书城工业不可思议的新材料
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第60章 信息材料

信息材料属于功能材料,是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料。按功能分,信息材料主要有以下几类:

(1)信息探测材料对电、磁、光、声、热辐射、压力变化或化学物质敏感的材料属于此类,可用来制成传感器,用于各种探测系统,如电磁敏感材料、光敏材料、压电材料等。这些材料有陶瓷、半导体和有机高分子化合物等多种。

(2)信息传输材料主要是光导纤维,简称光纤。它重量轻、占空间小、抗电磁干扰、通信保密性强,可以制成光缆以取代电缆,是一种很有发展前途的信息传输材料。

(3)信息存储材料包括:磁存储材料,主要是金属磁粉和钡铁氧体磁粉,用于计算机存储;光存储材料,有磁光记录材料、相变光盘材料等,用于外存;铁电介质存储材料,用于动态随机存取存储器;半导体动态存储材料,目前以硅为主,用于内存。

(4)信息处理材料是制造信息处理器件如晶体管和集成电路的材料。目前使用最多的是硅。砷化镓也是一种重要的信息处理材料。

电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料,主要包括以单晶硅为代表的半导体微电子材料、以激光晶体为代表的光电子材料、以介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料、以钕铁硼(Nd铁B)永磁材料为代表的磁性材料;光纤通信材料;磁存储和光盘存储为主的数据存储材料、压电晶体与薄膜材料、以储氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料等。这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。

电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括以柔性晶体管、光子晶体等宽带半导体材料为代表的第三代半导体材料,有机显示材料以及各种纳米电子材料等。

电子纸

约2000年前,中国东汉人蔡伦发明了造纸术,从此世界文明发生了翻天覆地的变化,中国文明借此曾领先世界1000余年。今天,电子纸技术又将给人们的生活带来一场怎样的变革呢?

电子纸技术实际上是一类技术的统称。一般把可以实现像纸一样阅读舒适、超薄轻便、可弯曲、超低耗电的显示技术叫做电子纸技术;而电子纸即是这样一种类似纸张的电子显示器,其兼有纸的优点(如视觉感观几乎完全和纸一样等),又可以像我们常见的液晶显示器一样不断转换刷新显示内容,并且比液晶显示器省电得多。电子纸显示长期以来一直是停留在人们头脑中的幻想,但是随着20世纪末以来显示技术方面一系列突破性进展,革命性的电子纸显示技术终于开始走向大众实用阶段。

超薄的电子纸电子纸的用途相当广泛,第一代产品用于代替常规显示设备,第二代产品包括移动通讯和PDA等手持设备显示屏,计划开发的下一代产品定位在超薄型显示器,形成与印刷业有关的应用领域,例如便携式电子书、电子报纸和IC卡等,能提供与传统书刊类似的阅读功能和使用属性。长期以来,纸张一直用作信息交换的主要媒介,但图文内容一旦印在纸张上后就不能改变,成为油墨、纸张复制工艺的最大缺点,不能满足现代社会信息快速更新对复制工艺的要求。因此,开发高能动态改变的高分辨率显示技术成为人们追逐的目标,要求显示材料很薄,可弯曲,表面结构与纸张类似,从而有条件成为新一代纸张。

电子墨水就属于电子纸科技中的一种。

电子墨水其实是一种新型材料,它是化学、物理学和电子学多学科发展的产物,这种材料可被印刷到任何材料的表面来显示文字或图像信息。

由于电子墨水是一种液态材料,所以被形象地称为电子墨“水”。在这种液态材料中悬浮着成百上千个与人类发丝直径差不多大小的微囊体,每个微囊体由正电荷粒子和负电荷粒子组成。只要采取一定的工艺就能将这种电子墨水印刷到玻璃、纤维甚至是纸介质的表面上,当然这些承载电子墨水的载体也需要经过特殊的处理,在其内针对每个像素构造一个简单的像素控制电路,这样才能使电子墨水显示我们需要的图像和文字。

但如果电子墨水仅具有可显示这一特性还远远不够,对于一款希望取代纸介质的电子显示设备而言,它必须具有可读性及便携性。

液晶

1888年,奥地利科学家F·赖尼策尔就发现了液晶这种奇特的物质。说它奇特,是因为它不像普通物质直接由固态晶体熔化成液体,而是经过一个既像晶体又似液体的中间状态,同时它还具有液体和晶体的某些性质,所以人们给它起了个形象的名字——液晶。

液晶的最大特点是,既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性。当液晶的温度上升到一定值后,它就成为普通的透明液体,可以自由流动;而当温度降低到液晶的下限温度后,液晶又变为普通晶体,失去流动性。在这一转变过程中,有时还伴随着颜色和色调的变化,这就给液晶显露才华提供了舞台。

液晶问世后,由于当时科学技术水平的限制,这种材料并未受到应有的重视。直到20世纪60年代,它才有了用武之地,开始在电子表和计算器等许多方面大显身手。

1968年,人们发现液晶对光、磁、电、温度等都非常敏感,即使这些外界作用因素很微弱,也能使液晶发生相应的变化。

光控开关效应是指液晶具有像电门开关那样能控制光线从自身通过的本领。如果将液晶夹在两个透明电极板之间,并在电极板下面放有用灯光照射的数字表格。当在透明电极板上接通电路时,电极板下面的一部分光便不能通过,原来有数字部分就会变黑,数字就看不见了;若取掉电压,电极板下面的数字又会显示出来。这也就是电子计算器能显示数字的秘密所在。

液晶为什么能控制光线通过呢?原来液晶的分子沿一定方向有秩序的排列着,当有电压作用时,就会改变排列方向,引起光线传播方向的改变,阻挡了光线的通过。人们利用液晶的这种特长,制成了各种数字和图像的显示装置。

液晶的显示本领主要用于电子器件的显示上,如电子表、计算器、电视机监控盘、汽车仪表盘的液晶显示器、打印装置的液晶快门和温度计的液晶传感器。这种电光液晶显示器是由贴有透明电极的两片玻璃基板,中间填充液晶组成的。液晶只要受少量的电能的激发,就会发出光来。电子表和计算器的每个数是由7条液晶显示器拼成8字形,它随着接点的变化显示出0~9的数字。

如果将电极板改为矩阵式电极,就可以在平面上显示出图像。由于液晶显示器都是很薄的器件,不像电视显像管那样要求电子枪保持较大的发射距离,因而可制成很薄的、图像清晰的电视机。一种超薄型可以像画一样挂在墙上的液晶彩色电视机已经问世,它的最小屏幕只有12平方厘米,而最大的屏幕达2平方米,但液晶显示器的厚度仅2.5毫米,真可说是技艺非凡了。

此外,还可以利用液晶显示器显示出的明暗制作快门。用这种快门组合成电子计算机打印输出的印刷头,具有动作快、分辨力强的特点,从信号发生到消失仅需1/1000秒钟。

利用液晶对光、磁、电、热等都非常敏感的特点,可制成各种液晶传感器。例如,将液晶吸收的光波转换成颜色、温度和压力的变化,制成温度传感器、压力传感器和气敏传感器等。已投入市场销售的新型液晶体温计,比常用的水银体温计好用得多,特别受到儿童们的喜爱。这种体温计是将少量液晶包上一层透明胶质,形成很多的微胶囊,把它们混在油墨里,然后将这种油墨涂在一条塑料带上,就成了能显示温度的液晶带。它有从36℃~40℃的5个色标读数,只要把液晶带往患者的脑门一贴,就能很快显示出病人的体温,既简便又快捷。人体各部位的温度实际上是不相同的,但由于温度相差很少,普通的体温计和仪器很难测出来,而液晶体温计却可以毫无遗漏的反映出来。它在升温过程中,液晶的颜色从红色开始,然后逐渐变为绿色、蓝色……最后为紫色。

作为温度传感器,除了制作体温计外,它还有许多特殊的用场。例如,在工厂车间里的加热器上贴上液晶标志,当加热器的外壁温度超过限度时,液晶标志就会显示出“当心烫手”的字样,提醒人们注意。又如,当气温下降、道路结冰时,贴在路旁的液晶路标也会提醒骑车和驾车人员“注意安全”。

通常,微波、红外线、液体和气体的流量和流速的变化,也能引起温度的微弱变化,这些变化也可利用液晶探测器显示出来。另外,人们还制成了一种恒温器液晶开关,它在-30℃~150℃的温度范围内的控制准确度为0.1℃,因而可最大限度地减少恒温器的温度偏差。

液晶在工业生产上可用来进行无损探伤。只要将液晶材料涂在被检验的零件或材料表面,然后将零件或材料加热或冷却,液晶便会显示出不同颜色,从而可直观地探测出零件或材料的裂缝或缺陷。这种方法特别适合于对飞机、导弹和宇宙飞船等的检查。

液晶的分子排列虽然不像固体结晶那样有序,但也不是像液体那样无序,而是按一定的方向排列着。如果将液晶这种高分子聚合物纺成丝或注射成型,其分子将进一步排定方向,这种分子的排向,一旦冷却即被固定下来,从而可获得性能非凡的纤维、薄膜和塑料制品。例如,性能优异的凯芙拉纤维就是这种液晶产品的典型代表。

采用凯芙拉纤维制成的汽车轮胎凯芙拉纤维的性能赛过钢铁和合金,被人们称为“梦的纤维”。这种液晶纤维的强度是钢的5倍,铝的10倍,玻璃纤维的3倍,能在-196℃~182℃连续使用。它主要用作飞机的结构材料、轮胎帘子线、船体、运动器具、防护服装、缆绳等。例如,美国波音飞机公司的767型客机采用了3吨凯芙拉纤维与石墨纤维混杂的复合材料,使机身重量减轻了1吨,与波音727飞机相比,燃料消耗节省30%。用凯芙拉纤维增强的传送皮带、进料胶管等,比强度相同的钢丝增强材料轻得多,而且厚度薄,不受腐蚀,还具有不可燃、使用安全的特点。以凯芙拉纤维制成的系船缆绳用在液化石油气油船上,不会像钢丝绳那样容易引起火花,从而可避免引起火灾和爆炸的危险,使用安全可靠。

凯芙拉纤维还是目前制作天线塔拉索和支撑用的最理想的材料,因为它不导电也无磁性,意味着它不需要绝缘及专门的天线固定位置;它的强度高和延伸性小,所以能减少塔的偏斜,而且操作和安装都比较容易。法国在蒙得利尔的大型体育馆就使用了凯芙拉涂层织物及凯芙拉绳等,获得了预想的使用效果。

知识点:光子晶体

光子晶体即光子禁带材料,从材料结构上看,光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。

能带与能带之间出现带隙,即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子,不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处,原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件,达到控制光子运动的目的。光子晶体的出现,使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

迄今为止,已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出,包括无阈值的激光器,无损耗的反射镜和弯曲光路、高品质因子的光学微腔,低驱动能量的非线性开关和放大器,波长分辨率极高而体积极小的超棱镜,具有色散补偿作用的光子晶体光纤,以及提高效率的发光二极管等。