有些材料在我们看来也许有些陌生，但它在我们的生活中却又那么熟悉，来看看你知道吗？

你听说过“功能梯度材料”这个新名词吗?它是在年由日本科学家首先提出的然而有趣的是,功能梯度材料”在自然界其实早就存在了,例如我们所熟悉的贝壳、牙齿、竹子等,都是大自然造就的功能梯度材料,它们内部的组织和结构均呈连续的变化,与之相伴的性质和功能也呈梯度状的连续变化。

功能梯度材料属于复合材料,但它又不同于传统的复合材料,更不同于单金属或合金等传统的均匀材料。一块纯铜或块铜锌合金材料,它们的每一个局部的组成和相关的物理化学性质都是一致的;而传统的复合材料如钢筋混凝土玻璃钢等,它们在组成和结构上具有突变性,即不同的材料间有明显的分界面。而功能梯度材料的内部,从一种组分变到另一种组分是连续逐渐变化的,所以它既不是组织结构处处均匀的材料,又不存在突然的界面变化。另外,功能梯度材料可以是双组分,也可以是多组分。

科学家最初提出功能梯度材料的目的,是为了解决在设计、制造新一代航天飞机的热保护系统时出现的一些疑难问题。据测,航天飞机在航行时,机体外侧某些部位的温度最高可达℃,所以材料的外层必须耐热和抗氧化;但材料内层的温度却要下落多摄氏度,要能有效地缓解由极大温差变化而造成的热应力,而且整个材料又要具有较好的韧性。因此,一般的材料很难承受这种恶劣的温差条件,而功能梯度材料却能胜任这项艰巨的工作。

功能梯度材料能随着厚度方向逐渐地改变其组成,因而其性能也逐渐变化。例如陶瓷和金属组成的功能梯度材料,它的一面是%的陶瓷,沿着厚度方向,陶瓷的成分逐渐降低,最后变为零;而另一面是%的金属,也是沿着厚度方向发生类似的变化。该材料的陶瓷面能耐高温,而且导热系数极小,能起隔热作用;另一面为金属,导热系数大,散热很快,且有很高的强度。而材料的内部却没有明显的分界面,所以不存在因界面的突然变化而产生热应力等问题。

在科研或生活等领域中,我们都有可能遇到功能梯度材料。例如,核聚变反应堆的内侧要求用耐辐射、耐高温的陶瓷,而外侧却要求导热性好且强度高的金属,选用金属陶瓷功能梯度材料就能满足这样的要求。再如在医学上,可用功能梯度材料来制造人造骨、人造牙等。如牙齿的根部可用多孔磷灰石制作,牙齿的中心部分则选用高韧性材料,而其外露部分可使用高硬度的陶瓷。镶入这种人造牙后,人体细胞可以“伸”入有很多微孔的齿根中,使牙齿牢牢固定在牙床上,而其坚硬、耐磨、耐冲击的程度却远胜过真牙。

随着科学技术的不断发展,功能梯度材料一定会更多地出现在各行各业以及我们生活的各个方面。

光电材料通常用来制造太阳能电池,它能把太阳能转换为电能。现在全球90%的宇宙空间飞行器都靠太阳能电池提供动力,其功率从几瓦到几十千瓦不等。年9月7日,我国发射了第一颗太阳能同步轨道气象卫星“风上面使用了2厘米×2厘米的高效硅太阳能电池片,可供电多瓦,光电转换效率达12%-14%。其中有块砷化镓光电材料,光电转换效率高达33%。

那么,光电材料是怎样把光能转换成电能的呢?

目前的光电材料都为半导体材料,它具有导电体和绝缘体的两重性。如果在半导体硅晶体中加入少量磷,由于磷原子最外层的电子数为5个,比半导体的硅或锗要多出一个电子,当晶体温度升高或受光照射时,多出的这个电子就可获得能量,逐渐脱离磷原子成为自由原子,使半导体的电阻率急剧下降。如果在半导体晶体中加入少量硼,由于硼原子的最外层电子数为3,比硅或锗原子的最外层电子要少一个。因此硼渗入硅晶体后就会形成“空穴”,而这种“空穴”犹如正电荷,也会像自由电子一样在晶体内移动。

按电子方式自由活动的半导体称“n型半导体”,按空穴方式活动的则称“p型半导体”,当在这两种晶体中间插入极薄层,使之一边为p型,另一边为n型,这种半导体就叫pn结”。太阳光中含有称为光子的能量粒子,当阳光照射到光电材料上时,pn结就接受到光子的能量,使n型半导体产生自由电子而呈负电位,p型半导体的空穴则呈正电位。这样就在硅半导体的两端产生了电位差。当用导线将两端连接起来,电流就产生啦

到今天,光电材料已广泛应用在电子计算器、手表等民用产品上,跨入21世纪后,随着“屋顶太阳能发电”、“太阳能汽车”等技术的推广,光电材料将会与我们的生活更为贴近。

你是不是也想说，原来这些材料真的离我们这么近。