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材料科學中比表面積測定

國儀精測 2008-05-18 | 閱讀：4123

材料科學

　　材料科學（materials science)是研究材料的組織結構、性質、生產流程和使用效能，以及它們之間相互關系的科學。材料科學是多學科交叉與結合的結晶，是一門與工程技術密不可分的應用科學。

　　材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。但并不是所有物質都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。材料可按多種方法進行分類。按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。按用途分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。

　　材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

發展簡史

　　人類社會的發展歷程，是以材料為主要標志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進入新石器時代。新石器時代后期，出現了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程中認識了礦石，并在燒陶生產中發展了冶銅術，開創了冶金技術。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。隨著技術的進步，又發展了鋼的制造技術。18世紀，鋼鐵工業的發展，成為產業革命的重要內容和物質基礎。19世紀中葉，現代平爐和轉爐煉鋼技術的出現，使人類真正進入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世并得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業中一直占有主導地位。

　　20世紀中葉以后，科學技術迅猛發展，作為發明之母和產業糧食的新材料又出現了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應用。先后出現尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅，并在年產量的體積上已超過了鋼，成為國民經濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制備工藝的發展，使陶瓷材料產生了一個飛躍，出現了從傳統陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產業，滿足了電力、電子技術和航天技術的發展和需要。

　　結構材料的發展，推動了功能材料的進步。20世紀初，開始對半導體材料進行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導體等，使電子技術領域由電子管發展到晶體管、集成電路、大規模和超大規模集成電路。半導體材料的應用和發展，使人類社會進入了信息時代。

　　現代材料科學技術的發展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯系，從而出現了一個新的材料領域——復合材料。復合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優越的性能。復合材料作為高性能的結構材料和功能材料，不僅用于航空航天領域，而且在現代民用工業、能源技術和信息技術方面不斷擴大應用。

材料科學的形成

　　材料是早已存在的名詞，但材料科學的提出則是在20世紀60年代。1957年，蘇聯人造地球衛星發射成功之后，美國政府及科技界為之震驚，并認識到先進材料對于高技術發展的重要性，于是在一些大學相繼成立了十余個材料科學研究中心，從此，材料科學這一名詞開始被人們廣泛地引用。

　　材料科學的形成是科學技術發展的結果。這是因為，第一，固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等學科的發展，對物質結構和物性的深入研究，推動了對材料本質的研究和了解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學等對材料本身的研究也大大加強，從而對材料的制備、結構和性能，以及它們之間的相互關系的研究也愈來愈深入，這為材料科學的形成打下了比較堅實的基礎。第二，在材料科學這個名詞出現以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料科學都已自成體系，它們之間存在著頗多相似之處，可以相互借鑒，促進本學科的發展。如馬氏體相變本來是金屬學家提出來的，而且廣泛地用來作為鋼熱處理的理論基礎。但在氧化鋯陶瓷材料中也發現了馬氏體相變現象，并用來作陶瓷增韌的一種有效手段。第三，各類材料的研究設備與生產手段也有很多相似之處。雖然不同類型的材料各有專用測試設備與生產裝置，但更多的是相同或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物理性能和力學性能測試設備等。在材料生產中，許多加工裝置也是通用的。研究設備與生產裝備的通用不但節約了資金，更重要的是相互得到啟發和借鑒，加速了材料的發展。第四，科學技術的發展，要求不同類型的材料之間能相互代替，充分發揮各類材料的優越性，以達到物盡其用的目的。長期以來，金屬、高分子及無機非金屬材料學科相互分割，自成體系。由于互不了解，習慣于使用金屬材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又對其不太了解，不敢問津。相反，習慣于用高分子材料的，也不想用金屬材料或陶瓷材料。因此，科學技術發展對材料提出的新的要求，促進了材料科學的形成。第五，復合材料的發展，將各種材料有機地聯成了一體。復合材料在多數情況下是不同類型材料的組合，通過材料科學的研究，可以對各種類型材料有一個更深入的了解，為復合材料的發展提供必要的基礎。

材料的分類

　　按化學狀態分類 金屬材料無機物非金屬材料陶瓷材料有機材料高分子材料

　　按物理性質分類 高強度材料耐高溫材料超硬材料導電材料絕緣材料磁性材料透光材料半導體材料

　　按狀態分類 單晶材料多晶質材料非晶態材料準晶態材料

　　按物理效應分類 壓電材料熱電材料鐵電材料光電材料電光材料聲光材料磁光材料激光材料

　　按用途分類 建筑材料結構材料研磨材料耐火材料耐酸材料電工材料電子材料光學材料感光材料包裝材料

　　按組成分類 單組分材料復合材料

材料工程技術

　　金屬材料成形

　　機械加工

　　熱加工

　　陶瓷冶金

　　粉末冶金

　　薄膜生長技術

　　表面處理技術：表面改性技術、表面涂覆技術

　　熱處理

材料科學的成果轉化

　　研究與發展材料的目的在于應用，而材料必須通過合理的工藝流程才能制備出有實用價值的材料來，通過批量生產才能成為工程材料。在將實驗室的研究成果變成實用的工程材料過程中，材料的制備工藝、檢測技術、計算機技術等起著重要的作用。材料的實用研究構成了材料科學與技術的結合點。

　　制備工藝

　　材料制備工藝是發展材料的基礎。傳統材料可以通過改進工藝提高產品質量、勞動生產率以及降低成本。新材料的發展與工藝技術的關系更為密切。例如，由于外延技術的出現，可以精確地控制材料到幾個原子的厚度，從而為實現原子、分子設計提供了有效的手段。快冷技術的采用，為金屬材料的發展開辟了一條新路，首先是非晶態的形成，出現了許多性能優異的材料；其次，通過快冷技術得到超細晶粒金屬，提高了材料的性能；此外，通過快冷技術發現了準晶態的存在，改變了晶體學中的某些傳統觀念。許多性能優異、有發展前途的材料，如工程陶瓷、高溫超導材料等，由于脆性和穩定性問題及成本太高而不能大量推廣，這些問題都需要工藝革新來解決。因此，發展新材料必須把工藝技術的研究與開發放在十分重要的位置。現代化的材料制備工藝和技術往往與某些條件密切相聯系，如利用空間失重條件進行晶體生長等；此外，強磁場、強沖擊波、超高壓、超高真空及強制冷卻等都可能成為材料制備工藝的有效手段。

　　檢測技術

　　材料科學的發展在很大程度上依賴于檢測技術的提高。每一種新儀器和測試手段的發明創造，都對當時新材料的出現和發展起到了促進作用。1863年，光學顯微鏡用于金屬材料的研究。隨后又出現了電子顯微鏡、掃描電鏡、高分辨率電鏡，其點分辨率在0.2納米左右，足以觀察到原子，為研究材料的內部組織結構提供了先決條件。而后又出現掃描透射電鏡、掃描隧道顯微鏡，不但可以觀察到原子，分析出微小區域的化學成分和結構，還可用來進行原子加工，為在微觀結構上設計新材料打下了基礎。

　　檢測技術又是控制材料工藝流程和產品質量的主要手段，其中無損檢測不但可以檢查材料的宏觀缺陷，還可監控裂紋的萌生和發展，為材料的失效分析提供了依據。各種檢測用傳感器，利用物理、化學或生物原理來傳遞材料在使用和生產過程中所產生的信息，從而達到控制產品質量的目的。隨著科學技術的發展，各種檢測技術和檢測裝置不斷更新，適應在線、動態及各種惡劣環境測試的檢測裝置將用于材料的研究和生產中。超微材料表面積研究是非常重要的，超微材料的比表面積檢測數據只有采用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的，國內有很多儀器只能做直接對比法的檢測，現在國內已經被淘汰了。目前國內外比表面積測試統一采用多點BET法，國內外制定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的，請參看我國國家標準（GB/T 19587-2004）-氣體吸附BET原理測定固態物質比表面積的方法。比表面積檢測其實是比較耗費時間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的測試可能需要耗費一整天的時間，如果測試過程沒有實現完全自動化，那測試人員就時刻都不能離開，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會導致測試過程的失敗，這會浪費測試人員很多的寶貴時間。國內幾家生產比表面積測定儀廠商中，只有北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測試儀是真正能夠實現BET法檢測功能的儀器（兼備直接對比法），更重要的北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測試儀是迄今為止國內唯一完全自動化智能化的比表面積檢測設備，其測試結果與國際一致性很高，穩定性也很好，同時減少人為誤差，提高測試結果精確性。

　　計算機輔助設計

　　利用計算機技術進行材料設計是發展新型材料的重要手段。材料設計通常分為3個層次。第一個是微觀層次，即運用統計力學與量子力學來研究原子與分子的集體行為。第二個是顯微層次，其大小在微米以上，研究的是許多原子或分子在一定范圍內的平均性質，如形變、磁性等，一般用連續統計方程來描述。第三個層次是宏觀層次，如宏觀性能、生產流程與使用性能間的關系，材料的斷裂以及微觀結構的形成等。計算機技術可以把3個層次的因素都考慮在內，通過建立模型，進行計算機模擬，得出符合預期性能的新材料的最佳成分、最佳結構和最合理的工藝流程。計算機的高速計算能力、巨大的存儲能力和邏輯判斷能力與人的創造能力相結合，可對材料設計提出創造性的構思方案；可從存儲的大量資料中進行檢索和方案比較；可在總體設計和局部設計中進行大量的、非常復雜的數學和力學計算；可對設計方案進行綜合分析和優化設計，確定設計圖樣，提供組織生產的管理信息。這種設計方案大大提高了設計質量，縮短了設計周期，為開發新材料和新工藝創造了條件。

材料的應用研究

　　材料的廣泛應用是材料科學與技術發展的主要動力。在實驗室具有優越性能的材料，不等于在實際工作條件下能得到應用，必須通過應用研究做出判斷，而后采取有效措施進行改進。材料在制成零部件以后的使用壽命的確定是材料應用研究的另一方面，關系到安全設計和經濟設計，關系到有效利用材料和合理選材。材料的應用研究還是機械部件、電子元件失效分析的基礎。通過應用研究可以發現材料中規律性的東西，從而指導材料的改進和發展。

發展趨勢

　　隨著高科技的發展，材料科學和新材料主要在以下幾個方面得到發展。①復合材料是結構材料發展的重點，其中主要包括樹脂基高強度、高模量纖維復合材料，金屬基復合材料，陶瓷基復合材料及碳碳基復合材料等。表面涂層或改性是另一類復合材料，其量大面廣、經濟實用，具有廣闊的發展前景。②功能材料與器件相結合，并趨于小型化與多功能化。特別是外延技術與超晶格理論的發展，使材料與器件的制備可以控制在原子尺度上，這將成為發展的重點。③開發低維材料。低維材料具有體材料不具備的性質。例如零維的納米級金屬顆粒是電的絕緣體及吸光的黑體，以納米微粒制成的陶瓷具有較高的韌性和超塑性；納米級金屬鋁的硬度為塊體鋁的8倍；作為一維材料的高強度有機纖維、光導纖維，作為二維材料的金剛石薄膜、超導薄膜等都已顯示出廣闊的應用前景。④信息功能材料增加品種、提高性能。這里主要是指半導體、激光、紅外、光電子、液晶、敏感及磁性材料等，它們是發展信息產業的基礎。高溫超導材料將會繼續得到重視，并預計在20世紀末達到產業化。⑤生物材料將得到更多應用和發展。一是生物醫學材料，可用以代替或修復人的各種器官、血液及組織等；另一是生物模擬材料，即模擬生物的機能，如反滲透膜等。⑥傳統材料仍將占有重要位置。金屬材料在性能價格比、工藝及現有裝備上都具有明顯優勢，而且新品種不斷涌現，今后仍將有很強的生命力。高分子材料還會大大發展，性能會更優異，特別是高分子功能材料正待開發。工程陶瓷將在性能提高、成本降低的條件下得到發展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，還將不斷發展。⑦C60的出現為發展新材料開辟了一條嶄新的途徑。利用原子簇技術可能發展出更多的新材料。