第十一章 第六节 材料及其应用简介
人类历史经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代等，这种对时代的划分以当时人类用来制作有用物件的主要材料作为标准。可见，材料是人类赖以生活和生产的物质基础。
作为高新技术的基础和先导，新材料技术同信息技术、生物技术一起成为 21 世纪最重要和最具发展潜力的领域。根据结构组成，新材料可以分为新型金属材料、新型无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。
新型金属材料密度小、强度高，广泛地应用于航空航天行业。
新型无机非金属材料，包括工业陶瓷、化合物半导体等。工业陶瓷耐高温、耐腐蚀，化合物半导体则是重要的电子材料。
有机高分子材料包括塑料、橡胶和纤维。塑料强度高，种类多，可应用于机械、电子等工业。合成橡胶具有高弹性、耐磨、耐寒、耐热、耐油、高气密性等特点，用于制作密封件等。化学纤维强度高、耐磨、耐腐蚀、化学稳定性好，可用于化工、复合材料等。
复合材料具有单一材料所没有的优异性能。例如，利用树脂的易加工特性和陶瓷材料、纤维材料的高强度、高刚度、耐高温特性制作的树脂基复合材料，在航空航天、电子电气、化工等众多领域得到了广泛应用。
导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗、氧化亚铜、砷化镓等。当今许多电子产品的核心都是集成在毫米级硅芯片上的半导体器件。半导体有两种类型：N 型半导体和 P 型半导体。
以半导体硅为例，在硅的单晶体中，掺入少量的磷，磷原子和硅原子形成共价键后就多出了一个自由电子，能参与导电。这类半导体主要以自由电子参与导电，叫做 N 型半导体（也叫电子型半导体），如图 11–47 所示。如果在硅中掺入少量的硼，硼原子和硅原子形成共价键后就多出一个空位，叫做空穴。这个空穴很容易被附近的电子填补，而出现新的空穴。电子的这种填补运动，从效果上看相当于空穴向着反方向运动。空穴相当于一个带正电的粒子，能导电。这类半导体主要以空穴参与导电，叫做 P 型半导体（也叫空穴型半导体），如图 11–48 所示。
图 11–47 N 型半导体的共价键结构
图 11–48 P 型半导体的共价键结构
图 11–49 PN 结
如使 P 型半导体和 N 型半导体紧密接触，它们的交界处出现空穴和电子的浓度差。P 区内的空穴向 N 区扩散，N 区内的电子向 P 区扩散。扩散的结果使得 P 区失去空穴，留下带负电的离子；N 区失去电子，留下带正电的离子。由于物质结构的关系，这些离子不能自由移动，因此它们不参与导电，称为空间电荷。它们集中在 P 区和 N 区的交界面附近，形成一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的 PN 结，如图 11–49 所示。空间电荷区存在电场，电场的方向由带正电的 N 区指向带负电的 P 区。这个电场是由电子和空穴的扩散运动形成的，称为内电场。内电场有阻碍扩散的作用。
在一个 PN 结上加上相应的电极引线并用管壳封装，便可组成一个晶体二极管。当二极管加正向电压，即 P 型区接电源正极时，二极管导通；当加上反向电压，即 N 型区接电源正极时，几乎没有电流产生，二极管截止。这就是晶体二极管的单向导电性。
早期的电子产品中，电阻器、电容器、电感器、二极管等电子元件都是一个个分别安装在印刷电路板上的，如图 11–50 所示。用这种方式做成的电子产品体积大，消耗电能多，并且容易出故障。后来，人们把一个电子电路的所有元件按电路要求制作在一小块半导体硅片上，这就是集成电路，也称作芯片。
现代集成电路技术目前已经可以把超过百亿个晶体管等电子元件的复杂电路制作在一枚硬币大小的芯片上（图 11–51）。
图 11–50 晶体管收音机的内部
图 11–51 计算机主板的中央处理器（CPU）
半导体技术的发展，使人类成功地进入了微电子时代，这是科学和技术紧密结合发展的成果。
超导材料指低于特定温度（即临界温度）时会转变为零电阻状态的物质。除了零电阻效应外，超导材料的另一个基本特征是完全抗磁性（迈斯纳效应），处于超导态的物体完全排斥磁场，磁感线不能进入超导体内部。
传统超导材料一般在温度低于 30 K 时才会产生超导现象，因此需要使用液氦或制冷机才能维持超导态。20 世纪 80 年代发现的高温超导材料可以在 77 K 以上表现出超导性。2000 年以来，发现了硼化镁的超导性，其突出优势是易于加工。另外，铁基超导体的发现和研究也备受关注。
超导材料可以应用于需要大电流和强磁场的场合，如超导发电、输电、储能、超导磁浮列车等；也可以应用于需要小电流和弱磁场的场合，如利用超导隧道效应（约瑟夫森效应）制作超导量子干涉器、微波器件、超导计算机等。
可以观察到单个原子的“扫描隧道显微镜”于 1982 年发明以后，世界上便诞生了纳米科技——以尺度为 0.1~100 nm 的物体为研究对象的科学技术。纳米科技的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。
纳米材料的制备和研究是纳米科技的基础。纳米材料有很多种类，可分为金属、陶瓷、有机、无机以及复合纳米材料等。
纳米材料具有许多奇特性质，主要表现在材料的强度、韧性、比热容、电导率（电阻率的倒数）、对电磁波的吸收性，甚至熔点、颜色等都会发生出乎意料的变化。例如，任何金属颗粒的大小达到纳米数量级以后，都会呈现黑色，这种特性有利于将太阳能高效率地转化为内能；利用纳米技术制成的超细材料，其韧性、强度、硬度会大幅提高。纳米材料的这些性质，使其在能源、环保、通信、航空航天、医疗等方面有着极其广阔的应用前景。
20 世纪 70 年代，科学家发现荷叶表面有许多微米尺度的乳突，乳突上还有纳米尺度的结构（图 11-52）。这种复合结构是荷叶表面对水不浸润的根本原因。在这种结构上会牢牢附着一层空气，滚圆的水珠“浮”在上面，滚来滚去，绝不会对荷叶表面有任何浸润作用。当叶面倾斜到一定角度时，水珠会沿着叶面滑落并带走上面的污染物，达到自洁的效果。
模仿荷叶自洁的功能，可以应用表面纳米结构的技术开发出自洁、抗污的纳米涂料。这项技术普及后，不会脏的地板、墙壁和不受灰尘影响的电子产品将会不断地出现，人类的生活也会更加方便、舒适。
图 11–52 荷叶表面的放大结构
- 有人说晶体熔化后便成为液晶，对不对？简述理由。
- 如果把直径为 10 nm 的颗粒放在一个乒乓球上，相当于把多大的球放在地球上？
- 在日常生活中随处可见半导体电子产品。能否举例说说半导体还有哪些应用？给人们生活带来哪些改变？
- 纳米材料具有独特的性质，因此有着奇妙的用途。试设想一项纳米材料的应用。
本节编写思路
本节内容第一部分主要介绍了新材料的种类和用途，后面的部分主要介绍了半导体和纳米材料这两种典型新材料的特性及其应用。
本节的学习要求学生紧密联系生产、生活实际，通过网络、图书馆或走访相关科研单位调查、收集资料，了解材料科学技术的发展对人类生活和社会进步的影响，拓展学习视野，培养收集信息的能力，激发学习兴趣和创新意识。
正文解读
对于本节课的教学，教师可以提供一些研究课题。例知：固体材料分类、半导体、纳米技术及其应用、等离子体、超导材料、我国在固体材料研究方面的成果等。组织学生分小组，选择一项研究内容，在课前做好相关资料的查找、整理，做好交流文稿，在课堂上以汇报交流的方式完成教学。
问题与思考解读
1．参考解答：液晶并不是晶体熔化形成的。其结构介于液体和固体之间，既像液体具有流动性和连续性，而其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式，具有光学性质各向异性等晶体特有的物理性质。
命题意图：认识液晶，纠正日常生活中的错误认知。
主要素养与水平：物质观（Ⅱ）。
2．参考解答：乒乓球的直径约为 4 cm，地球的半径约为 6.4×103 km，根据比例可算出相当于把直径为 3.2 m 的球放在地球上。
命题意图：通过计算，形成对纳米尺度的形象认识。
主要素养与水平：物质观（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。
3．参考解答：手机、数码相机、LED 照明、太阳能电池等，略
命题意图：了解半导体材料在生活生产中的应用，激发学习物理的兴趣。
主要素养与水平：物质观（Ⅱ）；科学态度（Ⅱ）。
4．参考解答：用纳米材料制作汽车表面，使汽车清洁变得更加方便，将会节约大量的水资源。
命题意图：了解纳米材料的性能以及目前在衣食住行方面的初步应用，激发创新意识。
主要素养与水平：物质观（Ⅱ）；科学态度（Ⅱ）。
发布时间：2022/6/24 上午11:41:32 阅读次数：2267
