材料科学发展概况

材料科学发展概况

材料科学的发展，从生产力的角度反映了人类社会发展的文明史，因此历史学家常常根据当时有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。旧石器时代可追溯到公元前10万年前左右。原始人采用天然的石、木、竹、骨等材料作为狩猎工具，但是生产效率非常低。公元前6000年，人类发明了火，掌握了钻木取火的技术。有了火，不仅可以熟食、取暖、照明和驱兽，还可以烧制陶器。陶瓷材料的发明和应用，创造了新石器时代的仰韶文化，后来在制陶技术的基础上又发明了瓷器。这是陶瓷材料发展的一次飞跃，瓷器（英译名为China）的出现已成为中华民族文化的象征之一，对世界文化产生过深远的影响。

人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术来烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合青铜。可以说这是人类社会最早出现的金属材料，它使人类社会从新石器时代转入到青铜器时代。我国出土的大量古代青铜器说明，中国历史上曾有过灿烂的青铜文化，仅由1965年在湖北望山一号楚墓中出土的2500年前越王勾践的宝剑和青铜编钟来看，当时青铜器生产工艺已达到了很高的水平。

炼铜技术发展为炼铁奠定基础是顺理成章的事。用铁作为材料来制造农具，使农业生产力得到空前的提高，并促使奴隶社会解体和封建社会兴起。铁在农业上的广泛应用，推动了以农业为中心的科学技术日益进步。我国从公元前3世纪起，即秦汉时代起就进入农业经济发达社会，到了唐宋时代，经济繁荣、科学文化发达、社会安定、国泰民安、盛世安定，形成了我国封建社会的科学文化高峰。正如英国李约瑟博士所说的：“在3－13世纪，中国保持一个让西方人望尘莫及的科学知识水平”。

18世纪发明了蒸汽机，爆发了产业革命，小作坊式的手工操作被工厂的机械操作所代替。工业迅猛发展，生产力空前提高，迫切要求发展铁路、航运，使生产出来的产品远销他国，占据国际市场。社会经济的发展推动和促进了以钢铁为中心的金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会的生产方式，萌发了资本主义社会。

第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破，从此以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。

进入20世纪80年代以来，在世界范围内高新技术迅猛发展，国际上展开激烈的竞争，各国都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等领域占有一席之地。发展高新技术的关键往往与材料有关，因此新型材料的开发本身就成为一种高新技术，可称为新材料技术，其标志技术是材料设计或分子设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。材料的重要性已被人们充分地认识，能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱。

科学技术的发展对材料不断提出新的要求。以计算机技术为例，1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC问世时，它是用18000只电子管组装而成的，计算机总质量达30多吨，占地150m²，耗电几百千瓦，但它所完成计算的速度还不如今天的一台微型计算器。因为那时用的是电子管，后来发展了半导体材料，并制成了晶体管。用半导体晶体管代替电子管，使计算机技术跨进了一大步。

为了使计算机体积小、质量轻，人们把许多晶体管和连线集成在硅基片上，出现了所谓集成电路。集成电路不仅是计算机技术的基础，也是现代社会中通讯、电视、遥控等微电子技术的基础。

集成电路技术发展很快，标志集成电路水平的指标之一是集成度，它表明在硅基片上（也称芯片）上容纳的晶体管的数目。

现在最大规模的集成电路，每个芯片上的晶体管数目已达到550万个（PentiumPRO1995），因而对单晶硅材料的纯度要求日益提高。集成电路的集成度规模直接影响计算机运算速度和内存容量，例如计算机内存容量为64K，则要求集成电路在7mm²大小的芯片上连接10万个晶体管，晶体管之间用线宽为3μm的布线互相连接起来。

在制作这么微小的电路时，即使有一粒尘埃落到芯片上，也可能引起断路，因此要求作为集成电路的硅芯片材料应是超高纯的，这就促使人产去研制超高纯半导体材料。没有超高纯半导材料，大规模集成电路及相应的计算机技术难以实现。

目前人们正在探索实现三维集成电路的可能性，设想在硅芯片上的二维集成电路向空调发展，成为三维立体结构，期望集成度可能有新的突破，但对半导体材料的要求也越来越苛刻。

化学是材料发展的源泉。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性能、变化及应用的学科。经过数百年的努力，化学家开发出许多存在于自然界中的人工天然化合物和合成了大量自然界中不存在的合成化合物，两者的总和已超过1000万种，1991年已达到1200万种，而且还在以平均每天增加7000多种的速度递增着。这1000多万种天然和合成化合物构成了当今五彩缤纷物质世界的物质基础。

人类的衣、食、住、行以及工业、农业、医药、卫生、环境等各行各业都需要化学物质的支持，因此人们称化学是一门中心科学，它与社会各方面的物质需要密切相关。

所谓材料是指人类利用化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。目前传统材料有几十万种，而新合成的材料每年大约以5%的速度在增加。

因此可以毫不夸张地说，化学是材料发展的源泉，也可以说，材料科学的发展为化学研究开辟了一个新的领域。高分子化学与高分子材料的发展是最明显不过的例子。第二次大战后高分子化学蓬勃发展为高分子材料的发展打下了基础，合成出各种工程塑料、合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等。为了适应社会经济和高技术发展的需要，对研制具有特殊性能的功能高分子材料甚为迫切，这对高分子化学提出了新的要求，促进了高分子化学的发展。化学与材料科学保持着相互依存、相互促进的关系。

材料可按不同的方法分类。

若按用途分类，可将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要是利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，人们称智能材料是21世纪的材料。

若按材料的成分和特性分类，可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。

金属材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料通常包括铁、锰、铬以及它们的合金，是应用最广的金属结构材料。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。有色金属品种繁多，又可分为轻金属、重金属、高熔点金属、稀土金属、稀散金属和贵金属等。纯金属的强度较低，工业上用的金属材料大多是由两种或两种以上金属经高温熔融后冷却得到的合金。

例如由铜和锡组成的青铜；铝、铜和镁组成的硬铝等都是合金。合金也可以由金属元素和非金属元素组成，如碳钢是由铁和碳组成的合金。合金的性能一般都优于纯金属。为了发展航空、火箭、宇航、舰艇、能源等新兴工业，需要研制具有特殊性能的金属结构材料，因此金属材料发展的重点是研制新型金属材料。

陶瓷材料是人类应用最早的材料。传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，新近发展起来的特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，因此可称为无机非金属材料。

高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和粘剂等。这类材料有优异的性能，如较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，发展速度较快，已部分地取代了金属材料。合成具有特殊性能的功能高分子材料是高分子材料的发展方向。

复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚度和耐腐蚀等性能比单一材料更为优越，是一类具有广阔发展前景的新型材料。

也可把材料分为传统材料和新型材料，传统材料是指生产工艺已经成熟，并已投入工业生产的材料。新型材料是指新发展或正在发展的具有特殊功能的材料，如高温超导材料、工程陶瓷、功能高分子材料等。这些新型材料的特点是：

（1）新型材料是根据社会的需要，在人们已经掌握了物质结构及其变化规律的基础上，进行设计、研究、试验、合成生产出来的合成材料。新型材料具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的需要。例如能在接近极限条件下使用的超高温、超高压、极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。

（2）新型材料的研制是多学科综合研究的成果。它要求以先进的科学技术为基础，往往涉及到物理、化学、冶金等多个学科。如果没有各种学科最新研究成果的支持，新型材料的设计和研制是不可能的。

新型材料从设计到生产，需要专门的、复杂的设备和技术，它自身形成了一个独特的领域，称为新材料技术。新材料技术在高新技术领域中占有特殊的地位，成为实现高技术的物质基础。