正文 第11章 材料工程放異彩(3)(2 / 3)

光纖還有一個重要應用,就是製作光纖傳感器。光纖傳感器的原理是利用光纖材料的某些物理性能來探測外界物理量的變化。這類傳感器在抗幹擾和高靈敏方麵有明顯的優點,可用於遙感、遙測技術。所選用的材料有低損耗的熔石英玻璃和重金屬氟化物玻璃,為使這類光纖傳感器的靈敏度和選擇性能更進一步提高,人們正在發展特種光纖。

光電子材料除光纖外,還有光學功能晶體材料、光電存儲與顯示材料等,人們普遍認為,今後20年左右將是世界高新技術發展的重大轉折時期。21世紀,人類將從工業時代進入信息時代。信息時代到來的標誌,是實現所謂“四A革命”,即實現辦公室自動化、工廠自動化、實驗室自動化和家庭自動化。四A革命將使過去由人來完成的許多工作越來越多地由電子和光電子材料所構成的係統來完成。光電子材料在光電子技術中起著基礎和核心的作用,亦即光電子材料將使信息技術進入新紀元。

麵向未來的先進超級陶瓷材料

陶瓷是一種古老的製品,它是由粘土或粘土加入石英和長石等的混合物經成形、幹燥和焙燒而成的。在遙遠的石器時代,原始人就在篝火上燒製出第一批陶器。

燦爛的中華文明和陶瓷關係密切。六千多年前的西安半坡村人普遍使用尖底汲水陶罐;五千多年前的仰韶文化時期出現了陶製紡輪和彩陶;四千多年前的龍山文化時期已采用了快輪製陶技術,製成了聞名中外的黑陶。有的黑陶表麵光亮,厚度僅1~2毫米,稱為蛋殼陶;秦始皇陵出土的大批陶兵馬湧,製作之精美,氣派之宏偉,被認為舉世無雙;唐代的“唐三彩”陶瓷至今還為人們所喜愛。五代時期我國的陶瓷技術已登峰造極了,這時生產的陶器被譽為“青如天,明如鏡,薄如紙,聲如磐”。以後的曆代名窖產品數不勝數,在一些國家詞彙中,中國和陶瓷是同一個詞“China”。中國的陶瓷於九世紀傳至非洲東部和阿拉伯,13世紀傳至日本,15世紀傳至歐洲,對世界文化有很大的影響。

陶瓷的基本成分是鋁矽酸鹽,由於天然原料帶有雜質,使陶瓷的一些性質受到損害。後來科學家用不含矽酸鹽的天然原料,成功研製了性能更優越的陶瓷,從而出現了不含矽的嶄新一代陶瓷,也叫現代陶瓷。常見的品種有二氧化物、氮化物、碳化物陶瓷及硼化物陶瓷等等。為了改善陶瓷的脆性和增加強度,人們又在陶瓷基體中添加金屬纖維和無機纖維,組成複合材料,其中有的強度已經超過每平方厘米可承受一萬千克的力,成為陶瓷材料的佼佼者。

碳化矽和氮化矽又被稱為精細陶瓷材料,它們克服了一般陶瓷的致命弱點——脆性,有很高的韌性、塑性和耐磨性,並在高溫下具有較高的耐熱性,經幾百次驟冷驟熱試驗不會產生破裂,抗衝擊能力也比一般氧化物陶瓷強。

目前,精細陶瓷材料主要使用在尖端工業上,如微電子、核反應堆、航天、地熱和磁流體發電、人工骨和人工關節等方麵,由於工作環境原因,對其質量要求很嚴。精細陶瓷材料應滿足以下三方麵的要求:精選的原料——為了充分發揮功能,要選用高純度的原料,顆粒要盡可能細;嚴格控製的化學成分——在製造時注意防止雜質混入和成分本身揮發。對燒結件的顆粒粒度、界麵、氣孔等要嚴格控製,以達到質量穩定和具有再現性;精確的形狀和尺寸——精細陶瓷製件一般不經加工,直接使用,特別是陶瓷電子器件要求精度更高。例如,1982年日本進行了世界首次陶瓷柴油機的汽車試驗,效果很好。采用精細陶瓷材料製造汽車發動機,可提高效率45%,節油30%。

把陶瓷粉與金屬末混勻,經高溫燒結,就得到了金屬陶瓷,它兼有金屬和陶瓷的特點,韌而不脆,硬而耐熱。例如含20%鈷粉的金屬陶瓷是製造火箭噴口的材料。在高溫中,陶瓷中的金屬首先蒸發掉,熱量被帶走,溫度隨著降低,因而能在高溫環境裏工作。例如,美國“哥倫比亞”號航天飛機的外殼,便是由31000塊金屬陶瓷瓦片鋪砌而成,經受了返回大氣層時所產生的白熱化高溫的嚴竣考驗。

高鋁陶瓷是有名的“硬骨頭”,用它作機器上的耐磨器件,其耐磨性能比金屬高2~3倍。至於剛玉瓷、氮化硼陶瓷製成的瓷刀,更能“削鐵如泥”。

類似的例子還很多,無怪乎專家們預言:人類將“重返”石器時代,不過這是一個全新的“石器時代”。在本世紀初,陶瓷科學將實現從先進陶瓷到納米陶瓷(晶體顆粒大小為10~100nm)的飛躍。近些年來陶瓷科學的飛速發展為這一突破打下了良好的基礎,而現代技術的發展則為這一突破提供了強有力的支持。電子顯微鏡,包括掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡的推廣應用,特別是近年來高分辨電鏡和分析電鏡技術的發展,使人們有可能進入到納米量級線度上來研究材料的組成和結構。現在人們已能直接觀察到晶粒以及晶粒中的缺陷,從而為納米結構的形成和控製研究提供了保證。當然,陶瓷科學家還需要在諸如納米粉體的製備、成型、燒結等許多方麵進行大量艱苦、細致的攻關,才能最終突破這一難關,實現陶瓷發展中的新飛躍。