材料是人們生活和生產必須的物質根底,也是人類進化的重要里程碑。材料科學主要研究材料的成分、分子或原子構造、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關系。它是一門邊緣新學科主要以固體物理與固體化學、晶體學、熱力學等為根底冶金、化工及各種高新技術來探討材料內在規律和應用。金屬材料在材料工業中一直占絕對優勢,近半個世紀來,隨著高分子材料、無機金屬材料及各種復合材料的開展,金屬材料的絕對主導地位才逐漸被其它材料所部分取代。金屬材料因為其獨特性能而不斷地推陳出新,例如:鋼鐵材料質量的提高、本錢降低、品種多樣化;有色金屬及合金出現高純和高韌鋁合金、高強和高韌并且耐高溫的鈦合金;還涌現了一些新型高性能金屬材料,例如快速冷凝金屬非晶和微晶材料、納米金屬材料、定向凝固柱晶和單晶合金等。新型金屬功能材料也不斷出現,如廣泛應用的超導體—超導合金、釹鐵硼稀土永磁合金、非晶態軟磁合金、形狀記憶合金、超細金屬隱身材料、貯氫合金、活性生物醫用金屬材料等[2]。將等離子體理論應用于材料科學的研究是現代材料科學的一個重要方面,下面著重討論等離子體理論在陶瓷材料、高分子材料領域中的應用。陶瓷材料是無機材料的一種。它可分為工程陶瓷和功能陶瓷兩以及離子鍵和共價鍵的混合鍵接合一起,它與其它工程材料相比,物理和化學性能中最突出區別是極好的耐熱性能和化學穩定性。陶瓷是一種多晶態材料從物理性能來看陶瓷通常是各向異性的固體成陶瓷的根本相及其構造要比金屬復雜得多它放在顯微鏡下觀察可知其通常由晶體相、玻璃相、氣相組成。陶瓷晶體缺陷也可分為3大類:點缺陷(空位、間隙原子、電子空穴等);線缺陷(位錯);面缺陷(晶界、亞晶界)。一般來說,在正常情況下,大多數陶瓷材料不滿足等離子體定義,但在陶瓷制造工藝過程中,陶瓷材料的應用特別是作為功能材料時,它的等離子體性質便顯示出來,等離子體理論也是大有用武之地。隨著近代材料科學的開展,某些陶瓷材料的半導體性質和導電性質引起人們的高度重視。例如經過高溫燒結的氧化錫于高溫缺氧造成陰離子缺位,并引起晶格畸變,使其內部出現自由電位置,具有很高的擴散系數和電導率,是離子導電體;高級耐火材料的體。現在人們對高溫超導陶瓷系列的研究深感興趣,也是超導材料研究的一個重要方面。對于上述陶瓷材料,利用等離子體理論來描述是一個很好的方法。高分子材料是非常有用的絕緣材料和介電材料正常情況下具有等離子體性質。它在電場作用下表現出極化、介質松弛、電導及擊穿等性質。但隨著近代合成高聚物材料的開展,現了高分子光電體、壓電體、半導體、導體、超導體等。例如,在聚乙炔中,每個碳原子有一個導電電子(π電子),類似堿金屬,是良導體,但實踐證明,純潔的聚乙炔是絕緣體,σ=10-7(1/Ω·m),只有摻入受主雜質(Cl、M=eh/2mc;在半導體中純潔時,低溫下不導電,參加雜質那么有傳導電M=eh/2mc。帶正電或負電但沒有自旋,并發現孤子和反孤子是成對出現的所帶電荷能夠是分數;在孤子—反孤子對產生過程中,還會形成一種定域振動模———呼吸子;當電子—空穴對演變為孤子—反孤子對后,孤子和反孤子以一定速度相別離。極化子是一種定域的晶格畸變狀態,是孤子和反孤子所形成的束縛態,可由孤子和反孤子構造得到極化子構造,它包括原子分布構造和電子能帶構造。在聚乙炔中,導帶和價帶都起作用,是一種“雙帶極化子”,順式聚乙炔的基態是順—其能量將高于順—反式,因而基態只有一個,其它的高聚物如聚對苯撐等,其基態都是非簡并的。在非簡并基態的高聚物中,不能產生孤子,只能產生極化子,且可產生多種極化子,不僅存在帶單個電荷±e的極化子,還存在帶兩個電荷±Ze的極化子———雙極化子。由于常數吸引力的存在,對非簡并基態的高聚物,孤子和反孤子對就不能別離成相互獨立運動的孤子和反孤子,孤子和反孤子將永遠處于束縛態中,此情況稱“禁閉效應”。在高聚物中孤子和反孤子之間的“禁閉效應”基態的非簡并性,這種束縛著的孤子—反孤子對就是極化子[3]。對于聚乙炔,反式的基態是簡并的,順式是非簡并的,故在反式聚乙炔中可以有獨立運動的孤子。新材料有些是從傳統材料改進開展起來的,一些是根據需要設計構造得來的,還有些是從根底研究和應用根底研究的成果逐步開展起3造世界由必然王國向自由王國過渡的能力,證明宇宙萬物運動是有規律性的、可認識的。新材料是知識密集、技術密集、資金密集的一類新興產業;是許多學科相互穿插、滲透、相輔相成的結果。它們中的多數是有機化學、無機化學、量子化學、分析化學、固體物理、固體力學、冶金科學、陶瓷科學、生物學、微電子學、光電子學等多種學科的最新成就[4]。新材料的開展還與其它高新技術密切相關,例如:新材料的合成與制造往往與許多極端條件(超高壓、超高溫、超高真空、超高速、超高純、微重力、極低溫等)和技術聯系;新材料的測試與評價更需要各種各樣的精細儀器設備。任何新科學技術的開展總是在傳統科學技術的根底上進展的,在傳統材料根底上開展新材料是與原材料→根底材料→工程材料的總體循環密切相關的里每一個環節的改進與創新都會導致新材料的產生。21世紀將是生命科學技術的世紀,由于知識經濟和可持續開展的需要,古今中外的科學將逐步統一融合,各類科學乃至自然科學、人文及社會科學亦將統一融合。在新的世紀里,材料科學與工程必將在當代科學技術迅猛開展的根底上,在科學大統一融合的潮流中,朝著高功能化、超高性能化、復雜化和智能化的方向開展的材料和材料科學一直是社會進步的重要物質根底,必將為人類社會的物質文明建立作出宏大的奉獻。[1]師昌緒·新型材料和材料科學技術的現狀和開展[M]·長沙:湖南科