丰富的材料世界
刘媛媛，刘文超，石钰琳
（空军工程大学航空机务士官学校 河南省信阳市 ）
摘要：材料是制造业的基石，国计民生的保障，现代化建设的梁柱，社会文明程度的标志。本文立足无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料和复合材料的更新与发展，介绍相关材料的研究动态。
关键词：无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料、复合材料、研究动态
作者简介：1刘媛媛,1987.08，女，松滋，空军工程大学航空机务士官学校，助教，硕士学位，无损检测方向。
1 引言
材料与人类生活息息相关，是人类生存和发展的物质基础，衣食住行等各项活动都离不开材料。信息、材料和能源被誉为现代文明的三大支柱，而且新技术革命，也就是第三次科技革命，包含了信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和海洋技术等重点高新技术领域。之所以如此重视新材料的发展，主要是因为材料与政治、经济、社会各方面密切相关。材料除了具有重要性和普遍性外，还具有多样性。材料有多种分类，比如按照物理化学属性、用途、部位等，如按物理化学属性来分，材料可分为无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料和各类复合材料。
2 材料的“旧”与“新”
2.1 无机非金属材料
在无机非金属材料中，陶瓷材料是其重要的分支。陶瓷是人类文明史上的一项重大的发明，更是中国发展史上最为引人注目的成果之一。传统陶瓷具有几千年的发展历史，陶器的发明，是基于人们在长期实践中发现黏土的可塑性，以及经火烧后可结成硬块的认识，陶器一经出现，便成为人们生活中不可缺少的用具。在科技日益发展的今天，传统陶瓷仍然占据着不可替代的地位，并借助现代科技，将传统陶瓷的生产和应用推向现代化。传统陶瓷给人的印象往往是易碎，因此随着社会的发展，新型陶瓷逐渐被研究应用。
新型陶瓷又称为现代陶瓷，已成为当今社会发展的必备材料，20世纪以来，特别是第二次世界大战以后，为满足电子、电气、热机、能源、空间、自控、传感、激光、通信、计算机等高新技术的发展需要，特别是电子技术、计算机技术、化学及半导体技术的发展，迫切需要有特殊性能的材料来推动行业发展，比如高强度、高硬度、耐腐蚀、一定的韧性、导电、导热、耐磨、磁性、独特的光学性能和其他性能等。在传统材料中，陶瓷材料恰能满足其要求，因而得到广泛的研究和快速的发展，在传统陶瓷基础上，制备了一系列具有力学、电、磁性、声、光、热、生物等特殊功能的新型陶瓷材料。新型陶瓷材料通常采用高度精选的原料，能够根据需求精确控制化学组分、按照便于制造的技术加工的，便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。根据其性质和用途可分为：耐火陶瓷、磁性陶瓷、结构陶瓷、电子陶瓷、光学陶瓷等。
现在新型陶瓷已经成为生活中不可或缺的新型材料，已经融入了我们的日常生活和各种工业场合。北卡罗莱纳大学的一个团队研发出一种新型喷涂陶瓷，据称比“沙子还硬”，可以为隐形飞机和轰炸机提供更大的掩护。目前的大多数隐形飞机表面会图上一层雷达吸收聚合物，它能吸收来自雷达70%~80%的能量，同时，这些聚合物非常脆弱，当暴露在盐和水分等元素下时，材料就会开始降解甚至脱落[1]。如果暴露在482℉以上的温度下，它们也会分解，这种情况一般发生在机翼边缘和飞机后部，而新型喷涂陶瓷，能够在高达3272℉或低至-148℉的温度下，始终保持其吸收雷达的特性。液态陶瓷前驱体被喷涂在飞机表面。当液体前驱体暴露在环境空气中，经过一系列的化学反应，转化为固体陶瓷材料，整个过程仅需1~2天。
图1 新型喷涂陶瓷
新型陶瓷不仅广泛应用于高精尖行业中，在日常生活中也被广泛使用，比如生活中常用的水龙头，最初使用的是金属阀芯，如果制造工艺不过硬，水龙头使用2~3年就会坏掉。而氧化铝陶瓷阀芯的出现应用，让水龙头的使用寿命提升到50万次以上，如果平均每天开关60次，使用寿命可以长达13年，这就是充分利用了氧化铝陶瓷的耐磨特性。
图2 陶瓷水龙头
2.2金属材料
公元前六千年，人类根据长期的生活经验，开始了冶金术，开始用各类天然矿石锻造金属。发展到公元前三千年，出现了铜合金，形成了青铜器时代，铜是人类发现的第一种金属，史前时代使用的其他金属还有金、银、锡、铅和铁。到现在金属材料被广泛应用于日常生活中，随处可见。
现在铜主要用作导线、器皿、装饰品等，铜作为器皿的主要原因是其具有杀菌作用。随着时代的发展，金属材料也被各种新技术所革新。普渡大学的研究人员创建了一种激光方法可将任何金属表面变成细菌的杀手，只需通过给金属的表面以不同的质感。铜作为抗菌材料使用已有数百年历史了，但是天然铜表面通常需要花费数小时才能杀死细菌，普渡大学材料工程学的一名教授开发了一种单步激光纹理化技术，激光在金属表面上创建纳米级图案，这些图案产生粗糙的纹理，增加了表面积，使细菌有更多的机会与表面接触并被杀死，该技术不仅改善了直接接触，而且使表面更加亲水，对于整形外科植入物，这样的表面可使骨骼细胞更牢固的附着，从而改善植入物与骨骼的融合程度，由于该技术的简单性和可扩展性，研究人员认为可以轻松的将其转换为现有医疗设备的制造过程[2]。
图3 抗菌金属
随着时代的发展金属材料被应用到各个领域，当今世界是信息化世界，所产生的信息数据比任何时候都多，然而我们当前的各类系统已接近大小和密度的极限，比如物联网的出现使得5G时代应运而生，为了顺应时代发展，在材料上也需要相关技术革命，如科学家在研究的存储在激光蚀刻的载玻片、冷冰分子、单个氢原子、全息胶片甚至DNA上等其他保存形式。据英国《自然·物理学》杂志发表的一项研究，一个美国联合研究团队利用层状二碲化钨制成了二维金属芯片，其厚度只有三个原子，在更加节能的同时，储存速度提高了100多倍，有希望代替目前常用的硅芯片存储数据，且二位金属芯片比硅芯片更小、更密集、更快，也更为节能[3]。这为开发下一代数据存储材料奠定了基础。
2.3有机高分子材料
现在我们处于新材料时代，新材料时代里包含的材料种类众多，其中就有高分子材料。高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。我们每天都接触的塑料、橡胶、纤维都是高分子材料。高分子材料的发展经历了三个阶段，第一个阶段是天然高分子的加工与利用，人们在远古时期，就已经利用天然高分子为生活资料和生产工具，比如皮毛、天然橡胶、棉花、蚕丝、木材等。第二个阶段是天然高分子的改性与合成，从19世纪开始，人们应用化学反应开始把天然高分子制成最早的化学纤维和塑料，如1845年C.F.舍恩拜用硫酸和硝酸的混合酸硝化纤维素做成了硝酸纤维素；1851年F.S.阿切尔用它作为相机胶片，这是第一种人工制成的塑料。1869年J.W.海尔特用硝酸纤维素和樟脑混合制成赛璐珞，这是最早的可热塑性树脂，也是第一种用增塑剂的塑料制品。1865年P.许岑贝格尔把纤维素乙酰化制成醋酸纤维素，1919年用作塑料。第三个阶段是合成高分子的工业生产，20世纪30年代美国杜邦公司科研小组研制出的尼龙66，世界上的第一种合成纤维就诞生了，是它由已二酸和已二胺缩聚而成。
高分子材料经历多年发展，现在已被广泛应用于各大领域并被不断革新改进。2021年3月21日，三星堆遗址成功提取一根象牙，并被运送至三星堆文物保护中心进行后续保护工作，专家介绍，出土象牙由于已埋藏于高湿度的土壤中达3000多年，且在埋藏之前经历焚烧，已出现严重的裂化，许多已出现波浪状态的形变，如果不进行保湿处理的话，裂痕很快就会出现，对于埋藏多年的象牙而言，保湿工作难度较大，目前常用的一些材料不能完全满足象牙的保护要求。研究人员借助应用于医学领域的仿真技术，应用高分子材料研发出了一种保湿新材料，将高分子保湿材料直接贴附在象牙表面，就能实现象牙与周围环境的初步隔离，隔离层内部水分不流失，外部空气也不会直接与象牙接触，就像给象牙贴上了面膜，穿上了衣服[4]。
1963年，形状记忆合金被发现应用，高分子材料中，也有形状记忆材料。2021年，南方科技大学机械与能源工程系的研究团队，在光固化打印超高力学性能形状记忆高分子材料获得进展，这种新材料在橡胶态断裂应变超过1240%，在150%~250%的应变区间可以重复加载超10000次，其优异的光聚合性能使其成为数字光处理的4D打印的立项材料，最高打印精度2μm，在智能家居、航天航空和软体机器人领域应用潜力非常大[5]。
2.4 复合材料
复合材料根据其发展阶段可以分为古代复合材料和现代复合材料，在西安发现早在公元前两千年前，古人已经用草木和增强土坯开始作为住房的墙体材料，在金属基复合材料方面，中国也有高超的技艺，如越王剑是金属基复合材料制品，不仅光亮锋利，而且韧性和耐蚀性优异，埋藏在潮湿环境中几千年，出土后仍然锋利无比；五千年以前，中东地区用芦苇增强沥青造船；古埃及修建金字塔，用石灰、火山灰等做粘合剂，混合沙石等做砌料，这是最早最原始的颗粒增强材料。这些都是人类在自然实践中发现的，原材料也取自自然环境，对复合材料的认知处于感性阶段。
20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量生产以后，纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料，同时开始了相关的研究应用工作。这是现代复合材料的开始，也是对复合材料认识进入理性认知的阶段。随着科学技术的迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料提出了越来越严、越来越高、越来越多的要求。在很多方面，传统单一材料已不能满足使用需要，在此基础上就不断开发出性能高的先进复合材料。
碳纤维复合材料是由有机纤维通过高温的方式制作而成，制作过程中掺杂一些金属材料和陶瓷等。碳纤维复合材料的强度是普通钢铁的五倍，具有非常高的耐热性，可以承受2000摄氏度的高温，而且不会随着温度的升高而改变自身的形态，这个特点使其在航天航空领域被广泛应用。而碳纤维复合材料的优异性能，也让其在医疗领域广泛应用。比如常见的碳纤维医疗床板、碳纤维头托、碳纤维轮椅等，目前开始出现了医药级别的碳纤维材料、中空纤维分离膜等，其中中空纤维分离膜在医疗领域占有举足轻重的地位，中空纤维透析膜（人工肾）95%以上为中空纤维。可见碳纤维复合材料在各行各业中被广泛应用。
图4 碳纤维及其应用
纳米复合材料是由两种或两种以上物理化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，组成中至少有一种是纳米尺度的微粒、纤维或薄膜。这些不同形态的纳米材料统称为分散相，“包裹”它们的材料成为基体。纳米复合材料所拥有的独特的力、热、声、光、电、磁学的性质，
在微电子学、光学、生物学等领域展现出广阔的应用前景：纳米二氧化钛颗粒可有效吸收紫外光，许多防晒用品中就有添加；纳米碳化钛具有优异的宽频微波吸收能力，可以实现雷达“隐身”；防污涂料中的纳米氧化锌可以杀菌消毒；纳米二氧化硅也被用于人工合成牙齿。
3.结语
材料是制造业的基石，国计民生的保障，现代化建设的梁柱，社会文明程度的标志。2019年全球新材料产业规模达到2.82万亿 ，2020年全球新材料产业规模增长仍然保持10%左右增长率，新材料是决定一国高端制造及国防安全的关键因素，成为国际竞争的重点领域之一。材料研究的深入，将不断推进国家社会的发展。
参考文献：
[1] 程涛涛，王志平，戴士杰.航空发动机陶瓷基高温封严涂层研究进展[J].机械工程学报.2021.vol57.1-12
[2] Purdue
University; Now metal surfaces can be instant bacteria killers[J]. NewsRx Health
& Science.2020.
[3]厚度仅三个原子 新金属芯片能提高存储速度百倍[N].科技日报.2020.07.03
[4] 三星堆出土象牙如何保存？“贴面膜”“穿新衣”[N].人民日报.2021.03.22.
[5] Zhang Biao;
Li Honggeng; Cheng Jianxiang.Mechanically Robust and UV-Curable Shape-Memory
Polymers for Digital Light Processing Based 4D Printing[J]. Advanced
Materials. 17 May 2021.
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