多孔復合材料
『壹』 什麼模擬軟體可以模擬稀土銪摻入多孔二氧化硅減反射膜
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無機非金屬材料發展的新趨勢及其影響 中國科學院上海光學精密機械研究所 復旦大學 干福熹
從近代高技術的發展來看，無機非金屬材料所起的基礎和先導作用卓然。上二十世紀下半葉興起的高技術以其產業為例，化合物半導體材料促使光電子技術的很大發展，形成了半導體發光二極體和半導體激光器的新興產業，特別是近十年寬禁帶半導體材料，如GaN材料的突破將推動全固態光源技術和產業的發展。由於七十年代石英玻璃光導纖維的損耗小於20dB/km，才使光纖通信技術能夠實用化。近十年由於摻稀土離子的光纖放大器材料的突破，使多波復用長距離的光纖通信迅速發展。由於在La－Ba－Cu－O化合物中觀察到30k以上的超導轉變，開創了高溫超導的新興技術領域。碳富勒烯球和碳納米管的誕生使納米技術走向世紀的前沿。弛豫鐵電和壓電單晶和陶瓷的突破使高性能超聲和水聲換能器、壓電驅動器等得到發展，在醫用等高技術領域廣泛應用。氧化物和超薄膜材料中巨磁電阻效應（GMR）和近十年隧道磁電阻效應的發現，使磁存儲密度獲得很大提高，磁記錄產業得到迅速發展。人們研究並發展了晶須增韌、顆粒彌散強化、相變增韌等多種途徑，使一些新型的氮化物（如Si3N4、BN）、硼化物（如LaB6、ZrB2等）、碳化物（TiC、WC、SiC）等材料，其斷裂韌性高達20MPa·m1/2以上，使陶瓷基復合材料進入實用化，推動了航空、航天和交通製造業。
21世紀無機非金屬材料的發展具有低維化（在宏觀和微觀上）、復合化（材料的功能復合和組成復合）、智能化和環境友好等特徵。宏觀上的低維化是從體材料向薄膜材料和纖維材料的發展。現代信息功能器件（微電子、光電子和光子學器件）都是集成化的，因此主要應用薄膜材料。結構材料也用塗層和薄膜來改性：增強、增韌、耐磨。無機塗層包括各類熱控塗層、耐高溫防腐蝕塗層、抗氧化塗層、耐損塗層等，應用於航天器、核反應堆和遠載工具上。特別在結構材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。因此無機非金屬材料的薄膜制備、結構和性能、表面態以及發展新的薄膜材料的研究就十分重要。在功能器件中纖維也作為集成元件，如光通信中光信號的放大、調制、選模等功能都通過功能纖維來完成，形成集成纖維光路和光網。纖維作為結構復合材料的主體，纖維的表面結構和性能就尤為重要。
從微觀上的低維化，即無機非金屬材料的織構與結構上的尺寸從毫米、微米趨向納米。上世紀末出現的光子學晶體，是以一維、二維和三維的以光波長為尺度（微米和亞微米）以介電常數空間周期變化的人工帶隙新材料，將在本世紀內有很快的發展，特別是應用於光電子學和光子學材料和器件。納米尺度上的超晶格薄膜、納米線、納米點材料的結構、性能的尺寸效應以及納米材料的制備在上世紀末已作為公共關心的主題。納米材料和器件由於其尺度上納米量級，可表現出許多不同於塊體結構的性質，對材料結構和性能關系的認識延伸到介觀尺度。進入到21世紀將以納米器件為中心來研究納米材料的合成、組裝與性能調控。進一步的低維化，涉及到基於原子和分子的納米材料和技術，低維納米材料及其復合的量子特性，量子限域體系設計和製造，研究量子點和量子線材料的電子和能帶結構、雜質態和缺陷態等與結構與材料的物理性質關系，實現量子調控。
無機非金屬材料與金屬材料和有機高分子材料的復合化（composite）或雜化(hybrid)是另一發展趨勢。以應用為目標，優化三大類材料的各自優點，進行在宏觀尺寸上復合化，上個世紀在傳統無機非金屬材料上已廣泛採用，如鋼筋混凝土（金屬與水泥）、玻璃鋼（有機高分子與無機玻璃纖維），這類以結構材料為主的復合材料，今後仍將優化並繼續發展。
隨著材料的復合的尺寸愈來愈小，以至於達到納米和分子尺度上的復合或稱之為雜化，今後在無機非金屬功能材料上將頗為明顯，如納米TiO2和敏化染料雜化以及以CdSe納米線與噻吩的復合材料的太陽能電池材料，高的非線性光學常數的無機－有機雜化材料，碳納管與有機熔鹽製成高度導電的聚合物納米管復合材料等。
功能的復合將使結構材料與功能材料的界限逐步消失，例如平板玻璃是作為門、窗、牆的結構材料，但當平板玻璃鍍膜後就具有不同的光反射和吸收的陽光控制和低輻射玻璃後，就成為能滿足節能、環保、安全和裝飾的多功能建築玻璃。結構陶瓷也逐步功能化，利用陶瓷優良的介電性能和光反射性能，發展了結構、防熱、透波（或吸波）等陶瓷材料。利用AIN陶瓷高的導熱性、低的電導率和熱膨脹以及優良的機械性可作為大功率半導體集成器件的基板。
材料的智能化，即材料性能的多元化，能接受外部環境變化的信息，並能實時反饋。智能（smart）無機非金屬材料日益受到關注。最早的智能化材料為被動式（passive smart），如光色（光致變色）材料受陽光輻射，自動改變透光度，但透光度的深淺是不同控的。但電致變色材料不僅光照後變色，並且變色程度由外加電壓可控，是智能自動式（active smart）。智能化功能材料大都分為多片壓電和鐵電陶瓷的復式結構，外場信號的感知和反饋操作是分開的，目前趨向薄膜化和集成化。納米復合材料的出現，可以把不同功能的材料從微觀上復合在一起，形成緊湊的單體智能材料，這也是多功能無機非金屬材料的主要發展方向。
本世紀的經濟和社會發展是以人為本，與環境和諧的。所以節能降耗、環境友好、資源綜合和循環利用、廢棄物資循環利用和處理、有害氣體液體的低排放和無害處理、有毒有害元素的替代必將是我國無機非金屬材料的創新研究和生產中必須遵循的，應該全方位、多學科地研究綠色生產工藝、環境協調材料制備技術及其理論基礎。
傳統無機非金屬材料產業是著名的資源、能源高消耗和對環境的高污染。21世紀要按照「全面、協調、可持續發展」的科學發展觀，首先解決傳統無機非金屬材料與生態環境協調的生產技術，成為生態環境材料（ecomaterials）。加強理論基礎研究，探索出低能耗少污染的新的合成和製造工藝；提高產品性能和節耗的技術途徑；廢氣廢料的合理科學處理技術；礦物資源的合理利用和結構調整。以傳統的無機非金屬材料為例，建立材料環境負荷評價的方法。
發揮無機非金屬材料的制備特點，加強對改善環境的關鍵材料的研究，諸如核廢物固化材料以解決核廢物的永久處理；汽車和柴油機尾氣三效催化劑（稀土復合氧化物）及載體材料（多孔陶瓷和陶瓷纖維）以解決汽車和柴油機的尾氣污染；光催化的建築材料以解決建築材料的自潔以及無機膜分離材料對葯物、食物和污水處理。
21世紀無機非金屬材料的主要應用領域為信息、能源、交通、生物醫學、生態環境和國防。新材料的發展將會對上述各領域產生深遠的影響。
信息功能材料和器件作為21世紀信息社會產業發展的基礎，涉及到信息的發射、傳輸、接受、處理、運算、存儲和顯示等各方面，主要的技術和手段為微電子技術、光電子技術和光子學技術。雖然信息的載體將逐漸由電子轉向光子，但信息的發射、處理和運算仍以微電子技術為主，並仍依賴於以半導體硅為基礎的材料，予計到本世紀中葉都不會改變。硅基的新材料如絕緣體上半導體（SO1），GeSi/Si應變超晶格材料，硅基異質結構材料（如硅基Ⅲ－Ⅴ族材料、硅基發光與激光材料等）將以更快的速度發展。
信息功能陶瓷材料將繼續在電子元器件、超聲和微波器件為主的電子學和微電子學技術上發揮作用。
Ⅲ－Ⅴ族半導體材料仍然為光電子技術（光源和接收器）的主要材料。GaAs，InP基超晶格、量子阱作為人工微結構材料，是新一代固體量子器件的基礎，將會向高性能和實用化發展。Ⅲ－Ⅴ族半導體材料也是高頻高功率微波器件的主要材料。以GaN和ZnO為代表的寬頻隙半導體材料將成為短波長發光和激光材料，在半導體固體照明和光信息存儲上發揮重大作用。
半導體存儲器、磁存儲器和光存儲器為信息存儲技術的三大手段。通過技術革新和巨磁組材料的應用，磁性材料的存儲密度仍有大幅度提高的空間。到2010年磁疇的尺寸可達到20～30nm的物理極限，存儲密度趨向Tb/in2。在這段時間自旋電子學材料和器件將會很大發展。在鐵磁層/非鐵磁中介層/鐵磁層結構的分層膜中外加磁場可以改變相鄰磁性層的相對磁化方向，從而得到電阻隨外磁場變化的磁電阻效應。隨著中介層材料的不同，可產生巨磁阻效應（GMR）和隧道效應磁電阻（TMR）。由此可以製成自旋閥磁頭（CPP）和磁性隨機存儲器（MRAM）。各種新型氧化物，如過渡金屬氧化物和稀土－過渡金屬氧化物鐵磁材料、鐵磁金屬半導體異質材料，磁性半導體材料是必須研究和開發的。
高密度光存儲材料是以研究和開發對短波長（藍、紫和紫外激光）敏感的納米材料，以及克服光衍射極限的近場光存儲有關的光學超解析度和掩膜的快速響應的非線性光學材料。通過三維和多維存儲方式，達到Tb/in2的存儲密度。通過光－磁、光－電混合存儲方式達到可實用化的超高密度信息存儲是有前景的，相關的存儲介質材料是其中的關鍵。
在信息傳輸中移動通信和遠距離無線通信技術將快速發展，高功率微波發生器、微波諧振器、微波濾波器、微波電容器等元器的應用，為微波陶瓷和半導體材料開辟了廣闊的前景。有線通信中光纖通信依然佔主要地位，高密度波分復用（DWDM）為主要擴展容量的手段，傳輸速度將達Tb/s。為發展快速開關、調制、窄帶濾波，除了進一步改進光學功能材料的性能外，光子晶體和負折射率材料將會實現在光頻波段的新的光學功能。
能源是制約經濟快速發展的瓶頸。我國常規能源資源不豐富，能源緊缺，開發二次能源就十分重要。無機非金屬材料將作為二次能源的新能源材料。光－電轉換的太陽能電池是重要的綠色能源，硅基材料是主體。單晶硅太陽能電池的光電轉換效率高（16～25％），但價格高。目前急待提高和生產的為多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池，效率也分別可達到20％和13％。低價格和性能穩定的多晶和非晶硅薄膜材料無疑為發展的重要方向。多元化合物半導體材料如GaAs, CdTe, CuInSe2等薄膜材料的光電轉換效率高（～20％），要解決有害元素的替代和生產價格的降低。用納米TiO2和染料敏化的復合材料的太陽能電池的優點為廉價和工藝簡單，光效 >10%，是目前能和硅基太陽能電池的唯一競爭者。
在發達國家汽車消耗了40％的能源，因此汽車動力電池十分重要。上世紀已進行了不少開發研究的鎳氫電池和鋰離子電池在本世紀要實用化，走上批量生產。當中仍需解決不少材料相關的關鍵技術，主要在鎳氫和儲氫電池的高效和穩定的電極材料、儲氫合金。發展新型鋰離子電池的正負極和隔膜材料，將採用包敷的新材料和納米尺度的復合材料。
氫氧燃料電池是大功率的綠色電池。化合物方式儲氫受到廣泛重視，選擇合適的化合物作為氫的載體，是材料科學研究的主要工作。提高儲氫重量密度和體積密度為主要研究方向。固體氧化物燃料電池是要大力發展的另一類燃料電池，作為在500～1000℃工作的固體電解質膜材料也是關鍵。
生物應用材料是保障人類健康的必需品。生物醫用材料目前主要用於生物器官和組織的修恢和替代。人的生物體是有機生物體和無機非金屬材料的復合體。特別在人的器官、骨修復、葯物控制系統方面生物醫用無機非金屬材料起重要作用，諸如生物陶瓷、玻璃和無機復合材料等。生物材料從上世紀第一代的「生物惰性」發展到第二代的「生物活性」，而本世紀進入第三代的「細胞/基因活化」的生物材料，即經過組織誘導重建或再生人體組織和器官，或增進其生理功能，實現永久修復。不久的將來可以設計和製造有生命的人體「部件」進而整個人體器官。
近年來發展的葯物和基因等生物活性物質的控制釋放技術，使葯物、蛋白、細胞和基因等可被輸送到指定部位控制釋放。既可應用於難治癒疾病的治療，又可用於誘導再生組織或器官。其關鍵材料為與生物活性物質相容，保持其活性，並能靶向傳輸的載體材料。無機非金屬納米材料今後將作為重要的生物材料應用。利用無機非金屬材料可以作納米微粒標記，納米熒光探針、納米靶基因、納米生物感測器等，可促進癌和其他疾病的早期發現及早期診治。
在兩彈和武器裝備的發展中無機非金屬材料發揮了顯著作用。高溫結構陶瓷與復合材料一直極大地推動了航空、航天、兵器與運載工具的技術向高速度、高搭載和長壽命方向發展。根據預測今後陶瓷基復合材料的性能最有潛力獲得大幅度提升，列為優先發展的國防需求的材料。例如，碳化物陶瓷基復合材料作為高溫熱結構材料、高溫抗沖刷結構材料和高溫防熱材料已在航空發動機、液體和固體火箭、超高聲速航天飛行器、太空望遠鏡等領域應用；氮化物陶瓷基復合材料作為高溫防熱透波材料，可滿足高馬赫數飛行器天線罩需求；高強度、高模量和低密度的碳纖維復合材料在軍工上有廣泛應用和前景。
在電子信息戰的時代，光電跟蹤、制導、對抗、尋的、預警是十分重要的手段，需要有不同波長和不同工作方式的固體激光器。近年來發展起來的用半導體激光進行光泵的全固態激光器是高效、緊湊和方便的，固體激光材料為其核心，主要是以無機非金屬材料的單晶、玻璃和透明陶瓷作為基質。激光武器一直是作為先進戰略防預的一種重要手段，全固態激光器的出現，又一次推動激光武器的發展。輸出功率為100kW的激光武器已作為世界各大國的目標，而大尺寸、高質量的固體激光工作物質是其核心。用於慣性壓縮核聚變反應的高功率激光裝置的輸出瞬態功率將達PW（1015W），不僅為探索核聚變能源，近期主要用於武器的核爆模擬。解決新型大尺寸、高質量的激光玻璃和非線性光學晶體以及高抗激光破壞和低光損耗的光學材料和薄膜為其關鍵。
軍用的數字化移動通訊、衛星通訊和雷達技術是以高穩定性、高頻化和小型化方向發展，在微波和毫米波的波段范圍內，功能陶瓷和Ⅲ－Ⅴ族半導體基礎的材料對電子和微電子器件起重要作用。材料的薄膜化和集成化是關鍵。
以無機非金屬材料為基礎的國防隱身材料是以塗敷性塗層為主，吸收各種波段的雷達波和激光，目前向復合結構與納米高分子復合結構發展，製作隱身材料已成為國防科技關注的熱點。
『貳』 什麼復合的兩種基材或至少一種基材必須是多孔性的材料
合材料基體即復合材料中作為連續相的材料，分為聚合物基體，金屬基體，無機非金屬基體。
作用：基體材料起到粘結作用，均衡載荷，分散載荷，保護纖維的作用。復合材料分為兩相，另一項為分散相，稱為增強材料。
簡介：
復合材料按照基體材料可分為金屬基復合材料、無機非金屬基復合材料和聚合物基復合材料這三大類。
金屬基復合材料
在使用金屬基復合材料時，不同領域要求迥異。舉例來說，航天、航空領域對比強度、比模量、尺寸穩定性有嚴格的要求，因此會選擇密度小的輕金屬合金作為基體。而高性能發動機使用的復合材料不僅需要具備高比強度、比模量，還對其耐高溫、耐氧化性能提出了要求，一般使用鈦基、鎳基合金以及金屬間化合物做基體材料。普通汽車發動機對材料的耐熱、耐磨、導熱性能、高溫強度有一定的考量，同時又要求成本低，適合批量生產，通常用鋁合金材料做基體。而工業集成電路基板和散熱元件，必須具有高導熱、低膨脹特性，一般使用銅、鋁等僅是作為基體。
如果想要增強金屬基復合材料的強度，添加連續纖維增強材料可以有效達到這個目的。因為纖維作為增強材料，它的強度和模量都要高於金屬基體。而在以顆粒、晶須、短纖維為增強材料的非連續增強金屬基復合材料中，增強材料的強度和模量均要低於金屬基體。選擇增強材料時，還必須充分考慮其與金屬基體的相容性，尤其是化學相容性。保證在金屬基復合材料高溫成型過程中，增強材料不會與基體發生化學反應，而影響復合材料的物理化學功能。當復合材料中含多種物質的時候，這一點就顯得更加重要。
2.無機非金屬基復合材料
無機非金屬基復合材料的基體材料主要包括水泥、石膏和水玻璃等。我們以應用最廣泛的水泥材料為例，水泥材料是多孔體系，這一特徵不僅會影響基體本身的性能，也會影響纖維與基體的界面粘接。纖維與水泥的彈性模量比不大，應力的傳遞效應遠不如纖維增強樹脂。水泥基材的斷裂延伸率較低，在受到強力拉伸時，水泥基體會先於纖維發生開裂。水泥基材中含有粉末或顆粒狀的物料，與纖維成點接觸，因此纖維的摻量受到很大的限制。水泥基材呈鹼性，對金屬纖維可起到一定的保護作用，但對大多數礦物纖維不利。
3.聚合物基復合材料
作為基體材料的復合物包括不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物，這也是一種非常重要的復合材料。在聚合物基復合材料中添加纖維增強材料，可以起到增加強度的作用，所用的纖維種類有玻璃纖維、碳纖維、有機纖維和其他纖維等。
玻璃纖維具有很高的拉伸強度，而且防火、防霉、防蛀、耐高溫，電絕緣性能也非常出色。其化學穩定性良好，除了HF、濃鹼、濃磷酸外，與其他所有化學品和有機溶劑都不會發生化學反應。但玻璃纖維也有缺點，那就是具有脆性、不耐磨、對人的皮膚有刺激性等。
碳纖維具有良好的耐高低溫性能，其比重在1.5到2之間，熱膨脹系數有各向異性的特點，導熱有方向性，比電阻與纖維類型有關。化學性質較為穩定，除了能被強氧化劑氧化以外，與一般酸鹼均不會發生反應，還具有耐油、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等性能。
有機纖維具有很高的拉伸強度以及彈性模量，它的密度小，熱穩定性高，熱膨脹系數各向異性，有良好的耐介質性能，但容易被各種酸鹼腐蝕，耐水性不好。