还可以通过材料设计使各组分的性能互相补充、取长补短并彼此关联，从而获得新的优越性能。复合材料的历史可追溯到很久很久以前，当时人们打泥砖，在黏土泥浆中掺入稻草，晒干后的泥砖就是最原始的复合材料。在历经几千年的发展之后，古代复合材料逐渐被近代复合材料所取代。20世纪60年代以来，由于航空、航天工业的迅猛发展，需要高强度、高模量、耐高温和低密度的复合材料（例如航天器的结构材料就是由具有优良力学性能、抗疲劳、抗热冲击和热膨胀系数低的各种材料复合而成。），于是，先进的现代复合材料应运而生。

前面已经谈到，在材料科学的发展中，化学家肩负重任。化学家认为，认识化学反应如何使物质变成新的组合，以及如何利用这个过程创造新材料，是材料科学研究的经常性任务。复合材料就是根据不同化合物的组合而创造的材料。目前正在使用的复合材料大致可分为结构复合材料和功能复合材料两大类（表3-5）。结构复合材料是作为承力结构使用的材料，由能承受载荷的增强体与能联结增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体构成。由不同的增强体和不同的基体即可构成名目繁多的结构复合材料，如树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等等。前文提到的玻璃钢，就是一种结构复合材料。它是以玻璃纤维作增强体和以酚醛树脂作基体复合而成的，它兼有玻璃的透明度，又具有钢材的强度。又如最新型的汽车轮胎是由合成橡胶、钢丝、增强尼龙丝和增强玻璃带等四种材料构成的复合材料。功能复合材料一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能够产生协同或加强功能的作用。按照不同的使用功能，可将功能材料区分为导电功能复合材料、导磁功能复合材料、换能功能复合材料等等。目前形成产业规模的主要是结构复合材料，功能复合材料正处于发展之中。

表3-5　复合材料的分类

复合材料既能保持原来材料的长处，又能克服单一材料的局限性。例如金属材料易腐蚀，合成高分子材料易老化、不耐高温，陶瓷材料易碎裂等缺点，都可以通过复合的方法予以改善和弥补。优良的综合性能使复合材料在许多普通材料无法胜任的领域发挥着重要作用。例如，用碳纤维——陶瓷复合材料制作的新型高速喷气飞机涡轮叶片，能承受1400℃的高温和每分钟3万转的高转速。它的重量比钛合金叶片可减轻一半。用纤维增强陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接剂贴在航天飞机机身表面，可使航天飞机安全地穿越大气层回到地球上。高精度的电子仪器受外界电磁杂波极小的干扰就会带来极大的损害，而用导电高分子复合材料制成屏蔽材料就能有效地避免电磁波干扰。此类导电聚合物还可以在电极材料、太阳能电池材料、电子材料的基材、防静电材料、电致变色材料等许多方面得到应用。纤维增强金属基复合材料是一类发展十分迅速的新材料。碳化硅纤维增强铝比铝轻10％，强度高10％，刚性高1倍，且具有更好的化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性，主要用于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维增强钛做成的板材和管材则可用来制造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。用复合材料制成的全塑汽车发动机，不仅牢固坚实，而且噪音小、重量轻、省燃料、造价低，具有广阔的市场开发前景。在碳纤维强化塑料中加入聚醚酮醚树脂制成的新型复合材料，比过去的同类强化塑料的强度高2倍以上。还有一种氮化硅和碳化硅复合的陶瓷材料，具有像口香糖一样的超塑伸长性能、钻石一般的耐磨性能和非凡的耐热性能。在军事领域，复合材料也备受“青睐”。采用特种陶瓷制成的防弹衣和防护装甲坚不可摧，被人们誉为“死神”的克星。德国“黑豹—87”型坦克上的复合装甲，由陶瓷、橡胶和特殊树脂等多种材料层状重叠复合而成，其防护能力超群，能抵御破甲厚度约700毫米的反坦克导弹的攻击。目前，世界上许多国家在复合材料的研制和生产上竞争十分激烈，各种复合材料将会竞相出现，并将在航空、航天、电子机械、化工、建筑、医疗、体育等各个领域得到广泛应用。

神奇迷人的纳米材料

纳米科技是在纳米尺度（0.1~100纳米）上研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用规律的崭新高技术学科。它是近10多年来迅速发展起来的一门交叉性很强的综合性学科。

纳米是一种尺度。假设一根头发丝的直径是0.05毫米，再把这根头发丝按直径平均剖为5万片，每片的厚度就是1纳米。科学的表述是：1纳米等于10^-9米，即十亿分之一米。

纳米技术是在纳米尺度上的工程学。纳米科技大体包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学和纳米化学研究等领域。它的最终目标是人类按照自己的意志，对原子或分子实行加工，将其组装成具有特定功能的结构，并制造出具有特定功能的产品。

纳米材料是一类新型的人工制备的微结构材料，其性质不同于普通的常规材料。尽管纳米金属、纳米陶瓷和其他纳米固体材料跟普通的金属、陶瓷和其他固体材料一样都是由同样的原子组成的，但这些原子的排列方式变了，成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米（1微米=10^-6米）大到几毫米，包含几十亿个原子，而纳米材料中的基本颗粒直径不到100纳米，包含的原子不到几万个。加工材料到了纳米级后，人造微结构理化性质就会发生根本性的质变，造就和引发常规粗晶粒材料所不具备的奇异功能和反常特性，升华成新一代功能材料。纳米材料在结构、光电和化学等性质方面的诱人特征，引起物理学家和材料学家的浓厚兴趣，也为化学的一些传统领域注入了新的活力。据科学家观察，纳米材料较之于传统材料具有以下四大特点：

第一，变异性。纳米微粒是物质基本单位（原子和分子）与固体之间的中间阶段，在微粒中原子和分子有秩序地形成物质结构，经过纳米级加工制备的材料会突然呈现物质变异特性。例如，纳米铜（晶粒尺寸为8纳米）的强度比普通铜高5倍，其自扩散系数比晶格扩散系数增大10¹⁹倍。纳米硅的光吸收系数比普通单晶硅增大几十倍。

第二，微细性。如果将多种非金属的无机材料生成纳米微粒子，再注入其他物质（比如玻璃、塑料或陶瓷）中去，就会产生所谓的“微细联合体”。这种新材料在高温下将具有高强度、高韧度、高稳定性等优点。例如，高分子材料加入纳米材料制成的刀具，锋利无比，永不卷刃。目前这类刀具已进入市场。又如在超细颗粒铁表面覆盖一层5~20纳米厚的聚合物，即可固定大量蛋白质或酶，可在控制生物反应和酶工程中发挥重要作用。

第三，奇化性。纳米材料作为添加剂加入其他材料中，可改变原有材质的主体性能，导致原有材质产生物理现象奇化，引发出特殊光电特性，特种高磁阻现象及特别非线性电阻现象等。例如，纳米金属颗粒以晶格形式淀积在硅表面时，可以形成高效电子元件或高密度信息存贮材料。北京理工大学实验室研制的纳米氧化锌薄膜具有很好的C轴取向，有良好的压电效应。又如，在普通情况下，陶瓷是脆性材料，而纳米二氧化钛陶瓷却变成了韧性材料，在室温下可以弯曲，因为其塑性变形高达100％。

第四，智能性。纳米材料经微粒子工艺特种处理，其材质变态后将具有活性、智能性。这类新材料的性能不再固定，而是可根据外来影响加以改变，比如通过光源照明或电子脉冲刺激，改变其透明度或颜色等。这种智能化纳米材料已初露端倪。据英国《科学与共同政策》杂志报道，已经制备成功一种尺寸只有4纳米的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可以由激光驱动，开关时间很短，这将为激光计算机的研制提供技术基础。在电子领域，智能化纳米材料将替代笨重的电子控制器和功能执行器，造就新一代的机电一体化监控产品。不久前，荷兰和美国科学家组成的一个国际科研小组已研制成功了迄今为止世界上最细的导线，其直径为1.5纳米，仅相当于10个原子并排在一起。这种超细微的导线可使半导体技术取得进一步突破，制成含有更多元件的半导体产品，计算机的容量和运行速度也将会大大提高。

纳米材料的出现也为化学领域注入了新的活力。例如，利用沸石分子筛的纳米微孔做模板，制造光电材料、分子器件已取得了进展。美国普林斯顿NEC研究所的科学家采用在电弧中使碳汽化的方法制造了一种碳纳米管，虽然这种碳纳米管的组成成分跟普通石墨没有两样，但其强度却比石墨高出5倍。此外，在表面活性剂的有序介质中产生稳定的大小可控的纳米半导体胶粒也已取得了有意义的进展。

纳米材料是新材料“王国”中异军突起的一支新军。它的神奇特性将为材料科学的发展开辟更新的天地。

魅力无穷的生物材料

生物材料是用于生物体的材料。为了保障人类的健康和长寿，生物材料的发展已成为人们关注的焦点。生物技术的进步，医疗技术的发展，都要求生物材料尽快更新，以适应生物体对生物材料的客观需要。生物材料的目标是对人体组织的矫形、修复、再造、充填以维持其原有功能。它要求材料具有相适应的性能外，还必须有与人体组织的相容性以至一定的生物活性，不会因与人体接触而产生排斥和其他作用。

合成高分子化合物是最早用于人体的生物材料。20世纪40年代，聚甲基丙烯酸甲酯便被用作牙科治疗的医用材料。随着新技术的不断发展，具有医疗功能的生物材料使用更为广泛。例如，用特种生物医学材料制成的关节假体可用于替换患者已损坏的关节，尤其是人工髋、膝关节最为常见。在欧美等发达国家，每年的人工髋、膝关节置换已超过50万人次。在我国做人工髋、膝关节置换的病人也越来越多。据《日本经济新闻》报道，名古屋工业技术研究所的科学家，最近又成功地研制出一种能够应用于人造股关节和义齿齿根的新材料。这种新材料是把类似于骨骼和牙齿材料的磷灰石精密陶瓷和钛合金组合在一起形成的。

过去在制作人造股关节时，是在高温下把磷灰石覆盖在钛合金周围，但由于贴得不紧，长时间使用便会脱落。新的加工方法是在700℃以上的高温状态下，把精密陶瓷的粒子附着于已经变得松软的钛合金表面，然后加压。精密陶瓷粒子的粒径约40微米，这种粒子均匀地附着在钛合金表面，两种材料凝为一体，形成与人体组织相适应的新材料。它兼备了钛合金的高强度和陶瓷适合于活体的性质。

近年来，生物科学、医学、环境工程和食品工业等技术的进步，直接刺激了生物材料的变革。新的医用功能材料的发展更显得生机盎然。例如，用超细纤维纺丝技术研制出的人造血管，已在日本进入了商品化。此外，人工薄膜的发展前景也十分诱人。如日本研制的含有抗生素的人造皮肤已经能够完全代替真皮肤，用作皮肤烧伤时的移植材料，且具有不易产生排斥反应、能防止细菌感染的优点。新型的合成高分子膜已经用于制造体外人工肾，并开始试制内植人工肾。美国道化化学公司首先用醋酸纤维素中空纤维研制成人工肾，它是一种血液透析器，可从肾功能不全的病人血液中除去尿素、尿酸和肌酐等有害物质。日本旭化成与德国恩卡公司利用铜氨粘胶中空纤维制成的人工肾，临床试验也获得较好的效果。人体的其他器官如骨、软骨、肌肉、腱、角膜与心瓣等也都能用合成高分子材料代替植入了。有报道说，除了脑、胃和部分内分泌器官外，人体中几乎所有器官都可用高分子材料制造。

用高分子聚碳酸酯与液晶结合而成的液晶膜或人工分离膜，用途亦很广。例如，医学家将薄膜做成胶囊状，里面装进消炎药物，然后将胶囊埋入发炎部位，胶囊可依据患处发炎而引起的温度变化，及时释放出药剂，达到预期的治疗效果与治疗目的。这种方法还可用于慢释放抗癌药物以治疗癌症。在食品工业中，利用人工膜可研制出类似“辨味机器人”的味觉感知器，还可用于改进或提取所需的各种食品成分。如用薄膜技术可浓缩葡萄汁，提高葡萄酒的味质；可制造低盐分酱油，纯化果汁，给食品着色等。这既可改善食品质量，增强人的食欲，又可扩大食品销售市场，提高食品工业的经济效益。

生物材料是近年来发展速度相当快的一类新材料，它不仅在医学领域具有极大的应用潜力，而且在其他领域，如食品加工、工业催化、环境保护等方面，都显示出广阔的应用前景。

充满生机的仿生材料

仿生学是生命科学和工程技术科学相互渗透、彼此结合而产生的一门新兴的边缘学科。它是以生物为原型，研究和模拟生物的种种优异性能来创造各种可靠、高效、灵敏设备的科学。仿生材料是仿生学的组成部分，它是在研究一些动物和植物活体的基础上，掌握生物所具有的特异功能，再设法把这些研究成果用于实践，设计和制备出来的一类新材料。

生物界在亿万年的自然淘汰和进化过程中，为了适应生活环境的变化，经过了大自然“风霜雨雪”的精雕细刻，已经锤炼出了各式各样微型、紧凑、轻巧、高效、灵敏、可靠的机体结构，而这些，正是人类效法的“榜样”。现在许多国家的科研人员正在用生物技术，大力研究天然材料的化学结构、形态特征，学习并改进人造材料的设计概念。例如，人们知道鲍鱼壳很硬而又不易摔破，于是就去研究鲍鱼壳的结构，发现它是由许多层状的碳酸钙组成，每层碳酸钙之间夹着一层有机质，把层层碳酸钙黏在一起。在扫描电子显微镜下观察，碳酸钙（95％）与蛋白质膜（5％）交替地形成膜层。蛋白质膜起控制碳酸钙层生长的作用，强度和韧性比单纯碳酸钙提高10倍，说明蛋白质膜在鲍鱼壳构建和机械性能方面发挥很大的作用。鲍鱼壳之所以不易破碎是因为在一层碳酸钙中出现的裂纹不会扩张到其他碳酸钙层中去，而被中间那层柔软的有机质阻挡住了。人们从中得到启示，制造出一种不易破碎的陶瓷材料——将碳化硅陶瓷烧成薄片，然后在每片碳化硅薄片上涂上石墨层，再把涂有石墨层的碳化硅陶瓷层层叠起来加热挤压，使坚硬的碳化硅陶瓷黏结在石墨上。石墨和鲍鱼壳中的有机质一样，起着黏结剂作用。试验证明，折断涂有石墨层的碳化硅陶瓷所需的力量比没有石墨层结合的碳化硅陶瓷要高出许多倍。英国已利用这种陶瓷材料制造了一台耐高温而不需冷却系统的陶瓷汽车发动机。

蜘蛛是人们十分熟悉的一种小动物。这小小的八足生物称得上是自然界最优秀的结网“工程师”。从外表看蜘蛛丝是那样纤细似乎“弱不禁风”，其实却是惊人地坚韧。在材料学家眼中，蜘蛛丝具有很多优点，如强度大、弹性高、质地轻盈等。从某种程度上讲，蜘蛛丝优于人们目前拥有的各种天然丝与人造丝。于是，科学家们希望模仿蜘蛛丝，创造出具有特殊性能的纤维。研究表明，构成蜘蛛丝蛋白质的材料与人指甲蛋白质和鸟类羽毛蛋白质基本上是一致的，唯一不同点是其中氨基酸分子的排列顺序略有差异。如今，有些国家的科研机构已运用生物工程技术解决了人工生产蜘蛛丝这一高技术难题。其方法如下：先从蜘蛛体内分离出专事分泌丝蛋白的DNA片段，然后将其融合进大肠杆菌的细胞核中。大肠杆菌容易工业化培养，故可工厂化生产带有蜘蛛丝蛋白的大肠杆菌。最后从大肠杆菌中分离出蜘蛛丝蛋白，再经普通纺丝工艺即可得到合格的人造蜘蛛丝。这种“仿生丝”可用于制造“人造肌腱”、“人造血管”、非过敏性手术缝合线等医疗用品，也可用于制造登山绳、救生索、降落伞绳以及其他既需要坚韧性又要求分量轻的特种绳索。

仿生材料现已成为材料科学的一个重要研究领域。这是一个充满生机和挑战的全新领域，各国科学家正在为此进行着不懈的努力。

前景广阔的准晶体材料

2011年10月5日，瑞典皇家科学院宣布，以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现准晶体独享2011年诺贝尔化学奖。

20世纪80年代初以前，科学界对固态物质的认识仅限于晶体与非晶体。1981年至1983年，谢赫特曼利用假期赴美国约翰斯·霍普金斯大学从事合金研究。1982年4月8日，谢赫特曼在铝锰合金冷冻固化实验中首次观察到合金中的原子以一种非周期性的有序排列方式组合，这种徘徊在晶体与非晶体之间的“另类”物质闯入了固体家族，并被命名为准晶体。然而，根据固态物质构成的原子排列规律，晶体内原子应呈现周期性对称有序排列，非晶体内原子呈无序排列，因此，具有这种“反常”原子排列方式的固体在当时理论下是不可能存在的。

准晶体概念提出之时，权威界认为其颠覆了固态物质的分类方式，被认为是无稽之谈，受到巨大质疑，谢赫特曼也被迫离开研究团队。

但真理的光芒是遮挡不住的。在谢赫特曼发现准晶体后，科研人员陆续在实验室中制造出其他种类的准晶体，并在取自俄罗斯一条河流的矿物样本中发现天然准晶体。瑞典一家公司也在一种钢中发现了准晶体，这种准晶体如同盔甲一般可增加材料强度。至此，准晶体的存在终被证实。

准晶体内的原子排列组合没有按照重复周期性对称排列，原子排列方式介于晶体和非晶体之间。打个比方说，准晶体的原子排列组合类似于编织古代波斯地毯，地毯的花纹复杂有序，但没有两条地毯的花纹组合是相同的。瑞典皇家科学院在其声明中说，准晶体的发现，从根本上改变了对固态物质组成结构的原有认识。

新的科学发现也预示着新的应用前景。由于准晶体原子排列不具周期性，因此准晶体材料硬度很高，同时具有一定弹性，不易损伤，使用寿命长。鉴于其具备的“强化”特性，准晶体材料可应用于制造眼外科手术微细针头、刀刃等硬度较高的工具。此外，准晶体材料无黏着力并且导热性较差，其应用范围还包括制造不粘锅涂层、柴油发动机等。前些年，在两位科学家因研究高温超导材料而获得诺贝尔奖后，全世界曾兴起一股前所未见的“超导热”：如今，谢赫特曼摘取诺贝尔化学奖，必将推动全球科技界对准晶体材料的深入研究和开发，这种新材料一定会有广阔的应用前景。

【注释】

[1]介观，指存在于宏观固体和微观原子分子之间的又一种物质的结构层次。

[2]马克思，恩格斯.马克思恩格斯选集（第四卷）北京：人民出版社，1972，505.