90年代的热门材料

发布时间：92年07月25日

编译蔡黎宏

材料科学正进入一个前所未有的挑战时代和成果迭出的阶段。借助新技术，比如扫描隧道显微镜、原子力显微镜和各种光谱法，材料科学家能比十年前更好地了解进而控制材料的结构和特性。本文将让人们一览材料研究的6大热点，它们是：陶瓷、高级纤维复合物、聚合物、超塑钢、金属－基体复合物、超导材料。

陶瓷

陶瓷研究体现了材料研究一体化的程度。单块材料，如矾土、硅、碳化物和氮化硅是今天可得到的最先进的结构陶瓷，但由于脆性问题，它们只适用于应力相对低的领域。对它们的研究主要集中于通过添加连续纤维，用其他材料层压它们或用金属熔合它们，达到增强这些材料强度之目的。

高温航天用部件如航天飞机的发动机，是陶瓷研究的主要推动力。美国将继续把计划的研究重点转移到连续纤维陶瓷基体复合物上。目的是制备能长时间承受2600 F高温的材料。

最有发展前途的陶瓷材料是用作反应键合SiN增强材料的硅酸钡铝和SiC。但紧迫的问题还是新型高级纤维的开发。

得到进一步发展的材料是金属陶瓷，这种陶瓷由铝基体内50%~80%的陶瓷增强物（如碳化硼）构成。金属陶瓷的抗断裂性是传统陶瓷的数倍。西雅图华盛顿大学的材料科学家正在研制层压金属陶瓷的工艺，这种金属陶瓷将具有更高的耐冲击性；劳伦斯利弗摩尔国立实验室的研究人员，正在研制具有不同金属组分（如钛、镍和锰）的金属陶瓷。

高级复合物

高级复合物的定义是靠高强度纤维增强的聚合物型基体。航天需要仍然是纤维－增强复合物研究的主要推动力。

研究人员正在全力研究的三个领域是：当今高级复合物体系的工艺开发、新型增强纤维的调查以及热塑树脂体系的研制。

劳伦斯利弗摩尔国立实验室的研究人员正在研制一种能模拟复合物体系固化过程的模型。奇安诺称这种模型不仅能描述固化过程中石墨－环氧复合物内的温度分布情况，还能模拟固化周期和树脂组成中的变化效应。

在另一种工艺中，研究人员正在重新评估制造损伤－容限复合物部件的近网状编织法。

费城德累克斯大学的科学家正在研制一种能预测编织结构复杂强度和硬度特性的理论模型。最初的结果与空心玻璃纤维复合物的实际测量结果相符。

在增强纤维领域，碳纤维仍被用在多数高强度结构上。纤维供应商改进工艺后得到了抗拉强度1，000 Klb/in²、弹性模数130 Mlb/in²的纤维。

但是使用得最多的纤维是中间模数碳纤维，它的抗拉强度为800 Klb/in²、弹性模数为40 Mlb，费用较低，且易于生产。

连续纤维的研究新领域包括碳化硅、空心玻璃和非圆形碳材料。图森AZ材料和电化学研究公司的研究人员，开发成功一种高温强度和韧度的高纯度SiC纤维。它能在1400°C下保持其95%的强度，主要用途是高硬度和高温环境下陶瓷、金属间化合物或金属的增强物。

俄亥俄格兰弗勒奥恩－科宁玻璃纤维公司的研究人员研制出一种有S-2和E玻璃两种类型的空心纤维玻璃纤维。这些空心纤维由原料相同，但重量不同（从20%~30%不等）的基底材料制成。该公司计划把S-2空心纤维用到航天领域，该领域目前采用的是E－玻璃、碳或芳族聚酰胺纤维。

热塑树脂因韧度增强、吸水性降低、生产工艺精良、费用较低等优点，可望取代传统的热固性材料而成为复合物基体。

但热塑性塑料并不是没有缺点的。它们的强度、温度特性以及硬度特性往往比较低。聚醚酮醚（PEEK）、聚酰亚胺、聚亚芳基酮醚（PAEK）、聚砜以及聚醚酮（PEKK），都是尚处研究之中的聚合物。

比如，华盛顿杜邦复合物部门的研究人员就评估了具有各种层片形状的碳纤维的PEKK，证明与典型的高性能350 F环氧碳体系的湿应变和干应变特性相比，PEKK体系与之相近或者优于它。

聚合物

许多领域对聚合物、聚合物合金和聚合复合物的需求量是巨大的。液晶聚合物（LCP）和整个聚碳酸酯混合合金族是两个重要的研究领域。LCP因固有的取向、高强度、高硬度以及重量轻而具有重要的价值。LCP的硬度重量比特性是30%玻璃纤维增强尼龙的2倍。

由于其他聚合物材料熔合和混合技术的进步；每年，聚碳酸酯（PC）的利用率都在持续上升。工程领域中1/3以上的PC都为混合物或合金形式。PC已经成功地与丙烯腈－丁二烯（ABS）、甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸丁二酯、聚醚和聚醚亚胺熔合在了一起。例如，新泽西芒特阿林顿西罗工业公司的研究人员开发出一种将PC和PMMA混合成一种合金的冲击改性剂，这种合金的冲击强度值比传统的PC高4倍。与PC/ABS合金相比，这类合金的加工问题少，耐风蚀性好。

BCB可用来隔离半导体装置，使更小巧、更快捷、更可靠的电路的制造成为可能。

LCP的PBZ族由聚苯双恶唑（PBO）、聚苯双塞唑和聚苯双咪哇构成，可以纤维、薄膜或分子复合物形式得到。PBO聚合物的特性优于聚苯乙烯和PC的特性。PBO为纤维形式时，其强度较芳族聚酰胺（凯夫拉尔）纤维更大，吸水性更低。

超塑钢

超塑性是材料在断裂前承受广延塑变的能力，超塑材料能均匀地延伸（而非缩小）至自身长度的80倍。

制造超塑材料的目的是降低传统的成形、加工和接合工艺的费用。但常出现这样的情况，在制造具有超塑成形特点的材料时，材料的其他特性也得到了改进。斯坦福大学的一位材料科学与工程教授认为，制造超塑材料的关键是保持材料的极小粒径。

金属和陶瓷均显示了超塑特性。超塑金属的粒径通常为1~5微米。相形之下，传统钢的粒径大约是超塑金属的100倍。超塑陶瓷的典型粒径为0.3~1.0微米。至于超塑钢，研究人员采用的是含碳量高（通常为1.0%~1.8%）的材料，传统高碳钢的含碳量为0.8%。超高碳钢中的大部分碳化物微粒使微粒径保持稳定。

金属－基体复合物

据国家研究委员会的《90年代材料科学与工程》报告，金属－基体复合物（MMC）具有巨大的商业潜力和长期的商业意义。日本和欧洲用在MMC研究上的资金虽然约占美国的1/3，但它们更强调应用。

日本爱知县丰田中心研/展实验室的研究人员用一种混合MMC制造汽车发动机活塞和连接杆。这种材料含有微粒和陶瓷晶须，即这两种物质都存在于即将在铝基体中进行铸造处理的连续碳化碳或碳纤维上。得到的MMC的强度是SiC或碳增强铝复合材料的2倍。

美国正在发展传统的钛、铝和锰MMC，比如洛斯阿拉莫斯（NM）国家实验室的研究人员开发出一种SiC－增强二硅化钼金属间化合物，在高于1200°C的高温下，它的强度是当今金属间合金的15倍。抗氧化性是它的100倍，抗断裂性是它的40倍。

超导材料

据美国技术评估局最近的报告，全世界约有6，500名专职研究人员在从事高温超导性（HTS）的研究。