新材料技術
新材料技術與高新科技
1.新材料是科技進步的物質基礎
新材料，通常是反映最新發展或正在發展的，對現代科學技術進步和國民經濟發展以及提高綜合國力有重大推動作用的材料。這些材料和傳統材料相比具有優異的性能和特定的功能，是發展信息、航天、生物、能源以及海洋開發等高新技術的重要物質基礎。自古以來，材料一直是人類進步的裏程碑，並與能源、信息一道被公認為現代文明的三大基礎支柱。事實表明：曆史上每一項重大的新技術的發現和某種新產品的研製成功，都往往有賴於新材料的發現和應用。高新技術發展中碰到的許多難題，有不少實際上是材料問題。沒有新材料的開發應用，便談不上新的技術產品和產業進步。具體地說，沒有半導體材料的工業化生產，就不可能有目前的計算機技術；沒有高溫高強度的結構材料，就不可能有今天的宇航工業；沒有低消耗的光導纖維，也就沒有現代的光纖通信……，因此，新材料又被譽為“發明之母”。從這個意義上說，沒有新材料，就不會有高新產品的出現。
當今世界材料五花八門，分類也不盡相同。高新技術各領域對新材料的要求特別苛刻，而且不同領域的要求千差萬別。但按新材料在高新技術各領域中的用途不同，大體分為電子信息材料、新能源材料和特殊條件下使用的高性能結構材料和功能材料。電子信息材料是指發展電子計算機技術、微電子技術和通信技術等電子信息高新技術所需的新材料，主要有半導體材料、敏感材料、光導纖維材料、信息記錄材料等。新能源材料，指為開發新能源而需研製的新材料，主要有光電轉換材料、超導材料、高密度儲氫材料和高溫結構陶瓷材料等。高性能結構材料和功能材料，係指在高負載、超高溫、超高壓、超低溫等特殊情況下使用的結構材料和功能材料。可歸納為高性能結構複合材料、高分子功能材料、新型合金材料和生物材料等。
進入20世紀80年代以來，隨著新技術革命的蓬勃發展，新材料對推進高新技術及其產業的進程起著日益關鍵性的作用。新材料的開發，在理論的新概念上、技術的新構思上和工藝的新方法上都異常活躍並相繼取得重大進展。一是材料複合化已成為新材料開發中普遍，且行之有效的一種辦法。特別是物理學、化學界麵學的研究，對解決增強體和基體之間的結合強度、相容性和提高複合材料的質量起著推動作用，加速了各種基體(樹脂、金屬、陶瓷等)複合材料的蓬勃發展，並向非結構材料的複合方向擴展。
近一二十年來，在探索全新材料體係方麵取得突出成果。如1986年鑭鋇銅氧化物超導體的發現，導致不到一年時間，相繼發現一係列金屬複雜氧化物，創造了臨界溫度高達125K的記錄。材料工藝中的新技術和材料科學中的新概念相結合，推動了各種特殊類型材料的發展，成為材料科學發展的又一新趨勢。如屬於非常平衡材料的非晶金屬合金，具有超高的強度和塑性、耐腐性、耐蝕性，有的還具有高導磁和低損耗等優良性能。由兩種不同組元以納米級的薄層交替生長並保持嚴格周期性多層膜的超晶格材料、梯度材料、智能材料等，都可能按照嶄新的概念製造出來。
2.新材料技術——高新科技必爭之地
新材料不僅是發展信息、航天、新能源和生物技術等高新技術的重要基礎，也是決定一個國家產業活力、經濟實力和競爭能力的至關重要的因素。美、日、西歐各國都將其置於國家發展戰略的特殊地位，選擇重點領域予以突破。在美國新材料的研究開發，雖分屬於不同部門實施，但宏觀上受美國政府谘詢機構製定的規劃指導。如70年代成立的科學技術政策局(OSTP)內設有材料委員會(COMAT)，在聯邦科學、工程與技術協調委員會的指導下，專門負責協調政府有關計劃中材料方麵的研究工作。20世紀80年代成立了全國關鍵材料委員會，進一步加強了政府對材料研究的監督。軍事部門的新材料研究工作，則集中於“星球大戰”、國家航天飛機(NASF)和整體式高性能渦輪機研究(IHPT)等三項大型計劃。日本發展新材料戰略是建立在工業政策目標的基礎上，強調占領全球市場和在高附加值部分實現專業化，並已根據市場潛力選定精密陶瓷、碳纖維、工程塑料和非晶金屬四個方麵作為主攻方向。為促進先進材料研究開發，除科技廳、文部省全力予以推動外，通產省還製定了一項未來工業基礎技術研究開發計劃，先進材料是該計劃的三大領域之一，並投入了相當大的研究開發資金。法國、德國、英國等歐共體國家也都各自有自己的新材料開發計劃，重點集中於新材料的商用研究，同時特別強調應用和人才培訓。從技術前景來看，新型複合材料、高溫結構陶瓷材料、高性能聚合物和耐腐蝕、抗燒蝕、可隱身、抗強激光和抗核輻射等特種材料，正在發展為高性能結構材料；新型半導體化合物、超晶格材料、新型超導材料、新型光學材料、精細功能陶瓷和高功能聚合物等可望成為新型功能材料。
我國已開發出上萬種新材料，並形成一批新材料產業，有力地促進了我國電子工業、集成電路、新能源和航天技術的發展，但遠遠跟不上高新技術各領域的發展需要。因此，在“863計劃”中，新材料開發被列為七大領域之一，重點發展光電信息材料、耐腐蝕和重量輕的高性能結構材料及特種功能材料，以滿足“863計劃”其他領域發展的需要。此外，還將開展特種工藝測試與檢驗等方麵的研究，探索不同層次微觀結構理論指導下的材料設計，發展與應用工藝技術相結合的現代材料科學，以指導新概念下的新材料設計。此外，我國在攻關計劃、火炬計劃、星火計劃和攀登計劃中也都列有新材料的研究開發項目。
3.新材料技術催化新經濟的發展
在工業經濟的20世紀，人類社會爆發了第一次材料革命，這次革命的主要產品是尼龍、聚酯、半導體等材料；新經濟時代的到來，即21世紀，人類社會將爆發第二次材料革命，人類的材料技術將有更多突破。這次革命的主要產品是超導材料、精細陶瓷、新金屬、高分子材料以及新型複合材料等等。在新經濟時代，人類將向物質的微觀世界進軍，重點研究材料的宏觀性能和微觀結構，通過研究材料的導電性能和通過顯微技術研究材料的原子結構，進行分子設計，組成新的結晶體或非結晶分子材料。人類進行分子設計創造新材料後，將最終擺脫對天然材料的依賴，用自己的雙手創造出一個神奇壯觀的材料世界來。
眾所周知，信息、材料和能源是客觀世界的三大要素。隨著時間的推移，人類對它們的認識也逐步深化。當今世界，新技術革命浪潮洶湧澎湃，高新技術蓬勃發展，而信息技術、新材料技術和新能源技術已成為現代高新科技的三大支柱。其中新材料是指對現代化科學進步和國民經濟發展具有重大推動作用的新發展的或正在研製的新材料。它們是一般傳統材料無可比擬的新型材料，具有優異性能或特異功能，是發展信息、航天、能源、生物、海洋開發等高新技術的重要基礎，也是整個科學技術進步的突破口。
有人說，現在的時代，既不是金屬材料時代，也不是高分子材料時代、新陶瓷時代、複合材料時代，而是依據科技的發展和社會的需要開發和應用先進材料的新時代。
人類進化史表明，新材料對社會經濟技術的發展具有關鍵性的作用，沒有新材料的發現，就不會有高新產品的出現和工業的進步。材料一直是人類進化的裏程碑，石器、青銅器、鐵器等的利用，都曾在曆史上被稱為劃時代的標誌。進入20世紀後，材料技術的創新在很大程度上決定了許多關鍵產業的發展速度。矽半導體材料的工業化生產，使計算機技術進入袖珍化時代；高溫高強度結構材料的出現，促進了宇航事業的發展；低損耗光纖技術的進步，開拓了光通信長距離傳輸技術，正在改變著電信、軍事裝備和醫學等領域的格局；高溫超導材料的麵世，使社會生活和工業、軍工產品大為改觀；隱形材料的研製，使戰場出現了撲朔迷離難以捉摸的情景。從另一方麵看，目前材料科學的發展還不能滿足人類科技進步的需要，例如，有許多已經認識了的技術隻是因為沒有理想的材料而難以實現，而處於可望而不可及的境地。由此可見，新型材料確是其他高新技術的物質基礎和重要依托。它的品種、質量和產量，曆來被人們看作是直接顯示一個國家經濟發展、科技水平和國防實力的重要標誌。
也許以往沒有任何一個時代像新經濟時代這樣對材料的最大豐富和最快更新提出如此迫切的要求。道理很簡單，這是因為在新經濟時代，高新科技是支柱，而在高新科技的發展中，新材料正是其動力和先導。如果說高新科技是新經濟的基礎，新材料則是新經濟的“基礎之基礎”。
新材料技術的產業化
1.超導材料——新材料世界的寵兒
在地球上，所有的元素和材料都有電阻，就是導電性最好的銀、銅、鋁也不例外。1911年，在荷蘭科學家卡末林·昂內斯的實驗室裏，一種奇怪的現象出現了：水銀在絕對溫度4.2K(相當於-269℃)時電阻突然消失!這是科學史上第一次發現超導現象。這個新發現使科學家們欣喜若狂，因為超導材料沒有電阻或電阻極小，從理論上說其輸送的電流可達無窮大，能大大提高發電機、核電站等的工作效率，因而具有極大的科學價值。
高溫超導的發現，迎來了超導研究的新時代。高溫超導體(相對於低溫超導體而言)的研究迅速發展成為世界的浪潮，高溫超導體成為家喻戶曉的時髦名詞，它的影響已經超出了物理學界的範圍。
美國貝爾實驗室已經製成條帶狀高臨界溫度的超導材料，IBM公司和能源轉換裝置公司也製成薄膜狀的高轉變溫度的超導材料，斯坦福大學用高轉變溫度超導材料製成了超薄膜膠片。目前日本有100多家研究所研究新超導材料，其中20％以上是企業的研究所。住友電氣工業公司和藤侖電線公司已經用陶瓷係超導材料製成線材。日本許多研究機構和企業已經紛紛行動起來。製造超導材料的釔等稀土元素在國際市場上空前緊俏，一場在超導技術應用上的激烈競爭正在各國展開。
為了研究開發超導技術在國防和商業上的應用，美國議會正在審議成立專門委員會，國防部已撥出專款資助超導研究。我國在超導研究方麵也不甘居人後，成立了國家一級的領導小組、超導技術專家委員會和超導技術聯合研究開發中心，將“高臨界溫度超導電性的基礎研究”作為國家基礎研究的重大關鍵項目，在發展高溫超導電性的研究上取得了可喜的成績。1986年，我國科學家在40K實現了超導轉變；1987年，中國科學院物理研究所趙忠賢領導的小組獨立地，幾乎與美國休斯頓大學朱經武領導的小組同時獲得了“釔鈦銅”氧化物超導體，把超導臨界溫度一下子提高到90K，實現了高溫超導。
高溫超導技術的迅速發展，讓我們由衷地感到歡欣鼓舞。展望未來，超導材料將為我們帶來些什麼?
(1)超導懸浮列車
速度高達400～500千米／小時，車廂懸在空中，窗外景物刷刷而過!“哇，真是好刺激、好棒的感覺!”21世紀中葉，你將會在中國乘上超導懸浮列車，尋找到這一份感覺。普通列車的最高時速很難超過300千米，這是由於列車車輪和鐵路之間存在著摩擦力所致，而超導懸浮列車則不存在這樣的問題，因為它是懸浮在空中進行運動的。擺弄過磁鐵的人，對超導懸浮列車為什麼能浮起來一定很容易理解。當把一塊磁鐵的北極(或南極)和另一塊磁鐵的南極(或北極)挨近時，它們會立即吸在一起。但如果把一塊磁鐵的北極和另一塊磁鐵的北極靠近，它們總是挨不到一塊，即使用力把它們擠在一起，隻要一鬆手，它們就會立即分開。這是因為在它們之間存在一種排斥力。超導懸浮列車就是利用磁鐵同極相斥的原理製成的。列車側壁安裝著由鋁線製成的線圈，底部安裝著由Ni-Ti合金製成的超導線圈。當超導線圈通過很強的電流時，便產生強大的磁場，磁感應強度很高。隨著直流電機啟動列車，軌道上的鋁線產生感應電流，形成新磁場。因為兩個磁場的磁力方向相反，在斥力作用下，使列車懸浮起來。通過改變鋁線圈中電流的大小可控製列車的運行速度，十分方便。這種列車懸浮在超導“磁墊”路基上行駛，時速高達400～500千米，約為20世紀90年代中國普通特快列車的5倍，從北京到上海隻要3個多小時。如果將超導懸浮列車裝在真空隧道中運行，速度可達1600千米／小時，比超音速飛機還要快。但建造這種隧道困難很大，因而不易實現。
(2)超導計算機
到了21世紀，隨著高溫超導材料的研究，計算機將進一步超導化而製成超級計算機。它的計算速度將為一般大型計算機速度的100倍到1000倍。實驗結果表明，有若幹高溫超導材料如鋁係、铌係等，可以經過濺射技術或蒸發技術在極薄的絕緣體上形成薄膜，並製成約瑟夫遜器件。這種具有高速開關特性的器件是製作超高速電子計算機不可多得的元件。其結果將使電子計算機的體積大大縮小，能耗大大降低，計算速度大大提高。把超導數據處理器與外存儲芯片組裝成約瑟夫遜式計算機，可以獲得高速處理能力，在1秒鍾內可進行10億次的高速運算，是現有大型電子計算機運算速度的15倍。那麼這種超高速計算機的用途在哪裏呢?當然用途很多。災害性天氣，如台風、龍卷風等給人類帶來極大危害，必須進行預報，哪怕提前幾分鍾的預報都會減少很大的損失。氣象衛星和各地氣象台站所采用的天氣形勢的變化數據達到幾十萬乃至更多。根據這些數據，結合天氣規律(天氣變化的數據模型)來預報災害性天氣的形成及其經過的路徑需要大量的計算。再如對核電站的安全檢測和實時控製，不但計算量大，處理的數據多，而且要求在最短的時間內計算出結果並加以判斷。毫無疑問，這些工作都要發展內存大、計算速度快的超大型計算機。
(3)超導發電機與超導電力輸送
一台普通的大型發電機需要用15～20噸銅線繞成線圈，如果用超導線圈，隻要幾百克就夠，而發出的電力是一樣的。大家知道，在電力輸送過程中，送電、變電、配電的每一步驟都有電阻，大量的電力在輸送過程中被白白浪費了。為了克服電阻的影響，對遠距離送電就要采用高壓輸電，它可以把電力輸送到很遠的地方，但是由於它是采用高壓輸電，給人們生活帶來許多不便。而在超導輸電方式中，高溫超導體的電阻為零，電流在很小的電壓如100V左右就可由發電廠送到千家萬戶，既安全又省電。到了那時候，所有的變電所和變壓器都不需要了。一切家用電器、工業機電設備都發生了翻天覆地的變化，這就是既將到來的機電產業革命。超導材料的出現有可能像半導體材料一樣，在世界範圍內引起一場工業和技術革命。
當然，與超導體有關的技術遠不止這些，其他還有如火箭磁懸浮發射，超導磁選礦技術、超導量子幹涉儀等，由此形成一種新興產業——超導產業。科學上沒有平坦的大道，同樣，在科技產業化的道路上也並非一帆風順。需要克服的困難很多，尤其在提高臨界溫度和線材方麵要取得突破性進展，還需要經曆一段艱苦的曆程。這讓人不由想起20世紀50年代半導體實用化之前的情況。那時人們一方麵對半導體晶體管的發明寄予厚望，希望它給電子工業帶來一場革命帶來巨大的產值；另一方麵，卻又擔心成不了氣候，因為當時半導體材料和半導體器件確有許多不足之處，認為它大致上隻能用來代替電子管。後來，隨著半導體科學的研究和半導體材料製造工藝的發展，半導體材料成為電子世界的基礎，廣泛應用到收音機、錄音機、電視機上，進入了人們的家庭裏，形成了巨大的產業。展望超導材料的未來，當解決了諸如臨界溫度等阻礙超導產業發展的問題之後，超導材料將會把一個新鮮的世界展現在你的麵前。