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1、对前沿材料世界的认识及思考摘要：前沿材料，就是目前被大量研究但未大规模使用的具有各种特殊性质的材料，有各种 的应用，使生活更加美好。关键字：纳米材料超导材料 半固态加工超声波加工激光技术前沿材料，顾名思义，就是目前被大量研究的各种有特殊性质的材料。有纳米材料、超 导材料、半固态加工、超声波加工、激光技术等。纳米材料，材料的基本结构单元至少有一维处于纳米尺度范围（一般在11100 nm），并 由此具有某些新特性的材料。比如纳米级的金属铜，具有很大的能量和很活泼的性质，容易 爆炸，因此被运用于军事，在炮弹中很常见。至于到底活泼到什么程度，在一枚炮弹中，纳 米级的金属铜只有区区几粒，就可以提供足够的
2、能量去杀伤。根据能量守恒原理，可以知道 其中的能量巨大，因此制备并不是很容易，在储存上的问题也是很大，而纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了 阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结， 同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表 面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造 成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。纳米粒子的粒径（10纳米100纳米）小于光波的长，因此将
3、与入射光产生复杂的交 互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑， 这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可 应用于红外线感测器材料。由于这种方法所得到的数据的精确度很高，所以这种方法得到很 多人的青睐，在军事上运用很多。纳米材料的制备方法很多，但是都要消耗很大的成本，也就是纳米材料不能走入生活的 重要原因，怎么去降低成本，得到需要的材料也是个问题。超导材料，在适当的温度、磁场强度和电流密度下，具有超导电性的材料。此时由于温 度很低，所以很多在常温下的电的不良导体也拥有了导电性，并且可以达到超导的层次，比 如超导陶瓷
4、。超导材料由于其中的电阻为零，所以可以零消耗得传递电能。也因为电阻为零，其在运 输的过程中产生的磁场为零，受外界磁场的影响就很小，对外界的影响也同样很小，只要外 界的磁场的强度不够大，几乎对其没有影响。对于超导材料的发现，水银是一个很有意思的东西，它的电阻率不随温度的降低而降低， 但是在4.15K附近的时候电阻率突然为零，于是超导材料于1911年被发现，之后各位科学 家都去研究是否有更高温的超导材料，在1986的时候发现铌三错的23.22K，由于这些材 料都必须在液氦的条件下才能超导，这就很大的限制了超导材料的使用，没有办法脱离液氦， 也就没有办法去常规的大规模使用。现在的超导材料，在132K
5、可以超导，很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、 氧组成的陶瓷材料在14C温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液 态氦作超导制冷剂获得超导体，由于液氮的方便制备，使超导材料可以大规模使用。当然 14摄氏度下的超导材料可以更好的应用，但是镧锶的放射性是个问题，在陶瓷中能否克服 这个问题，将会影响这种材料的使用。对于超导材料，我个人认为因为所需要的低温，这个温度只能低不能高于临界温度，在 应用中，很难使其在这个温度保持稳定，所以需要使温度低于临界温度，这将会增加应用的 成本。之后就算使用液氮，也并不是很方便，在超导材料的周围有保护套，这种套要求隔热， 不然液氮会气化使超导材料
6、的保护套被破坏，虽然与液氦相比成本是小了，但是这么算下来， 保护套和液氮的费用也不低，所以应用还带发现新的常温即可的超导材料或者增进这种超导 保护应用的技术。半固态加工，金属半固态加工是一种新的金属成形技术，其基本原理是金属在凝固过程 中通过强烈搅拌或控制凝固条件，形成一种具有等轴、均匀、细小的初生相均匀悬浮于液相 中的半固态浆料，这种半固态浆料具有良好的流变性和触变性，可以直接进行铸造成形或制 成半固态坯料经二次加热后利用压铸，模锻等常规成形方法进行加工。半固态加工技术成形 的零部件具有较高的尺寸精度，可实现近终成形，良好的综合力学性能和较低的综合加工成 本。半固态加工用大白话就是将金属在其
7、冷却的过程中把金属之间的枝晶打碎，使其产生细 小的初生相悬浮液，使其产生更好的加工特性，节约成本，得到更好的东西。半固态加工主要用于合金，这是由于合金的固液两相区比较大，温度比较容易控制，对 于纯的金属，温度就是一个点，很难控制。半固态加工主要用于汽车的制作领域，由于汽车领域的回报大，投入的相对较小，得到 的利益就很大，所以用于汽车领域比较多。在半固态加工中，很多的时候用的搅拌桨。因为搅拌的材料一般都是合金的液体，所以 在搅拌使枝晶断裂的时候会产生离心力，会使合金分离，密度大的会向周围运动，为了克服 这个问题，使搅拌桨弯曲，形成万字形就可以了，但是这样搅拌桨的面积增大，驱动搅拌桨 的力就会很大
8、，搅拌桨的使用年龄也会减小。所以之后就有了很多办法去改进它。其中不使用搅拌桨的就是电磁的方法是其中的液体运动，使枝晶断裂，但是这样无法避 免离心力，所以也必须使用桨片来克服。污染依旧有很大的部分来自于搅拌桨，容器壁的污 染也有。曾有一个办法就是在容器下面开一小孔，往容器内部通钝性气体使液体运动，枝晶断裂， 但是这种办法毫无疑问的会使气体在液体中有残留，使空隙增大。既然容器的污染很难避免，因为难以不使用容器，但是可以避免使用搅拌桨。既然目的 是让其中的枝晶断裂，不向内部增加物质，不通气体，我的想法是使其震动，将枝晶震碎， 产生初生固相，而怎么使其震动呢？我认为不妨试用超声波，下文会对超声波进行叙
9、述，这 里提到一下，因为超声波的无污染性高能量性，在这里应用实在是再好不过。半固体加工的方法，一切适用于固体的加工方法对其都适用，而且相对于固体来说加工 起来更方便更节省能量，得到的成型产品的密度就很大，性质非常好。超声波加工，利用超声波加工，使用超声波作用于含有细小磨粒的液体，使其去研磨固 体，形成所需求的元件，这种加工方法使用的能量比较小，并且得到的元件的精度很高，因 为是使用磨粒去打磨元件。超声波的高能量利用不仅在工业，更在军事。虽然军事中利用超声波的高能量，但是运用的更多的是超声波的探测作用，比如雷达、 声纳等。超声波无处不在，我们熟知的海豚、蝙蝠可以发射超声波，就算我们平常钉一个钉子
10、都 会产生超声波。对于超声波的应用完全可以不仅仅于这些领域，由于超声波的高能量，可以用于去加工 金属或者作为某种工业的能量来源。超声波在医学上也很多的运用，比如破坏各种结石。激光技术，激光是很多不同波长不同频率的光聚在一束中，使其有良好的方向性，并且 具有很大的能量。所以在实验中，特别是光学实验中很多的运用它，这里主要利用的是激光 的方向性。其高能量性运用的更多。在核电站中，使核反应堆发生反应的诱导因素就是激光，激光 束发射大量的能量得到高速的中子去轰击核材料堆，使反应堆发生核裂变。美国这些年的在 做人造太阳的实验，运用的是氢的核聚变，产生仿照太阳的高温，运用的就是192束强激光， 产生很高的
11、激光能量，产生核聚变，现在这个实验还尚未完全成功，模拟出来的能量很高， 但是还没有达到太阳内心的温度。医学上激光手术刀的运用实在是太正常了，对于眼睛或者其他的器官，激光刀的运用很 方便。在工业上，激光可以用于切割各种金属，也可以用于制作其他细小的元件，在电路集 成板的作用也很大。军事上，美国的激光武器技术很发达，而且仍在研究，前些日子，美国 海军在研究把激光武器放在舰艇上，用于防空。由于激光炮的体积很大，装载在战斗机上不 是很实际，而舰艇可以很好的解决这个问题。随着科学发展的越来越快，越来越多的新型材料被运用，越来越多的加工方法被使用， 使材料的世界越来越丰富多彩，从最早的合金青铜，到现在各种合金、陶瓷等的运用，世界 和生活也更加的美好。参考材料：百度百科未来管理者的物理学第六讲
