第十三章 物理学与高新技术

我们日常用到的一些电器，象传真机、电饭煲等，通 电时间长了会发热，就是这个道理。 1. 磁 敏
根据半导体的磁电阻率随着磁场强度的增强而加大的
特性，可以制成磁敏传感器。原因是在磁场中，载流子的 运动发生偏转，它从一个电极到另一个电极所走的路程比
起没有磁场时要长。在此常用的材料是锑化铟加 1％镍，
得到锑化铟、锑化镍共晶，还有砷化铟等材料。
1. 超高温（3000℃以上); 2. 超强度( 每平方米2000 kg 以上) ;
3. 超微比重( 每立方厘米1.3 g 以下）；
4. 多功能； 5. 无污染（可自毁）；
6. 可再生。
随着科学技术的发展，现在具有上述性能的各种材料已 展现在人类面前，并社会生产和生活中日益发挥着重要的作 用。
1. 形状记忆合金 形状记忆合金是一类能“记住”自己形状的奇特金属 材料。当通过处理赋予合金一定形状和变形恢复温度，在 低于变形温度时，合金会相对变软，我们可以在一定范围 内改变合金的形状并使这种改变保持不变。当温度升高到 变形恢复温度以上时，合金会马上恢复到原来形状并可对 外做功。这就是形状记忆效应。 在众多具有形状记忆效应的合金系列中，1963年发现 的钛镍形状记忆合金具有形状记忆特性、相变超弹性、耐 磨耐蚀性、优良的生物相容性等最佳的综合性能，因而在 军工与民用方面得到了最广泛的应用。
陶瓷球阀 除具有金属球阀的绝大多数优点外，更具有 超强的耐腐蚀、耐高温、耐磨损及耐冲蚀等显著特点。广 泛应用于石化、冶金、造纸、电站、炼油等行业的各类酸 碱盐气体、液体、高温蒸汽和泥浆输送系统中。
3. 半导体陶瓷
半导体陶瓷是指导电性能介于导电陶瓷和绝缘介质陶瓷 之间的一类材料，其电阻率介于10-4～10-7之间。这种半导体 的特性与通常单晶(如硅、锗)半导体相比有很大差别。 (1) 半导体陶瓷的化学性质比较复杂，易产生化学计量 比的偏移； (2) 构成半导体陶瓷的氧化物分子多数是离子键，这类 材料中载流子的迁移机理较锗、硅等半导体更为复杂； (3) 半导体陶瓷材料是多晶材料, 存在晶界是其重要特征。 由于晶界的化学、物理特性十分复杂，许多物理效应都 是晶粒界引起。 半导体陶瓷的种类很多，可以制成各种敏感器件。
在电力技术中，采用非晶态合金作为铁芯材料的配电 变压器，其空载损耗可比同容量的硅钢芯变压器降低60％ ~ 80％。 非晶态材料是新一代金属功能软磁材料,表面质量优良， 经热处理后各项磁性能均满足要求,该产品的电磁性能达到 了国内先进水平，用于互感器、传感器、开关电源、电源 变压器上，是坡莫合金、铁氧体材料升新换代产品，广泛 用于电子、通讯、航空航天等领域。
湿敏陶瓷 湿度的测量、控制与调节，对于工农业生 产、气象环卫、医疗健康、生物食品、货物储运、科技国防 等领域均具有十分重要的意义。 陶瓷湿度传感器测试范围宽、响应速度快、工作温度高、 耐污染能力强。故湿敏陶瓷成为人们主要研制、开发的湿敏 材料。 湿敏着重研究水分子的附着，似乎简单，其实未必。因 为在感湿过程中，既有化学吸附，又有物理吸附；既要考虑 电子过程，也不能忽视离子导电，在某些场合下，离子电导 还可能起主导作用。 氧化铝 (Al2O3) ，氧化钽 (Ta2O5) 是主要的感湿薄膜，它 们具有响应快、灵敏度高，线形好等特点。
军工应用：热驱动弹簧元件，拉伸、压缩、弯曲元件， 紧固件、网状元件。
记忆合金民用：医学应用、轻工应用（服装、眼镜、
手机天线）、各类阀门弹簧、防伪材料和其它。
这是一件介绍形状记忆合金
的展品。在一定温度下，形状记 忆合金内部的微观结构会发生晶
相转变，宏观就表现为自身形状
的改变。本展品是将形状记忆合 金材料做成片状。
非晶合金是一种厚度极薄,仅0.03mm 厚的导磁材料。 用非晶合金制造的配电变压器，空载损耗较硅钢系列下降 75%，空载电流比S 9下降50%。 高强的韧性、优良的 耐磨性、完美的磁性使其
代替硅钢、坡莫合金和铁
氧体等成为制作变压器铁 芯、互感器、传感器的理
想材料。
二、陶瓷新材料 新型陶瓷是指采用人工合成的高纯超细粉末原料，以精 确选定的组成配合，在严格控制的条件下，经过成型、烧 结和其它处理而制成的具有微细结晶组织的无机材料。新 型陶瓷与传统陶瓷有着本质上的不同，它具有一系列优越 的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不 能相比的。 陶瓷以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主 要特征，在通信、自动控制、集成电路、计算机技术、信 息处理等方面的应用日益普及，在电子技术、红外技术、 光电子技术以及能源、宇航、机器人等尖端领域中，它已 成为不可缺少的重要材料。
13. 1 新 材 料 金属新材料
陶瓷新材料
敏感材料 复合材料
一、金属新材料
材料、能源、信息技术被认为是现代文明的三大支柱， 而材料可以说是人类社会文明大厦的基石。从现代科技发 展史可以看出，每一项重大的新技术发现，往往都依赖于 新材料的发展。所谓新材料是指最近发展或正在发展中的 具有比传统材料更为优异的性能的一类材料。目前世界上 的传统材料已有几十万种，而新材料正以每年大约 5% 的 速度增长。现今全世界已有 800 多万种人工合成的化合物， 而且每年还以25万种的速度递增，其中有相当一部分将成 为新材料。当前所进行的这场新材料技术革命，对材料提 出了前所未有的高要求。 这些要求是：
拉丝机耐磨部件 是无机非金属配件，广泛应用于电 线、电缆、电子等部门的线材生产上。产品表面加工光洁 度高 , 同时本身具有自润滑作用，具有更高的精度，更耐 磨,使用寿命亦可提高数倍。
密封件
该产品可用于冶金、化工、医药、食品、耐
腐蚀泵、汽车、机械行业的密封装置和滑动装置，具有气
密封性好、寿命长等特点。
三、敏感材料 敏感元器件及传感器属于电子装备制造业中的基础类 产品， “七五”期间，我国把机械敏、力敏、气敏、湿敏。 生物敏作为主要研究方向；“九五”和”十五”期间，敏 感元件及传感器成为重点发展的新型特种电子元器件。目 前我国能批量生产或小批量生产的产品涉及光敏、电压敏、 热敏、力敏、气敏、磁敏和湿敏7大类、约3000个品种，应 用领域十分广泛。 智能化、微型化、低功耗、无线传输、便携式将成为 新型传感器的发展方向。 今后几年，传感器市场的产品需求结构将向投资类产 品发展，国内应重点研发的传感技术包括：
压敏半导体陶瓷 是指材料所具有的电阻值，在一定电 流范围内具有非线性可变特性的陶瓷，用这类陶瓷制成的元 器件又称非线性电阻器，它在某一临界电压下电阻值非常高， 几乎无电流流过，当超过临界电压时，电阻急剧变低，随着 电压的少许增加，电流会迅速增大，具有这种特殊非线性特 性的材料包括硅、锗等单晶半导体及 SiC， TiO2 ，BaTiO3 ， SrTiO3，ZnO等半导体陶瓷，其中以ZnO半导体陶瓷的特性 最佳。 ZnO压敏电阻器的应用很广，在过电压保护方面是十分 重要的。ZnO 避雷器可以用于由雷电引起的过电压和电路工 作状态突变造成电压过高，使正常运行状态的过电压线路得 到保2) 汽车传感器; (3) 环保传感 器; (4) 工业过程控制传感器; (5) 医疗卫生与食品监测传 感器; (6) 新型敏感材料。
厚膜微压传感器 采用厚膜敏感技术研制的新型传感 器, 其品种涉及力学、湿度、气体、温度、光学等，几乎覆
盖了所有物理化学量传感器。目前， 基于纳米材料及技术进行厚膜敏感 材料及传感器研究已成为国内外传 感技术研究的热点 , 也是新型传感 器研究开发的重要研究方向和基础 技术之一。正和微机械加工技术、 薄膜技术相辅相成，取长补短，有 力地推动着传感技术的发展。
魔力水车
形状记忆合金可以像橡皮筋一样拉伸，但是能够记住初 始形状，拉伸之后一旦加热到一定温度就会变回原来的形状。 它可以用作航天器 上的轻型温度控制 调节器。在太空中 形状记忆合金上的 轻型温度控制调节 器。在太空中形状 记忆合金可以被用 来在航天器发射之 后释放太阳能电池 板。
2. 非晶态合金 非晶态合金是一种高新技术材料，具有卓越的物理、 化学和力学性能，是电力、电子、计算机、通讯等高新技 术领域的关键材料，市场需求大，产业化前景非常广阔， 而且它的发展和应用可带动一批相关领域的技术进步和协 同发展。采用非晶态合金制备的高耐磨音频、视频磁头在 高档录音、录相机中广泛应用；而采用非晶丝复合强化的 高尔夫球杆、钓鱼杆已经面市。 在电子技术中，非晶态合金以其高效、低损耗、高导 磁等优异的物理性能有力促进了电子元器件向高频、高效、 节能、小型化方向的发展，并可部分替代传统的硅钢、坡 莫合金和铁氧体等材料。
半导体气敏陶瓷 人们在研制试验各种陶瓷时，发现 半导体陶瓷作为气敏材料的灵敏度非常高。氧化锡气敏材 料可检测甲烷、乙烷等可燃性气体。氧化铱系材料是测氧 分压最常用的敏感材料。 此外，氧化铁、氧化钨、氧化铝等氧化物都有一定的 气敏特性。它们通过有选择地吸附气体，使半导体的表面 能态发生改变，从而引起电导率的变化，以此确定某种未 知气体及其浓度。目前探测诸如一氧化碳、酒精、煤气、 苯、氢、二氧化硫等气体的气敏陶瓷已经获得了成功。 半导体陶瓷气敏材料在工业上有着极为广阔的应用前 景。如对煤矿开采中的瓦斯进行控制与检测，对煤气输送 和化工生产中管道气体泄漏进行监测等。
厚膜微压传感器
热磁敏感材料 “ 电”是当今社会最重要的动力之一，在我国很多地 区，冬春季节，常常会停电。这主要是由于输电线路结冰 断裂发生故障造成的。在我国南方的广大地区，冬天的气 温大多保持在 0-5摄氏度，输电线路容易结冰。电线上的 冰越结越厚，就会坠断电线，引起停电。我国每年都要为 抢修电线花费大量的人力物力。 首钢冶金研究院的专家们很想解决这个问题。他们找 到了一类被称作“铁磁体”的金属。所谓“铁磁体”就是 可以和磁铁相互吸引的金属的总称。这种材料经过高温处 理之后，作成输电用的缆线。当电流通过的时候，自身会 产生一定的热量，这一反应被称为热磁转化。
2. 压电陶瓷 压电陶瓷是一类晶体物质， 它在受到机械压力时，会产 生压缩或伸长等形状变化。随着形状的变化，这种晶体两面 会产生不同的电荷，这样，当声波作用在压电陶瓷上的时候， 电荷就会变成电讯号。反之，它在交流电压的作用下，又能 一会儿伸长，一会儿缩短，变成振动，产生声音。这种现象 在物理学上叫压电效应，具有这样效应的陶瓷叫压电陶瓷。 1947年，第一个压电陶瓷器件— 钛酸钡拾音器诞生了。 50 年代初， 又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料 — 锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶 段。用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸 铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材 料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。