关键词：材料学 陶瓷材料 电子材料 应用
现代科技的竞争依赖于材料科学的发展,任何高科技的进步都离不开新材料的开发和利用。因此材料科学被公认为21世纪六大高科技领域（生物、信息、能源、材料、空间和海洋工程）的基石【1】。人类文明开始前，材料学领域并没有很突出，但从青铜时代开始,材料学方面的应用逐渐增多且愈加重要，它为冶炼技术提供了重要支撑，拥有先进的材料在当时成为国家强盛与否的标志。
1.什么是材料学
经过不断的研究与摸索，材料学逐渐发展成为一门独立的学科，它通过对物质的分子结构进行设计分析，通过不同的制备方法，进而改变物质的性能，更好地为科技服务。材料学是一门综合性学科，其中，化学提供了新材料的制备方法,物理学赋于它使用的特性,工程学将它制造成人类所需要的物件。下图更加简明扼要的表现了化学在其他相关学科中的重要作用(见图1)
图1材料学与其他科学之间的关系示意图
材料科学广泛应用于新材料的研发与制备、材料表面改性等方面，是众多高科技技术发展的重要保障。材料学能够从物质原子及分子量级上对材料进行设计，能够对材料的性质进行精确的控制，为新材料的合成及发现提供基础保障。材料的优化升级在科学技术不断发展的今天变得尤为重要，因此材料学的发展将具有重要的引导意义。
2.材料化学的分类
当社会进入到以材料为主导的今天，材料学种类也越来越丰富，包金属材料、无机非金属材料等。金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称；无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物硼酸盐等物质组成的材料。我们的生活中方方面面都是依靠材料而存在。我们穿着的衣服是非金属材料制成的，住的房屋是由金属材料和无机非金属材料构成的等等。本文将从无机非金属材料中的陶瓷材料和电子材料入手进行分析，阐明材料在生活中的重要性。
2.1陶瓷材料
陶瓷材料指的是通过天然地或人工合成的化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高耐磨性、抗耐氧化等优点。随着现在化科技化程度不断加深，人们对陶瓷材料的研发和制备更加深入，极大地丰富了材料的种类，影响着各行各业。
2.2.1工业领域方面
在工程建设方面，危化品的长距离运输一直是一项有待解决的问题，大部分有毒、易腐蚀的介质都是采用特殊管线钢进行输送作业。管道和介质长时间的接触会造成管道本身结构的破坏，也会降低运输介质的纯度；这时就需要对管道进行定期维护、更换，从而导致生产成本大大增加。随着材料化学的发展，研究人员将陶瓷材料与金属钢管进行复合，利用陶瓷材料的高熔点、高硬度、高耐磨性及抗氧化的特点将其作为内衬层附着于钢管内壁【2】（如图2所示），有效解决地了这一问题。
图2陶瓷复合材料关系示意图
由图2可以看出陶瓷复合材料是由内壁的陶瓷层和外部的金属管构成，它既具有陶瓷材料耐高温、耐氧化等优点，也具有金属材料高韧性，高延展性、优良的机械加工性能等优点。使用这种陶瓷复合材料来运输石油、天然气等具有高腐蚀性的介质时，介质和陶瓷直接接触，因陶瓷层具有耐腐蚀性这一优点，陶瓷复合材料可以长期稳定的使用，不会出现管道腐蚀，磨损等现象，保证了工业生产的稳定性；而且这种复合材料价格较为低廉，相较特种管线钢而言，生产成本降低了50%以上。
2.2.2航空领域方面
对于飞行器而言，其自身重量越轻，飞行器所需的油损耗就越少，飞行器越适合长距离工作。使用的材料高温稳定性越好，飞行器所能达到的飞行高度越高，工作范围就越广。在陶瓷材料问世之前，飞行器大多使用笨重的钢铁材料，这样使得飞行器的功能大大受限。
陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，构成多相复合材料。陶瓷基复合材料是一种超高温复合材料，工作温度高达1650℃，且重量轻、弹性模量高、抗拉强度高、吸振性好、耐温性好、成本低及不易疲劳破坏等特点，广泛应用于航空领域。陶瓷复合材料密度仅为镍基合金的 1/4—1/3，而且随着温度的升高，强度不会降低，甚至比室温时还高【3】，这种高性能决定了飞行器在海拔较高的高空中进行作业时的稳定性。
飞行器需要通过大气层进入太空中，这就要求飞行器的表面具有耐高温的特性，普通的金属材料显然无法达到这种要求，这时就需要陶瓷材料作为飞行器的表面材料，从而保证飞行器的正常使用。
陶瓷材料在日常生活中使用更为广泛。尤其在中国，各式各样的陶瓷制品渗入到生活的方方面面。常见的餐具、茶具、工艺品等等，这些大都是由陶瓷材料构成；家居住宅中的磁砖、地砖也都由陶瓷材料而来；家电中常见的电容器、绝缘体、换能器同样都由陶瓷材料合成而来；光纤制造、交换光机、红外热追踪器等设备也离不开陶瓷材料。就连汽车发动机也可以因为陶瓷材料的加入而不再需要冷却系统。二十世纪八十年代初，丰田汽车就曾对此进行试验，利用合成的绝热陶瓷材料，有效提高了燃料的使用效率并大大减少了发动机的重量。绝陶瓷材料甚至还可以用来作为人体骨骼，比如牙科中的假牙。它是由羟基磷灰石通过与一些生物、化学原料进行加工而成，使用这种陶瓷材料制成的牙齿或骨骼可以更好地与身体里其他组织相融合，而不会产生其他排异反应。我们生活里常常听到的烤瓷牙就是将羟基磷灰石陶瓷作为金属涂层，使其与牙床融合更加紧密和谐。
2.2电子材料
电子材料指的是在电子技术和微电子技术中使用的材料，电子材料的发展极大程度的改善了人们的生活方式。因其具有耐高温、抗辐照等特点，广泛应用于超高频、低噪音器件和电路中。
2.2.1微电子领域方面
计算机是数字生活中的重要设备，计算机的核心部件是中央处理器和存储器，它们是以大规模集成电路为基础建造起来的，而这些集成电路都是由电子材料做成的【4】。
2.2.2工业领域方面
绝缘性材料应用于工业的方方面面，日常生活里的吹风机中用到的就是这种材料；高中实验室中所用的光学仪器用到也是这种材料。
3.材料学的发展前景
材料学是一门综合性学科，是社会发展进步的重要支撑,它需要科学家们不断的探索和完善，不能仅仅局限于现有材料的本身，更大程度上需要科学家通过自己的努力从而设计、合成具有特定结构特征和物理性能新材料，使得材料能够具有更好的耐腐蚀性、高温稳定性、高弹性模量等；材料学是一门古老又新星的学科，需要科研工作者对已有的技术深入了解，还要不断学习新知识，再加入研究者本身的理解，才可以更好的展示学科的魅力，可以预见,材料学将会为整个社会的发展作出更大的贡献。
[1]萧小月,徐燕,桂治轮,李龙土,张孝文.材料化学研究进展[J].硅酸盐学报,1996(03):322-328.
[2]谭小桩，贾光耀. 自蔓延高温合成技术的发展与应用[J] .南方金属，2005，14(6)：5-9.
[3]文生琼,何爱杰.陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的应用[J].航空制造技术,2009(S1):4-7.
[4]王占国.半导体材料研究的新进展[J].半导体技术,2002(03):8-12+14.
李庆淏 1999.10 - 男，汉族， 西安市第八十三中学高三学生 喜爱化学研究
论文作者:李庆淏
论文发表刊物:《科技新时代》2018年1期
论文发表时间:2018/3/27
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