第一章 金属材料

金属材料通常指由金属元素构成的，或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料。主要包括纯金属材料、合金材料，以及特种金属材料等。虽然金属氧化物不属于金属材料，但它是制取纯金属或合金材料的主要原料，与金属材料开发成果的关系十分密切，为了便于了解金属材料的开发进展情况，本章专门安排一节分析金属氧化物的开发现状。21世纪以来，国外在纯金属材料领域的研究，主要集中在结晶铜、金属钒、地表稀有金属，铝板、镁板，超密铝、锌材料、铅薄层和铯薄层。在金属氧化物领域的研究，主要集中在氧化铜、氧化镍、氧化锌、氧化钛、氧化铪，以及铱氧化物、钡氧化物、镉锇氧化物、金属复合氧化物。在新型合金材料领域的研究，主要集中在氢金属合金、因瓦合金、高熵合金、液态金硅合金和新型合金准晶体；车用钢材、船用钢板、不锈钢与合金钢、新型高性能钢材；钴铁合金、锰锗合金、镁合金、铝合金、铜铬合金、镍钛形状记忆合金、钛合金、锆镍钛铜合金、镓铟液体合金。在纳米金属材料领域的研究，主要集中在黄金纳米粒子、银纳米材料、铂纳米材料、铜纳米材料、锌纳米材料，以及含纳米囊体的电镀涂层金属表面。在磁性材料领域的研究，主要集中在氧化钴钠、银原子团簇、铋化合物、金属镝。在生物医学用金属材料领域的研究，主要集中在利用细菌制造金属纳米团簇，利用DNA链获得金纳米粒子晶体，用金纳米粒子与蛋白质制成复合结构，发现金属镓是一种有效的新型抗生素。

第一节 纯金属材料

一、研究纯金属材料的新发现

1．研究重有色金属材料的新发现

发现结晶铜能让聚合物结构紧密有序。2010年7月，加拿大科学家博比·森普特，与美国橡树岭国家实验室专家文森特·穆尼尔等人组成的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》发表论文称，他们发现，结晶铜能让聚合物PEDOT（3,4-乙烯基二氧噻吩）的结构紧密有序。该聚合物在电子设备中具有广泛用途，因此，这一发现，有望让未来的电视和计算机屏幕更亮、更干净、更节能。

PEDOT具有分子结构简单、能隙小、导电率高等特点，被广泛用于有机薄膜太阳能电池材料、OLED（有机发光二极管）材料、电致变色材料、透明电极材料等领域。森普特说，该聚合物，是目前世界上使用最成功的半导体聚合物之一。

改进和控制这种聚合物纳米结构的分子顺序，对于它在电子应用领域“大显身手”非常关键，而高度有序的聚合物阵列，能够增加很多电子设备的效率。

研究人员介绍说，他们根据结晶铜的特有性能，在它的表面放置了一个“先驱”分子，该分子将引导并启动聚合反应，就像把鸡蛋往纸箱内堆放一样，铜的表面有很多自由能量最小的“凹痕”，聚合分子不断填充这些“凹痕”，从而整齐地叠放在一起形成密致有序的化合物结构。森普特表示，铜表面产生的立体化学结构非比寻常，而很多合成聚合物的实验，得到的聚合物阵列，通常都不那么令人满意。

密度泛函理论进行的计算，以及在橡树岭国家实验室超级计算机上进行的模拟，都揭示了这个聚合物阵列拥有高度有序的结构，另外，研究人员也使用传统的扫描隧道显微镜，仔细查看了该聚合物的构造，清楚地显示出该聚合物阵列的构造非常密实。

穆尼尔表示，尽管他们只用结晶铜对一种聚合物进行了研究，但他们相信，同样的方法可能也适用于其他聚合物。

2．研究稀有金属材料的新发现

（1）在金属钒中发现新相变类型。

2007年2月23日，美国卡内基学会地球物理学实验室科学家组成的一个研究小组，在《物理评论通讯》上发表研究成果称，他们在金属钒中，发现了一种新的相变类型，即钒的形态在高压相变时虽会发生变化，但其体积却保持不变，这与一般的金属相变体积发生变化的情形不一样。

研究小组说，他们利用金刚石砧压槽给纯钒晶体加压，使得压强达到一个标准大气压的60万倍。利用高清晰度的X光设备观察可以确定，在这种极高压情况下，纯钒晶体的形态因相变而变化，基本的原子堆积单元已经从立方体变成菱面体，但晶体体积却没有因相变而减小，而大多数的元素相变后体积都缩减。

钒是一种在工业领域十分重要的金属，通常钢铁制造过程中加入钒，能使钢铁变得更加坚硬。研究小组介绍说，高压情形下，钒的超导临界温度明显高于其他元素，而且随着压强增加，超导温度也持续上升，这促使他们进一步探究高压下的钒结构，却意外地发现了这种全新类型的相变方式。

人们最为熟悉的相变是气态、液态和固态之间的转变。通常，加压和降温就能使一种物质体积缩减，最终相变为固态。而在高压下，由于物质的原子堆积越来越紧密，一些固体物质相变时物理特性还会进一步变化，最终改变形态，这也会使得物质的体积发生变化。但单从相变体积变化这一点来看，钒表现出了独特的“个性”。

研究小组说，这种相变类型尽管是在钒中首次观察到的，但却说明，人们应该重新审视，那些原以为十分稳定的元素。另外，钒的特殊相变，也为研究其超导温度提供了新思路，有助于未来寻找新的超导材料。

（2）认为地表稀有金属最早可能来自外太空。

2009年10月18日，多伦多大学地质系教授詹姆斯·布雷南等加拿大学者，与美国学者共同组成的一个研究小组，在《自然·地球科学》杂志上发表论文认为，地球表面上蕴藏的一些稀有金属，也许最早来自于外太空。目前，岩石中所含的这些稀有金属，最有可能来自于外太空的陨石雨，例如彗星和陨星等。

地质学家长期以来一直推测，45亿年前，地球曾经是一个冰冷的含铁岩石体，由于受到巨大的外来行星撞击，产生的高热量将铁从岩石里分离出来，分离出来的铁形成了地核。

布雷南表示，地球在40多亿年前形成时，当时的极端高温一定会将岩石中所含的稀有金属成分完全分离出来，并将其沉积在地核之中。然而，现在的地表岩石中还能够探测到甚至可开采、冶炼出铂、铑等稀有贵金属。因此，科学家认为，目前岩石中所含的这些稀有金属，不可能来自于地球内部的任何自然过程。

研究小组重现当时的极端压力和温度环境来模拟这一过程，他们将相似的混合物，放置在高于2000℃的环境中，得到了无铁岩石和铁。由于科学家在此实验中，获得了不含有任何金属的岩石，他们因而推测，在当时地球形成时，也发生了相似的状况。研究人员进一步推测说，某种外来因素，比如大量来自外空的物质，是目前地球表壳中含有的各种稀有金属的来源。

研究人员表示，这种外太空学说，还可解释为何目前在地球上有氢、碳、磷等产生生命的必需物质，这些物质在地球最初形成的极端环境中，肯定不可能存在下来。研究人员暗示，这些物质可能也是地球形成后的天外来客。

二、研发有色金属材料的新进展

1．开发轻有色金属材料的新成果

（1）采用水性涂料研发出无铬彩色铝板。

2005年1月，日本轻金属公司宣布，采用水系涂料，成功开发出了无铬彩色铝板“日轻生态板”。据悉，这种铝板，使用了与涂料厂商共同开发的涂料，实现了与经过镀铬处理的彩色铝板相同的性能。

通常情况下，为了提高镀膜的黏着性，彩色铝板必须进行铝板的脱脂和镀铬处理。而新开发的彩色铝板，作为其主要成分的硅烷丙烯酸聚合物，则可以起到提高铝板与镀膜之间黏着性的底漆作用。加之在涂料方面采用了水系涂料，因此还具有可大幅减少有机挥发性化合物的优点。

据该公司介绍，这种铝板，在大货车与卡车板材用途方面，已经通过用户的检测实验，2004年11月起，已经被用于日本福禄好富公司，生产中小型卡车用冷冻设备“E系列”中。今后，该公司准备向机电、运输、建筑等各种领域的用户，提供无铬彩色铝板产品。

（2）试验表明比铝更轻的镁将成为未来车身材料。

2005年7月，德国《世界报》，刊登了一篇题为《未来的汽车由镁制成》的文章，对未来把轻型材料镁，制成汽车车身的技术和工艺进行了详细介绍。

由钢、铝、镁和塑料组成的新型结构，使汽车变得越来越轻。不久，可能会出现用镁制成的车身。镁比铝还轻，但是迄今为止人们很难把镁制成板材。现在，德国弗莱堡镁板制造公司，已经找到一种制造镁板的廉价方法。在一次试验中，该公司制造出一张超过4吨重的镁板。该公司经理伯恩哈德·恩格尔说“我们的试验表明，用廉价工艺，就能制造出符合工业标准的平板产品。”

该研究项目成功的关键，是新型无锭轧制技术，这一技术明显优于传统的生产方法。原因在于：该技术使用的原料更廉价，并且大大减少了加工步骤。如果人们用通常情况下为120毫米厚的浇铸镁坯生产2毫米厚的镁板，大约需要15次轧制。并且轧制过程中，还要对镁坯一再加热，这也耗费许多成本。另外，镁板在轧制过程中容易出现边裂，因此需要不停地进行剪边处理。浇铸镁坯也很浪费，浇铸过程中经常出现空隙和砂眼。因此，只有部分浇铸镁坯可以用来轧制镁板。

德国弗莱堡镁板制造公司的新型无锭轧制技术，只用一个步骤，就把熔化了的镁直接制成5～6毫米的镁板。使用的原料是更为廉价的所谓生镁块，每锭重约8公斤。这种生镁块每公斤价格约为2.5欧元，而浇铸过的镁坯每公斤约为12欧元。弗莱堡镁板制造公司的试验熔炉，每小时可以吞进1.2吨原料，同时产生750公斤熔化镁。熔化镁从熔炉中，直接流向轧机机座，并被轧成薄板。特别是在试验熔炉的熔化阶段，弗莱堡镁板制造公司，使用许多新研究成果。镁在熔化时被保护气体隔离，因为液态镁如果和氧气接触就会燃烧。另外，轻金属，特别因为其热熔很低而不易于处理：液态镁一旦遇到比自己温度低的熔炉部件就会凝固。弗莱堡镁板制造公司，通过在熔炉里安装复杂的加热和绝热系统，解决了这个问题。

（3）首次用微爆炸方式制成超密铝。

2011年8月23日，美国斯坦福大学研究人员瓦尼奥尼斯等人，与斯坦福直线加速器中心研究人员一起组成的一个研究小组，在《自然·通讯》杂志上发表研究成果称，他们在实验室制成一种新形式的超密铝：体心立方铝。

研究人员说，蓝宝石是一种氧化铝，他们希望，能在其中找到不同状态高压铝存在的证据。研究人员利用美国阿贡国家实验室先进光子源的X射线，对蓝宝石进行轰击，结果，他们发现了一种极端稳定的高压金属铝，即体心立方铝，尽管数量非常少，但足可以证明它的存在。

实验中，研究小组，使用这种新的桌面激光设备，轰击一块蓝宝石的细小点，这种激光会“渗入”晶体内，并在里面引发微型爆炸，制造出的强大冲击波会挤压周围的物质。在100亿帕斯卡、约10万℃高温这样的极端环境下，一种介于固体和等离子体之间的状态：温密物质，就形成了。

瓦尼奥尼斯指出，他并不期望新实验能产生大量新物质，但他确信，科学家可以使用最新实验中使用的设备，在实验室中合成出少量的新物质。而且，最新实验，也为采用桌面实验，研究温密物质提供了可能性，科学家们可以据此更好地理解地球的早期历史。接下来，他们打算使用不同的物质，来重现地球形成时地核深处的某些环境。

2．研制重有色金属材料的新成果

（1）研制出可降低液晶显示器成本的锌制材料。

2006年11月，《日本经济新闻报》报道，日本化工产品制造商东曹公司，研制出一种新材料，可代替用于生产液晶显示器的铟制材料，降低液晶显示器的制造成本。

据报道，与目前生产液晶显示器所用的氧化铟锡靶材相比，东曹公司研发的锌制材料有同样的功效但价格较低。

氧化铟锡靶材，是制作液晶显示器内的透明电极膜的重要材料。过去几年，随着平面电视的需求量猛增，铟的价格不断快速上涨，使日本夏普等液晶电视生产商的采购成本上升，使这些生产商开始寻找铟的替代品。

报道称，东曹公司已经建立了一条生产锌材料的小型生产线，一家主要液晶显示器制造商，已在认真考虑采用这种新产品。

（2）制成只有两个原子厚的超导铅薄层。

2009年6月，美国得克萨斯大学奥斯汀分校一个研究小组，在《科学》杂志上发表论文称，他们制成只有两个原子厚的超导铅薄层。

研究人员称，这是世界上迄今最薄的超导金属层，这一成果，为超导体技术的进一步发展奠定了基础。

研究小组介绍说，在一般金属中，当电子流过时，它将被金属中的晶体缺陷、杂质等障碍物散射，因而会产生“电阻”。不过，只要两个电子能结成对，并且像一对足球运动员相互传球，而未受到其他球员阻挡那样，电子对就可以在相互传递能量时，不受障碍物阻挡而不断流动下去，这就是超导状态。

现代超导理论认为，超导体中的电子对，正是通过成对的状态而移动下去，这样的电子对被称作“库珀对”。

三、使用稀有金属材料的新进展

用铯制成可同时利用光和热的太阳能电池板。

2010年8月1日，美国斯坦福大学，材料科学和工程系副教授尼克·梅洛仕领导的研究小组，在《自然·材料科学》网络版上发表研究成果称，他们通过在一片半导体材料上，喷涂一薄层金属铯的办法，开发出一种太阳能转换新工艺，可以使太阳能电池板，同时利用太阳的光和热来产生电力，其产生电力的效率，要比现有方法高出两倍多，生产成本将有可能与石油相抗衡。

研究人员表示，这种用铯制成的太阳能电池板，与目前使用的太阳能光伏发电技术不同，新材料不会随温度升高而降低效率，因此可在更高温度下工作，它的效率，将大大超过现有的光伏及热转换技术的效率。他们通过在半导体材料上喷涂金属铯薄层，使材料具有同时利用光和热来产生电力的能力。研究证实，这一新方法，将不再基于标准的光伏发电机制，能在很高的温度条件下，产生类似于光伏发电的反应，而且温度越高，工作效率越高。

大多数硅基太阳能电池，在温度达到100℃时已呈现出惰性，但涂铯半导体材料在超过200℃的条件下，才会达到峰值效率，因而最适于应用在抛物面太阳能聚光器中。可达到800℃高温的抛物面聚光器，通常作为太阳能发电厂设计的一部分，因此，涂铯半导体材料，可为太阳能发电厂提供第二条电力来源，通过与现有技术的结合，电力生产成本有望做到最小化。

梅洛仕计算出，涂铯半导体材料应用于太阳能聚光器时，所能达到的效率高达50%，和余热循环系统相结合，则效率可达55%～60%，这几乎是现有系统的3倍。

涂铯半导体材料的另一优势，在用于太阳能聚光器时，制作设备所需的半导体材料数量相当少，从而可大幅降低太阳能电力生产的成本。