第七章 固体、液体和气体的性质参考资料

1．晶体与非晶体的微观结构的比较

（1）晶体：固体中的所有分子在分子力的作用下，整齐地在空间排列起来，形成了周期性的空间点阵。例如图7-5所示的平面矩形点阵，每个分子都以同样的方式对称地排列在某个分子周围，它们对该分子的作用力相互抵消，所以，这种完全有序的周期性排列是固体中分子聚集的最稳定状态，这就是晶体的状态，即晶态。

晶体最引人注目的特征是其美丽的对称性。它外观的对称性来源于内在结构——分子排列的对称性。理想的晶体中的分子在无限大的空间里排列成周期性点阵（即“晶格”），每个格点都是分子的平衡位置。如果在晶体中选某个格点O为原点的晶格（图7-6），向不同方向作周期性的平移，晶格是不变的。这叫做晶格的空间平移对称性。

晶体还有围绕每个格点的旋转对称性等。普通金属是由大量的细微晶粒构成的多晶体，晶粒的几何线度一般为10^-4～10^-3cm，最大的可达10^-2cm，在排列取向上往往是无序的，半导体材料硅和锗是典型的单晶体。

（2）非晶体：非晶体中分子的排列状态可归纳为“短程有序，长程无序”。

我们知道，玻璃是典型的非晶态固体，故非晶态又称玻璃态，图7 - 7（a）表示，晶体中每个分子到它最邻近的分子间的距离（键长）、近邻分子之间连线与连线的夹角（键角）精确地相等，无沦远近都表现出严格的有序，图7-7（b）所示是非晶态的情况，其键长和键角虽不像晶体中那样严格相等，但也相差不大，所以在小范围内分子的位置还是有较强的关联的，即“短程有序”。但这种局域关联随着距离增大而急剧衰减，离得远的分子间就没有什么关联了，这说明了存非晶态中的“长程无序”。如果把图（a）大部分遮去，只留下一角，你可以很容易地恢复全图；而对图（b）来说，就不可能再恢复原样了。这就是长程有序与无序的区别。

非晶态研究是近年来固体物理和理沦物理中比较活跃的领域之一。非晶态半导体在太阳能电池、复印材料、存储器件等方面有广泛的应用；金属坡璃具有一般金属的高强度和比一般金属好的弹性和较高的电阻率，且具有优异的防辐照性能，使它在宇航、核反应堆、受控热核反应中有特殊的应用前景。

2．固体与液体的微观结构和性质的比较

3．纳米技术在汽车领域的应用

材料的交流阻抗，随外加直流磁场的改变而变化的特性，称为磁阻抗效应，在软磁合金中，这种效应有快响应、高灵敏的优点，被称为巨磁阻抗效应。

纳米巨磁阻抗（Giant Magneto-Impedance，简称GMI）器件，是利用纳米微晶的巨磁阻抗效应研制的一种新型磁敏传感器。“纳米GMI材料”的研究，正在开发出高灵敏、集成化的纳米磁敏器件，这种器件现主要用在汽车防抱死系统传感器和电喷发动机测速传感器等。图7-8是纳米磁敏齿轮转速传感器照片。

4．半导体的特性及其应用

作为固体新材料的半导体，是以它的导电能力介于导体和绝缘体之间而得名。半导体材料最优异的特性是对温度、杂质和光照等外界作用有十努灵敏的反应。因此，以硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）为代表的半导体材料，成为微电子技术生长的肥沃土壤。

目前世界上约95%以上的半导体器件是用硅制成的，原因是：（1）硅在地壳中含量很高，占地壳总重量的27.7%；（2）用硅制成的器件性能较稳定；（3）硅的机械强度高，提炼和制成单晶的工艺较成熟，可拉制出直径达30cm的大尺寸单品。至今为止，单晶硅是能够用人工获得的最纯、最完整的晶体材料。拉制半导体单晶材料的直径大小常被视为一个国家半导体材料技术水平高低的标志。

除了硅之外，砷化镓是第二种最重要的半导体材料。这是由于利用砷化镓所制成的集成电路在响应速度、耐高温、抗辐照方面都优于硅集成电路，但由于砷化镓器件制作技术难度大、价格昂贵，所以限制了它的发展。

5．微电子技术

微电子技术是指在半导体单晶体材料（目前主要是硅单晶）薄片上，利用特殊的微电子精细加工技术，研制由成千上万个晶体管和电子元件集成的缩微电子电路一一集成电路（常称为芯片），并由不同功能的芯片组装成各种微电子仪器、仪表、计算机和系统。

微电子技术是很精细的技术。打个比方，人的头发丝直径大约是60μm～100μm（1μm＝10^-6m），如果集成电路的条宽为0.5μm，则在直径为人的头发丝直径那么大的小圆片上可似刻上100个线条，且线条间距离也是0.5μm。

现在已经形成了巨大的微电子技术产业群，美国加州的硅谷、中国北京的中关村、中国台湾地区的新竹，就是微电子技术产业十分集中的地方。

微电子技术的发展极为迅速。从20世纪50年代末开始，其集成度（一个芯片包含的元件数）从100个元件的小规模集成电路，发展到集成度超过100万个元件的特大规模集成电路，随着集成度的提高。版图的条宽越来越小，现在已减小到0.13μm，在实验室已达到了15μm。随之而来的问题是，对制作集成电路的单晶硅材料的质量要求越来越高，哪怕是一粒灰尘也可以毁掉一个甚至几个晶体管。半导体单晶材料制造业现已成为信息化社会的重要产业之一。

6．新型金属材料

在材料工业中，直到20世纪中叶，金属一直占绝对优势。随着各种新材料的不断涌现，金属材料的绝对主导地位逐渐被取代，但近年来，金属材料在不断地推陈出新，昔日的“材料之王”又焕发了青春。

传统的钢铁材料在扩大品种、提高工艺技术的基础上，涌现了微合金钢、双相钢等新钢种。在有色金属方面，出现了如高纯高韧销合金、高强高模铝锂合金、高强高韧钛合金、铁镍铬基高温合金、难熔金属合金、稀贵金属合金等新品种，并在机械制造、航空航天、军事工业等各个领域得到广泛的应用。

更值得关注的是涌现出了许多新型的高性能金属材料，为材料科学开辟了一个新的天地。现介绍三种新型金属材料的特点和应用。

（1）形状记忆合金。利用金属材料在不同温度下，其原子排列规律会发生变化的特点，制成记忆合金。首先，在钛-镍合金特性的研究中发现了“记忆”的特性，然后将其用在喷气式飞机的油压系统中，用它制成液压管接头套，在低温下把需要连接的管子两端压入连接套头，随着温度回升，接头套自动箍紧。据称，战斗机使用了十多万个这种接头，无一发生漏油、脱落或破损事故，随后，十几种类似的合金材料先后问世。如课本第101页图7-22，在地面上模拟太空温度，用记忆合金制成天线，发射时把它卷起或折叠起来，以减小升空阻力。进入太空后，温度回到天线制造时温度，天线便自动张开，某公司还将记忆合金用在机器人的功能上，使有记忆功能的合金丝通电加热、断电来产生形状记忆，让机器人的手指去抓取目标物。具有记忆特性的智能材料还被广泛用于记录设备等领域。

（2）医用金属材料。利用钴基合金、不锈钢、钛或钛合金、贵金属系、金属磁性材料、形状记忆合金等，制成人工关节、牙齿充填剂、磁疗器，人工心脏、放射医疗器等医疗器具。因为这些材料具有较高的强度和韧性，加工性能好，工艺成熟且稳定可靠，所以被广泛应用于人体硬组织的修复、置换及其他一些治疗领域。

（3）超细金属隐身材料。将放射性元素钋-210或锔-242镀在飞机的外表面上，它们能放射出α粒子，α粒子使空气电离成等离子体，当雷达的电磁波碰到这些等离子体的边界时，与等离子体作用而被吸收。在军事上，将这些吸波性很强的材料涂在坦克、飞机等武器表面，可以躲避雷达的发现。

除上述金属新材料外，还有快速冷凝金属、非晶和微晶材料、钕铁硼稀土永磁合金、新型铁氧体材料、纳米金属材料等，金属新材料正在向着高功能和多功能化的方向高速发展。

7．先进的陶瓷材料

（1）具有先进结构的陶瓷，其强度、硬度、耐磨、耐热性能都非常好，在高温和强腐蚀介质的环境下工作性能稳定，这一优点是金属和高分子材料难以与它竞争的。同时，在提高陶瓷的韧性方面有较大改进，其抗断裂能力大大提高，目前较先进的陶瓷有莫来石（3Al₂O₃SiO₂）、氧化锆（ZrO₂）、氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）、硼化物等。由于其脆性问题尚未彻底解决，加上成本较高，因而主要应用在刀具、模具等领域。

（2）具有先进功能的陶瓷，主要是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹性等方面直接的或耦合的效应，实现某种特别的使用功能的陶瓷。先进功能陶瓷大体上包括了装置陶瓷，电容器陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电和超导陶瓷、光学陶瓷、敏感陶瓷等。

另外，有些特殊的陶瓷，如远红外陶瓷、快离子导电陶瓷等，研究工作异常活跃，一旦在材料性能与制备技术方面有所突破，将会有很大的发展空间，至于纳米陶瓷材料，目前尚在研究中，它的新突破将使陶瓷材料的发展发生一场质的革命。

8．高分子合成材料

高分子材料是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够大的有机化合物，它是由具有相同化学结构的单体经过聚合反应，将化学链连接在一起而成为大分子化合物，其长链分子纠集在一起，成了一个扯不开的“线团”，这就是高分子材料具有较高强度的原因。

功能性高分子材料的功能分成物理功能和化学功能两大类。前者有导电高分子材料、高分子半导体、光导电高分子材料、压电及热电高分子材料、磁性高分子材料、光功能高分子材料、液晶高分子材料和信息高分子材料等；后者有反应性高分子材料、离子交换树脂、高分子分离膜、螯合高分子材料、高分子催化剂、高分子试剂等，被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶，已成为我国经济建设和人民生活中必不可少的重要材料。

近年来，科学家们淮备将新的聚合技术用在硅芯片的制造上，这些微缩电路可小于0.2μm，估计这样的芯片功能将比目前的芯片提高40%。人们还在考虑制造能把药释放到人体中的聚合物纳米球，使有可溶性外壳、填入药物的纳米球悬浮在血管中，逐步释放药物。

9．先进复合材料

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既保留了原材料的主要特色，又能通过复合效应获得原来各组成材料所不具备的性能，还可以使各组成材料的性能互补并彼此关联，从而获得新的优异性能。

复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料，结构复合材料有高聚物（树脂）基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料等。功能复合材料有导电功能复合材料、导磁功能复合材料、换能功能复合材料、阻尼功能复合材料、屏蔽功能复合材料等。

现介绍几种新的复合材料。

（1）隐形材料，为躲避雷达追踪，利用碳粉、铁氧体或导电纤维为填充料，用橡胶、塑料为黏合剂制成吸波材料，将其涂在飞机或坦克上，可吸收、散射、屏蔽雷达的电磁波，其吸收率可高达90%以上。最终可达到隐匿身形、隐匿热源、隐匿声响的目的，这对未来的军事国防工业带来巨大影响。

（2）仿生树料。利用石墨纤维、环氧树脂制成仿甲壳虫角质层的复合材料，其外表面不出现翘曲，且具有更好的承载性和抗冲击性。又如，生物学家在搞清了蜘蛛分泌的蛛丝的DNA排序后，找到了能产生这种蛛丝的基因，经人工合成将这种基因成功地植入了细菌体内，由此获得了新的复合材料“蛛丝”，它是制造防弹背心的绝好材料，其牢度是钢的5倍，抗断强度为2×10⁹N/m²，能延伸自身长度的三分之一，恢复原状时无任何变形。

（3）超导材料。自1987年以来，超导临界温度从100K提高到175K。随后，各国科学家用中子束等照射氧化物陶瓷超导材料，获得了180K性能稳定的复合超导材料，现在离研制出在常温下可实际应用的超导材料已为期不远了。

（4）生物复合材料。利用金属、高分子、生物陶瓷等为基础复合而成的生物医学材料，与生物体有相容性，不会产生有害作用，并具有一定生物功能，如有一定的承载功能、透光性和润湿性、透析功能等，而且经久耐用，安全可靠，目前已有人造皮肤、人造肌肉、人造肌腱、人造韧带、人造骨骼、人造牙齿和人工关节等。

（5）导电聚合物：目前研制出的导电聚合物最大的应用市场是消除静电，减少由于静电给电子没备造成的损害。还可以用导电聚合物代替传统的含铅基焊剂，以达到减少环境污染的目的。

再如发光率在20%以上的发光材料（钨丝灯泡发光率仅10%）、具有自动调色和调温的建筑材料、可自动控制药物释放量的外敷医用材料等。

发布时间：2014/1/13 上午9:01:48  阅读次数：1972