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一、内容摘要 1. 人们把新材料技术称誉为“高技术的基
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  一、内容摘要

  1. 人们把新材料技术称誉为“高技术的基础”。各工业化国家都把发展新材料技术摆国家特殊的战略地位。自20世纪80年代以来,美国每年耗资10亿美元专门用于研究开发新材料,其重点是金属复合材料、超合金、高温结构陶瓷、高结晶高分子材料等。

  2. 。目前美国在复合材料和聚合物材料这两个领域居于遥遥领先的地位。

  日本在通产省制定和实施的“下一个世纪产生基础技术研究开发计划”中,总共列入了12个研究开发项目,其中新材料就占了一半,重点是精密陶瓷、导电性高分子材料、复合材料、光反应材料和电子信息材料等。目前日本在精密陶瓷、光纤材料、电子信息材料等领域居于世界领先地位。欧洲共同体各国专门制定了一个新材料研究开发计划,仅在“尤里卡”计划中,属于新材料的研究项目就多达30个。

  相关概念

  1. 相关概念: 新材料(或称先进材料)是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料技术是按照人的意志,通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。新材料按材料的属性划分,有金属材料、无机非多属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料的使用性能性能分,有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能,以满足高强度、高刚度、高 硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求;功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应, 以实现某种功能,如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等 。新材料在国防建设上作用重大。例如,超纯硅、砷化镓研制成功,导致大规模和超大规模集成电路的诞生,使 计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃,推力 可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射,使敌方探测系统难以发现,等等。高性能结构材料是支撑航空航天、交通运输、电子信息、能源动力以及国家重大基础工程建设等领域的重要物质基础,是目前国际上竞争最激烈的高技术新材料领域之一。

  2. 超合金又称高温合金。铁基、镍基和钴基高温合金的总称。在高温时有很高的持久、蠕变和疲劳强度,其使用温度可达1100℃左右。其典型组织为:奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相,它可以是碳化物相、金属间化合物相或稳定化合物质点。根据合金成分和使用上的需求,可选择电弧炉、感应炉、真空感应炉进行一次熔炼或用真空白耗炉或电渣炉对母合金进行重熔,还有用电子束或低压等离子体作为高热能源进行熔炼的工艺。在铸造工艺上,除常规的精密铸造外,定向结晶和单晶技术已得到广泛应用,快速凝固粉末冶金和机械合金化工艺也是两种制备方法。高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、机车、发电以及石油化工等工业中。

  3. 形状记忆合金简称记忆合金。有一类合金,包括镍钛合金、铜锌合金、铜铝镍合金以及铜金锌合金等,它们在外力作用下改变形状以后,通过加热又能够恢复原来的形状。这就是所谓的记忆合金。现在铁合金以及不锈钢合金也已经有了记忆合金。德国对陶瓷内燃机的研究开发也是走在世界前列的,德国“奔驰”汽车公司研制的“2000年轿车”就是由陶瓷燃气轮机驱动的。在欧洲共同体的“尤里卡”计划中,法国、德国和瑞典三个国家从20世纪80年代开始联合进行陶瓷燃气轮机的开发,已经研制出功率为147千瓦的陶瓷涡轮喷气发动机,其工作温度可达1600℃,比普通发动机高出600℃以上。 英国是最早从事结构陶瓷应用开发的国家,英国政府专门拨款上千万英磅,对陶瓷燃气轮机和往复式陶瓷发动机进行研究开发,已经造出了活塞式陶瓷发动机。

  4.高性能结构材料还包括复合材料。复合材料是由基体材料(包括树脂、金属、陶瓷等)和增强剂(有纤维状的、晶须状的、颗粒状的等等)复合而成的。复合材料的力学性能和功能,可以根据实际需要,通过适当选材和优化设计来获得。复合材料广泛应用于航空、航天、汽车、运输、桥梁、民用建筑、体育设施及国防建设等诸多领域。当前复合材料开展的重点在以下几个方面:热塑性树脂基复合材料;金属基复合材料;陶瓷基复合材料;碳基复合材料。

  5.在高性能结构材料的发展中,近些年来“超合金”技术的竞争很激烈,不过这种竞争主要是在美、日两国之间进行的。这种“超合金”材料的发展现在已进入实用化阶段,它的年消耗量平均以20%的速度递增。美、日两国的“超合金”新产品很多。例如:美国在合金中适当加入一些陶瓷粉末以后,使这种合金的耐磨性能提高了35倍;日本研制的一种铁基记忆合金,它可以代替镍-钛基记忆合金,而这样可以使成本降低90%。 形状记忆合金

  6.形状记忆合金简称记忆合金。有一类合金,包括镍钛合金、铜锌合金、铜铝镍合金以及铜金锌合金等,它们在外力作用下改变形状以后,通过加热又能够恢复原来的形状。这就是所谓的记忆合金。现在铁合金以及不锈钢合金也已经有了记忆合金。

  二、论文内容

  日本人把结构陶瓷看作是继微电子之后又一个可以为企业带来巨大效益的新领域,因此他们在同美国人的竞争中不惜代价。目前,日本从事新型陶瓷开发生产的公司已达600多家,仅在汽车行业的陶瓷专家就达两千多人。其开发新产品的能力已经超过了美国。日本的213千瓦陶瓷发动机已经形成规模生产,并已经装备了上百万辆小汽车。

  德国对陶瓷内燃机的研究开发也是走在世界前列的,德国“奔驰”汽车公司研制的“2000年轿车”就是由陶瓷燃气轮机驱动的。

  在欧洲共同体的“尤里卡”计划中,法国、德国和瑞典三个国家从20世纪80年代开始联合进行陶瓷燃气轮机的开发,已经研制出功率为147千瓦的陶瓷涡轮喷气发动机,其工作温度可达1600℃,比普通发动机高出600℃以上。

  英国是最早从事结构陶瓷应用开发的国家,英国政府专门拨款上千万英磅,对陶瓷燃气轮机和往复式陶瓷发动机进行研究开发,已经造出了活塞式陶瓷发动机。高性能结构材料还包括复合材料。

  复合材料是由基体材料(包括树脂、金属、陶瓷等)和增强剂(有纤维状的、晶须状的、颗粒状的等等)复合而成的。复合材料的力学性能和功能,可以根据实际需要,通过适当选材和优化设计来获得。复合材料广泛应用于航空、航天、汽车、运输、桥梁、民用建筑、体育设施及国防建设等诸多领域。当前复合材料开展的重点在以下几个方面:热塑性树脂基复合材料;金属基复合材料;陶瓷基复合材料;碳基复合材料。在高性能结构材料的发展中,近些年来“超合金”技术的竞争很激烈,不过这种竞争主要是在美、日两国之间进行的。这种“超合金”材料的发展现在已进入实用化阶段,它的年消耗量平均以20%的速度递增。美、日两国的“超合金”新产品很多。例如:美国在合金中适当加入一些陶瓷粉末以后,使这种合金的耐磨性能提高了35倍;日本研制的一种铁基记忆合金,它可以代替镍-钛基记忆合金,而这样可以使成本降低90%。

  电子信息材料

  信息技术是21世纪高技术发展的前导,而电子信息材料则是信息技术发展的物质基础。电子信息材料主要包括电子计算机所用的集成电路材料,与电子计算机配套使用的信息存储材料,各种传感器所用的敏感材料,以及通信技术中所用的光导纤维等。美国国家航空和航天局在“阿波罗”登月活动中用记忆合金制造的半球

  形展开式月面天线,其本身的体积是相当庞大的,为便于运载火箭或航天飞机进行运载,科学家首先将这种天线进行“压缩”,待运送到月球表面以后,再利用阳光进行加热而使其恢复到原来的形状。

  荷兰科学家采用镍钛记忆合金制造的人造卫星天线,也是通过“压缩”技术而把它卷放于卫星本体内,当卫星进入运行轨道以后,再利用太阳光进行加热,使其恢复“记忆”而在太空中自动展开。

  日本利用记忆合金推出了不少新颖别致的商品。例如,在日本的儿童商店里,有一种叫作“顽童入浴”的智力玩具很畅销。一个垂头丧气、手脚蜷缩的玩偶,当把它放入温水中以后,马上就变得精神抖擞起来,头发竖立起来,手脚伸展起来,其面部表情由沮丧而变得眉飞色舞,欣喜若狂当它离开温水以后,很快又恢复到了原来的状态。在日本的百货商店里,常可见到用记忆合金丝穿制而成的珍珠项链和手镯,以及用记忆合金丝或记忆塑料丝编织而成的乳罩等装饰品和保健品,当女士们佩带这类装饰品和保健品以后,在体温的作用下,这些东西迅速地恢复其原有的弯度和挺拔程度,看上去有棱有角。因此这类商品备受女士们的青睐。

  在自动控制技术中,现在形状记忆合金用得很多。有一种用在住宅供暖系统上的“恒温阀”,就是借助于形状记忆合金来进行工作的。当室内温度上升到一定数值后,记忆合金弹簧伸长,使阀门关闭,而当温度降低到一定数值后,记忆合金弹簧缩短,阀门又被打开,以此来保持室内的恒温。通过调整旋钮来改变弹簧的压力,即可使室温升高或降低。

  使用形状记忆合金制作的驱动器,可以在低电压、小电流的条件下进行工作,既安全又省电,用一节小号电池就可控制它的开关活动达4万次以上,有些国家已经将这种小巧玲珑的部件用在微型机器人上。

  有一种用形状记忆合金制作的“温室自动开闭臂”,它能在阳光照耀下的白天自动地将温室的窗户打开,而到了夜晚则自动地将窗户关闭起来。

  在世界各国的医疗技术中,形状记忆合金的应用越来越广泛。例如,用来清除血液中块状物的“血液滤清器”,用在脊椎侧弯症患者身上的“矫正背心”,在治疗骨折时通常采用的“固定夹板”,为残疾人制作的假肢等等,形状记忆合金在这场场合都大有用武之地。

  除了形状记忆合金之外,近些年来还出现了形状记忆塑料。某些高分子聚合物也具有形状记忆的功能。例如,日本有一种形状记忆塑料,它是苯乙烯和丁二烯的聚合物,当给这种聚合物加热至60℃时,丁二烯开始软化,而苯乙烯仍然保持坚硬,这样就能体现它的形状记忆性能。

  形状记忆塑料同人们的日常生活关系密切,同样具有极为诱人的发展前景。塑料现在几乎已经成为人们日常生活的必需品。有些一时用不上或者不常使用的塑料制品,比如塑料桶、塑料盒、塑料椅子、塑料板凳等等,放在家中往往很占地方,留之少用而弃之可惜,如果能够利用形状记忆塑料来制作这类东西,那么平时就可以将它们压扁以后堆放起来,等到需要用时,只要把它们拿出来用热水一泡,便恢复了原来的形状。在日本和西欧的一些国家中,这类形状记忆塑料产品在市场上很容易找到。

  日本的几家汽车公司,打算利用形状记忆塑料来制作汽车的保险杠和其他某些易遭撞击的部位。一旦汽车被撞瘪了,只需用吹风机(比如理发时所用的吹风机)吹一吹热风,那么被撞瘪的部位很快就能恢复原来固有的形状。

  在电子信息材料中,最主要的要数集成电路材料。从目前来看,硅半导体仍然是集成电路的主要材料。不过从长远来看,为了进一步提高集成电路的规模,砷化镓半导体是很有发展前途的。美国于20世纪80年代率先向市场推出砷化镓小型逻辑电路,经过十多年来的发展,它已经相当广泛地应用于计算机、通信系统和其他电子产品中。目前,日本是世界上拥有砷化镓材料最丰富的国家,它控制了世界砷

  化镓材料市场的70%以上。

  光导纤维是最近二三十年来蓬勃兴起的一种用来传输信息的新材料,它不是通过电流来传输信息,而是利用光脉冲来传输信息的。其通信容量之大,是一切金属导体所无法比拟的。现在,光纤已经成为发展现代通信的关键性材料。目前在远距离通信中所用的光纤材料,仍然是以石英光纤为主。目前光纤技术的发展水平,仍然是以美、日两国处于领先地位。不过,其他许多国家在这方面也发展很快。我国的长途通信已经基本上实现了“光纤化”通信,这就为我国进入国际信息高速公路网创造了良好的条件。

  除了石英光纤以外,还有塑料光纤。日本是最早生产塑料光纤的国家,现在美国也推出了使用塑料光纤的网络系统。

  超塑性合金

  超塑性合金有一种奇怪的特性,在适当的温度环境下它能够像泡泡糖一样伸长10倍、20倍、几十倍甚至上百倍,既不会出现缩颈,也不会断裂。本来是硬而脆的合金,人们利用它的“超塑性”,就能够把它吹制成像气球一样的薄壳。

  例如,钛合金本来是一种很难变形的合金,它在常温下的最大延伸率只有30%左右。过去,在利用钛合金加工形状复杂的零件时,往往采用“蠕变加工法”,其变形过程需要用1小时以上。现在采用“超塑性成型”,制造任何形状复杂的钛合金零件一般都不会超过8分钟。

  钛合金在飞机、导弹及航天飞机上都用得很多。为了解决零件加工困难的问题,现在除了可以采用“超塑性成型”的办法以外,还可以采取“超塑性扩散连接”的办法。具体说来,就是把温度控制在金属的熔点以下进行焊接,在足够的热量和压力之下,使两块金属的接触面上的原子和分子相互扩散,从而连接成一个整体。这种扩散连接是在真空中或惰性气体中进行的。

  对钛合金而言,它的“超塑性成型”温度和“超塑性扩散连接”温度正好是极为相近的,都是在871℃~927℃之间,因此对钛合金可以同时进行这两项工艺,也就是让它在变形的过程中同时完成扩散连接的任务,这样一来就可以将形状相当复杂的大型构件一次直接加工出来,与以往的铆接和焊接比较起来,可以降低成本40%~60%,减轻重量30%~50%。减轻重量对于飞机、导弹和航天飞机的制造来说,无疑是意义重大的。

  美国、俄罗斯、日本和西欧各国都对金属材料的超塑性进行了广泛而深入的研究,除了钛合金以外,各国对超高强度钢和高温合金等许多种金属材料和合金的超塑性能研究也都取得了长足的进展。现在,各色各样的超塑性合金已经大量使用,而且“超塑性加工”这种新工艺,已经在国际上广为流行。

  形状记忆合金

  形状记忆合金简称记忆合金。有一类合金,包括镍钛合金、铜锌合金、铜铝镍合金以及铜金锌合金等,它们在外力作用下改变形状以后,通过加热又能够恢复原来的形状。这就是所谓的记忆合金。现在铁合金以及不锈钢合金也已经有了记忆合金。

  美国国家航空和航天局在“阿波罗”登月活动中用记忆合金制造的半球形展开式月面天线,其本身的体积是相当庞大的,为便于运载火箭或航天飞机进行运载,科学家首先将这种天线进行“压缩”,待运送到月球表面以后,再利用阳光进行加热而使其恢复到原来的形状。

  荷兰科学家采用镍钛记忆合金制造的人造卫星天线,也是通过“压缩”技术而把它卷放于卫星本体内,当卫星进入运行轨道以后,再利用太阳光进行加热,使其恢复“记忆”而在太空中自动展开。

  日本利用记忆合金推出了不少新颖别致的商品。例如,在日本的儿童商店里,有一种叫作“顽童入浴”的智力玩具很畅销。一个垂头丧气、手脚蜷缩的玩偶,当把它放入温水中以后,马上就变得精神抖擞起来,头发竖立起来,手脚伸展起来,其面部表情由沮丧而变得眉飞色舞,欣喜若狂当它离开温水以后,很快又恢复到了原来的状态。在日本的百货商店里,常可见到用记忆合金丝穿制而成的珍珠项链和手镯,以及用记忆合金丝或记忆塑料丝编织而成的乳罩等装饰品和保健品,当女士们佩带这类装饰品和保健品以后,在体温的作用下,这些东西迅速地恢复其原有的弯度和挺拔程度,看上去有棱有角。因此这类商品备受女士们的青睐。

  在自动控制技术中,现在形状记忆合金用得很多。有一种用在住宅供暖系统上的“恒温阀”,就是借助于形状记忆合金来进行工作的。当室内温度上升到一定数值后,记忆合金弹簧伸长,使阀门关闭,而当温度降低到一定数值后,记忆合金弹簧缩短,阀门又被打开,以此来保持室内的恒温。通过调整旋钮来改变弹簧的压力,即可使室温升高或降低。

  使用形状记忆合金制作的驱动器,可以在低电压、小电流的条件下进行工作,既安全又省电,用一节小号电池就可控制它的开关活动达4万次以上,有些国家已经将这种小巧玲珑的部件用在微型机器人上。

  有一种用形状记忆合金制作的“温室自动开闭臂”,它能在阳光照耀下的白天自动地将温室的窗户打开,而到了夜晚则自动地将窗户关闭起来。

  在世界各国的医疗技术中,形状记忆合金的应用越来越广泛。例如,用来清除血液中块状物的“血液滤清器”,用在脊椎侧弯症患者身上的“矫正背心”,在治疗骨折时通常采用的“固定夹板”,为残疾人制作的假肢等等,形状记忆合金在这场场合都大有用武之地。

  除了形状记忆合金之外,近些年来还出现了形状记忆塑料。某些高分子聚合物也具有形状记忆的功能。例如,日本有一种形状记忆塑料,它是苯乙烯和丁二烯的聚合物,当给这种聚合物加热至60℃时,丁二烯开始软化,而苯乙烯仍然保持坚硬,这样就能体现它的形状记忆性能。

  形状记忆塑料同人们的日常生活关系密切,同样具有极为诱人的发展前景。塑料现在几乎已经成为人们日常生活的必需品。有些一时用不上或者不常使用的塑料制品,比如塑料桶、塑料盒、塑料椅子、塑料板凳等等,放在家中往往很占地方,留之少用而弃之可惜,如果能够利用形状记忆塑料来制作这类东西,那么平时就可以将它们压扁以后堆放起来,等到需要用时,只要把它们拿出来用热水一泡,便恢复了原来的形状。在日本和西欧的一些国家中,这类形状记忆塑料产品在市场上很容易找到。

  日本的几家汽车公司,打算利用形状记忆塑料来制作汽车的保险杠和其他某些易遭撞击的部位。一旦汽车被撞瘪了,只需用吹风机(比如理发时所用的吹风机)吹一吹热风,那么被撞瘪的部位很快就能恢复原来固有的形状。德国对陶瓷内燃机的研究开发也是走在世界前列的,德国“奔驰”汽车公司研制的“2000年轿车”就是由陶瓷燃气轮机驱动的。

  在欧洲共同体的“尤里卡”计划中,法国、德国和瑞典三个国家从20世纪80年代开始联合进行陶瓷燃气轮机的开发,已经研制出功率为147千瓦的陶瓷涡轮喷气发动机,其工作温度可达1600℃,比普通发动机高出600℃以上。

  英国是最早从事结构陶瓷应用开发的国家,英国政府专门拨款上千万英磅,对陶瓷燃气轮机和往复式陶瓷发动机进行研究开发,已经造出了活塞式陶瓷发动机。德国对陶瓷内燃机的研究开发也是走在世界前列的,德国“奔驰”汽车公司研制的“2000年轿车”就是由陶瓷燃气轮机驱动的。

  在欧洲共同体的“尤里卡”计划中,法国、德国和瑞典三个国家从20世纪80年代开始联合进行陶瓷燃气轮机的开发,已经研制出功率为147千瓦的陶瓷涡轮喷气发动机,其工作温度可达1600℃,比普通发动机高出600℃以上。

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