《新材料的神奇物理特性》的教学研究

《新材料的神奇物理特性》的教学研究

刘生满

（中原工学院，河南 郑州 450007）

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是所有科技进步的核心，是高新技术发展和社会现代化的先导，是一个国家科学技术和工业水平的反映和标志。新材料的出现和使用往往会给技术进步、新产业的形成，乃至整个经济和社会的发展带来重大影响。不断开发和有效使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的重要尺度。   

先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、安全及经济实力起着关键性的作用。先进材料是先进技术的奠基石。但是，新材料和新材料技术能够切实充分发挥推动社会和科技进步的作用，就不仅仅是材料科技工作者所能完成的，开发和使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的尺度。开发新材料是材料科技工作者的任务，但仅仅研制出具有优异性能的材料还远远不够，只有当新材料被广泛应用，才能真正发挥作用，合理选择和使用材料是所有工程的各个领域及其设计部门的任务，而准确判断与资助优先发展方向又是政府的职能。所有这些，都应建立在相关人员对材料的总体把握与正确认识的基础上。显然，这就要求从所有工程领域的专业人员到政府官员都要对材料全貌有比较正确的了解。

《新材料的神奇物理特性》作为中原工学院的一门通识教育选修课课，也就是以前说的公共选修课。正是出于这个目的，为广大非材料专业的人员快速了解材料科学，特别是新材料的神奇物理特性而开设的。该课程主要讲授材料科学的相关知识以及各种材料的基本特点、制备方法、材料的应用以及新材料的神奇物理特性。内容包括绪论、材料科学基础知识和新材料三大部分。

绪论从材料的发展历程作为切入点，伴随着人类历史的发展，材料经历了石器时代、青铜时代、铁器时代和多元材料时代，重点是青铜器。中国的青铜器主要指4000多年前用铜锡合制的青铜器物，简称“铜器”。包括有炊器、食器、酒器、水器、乐器、车马饰、铜镜、带钩、兵器、工具和度量衡器等。出现并流行于4000年前直到秦汉时代，以商周器物最为精美。有世界迄今出土最大最重的青铜器，享誉“镇国之宝”美誉的“后母戊鼎”（司母戊大方鼎），河南省博物院的镇馆之宝-莲鹤方壶，温文尔雅的四羊方尊(湖南)，“天下第一剑”的越王勾践剑，堪称“编钟之王”的曾侯乙编钟，结构太复杂而无法复制的云纹铜禁，锋披天下的秦国青铜兵器等等，还有很多很多，无一不显示中原青铜文化的博大精深和源远流长。最为特殊的是三星堆青铜器，如青铜兽首冠人像，青铜立人像，铜纵目面具，青铜爬龙柱形器，青铜太阳形器，商青铜神树等等，其所显示出来的文化具有完全不同的风格。而根据最新的考古发现，“月光宝盒”、铜猪鼻龙形器、顶尊蛇身铜人像、金面罩铜头像……数件造型奇特的“上新”文物丰富了三星堆遗址的铜器类别，呈现出更加丰富的种类和文化内涵，既体现了中华文明的多样性和丰富性，又见证了中华大地各区域文明早期交流互融，为中华文明多元一体增加了新的实物证据。考古学家经过对三星堆新出土文物的仔细研究判定，三星堆遗址与国内其他地区存在的密切文化联系，三星堆是中华文明的重要成员。

材料科学基础知识包括材料的晶体结构，化学键，材料的晶体缺陷，原子的扩散，二元相图，材料的性能，金属材料以及无机非金属材料等。这一部分内容多，理论性强，难度较大，相对比较枯燥。《新材料的神奇物理特性》作为全校公共选修课，面向的是全校学生。选课学生不止有理科、工科的，还有很多文科学生，比如汉语，日语，管理，空乘，摄影等等，有的连最基本的物理常识都不知道，他们的基础知识参差不齐。所以这一部分内容讲的多一些，尤其是材料的性能。要讲新材料的神奇物理特性，就必须先将材料的性能讲清楚。这个世界之所以这么神奇，在于材料神奇性能的多样性，尤其是新材料不同于传统材料的神奇性能。材料的性能包括使用性能和工艺性能，使用性能主要包括力学性能、物理性能、化学性能等；工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。介绍传统材料，即金属材料和无机非金属材料。由于课时有限，高分子材料没有安排课时。 金属材料以及无机非金属材料属于传统材料。金属材料分为黑色金属和有色金属。黑色金属就是铁碳合金，而有色金属则是除了黑色金属以外的其他金属材料。无机非金属种类繁多，无机非金属材料包括天然石材、天然粉体功能材料、其他天然矿物材料、陶瓷、玻璃、水泥等。也可以说，除了金属材料和有机高分子材料以外的材料，都是无机非金属材料。

对于新材料，采用了两条腿走路，即通过两个极限条件来讨论材料，第一个是极限温度，第二个则是极限尺度。

一是极限温度下的材料，先从低温到超低温，在接近4K的时候引出超导材料，进而推出了超导材料的发展历史，并且对超导材料的结构和性能做了描述。超导材料的零电阻效应和完全抗磁性是非常吸引人的特性。如果能够真正推广使用，具有划时代的意义。超导材料分为低温超导材料和高温超导材料，超导临界转变温度从接近 0K 到 164K。超导材料有着广泛的应用前景，有超导磁悬浮、超导磁铁、超导电缆、超导限流器、超导储能装置、超导电机及超导量子干涉仪等。由于过高的制造和使用成本以及极低的温度要求，让它的使用受到一定的限制。另一方面，随着温度的升高，引出了极高温下的材料“人造太阳”，即高温等离子体，也就是托克马克装置。托卡马克就是一种磁约束核聚变装置，也是目前被科学家们统一认为最有可能实现可控核聚变的装置类型。这种装置的出现，为解决人类目前的能源危机提供了一种可能。“人造太阳”与其说像太阳，不如说是像一个大号“甜甜圈”。托卡马克中间是一个被线圈缠绕的环形真空管，通电后形成的强磁场可以把高温等离子体控制在中间，从而达到核聚变反应的条件。而高温等离子体要用强大的磁场来约束，普通的磁铁远远达不到要求，这就必须用到超导磁铁了。普通磁铁的磁感应强度最多2个特斯拉，而超磁铁的磁感应强度可以达到15个特斯拉以上，完全满足托克马克装置的需要。极低温下的超导体用在极高温度下的“人造太阳”，真的是物极必反，否极泰来，实现了辩证唯物主义的高度统一。

二是极限尺度下的材料，随着材料尺度的减小，其性能发生了变化，到了纳米尺度，出现了纳米材料，纳米材料的性能发生了翻天覆地的变化。另一方面，随着材料尺度的增加，出现了天体，恒星，太阳系，银河系，星系群或者星系团，超本星系团。我们所在的这个宇宙，直径达到了930亿光年。但是科学家们发现，我们所认识的这些物质只占到4%，其他96%则是我们一无所知的暗物质和暗能量。宇宙充满了未知，更加需要我们努力去探索。

最后是新能源材料。在这个以煤、石油和天然气这些不可再生能源为主要能源的时代，随着传统能源材料-煤、石油和天然气越来越少，能源危机越来越明显，新能源材料的开发显得尤为重要和迫切。新能源材料包括储氢合金为代表的储氢材料，锂离子电池为代表的二次电池材料，质子交换膜电池为代表的燃料电池材料，硅半导体为代表的太阳能电池材料，以及核材料等。核材料不止包括核裂变材料和核聚变材料，还引入了反物质材料。按照爱因斯坦的质能方程，反物质与正物质相遇会湮灭，质量全部转化为能量，转化效率最高，产生的能量很大，而且不产生核污染。但是首先成本太高。目前在实验室条件下，制造出一毫克反物质需要1000亿美元，而专家估计在工业使用上可以承担的费用是1000万美元。其次如何贮存这些“反物质”也是难题，因为“反物质”一旦与“正物质”相遇就消失。目前科学家的方案是使用磁场形成一个“反物质陷阱”控制住“反物质”。不让它与由“正物质”制成的容器壁接触。

作者简介：刘生满（1972-），男，甘肃兰州人，副教授。

摘 要：针对《新材料的神奇物理特性》的教学内容和教学方法进行了研究。

关键词：《新材料的神奇物理特性》；教学内容；教学方法

基金项目：中原工学院教学改革研究与实践项目（2020ZGJGLX054）