材料科學(xué)的發(fā)展史及發(fā)展趨勢

1、論材料科學(xué)的發(fā)展史及發(fā)展趨勢（材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程類 潘勇輝1009100131 ）摘要本文簡要的介紹了材料的發(fā)展史，然后介紹了一些新 材料及其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞材料科學(xué)發(fā)展史 趨勢 金屬材料 超導(dǎo)材料 高分 子材料如今，一說到材料很多人都不會感到陌生，因?yàn)槲覀兊纳?與材料是息息相關(guān)的。如我們造房子就需要各種各樣的材料，而 這些材料既有無機(jī)非金屬材料（如水泥、沙子）的又有金屬材料 （如鋼筋）的。我們所使用的各種生活用品也是由各種材料制造 而成的。還有各個領(lǐng)域（如航天、航空、軍事）都有材料的影子。 可以這么說，人們想要發(fā)展，那就必須先發(fā)展材料科學(xué)。在人類社會的發(fā)展過程中，材料的發(fā)展

2、水平始終是時代進(jìn)步 和社會文明的標(biāo)志，人類文明的發(fā)展史，就是一部如何更好地利 用材料和創(chuàng)造材料的歷史。在當(dāng)代，材料和能源、信息是構(gòu)成社 會文明和國民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，其中材料更是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物 質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。材料科學(xué)與工程是一門實(shí)用的、直接的科學(xué) 與技術(shù)，是研究材料的組成與結(jié)構(gòu)、合成與制備性質(zhì)及使用性能 等基本要素及其相互關(guān)系與制約規(guī)律的一門科學(xué)。涵蓋高分子材 料與工程無機(jī)非金屬材料工程等本科專業(yè)。改革開放后，20世紀(jì)70年代末至90年代，隨著經(jīng)濟(jì)、社會和科學(xué)的發(fā)展，各種 新材料的出現(xiàn) 和廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，材料科學(xué)與材料 工程之間的界線開始模糊，幾大材料之間有了更多的內(nèi)在聯(lián)系和

3、共性。各學(xué)科之間的相互交叉、滲透、借鑒，材料科學(xué)技術(shù)迅速 發(fā)展。所以為了更好地學(xué)習(xí)和研究材料，我們很有必要學(xué)習(xí)一下 材料科學(xué)的發(fā)展史，并了解一下材料科學(xué)今后的發(fā)展趨勢。一、材料科學(xué)發(fā)展史人類社會的發(fā)展歷程 ,是以材料為主要標(biāo)志的。 歷史上 ,材 料被視為人類社會進(jìn)化的里程碑。對材料的認(rèn)識和利用的能 力 ,決定著社會的形態(tài)和人類生活的質(zhì)量。 材料是人類生活和生 產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類認(rèn)識自然和改造自然的工具。可以這樣說， 自從人類一出現(xiàn)就開始了使用材料。材料的歷史與人類史一樣久 遠(yuǎn)。從考古學(xué)的角度，人類文明曾被劃分為舊石器時代、新石器 時代、青銅器時代、鐵器時代等，由此可見材料的發(fā)展對人類社 會的

4、影響。材料也是人類進(jìn)化的標(biāo)志之一，任何工程技術(shù)都離不 開材料的設(shè)計(jì)和制造工藝，一種新材料的出現(xiàn)，必將支持和促進(jìn) 當(dāng)時文明的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步。從人類的出現(xiàn)到二十一世紀(jì)的今 天，人類的文明程度不斷提高，材料及材料科學(xué)也在不斷發(fā)展。 在人類文明的進(jìn)程中，材料大致經(jīng)歷了以下五個發(fā)展階段。（一）使用純天然材料的初級階段在原古時代，人類只能使用天然材料（如獸皮、甲骨、羽毛、 樹木、草葉、石塊、泥土等），相當(dāng)于人們通常所說的舊石器時代。 這一階段，人類所能利用的材料都是純天然的，在這一階段的后 期，雖然人類文明的程度有了很大進(jìn)步，在制造器物方面有了種 種技巧，但是都只是純天然材料的簡單加工。（二）人類單純利

5、用火制造材料的階段這一階段橫跨人們通常所說的新石器時代、銅器時代和鐵器 時代，也就是距今約 10000 年前到二十世紀(jì)初的一個漫長的時期， 并且延續(xù)至今，它們分別以人類的三大人造材料為象征，即陶、 銅和鐵。這一階段主要是人類利用火來對天然材料進(jìn)行煅燒、冶煉和加工的時代。例如人類用天然的礦土燒制陶器、磚瓦和陶瓷， 以后又制出玻璃、水泥，以及從各種天然礦石中提煉銅、鐵等金 屬材料。（三）利用物理與化學(xué)原理合成材料的階段二十世紀(jì)初，隨著物理學(xué)和化學(xué)等科學(xué)的發(fā)展以及各種檢測 技術(shù)的出現(xiàn)，人類一方面從化學(xué)角度出發(fā)，開始研究材料的化學(xué) 組成、化學(xué)鍵、結(jié)構(gòu)及合成方法，另一方面從物理學(xué)角度出發(fā)開 始研究材料的

6、物性，就是以凝聚態(tài)物理、晶體物理和固體物理等 作為基礎(chǔ)來說明材料組成、結(jié)構(gòu)及性能間的關(guān)系，并研究材料制 備和使用材料的有關(guān)工藝性問題。由于物理和化學(xué)等科學(xué)理論在 材料技術(shù)中的應(yīng)用，從而出現(xiàn)了材料科學(xué)。在此基礎(chǔ)上，人類開 始了人工合成材料的新階段。這一階段以合成高分子材料的出現(xiàn) 為開端，一直延續(xù)到現(xiàn)在，而且仍將繼續(xù)下去。人工合成塑料、 合成纖維及合成橡膠等合成高分子材料的出現(xiàn)，加上已有的金屬 材料和陶瓷材料 （無機(jī)非金屬材料） 構(gòu)成了現(xiàn)代材料的三大支柱 除合成高分子材料以外，人類也合成了一系列的合金材料和無機(jī) 非金屬材料。超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、光纖等材料都是這一階段 的杰出代表。從這一階段開始，

7、人們不再是單純地采用天然礦石 和原料，經(jīng)過簡單的煅燒或冶煉來制造材料，而且能利用一系列 物理與化學(xué)原理及現(xiàn)象來創(chuàng)造新的材料。并且根據(jù)需要，人們可 以在對以往材料組成、結(jié)構(gòu)及性能間關(guān)系的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行材 料設(shè)計(jì)。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原 料。而材料合成及制造方法更是多種多樣。（四）材料的復(fù)合化階段二十世紀(jì)五十年代金屬陶瓷的出現(xiàn)標(biāo)志著復(fù)合材料時代的到 來。隨后又出現(xiàn)了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及最近出 現(xiàn)的抗菌材料的熱潮，都是復(fù)合材料的典型實(shí)例。它們都是為了 適應(yīng)高新技術(shù)的發(fā)展以及人類文明程度的提高而產(chǎn)生的。到這 時，人類已經(jīng)可以利用新的物理、化學(xué)方法，根據(jù)實(shí)際需要

8、設(shè)計(jì) 獨(dú)特性能的材料?，F(xiàn)代復(fù)合材料最根本的思想不只是要使兩種材 料的性能變成 3加3等于 6，而是要想辦法使他們變成 3乘以 3等 于 9，乃至更大。嚴(yán)格來說 ，復(fù)合材料并不只限于兩類材料的復(fù)合。 只要是由兩種不同的相組成的材料都可以稱為復(fù)合材料。（五）材料的智能化階段自然界中的材料都具有自適應(yīng)、自診斷合資修復(fù)的功能。如 所有的動物或植物都能在沒有受到絕對破壞的情況下進(jìn)行自診斷 和修復(fù)。人工材料目前還不能做到這一點(diǎn)。但是近三四十年研制 出的一些材料已經(jīng)具備了其中的部分功能。這就是目前最吸引人 們注意的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等等。盡管 近十余年來，智能材料的研究取得了重大進(jìn)展，但

9、是離理想智能 材料的目標(biāo)還相距甚遠(yuǎn)，而且嚴(yán)格來講，目前研制成功的智能材 料還只是一種智能結(jié)構(gòu)。二、新材料科學(xué)及其發(fā)展趨勢材料科學(xué)的發(fā)展，從目前的趨勢來看，是肯定會沿著新材料 的方面發(fā)展的。新材料又稱先進(jìn)材料，它不以生產(chǎn)規(guī)模，而以優(yōu) 異性能、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性取勝的高知識、高技術(shù)密集型為特點(diǎn)。 新材料有結(jié)構(gòu)材料和功能材料之分，前者主要利用他的力學(xué)性能， 而后者以應(yīng)用其各種物理、化學(xué)效應(yīng)為主。金屬材料 金屬材料科學(xué)主要是研究金屬材料的成分組 織、結(jié)構(gòu)、缺陷與性能之間內(nèi)在聯(lián)系的一門學(xué)科。金屬材料， 特別是鋼、銅、鋁等，仍然是 21 世紀(jì)主要的結(jié)構(gòu)材料和電能 傳輸材料。金屬材料已經(jīng)有成熟的生產(chǎn)工藝，相當(dāng)

10、多的配備 設(shè)施和工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格低廉、性能可靠，已成為涉及面 廣、市場需求大的基礎(chǔ)材料。所以在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)改 變不了它在材料中的主導(dǎo)地位。金屬材料的發(fā)展趨勢是：隨著航天航空和其它尖端技術(shù) 的飛躍發(fā)展，在改善和提升傳統(tǒng)材料品質(zhì)的同時，金屬功能 材料、非平衡態(tài)金屬，特別是高比強(qiáng)、高模量、耐高溫、抗 氧化、抗腐蝕、耐磨損合金和金屬復(fù)合基材料會有快速發(fā)展， 如金屬超導(dǎo)材料、鈦及其合金、鋁基增強(qiáng)復(fù)合材料、記憶合 金、納米晶塊體材料等。高分子材料 高分子材料是指分子量從幾百到幾萬由加聚或 縮聚鏈條狀官能團(tuán)構(gòu)成的有機(jī)化合物 自20世紀(jì) 20年代德國著名 科學(xué) 家斯托丁格開創(chuàng)這一學(xué)科以來 ,高分子科學(xué)

11、和技術(shù)的發(fā)展 極為迅猛 ,如今已形成非常龐大的高分子工業(yè)。它具有較高的 強(qiáng)度 ,良好的塑性 ,較強(qiáng)的耐腐蝕性能 ,很好的絕緣性能 ,以及重 量輕等優(yōu)良性能 ,在是工程上的發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材 料。高分子材料按其分子鏈排列有序與否 ,可分為結(jié)晶聚合物 和無定型聚合物兩類。結(jié)晶聚合物的強(qiáng)度較高 ,結(jié)晶度決定于 分子鏈排列的有序程度。工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀 態(tài)將其分為三大類 :塑料、橡膠以及合成纖維。其中 ,我國的合 成纖維、合成樹脂和合成橡膠已分別居世界產(chǎn)能的第一、二 和三位。高分子材料發(fā)展趨勢：發(fā)展先進(jìn)的樹脂基、有機(jī) / 無機(jī)和異質(zhì) 材料連接技術(shù)，研究高分子的老化、降解機(jī)制和控制技術(shù)

12、，制備 綜合性能更好的新材料是高分子材料的發(fā)展趨勢。能源材料 廣義的說， 凡是能源工業(yè)及能源技術(shù)所需的材料 都可稱為能源材料。但在新材料領(lǐng)域，能源材料往往指那些正 在發(fā)展的、 可能支持建立新能源系統(tǒng)滿足各種新能源及節(jié)能技 術(shù)的特殊要求的材料。能源種類繁多屬于一次性能源有核能、 太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能及海洋能等。就規(guī)模應(yīng)用而言，一次性 能源利用還需要克服許多科學(xué)和技術(shù)難關(guān)， 其中材料就是一個 帶共性的關(guān)鍵問題。氫能、合成燃料、高比能電池的利用原理 和特色各異，對材料品種和功能提出了更多的要求。能源材料的發(fā)展趨勢： 隨著化石能源的枯竭， 新能源的研 究與發(fā)展必定越來越受到重視， 而新能源的發(fā)展必定依

13、賴新材 料，所以能源材料的發(fā)展將會與新能源緊緊聯(lián)系在一起。超導(dǎo)材料 具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電電阻等于零以 及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從 被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng) 用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參 量，其次還有材料制作的工藝等問題（例如脆性的超導(dǎo)陶瓷如 何制成柔細(xì)的線材就有一系列工藝問題） 。到 80 年代，超導(dǎo)材 料的應(yīng)用主要有：利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于 電機(jī)、 高能粒子加速器、 磁懸浮運(yùn)輸、 受控?zé)岷朔磻?yīng)、 儲能等； 可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)10000MVA ）；可制作通信電纜和天線

14、，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。利用材料的 完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。 利用約瑟夫森效應(yīng) 可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發(fā)生器、邏 輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲元件，其運(yùn) 算速度比高性能集成電路的快1020倍，功耗只有四分之一。超導(dǎo)材料的發(fā)展趨勢：由于超導(dǎo)材料所具有的優(yōu)異性能， 所以超導(dǎo)材料將會并已經(jīng)受到科學(xué)界和各類研究機(jī)構(gòu)的重視， 超導(dǎo)材料也會向?qū)嵱没较虬l(fā)展。結(jié)束語在上世紀(jì)里， 世界的變化比任何時候都都要大， 其原因在 于技術(shù)直接緊隨基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步而發(fā)展， 這為材料科學(xué)和技術(shù) 的發(fā)展注入了強(qiáng)大的動力。 在結(jié)構(gòu)材料方面除了繼續(xù)對傳統(tǒng)材 料進(jìn)行升級改造之外，應(yīng)該特

15、別重視發(fā)展耐高溫、耐腐蝕、高 比強(qiáng)、高韌、高剛度材料及復(fù)合材料。對于功能材料，應(yīng)該特 別重視多功能、高集成度、高效率的信息功能材料。大力加強(qiáng) 能源材料、超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，擴(kuò)大它們的應(yīng)用 領(lǐng)域，把 21 世紀(jì)的材料科學(xué)與工程推進(jìn)到一個新的水平。新 材料和高技術(shù)是材料科學(xué)研究的核心，兩者之間密切相關(guān)，新材 料研究需要高技術(shù)，新材料本身必須依托于高技術(shù)，同時新材料 為高技術(shù)的發(fā)展提供了載體。但必須指出：材料科學(xué)的重點(diǎn)，除 了應(yīng)對新材料給予足夠的重視外，必須加強(qiáng)對我國基礎(chǔ)材料科學(xué) 問題的研究，首先促進(jìn)面廣量大的國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步， 用高技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，注重產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的升級換代，從而為新材 料和高技術(shù)乃至國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。我們有理由 相信，材料科學(xué)的明天加會更好，未來的的社會科學(xué)發(fā)展還將會 圍繞著材料科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展，材料科學(xué)在整個科學(xué)領(lǐng)域中將會