三 材料科学中的硬化学和软化学

目前制备和加工材料的方法非常局限，对金属材料来说多采用熔炼法，无机非金属材料多采用高温固相反应（烧结、扩散）。一些理论预测可以存在的化合物尚不能合成。人们对于物质的认识和掌握，还只限于或来源于一个较窄的“窗口”，即在地面上的环境中和目前技术水平所能达到的条件下去认识和掌握。从化学的角度可以采取两个途径去扩展认识的“窗口”，即硬化学（Hard Chemistry ）和软化学（ Soft Chemistry）。

硬化学的概念类似于极端条件下的化学，即在超高温、超高压、强辐射、无重力、仿地、仿宇宙等条件下探索新物质的合成，并原位、实时地研究其反应、结构和物性。例如利用金刚石双顶砧压机在 4000K 和

＞3×106atm（～3×1011Pa）的条件下合成 C-Si-Ge 体系中的未知化合物，并同时用 X 射线衍射、Raman 散射、IR-VIS-UV 光谱、Brillouin 散射、NMR、电导、显微镜直接观察等手段，研究反应过程及产物的性质和结 构 。 又 如 自 蔓 延 高 温 合 成 （ self － propagatinghigh temperaturesynthesis ） 或 固 体 火 焰 燃 烧 反 应 （ solid flamecombustion），反应物是采用一些高分散状态、具有巨大的化学能、可以燃烧产生高温并迅速发生反应的物质；产物则是一些耐高温的固体化合物（氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物、硫属化物等）。已有 500 多种化合物用这种方法合成出来，而且反应可以大量、快速地进行，一旦点燃反应物，立刻就获得产物。起始反应时间约为 0.5—3s， 自蔓延速度约为 0.1—10cm/s，燃烧温度在 1500—3500K。例如，利用这种方法，采用 Cu、BaO2、Y2O3 和 O2 作为反应物，可以成公斤地合成出YBa2Cu3O7-δ高温超导材料。图 1 是一幅固体火焰燃烧反应进行时的照片，图 2 是利用 Cu、BaO2、Y2O3 和 O2 之间的自蔓延高温合成反应制得的

YBa2Cu3O7-x 高温超导体的微结构。其粒径＜10μm，其中正交晶系物相的含量＞9.95wt％，氧含量为 6.9mol；其超导转变温度为 93K，转变温度宽±0.5K。又如利用爆炸冲击波中的化学反应，也可以制备得到一些常规反应条件下无法得到的材料。

软化学则是在温和的反应条件下和缓慢的反应进程中，以可控制的步骤，一步步地进行化学反应，以制备材料。例如溶胶-凝胶方法是经过源物质→分子的聚合、缩合→团簇→胶粒→溶胶→凝胶→热解等步骤， 可以制备得到具有指定组成、结构和物性的纳米微粒、薄膜、纤维、致密或多孔玻璃、致密或多孔陶瓷、复合材料等，也可以直接形成器件（图3）。金属有机化学气相沉积（MOCVD）、酶促合成骨骼和人齿也属于软化学反应，这样得到的材料的物性优于常规反应合成的材料。软化学方法制作材料和器件，已形成新的产品和产业，如新型光学玻璃（UV－IR 全透明玻璃，径向折射梯度玻璃等），具有特殊微结构的玻璃态陶瓷， 化学性质均一和粒度分布集中的陶瓷粉末，复合陶瓷，修饰表面电学、光学、化学及机械性能的涂层，以及可以调节室温的电色窗玻璃，大面积图像电色显示屏等都是用溶胶-凝胶方法制作的，可以说一切好的材料都是来源于化学，而只有好的材料才能赋予器件以优异的功能。

值此世纪交替之际，高新科技进展极其迅速，我国国民经济也在稳步高速地发展，各个科技领域以及工农业、环境保护、卫生保健等各个领域对新材料的需求十分迫切，更需要众多的研究和开发新材料的科技人才，愿我们各有关学科的科技工作者，共同努力，为我国的材料科学技术做出应有的贡献。