材料的发展与未来

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1、 1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2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世纪动向四、分类动向三、材料科学中的基本化学问题五、纳米材料一些新型材料发展3一、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对新材料 设计和研 制的要求结构与功能相结合智能型，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4二、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

2、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 两个问题分子及组装体的结构问题分子的合成与组装反应问题20世纪后期 有两个动向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5三、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

3、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。62、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

4、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。材料科学中的基本化学问题73、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 要有实际目标，微流体器件是一种 可行可用的手段。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

5、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8四、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9（2）超导材料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90

6、K，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Tl2Ca2Ba2Cu3O10.1911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。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呈现超导性 。）10Ti(OC4H9)4 Al(C2H5)3HCCH1000 倍催化剂温度1974年日

7、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。 108107 S/m103102 S/m 世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔（3）有机导体111975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。聚乙炔的掺杂反应美国物理学美国物理学 家家HeegerHeeger 美国化学家美国化学家 MacDiarmiMacDiarmi d d

8、日本化学家日本化学家 ShirakawaShirakawa 获得2000年诺贝尔化学奖121987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。（3）有机导体13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” 掺杂方 法掺杂剂电导率 ，S/m 未掺杂 型顺式聚 乙炔 反式聚 乙炔1.71074.4 103p掺 杂型（ 氧化型 ）碘蒸汽 掺杂

9、 五氟化 二砷掺 杂 高氯酸 蒸汽 电化学 掺杂5.5104 1.2105 5103 1105n掺 杂型（ 还原型 ）萘基钾 掺杂 萘基钠 掺杂2104 103 104（3）有机导体21世纪的研究方向是如何合成 缺陷少、结晶度高、电性能好和 易于加工的有机高分子材料。14（4）有机磁性材料物质磁性抗磁性顺磁性铁磁性反铁磁性亚铁磁性软磁材料 硬磁材料 半硬磁材料 旋磁材料 矩磁材料 压磁材料按磁性种类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 薄膜磁性材料磁性材料15常见的软磁材料：铁和MFe2O4、MFeO3、 M3Fe2O5、MFe12O19（M为金 属离子）

10、等 铁氧体都是软磁材料 。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。 磁性传感器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。变压器变压器（4）有机磁性材料16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硬磁材料扬声器1720世纪末林展如以二茂铁为原料合成出室温下具有

11、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。（4）有机磁性材料科学家预言几种 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21世纪将作进一步探索。电子转移复合物182、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

12、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19（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

13、几何结构或极性的合成小分子有机物 和高分子化合物。21世纪的目标是如何设计和合成一些新型结构（如球状、棒 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 。20(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

14、，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。21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

15、；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。22光导纤维在实际使用时，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。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 103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 。23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

16、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。24（4）光开关材料21世纪新的发现及其实际应用的潜力很大。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25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： 电、磁、光、热等性能 用途：通信、电子、自控、集成 电路 按化学成分按使用性能结构陶瓷功能陶瓷特点:耐高温、超硬度、高强度、 耐磨损、 抗腐蚀 用途：能源、机械、冶金、宇 航 3、新型陶瓷材料263、新型陶瓷材料目前有Si3N4、SiC、WSi2、 ZrO2、Al2O3等。（1）工程陶瓷这些材料具有耐热、高硬度、耐磨