科学观察, 2018, 13(6): 40-41 doi: 10.15978/j.cnki.1673-5668.201806005中国热点论文分析二维材料研究现状及展望梁涛, 徐明生*浙江大学信息科学与电子工程学院,硅材料国家重点实验室 杭州 310027Online: 2018-12-15作者简介 About authors梁涛,浙江大学博士后,助理研究员,从事二维材料制备以及器件研究徐明生,浙江大学信息与电子工程学院教授,主要从事二维材料及器件研究 。二维材料是一大类材料的统称,指的是在一个维度上材料尺寸减小到极限的原子层厚度,而在其他两个维度,材料尺寸相对较大。最典型也是最早实验证明的二维材料是石墨烯。2004年,K. S. Novoselov等人在Science杂志发表文章,报道了通过机械剥离的方法从高取向的裂解石墨中获得了石墨烯,且证明了其独特优异的电学性质。自此之后,以石墨烯为代表的二维材料获得了快速的发展,新的二维材料如雨后春笋般涌现。得益于其原子层厚度方向上的量子局限效应,这些二维材料展示出与其对应的三维结构截然不同的性质,因此受到了科学界和工业界的广泛关注。除石墨烯之外,其他的二维材料还包括：单元素的硅烯、锗烯、锡烯、硼烯和黑磷等,过渡金属硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等,主族金属硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等,以及其他二维材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。这些二维材料具有完全不同的能带结构以及电学性质,覆盖了从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体等材料类型。同时,他们也具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质。通过堆垛种类不同的二维材料,可以构筑功能性更强的材料体系。因此,这些材料有望在高性能电子器件、光电子器件、自旋电子器件以及能源转换和存储等领域得到应用。现阶段对于二维材料的研究集中在制备、表征、修饰改性、理论计算以及应用探索等几个方面,且均已取得了很大的进展。例如,在制备方面,机械剥离法被广泛用来制备得到二维材料样品,供实验室物性研究以及器件制作;利用化学气相沉积的方法可以制备大面积、高质量、层数可控的石墨烯以及部分过渡金属硫族化合物材料,为商业化应用奠定了基础。对于二维材料的表征,研究人员已经建立起互补的光谱学以及电子传输学等一系列表征手段。修饰改性也是二维材料发展的一个很重要的方面,通过掺杂、化学修饰、静电调控、合金等手段,可以最大程度地规避材料本身的不足,发挥其优势。理论计算在二维材料的发展中起到了至关重要的作用,通过理论计算可以发掘更多的新型二维材料,预测其性能,解释观察到的现象,指导实验设计。在应用方面,基于石墨烯的高频晶体管的构筑,基于MoS2的短沟道的场效应晶体管和隧穿晶体管,以及其他高效发光以及光探测器件的实现,都展现出了二维材料巨大的应用潜力
二维半导体二硫化钼的研究及发展现状在光电器件领域具有广阔的应用前景。根据相关公开信息查询显示二硫化钼(MoS2)是一种典型的过渡金属硫属化合物，其二维结构表现出优异的光学性能、热电性能及光电性能，在光电器件领域具有广阔的应用前景。二硫化钼二维材料的独特结构和性能使得其在清洁能源领域表现出了广阔的应用前景。
作为纳米技术研究的新领域，二维（2D）铁磁（FM）材料在自旋电子学、传感器、存储技术等工程领域有巨大的应用潜力。目前已经有大量的二维铁磁材料被计算预测，包括一些通用的二维材料数据库，包含数百到数千个条目。然而，这些数据库都没有包含与实际应用相关的2D铁磁材料的最关键参数：转变温度或居里点（TC ）。这是因为TCIS的计算确定是一个非常复杂的过程，它涉及到基于人工启发的基态和低能自旋组态搜索。
来自印度科学院（IISc）电子系统工程系纳米器件研究实验室Arnab Kabiraj团队开发了一个程序，该程序执行基于第一原理的计算，然后进行基于海森堡模型的蒙特卡罗模拟，以从任何磁性二维材料晶体结构准确预测居里点。基于此代码的程序能够以高通量的方式执行计算，使用此代码能够从合适的数据库确定材料的居里点。令人惊讶的是，786种材料中有47%被归为FM，成功地测定了157种材料的TC 等磁性能。对于一些材料，预测结果与实验测量的TC 非常接近，验证了高通量方法的准确性。为了更快地发现高TC材料，进一步开发了使用这157个数据点的机器学习（ML）流水线。使用这个ML模型，可以从文献和其他数据库中识别出一些高居里温度的2DFM材料。本方法采用的信息学在准确性和效率之间达到了最佳平衡，提供了前所未有的机会来比较大量具有不同结构的材料的磁性，这可能会导致对二维磁性的许多新的见解。本研究证明了机器学习模型可以非常精确地捕捉与温度有关的自旋翻转的复杂过程。因此，可以大大提升计算材料的效率，并以促进二维磁性的快速筛选和实际应用。
该文近期发表于npj Computational Materials 6 : 35 (2020)，英文标题与摘要如下，点击可以自由获取论文PDF。
High-throughput discovery of high Curie point two-dimensional ferromagnetic materials
Arnab Kabiraj, Mayank Kumar and Santanu Mahapatra
Databases for two-dimensional materials host numerous ferromagnetic materials without the vital information of Curie temperature since its calculation involves a manually intensive complex process. In this work, we develop a fully automated, hardwareaccelerated, dynamic-translation based computer code, which performsfirst principles-based computations followed by Heisenberg model-based Monte Carlo simulations to estimate the Curie temperature from the crystal structure. We employ this code to conduct a high-throughput scan of 786 materials from a database to discover 26 materials with a Curie point beyond 400 K. For rapid data mining, we further use these results to develop an end-to-end machine learning model with generalized chemical features through an exhaustive search of the model space as well as the hyperparameters. We discover a few more high Curie point materials from different sources using this data-driven model. Such material informatics, which agrees well with recent experiments, is expected to foster practical applications of two-dimensional magnetism.
本人从智网上找的 有PDF格式 这是从上面转下来的 统磁体以单原子或离子为构件,三维磁有序化主要来自通过化学键传递的磁相互作用,其制备采用冶金学或其一、引 言他物理方法;而分子磁体以分子或离子为构件,在临界 作为一种新型的软材料,分子基材料(molecule2based温度以下的三维磁有序化主要来源于分子间的相互作materials)在近年来材料科学的研究中已成为化学家、物用,其制备采用常规的有机或无机化学合成方法.由于理学家以及生物学家非常重视的新兴科学领域[1].分子在分子磁体中没有伸展的离子键、共价键和金属键,因基材料的定义是,通过分子或带电分子组合出主要具有而很容易溶于常规的有机溶剂,从而很容易得到配合物分子框架结构的有用物质.顾名思义,分子基磁性材料的单晶,有利于进行磁性与晶体结构的相关性研究,有(molecule2based magnetic materials) ,通称分子磁性材料,利于对磁性机制的理论研究.作为磁性材料,分子铁磁是具有磁学物理特征的分子基材料.当然,分子磁性材体具有体积小、相对密度轻、结构多样化、易于复合加工料是涉及化学、物理、材料和生命科学等诸多学科的新成型等优点,有可能作为制作航天器、微波吸收隐身、电兴交叉研究领域.主要研究具有磁性、磁性与光学或电磁屏蔽和信息存储的材料.导等物理性能相结合分子体系的设计、合成.我们认为, 分子磁性研究始于理论探索.早在 1963 年McCo2分子磁性材料是在结构上以超分子化学为主要特点的、nnel[2]就提出有机化合物可能存在铁磁性,并提出了分在微观上以分子磁交换为主要性质的、具有宏观磁学特子间铁磁偶合的机制.1967 年,他又提出了涉及从激发征并可能应用的一类物质.态到基态电子转移的分子离子之间产生稳定铁磁偶合 分子铁磁体是具有铁磁性质的分子化合物,它在临的方法[3].同年,Wickman[4]在贝尔实验室合成了第一个界温度(Tc)下具有自发磁化等特点.分子磁体有别于传分子铁磁体.之后,科学家们相继报道了一些类铁磁性统的不易溶解的金属、金属合金或金属氧化物磁体.传质的磁性化合物,但直到1986年前,这些合成的磁性化·15 ·? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 专题综述Ziran Zazhi Vol.24 No.1合物没有表现出硬铁磁所具有的磁滞特征.1986 年,材料理论的精确预言和计算是相当困难的,而且,分子Miller等人[5]将二茂铁衍生物[Fe(Cp3)2](Cp3为五甲基磁性材料中包含的原子和分子基团更多,空间结构的基环戊二稀)与四氰基乙烯自由基(TCNE)经电荷转移合对称性更复杂,局部的磁交换的途径也体现出多样性,成了第一个分子铁磁体[Fe(Cp3)2]+[TCNE] ,其转换温使得目前的研究还处于实验经验的积累和定性的解释度 T上.尽管如此,科学家们对分子磁交换的机制进行了大c=4.8 K.与此同时,Kahn 等人[6]报道了具有铁磁性的MnCu(pbaOH)·(H量的研究,提出了许多近似理论模型,并基于这些模型2O)3分子化合物.从此,分子磁体的研究引起了人们的广泛关注,分子基磁性材料也应和大量的实验数据,在磁性与结构的关系研究中取得了运而生.一定的进展.对于一些对称性较高的体系,根据自旋相 开始,由于分子间的磁相互作用较弱,分子磁体的互作用的 Hamilton可由量子力学求出磁化率的解析形转换温度式T,然后根据实验数据计算出磁偶合系数 J 值,探索随c通常远远低于室温,难于达到应用的要求.结构的变化关系.对于对称性较差及组成较为复杂的体但是,第一个室温分子磁体V(TCNE)2·xCH2Cl2在1991系,自旋 Hamilton 的解析解很难求出.此时可用 Monte年由Manriquez[7]报道出后,虽然是一个不稳定的电荷转Carlo方法对物理过程进行模拟,求出磁偶合系数 J[10].移钒配合物,但近年来,分子磁性的研究已取得了令人 根据产生磁性的具体类型,磁交换机制主要通过以鼓舞的进展,Verdauger[8,9]报道了 Tc高达340 K的稳定下途径来实现:类普鲁士蓝的分子铁磁体. (1) 磁轨道正交 根据 Kahn等人的分子轨道理论,顺磁离子A与B之间的磁相互作用(J)由两部分贡献组二、分子磁性中的物理基础成,即铁磁贡献和反铁磁贡献,J = JF+ JAF.当A中未成对电子所占据的磁轨道与B中未成对电子所占据的磁 分子磁体的磁性来源于分子中具有未成对电子离轨道互相重叠时,它们之间的相互作用为反铁磁偶合,子之间的偶合,这些偶合相互作用既来自分子内,也可重叠积分越大,反铁磁偶合越强;当A与B中未成对电来自于分子间.分子内的自旋- 自旋相互作用往往通过子所占据的磁轨道正交时,它们之间的相互作用为铁磁“化学桥”来实现磁超相互作用.所以,分子磁性材料兼偶合.如图(1)中(a)、(b)所示.如果铁磁偶合与反铁磁偶具磁偶极- 偶极相互作用和超相互作用,故该类材料的合同时存在,通常反铁磁偶合强于铁磁偶合,因此只有磁性比常规的无机磁性材料表现出更丰富多彩的磁学当 JAF为零时,A与B间才为铁磁偶合.如在CsNiⅡ[CrⅢ性质.(CN)6]·2H2O[9]中,CrⅢ的磁轨道具有t2g对称性,而NiⅡ 根据铁磁体理论,要使材料产生铁磁性,首先体系的磁轨道具有e的原子或离子必须是顺磁性的g对称性,二者互为正交轨道,因而呈现,其次它们间的相互作用铁磁性偶合( T是铁磁性的.对于分子磁性材料,一个分子内往往包含c=90 K).当磁轨道正交时,铁磁偶合的一个或多个顺磁中心,即自旋载体,按照 Heisenberg 理大小依赖于轨道间的距离.论,两个自旋载体之间的磁交换作用可用以下等效Ham2 (2) 异金属反铁磁偶合 对于两个具有不同自旋的ilton算符来表示:顺磁金属离子,SA≠SB若A与B间存在磁相互作用,有^H两种情况:当A与B 间的磁相互作用为短程铁磁偶合ex= - 2J^S1^S2(1)其中时,总自旋 SJ 为交换积分,表示两个自旋载体间磁相互作用的T= SA+ SB;当A与B间的磁相互作用为反类型和大小. J 为正值时为铁磁性偶合,自旋平行的状态铁磁偶合时,总自旋 Sr=| SA- SB| (如图1中(c) (d)所为基态;J 为负值时为反铁磁性偶合,自旋反平行为基示).顺磁离子A和B间的磁相互作用大多为反铁磁偶态.如对分子磁性材料:A- X- B 体系(A,B 为顺磁中合.当为反铁磁偶合时,若 Sr= SB,则 Sr=0;若 SA与心,X为化学桥) ,X作为超交换的媒介使A和B发生磁SB不相等,则有净自旋,当在转换温度以下,净自旋有性偶合,设 SA= SB=1P2,则当反铁磁偶合时,分子基态序排列,使体系呈现亚铁磁性.因此,利用异金属之间反用单重态和三重态的能量差来表示:J = E铁磁偶合是构建高自旋分子的另一条有效途径.如CsMnS- ET. 磁相互作用研究的目的在于了解磁交换的机理,寻[Cr(CN)6] ,Mn2+的自旋为 SA=5P2,而Cr3+的自旋为 SB找磁性与结构之间的关系,并反过来指导分子磁性材料=3P2,二者之间产生反铁磁偶合,净自旋 ST= SA- SB的设计和合成.和通常的磁性材料一样,对分子基磁性=1P2,在低于转换温度( Tc=90 K)时,配合物表现为亚1·6 ·? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 自 然 杂 志 24卷1期专题综述铁磁性[11].以分为下面几类:1. 有机自由基分子磁体 化合物中不含任何带磁性的金属离子,大多由 C,H,O,N四种有机元素组成的磁体材料.其自旋载体为有机自由基,如氮氧自由基.McConnel 早在1963 年就提出有机化合物内存在铁磁偶合的机制[2].制备方法采用有机合成方法.由于它们具有有机材料特殊的物理、化学图性能,因而是更具应用前景的分子铁磁材料.但直到今1 相同自旋之间的偶合:(a) 铁磁偶合;(b) 反铁磁偶合; 不同自旋之间的偶合:(c) 铁磁偶合;(d) 亚铁磁偶合日,纯有机分子磁体的转换温度仍极低,和有机超导材料一样,在小于50 K的低温区.日本科学家在这方面的 (3) 电荷转移 对给体- 受体电荷转移类配合物,工作做得很好.目前,得到广泛研究并进行了结构标定如[FeCp32]+[TCNE]-,基态时,[FeCp32]+的自旋为1P2,的有机铁磁体主要有氮氧自由基及其衍生物[14]、C60[TCNE]-的自旋也为1P2.在这样一个系统中,由于电荷(TDAE)(TDAE为四(二甲胺基) - 1,2- 亚乙基)[15]等.转移,形成激发三重态.在[FeCp32]+与[TCNE]-交替排列形成的链中,阳离子与前后两个[TCNE]-等距离,它2. 金属- 有机自由基分子磁体的e2g电子可向前后两个[TCNE]转移,形成 S =1的激发 化合物中含有带磁性的过渡金属或稀土金属离子,态.基态激发态混合后,降低了体系能量,使自旋取向沿同时也含有机自由基的基团,故有两种以上的自旋载体着一条链形成.如果每个链的取向都是平行的,且链间存在,并发生相互作用,由这种金属或金属配合物与自和链内[FeCp32]+与[TCNE]-位置相当,那么e2g电子可由基两种自旋载体组装的化合物,也可以构建分子铁磁以在链间传递,从而进一步稳定了体系,导致了相邻链体.其中有些是有机金属与自由基形成的电荷 转移盐的自旋平行取向,产生宏观的铁磁性现象[12].体系. (4) 有机自由基与多自由基 自从1991 年日本京 美国的Miller和Epstein教授在这个体系中作出了卓都大学的 Takahashi 等[13]成功地合成了基于 C、H、O、N越的贡献,首先他们发现了[M(Cp32][TCNZ](Z=Q或四种元素组成的有机铁磁体,使人们认识到含有氮氧自E,TCNE为四氰基乙烯,TCNQ为四氰代对苯醌二甲烷,M由基的有机化合物也是制备分子铁磁体的一条有效途(C3p)2为环戊二烯金属衍生物)[12]. 如,[Fe(Cp3)2]径.氮氧自由基与金属配合物形成的磁偶合体系已成为[TCNZ]为一变磁体(它有一反铁磁基态,但在临界外场分子铁磁体研究领域的一个重要方面.为1500Oe时,转变为具有高磁矩的类铁磁态) ,它由[Fe(Cp3)2]+阳离子与[TCNQ]-阴离子交替排列形成平行三、分子基磁性材料的分子设计和目的一维链,每一个离子均有一未成对的电子自旋[16].磁 前热点研究体系有序要求在整体上的自旋偶合,因此,直径较小的[TC2NE]-将比[TCNQ]-有较大的电子密度,预期将有利于 分子磁体的设计与合成实质上是一个在化学反应自旋偶合.实际情况证明了这一点,[Fe(Cp3中分子自组装的过程.选择合适的高自旋载体(砖头) ,2)]+[TC2NE]-由阳离子与阴离子交替排列构成一维链,在4.8 K这可以是金属离子或具有自旋不为零的有机自由基,通以下表现为磁有序过非磁性的有机配体等桥梁基团作为构筑元件(石灰),在 T=2 K时,其矫顽力为1 000Oe,,超过了传统磁存储材料的值[17]以一定的方式无限长地联接起来.为了提高磁有序温度,,如通过脱溶剂法处理、改变抗衡离子或改变配体等途径他们又开创了M[TCNE],形成分子内部间x·yS(M=V,Mn,Fe,Ni,Co;S为的强相互作用和单元间弱相互作用的超分子结构.通过溶剂分子) 另外一类电荷转换盐分子磁体的研究工调控无限分子P分子单元(或链、层)间磁相互作用的类型作[18].并发现第一个室温以上的分子磁体V[TCNE]x·和大小,组装成低维或三维铁磁体.但就目前来说,除选yCH2Cl2,其 Tc高达400 K.值得一提的是,在常温下它显择合适的高自旋载体和桥联配体外,控制分子在晶格中示出矫顽力超过无机磁体,薄膜材料也在积极的研究堆砌方式也十分重要.中,已接近应用.遗憾的是,这类化合物的结构至今仍是 按照自旋载体和产生的磁性不同,分子磁性材料可不清楚.近年来,Miller等对[MnⅢTPP]+[TCNE]-(H2TPP·17 ·? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 专题综述Ziran Zazhi Vol.24 No.1为中心四苯卟啉)类分子磁体也进行了广泛的研究.有物在低温下,能够被光激发而发生从铁磁体到顺磁体的关的综述论文可参考文献[12]和[19].可逆转跃迁,是非常有实际应用的特性. Mn( Ⅱ) - 氮氧自由基链状配合物Mn(hfac)2(NIT2 草酸根桥联的双核或异双核金属配位物分子磁体Me)[20](hfac是六氟乙酰丙酮,NITMe 为2- 甲基- 4,4,一直吸引着人们的注意.具有D3对称性的[MⅢ(ox)3]3-5,5- 四甲基咪唑啉- 1- 氧基- 3- 氧化物自由基,Tc是一个非常有用的建造单元.它在3个不同的方向上都=7. 8 K) 及 Cu ( Ⅱ) 自由基配合物 [Cu (hfac)2]有“钩子”,能轻而易举地把别的金属离子拉进来而形成(NIT[21]多维的金属离子交替排列,从而成为二维或三维分子磁pPy)2(NITpPy为2- (2’吡啶 - 4,4,5,5- 四甲基咪唑啉- 1- 氧基- 3- 氧化物)是另一类的金属- 有体.如A[MⅡMⅢCr(ox)3](A =N(n - C4H9)+4、N( n -机自由基分子磁体.近年来,这类分子铁磁体的研究进C6H5)+4等) ,当MⅢ=Cr( Ⅲ) ,MⅡ为Mn(Ⅱ) ,Cu( Ⅱ) ,Co展很大,已由单自由基- 金属配合物扩展到多自由基-(Ⅱ) ,Fe( Ⅱ)和Ni( Ⅱ)时,其 Tc分别为6,7,10,12,14金属配合物.由于多自由基较单自由基有更多的自旋中K[26];当MⅢ=Fe( Ⅲ) ,MⅡ为Fe(Ⅱ) ,Ni(Ⅱ) ,Co( Ⅱ)时,心和配位方式,并且与金属配位更易形成多维结构的优Tc=30～50 K[27].点,多自由基—金属配位物的研究已成为分子磁体研究 草胺酸根合铜[Cu(opba)]2-、[Cu(pba)]2-及[Cu的热点之一[22].(pbaOH)]2-含有未配位基团,可作为形成多核配合物的前体.此前体具有两个桥基,易与Mn2+、Fe2+等阳离子3.金属配合物的分子磁体形成异双金属链而构成一维链状配合物,链内通过铁磁 金属配合物分子磁体是目前研究得最广泛、最深入或反铁磁偶合得到铁磁链或亚铁磁链,链间的铁磁或反的一类分子磁体,其自旋载体为过渡金属.在其构建单铁磁偶合导致材料的宏观磁性表现为铁磁或反铁磁性.元中,可以形成单核、双核及多核配合物.由这些高自旋这类分子磁体转变温度低,如由双草酰胺桥联的锰铜配的配位物进行适当的分子组装,可以形成一维、二维及合物MnCu(pbaOH)(H2O)3,Tc=4.6 K[28].三维分子磁体,可以形成链状或层状结构.根据桥联配 除此之外,近十年来化学家们对由三叠氮(N3)配体位体的不同,这类分子磁体主要包括草胺酸类、草酰胺桥联的多维化合物产生了极大的兴趣,这是因为三叠氮类、草酸根类、二肟类、氰根类等几种类型.配体主要以两种方式连接金属离子,见图2,分别对应反 报告的第一个这种类型的分子磁体是中间自旋 S =铁磁偶合和铁磁偶合,便于对分子磁性的设计.单独由3P2的FeⅢ(S2CNEt2)2Cl[4],在温度为2.46 K以下表现为三叠氮配体桥联或混入其他有机桥联配体,可构成一磁有序,但无磁滞现象.接着便是基于双金属的低温铁维,二维和三维的配位聚合物,形成独特的磁学性质并磁有序材料[CrⅢ(NH3)6]3+[FeⅢCl6]3-( Tc=0.66 K和在一定温度下构成分子磁体[29].这方面,我国的南京大亚铁磁有序材料[CrⅢ(NH3)6]3+[CrⅢ(CN)6]3-( Tc=2.学和南开大学也做出了很好的工作[30,31].85 K) ,它们同样不具有磁滞现象[23,24]. 近年来,由法国科学家Verdaguer发现普鲁士蓝类配合物所表现出的较高的转换温度,大的矫顽力,使得普鲁士蓝类磁性配合物越来越吸引人们的注意[25].普鲁士蓝类分子磁体是基于构筑元件M(CN)k-6与简单金属离子通过氰根桥联的类双金属配合物,双金属离子均处于八面体配位环境,并通过氰桥连接成三维网络.其组成形式为 Mk[M’(CN)6]l·nH2O 或 AMk[M’(CN)6]l·nH2O(M和M’为不同的顺磁性,化合物为铁磁体,如图2 三叠氮配体和金属离子以及对应的磁交换Cu3[Cr(CN)6]2·15H2O( Tc= 66 K) 、Cu3[Fe(CN)6]2·12H4. 单分子磁体(Single2Molecular Magnets)2O(Tc=14 K) 、Ni3[Cr(CN)6]2·14H2O( Tc=23 K)均为铁磁体.若两个金属离子磁轨道重叠,它们之间的磁 以上情况都是分子被连接成聚合物后产生非常强偶合为反铁磁性,化合物为反铁磁体或亚铁磁体,如的分子间相互作用.从另一个角度,若分子间相互作用(Net4)0.5Mn1.25[V(CN)6]·2H2O( Tc=230 K) 、CrⅡ3[CrⅢ很小可忽略,则分子被隔离成一个个独立的磁分子.当(CN)6]2·10H2O( Tc=240 K)[25].有价值的是,这类化合分子内含有多个自旋离子中心并发生磁偶合时,则总分1·8 ·? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 自 然 杂 志 24卷1期专题综述子的磁矩决定于磁偶合后的最低能态,这时就可能出现域.如在本文中提到的:转换温度超过室温的分子基铁基态为自旋数较高的稳定态,在磁场的作用下产生准连磁和亚铁磁体材料的发现;具有高自旋的多核配合物在续的激发态能级.所以整个分子的磁矩在外场下,沿外低温下表现出磁性的单分子磁体的发现;在室温以上具场的方向偏转时需要克服一个较大的势垒,这种势垒来有大的磁滞现象的自旋交叉配合物的发现;分子基磁体自零场分裂的磁各向异性.有时也称这种现象为自旋阻的光磁、热磁效应;以及分子基磁体的 GMR、CMR效应挫(spinfrustration)[32].这种依赖于外磁场的双稳态(bist2等.所有这些成果都预示着分子磁性材料光明的未来.ability)被看作是新一代信息材料应用的基础.目前所发 相比于传统的磁性材料,由于广泛的化学选择性,现的单分子磁体主要包括Mn12和Mn14离子簇、Fe8离子可以从分子级别上对分子磁性材料进行修饰和改良;作簇和 V为磁性材料4离子簇等三类,如基态为 S = 10 的 Mn12O12,分子铁磁体具有体积小、相对密度小、能耗(O[33]小及结构的多样化等优点,其制备的方法大多为常规的2CMe)16(H2O)4.有意义的是,当这种单分子体积大到一定值时,可被认为是一种尺寸单一的可磁化的纳化学方法,便于做成各种形态的产品,所体现的性质有米材料,具有不可估量的应用前景.些是传统的磁性材料不可替代的.已发现这类新物质可能成为各类高科技材料,特别是新一代的信息存储5. 自旋交叉配合物材料. 众所周知 当然,当配合物分子内的自旋离子中心减少到,作为一种新生的材料,有很多方面仍需要进仅一个时一步研究和改进,这也是我国科学家在基础研究和应用,分子间的相互作用又很小,配合物显示出独立离子的特性科学走向世界前列的良机.可以预见,在未来的发展中,,为近似理想的顺磁性.具有3d4- 3d7电子配置的过渡金属配合物分子基磁性材料将可能在:①高,在八面体配位结构下,电子Tc温度的分子磁体;②在五个d电子轨道上的排布,可能会受到配位场e提高材料的物理稳定性;③透明的绝缘磁体;④易变、易g和t2g加工的分子磁体轨道之间的能隙Δ大小的影响;⑤和其他物理性能结合的复合磁性材,当Δ平均电子对能p相料近时;⑥超硬和超软磁体; ⑦液体磁体等方面着重探索和,化合物的自旋态可能由于某些外界条件的微扰,得到发展可呈现高自旋态与低自旋态的交叉转变[34].(.最典型的是2000年8月29日收到)一些Fe(Ⅱ)配合物,发生高自旋态5T1 Alivisatos A. P. ,Barbara P. F. ,Castleman A. W. ,et. al. Adv. Ma22(S =2,顺磁性)与ters. ,1998;10:1297低自旋态1A1(S =0,抗磁性)的转变,伴随自旋相变,化2 McConnel H.M. J. Chem. Phys. ,1963;39:1910合物可能有结构甚至和颜色的变化.有一些的转变温度3 McConnel H.M. Proc. R.A. Welch Found. Chem. Res.1967;11:144还在常温区,如[Fe(Htrz)4 Wickman H.H. ,Trozzolo A.M. ,Williams H.J. ,et. al. Phys. Rev. ,3- 3x(NH2trz)3x](ClO4)2·H2O1967;155:563(trz=1,2,4 三唑类) ,在常温下从紫色(低自旋)随温度5 Miller J.S. ,Calabrese J.C. ,Epstein A.J. ,et. al. J. Chem. Soc. ,上升转为白色(高自旋).成为另一种新的可利用的双稳Chem. Commun,1986;10266 Pei Y. ,Verdauger M. ,Kahn O. ,et al. J. Am. Chem. Soc. ,1986;态现象[35].1984年,Decurtins等人首次观察到光诱导自108:7428旋交叉效应[36],并随后在低温下利用光对自旋态的激发7 ManriquezJ.M. ,Yee G.T. ,Mclean R.S. ,et al. Science,1991;252:和调控进行了深入研究,期望能用作纳秒级的快速光开14158 FerlayS. ,Mallsah T. ,Ouahes R. ,et al. Nature,1995;378:701关和存储器[34].我国在自旋交叉研究方面也取得了可喜9 Mallah T. ,Thiebaut S. ,VerdaguerM. ,et al. Science,1993;262:1554的成绩[37],如发现温度回滞宽度近55 K的自旋交叉化10 Zhong Z.J. ,You X. Z. ,Chen T. Y. Annual Sci Rept—suppl of J of合物[Fe(dpp)Nanjing Univ. ,Eng.Series, Nov19942(NCS)2]py(dpp =二吡嗪(3,2,2-,3-)邻11 Griebler W.D. ,Babel D.Z. ,NaturforschB. Anorg. Chem. ,1982;37B菲罗啉,py=吡啶)[38],而且首次发现在快速冷却下仍保(7) :832持高自旋亚稳态,实现了不通过光诱导也能得到低温下12 MillerJ.S. ,EpsteinA.J.Angew. Chem. Int. Ed. ,1994;33:38513 Takahashi M. ,Turek P. ,NakazawaM. ,et al. PhysLett,1991;67:746的双稳态[39].14 Chiarelli R. ,NovakM.A. ,Rassat A. ,et al. Nature,1993;363:14715 Allemand P.M. ,Khemani K.C. ,Koch A. ,et al. Science,1991;254:301四、展 望16 MillerJ.S. ,ZhangJ.H. ,Reiff W.M. ,et al. J. Phys. Chem. ,1987;91:4344 分子基磁性材料作为一种新型的材料,近十年来,17 MillerJ.S. ,CalabressJ.C. ,DixonD.A. ,et. al. J. Am. Chem. Soc. ,1987;109:769在化学家和物理学家的努力下,在很多方面已经取得了18 Zhou P. ,LongS.M. ,MillerJ.S. Phys.Lett.A,1993;181:71突破性的进展,迅速发展成为一门材料学科的前沿领19 MillerJ.S. Inorg. Chem. ,2000;39:4392估计效果很不好 如果想要的话，留个邮箱，给你发过去
太阳电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。 太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。 太阳电池发展概况 太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。 硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于“先锋1号”人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。 太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能电池组件的产量70MW（兆瓦），我国为1.2MW，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能电池的实际产量已达到4.5MW，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户（2800万人口），还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。 光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。 目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。
太阳能电池原理及发展 摘 要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力, 己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年来, 光伏市场快速发展并取得可喜的成就。本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。 关键字：太阳能电池；原理；发展；前景 1.引言 由于人类对可再生能源的不断需求, 促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min 内照射到地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1 年, 合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略, 是其中最受瞩目的研究热点之一。本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。 2.太阳能电池原理【1】 太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。 当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取 到超过禁带宽度Eg 的能量，脱离 共价健的束缚从价带激发到导带， 由此在半导体材料内部产生出很多 处于非平衡状态的电子空穴对。这 些被光激发的电子和空穴，或自由 碰撞，或在半导体中复合恢复到平 衡状态。其中复合过程对外不呈现 导电作用，属于太阳能电池能量自 动损耗部分。光激发载流子中的少 数载流子能运动到P—N 结区，通 过P—N 结对少数载流子的牵引作 用而漂移到对方区域，对外形成与 P—N 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。 制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大， 而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量 也就越大。可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体。 太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会集热，将光能转换为直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、 天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。 什么是太阳能光伏技术 太阳是能量的天然来源。地球上每一个活着的生物之所以具有发挥作用的能力，甚至于是它的生存，都是由于直接或间接来自于太阳的能量。 我们的地球处在离太阳差不多有一亿英里的地方。它所截取的辐射能已经少到令人难以置信 的程度，即大约千万分之三，即使这么小的一点能量， 实际上比整个世界目前现有的发电能力还大十万倍！目前全世界尤其是工业发达国家开始感到能量短缺，因此，人们开始求助于 太阳能，以解决能源危机。 太阳能光伏 太阳能每天都能无限供应，而且数量庞大。如果在大的电厂利用，就减少了温室效应，有些能源专家和环境保护的专家则认为，在满足人类今后能量需要方面，太阳能的热影响比不在。有专家认为太阳能发电最终将在电力供应中占20%。 太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着---借助其它任何机械部件，光线中的能量被半导体器件的电子获得，于是就产生了电能。这种半导体组成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金。用于制造太阳能电池的高纯硅，要经过特殊的提纯处理制作。太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，就能够把光能转变为电 10~20% 的电来。一般 能转变为电能，一般在它的上面都蒙上一层可防止光反射的膜， 使太阳能板的表面呈紫色。它的工作原理的基础是半导体PN 照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压（叫做光生电压）。这种现象就是著名的光生伏打效应。使PN结短路，就会产生电流。 阳能电池可以设置在房顶等平时不使用的空间，无噪音、寿命长，而且一旦设置完毕就几乎不要需要调整。现在只要将屋顶上排满太阳能电池，就可以实现家中用电的自给。现今太阳 出轻便的可穿在身上的太阳能电池。目前，太阳能的利用存在着巨大的发展空间， 有关的技术有可能在短时间内实现突破。它已被许多发达国家作为其能源战略的一个重要组成部分。 晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成 P－N结。 当光线照射太阳电池 太阳能光伏发电系统示例 表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下， 能的过程。 自从1954太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。 1973年的石油危机和90 年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。其发展过程简列如下： 1839年 ，即“光伏效应”。 1876年 1883年 制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。 1930年 肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首 并网型光伏发电系统设备防雷示意图 次提 出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。 1931年 布鲁诺 将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。 1932年 奥杜博特和斯托拉制成第一块“ 硫化镉”太阳电池。 1941年 1954 年 恰6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。 1955年 同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。 1957年 硅太阳电池效率达8%。 单晶硅太阳能电池 1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 1959年 第一个效率达5%。 1960年 硅太阳电池首次实现并网运行。 1962年 砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。 1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达8%。 1972年 16%。 1972年 美国宇航公司背场电池问世。 1973年 砷化镓太阳电池效率达15%。 1974年 COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%。 1975年 效率达6%~%。 1976 年 多晶硅太阳电池效率达10%。 1978年 美国建成100kWp太阳地面光伏电站。 1980年 20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。 1983年 美国建成1MWp 光伏电站；冶金硅（外延） 电池效率达11.8%。 1986年 美国建成6.5MWp光伏电站。 1990年 “2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3~5kWp光伏电池。 1995年 高效聚光砷化镓太阳电池效率达32%。 1997年 美国提出“划”，在 2010年以前为100万户，每户安装3~5kWp供电，电表反转；无太阳时电网向家庭供电，电表正转。家庭只需交“净电费”。 1997年 新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光伏电池。 1997年到2010年生产37亿Wp光伏电池。 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府光电转换效率 η% 评估太阳电池好坏的重要因素。 目前：实验室 η ≈ 24%，产业化：η ≈ 15%。 单体电池电压 V：0.4V——0.6V由材料物理特性决定。 填充因子FF% 评估太阳电池负载能力的重要因素。 FF=(Im×Vm)/(Isc×Voc) 其中：Isc—短路电流，Voc—开路电压，Im—最佳工作电流，Vm—最佳工作电压； 标准光强 AM1.5光强，1000W/m2 ，t = 25℃； 温度对电池性质的影响 例如：在标准状况下,AM1.5光强，t=25℃某电池板输出功率测得为100Wp,如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100Wp 5.结语 太阳能光发电是太阳能利用的最佳途径。目前正在进行着从第一代基于硅晶片技术的太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池的过渡。 第一代太阳能电池转换效率为11%~15%，但成本太高。第二代太阳能电池成本大大降低，但转换效率只有6%~8%。 为进一步提高效率，同样基于薄膜技术的第三代太阳能电池已经开始研制， 其转换效率将是第一代和第二代太阳能电池的数倍， 它的问世将使人类在太阳能利用的历史上翻开新的一页。 参考文献： [1] 赵书利,叶烽,朱刚. 太阳能电池技术应用与发展[J]. 船电技术, 2010,(04) . [2] 太阳能电池的开发趋势[J]. 中外能源, 2010,(05) . [3] 许伟民,何湘鄂,赵红兵,冯秋红. 太阳能电池的原理及种类[J]. 发电设备, 2011,(02) [4] 李丽,张贵友,陈人杰,陈实,吴锋. 太阳能电池及关键材料的研究进展[J]. 化工新型材料, 2008,(11) . [5] 王秀波. 太阳能电池概述[J]. 和田师范专科学校学报, 2010,(06) . [6] 倪萌,M K Leung,K Sumathy. 太阳能电池研究的新进展[J]. 可再生能源, 2004,(02) . [7] 于敏丽,孟红秀. GaAs叠层太阳能电池技术的研究现状及发展趋势[J]. 邢台职业技术学院学报, 2007,(03) . [8] 寿莎,黄仕华. 对太阳能电池研究进展的探究[J]. 交通节能与环保, 2009,(01) . [9] 章诗,王小平,王丽军,朱玉传,林石裕,顾应展,田健健,周成琳. 薄膜太阳能电池的研究进展[J]. 材料导报, 2010,(09) . [10] 赵宏娟. 太阳能电池工作原理与种类[J]. 黑龙江科技信息, 2007,(17) [11] 高晖. 提高太阳能电池效率的新技术[J]. 世界电子元器件, 1997,(06)
中国元素”代表着中国特有的传统民族文化精神。“中国元素”属于一种符号，属于一种被海内外中华儿女认同的传统民族文化精神，是中华民族的国家尊严及民族利益的形象符号。这种符号有着具象的文化遗产呈现。中国元素在中国以外的世界各地已逐渐开始运用，
对“中国元素在动画片中的运用”研究肇始于上世纪90年代。自本世纪伊始，对中国元素在动画中的研究人数逐渐增加，研究学者的身份构成渐趋多元化。中国元素在动画片中的运用研究进入了一个全新发展的时期。有关中国元素在动画片中的研究多见于论文期刊，专著类型相对较少；但关于中国元素在动画片中系统研究综述并不多见。在此笔者系统梳理了从本世纪初始直至现在20年的研究现状（有研究论文期刊百余篇及其相关专著），从研究者的研究领域、中国元素在动画中的运用研究的角度与动画艺术形式以及市场方面给予归纳与总结，并对近20年中国元素在动画中的运用走向勾勒出一个较为清晰、完整的脉络。一、学术界对动画中的中国元素的关注与探讨“中国元素”代表着中国特有的传统民族文化精神。“中国元素”属于一种符号，属于一种被海内外中华儿女认同的传统民族文化精神，是中华民族的国家尊严及民族利益的形象符号。这种符号有着具象的文化遗产呈现。中国元素在中国以外的世界各地已逐渐开始运用，国内外各个行业已意识到中国元素的重要性。中国元素逐渐成为时尚潮流。就关于中国元素在动画中的运用这一专题，艺术学者通过不同视角给予不同的研究与探讨，引发了学术界对这一问题的思考。譬如钮冬艳的《民族风格对动画电影的应用研究》，将其研究视角多元化，总结动画电影创作的表现形式为：与中国传统绘画艺术相结合；与中国民间故事相结合；与中国传统戏曲艺术相结合。贾玉平在《以系统思维看动画艺术中的中国元素》一文中，对中国元素的系统性做了深层次的论述，认为系统思维与中国元素十分和谐，相互关联，两者互相渗入，运行井然有序。中国元素有着自己的构成元素，这些元素之间又有着自己的组合结构与组合模式。屈立丰《“中国动画学派”的名实之辩与当代意义》一文论述“中国性”的问题，试图在此基础上摆脱传统的“革命动画”的指涉含混状态而重新构建“中国动画学派”的概念。李旭 在《基于动漫产业的汉唐文化元素研究》一文中认为，传统元素作为中华文化产业的一部分有着巨大的经济实力与发展前景；面对传统元素的保护与展示，传播是产业动作的重中之重。江秀艳在《中国元素在动画广告片中的应用研究》一文中，从中国民乐器、诗词、曲调等角度论述中国元素在视觉、听觉间的表现，并以此阐释其美学价值、经济价值，探索中国元素在动画广告片中的应用意义。二、中国元素在动画中的运用研究视角纵观本世纪以来关于中国元素在动画中的运用研究视角，主要可以归纳为以下几部分。(一) 叙事特征分析杨雪团在《“讲好”故事与讲“好故事”——中国当代动画电影叙事模式探析》一文中，从国内外优秀动画电影入手，通过分析其叙事的结构、情节，人物形象的塑造以及艺术意蕴的传达等，积极探寻当代中国动画电影叙事特征。杨成在《试论国产动画电影之民族化叙事嬗变——以〈大闹天宫〉与〈大圣归来〉为例》一文，从叙事主题、叙事视角、叙事空间、叙事结构等四方面介绍影片所建立的多维多线的立体结构。杜晓杰在《中国动画美学的诗意回归：〈白蛇：缘起〉论略》中认为，其叙事具有浓郁的民族民间性，是以艺术化的方式实现中国传统美学的诗意回归，在叙事美学方面糅杂了传统民族的叙事体系；在形式技巧上则加入雅俗兼融的内容，展现出中国传统艺术的魅力和鲜明的民族气派。(二) 艺术运用媒介王华清的《动画设计中的戏曲元素》认为，戏曲作为中国传统艺术形式，历史悠久，源远流长。文章主要从传统戏曲艺术的人物造型、服饰、音乐等几部分的自然结合，来探讨动画创作对中国传统元素的应用及所形成的独特的美学风格。王书鹏、王宗香在《山东皮影艺术的数字化存储及再创作研究》中对山东皮影的艺术特征与数字动画之间的 融合进行分析，并对它的传播方式、传承问题进入深入探究。孙平、孙立军在《多维视野下嬗变的中国水墨动画》中论述道：水墨动画作为传统的艺术手段，从纸绢等物理载体中脱离出来形成一种新的言说方式。水墨于是不再依附于传统纸上，而变成一种新的有灵魂的生命，活跃在各种媒介上。张博在《“中国学派”水墨动画的符号表征探究——以〈牧笛〉〈山水〉为例》一文中认为，水墨动画这种符号象征并非仅仅是叙事层面，更多的是从形式符号到情感体验的符号象征。文章主要运用美国著名哲学家苏珊·朗格的符号美学理论，从《山水情》《牧笛》两部作品来分析中国水墨动画的独特符号表征，认为其由情感表征——虚幻的空间、虚幻的时间、虚幻的生活三方面组成；指出水墨动画能够独树一帜的原因在于造型、音乐、叙述三者完美搭配，从而在更高层次构建起中国水墨动画的艺术形式。张米勒在《动画电影〈九色鹿〉中的敦煌壁画艺术与宗教文化》一文中，把敦煌壁画的艺术形式带到动画这种叙事情节中去，并以《九色鹿》动画为切入点，从传统元素、创作背景、宗教神话等方面剖析敦煌壁画对动画创作的影响。(三) 艺术表达形式中国当代动画艺术的表达方式主要以二维动画、三维动画、定格动画为主。陈岳松在《动画电影〈大鱼海棠〉的本土化美学意蕴特征研究》一文中认为，《大鱼海棠》乃以本土化美学韵味为基础，其无论在建筑、服饰，还是色彩运用等方面都充溢着中国传统文化独特的美学韵味。林懿在《动画角色 造型设计中的戏曲元素运用研究》中认为，戏曲元素在一定程度上影响了我国早期的动画角色造型与动作造型；在实践创作中，戏曲元素与动画造型发挥各自所长，并灵活地加以创新，从而让戏曲元素以全新的姿态在动画中得到呈现。范臻在《传统美术设计在动画造型设计中的运用》中认为，传统元素融入动画造型必须要从改变其设计理念、创设新的意境、多元化融入、人性化等方面入手，在此基础上去尽量满足当代观赏者的审美趣味。(四) 国外动画中的中国元素随着中国国际地位的提高，运用中国元素已然成为国际动漫界的一股清流。李刚在《美国动画电影中的中国元素》一文中，从《花木兰》《功夫熊猫》两部影片入手，把美国动画的中国元素分为中国式叙事、中国式音乐、中国式背景、中国造型、传统精神、中国风情六方面予以探讨。邓春蓉《美国动画电影的“中国风”解读》一文，从中国文化方面进行思考，就美国动画的“中国风”体现方式、“中国风”辨析等方面对美国动画给予现象解读。吴昊在《欧美动画世界中的中国元素探微》中指出，中国元素在欧美动画中的融入已经从形似转变为神似。三、中国元素在动画中的运用问题及其前景中国动画于20世纪20年代产生，其以1926年万氏兄弟制作的我国第一部动画片《大闹画室》为标志；而新中国成立后的1957年上海美术电影制片厂的建立则使中国动画艺术达到了顶峰。20世纪末、21世纪初国产动画开始出现衰退，外国动画逐渐在中国开花结果。进入21世纪的第2个10年后，中国动画开始复苏、振兴。总体而言，我国动画市场经历了产生—发展—高潮—衰落—复兴的阶段。中国文化历史悠久，是动画创作的灵感和源泉。近几年来，带有中国元素的动画逐渐增多，随之出现了不少的问题。首先，中国元素在动画中的运用理论研究相对比较薄弱，对于如何指导中国元素渗透到动画创作中还缺乏有价值的理论支撑。其次，动画剧情模式套路化，致使观众审美疲劳。中国作为一个具有悠久历史的大国，有其独特的文化影响力。中国动画艺术创作只有立足本土，充分汲取本民族文化的丰富营养，才能走出一条不同于其他国家的道路。而做中国元素在动画里的应用研究综述，就是希望创作者回顾历史，找准其定位，多深入研究“中国元素”的表达方式，立足于传统，有充足的文化自信，在此基础上发展创新。我们相信中国动画市场一定会重振雄风，昌盛不衰。
二维动画的现状与发展从1906年布莱克顿的《滑稽脸上的幽默相》第一部动画片诞生至今，动画这门视觉艺术已经走过了她将近100年的历史。随着科学技术的迅猛发展，动画的表现手法也越来越丰富。因此，从不同技术手段上将其分为两种类型，即二维动画和三维动画。二维动画一般指传统的手绘动画，是通过动画师来绘制每一祯画面，最终用摄影机或扫描仪合成传递在屏幕上。而三维动画是制作人员通过计算机所安装的软件界面来操作所要制作的动画造型、背景、灯光等元素。因此，是由于制作手段上的不同将其分为两类。二维动画在动画发展史上占据着相当大的空间，直到90年代三维动画的崛起，传统的二维动画面临着新的困境。从迪士尼《米老鼠》的辉煌时代到宫崎峻的黄金王朝，二维动画从来不缺少她的忠诚拥护者。然而，越来越多的三维优秀动画片涌入了影院，逼真的人物，刺激的画面，绚丽的场景征服了所有的观众。在90年代的动画影片中我们可以发现二维动画的背景开始使用三维技术制作。这种尝试为动画片本身带来了更加神奇的效果，导演更喜欢拥有丰富，色彩绚丽的三维背景。电影《人猿泰山》中的丛林背景就是选用的三维效果，这样的影片还有很多，如《埃及王子》、《蒸汽男孩》等等。这种结合的方式是动画制作史上的一大创新，因此也被很好的继承下来。但是，《玩具总动员》的出现创造了三维动画的最高票房，接下来是《恐龙》、《怪物史莱克》、《怪物公司》等等数部三维动画巨片。这种高技术精度的动画影片一时间开始领跑世界的动画产业--数码时代宣布来临。值得我们思考的是任何艺术形式的动画都应该顺应历史潮流而发展，传统手绘动画也不例外。然而，在影视传媒充斥的当今世界，本身就蕴涵着丰富的艺术元素，二维动画影片是否能够在视觉上有更加震撼的创新是决定其现状的基本因素。就目前的二维动画影片的发展趋势来看，仍然没有里程碑式的突破。迪士尼的衰败就是最好的例子。在电影产业化高度发达的好莱坞，程式化的剧情，标准化的人物，模式化的电影音乐不得不使观众厌倦。然而在二战后突然崛起的日本动画逐渐占领了鳌头。奇幻的故事，精良的制作，风格化极强的人物造型，厚重幽雅的音乐被大部分人们所接受。由于，日本的动画也已经发展为产业化大规模生产的模式，因此也有重倒迪士尼旧辙的可能性，所以必须在风格与故事上不断的创新，在视觉冲击上的不断开辟新的技术领域，才可以走的更远。中国的二维动画就不容乐观了，与先进的动画产业国家相比较还有很大的差距。但是中国的传统动画也曾在20世纪50-60年代一度兴盛，有《大闹天宫》、《哪吒闹海》等优秀动画影片，还有中国所特有的一系列水墨动画短片，如《牧笛》、《小蝌蚪找妈妈》等。代表了中国二维动画迄今为止的最高水平，以至于现在仍无法达到和超越。由于在中国的动画市场基本还没有被开发，中国动画产业还没有形成规模，等待中国动画人需要努力的路途仍旧很遥远，因此在国际动画大环境日趋竞争激烈的形式下，全球经济一体化的趋势下，中国的动画应当加紧脚步，争取在短时间内制作出优秀的动画影片。二维动画的发展前景仍然一片生机，只要努力寻求新的结合点，与三维技术更好的结合，就一定能够在今后的动画史上大放异彩
数字媒体艺术下动漫设计与制作探析论文
现代科学技术的不断深化发展，为数字动画的设计与制作提供了良好的发展空间与环境。当前我国动漫产业的发展，呈现出不断向上的趋势，数字媒体时代以及“三维时代”的到来，使得动漫设计与制作的技术应用范围更加广泛，在高新技术的支持下逐渐进入产业化的发展阶段，动漫产业在诸多行业领域中的发展空间都具有很大的潜力。因此，广大从业人员应加强对数字媒体技术的重视，并积极发挥其优势，促进动漫设计与制作水平的不断提高，同时满足社会对高质量动漫设计人才的需求。
一、数字媒体艺术及数字媒体艺术动漫设计概述
在动漫设计与制作中数字媒体艺术的身影已经不再陌生，现代信息技术、数字技术等在动漫设计中的应用，对促进动漫产业的发展具有不可忽视的主导性作用。随着现代科学技术的不断深化发展，动漫创作的形式与内容在技术应用环境下不断丰富，如在动画作品《魔斯比环》中，通过利用数字媒体技术实现的3D场面，在视觉效果上打造出的震撼效果，体现出我国动漫产业发展的新高度。
二、数字媒体艺术对动漫设计与制作的重要影响
1、使动漫设计进入了全新的发展时代
由于数字媒体艺术具有丰富的表现形式，能够融合各种内容，比如影视剧与数字媒体技术的结合形成了Flash小品及手机电影等形式，数字技术以其较好的共享性、开放性以及兼容性，实现了大众传播方式在质上的飞跃。传统信息业、大众传媒产业以及通信产业的融合，促使大众传媒向“小众”“分众”的方向发展，其传播方式更具目的性，效率更高。动漫产业在应用数字媒体艺术的过程中，借助其优势也实现了更好的发展。
2、作品的内容表现空间更大
传统的艺术作品创作过程往往会受到时间、空间以及应用材料等方面的限制，制约了艺术作品的发展空间。计算机系统以及信息技术的应用，使得艺术创作的空间更加广阔。通过利用各种计算机软件，在虚拟的创作环境中有效实现了艺术表现内容的极大丰富，不仅可以对古代、现代及未来的画面进行表现，还能够从宏观、微观的角度对这些画面进行制作。例如，电影制作中若要还原古代场景，不仅在场地、场景的布置方面受限，同时还需投入大量的人力、物力资源。而计算机软件的应用不仅有效解决了这些问题，创作者还可以加入自己的想象以及其他资源材料，对画面内容自由地进行创作和表达。
3、创作效率得到很大提高
动漫设计与制作通过利用数字媒体技术使得艺术创造的时间被有效缩短，创作效率更高，相较于传统的艺术创作过程体现出不可比拟的优势。同时，随着计算机操作系统的不断发展与提升，动漫艺术作品的创作效率也会继续提高。数字媒体技术在动漫设计领域中的应用不仅优化了制作流程，在作品的宣传、发布及推广环节也体现出更高效的流通性与广泛性，使得广大受众能够及时欣赏到作品。但值得注意的是，数字技术在提高艺术创作效率的同时，容易使创作者产生概念上的混淆，如将艺术创作视为与商品生产，以理性、机械的流程进行大批量的生产，就会忽视了艺术作品的根本价值与要求。因此，在利用数字媒体技术创新动漫设计的过程中，还应注意处理好技术应用与艺术创作之间的关系，在满足艺术作品人文内涵等要求的基础上，合理适度地应用现代信息技术。
三、数字媒体艺术在动漫设计中的创新应用
目前，动漫市场呈现出不断扩大的趋势，传统的设计技术已经无法继续满足现代动漫创作的要求，数字媒体艺术在利用计算机及操作系统的基础上，实现了作品艺术内涵的充分表现，同时对动漫设计的发展具有重要的推动作用，数字媒体技术在动漫设计与制作的过程中，对其二维、三维动画的制作都具有不可小觑的影响。
1、动漫设计二维动画中对数字媒体技术的应用
相较于传统的设计技术，在动漫设计二维动画的制作过程中，数字媒体技术的应用具有显着的.优势，主要表现在以下两个方面：
其一，利用数字媒体技术进行动漫作品的设计过程中主要体现出关键帧的特征，即以设置好的关键帧为基础，利用设备自动生成动漫作品中的中间画面，在人物形象的设计上体现出灵敏的动作反映以及较好的流畅性，画面比较清晰；其二，数字媒体技术能够使动漫作品的画面色彩等更加理想，利用技术对设计对象进行上色更加便捷和高效，自动处理技术与操作系统的配合使得图像处理更加方便、质量更高。
2、动漫设计三维动画中对数字媒体技术的应用
数字化技术的产生和应用使得二维动画与三维动画之间的差别越来越明显。在二维动画制作中，主要以简单的线条对设计形象进行描述，而数字媒体技术在三维动画中的应用，则在视觉效果上更加震撼和逼真，光线、背景及设计形象等各方面的设计与制作也都上升到更高的技术层次。同时，三维动画的设计制作流程更加繁琐和复杂，如人物形象设计、模型建造、关键帧设置以及动画生成等各环节都体现出数字媒体技术的先进性与科学性。基于数字媒体技术的应用，三维动画的制作水平在不断提高，如早期的《骇客帝国》以及后来的《阿凡达》《复仇者联盟》都在三维技术的应用基础上，实现了技术层面惊人的提升。
动漫设计与制作专业具有较强的专业性，不仅需要其具有牢固的专业基础理论知识，还需要其具有较强的实际操作能力。数字媒体艺术在动漫设计中的应用，对设计人员提出了更加严格的要求。因此，动漫设计与制作专业，在数字媒体艺术背景下需要从优化课程结构、丰富课程内容等方面着手进行改革和提高，从而实现为动漫产业发展输出更高质量专业技术人才的教学目标。
3、动漫设计与制作中数字媒体技术的实际应用情况
如何在动漫设计制作过程中创新应用数字媒体技术？其一，数字媒体技术的应用与培养技能型、应用型的动漫设计人才教学目标相符，因此，教师应通过调整课程内容及教学方式，加强对学生数字媒体技术应用能力的培养，在完善学生动漫设计基础理论知识的基础上，提高其应用高新技术的实际能力，提高其动手操作能力及创新应用能力，为学生创造更多动手操作的机会，从而提高其应用数字媒体技术进行设计的能力；其二，数字媒体艺术这一学科领域涉及艺术设计、计算机语言、造型艺术、信息与通信技术以及交互设计等多方面的知识内容，旨在培养兼具艺术修养、技术能力以及科学素养的复合型、应用型人才。教师应在课程结构设置方面以学生的实际情况以及当前动漫产业的发展形势为依据，将数字媒体技术的优势发挥出来，将其与课程教学有机结合起来。其三，教师首先应将提高学生的基础理论知识水平为重点，在此基础上通过应用数字媒体技术，培养学生的实际动手能力，使其成为综合素质高、实践能力强的动漫设计人才，为动漫产业的发展做出应有贡献。
在动漫设计中应用数字媒体技术不仅有效节省了时间与各种资源，也使得设计作品在画面、场景等制作方面的效果更加精良。同时，数字媒体技术与动漫设计专业教学课程的融合，有效提高了动漫作品的制作水平与质量，也受到了广大学生的欢迎。
综上所述，动漫设计通过利用先进的数字媒体技术，从而实现在内容与形式上根本性的改变，为广大受众提供了更高水平的视觉享受。随着数字媒体技术的不断发展，在当前互联网与信息技术的背景下，数字媒体技术在动漫设计的二维、三维动画制作中的应用越来越普遍，并且发挥出不可替代的作用。数字动漫技术的发展为广大动漫设计师提供了更多的选择和便利。因此，动漫设计应积极应用数字媒体技术，以动漫创造的基本要求为前提，在此技术上利用数字媒体艺术提高创作产品的艺术内涵与价值。
参考文献：
[1]常林梅。论数字媒体艺术与数字媒体艺术的表现元素[J].才智，2013,（7）。
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[4]王颖。动漫设计中细节的把握和塑造[J].无线互联科技，2014,（10）。
廖立兵
1 材料科学与工程学简介
1.1 基本概念
材料（Material）：人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其他产品的物质。
材料是物质，但不是所有的物质都可以称为材料，如燃料、化学原料、工业化学品、食物和药物，一般不算是材料。
材料是科学技术发展水平的标志，是国家现代化程度的标志。
材料科学、能源科学、信息科学是现代科学技术的三大支柱。
新材料、信息和生物技术是新技术革命的主要标志。材料科学（Material Science）是以晶体学、固体物理学、热力学和动力学、冶金学和化工等学科为基础，对材料的内在规律和应用进行探讨的科学。材料工程学（Material Engineering or Technology）是根据材料应用中所需要的性能，应用已知的规律和理论，从成分、结构、性质等直到工程中的具体应用进行设计和实施的科学。
材料科学与工程（Material Science and Technology）是研究和应用材料的成分、组织、结构、制备工艺与材料性能和用途之间关系的一门学科。
1.2 材料的分类
（1）根据材料的成分、显微结构和性质划分：无机非金属材料（Inorganic Nonmetallic Materials）、有机高分子材料（Organic Polymers）、金属材料（Metals and Alloys，Metallic Materials）和复合材料（Composites）。
（2）根据材料的性质和用途划分：①工程（结构）材料（Structural Materials）。由其结构特点而决定材料的强度、硬度等力学性能能够满足工程技术结构上的需要，主要应用于工程技术方面的一类材料。包括金属材料、陶瓷材料、高聚物材料、复合材料。②功能材料（Functional Materials）。具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料；是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料；同时对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。在全球新材料领域中，功能材料约占85%。特种功能材料对高技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是新世纪生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为各国新材料领域发展的重点，是各国高技术发展中的战略竞争热点。功能材料按使用性能分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料、机敏（智能）材料。
（3）纳米材料（Nano-Materials）：是关于原子团簇、纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。原子团簇：包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子，是介于原子与固体之间的原子集合体。纳米颗粒：尺寸大于原子团簇，小于通常的微粒，一般尺寸为1～100nm。纳米薄膜：指含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或多层膜。具有准三维结构与特征，性能异常。纳米固体：由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。纳米晶体材料（有高密度缺陷核，超过50%的原子位于缺陷核内），纳米结构材料（由弹性畸变结晶区所分隔的许多缺陷核心区所组成），纳米复合材料（O-O复合：不同种类纳米粒子复合；O-2复合：纳米粒子分散到二维薄膜材料中；O-3复合：纳米粒子分散到三维固体中）。纳米微粒的基本性质：电子能级不连续（准连续能级离散化）、量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。由于纳米粒子具有特殊性质，导致纳米材料具有一系列特殊性质。
（4）多孔材料（Porous Materials）：具有高比表面积、高吸附性、离子交换性等性质。在吸附、分离、催化、纳米技术、分子识别、石油化工、精细化工和分子电子器件等领域广泛应用。根据国际纯粹与应用化学学会（IUPAC）的分类方案，将多孔材料依孔径大小分为：微孔材料（d＜2nm）、介孔材料（2nm＜d＜50nm）、宏孔材料（d＞50nm）。
（5）材料研究的四要素：性质与性能（Property and Performance）、成分（Composi-tion）、结构（Structure）和合成与加工（Process）
2 矿物材料学简介
2.1 基本概念
矿物材料（Mineral Material）：以天然矿物或岩石为主要原料，经不以提纯金属和化工原料为目的的加工、改造所获得的材料或者能直接应用其物理、化学性质的矿物或岩石。矿物材料学（Mineral Material Science）：是研究矿物材料的成分、结构、性质、性能、加工制备工艺及相互间的关系和矿物材料的工程应用技术的一门综合性边缘学科。
2.2 矿物材料学的研究内容
基础理论研究：矿物材料的性质与其矿物成分、非晶质成分、化学成分、微量元素等物质组分的关系；矿物材料的性质与其所含矿物的晶体结构、晶体化学、多型、结晶度、有序度等以及岩石结构、构造等的关系；矿物材料的性质与其晶界、表面、粒度等的关系；矿物材料的性质与其使用的原料种类、矿石类型、原料产地等的关系；矿物材料的性质与其加工改造温度、压力、气氛、矿化剂、黏结剂、乳化剂、偶联剂等加工工艺条件的关系；等等。
生产技术和应用研究：矿物材料的生产工艺路线、流程、设备、最佳配方等工程技术问题，以及矿物材料的应用领域、适用条件和保存方法等。
2.3 矿物材料的分类
按矿物材料的成分、结构和性质划分（一元系、二元系……）；
按矿物材料的用途划分（陶瓷、玻璃、耐火材料……）；
按矿物材料的状态划分（单晶、多晶、非晶、复合、分散）；
按加工工艺特点划分：天然矿物材料、深加工矿物材料、复合及合成矿物材料；
综合分类：熔浆型材料（熔注结晶、玻璃釉料纤维等）、烧结型材料（耐火材料、陶瓷等）、保温材料、胶凝型材料、其他材料（建筑石材、粉体材料等）；
建议的分类方案（按材料性质和用途划分）：结构矿物材料（石材、结构陶瓷、矿物增强聚合物复合材料等）、功能矿物材料（环境矿物材料、纳米矿物材料、生物医用矿物材料、特种功能矿物材料等）。
2.4 矿物材料研究的意义
非金属矿产在国民经济中具有十分重要的作用，几乎应用于国民经济的各个领域，随着科学技术的不断发展，非金属矿产的应用领域还在不断扩大。在经济发达国家，非金属矿产的总产值大于金属矿产的总产值，因此一些学者把非金属矿产值是否大于金属矿产值作为衡量一个国家是否达到工业化国家的标志，并预言21世纪将进入“新石器时代”。非金属矿产的开发应用不仅在于是否掌握有非金属矿产资源，更在于是否掌握了非金属矿产开发应用的先进技术。我国非金属矿产资源非常丰富，已探明储量的就有87种，产地6000多处。但由于我国非金属矿产开发应用技术落后，大多数非金属矿产均为粗加工制品，因此总产值很低。
开展并加强矿物材料学研究对提高我国非金属矿物资源利用水平，提高人民生活质量，推动经济和社会发展具有重要意义。
3 我国矿物材料学研究现状
3.1 非金属矿物原料深加工研究
研究主要朝着超细粉碎、精细分级、提纯改性和多品种方向发展。由于在粉碎技术、超细粉碎和分级设备研制方面取得进展，我国目前已能进行多种粒度的粉碎和分级，个别矿种的粉碎分级水平已达国际先进水平。提纯研究也取得很大进展，主要表现在：针对新矿种的提纯新工艺大量涌现，传统非金属矿提纯工艺有了改进，微细粒提纯及高纯加工工艺设备有显著发展。
总之，在理论、方法、设备、选矿工艺、选矿药剂的应用研究方面都取得了可喜的成果。我国目前已基本具备成熟的加工高纯石墨、石英、硅藻土、高岭石、膨润土、金红石等的技术。
3.2 矿物孔道或层间域的离子、分子交换、插入有关的研究
已成为矿物材料研究的热点。研究对象主要是沸石等具孔道结构的矿物、岩石和以蒙脱石为主的各种粘土矿物和石墨等层状结构矿物。研究内容包括：孔道或层间离子交换技术及其应用；粘土矿物层间“柱撑”、插层技术及其应用等。目的是利用这些矿物孔道或层间域中的物质可交换性和层间域的可膨胀性质，或通过对这些性质加以改造，使其具有新的可利用的优异特性。比如通过对粘土矿物、沸石或膨胀石墨进行改性处理，使其具有吸附不同有害组分的性能，制备可用于各种环境治理的吸附剂。这方面的研究和应用领域很广，除在污水治理方面的应用外，改性过的孔道结构和层状结构矿物岩石还广泛用作催化剂载体、肥料增效剂、防水剂、膨胀剂、防沉降剂、凝胶剂、黏结剂、增塑剂、增稠剂、悬浮剂、脱色剂、导电材料、快离子导体材料、染色剂、干燥剂、过滤剂等。
3.3 矿物表面改性技术及其应用研究
即利用物理、化学方法对矿物表面进行处理，改变其表面性质，如表面原子结构和功能团、表面疏水性、电性、化学吸附和反应特性等，达到改善或提高矿物应用性能的目的。主要是为将矿物作为填料加到各种有机聚合物中时，使矿物与聚合物间有好的相容性，同时也提高矿物填料在聚合物中的分散效果。研究内容主要包括：表面改性剂的选取，不同表面改性剂对不同矿物的作用效果，表面改性工艺，表面改性效果等。
表面改性剂分有机和无机两类：①有机表面改性剂：偶联剂（硅烷类、钛酸酯类、锆类和络合物类等）、高级脂肪酸及其盐类、聚烯烃低聚物、不饱和有机酸、有机胺；②无机表面改性剂：氧化钛、氧化钠、氧化铁、氧化锆、氧化铝、氧化硅等金属氧化物。
目前应用最广泛的表面改性剂是偶联剂，其中又以硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂应用最多。硅烷偶联剂对表面有活性羟基的矿物作用效果较好，对硼、铁、碳的氧化物作用效果次之，对表面不含羟基的碳酸盐、碱金属氧化物几乎无效。
钛酸酯类偶联剂对矿物适用范围广，对表面有活性羟基的石英以及表面呈中性或碱性的碳酸钙、二氧化钛、长石、角闪石等大多数非金属矿物都有较好的偶联效果。
3.4 以非金属矿物为原料的新型建材研究
非金属矿物作为建材原料是矿物材料最传统的研究领域。随着科学技术的发展，这一领域的研究水平也随之提高，新技术不断涌现，仍然是矿物材料研究的一个重要领域。
研究内容主要集中在三个方面：传统原料矿物的应用新工艺研究、新原料矿物的发现和代替传统原料矿物的研究、新型建材开发研究。
应用领域极为广泛，涉及各种涂料、耐火材料、水泥、玻璃、陶瓷制品等。
3.5 非金属矿物中有用元素综合利用研究
一般而言，非金属矿产开发利用不以提取和利用其中的某种元素为目的，这是与金属矿产最大的区别。
由于资源紧缺和一些非金属矿物、岩石具有特殊的成分、结构，综合利用非金属矿物中某些元素的研究越来越受重视。
例如，由于我国钾资源严重短缺，已成为影响我国农业发展的一大因素，而很多非金属矿物岩石又富含钾元素，因此开发利用非金属矿物岩石中的钾，引起矿物材料研究者的关注，钾长岩、含钾页岩、伊利石等富钾矿物岩石相继被进行过活化、制备成矿物钾肥。
3.6 合成矿物材料研究
合成矿物材料的研究包括两个方面：利用某种天然矿物合成另一种矿物；用化学试剂合成矿物。
主要新成果：用凹凸棒石与磷酸反应生产活性二氧化硅、用天然沸石生产超轻硅酸钙、用叶蜡石合成沸石、人工合成金刚石、人工合成皂石、人工合成黄铜矿型太阳电池材料、以石英、粉煤灰等为原料，合成氮化硅、sialon等。
3.7 环境矿物材料研究
环境矿物材料是指以天然矿物岩石为主要原料，在制备和使用过程中能与环境相容和协调或在废弃后可被环境降解或对环境有一定净化和修复功能的材料。
利用天然矿物开发研制环境矿物材料具有得天独厚的条件，因为：矿物材料原料是天然矿物，与环境有很好的相容性；矿物材料生产能耗小、成本低；矿山尾矿综合利用本身即属于环境材料学研究内容；很多矿物材料有很好的环境修复、环境净化的功能。
因此，大力开展和加强矿物环境材料研究符合矿物材料的特点，建立环境矿物材料学科分支是时代的要求，是矿物材料的重要发展方向。
根据矿物材料的特点和在环保领域的应用情况，环境矿物材料的主要发展方向是：①环境工程矿物材料——即具有环境修复（如大气、水污染治理等）、环境净化（如杀菌、消毒、过滤、分离等）和环境替代功能（如替代环境负荷大的材料）的矿物材料；②环境相容矿物材料——即与环境有很好相容协调性的矿物材料（如生态建材等）。
矿物材料用于环保目的很早以前就开始，近年来更是备受关注，新技术、新材料、新应用成果层出不穷。
矿物材料除了在传统的污水处理、大气吸附、过滤脱色等方面应用水平不断提高外，在生态建材（如低温快烧陶瓷，具有保温、隔热、吸音、调光等功能的建材等）、杀菌、消毒剂、矿山尾矿综合利用等方面有新的应用技术和产品。
3.8 纳米矿物材料研究
这是矿物材料研究新领域，与以上很多研究领域相关。例如，非金属矿物深加工中的超细粉碎，正向纳米级方向发展，已制备出一些纳米级非金属矿制品；通过柱撑，将层状结构硅酸盐矿物剥离至纳米级颗粒用于橡塑制品增强等已成为层状结构矿物改性应用的新方向；微孔、介孔矿物材料的合成、充填（自组装）也将越来越受到人们的重视，等等。
3.9 生物医用矿物材料研究
包括生物医学材料和矿物药。
生物医学材料：用于和生物系统接合，以诊断、治疗或替换生物机体中的组织、器官或增进其功能的材料。又称生物材料。
矿物药：以天然矿物为原料或原料之一制备的各种药材。
3.10 特种矿物功能材料研究
例如发现光子晶体具有蛋白石型结构、有序方石英用于制备非线性光学晶体或作为制备光子晶体的模板、改性蒙脱石用于制备复合电极，具有高稳定性、可重复性和催化性的特点、纤维状海泡石作为增强材料用于制备摩擦材料。
3.11 矿物材料的其他应用研究
矿物材料研究还包括宝石加工和改善、矿物材料的基础理论研究等诸多方面，很难简单概括。宝石加工和改善已发展成一个专门领域，不作重点介绍。
4 矿物材料的重要发展方向
4.1 重要非金属矿物在不同物理场和化学环境中的各种效应研究
金属矿产主要是以应用它的某一元素为主，而非金属矿产主要是应用它的物化性质与工艺特性。工艺特性又主要取决于非金属矿物的化学组成、结构、构造和它的光学性、电性、热学性、磁性、声学性以及溶解、吸附、催化、扩散等物化特性。
因此，非金属矿物开发应用的基础是对非金属矿物的成分、结构及各种物化性能的研究。开展非金属矿物场效应及应用基础研究，将可获得重要非金属矿物完整的物化性能参数并查清这些参数与矿物成分、结构、外界环境间的关系，可建立起非金属矿物数据库，有利于开展矿物材料设计研究等。对改进已有的选矿工艺、改进现有的以这些矿物为原料的材料制备工艺、开拓这些非金属矿物新的应用途径和新的应用领域、开展矿物材料设计研究等都有十分重要的意义。
研究内容：在电场、磁场、光波、声波等作用下，或在各种化学环境中，对非金属矿物的各种参数（即非金属矿物的物化性能）进行测试；探讨这些参数与矿物成分、结构的关系，与外界条件的关系。
目的是获取重要非金属矿物全面的物理化学参数，为其有效应用或开拓其应用新领域奠定基础。
4.2 非金属矿物表面及界面学研究
矿物表面是指矿物和真空或气体的界面，表面有很多活跃的化学性质以及与体内不同的物理性质。
矿物材料界面是指矿物材料中相与相之间的接触表面。界面对多相矿物材料的性能起着极其重要的作用，甚至控制作用。表面与界面既有区别又有联系。矿物原料的表面是矿物材料界面的基础，对矿物材料界面有重要影响。因此矿物表面和界面的研究不能截然分开。矿物材料的表面及界面问题尚未获得足够的重视。随着矿物材料学的发展和研究的深入，表面、界面及其工程学研究将会成为矿物材料学研究的一个前沿领域。比如矿物超细、超纯加工、纳米矿物材料研制等都离不开表面、界面及其工程学。研究内容利用高分辨电子显微术、衍射衬度电子显微术、扫描隧道电子显微术、X射线能谱、电子能量损失谱、同步辐射连续X射线能量色散衍射等先进的分析测试技术，对矿物、矿物材料的表面、界面的层相组成及成分变化、位错类型及分布、残余应力等进行研究，在各种微观尺度上揭示表面、界面成分、结构细节及其与材料性能间的关系；重点研究架状、层状矿物的孔道结构特征、层间结构特征、孔道与层间域的各种化学、物理学特性等；研究各种产状、各种粒级矿物粉体的表面特性及与加工工艺间的关系。重点探讨矿物的超纯、超细工艺及其对矿物粉体表面、界面特性的影响；利用对矿物表面、界面的研究成果，利用已有的表面与界面工程学手段，研究开发以层状矿物为主的一系列重要非金属矿物的深加工新工艺技术，研制出一系列具优异性能的新型矿物材料。
4.3 矿物新材料设计研究
材料设计是近年来迅速形成和发展起来的一门材料学分支学科，是材料学理论和现代计算机技术相结合的产物，是社会经济发展对材料学研究提出的要求，因为传统的“试错”法已无法制备出能满足时代要求的新材料，只有在理论指导下进行“理性设计”，即根据对材料的具体要求，对材料配方、制备工艺、材料性能和行为机理进行预测。
矿物材料设计还未有人明确提出，但与此有关的工作已有一些报道。可以预料，随着矿物材料设计的开展，矿物材料研制水平将会提高到新的层次，矿物新材料也将不断出现。这项工作应注意吸引材料化学、材料物理学和计算机专业的专家学者广泛参与。
4.4 环境矿物材料学研究
近年来，环境矿物材料虽然发展迅猛，成果丰硕，但是环境矿物材料学作为一门学科分支还没有建立，环境矿物材料、环境工程矿物材料、环境相容矿物材料、环境降解矿物材料、环境负担性评估、生命周期评估（LCA）等概念尚未被广泛接受。
今后应进一步加强环境矿物材料学研究，提高环境矿物材料的研究和应用水平，扩大环境矿物材料的应用领域，发展环境矿物材料的相关理论（生态设计、生态加工、生态评价），扩大环境矿物材料在学术界、产业界的影响。
因此，发展环境矿物材料学仍然任重而道远。
4.5 农用矿物资源的高效应用理论及应用工艺研究
我国是人口大国、农业大国，面临着用少量土地养活众多人口的巨大压力。解决的途径只能是依靠科学种田，提高产量，保持生态平衡。天然非金属矿物在这些方面均可发挥重要作用。非金属矿物在农业上的应用主要包括：生产化肥，包括氮、磷、钾肥；微量元素化肥；稀土元素化肥、有机肥等；作饲料原料或添加剂；作为药剂矿物和载体矿物用于生产农药或直接用作农药；用于土壤改良。
以上应用均已有所开展，但应用技术水平低，范围窄，远远不能满足农业发展的需要，也远远没有充分发挥非金属矿物在这方面的应用潜力。比如我国是钾肥资源紧缺的国家，对含钾矿物岩石中的不可溶钾进行开发研究，可解决我国钾肥资源紧缺的问题。但目前这方面研究仍没有大的突破，主要问题是尚未寻找到高效、低成本、环境负担小的工艺技术。
研究内容包括：含钾矿物岩石钾元素活化、提取和综合利用新工艺研究；非金属矿物中微量元素、稀土元素和其他有用元素的综合利用研究；非金属矿物岩石在水土改良、生态环境改善方面的应用研究。
4.6 纳米矿物材料研究
由于纳米材料具有独特的成分、结构、性能及制备方法，这方面的研究仍将是材料学的前沿领域。纳米矿物材料与其他纳米材料相比，研究深度、广度均需提高。因此，除其他纳米材料所面临的共性问题外，纳米矿物材料更应加强以下方面研究：纳米矿物材料制备新技术、新型纳米矿物材料研制、纳米矿物材料有关理论研究。
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碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状及发展趋势摘要：综述了铝基复合材料的发展历史及国内外研究现状，重点阐述了碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备工艺的发展现状。同时说明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究中仍存在的问题，在此基础上展望了该复合材料的发展前景。关键词：SiCp /Al 复合材料； 制备方法中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2011)12-0092-05Research Status and Development Trend of SiCP/Al CompositeZHENG Xijun, MI Guofa(College of Material Science and Engineer, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)Abstract：The development history, domestic and foreign research present situation of SiCP /Al composite wasintroduced, the research progress of preparation process for SiCP /Al composite were elaborated, the research on SiCP /Alcomposite was analyzed and the development prospect of the composite was put forward.Key words：SiCp /Al composite; preparation methods收稿日期:2010-11-20作者简介:郑喜军(1982- ),男,河南西平人,硕士研究生,研究方向为材料加工工程;电话:;E-mail:《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术应用进行了广泛的关注和研究，从材料的制备工艺、组织结构、力学行为及断裂韧性等方面做了许多基础性的工作， 取得了显著的成绩。在美国和日本等国，该类材料的制备工艺和性能研究已日趋成熟，在电子、军事领域开始得到实际应用。SiC 来源于工业磨料，可成百吨的生产，价格便宜，SiC 颗粒强化铝基复合材料被美国视为有突破性进展的材料， 其性能可与钛合金媲美，而价格还不到钛合金的1/10。碳化硅颗粒增强铝基复合材料是最近20 年来在世界范围内发展最快、应用前景最广的一类不连续增强金属基复合材料，被认为是一种理想的轻质结构材料，尤其在机动车辆发动机活塞、缸头(缸盖)、缸体等关键产品和航空工业中具有广阔的应用前景[5-7]。在1986 年，美国DuralAluminumComposites 公司发明了碳化硅颗粒增强铝硅合金的新技术， 实现了铸造铝基复合材料的大规模生产， 以铸锭的形式供给多家铸造厂制造各种零件[8-9]。美国Duralcan 公司在加拿大己建成年产11340 t 的SiC/Al 复合材料型材、棒材、铸锭以及复合材料零件的专业工厂。目前，Duralcan 公司生产的20%SiCp /A356Al 复合材料的屈服强度比基体铝合金提高75%、弹性模量提高30%、热膨胀系数减小29%、耐磨性提高3～4倍。美国DWA 公司生产的碳化硅增强复合材料随碳化硅含量的增加，只有伸长率下降的，其他性能都得到了很大提高。到目前为止，SiCp/Al 复合材料被成功用于航空航天、电子工业、先进武器系统、光学精密仪器、汽车工业和体育用品等领域，并取得巨大经济效益。表1 列举了一些SiCp/Al 复合材料的力学性能。目前国内从事研制与开发碳化硅颗粒增强铝复合材料工作的科研院所与高校主要有北京航空材料研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、国防科技大学等。哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al 用于某卫星天线丝杆，北京航空材料研究院研制的SiCp/Al 用于某卫星遥感器定标装置[10-11]。国内到目前为止还没有出现高质量高性能的碳化硅颗粒增强铝基复合材料， 虽然部分性能已达到国外产品的指标， 但在产品的尺寸精度上还存在不小的差距，另外制造成本太高，离工业化生产还有一段距离要走。2 铝基复合材料的性能特征(1)高比强度、比模量由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量， 特别是高性能连续纤维，如硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，他们具有很高的强度和模量[1]。(2)良好的高温性能，使用温度范围大增强纤维、晶须、颗粒主要是无机物，在高温下具有很好的高温强度和模量， 因此金属基复合材料比基体金属有更高的高温性能。特别是连续纤维增强金属基基复合材料，其高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。(3)良好的导热、导电性能金属基复合材料中金属基体占有很高的体积百分数， 一般在60%以上，因此仍保持金属的良好的导热、导电性能。(4)良好的耐磨性金属基复合材料，特别是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是由于在基体中加入了大量细小的陶瓷颗粒增强物，陶瓷颗粒硬度高、耐磨、化学性能稳定，用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。(5)热膨胀系数小，尺寸稳定性好金属基复合材料中所用的增强相碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，特别是超高模量的石墨纤维具有负热膨胀系数， 加入相当含量的此类增强物可降低材料膨胀系数， 从而得到热膨胀系数小于基体金属、尺寸稳定性好的金属基复合材料。(6)良好的抗疲劳性和断裂韧性影响金属基复合材料抗疲劳性和断裂韧性的因素主要有增强物与复合体系制备工艺增强体含量(vol,%)拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率(%)SiCP /2009Al 粉末冶金20 572 109 5.3SiCP/2124Al 粉末冶金20 552 103 7.0SiCP/6061Al 粉末冶金20 496 103 5.5SiCP/7090Al 粉末冶金20 724 103 2.5SiCP/6061Al 粉末冶金40 441 125 0.7SiCP/7091Al 粉末冶金15 689 97 5.0SiCP/A356Al 搅拌铸造20 350 98 0.5SiCP/A359Al 无压浸渗30 382 125 0.4表1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能[1]Tab.1 Mechanical properties of aluminum matrixcomposite reinforced by SiC particle93Hot Working Technology 2011, Vol.40, No.12材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月金属基体的界面结合状态、金属基体与增强物本身的特性以及增强物在基体中的分布等。特别是界面结合强度适中，可以有效传递载荷，又能阻止裂纹扩展，从而提高材料的断裂韧性。(7)不吸潮、不老化、气密性好与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，在空间使用不会分解出低分子物质而污染仪器和环境，有明显的优势。(8)较好的二次加工性能可利用传统的热挤压、锻压等加工工艺及设备实现金属基复合材料的二次加工。由于铝基复合材料不但具有金属的塑性和韧性，而且还具有高比强度、比模量、对疲劳和蠕变的抗力大、耐热性好等优异的综合性能。尤其在最近20 年以来， 铝基复合材料获得了惊人的发展速度，表2 列举了一些铝基复合材料的力学性能。3 主要应用领域3.1 在航空航天及军事领域的应用美国ACMC 公司和亚利桑那大学光学研究中心合作，研制成超轻量化空间望远镜和反射镜，该望远镜的主镜直径为0.3m，仅重4.54kg。ACMC 公司用粉末冶金法制造的碳化硅颗粒增强铝基复合材料还用于激光反射镜、卫星太阳反射镜、空间遥感器中扫描用高速摆镜等；美国用高体积分数的SiCp/Al代替铍材，用于惯性环形激光陀螺仪制导系统、三叉戟导弹的惯性导向球及管型测量单元的检查口盖，成本比铍材降低2/3；20 世纪80 年代美国洛克希德.马丁公司将DWA 公司生产的25%SiCp /6061Al 用作飞机上承载电子设备的支架，其比刚度比7075 铝合金约高65%；美国将SiCp/6092Al 用于F-16 战斗机的腹鳍， 代替原有的2214 铝合金蒙皮， 刚度提高50%，寿命从几百小时提高到8000 小时左右，寿命提高17 倍，可大幅度降低检修次数，提高飞机的机动性，还可用于F-16 的导弹发射轨道；英国航天金属及复合材料公司(AMC)采用高能球磨粉末冶金法研制出高刚度﹑ 耐疲劳的SiCp/2009Al， 成功用于Eurocopter 公司生产的N4 及EC-120 新型直升机[12]；采用无压浸渗法制备的高体积分数SiCp/Al 作为印刷电路板芯板用于F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电元件、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上， 以代替包铜的钼及包铜的锻钢，可使质量减轻70%，同时降低了电子模板的工作温度；SiCp/Al 印刷电路板芯板已用于地轨道全球移动卫星通信系统； 作为电子封装材料，还可用于火星“探路者”和“卡西尼”土星探测器等航天器上。美国采用高体积分数SiCp /Al 代替Cu-W 封装合金作为电源模块散热器，已用于EV1 型电动轿车和S10 轻型卡车上；美国将氧化反应浸渗法制备的SiC-Al2O3/Al 作为附加装甲，用于“沙漠风暴”地面进攻的装甲车；美国GardenGrove 光学器材公司用SiCp/Al 制备Leopardl 坦克火控系统瞄准镜。3.2 在汽车工业中的应用由山东大学与曲阜金皇活塞有限公司联合研制的SiCp /Al 活塞已用于摩托车及小型汽车发动机；自20 世纪90 年代以来， 福特和丰田汽车公司开始采用Alcan 公司的20%SiC/Al-Si 来制作刹车盘；美国Lanxide 公司生产的SiCp/Al 汽车刹车片于1996年投入批量生产[13]；德国已将该材料制作的刹车盘成功应用于时速为160km/h 的高速列车上。整体采用锻造的SiCp/Al 活塞已成功用于法拉利生产的一级方程式赛车。3.3 在运动器械上的应用BP 公司研制的20%SiCp/2124Al 自行车框架已在Raleigh 赛车上使用；SiCp /Al 复合材料可应用于自行车链轮、高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；在医疗上用于假体的制造。4 制备及成型方法一般来说， 根据铝基体状态的不同，SiCp/Al 的制备方法大致可分为固态法和液态法两类。目前主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和挤压铸造法。4.1 粉末冶金法粉末冶金法又称固态金属扩散法，该方法由于克增强相/ 基体增强相含量拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率(%)SiC/Al-4Cu 15 476 92 2.3SiCp /ZL101 20 375 101 1.64SiCp /ZL101A 20 330 100 0.5SiCp /6061 25 517 114 4.5SiCp /2124 25 565 114 5.6Al2O3 /Al-1.5Mg 20 226 95 5.9Cf /Al 26 387 112 -表2 金属基复合材料的力学性能[1]Tab.2 Mechanical properties of metal matrix composite[1]94《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术服了碳化硅颗粒与铝合金熔液润湿困难的缺点，因而是最先得到发展并用于SiCp/Al 的制备方法之一。具体制备SiCp/Al 的粉末冶金工艺路线有多种，目前最为流行和典型的工艺流程为：碳化硅粉末与铝合金粉末混合一冷模压(或冷等静压)一真空除气一热压烧结(或热等静压)一热机械加工(热挤、轧、锻)。粉末冶金法的优点在于碳化硅粉末和铝合金粉末可以按任何比例混合，而且配比控制准确、方便。粉末冶金法工艺成熟，成型温度较低，基本上不存在界面反应、质量稳定，增强体体积分数可较高，可选用细小增强体颗粒。缺点是设备成本高，颗粒不容易均匀混合，容易出现较多孔隙，要进行二次加工，以提高机械性能，但往往在后续处理过程中不易消除；所制零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制，粉末冶金技术工艺程序复杂，烧结须在在密封、真空或保护气氛下进行， 制备周期长， 降低成本的可能性小，因此制约了粉末冶金法的大规模应用。4.2 喷射沉积法喷射沉积法是1969 年由Swansea 大学Singer教授首先提出[14]，并由Ospray 金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术。该方法的基本原理是：对铝合金基体进行雾化的同时，加入SiC 增强体颗粒，使二者共同沉积在水冷衬板上， 凝固得到铝基复合材料。该工艺的优点是增强体与基体熔液接触时间短，二者反应易于控制；对界面的润湿性要求不高，可消除颗粒偏析等不良组织， 组织具有快速凝固特征；工艺流程短、工序简单、效率高，有利于实现工业化生产。缺点是设备昂贵，所制备的材料由于孔隙率高而质量差必须进行二次加工， 一般仅能制成铸锭或平板； 大量增强颗粒在喷射过程中未能与雾化的合金液滴复合， 造成原材料损失大， 工艺控制较复杂，增强体颗粒利用率低、沉积速度较慢、成本较高。4.3 搅拌铸造法搅拌铸造法的基本原理[15-17]：依靠强烈搅拌在合金液中形成涡漩的负压抽吸作用， 将增强体颗粒吸入基体合金液体中。具体工艺路线：将颗粒增强体加入到基体金属熔液中， 通过一定方式的搅拌与一定的搅拌速度使增强体颗粒均匀地分散在金属熔体中，以达到相互混合均匀与浸润的目的，复合成颗粒增强金属基复合材料熔体。然后可浇铸成锭坯、铸件等使用。该方法的优点是：工艺简单、设备投资少、生产效率高、制造成本低、可规模化生产。缺点是：加入的增强体颗粒粒度不能太小， 否则与基体金属液的浸润性差， 不易进入金属液或在金属液中容易团聚和聚集；普遍存在界面反应，强烈的搅拌容易造成金属液氧化，大量吸气及夹杂物混入，颗粒加入量也受到一定限制，只能制成铸锭，需要二次加工。4.4 挤压铸造法挤压铸造法是首先把SiC 颗粒用适当的粘结剂粘结，制成预制块放入浇注模型中，预热到一定的温度，然后浇入基体金属液，立即加压，使熔融的金属熔液浸渗到预制块中，最后去压、冷却凝固形成SiCp/Al。该方法的优点是：设备较简单且投资少，工艺简单且稳定性较好，生产周期短，易于工业化生产，能实现近无余量成型，增强体体积分数较高，基本无界面反应。缺点是容易出现气体或夹杂物，缺陷比较多，需增强颗粒需预先制成预成型体， 预成型体对产品质量影响大，模具造价高，而且复杂零件的生产比较困难。5 SiCp /Al 复合材料发展的建议与对策SiCp /Al 复合材料作为一种新的结构材料有着广阔的发展前景, 但要实现产业化还需做大量的研究工作。除了要对SiCp/Al 复合材料的制备工艺、界面结合状态、增强机制等方面的内容做进一步研究，其相关领域的研究及发展也应给予重视。5.1 现有制备工艺进一步完善和新工艺的开发现有工艺制备方法虽然已经成功制造了复合材料，但很难用于工业化生产且尚处于实验室研究阶段[18]。SiC 颗粒存在于铝液中，使金属液粘度提高，流动性降低，铸造时充填性变差，当颗粒含量增加至20%或在较低温度(<730℃)时，流动性急剧降低以致于无法正常浇注。另外，SiC颗粒具有较大的表面积， 表面能较大，易吸附气体并带入金属液中，而金属液粘度大也易卷入气体并难以排出，产生气孔缺陷。因此，对现有工艺的进一步完善和新工艺的开发成为下一步研究工作的主要任务。5.2 后续加工工艺的研究金属基复合材料的切削加工、焊接、热处理等后续加工工艺的研究较少，成为限制其应用的瓶颈。高强度、高硬度增强体的加入使金属基复合材料成为难加工材料[18-19]，而由于增强体与基体合金的热膨胀系数差异大引起位错密度的提高， 也使金属基复合95Hot Working Technology 2011, Vol.40, No.12材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月材料的时效行为与基体合金有所不同[20]。另外，增强体影响焊接熔池的粘度和流动性， 并与基体金属发生化学反应限制了焊接速度， 给金属基复合材料的焊接造成了极大困难。因此， 解决可焊性差的问题也成为进一步研究的主要方向。5.4 环境性能方面的改善金属基复合材料的环境性能方面的研究， 即如何解决金属基复合材料与环境的适应性， 实现其废料的再生循环利用也引起了一些学者的重视， 这个问题关系到有效利用资源，实现社会可持续发展，因此， 关于环境性能方面的研究将是该领域今后研究的热点。由于铝基复合材料是由两种或两种以上组织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起形成一类新的多相材料， 其回收再利用的技术难度要比传统的单一材料大得多。随着铝基复合材料的批量应用，必然面临废料回收的问题，通过对复合材料的回收再利用， 不但可减少废料对环境的污染还可减低铝基复合材料的制备成本、降低价格，增加与其他材料的竞争力，有利于促进自身的发展。文献[21]配制了混合盐溶剂， 采用熔融盐法成功地分离出颗粒增强铝基复合材料中的增强材料，研究结果表明，利用该技术处理颗粒增强铝基复合材料， 其回收利用率可达85%。6 结语与铝合金基体相比， 铝基复合材料具有更高的使用温度、模量和强度，热稳定性增加及更好的耐磨损性能，它的应用将越来越广泛。然而，在目前的研究中仍然存在许多疑问和有待解决的问题， 例如怎样去克服铝基复合材料突出的界面问题， 并且力求研究结果有助于改善生产应用问题； 在制备过程前后， 怎样通过热处理手段来改善成品的各方面性能；如何利用由于热失配造成的内、外应力使材料服役于各种环境。此外，原位反应中仍不免其他副反应夹杂物存在， 同时对增强体的体积分数也难以精确控制，这些都是亟待研究解决的问题。参考文献：[1] 于化顺．金属基复合材料及其制备技术[M]．北京：化学工业出版社，2006．241．[2] 吴人洁．复合材料[M]．天津：天津大学出版社，2000．[3] 沃丁柱．复合材料大全[M]．北京：化学工业出版社，2000．[4] 毛天祥．复合材料的现状与发展[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2000．[5] 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