材料科學(xué)與我們之四

1、材料科學(xué)與我們材料科學(xué)與我們第四篇第四篇 材料世界材料世界（一）（一）豐富多彩的材料世界豐富多彩的材料世界 有人對當今浩瀚的材料世界進行過粗略有人對當今浩瀚的材料世界進行過粗略統(tǒng)計，統(tǒng)計，70 年代登記的新老材料達到年代登記的新老材料達到25 萬種，萬種，到到1980 年登記的材料總和已有年登記的材料總和已有36 萬種，并萬種，并且每年還以且每年還以5的增長率增加。的增長率增加。 如果把形形色色的材料按化學(xué)組成分類，如果把形形色色的材料按化學(xué)組成分類，可以分為金屬材料、無機非金屬材料和有機可以分為金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料三大類。它們鼎足而立，構(gòu)成了高分子材料三大類。它們鼎足而立

2、，構(gòu)成了材料世界的材料世界的“三大家族三大家族”。如果從使用角度。如果從使用角度看，不論上面哪一種材料，都可以歸納為兩看，不論上面哪一種材料，都可以歸納為兩大類：一類叫做結(jié)構(gòu)材料，主要是利用它們大類：一類叫做結(jié)構(gòu)材料，主要是利用它們的強度、韌性、硬度、彈性等機械性能；另的強度、韌性、硬度、彈性等機械性能；另一類是功能材料，是利用它們所具有的電、一類是功能材料，是利用它們所具有的電、光、磁、熱等功能和物理效應(yīng)。光、磁、熱等功能和物理效應(yīng)。 當然，上述各種材料之間也存在著交叉當然，上述各種材料之間也存在著交叉關(guān)系。例如，復(fù)合材料就把金屬和非金屬結(jié)關(guān)系。例如，復(fù)合材料就把金屬和非金屬結(jié)合了起來；非晶

3、態(tài)金屬則介于金屬與非金屬合了起來；非晶態(tài)金屬則介于金屬與非金屬之間。此外，還有按材料的用途分類的，如之間。此外，還有按材料的用途分類的，如建筑材料、耐火材料、電工材料、光學(xué)材料、建筑材料、耐火材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料等；按材料的物理效應(yīng)與功能分類，感光材料等；按材料的物理效應(yīng)與功能分類，如電壓材料、熱電材料、電光材料、聲光材如電壓材料、熱電材料、電光材料、聲光材料、激光材料等等。料、激光材料等等。 綜合以上分類方法和材料使用綜合以上分類方法和材料使用狀況。讓我們到這廣闊的材料世界狀況。讓我們到這廣闊的材料世界里去漫游一番吧！里去漫游一番吧！材料世界的三大領(lǐng)域材料世界的三大領(lǐng)域 以材料

4、作為劃分時代的標志，已經(jīng)以材料作為劃分時代的標志，已經(jīng)為人們所熟悉和接受因為這種劃分正確為人們所熟悉和接受因為這種劃分正確地反映了人類社會的生產(chǎn)力發(fā)展水平，地反映了人類社會的生產(chǎn)力發(fā)展水平，另一方面也反映出材料舉足輕重的意義。另一方面也反映出材料舉足輕重的意義。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，材料科學(xué)已經(jīng)和能在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，材料科學(xué)已經(jīng)和能源科學(xué)、信息科學(xué)并列為三大支柱。值源科學(xué)、信息科學(xué)并列為三大支柱。值得注意的是，無論能源技術(shù)還是信息技得注意的是，無論能源技術(shù)還是信息技術(shù)對于材料的依賴，均變得越來越突出。術(shù)對于材料的依賴，均變得越來越突出。 現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)中使用的材料極為現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)中使用的材料極為

5、廣泛，品種繁多，要想把它們嚴格分類廣泛，品種繁多，要想把它們嚴格分類已很困難。過去的教科書習慣把材料劃已很困難。過去的教科書習慣把材料劃分為金屬材料和非金屬材料兩大類，然分為金屬材料和非金屬材料兩大類，然而這種劃分材料的方法越來越顯得不合而這種劃分材料的方法越來越顯得不合理，因為不少的新型材料是跨越兩者之理，因為不少的新型材料是跨越兩者之間的。間的。 近年來出現(xiàn)了材料三大領(lǐng)域的提法，近年來出現(xiàn)了材料三大領(lǐng)域的提法，即把材料劃分為金屬材料、無機非金屬即把材料劃分為金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料。盡管如此，在材料和有機高分子材料。盡管如此，在繼續(xù)細分這些材料的小類和決定某些材繼續(xù)細分這些

6、材料的小類和決定某些材料的歸處時，仍出現(xiàn)不少困難。料的歸處時，仍出現(xiàn)不少困難。 例如復(fù)合材料就是一個例子，它是例如復(fù)合材料就是一個例子，它是由一種主要原料（基體）和另一種或幾由一種主要原料（基體）和另一種或幾種 材 料 （ 增 強 材 料 ） 組 成 的 ；種 材 料 （ 增 強 材 料 ） 組 成 的 ；基體和增強材料都可能是金屬、有機高基體和增強材料都可能是金屬、有機高分子或無機非金屬中任何一種，究竟如分子或無機非金屬中任何一種，究竟如何給它們分類呢？有人建議把它們單獨何給它們分類呢？有人建議把它們單獨提出來，另立門戶。提出來，另立門戶。 總之，任何一種分類方法都只能看總之，任何一種分類方

7、法都只能看成是暫時的、不完善的，這也反映出材成是暫時的、不完善的，這也反映出材料世界的日益繁榮和多樣化。料世界的日益繁榮和多樣化。 工業(yè)部門是生產(chǎn)各種材料的基地，工業(yè)部門是生產(chǎn)各種材料的基地，同時也是使用各種材料的最大用戶。同時也是使用各種材料的最大用戶。這些部門中的原子能、航空與航天、中這些部門中的原子能、航空與航天、中子、海洋開發(fā)的迅速發(fā)展，對材料提出子、海洋開發(fā)的迅速發(fā)展，對材料提出許多更新的、更嚴的要求，天然材料和許多更新的、更嚴的要求，天然材料和靠天然原料制備的材料，已經(jīng)不能滿足靠天然原料制備的材料，已經(jīng)不能滿足人們的需要了。因此所謂人們的需要了。因此所謂“尖端材料尖端材料”或或“極

8、限材料極限材料”的研究成為重點。的研究成為重點。 舉例來說，原子能工業(yè)要求耐輻射和耐舉例來說，原子能工業(yè)要求耐輻射和耐腐蝕的包套材料；熱核聚變反應(yīng)堆需要優(yōu)異腐蝕的包套材料；熱核聚變反應(yīng)堆需要優(yōu)異的激光工作物質(zhì)來實現(xiàn)點火；新型飛機和航的激光工作物質(zhì)來實現(xiàn)點火；新型飛機和航天器要求強度極高、重量極輕的結(jié)構(gòu)材料。天器要求強度極高、重量極輕的結(jié)構(gòu)材料。目前正在研究一種比木材還輕，在水中也不目前正在研究一種比木材還輕，在水中也不下沉的鎂鋰合金。海洋開發(fā)要求耐高壓、耐下沉的鎂鋰合金。海洋開發(fā)要求耐高壓、耐腐蝕的潛水殼體材料，也許新型金屬玻璃能腐蝕的潛水殼體材料，也許新型金屬玻璃能夠滿足需要。凡此種種，都可

9、以劃入夠滿足需要。凡此種種，都可以劃入“尖端尖端材料材料”的研究領(lǐng)域。的研究領(lǐng)域。“富有富有”的傳統(tǒng)原材料的傳統(tǒng)原材料木材木材 木材是植物的木材是植物的“產(chǎn)品產(chǎn)品”。喬木和灌。喬木和灌木的祖先是羊齒科植物，這種植物的歷木的祖先是羊齒科植物，這種植物的歷史可追溯到泥盆紀。約在二億五千萬年史可追溯到泥盆紀。約在二億五千萬年前的二迭紀，這種原始羊齒科植物發(fā)展前的二迭紀，這種原始羊齒科植物發(fā)展為針葉樹，直到一億年前的白堊紀才形為針葉樹，直到一億年前的白堊紀才形成寬葉樹。成寬葉樹。 古代人們起初是不經(jīng)加工就利用樹古代人們起初是不經(jīng)加工就利用樹木取得食物，以后，又把木棒和石頭結(jié)木取得食物，以后，又把木棒和

10、石頭結(jié)合起來（石斧）以及把手杖和石頭結(jié)合合起來（石斧）以及把手杖和石頭結(jié)合起來（矛），從而首次制造了工具。隨起來（矛），從而首次制造了工具。隨著學(xué)會用火，木材在數(shù)千年內(nèi)成為人類著學(xué)會用火，木材在數(shù)千年內(nèi)成為人類最重要的能源。因此，人類應(yīng)用木材起最重要的能源。因此，人類應(yīng)用木材起始于獲取能源。始于獲取能源。 約在新石器向中石器時代過渡時期約在新石器向中石器時代過渡時期（約一萬年前），人類學(xué)會了加工木材，（約一萬年前），人類學(xué)會了加工木材，人類學(xué)會用木材造船和修筑簡單的住所人類學(xué)會用木材造船和修筑簡單的住所以及制造各種家庭用具。直到最近三、以及制造各種家庭用具。直到最近三、四千年，木材作為原材料應(yīng)

11、用才發(fā)展到四千年，木材作為原材料應(yīng)用才發(fā)展到目前的狀況?，F(xiàn)在我們在技術(shù)和藝術(shù)活目前的狀況?，F(xiàn)在我們在技術(shù)和藝術(shù)活動中到處可見木材。動中到處可見木材。 木材雖密實，但仍是一種孔隙性有木材雖密實，但仍是一種孔隙性有機材料。木材由其細胞構(gòu)成，細胞壁內(nèi)機材料。木材由其細胞構(gòu)成，細胞壁內(nèi)的空腔中充有多種不同物質(zhì)。木材的原的空腔中充有多種不同物質(zhì)。木材的原始形式，即未經(jīng)加工的形式，稱為原木。始形式，即未經(jīng)加工的形式，稱為原木。木材都是指砍伐后的、長度厚度和質(zhì)量木材都是指砍伐后的、長度厚度和質(zhì)量不同的樹木?？梢娔静募仁窃嫌质遣牟煌臉淠尽？梢娔静募仁窃嫌质遣牧?。料。 木材主要產(chǎn)在經(jīng)濟林中，在一定程木材主

12、要產(chǎn)在經(jīng)濟林中，在一定程度上也來自森林之外（公路、通道）。度上也來自森林之外（公路、通道）。大陸的三分之一有森林覆蓋，當然其中大陸的三分之一有森林覆蓋，當然其中有有50的面積不易通行。約有的面積不易通行。約有35的森的森林面積未加利用，也就是說這種森林的林面積未加利用，也就是說這種森林的生長無人工影響。世界森林面積只有生長無人工影響。世界森林面積只有11左右屬于經(jīng)濟林。人類付出力量經(jīng)營左右屬于經(jīng)濟林。人類付出力量經(jīng)營經(jīng)濟林，以獲得木材。經(jīng)濟林，以獲得木材。 木材砍伐分兩個階段，其中又要區(qū)別初木材砍伐分兩個階段，其中又要區(qū)別初期利用和最終利用。按森林建設(shè)和保障質(zhì)量期利用和最終利用。按森林建設(shè)和保

13、障質(zhì)量的要求，在種植了的要求，在種植了1530 年以后要進行初次年以后要進行初次砍伐。以后每隔砍伐。以后每隔510年重復(fù)進行（使森林變年重復(fù)進行（使森林變稀，初期利用）。到樹木完全成熟（不同樹稀，初期利用）。到樹木完全成熟（不同樹種的成熟期介于種的成熟期介于80140 年之間）為止，整年之間）為止，整個森林面積上生產(chǎn)的全部木材有個森林面積上生產(chǎn)的全部木材有40到到60已經(jīng)砍伐進行初期利用，其中大部分為較細已經(jīng)砍伐進行初期利用，其中大部分為較細的木材品種，然后才將余留的樹木伐掉（較的木材品種，然后才將余留的樹木伐掉（較粗的木材品種）。粗的木材品種）。 從物理上看，木材并不密實，含有從物理上看，木

14、材并不密實，含有大大小小的空腔，因此稱之為孔隙體。大大小小的空腔，因此稱之為孔隙體。細胞壁的空腔（毛細管）比細胞的空腔細胞壁的空腔（毛細管）比細胞的空腔小得多。并在一定程度上充填有水或水小得多。并在一定程度上充填有水或水汽混合物。木材的這種水分對其強度影汽混合物。木材的這種水分對其強度影響很大。響很大。 木材的體積密度為木材的體積密度為300900 公斤公斤每立方米，軟木與硬木的界限約為每立方米，軟木與硬木的界限約為550公斤每立方米，如不考慮空腔，即所謂公斤每立方米，如不考慮空腔，即所謂“凈密度凈密度”，對木纖維是，對木纖維是1600公斤每立公斤每立方米，對木質(zhì)素是方米，對木質(zhì)素是1400公

15、斤每立方米，公斤每立方米，對所有樹種，可用的平均值為對所有樹種，可用的平均值為1500 公斤公斤/米米3。木材像任何孔隙物體一樣，吸收。木材像任何孔隙物體一樣，吸收空氣中的水蒸汽，這就是說有吸濕性?？諝庵械乃羝@就是說有吸濕性。 隨著空氣的溫度及濕度的不同，木隨著空氣的溫度及濕度的不同，木材總是具有相應(yīng)的濕度，也就是說，木材總是具有相應(yīng)的濕度，也就是說，木材和環(huán)境空氣間總是達到吸濕平衡狀態(tài)。材和環(huán)境空氣間總是達到吸濕平衡狀態(tài)?？諝庀鄬穸葹榭諝庀鄬穸葹?0時，木材經(jīng)過一段時，木材經(jīng)過一段時間的適應(yīng)后，濕度達到時間的適應(yīng)后，濕度達到11。木材吸。木材吸水膨脹，反之則收縮。俗話說這是木材水膨

16、脹，反之則收縮。俗話說這是木材在在“干活干活”。 其軸向上的膨脹和收縮率大多降低其軸向上的膨脹和收縮率大多降低0.5，故可以忽略不計；而切向上的長，故可以忽略不計；而切向上的長度變化（松樹為度變化（松樹為8）幾乎總是經(jīng)向上）幾乎總是經(jīng)向上的兩倍，但膨脹和收縮只發(fā)生在濕度從的兩倍，但膨脹和收縮只發(fā)生在濕度從0到到30這個范圍內(nèi)，之后就達到所這個范圍內(nèi)，之后就達到所謂纖維飽和狀態(tài)，停止了這個過程，水謂纖維飽和狀態(tài)，停止了這個過程，水分繼續(xù)增加而膨脹不會繼續(xù)增加。分繼續(xù)增加而膨脹不會繼續(xù)增加。 木材的熱延伸性意義不大。木材的木材的熱延伸性意義不大。木材的磁性能也相當有利，因為用木材制作天磁性能也相當

17、有利，因為用木材制作天線的塔架時，它幾乎不影響天線的發(fā)射線的塔架時，它幾乎不影響天線的發(fā)射電磁場。木材的聲學(xué)特性與其他材料有電磁場。木材的聲學(xué)特性與其他材料有明顯區(qū)別，因此在制作樂器方面優(yōu)先得明顯區(qū)別，因此在制作樂器方面優(yōu)先得到采用。最典型的例子是聲阻力和隔聲到采用。最典型的例子是聲阻力和隔聲能力比金屬高十倍左右。木材也具有良能力比金屬高十倍左右。木材也具有良好的彈性。好的彈性。 如果木梁的負荷處于虎克定律范圍如果木梁的負荷處于虎克定律范圍而距離破斷負荷足夠遠，那么在當負荷而距離破斷負荷足夠遠，那么在當負荷解除時，變形幾乎完全消失，這是典型解除時，變形幾乎完全消失，這是典型的彈性材料性質(zhì)。當然

18、，木材也像其他的彈性材料性質(zhì)。當然，木材也像其他材料那樣具有屈服現(xiàn)象，即在一定負荷材料那樣具有屈服現(xiàn)象，即在一定負荷下，變形與時間有關(guān)。下，變形與時間有關(guān)。 木材的強度（在毛密度條件下測出）木材的強度（在毛密度條件下測出）是突出的，然而，木材允許負荷僅為破是突出的，然而，木材允許負荷僅為破斷力的斷力的10左右，所有強度特性與木材左右，所有強度特性與木材的水分相關(guān)，水分增加，強度下降。例的水分相關(guān)，水分增加，強度下降。例如，水分為如，水分為50時，強度為初始值的時，強度為初始值的50以下。木材缺點中最甚者，是容易受以下。木材缺點中最甚者，是容易受到寄生的菌類及寄生蟲的侵蝕，但可以到寄生的菌類及寄

19、生蟲的侵蝕，但可以用某些藥劑和其它方法保護木材。用某些藥劑和其它方法保護木材。 木材的質(zhì)量和品種的不同，每立方木材的質(zhì)量和品種的不同，每立方米的價格也不同，我們決不能忽視。森米的價格也不同，我們決不能忽視。森林除了有生產(chǎn)木材的功能以外，還有其林除了有生產(chǎn)木材的功能以外，還有其它功能。它們對國家文化、環(huán)保、水土它功能。它們對國家文化、環(huán)保、水土保護和人類休養(yǎng)的重要性是難以用數(shù)字保護和人類休養(yǎng)的重要性是難以用數(shù)字表達的。表達的。 目前，我們的地球上有目前，我們的地球上有24 億公畝億公畝的有用森林（全部森林面積為的有用森林（全部森林面積為38 億公億公畝），可供利用的木材約有畝），可供利用的木材約有3000 億立方億立方米，其中每年約采伐米，其中每年約采伐30 億立方米。到億立方米。到2000 年，全世界每年的木材消耗量將從年，全世界每年的木材消耗量將從目前的目前的28 億立方米左右增加到近億立方米左右增加到近50 億億立方米。立方米。 從