★★★新材料基础知识

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★★★新材料基础知识（1）
指在近年新技术革命中研制发展的高性能、高强度的新结构材料和在声、光、电、磁、热、力以及物理、化学性能上具有特殊效应的新功能材料。
当前，被称为信息时代的新技术革命正在蓬勃开展，信息技术、新能源、生物工程和新材料的迅猛发展，是这场新技术革命的主要标志。其中，新材料的研制更具有特殊重要的作用。材料是科学技术的必要物质基础，任何一项新技术的突破，都要有相应的新材料作前提保证，而且某些新材料的研制过程本身就是新技术的发展。光导纤维和激光材料对于光通信，半导体材料和磁性材料对于计算机技术，超导材料、光电材料和贮氢材料等对于新能源，生物功能材料对于生物工程等等，无不说明新材料对于新技术和新兴工业的发展具有举足轻重的关键作用。
新材料的发展，是在材料科学特别是固体物理、结晶化学、结构化学以及电磁学、光学、力学、热学等现代科学理论基础上，运用现代精密测试、分析技术对材料的化学组成、结合键、合成方法、结构与性能关系进行深入研究的结果。
新材料的研制，包括研究材料的宏观、微观和迁移现象，物质的相互作用与结合关系规律，材料的组成结构特征和力学、光学、热学、电磁、声学等物理性能的关系，材料的制取生产工艺和应用等。是一个多学科相互交*的综合性科学领域，同时也是科学技术密集型的事业。
从材料的发展史来看，最初的石器材料仅是对自然界天然物质作简单的打、磨加工，陶器才是人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点。自陶瓷至青铜、铁器材料，还只是加工、冶炼技术和工艺的改进。当发展到现代的高分子材料、特种陶瓷和复合材料等，人类开始从加工改造天然物质材料走向以人工化合物为原料的合成材料。20世纪末主要的新材料，包括塑料、合成橡胶、化纤等各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、弥散粒子、叠层复合等新型复合材料。还有被称为第四代、第五代材料的超微粒子、超晶格膜、超纯材料等"极限材料"和"分子设计"材料等。
新材料发展趋势大致有以下几个方向：
(1)高分子材料。资源丰富、原料广，轻质、高强，成形工艺简易。提高工作温度是研制的重要课题。各种塑料、合成橡胶和合成纤维将有很大发展，成为重要的新材料。
(2)特种陶瓷。高强高温结构陶瓷、电工电子功能陶瓷和复合陶瓷是新材料中普遍注重的发展方向。
(3)功能材料。这是新材料中发展很快的一个重要方向，如半导体、激光、红外、超导、电子、磁性、发光、液晶、换能、传感材料等，品种繁多，前景广阔。
(4)能源材料。太阳能、磁流体发电、氢能等新能源发展，同时促进了各种高温热、储能、换能材料的发展。
(5)高性能、高强度结构材料。
(6)复合材料。纤维增强型、弥散粒子型、叠层复合型复合材料以及碳纤维、石墨纤维、硼纤维、金属纤维、晶须的研制发展，将使被称为"21世纪材料"复合材料更放光彩。
(7)金属新材料。非晶态金属(金属玻璃)、记忆合金、防振合金、超导合金和金属氢等。
(8)极限材料。在超高压、超高温、超低温、超高真空等极端条件下应用和制取的各种材料。如超导、超硬、超塑性、超弹性、超纯、超晶格膜等材料。
(9)原子分子设计材料。这是在材料科学深入研究的基础上，对表面、非晶态、结构点阵与缺陷、固态杂质、非平衡态、相变以及变形、断裂、磨损等领域研究探索的发展方向，以期获得原子、分子组成结构按性能要求设计的新材料。
(10)稀土材料。稀土金属在激光、荧光、磁性、红外、微波、核能、特种陶瓷以及化工材料中，有奇异的性能，稀土材料已成为重要的开发领域。我国稀土资源储量居世界首位，因此稀土的开发对我国更为重要。

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新材料基础知识（2）－－－高分子材料
由高分子化合物组成的一大类材料。分为天然的和合成的两类，都是由大量小分子单元以化学键连接起来的，具有很高分子量的聚合物。高分子材料大部分都是有机化合物，但也有少量无机化合物。合成纤维、合成橡胶、合成树脂和塑料都是合成高分子材料，也称为三大合成材料。大多数涂料和粘合剂也是高分子材料。它和金属材料、无机非金属材料构成整个材料王国。
合成纤维的主要品种有：聚酰胺纤维(商品名尼龙、耐纶、锦纶）、聚丙烯腈纤维(商品名腈纶、奥纶)、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或简称聚酯纤维（商品名涤纶、的确良）、聚丙烯纤维（产品名丙纶）、聚乙烯醇缩甲醛纤维(商品名维尼纶)。它们的出现，使纺织工业大为改观。
合成橡胶的主要品种有：丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、丁腈橡胶。现在的总产量已经超过天然橡胶的一倍以上。
合成树脂除少数品种可作合成纤维以外，大量用作塑料、涂料和粘合剂的基料。合成树脂加入稳定剂、增塑剂、填料、润滑剂、着色剂等助剂即可制成塑料。塑料比重小，有一定机械强度、电绝缘性、耐磨性、耐化学腐蚀性、着色性，最宝贵的是具有可塑性。根据加热后性能变化，可分为两类：(1)加热后，内部起化学反应发生交联固化而成为不熔不溶的固体，称为热固性塑料，可用模压、浇铸等方法成型为制品。(2)有可熔可溶性，加热后成为流动溶体，称为热塑性塑料，可通过注射、挤出、吹塑、浇铸、压延、拉伸等一系列成型方法加工成各种制品。包装、建筑、电子、电器、农业、医疗、家具、能源、交通、仪器、仪表、儿童玩具和日用品都广泛采用塑料。
有一类具有金属性能，能承受一定的外力，有良好机械性能的高分子材料称为工程塑料，已广泛应用于机械、仪表、汽车、航空工业。用玻璃纤维增强的塑料，作汽车、游艇外壳，不仅美观轻巧，还可大大节约能源。用碳纤维和短时耐超高温的树脂可制成耐烧蚀材料，能经受超高温高速气流冲刷，有了它们才有可能制造宇宙飞船、人造卫星和洲际导弹等。还有功能高分子材料，根据它们各自的特性，可以用作人工心脏、人工肾、血管、骨骼、假牙、软组织的称为生物(医学工程)材料；具有半导体、光导体、导磁性、导电性的称为特种功能高分子材料。

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新材料基础知识（3）－－－结构材料?功能材料
以机械力学性能作为性能指标的材料叫结构材料；在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的材料叫功能材料。随着社会发展和科学技术的飞速进步，人类的活动范围越来越宽广，不仅对材料的机械力学性能－－强度、硬度、塑性、韧性、弹性以及疲劳、蠕变等要求越来越高，而且对材料的声、光、电、磁、热及化学性能的要求也越来越多。因此，除结构材料向高性能发展外，在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的新功能材料也迅速获得了发展。当然，具体的结构材料与功能材料也不能截然分割，高性能的结构材料，往往要求有相应的热稳定性和化学稳定性；而各种功能材料也必须保证足够的强度和良好的工艺性。结构材料和功能材料是相辅相成的，只是各有侧重。要求不同。
20世纪末，新的功能材料已成为新技术和新兴工业发展的关键。没有超纯石英玻璃纤维，激光－光纤通信就难以实现；氢这种高效无污染能源要实际应用，贮氢金属是关键，这种金属氢化物吸收氢的的密度比气态纯氢高1000多倍，安全可*，方便灵活；高分子逆渗透薄膜应用于海水淡化，正在代替耗能大、成本高的蒸发法和离子交换法；大晶粒多晶硅及非晶体硅光电材料，使太阳能电池具有了工业换法；大晶粒多晶硅及非晶体硅光电材料，使太阳能电池具有了工业应用意义；核反应堆的关键材料是耐1000℃以上高温并耐中子辐射的高强材料。还有特种陶瓷－－高温热交换、催化、透红外和微波、压电、光敏、热敏、换能、传感、电磁以及生物功能陶瓷，以及记忆合金、超导材料、防振合金、超微粒子、超晶格膜、超塑性金属、超强性合金等等。可以说每一种新功能材料的出现都标志着新技术的进步，而每一项新技术又标志着新功能材料的突破。
结构材料性能的提高和新功能材料的发展，是材料科学特别是固体物理、结晶化学、结构化学发展的结果。各种功能材料，就是在阐明物质物理现象本质的基础上研制出来的，可以说是一次在科学基础上开展的材料革命。

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新材料基础知识（4）－－－工程塑料
一类具有某些金属性能、在承受一定的外力作用时有良好的机械性能和寸尺稳定性、在高温或低温下仍能保持优良性能的塑料。20世纪末。工程塑料主要有聚酰胺、聚碳酸酯、聚醛、氯化聚醚、ABS(丙烯腈－丁二烯－苯乙烯三元共聚)树脂、DAP(邻苯二甲酸二烯丙酯)树脂、聚四氟乙烯、聚砜、聚芳砜、聚苯醚、聚芳酯和聚酰亚胺等，大多数是60年代前后发展起来的。
工程塑料具有许多优良性能：比重小，一般为1.0～2.0，只有钢铁的1/8～1/4；化学稳定性好，有良好的抗化学腐蚀性，如有"塑料王"之称的聚四氟乙烯，任何介质都难以腐蚀；良好的电绝缘性，各种电器、电子产品都离不开安它；较高的比强度，即强度对重量的比，现在玻璃钢的比强度已经超过钢铁；优良的耐磨、减磨和自润滑性，如聚醛、聚碳酸酯、氯化聚醚、聚酰胺及聚四氟乙烯等工程塑料制的耐摩擦零件，可以在各种液体、边界和干的摩擦条件下工作；良好的异物埋没性和就范性，在有磨粒或杂质存在的恶劣条件下工作的零件，如齿轮，偶遇坚硬杂质时，会因塑料的异物埋没性和就范性而将杂质埋没在齿轮内或发生适当形变而继续运转，不会象钢齿轮那样发生咬死或刮伤现象；优良的吸震性、抗冲击性、抗疲劳强度以及消声性、对于运动中的机械零件，可使其达到平稳无声运转。但它也有机械强度、硬度和耐热性尚不如金属的一面，一般只能在100℃左右工作,少数可达200℃,导热性只有钢铁的200～300分之一,膨胀收缩变形较金属大。工程塑料大都具有可塑性和熔融流动特性，可以采用热压、挤出、注射、吹塑、压延等成型方法成批生产，比金属加工的工艺简单，工时少，能耗低，成本低。
工程塑料并不是金属的时代用品，而是一类具有独特性能的新型高分子材料。在选用时应注意扬长避短，针对不同的具体要求，选择综合性能最佳、成本较低的材料和产品质量最好的加工方法，这样才能充分发挥工程塑料的优越潜力。作齿轮、轴承、泵叶、汽车零部件、仪器仪表元件等，宜选用聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚和聚砜；作汽车传动万向节轴承乙聚甲醛最能胜任；作高度防腐蚀部件、容器或衬里选聚四氟乙烯或氯化聚醚为宜；作电子、电器等复杂形状的部件，要用ＡＢＳ或ＤＡＰ；要求耐高温的电绝缘材料，可从聚酰亚胺、聚芳砜、聚芳酯或和聚四氟乙烯中选用；要求磨并有一定自润滑性的，首推聚酰胺、聚甲醛和聚四氟乙烯；要求耐高温或低温且冲击性好，能作成透明片材使用的，非聚碳酸酯莫属；作冷藏设备部件或电冰箱内胆，以ABS较好。工程塑料的品种及其应用还在不断发展中。

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新材料基础知识（5）－－－薄膜?薄片
用热塑性树脂或再生纤维素制成的一大类平而薄的高分子材料。厚度在0.25毫米以下的一般称不薄膜，较厚的称为薄片。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、尼龙(PA)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇(PVA)、醋酸纤维素(CA)和再生纤维素(RC)等50种以上热塑性树脂都可制薄膜或薄片。PE膜的产量最大，PS和PVC是透明薄片中的主要产品。
薄膜和薄片80%用于包装和家庭。薄膜和薄片是食品包装的理想材料，用量占首位。用PVC、PE和PP制成的收缩薄膜，经热外理即发生收缩，可把分散的商品紧密地包在一起。透明的PS或PVC薄片用热成型法可制成各种形状的食品包装盒和药品、小商品的包装泡罩。PS泡沫薄片可热成型为包装快餐食品的盒、盘、碗等。PE和软PVC膜可作农用地膜，搭盖大棚和温室，能保温保墒，促进种子发芽，使作物增产。PE和软PVC膜经印花、压花已大量用于建筑装饰贴墙纸，也可涂覆于薄钢板表面而成复合钢板用于各种制造工业。感光用电影胶片、照相软片、X光软片、红外线摄影片、遥测遥感记录片、文献资料缩微片、录音录像和计算机用记录磁带磁盘等都是采用薄膜或薄片作基材的。压敏胶粘带（不干胶）带基、投影薄膜、仪器和家用电器的铭牌也都是用薄膜或薄片作成的。生产电机、电器和电子产品同样需要大量的电绝缘薄膜。
生产薄膜和薄片有多种加工方法，如压延法、吹塑法、熔融挤出法、溶液流涎法等。有的薄膜还可经双轴拉伸定向处理，使它具有较好的强度和挺度。
随着高科技的发展，又出现了不少性能和特种功能的薄膜。各种复合薄膜集中了几种单层膜的优点，包装食品可以防止氧化变质，防霉，防虫，能长期保持食品的色香味。PET等薄膜可以喷镀、真空镀或电镀金属，制成具有金属装饰效果的膜或彩虹膜。离子交换膜表面具有离子交换基团，可用来淡化海水，提取稀有元素，节省能源；气体分离膜可提取稀有气体，也可作人工肺提取氧气；透析膜可作人工肾；用徐放性膜作成胶囊，可延长药效；导电薄膜通电后可起发热保温作用。展望未来，将会出现更多高性能和特殊功能的薄膜、薄片为人类服务。

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新材料基础知识（6）－－－复合材料
将两种或几种不同的人工材料，以一定形式组合起来，使它们互相取长补短，综合发挥优异特性的人工合成材料。复合材料可以是高强度的结构材料，具有优良的各种机械性能；也可以是性能特异的功能材料，具有热、光、电、磁等方面的特殊功能；或是两者兼备的高强度、高性能新材料。
20世纪20年代问世的玻璃钢，可称现代人工复合材料的先驱。玻璃钢正名是玻璃纤维增强塑料，以其高强、轻质、耐腐蚀和良好的工艺性等特点，被迅速推广使用。如今，这类纤维增强型复合材料发展很快，增强纤维已有性能更好的碳纤维、硼纤维和金属纤维等，基体材料也扩大到陶瓷、金属、橡胶和硅酸盐等。最近，强度更高、性能更好的金属、陶瓷或某些化合物的晶须作增强材料的复合材料，已引起广泛的注意而成为复合材料的重要发展方向。除纤维增强复合型外，还有叠层复合型和弥散粒子复合型等类复合材料。弥散粒子增强型复合材料，20世纪末主要是金属和陶瓷类材料。
复合材料主要有以下特点：（１）高强轻质，比强度高。一般复合材料的比强度是钢的2－5倍，甚至可高达10倍。（２）耐热抗高温。陶瓷粒子弥散型复合材料，工作温度已近1200℃，而石墨纤维复合材料，瞬时工作温度更可高达2000℃。（３）成形工艺性好。复合材料有叠层层压、缠绕、浸胶、喷射、拉拔等多种成形方法，工艺简单易行。此外，复合材料还有抗震、抗疲劳、耐腐蚀、稳定安全等优良性能，因而后来居上成为应用广泛的重要新材料。
今天，新技术革命中的各项重要技术领域，复合材料都大有用武之地，复合材料制成的摩擦材料、轻质耐热材料、超导材料、磁性材料、各向异性导电材料、强化导电材料、表面保护材料、烧损消融材料、防振防噪材料、生物功能材料等，成为新兴技术的重要结构基础和关键功能部件。如大跨度薄壳结构建筑，航天飞行器壳体，火箭发动机喷嘴，防辐射、抗高温的核能源装置，乃至人造皮肤、人造骨骼和人造脏器等，都要大量使用各种具有特殊能的复合材料。同时，各种复合材料也已开始进入工农业生产、国防和生活领域。有人展望未来，认为复合材料将是"21世纪材料"，无疑是有根据的

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新材料基础知识（6）－－－磁性材料 指一切能显示磁性的均质。磁铁矿是天然磁性材料。而我们通常用的磁体是用钢、合金或金属氧化物制成的，叫人造磁性材料。
最初，人造磁体是用钢制成的。20世纪初，发现在钢中加入硅可以改善磁性。从此，硅钢就被大量用于制作变压器。
以后又发现，将镍和铁以适当比例熔在一起时，在低磁化磁场下，磁导率比最好的铁的磁导率还高。镍铁合金的磁性与成分和热处理方法有关。镍铁合金是韧性磁性材料，可用作精密仪表的变压器铁芯。
随后又出现了铁－钴、铁－硅－铝、铁－铬、铁－镍－钼、铁－钴－钒、钴－铝－硼等合金磁性材料和铁氧体（即人造的镍、锰、钴、锌一类氧化物烧结体）。
近二三十年来由于对非晶态的研究，又发现了非晶磁性材料和微晶磁性材料，用于制作磁头，耐磨性大有提高。如果非晶磁性材料的价格降为硅钢的一半，非晶磁性材料就有可能取代硅钢。
20世纪末还研究出了体积小、重量轻、适宜航天和军事上使用的磁薄膜。钨纤维增强磁性合金、陶瓷晶须纤维复合磁性材料等高温磁性材料也陆续问世。
人们的现代生活离不开电气化，也就离不开磁性材料。变压器、电机、录像机、电视机、收录机、计算机、银行自动出纳机、自动售票机、自动检票机等各种电器设备都离不开磁性材料。

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新材料基础知识（7）－－－液晶 介于固态和液态之间的各向异性流体，所以，有时又把它叫做介晶态。液晶的发现打破了人们关于物质三态（固态、液态、气态）的常规概念。
现在已经知道的液晶物质，多数是脂肪族化合物、芳香族化合物和甾族化合物。科学工作者发现，分子的几何形状和该分子是存在液晶相（这里的"态"和"相"两字的含义相同）有关。呈细长棒状，平板状或盘状的分子，才有可能存在液晶相。
用偏光显微镜来观察液晶，根据它们呈现的纹理结构（一种图案），可把液晶分成三种类型三种相。（１）近晶型液晶或近晶相。（２）向列型液晶或向列相。（３）胆甾型液晶或胆甾相。近晶型液晶的分层排列，有同一方向，与晶体相近，故译名为向近晶相。向列型液晶的分子位置杂化，但方向一致，故译名为向列相。胆甾型液晶，最早是从胆甾醇类物质中发现的，便命名为胆甾相液晶。
液晶在电场作用下，光学性能的变化叫电光效应。电子计算器、钟表等的数字显示就是液晶电光效应的应用。利用液晶的热效应（即液晶的光学性能随温度的变化）可作医学上的皮癌检查和肿瘤部位的测定，还可用于测定细胞内的化学反应。此外，还应用于航空机械和冶金产品的无损探伤和高分子反应中的定向聚合等。

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新材料基础知识（8）－－－金属氢
液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成的导电体、由于导电是金属的特性，故称金属氢。
早在1935年，英国物理学家就预言，在一定的高压下，任何绝缘体都能变成导电的金属，只是，不同的材料转变成导电金属所需的压力不同而已，有的材料，如磷，已能获得导电体，但稳定的金属氢样品始终没有得到。在苏联、日本、美国的几个实验室中，只在上百万大气压的超高压下得到了金属氢，不过，一旦恢复常压，氢又回复到初始状态。判断得到了金属氢，依据是当处于高压下时，它的电阻从108欧姆变为102欧姆（苏联人的数据），或从1.26×1012欧姆降到102欧姆（日本人的数据）。
从理论上来看，在超高压下得到金属氢是确实可能的。不过，要得到金属氢样品，还有待科学家们进一步研究。 尽管目前还末把金属氢拿到手，但理论工作者推断，金属氢是一种高温超导体，是高密度、高储能材料。
已掌握的超导材料大多需在液氦（－269℃)冷却下使用，这使超导技术的发展受到限制。金属氢的超导临界温度(即体现超导性质主最高温度)是-223－-73℃，能够在液氮（－196℃)温度下使用这将大大推动超导技术的发展。
由于金属氢是高密度材料，用它作燃料，火箭的体积和重量都会大大减小，航天事业将因此而产生巨大的飞跃。

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新材料基础知识（9）－－－光导纤维 又称光学纤维。是能传导光信号的纤维材料，一般是直径仅几微米的带包层的圆柱形石英玻璃纤维。
光导纤维传光原理是不同折光率介质界面的全反射现象，即光从折射率大的光密介质以一定角度射向折射率的小光疏介质时，光在界面会发生全反射而全部折回光密介质。这一定的角度称全反射临界角。光导纤维的纤芯是光密介质，而包层是光疏介质，传输的光信号只要在界面的入射角大于临界角，光就在纤芯中曲折反射前进而不会泄漏。这种带包层的光纤称芯皮型光纤。纤芯和包层的折光率在界面突然变化的芯皮型光纤称为阶跃光纤；而折射率从纤芯的高折射率逐渐过渡变化到高层的低折射率，光在纤芯中波浪式前进的芯皮层光纤称为梯度型光纤。这是20世纪末应用较多的两种芯皮型光导纤维。
还有一类传光原理不同的自聚集光导纤维。这类光纤的材料和结构，使传输的光会自动向光纤中心轴线*拢，犹如光通过凸透镜聚焦一样，也可保证光在传输中不会泄漏。
20世纪末常用的光导纤维材料是超纯石英玻璃。但由于石英玻璃纤维脆性较大，连接也很复杂，在应用上难度较大。近年塑料光纤的研制发展很快。至于四氯化硅液体光纤，尚属试验阶段，离实用还有距离。
光导纤维作为现代光通信的传光关键器件，主要有以下特点：（１）传输损耗小。一般损耗小于20分贝/公里，20世纪末已有仅为0.2分贝/公里的超低损耗光纤问世。(2)容量大，即同时可通过的信息量大。20世纪末已有一对光纤同时传送150万路电话和2000套彩色电视的记录，比现有的1800路中同轴电缆载波通信的容量大800倍以上。（３）传输质量高，抗干扰、保密性好。光信号传输过程中失真、畸变、误差小，不产生也不受磁干扰。（４）足够的强度和可挠性。不仅加工、使用方便，耐久性好，而且可以任意弯曲传光。（５）材料来源广，成本低。20世纪末成本仅为0.25－1.5美元／公里，并在继续下降，同时节约了大量有色金属材料。
光导纤维主要用于激光－光导纤维通信，并已从电话、电报、电视发展到计算机网络和连接其他电子设备的信息传输，可用于资料检索、文字图像处理、银行财务经济往来、医疗诊询等。光纤还可用于传感器，做成能"感觉"声、味、热、磁、力等信息的人工感官。20世纪末已制成光导纤维温度计、速度计、电流计、磁场计、微移信计以及光纤陀螺、光纤水听器等，并已开始用于传输光能，制成"激光刀"进行手术和切割、焊接工程材料等。近年还研制出紫外光纤、红外光纤、耐辐射光纤、荧光光纤和光纤激光器等新型光导纤维，应用范围已超越一般的通信技术，而开始在空间技术、生物工程、能源工程等新技术领域大显身手，成为引人注目的基础新技术。