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第2章 走进新材料世界

大家都知道,在漫长的原始社会中,人类经历了石器时代、铜器时代、铁器时代等几个历史阶段。人类文明史的发展阶段,居然用制作器具的石、铜、铁等材料来加以区分。这足以说明,材料对于人类文明进程有重大意义。人们还常把“衣、食、住、行”概括为生活中的四项基本需求,即使我们暂时不把人们的食物算作“材料”,那么,至少其他三项,即衣、住、行都和材料有着极密切的关系。试想,人们穿戴的衣裤鞋帽、居住的房屋建筑、赖以出行的交通工具,哪一件不由材料工业革命后的材料是金属的天下制作,哪一样不依赖材料的优良性能而提高其质量呢?可见,在纵观历史、横看生活以后,我们不能不说,材料对于人类文明的发展、对于人们生活的质量具有重要意义。

工业革命以后,材料世界里扮演主角的是金属,配角则有木材、橡胶、水泥和玻璃等等。20世纪里,高分子材料塑料迅速崛起,渗透到人类生活的所有领域,已经毫不含糊地分占了金属的半壁江山。那么,在21世纪里,情况又将是怎样呢?

目前,科学家已经开始能在分子甚至原子水平上重新组合新物质,这意味着材料科学正举步跨向一个全新的时代。近年来显露头角的几种新材料,像初春河岸刚刚抽芽的柳枝,远看已连成一片似有似无的鹅黄嫩绿,而不久后将随风摇荡的密叶浓枝,正是我们可以遥想的未来那绚丽多彩的新材料世界。

新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料,具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志,通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。

新材料技术领域的开发随着科学技术发展,人们在传统材料的基础上,根据现代科技的研究成果,开发出新材料。按材料性能分,有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能,以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐射等性能要求;功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光、热等效应,以实现某种功能,如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。

新材料在国防建设上作用重大。例如,超纯硅、砷化镓研制成功,导致大规模和超大规模集成电路的诞生,使计算机运算速度从每秒钟几十万次提高到现在的每秒钟百亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃,推力可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射,使敌方探测系统难以发现;等等。

21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。知识点砷化镓

砷化镓是一种重要的半导体材料,属闪锌矿型晶格结构,熔点1237℃。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。可以用于制作转移器件——体效应器件。砷化镓是半导体材料中,兼具多方面优点的材料,但用它制作的晶体三极管的放大倍数小,导热性差,不适宜制作大功率器件。

砷化镓可在一块芯片上同时处理光电数据,因而被广泛应用于遥控、手机、DVD计算机外设、照明等诸多光电子领域。

另外,因其电子迁移率比硅高6倍,砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它还被广泛使用于军事领域,是激光制导导弹的重要材料,曾在海湾战争中大显神威,赢得“砷化镓打败钢铁”的美名。

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