【導(dǎo)讀】無機(jī)材料包括金屬材料和無機(jī)非金屬材料。本章先介紹一些材。舊石器時代可追溯到公元前10萬年左右。原始人采用天然的石、木、竹、骨等材料作為狩獵工具，但是生產(chǎn)效率非常低。公元前6000年，人類發(fā)明。了火，掌握了鉆木取火的技術(shù)。有了火，不僅可以熟食、取暖、照明和驅(qū)獸，還。陶瓷材料的發(fā)明和應(yīng)用，創(chuàng)造了新石器時代的仰韶文化，后來在。這是陶瓷材料發(fā)展的一次飛躍，瓷器（英譯名。可以說這是人類社會最早出現(xiàn)的金。達(dá)到了很高的水平。生產(chǎn)力得到空前的提高，并促使奴隸社會解體和封建社會興起。社會安定，國泰民安，處于盛世，形成了我國封建社會的科學(xué)文化高峰。工業(yè)迅猛發(fā)展，生產(chǎn)力空前提高，迫切要求發(fā)展鐵路、航運(yùn)，使。生產(chǎn)出來的產(chǎn)品遠(yuǎn)銷他國，占據(jù)國際市場。社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動和促進(jìn)了以鋼鐵。領(lǐng)域占有一席之地。材料的重要性已被人們充分地認(rèn)。識，能源、信息和材料已被公認(rèn)為當(dāng)今社會發(fā)展的三大支柱。方面的物質(zhì)需要密切相關(guān)。種金屬及其合金都稱為有色金屬。

　　

【正文】 芯中傳輸著。光的傳輸距離與光導(dǎo)纖維的光損耗大小有關(guān)，光損耗小，傳輸距離就長，否則就需要用中繼器把衰減的信號放大。如果光導(dǎo)纖維的光損耗為 km1，傳輸距離可達(dá) 500km；如降到 104 dBkm1時，則可傳輸 2500km。用最新的氟玻璃制成的光導(dǎo)纖維，可以把光信號傳輸?shù)教窖蟊税抖恍枞魏沃欣^站。 在實際使用時，常把千百根光導(dǎo)纖維組合在一起并加以增強(qiáng)處理，制成像電纜一樣的光纜，這樣既提高了光導(dǎo)纖維的強(qiáng)度，又大大增加了通訊容量。 用光纜代替通訊電纜，可以節(jié)省大量有色金屬，每公里可節(jié)省銅 噸、鉛2～ 3 噸。光纜有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能好、壽命長、輸送距離長、保密性好、成本低等優(yōu)點。光纖通訊與數(shù)字技術(shù)及計算機(jī)結(jié)合起來，可以用于傳送電話、圖像、數(shù)據(jù)、控制電子設(shè)備和智能終端等，起到部分取代通訊衛(wèi)星的作用。 光損耗大的光導(dǎo)纖維可在短距離使用，特別適合制作各種人體內(nèi)窺鏡，如胃鏡、膀胱鏡、直腸鏡、子宮鏡等，對診斷醫(yī)治各種疾病極為有利。 生物陶瓷 人體器官和組織由于種種原因需要修復(fù)或再造時，選用的材料要求生物相容性好，對肌體無免疫排異反應(yīng)；血液相容性好，無溶血、凝血反應(yīng)；不會引起代謝作用異?，F(xiàn)象；對人體無毒，不會致癌。目前已發(fā)展起來的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能滿足這些要求。利用這些材料制造了許多人工器官，在臨床上得到廣泛的應(yīng) 用。但是這類人工器官一旦植入體內(nèi)，要經(jīng)受體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境的長期考驗。例如不銹鋼在常溫下是非常穩(wěn)定的材料，但把它做成人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)，三五年后便會出現(xiàn)腐蝕斑，并且還會有微量金屬離子析出，這是生物合金的缺點。有機(jī)高分子材料做成的人工器官容易老化，相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蝕，更適合植入體內(nèi)。 氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近，它還可以做人工關(guān)節(jié)用于很多部位，如膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等。 ZrO2陶瓷的強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股關(guān)節(jié)等。羥基磷灰石 [Ca10（ PO4） 6（ OH） 2]是骨組織的主要成分，人工合成的與骨的生物相容性非常好，可用于頜骨、耳聽骨修復(fù)和人工牙種植等。目前發(fā)現(xiàn)用熔融法制得的生物玻璃，如 CaO－ Na2O－ SiO2－ P2O5，具有與骨骼鍵合的能力。生物玻璃在和骨結(jié)合時，先在植入體表面形成富硅凝膠，然后轉(zhuǎn)化成磷灰石晶體，這時在結(jié)合面形成有機(jī)和無機(jī)的復(fù)合層，保持很高的結(jié)合強(qiáng)度。 陶瓷材料最大的弱點是性脆，韌性不足，這就嚴(yán)重影響了它作為人工人體器官的推廣應(yīng)用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必須考慮解決其性脆問題。 超導(dǎo)陶瓷 1911 年荷蘭物理學(xué)家 Onnes 發(fā)現(xiàn)汞（水銀）在 附近電阻突然下降為零，他把這種零電阻現(xiàn)象稱為 超導(dǎo)電性 。圖 7－ 13 示出了汞的電阻隨溫度變化的關(guān)系。汞的電阻突然消失時的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度，常用Tc表示。 在一定溫度下具有超導(dǎo)電性的物體稱為 超導(dǎo)體 。金屬汞是超導(dǎo)體。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)元素周期表中共有 26 種金屬具有超導(dǎo)電性，它們的轉(zhuǎn)變溫度 Tc列于表 7－ 6。從表中可以看到，單個金屬的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都很低，沒有應(yīng)用價值。因此，人們逐漸轉(zhuǎn)向研究金屬合金的超導(dǎo)電性。表 7－ 7 列出一些超導(dǎo)合金的轉(zhuǎn)變溫度，其中 Nb3Ge 的轉(zhuǎn)變溫度為 ，這在 70 年代算是最高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體了。當(dāng)超導(dǎo)體顯示出超導(dǎo)電性時，表示它處于超導(dǎo)態(tài)，否則它處于正常態(tài)。金屬及其合金作為超導(dǎo)材料都是在極低溫下才能進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，假如沒有低溫技術(shù)發(fā)展作為后盾，就發(fā)現(xiàn)不了超導(dǎo)電性，無法設(shè)想超導(dǎo)材料。這里又一次看到材料發(fā)展與科學(xué)技術(shù)互相促進(jìn)的關(guān)系。 低溫超導(dǎo)材料要用液氦做致冷劑才能呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，因此在應(yīng)用上受到很大的限制。人們迫切希望找到 高溫超導(dǎo)體 ，在徘徊了幾十年后，終于在 1986 年有了突破。瑞士 Bednorz和 M252。ller 發(fā)現(xiàn)他們研制的 La－ Ba－ CuO 混合金屬氧化物具有超導(dǎo)電性，轉(zhuǎn)變溫度為 35K。這是超導(dǎo)材料研究上的一次重大突破，打開了混合金屬氧 化物超導(dǎo)體的研究方向。接著中、美科學(xué)家發(fā)現(xiàn) Y－ Ba－ CuO 混合金屬氧化物在 90K 具有超導(dǎo)電性，這類超導(dǎo)氧化物的轉(zhuǎn)變溫度已高于液氮溫度（ 77K），高溫超導(dǎo)材料研究獲得重大進(jìn)展。一連串激動人心的發(fā)現(xiàn)在世界上掀起了 “超導(dǎo)熱 ”。目前新的超導(dǎo)氧化物系列不斷踴現(xiàn)，如 Bi－ Sr－ Ca－ CuO， TI－ Ba－ Ca－ CuO 等，它們的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過了 120K。高溫超導(dǎo)體的研究方興未艾，人們殷切地期待著室溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)。 關(guān)于 C60前面已做了簡單的介紹。它是碳的第三種單質(zhì)結(jié)構(gòu)形式。人們發(fā)現(xiàn)C60與堿金屬作用能形成 AxC60（ A 代表鉀、銣、銫等），它們都是超導(dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度列于表 7－ 8。從表中數(shù)據(jù)看到，大多數(shù) AxC60。超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度比金屬合金超導(dǎo)體高。金屬氧化物超導(dǎo)體是無機(jī)超導(dǎo)體，它們都是層狀結(jié)構(gòu)，屬二維 超導(dǎo)。而 AxC60則是有機(jī)超導(dǎo)體，它們是球狀結(jié)構(gòu)，屬三維超導(dǎo)。因此 AxC60這類超導(dǎo)體是很有發(fā)展前途的超導(dǎo)材料。 超導(dǎo)研究引起各國的重視，一旦室溫超導(dǎo)體達(dá)到實用化、工業(yè)化，將對現(xiàn)代文明社會中的科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響。下面簡單介紹超導(dǎo)體的一些應(yīng)用。 （ 1）用超導(dǎo)材料輸電 發(fā)電站通過漫長的輸電線向用戶送電。由于電線存在電阻，使 電流通過輸電線時電能被消耗一部分，如果用超導(dǎo)材料做成超導(dǎo)電纜用于輸電，那么在輸電線路上的損耗將降為零。 （ 2）超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 制造大容量發(fā)電機(jī)，關(guān)鍵部件是線圈和磁體。由于導(dǎo)線存在電阻，造成線圈嚴(yán)重發(fā)熱，如何使線圈冷卻成為難題。如果用超導(dǎo)材料制造超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，線圈是由無電阻的超導(dǎo)材料繞制的，根本不會發(fā)熱，冷卻難題迎刃而解，而且功率損失可減少 50%。 （ 3）磁力懸浮高速列車 要使列車速度達(dá)到 500kmh1，普通列車是絕對辦不到的。如果把超導(dǎo)磁體裝在列車內(nèi)，在地面軌道上敷設(shè)鋁環(huán)，利用它們之間發(fā)生相對運(yùn)動，使鋁環(huán)中產(chǎn) 生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生磁排斥作用，把列車托起離地面約 10cm，使列車能懸浮在地面上而高速前進(jìn)。 （ 4）可控?zé)岷司圩? 核聚變時能釋放出大量的能量。為了使核聚變反應(yīng)持續(xù)不斷，必須在 108℃ 下將等離子約束起來，這就需要一個強(qiáng)大的磁場，而超導(dǎo)磁體能產(chǎn)生約束等離子所需要的磁場。人類只有掌握了超導(dǎo)技術(shù)，才有可能把可控?zé)岷司圩冏優(yōu)楝F(xiàn)實，為人類提供無窮的能源。 納米陶瓷 從陶瓷材料發(fā)展的歷史來看，經(jīng)歷了三次飛躍。由陶器進(jìn)入瓷器這是第一次飛躍；由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展到精細(xì)陶瓷是第二次飛躍，在這個期間，不論是原材料，還是制備 工藝、產(chǎn)品性能和應(yīng)用等許多方面都有長足的進(jìn)展和提高，然而對于陶瓷材料的致命弱點－－脆性問題－－沒有得到根本的解決。精細(xì)陶瓷粉體的顆粒較大，屬微米級（ 106m），有人用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級（ 109m），用這種所謂超細(xì)微粉體粒子來制造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延性，有的甚至出現(xiàn)超塑性。如室溫下合成的 TiO2陶瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達(dá) 100%，韌性極好。因此人們寄希望于發(fā)展納米技術(shù)去解決陶瓷材料的脆性問題。納米陶瓷被稱為是 21世紀(jì)陶瓷。 納米 陶瓷是納米材料中的一種，納米材料是當(dāng)今材料科學(xué)研究中的熱點之一。什么是納米材料呢？材料絕大多數(shù)是固體物質(zhì)，它的顆粒大小一般在微米極，一個顆粒包含著無數(shù)原子和分子，這時材料顯示的是大量分子的宏觀性質(zhì)。后來人們發(fā)現(xiàn)，若用特殊的方法把顆粒加工到納米級大小，這時一個納米級顆粒所含的分子數(shù)大為減少，用它做成的材料稱為納米材料。納米材料具有奇特的光、電、磁、熱、力和化學(xué)等性質(zhì)，和宏觀材料迥然不同。究竟是什么原因使納米材料具有如此獨特的性質(zhì)，目前還研究得不深入?？偟膩碚f，納米材料的粒子是超細(xì)微的，粒子數(shù)多，表面積大，而且 處于粒子界面上的原子比例甚高，一般可達(dá)總原子數(shù)一半左右。這就使納米材料具有不尋常的表面效應(yīng)、界面效應(yīng)和量子效應(yīng)等，因此而呈現(xiàn)出一系列獨特的性質(zhì)。例如金的熔點是 1063℃ ，而納米金只有 330℃ ，熔點降低近 700℃ ；銀的熔點由金屬銀的 ℃ 降為納米銀的 100℃ 。納米金屬熔點的降低不僅使低溫?zé)Y(jié)制備合金成為現(xiàn)實，還可使不互溶的金屬冶煉成合金。又如納米鉑黑催化劑，由于表面積大，表面活性高，可使乙烯氫化反應(yīng)的溫度從 600℃ 降至室溫；納米鐵的抗斷裂應(yīng)力比普通鐵高 12 倍，等等。納米材料的問世引起人們的濃厚興趣和關(guān)注 ，納米技術(shù)與化學(xué)的一些傳統(tǒng)領(lǐng)域結(jié)合，給這些傳統(tǒng)領(lǐng)域注入新的活力，得以推陳出新。例如把納米技術(shù)用于沸石分子篩，利用沸石分子篩的納米微孔做模板，制造光電材料和分子器件取得了進(jìn)展。面臨21 世紀(jì)，納米材料的發(fā)展方興未艾。