淺談高中生對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的初步認(rèn)識(shí)

摘 要：從陌生到熟悉，從不了解到了解，這是對(duì)新事物認(rèn)知的必要過(guò)程。新材料的誕生和發(fā)展為人們的日常生活帶來(lái)了巨大的改變，新型材料的不斷創(chuàng)新也為各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了更多的驚喜。材料科學(xué)與工程專業(yè)顧名思義，需要我們?cè)诓粩嗟目茖W(xué)實(shí)踐中獲得經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)工程的順利進(jìn)行。本文以一個(gè)高中生的視角，簡(jiǎn)略概述高中生對(duì)材料科學(xué)與工程這一專業(yè)的看法，并以碳納米管為例，講述材料科學(xué)與工程學(xué)科的發(fā)展前景，有助于對(duì)日后學(xué)業(yè)專業(yè)選擇等方面的確定。

關(guān)鍵詞：高中生視角；材料科學(xué)與工程專業(yè)；初步認(rèn)識(shí)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）33-0030-01

引 言

在高中的學(xué)習(xí)中，世界上的三大經(jīng)濟(jì)支柱是材料、信息與能源，而材料在我們的日常生活中無(wú)處不在。小到牛奶包裝袋、水杯、眼鏡盒，大到工程建筑材料、汽車飛機(jī)、機(jī)械設(shè)備，處處都有材料的身影。而這些材料的性能研究，如電線絕緣皮的絕緣性、汽車輪胎的耐磨性等，都離不開(kāi)材料科學(xué)與工程這一專業(yè)學(xué)科。本文就以一名高中生的角度，大致說(shuō)明一下對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的初步認(rèn)識(shí)。

1 高中生對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的初步認(rèn)識(shí)

出于一名高中生對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)這一專業(yè)的好奇心，我在課余時(shí)間查閱了不少資料。從資料中我了解到，材料科學(xué)與工程專業(yè)是工科學(xué)科，并且是一個(gè)偏重于理論分析的學(xué)科。材料科學(xué)與工程專業(yè)顧名思義，是一種研究材料的專業(yè)，主要研究其結(jié)構(gòu)組成、測(cè)試與表征、制備與合成、性能與應(yīng)用等四個(gè)要素以及與其有一定聯(lián)系的其它相關(guān)科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用，我認(rèn)為，現(xiàn)今社會(huì)的材料分為兩種，一種是傳統(tǒng)材料，如水泥塑料、鋼鐵橡膠等，這些材料已經(jīng)被大量的開(kāi)發(fā)利用，涉及到的應(yīng)用面廣泛，已經(jīng)成為很多產(chǎn)業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)。另一種是新型材料，通過(guò)將傳統(tǒng)材料經(jīng)過(guò)最新科技的加工，獲得比原有材料更好的性能。兩種材料之間的界限并不明顯，傳統(tǒng)材料采用高科技技術(shù)進(jìn)行處理就成為新興材料，而新型材料被各個(gè)行業(yè)長(zhǎng)期應(yīng)用后，逐漸成為各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域主要使用的材料基礎(chǔ)，因此變成了傳統(tǒng)材料。傳統(tǒng)材料與新型材料相互轉(zhuǎn)變的過(guò)程不僅是材料互相轉(zhuǎn)變的過(guò)程，更是人類科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程[1]。材料的不斷利用、創(chuàng)新和發(fā)展，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大助力。

2 從新納米材料碳納米管（CNTs）看新材料發(fā)展

2.1 碳納米管的結(jié)構(gòu)

碳納米管（CNTs）是新型納米材料中最具有代表性的材料之一，又被叫做巴基管。碳納米管（CNTs）是碳的同素異構(gòu)體，它是由六邊形排列的碳原子和少量五邊形或七邊形排列的碳原子構(gòu)成的同軸圓管結(jié)構(gòu)的一維量子材料，其層與層之間的距離大約為0.34nm，和石墨的層間距相近。而碳納米管（CNTs）的直徑一般為2～20nm。碳納米管（CNTs）的形狀并不完全挺直，在碳納米管（CNTs）局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象，這是由于碳原子在六邊形編制過(guò)程中有七邊形碳原子層和五邊形碳原子層出現(xiàn)，導(dǎo)致巴基管出現(xiàn)了凹凸現(xiàn)象。若其頂端出現(xiàn)碳五邊形時(shí)就會(huì)形成巴基管的封口，若出現(xiàn)碳七邊形時(shí)則會(huì)發(fā)生凹陷。由于碳納米管與石墨的層間距十分相近，因此我們也可以這樣認(rèn)為：碳納米管（CNTs）是由石墨烯片層卷曲而成的。

根據(jù)石墨烯片層數(shù)的不同，可以將碳納米管（CNTs）分為多壁碳納米管和單壁碳納米管。后者又可以稱為單層碳納米管，是由單層石墨烯片卷成的柱狀無(wú)縫管，直徑一般在0.6～2nm之間，均勻一致性較強(qiáng)，缺陷較少。而多壁碳納米管與其相比，缺陷較多。多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)可以看成是由不同直徑的單壁碳納米管套構(gòu)出的結(jié)構(gòu)，由于這些單壁碳納米管在形成多壁碳納米管的過(guò)程中很容易在層與層之間形成各種缺陷，這導(dǎo)致其管壁上布滿小洞。

2.2 碳納米管的性能

碳納米管自被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，科學(xué)家一直在不斷研究其性能并試圖將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。科學(xué)家在經(jīng)過(guò)對(duì)這種材料多年的研究和探討后發(fā)現(xiàn)，這種材料具有十分優(yōu)秀的性能。碳納米管將碳纖維、紡織纖維、陶瓷材料、金屬材料、高分子等不同材質(zhì)的優(yōu)秀性能融合為一體，并且當(dāng)其與高分子材料復(fù)合時(shí)還會(huì)得到性能更加優(yōu)異的復(fù)合材料，這使碳納米管復(fù)合材料可以被應(yīng)用到諸多領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)中[2]。

碳納米管的力學(xué)性能優(yōu)秀，它的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的密度，但是它的抗拉強(qiáng)度卻遠(yuǎn)超于鋼，是鋼的百倍；它的彈性模量與金剛石基本相同，無(wú)論強(qiáng)度還是韌性都遠(yuǎn)超其它纖維材料，因此被稱為“超級(jí)纖維”，被作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)劑，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。

碳納米管與石墨一樣，具有十分優(yōu)秀的電學(xué)性能，它導(dǎo)電性能的強(qiáng)弱大小由這種材料結(jié)構(gòu)中的螺旋角來(lái)決定。只需要在高分子材料中加入少量的碳納米管，就會(huì)降低高分子材料三個(gè)數(shù)量級(jí)以上的電阻，使高分子材料具有抗靜電的功能。也因此，碳納米管可以作為靜電消除材料應(yīng)用在電子設(shè)備的外殼上，消除外界靜電的干擾，使電子設(shè)備可以正常工作。

除上文已經(jīng)描述的各種優(yōu)秀性能外，碳納米管還具有其它優(yōu)秀的性能，這里不做一一贅述。

2.3 碳納米管的應(yīng)用領(lǐng)域

碳納米管由于其優(yōu)秀的性能，使其被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)，是被應(yīng)用最廣泛的新型材料之一。由于碳納米管結(jié)構(gòu)中空的特點(diǎn)，可以將氫以液體或者固體的狀態(tài)填充到罐體內(nèi)部作為一種儲(chǔ)氫材料；碳納米管優(yōu)秀的電學(xué)性能使它被廣泛應(yīng)用在各個(gè)電子領(lǐng)域；碳納米管與其他高分子材料進(jìn)行復(fù)合后所產(chǎn)生的新型材料所具有的優(yōu)良性能，使它被應(yīng)用到各種新型復(fù)合材料中?？梢哉f(shuō)，碳納米管特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)使其在材料界有著十分重要的地位，這種價(jià)格便宜、對(duì)環(huán)境友好的新型材料會(huì)為整個(gè)社會(huì)帶來(lái)不可估量的利益和影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

大到房屋建筑、醫(yī)療設(shè)備，小到塑料包裝、手機(jī)電池，材料無(wú)時(shí)無(wú)刻的出現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妫o我們帶來(lái)各式各樣的驚喜。我想古人怎么也想不到，未來(lái)我們可以用鋼筋水泥建造更加結(jié)實(shí)牢固的房屋，用瀝青鋪設(shè)更加平整的道路。在這個(gè)日新月異的時(shí)代，材料的科學(xué)發(fā)展不斷給人帶來(lái)新的驚喜，材料科學(xué)與工程專業(yè)也必然會(huì)在未來(lái)為人們帶來(lái)更多令人驚嘆的成果。通過(guò)對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的初步了解，我對(duì)未來(lái)的學(xué)習(xí)和專業(yè)的選擇有了方向。

參考文獻(xiàn)

[1]楊 源，肖國(guó)慶，徐德龍.材料科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2016（1）：97～100.

[2]韓 奕，李新華，許 薇，等.依托行業(yè)背景的卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的實(shí)踐———以材料科學(xué)與工程（視光材料與應(yīng)用）專業(yè)為例[J].教育教學(xué)論壇，2017（25）：184～186.

收稿日期：2018-10-15