科普-中华学生百科全书-第633章
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最典型的超晶格结构是砷化镓／砷化铝镓这种结构可以作为性质优良的半导
体器件。近年来，人们还制备出非晶态半导体的超晶格结构。金属超晶格和
磁性元素／非磁性元素超晶体，以及稀土金属超晶格等。人们可以利用超晶格
的电性、磁性制出各种具有特性的功能器件。如钯／钴超晶格，可以成为磁光
可擦写存贮或磁泡存贮器件。
在制膜技术中，新功能膜在高科技园地犹如百花争艳，正在不断展示出
它们的丰姿。
定向生长的晶体
晶体结晶的过程，是从高温熔融的原液冷凝成固体的过程。这种过程导
致固体材料内部的成分分布是不均匀的。例如金属大多数是多晶状态，在一
个个有规律排列的晶粒的边界上，在结晶过程中，杂质就会挤入晶粒之间，
而且产生杂质富集，这些杂质在低温时，会使晶体畸弯，有时对金属整体有
一定的强化作用。但在高温下，晶界部分首先熔化。在外力作用下，这种杂
质晶界首先使晶粒间相对运动，晶界上的杂质就成为一种运动的润滑剂。这
样，人们就很容易想到，要提高金属的强度，就要消除晶粒间的晶界，生长
成单晶体，实现这种设想的技术称为晶体的定向生长。
控制晶体定向生长，是一种极其复杂的很难掌握的技术。70 年代，工程
技术人员想通过铸型的水冷底板来控制高温金属融熔体的冷却速度，期望能
制成一种特殊的飞机叶片。这种叶片上的晶粒要沿着主要受力的方向排列（工
程上称为沿主应力方向排列），这种飞机叶片，在最容易破裂的方向上消除
了晶界，形成了条状的晶柱，人们称为柱晶合金。和原来的合金相比，柱晶
合金的高温强度及热疲劳强度都有显著提高。这种加工方法后来发展成生产
单晶合金工艺。在柱晶生长晶路上增设一条弯的通道，只让一条晶柱通过，
并经过严密控制冷却条件，就可制备一个具有完整晶粒的构件。在这种构件
上，横向、纵向均无任何界面，或者说接近于没有缺陷。
定向单晶合金比普通多晶合金的工作温度可提高 80℃～100℃。在同样
高的工作温度下，单晶合金做成的构件的工作寿命比普通多晶合金的构件要
长 7 倍以上。
单晶合金已开发了近百种，成为各种工程构件。美国的波音系列客机、
欧洲的空中公共汽车系列客机、美国的战斗机、预警机和轰炸机都使用了单
晶合金。美国航天飞机的主发动机，由于选用单晶合金而赢得“安全”之美
名。我国的单晶合金生产工艺已在国内开花结果，进入了高技术的各个领域。
太空生长晶体
“敢上九天揽月，敢下五洋捉鳖”，这过去是一种神话，人类用这句话
来表达改造自然的决心。然而这类神话却吸引了一批科学的探索者，为实现
这种神话而献身。他们企盼着能在失重和高洁净的太空随心所欲地产生各种
性能优良的材料，特别是单晶材料。科学家们在 1983 年 12 月发射的宇宙飞
船空间实验室 1 号中，进行了制备单晶的实验，把在地球上生长单晶体的设
备和方法，搬上太空实验室并制造出半导体硅和半导体锑化镓晶体，从而在
人类的科学技术发展史上，写下了太空生长晶体的光辉一页。
在太空实验室里生长晶体，仍旧是采用地球上的硅单晶“区熔法”的生
长设备。其具体作法是：在一个密封炉体内，使用两个作为加热源的卤光灯，
聚焦于双椭圆炉体的共焦点上，形成一个熔区，熔区因加热炉移动而移动。
单晶硅的生长是用一定形状的多晶硅棒作原料，在氩气氛保护下通过掺硼工
序逐步完成的。宇航员通过程序控制装置自动调节卤光灯的功率。生长硅单
晶时，卤光灯功率是 200～800 瓦特，晶体在生长过程中以 8 转／分的速度旋
转。随着炉体的移动，晶体以 5 毫米／分的速度慢慢生长，这次实验的生长时
间定为 21 分钟。
单晶硅和锑化镓，在太空生长，记录了世界材料制备步入太空的光辉一
页，是人类步入太空进行科学实验的重要记载。而且，其数据完整，步骤清
楚。当进行结果分析时，人们惊奇地发现，太空生长晶体所呈现出的“生长
条纹”与地球上生长晶体的条纹有明显的不同。科学家们从这些科学记录中
提出了一系列的新概念和新理论。
太空生长晶体的成功，给人类在宇宙生产设备的研制和生产产品的设计
方面提供了可能和重要依据，人类开发宇宙和移民太空已不是遥远的事情
了。
21 世纪的突破
全球经济腾飞的洪流，势不可挡，汹涌澎湃，冲击着科学、技术、产业、
文化的经络，展示出未来 21 世纪的宏伟蓝图。材料仍然是 21 世纪经济发展
的柱石，科学家们已经预言：非晶态如繁星密布；高温超导将掀起第四次技
术革命；纳米将是 21 世纪的材料新单元；高分子将功盖全球。这一切将汇成
21 世纪的最强音，人类的文明将进入新纪元。
繁星闪烁
非晶态材料是材料科学中一个广阔而又崭新的领域。自然界中的各种物
质，按组成物质的原子模型，分为两大类：一类为“有序结构”的晶态物质，
它的原子占据着布拉菲点阵上的顶点，而每个晶胞则呈有规律的周期性排
列。另一类是气体、液体和某些固体（非晶固体）则称为“无序结构”。气
体相当于物质的稀释态，液体和非晶态固体相当于物质的凝聚态。液体分子
就像口袋里装着的小弹子，一个紧挨一个地密集堆叠在一起。气态或液态也
可获得非晶态的固体。非晶态固体的分子好像液体一样，以同样的紧密程度，
一个紧挨着一个无序堆积（杂乱无章地堆积）。所不同的是在液体中，分子
很容易流动。而在稠密的糊状物中，分子滑动则变得很困难。非晶固体中的
分子则不能滑动，具有固有的形状和很大的刚硬性，被称为“凝结的液体”。
“非晶态”的概念在人们的头脑里是相对于“晶态”而言的。金属和很
多固体，它们的结构状态是按一定的几何图形、有规则地周期排列而成，就
是我们曾定义的“有序结构”。而在非晶态材料的结构中，它只有在一定的
大小范围内，原子才形成一定的几何图形排列，近邻的原子间距、键长才具
有一定的规律性。例如非晶合金，在 15～20 范围内，它们的原子排列成四
面体的结构，每个原子就占据了四面体的棱柱的交点上。但是，在大于 20
的范围内，原子成为各种无规则的堆积，不能形成有规则的几何图形排列。
因此，这类材料具有独特的物理、化学性能，有些非晶合金的某些性能要比
晶态更为优异。
在人类发展史上，非晶态物质如树脂、矿物胶脂等，早在几千年前的远
古时代，已被人类的祖先所利用。在我国，玻璃制造至少已有 2000 年的历史。
近半个世纪以来，人们几乎全部致力于理想的晶态物质及其超高纯度高均匀
方面的研究，而忽略了非晶态物质的开发。
20 世纪 30 年代，克拉默尔用气相沉积法获得了第一个非晶态合金。50
年代中期，科洛密兹等人，首先发现了非晶态半导体具有特殊的电子特性。
1958 年，安德森提出：“组成材料的几何图形（晶格）混乱无规则地堆积到
一定程度，固体中的电子扩散运动几乎停止，导致非晶态材料具有特殊的电、
磁、光、热的特性。”这就引起了科学家们的极大兴趣。但是，当时如何制
造能够应用的非晶态材料的方法尚未解决，金属、合金的生产仍沿用传统的
炼金术。
1960 年，美国加州理工学院杜威兹教授领导的研究小组发明了用急冷技
术制作出进行工业生产的非晶合金的办法。采用这种方法，可以制备出各种
宽度的非晶合金条带，条带的带宽已达 150 毫米以上。另外，这种方法还可
制备非晶态的粉末，其粉末粒度直径可达 1μm（微米，1‰毫米）左右。这
种方法也可制备非晶合金丝。此方法在冶金工业生产工序上节省了多道工
序，节省能源消耗，被称为冶金工艺的一次革命，也就是“炼金术”的革命。
非晶固体的研究结果已发现的非晶态材料包括：非晶态金属及其合金、
非晶态半导体、非晶态超导体、非晶态电介质、非晶态离子导体、非晶态高
分子及传统的氧化物玻璃等。可见非晶态材料是一个包罗万象，极为富有的
材料家族，它已广泛应用于航天、航空、电机、电子工业、化工以及高科技
各领域并取得了显著效果，而且，还继续显示着它的不竭功能。
非晶态金属比一般金属具有极高的强度，如非晶态合金 Fe80B20，其断裂
强度达 370kg／mm2，是一般优质结构钢的 7 倍，弯曲形变可达 50％以上。可
见，它在保持高强度的同时还具有较高的韧性。这种非晶态合金还具有优异
的抗辐射特性，经中子、γ射线辐照而不损坏，在火箭、宇航、核反应堆、
受控核反应等方面都具有特殊的应用。非晶态材料可以制备成复合材料和层
状材料。在产品生产工序上，金属玻璃的制备可以连续生产，一次成型，生
产程序简单、成本低廉。自 1974 年起，美国、日本、西德、法国已大量投资，
提供了不少的市场产品。
非晶态合金在工业上首先使用于变压器，非晶合金片薄，一般为 20～30
μm（微米，1‰毫米）制成这种微型优质变压器适用于航天、航空、航海的
供电网络上。由它制成的其他配电变压器、脉冲变压器都已投入使用。常用
的变压器铁心均是用硅钢片制造，而且条经过冲压、剪切、绝缘等 6～8 道工
序。采用非晶态合金片，减少了这一连串工序，而且所制成的变压器能量损
耗低，只有硅钢片变压器的 40％。同时，这种非晶态合金片的强度比硅钢片
的高，耐腐蚀性好，还具有极优的电学性能。不久，用非晶态合金片做成的
电动机诞生了。1980 年，美国 GE 公司用非晶态合金片做成了电动机，其体
积小，能量损耗低，其耗能只有用硅钢片制成的电动机的 1／3。目前，全世
界已有 6～7 万台非晶态合金制成的配电变压器投入运行。如果在我国，将硅
钢片制造的配电变压器全部换成非晶态合金片的变压器，那么每年可节电
100 亿度，约合价值人民币 10 亿元以上。世界上属于非晶合金的生产类型很
多，美国有 58 个，日本 73 个，我国 28 个，并且已有年产百万吨铁心的非晶
合金厂。非晶合金种类极多，有以铁为主的叫铁基非晶态合金，还有钴基、
铁—镍基、铁—钴基、铜基、镍基等。非晶合金还包括永久磁性或在电场下
具有磁性的磁性材料，前者称硬磁材料，后者称软磁材料。
非晶态磁头，是非晶态合金应用的另一个领域。一种钴——铁——镍—
—铌——硅——硼体系的非晶态合金耐磨性高、噪声小、硬度高（比常用磁
头的硬度高 2～3 倍），是很好的磁记录材料。
早在 1988 年，我国已生产 80 吨非晶态软磁合金，用于电子工业的各种
电器。非晶态钯——硅合金，可作成电磁、超声信号延迟线，作为信号延迟
一段时间的器件，并用于军工、雷达电子计算机、彩色电视、通迅系�
