书城科普读物探索未知-话说材料
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第5章 复合材料(1)

复合材料,是指由两种以上材料组合而成的,物理和化学性质与原材料不同,但又保持其原来某些有效功能的新材料。复合材料中,一种材料作为基体,另外的材料作为增强剂。

复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所谓“复合”,是在金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料自身或相互间进行,从而获得单一材料无法比拟的、具有综合优异性能的新型材料。

复合材料的发展,经历了古代、近代和现代三个阶段。自古以来,人们就会使用天然的复合材料——木材、竹等。最原始的人造复合材料是在黏土泥浆中掺稻草,制成土砖。在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加纸浆,可制成纤维增强复合材料。近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂(如酚醛树脂、环氧树脂等)。原子能、航空、航天、电子、化工等的发展,对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀、电性能等提出了更高要求,使现代先进复合材料蓬勃发展起来。

复合材料具有强度高、材料轻、刚性大、抗疲劳性能、减振性能和高温性能好等特点。它最早应用于航空、航天等尖端科学技术领域,近年来,美、日等国的汽车、建筑部门也推广使用复合材料。

复合材料的制造,目前使用最广、效果最好的是纤维增强,即采用熔铸、浸渍、层压等方法,把玻璃纤维、有机纤维、碳纤维及其织物嵌入树脂基体中;或者采用熔铸、轧压等方法把硼纤维、高强度钢丝、晶须等嵌入铝、镁、钛合金中。这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤维增强陶瓷。除了纤维增强以外,还广泛使用已有工艺制造复合材料,如喷涂、离子注人、层叠及骨架复合等。

复合材料包括三要素即基体材料、增强剂及复合方式。复合材料的分类,按增强剂形状不同,可分为粒子、纤维和层状复合材料等;按基体材料不同,可分为金属基、陶瓷基、塑料基、水泥基、橡胶基复合材料等;按复合方式不同,可分为结构复合材料和功能复合材料等。

按照基体材料的不同,复合材料有如下几种:(1)聚合物基复合材料。是最早开发的复合材料,它以纤维增强塑料和纤维增强橡胶为代表,其特点是加工性能好、加工周期短、强度高、耐腐蚀性好。其中,玻璃纤维增强塑料(“玻璃钢”)是复合材料鼻祖,凭借其轻质、高强度、耐腐蚀性和隔热、隔音、抗冲击等优异性能,广泛应用于建筑、航空。兵器、汽车等领域。碳纤维增强塑料,是最具代表性、性能最优异的塑料基复合材料。

(2)金属基复合材料。与塑料基复合材料比,金属基复合材料耐高温、不燃烧、耐老化,导热导电性、抗辐射性较好,横向强度和模量也较高。与一般传统金属比,金属基复合材料具有质量轻、强度高、耐磨损、高温性能好等显著特点。金属基复合材料的主要应用领域是航空和航天。碳纤维即石墨纤维,可用来增强铝、镁、铜等金属材料,特别是碳/铝复合材料被认为是最有前途的金属基复合材料。

(3)陶瓷基复合材料。陶瓷材料具有高强度、高硬度及耐腐蚀、耐高温等特点,但脆性大。而陶瓷基复合材料具有优良的韧性和热疲劳性能,可克服单一陶瓷材料对裂纹敏感性高和易断裂的致命弱点。它广泛用来制作刀具、滑动构件、航空航天部件、发动机制件、能源构件等。

在未来的航天飞机上,耐超高温的碳/碳复合材料将占有重要地位。随着商用飞机市场发展,对高性能热塑性树脂复合材料的需求也日益增长。随着先进复合材料成本的下降及设计、制造技术不断提高,先进复合材料在未来的汽车工业中将获得大规模的应用。此外,目前正在积极开发的复合材料,还包括具有优异高温性能的陶瓷基复合材料、超高强度的纳米复合陶瓷等。

复合材料所具有的优异性能,使其具备了旺盛的生命力。随着科技的发展,复合材料的生产工艺将不断完善和简化,成本不断降低。专家预测,21世纪复合材料的用量将会超过钢,成为未来的常规材料。

铝酸锶系长余辉磷光体材料

随着现代科学技术的迅猛发展,发光材料已从简单的电致照明材料发展成为可由阴极射线、X射线、光、声、化学反应能、生化反应能和机械能等激发的而被应用于超薄电视、微型监视器、高负荷荧光灯、等离子体显示、液晶显示、精密分析仪和探头等高科技领域的主导材料而渗透到人类生活的每个角落。特别是近年来环境污染、能源紧缺等问题受到人们日益的关注,“节能”和“绿色”已成为21世纪科学攻关的主要方向之一。目前应用于可见光显示方面的材料主要有电致发光材料和光致发光材料,其中光致发光材料由于不需要特殊的激励场而比电致发光材料具有一定的优势,特别是如果激发与发射光谱都落在可见光波段,当黑暗降临或突然照明断电时,发光材料可以将原来蓄积的可见激发能转化为可见光发射,起到应急显示的作用。当然,要真正起到应急显示的作用,磷光体还需具有量子效率高、自身寿命长、不易老化和余辉时间长等特点,在这些方面,Eu2+激活的碱土铝酸盐系磷光体材料具有得天独厚的优势,因而得到了广泛的研究和重视。

对碱土铝酸盐发光体系的研究最早可以追溯到1938年,它作为一种稳定、高效的兰、绿光发光材料,特别是在光电源和三基色磷光体领域的应用,已展示出广阔的应用背景。通常Eu2+激活的铝酸盐系磷光材料虽然量子效率较高但发光衰减较快。长期以来人们只认为某些硫化物类荧光粉具有较长余辉,因而不惜采取各种手段把此类磷光体作成无源、全色低照度磷光材料,如在ZnS:Cu磷光体中掺入放射性物质3H、147Pm等以及将ZnS作成纳米粉等,但由于硫化物本身化学不稳定性和易老化性就限定了该类磷光体的应用范围,为此人们开始寻找新的具有长余辉特性的磷光材料。

1968年Pililla首先报道了SrAl2O4:Eu2+磷光体的长余辉特性,引起各国学术界的广泛关注、研究和工业界的介入。但由于当时铝酸锶盐的合成温度较高且难以获得纯单相基质,因而对该磷光体长余辉特性的研究进展较慢。直到1993年日本学者松沢隆嗣详细报道了SrAl2O4:Eu2+磷光体的余辉特性,指出其不同衰减时间的余辉亮度比ZnS:Cu要高5~10倍,衰减时间在2000min,使这类材料无论在发光量子效率、余辉时间和稳定性方面均优于传统的长余辉ZnS类材料,而且避免了放射性物质污染,可能广泛应用于建筑、交通、化工、渔业、矿山和家用电器等领域作低度照明光源、装饰材料和夜间标志材料等,显示出诱人的应用前景和节能效果。

目前国内外科研工作者经过大量的科学实验,已成功地制备出了一系列铝酸锶系长余辉磷光体材料,并将其用于玻璃、陶瓷、塑料等制备工艺中,从而制成夜光涂料、夜光陶瓷、夜光玻璃、夜光塑料等制品,这将大大改善人们的生活环境,而且会给人们的生活带来许多便利。另外,该类长余辉磷光材料的主要原料是稀土,而我国的稀土储量占世界的80%,可见对该类磷光体的进一步研究开发具有重大的时代意义。

钇钡铜氧超导材料