1、第一章緒論1.1 材料的發展歷史及在現代社會中的重要地位材料的發展歷史及在現代社會中的重要地位材料是社會進步的物質基礎，是人材料是社會進步的物質基礎，是人類進步程度的主要標志，所以人類類進步程度的主要標志，所以人類社會的進步以材料作為里程碑。社會的進步以材料作為里程碑。縱觀人類發現和利用材料的歷史，每一種重要材縱觀人類發現和利用材料的歷史，每一種重要材料的發現和廣泛利用，都會把人類支配和改造然料的發現和廣泛利用，都會把人類支配和改造然的能力提高到一個新水平。的能力提高到一個新水平。給社會生產力和人類生活水平帶來巨大的變化，給社會生產力和人類生活水平帶來巨大的變化，把人類的物質文明和精神文明向前

2、推進一步把人類的物質文明和精神文明向前推進一步。一百萬年以前一百萬年以前，人類開始用石頭做工具，人類開始用石頭做工具，進入進入舊石器時代舊石器時代。大約一萬年以前大約一萬年以前，人類開始對石頭進行人類開始對石頭進行加工制成精致的器皿或工具，人類進入加工制成精致的器皿或工具，人類進入新新石器時代石器時代。石器時代人類石器時代人類開始用皮毛遮身開始用皮毛遮身8000年年前中國前中國開始用蠶絲做衣服開始用蠶絲做衣服4500年年前印度人前印度人開始種植棉花開始種植棉花標志著人類使用材料標志著人類使用材料促進文明進步促進文明進步公元前公元前2700年，中國已經使用青銅器，至今約年，中國已經使用青銅器，至

3、今約5000年的歷史，到商周年的歷史，到商周(公元前公元前17世紀到公元前世紀到公元前3世紀世紀)進入了鼎盛時期，如河南安陽出土的達進入了鼎盛時期，如河南安陽出土的達875kg的鼎、的鼎、湖北隋縣的編鐘、西安青銅車馬都充分反映了當時中國冶金技術水平和制造湖北隋縣的編鐘、西安青銅車馬都充分反映了當時中國冶金技術水平和制造工藝的高超。工藝的高超。陶器的出現是對精神文明的一陶器的出現是對精神文明的一大促進，歷史上雖無陶器時代大促進，歷史上雖無陶器時代的名稱，但其對的名稱，但其對人類文明的人類文明的貢獻是不可估量的貢獻是不可估量的。燒制陶器過程中偶然發現燒制陶器過程中偶然發現金屬銅和錫金屬銅和錫，進，

4、進而又生產出色澤鮮艷、又能澆鑄成型的青而又生產出色澤鮮艷、又能澆鑄成型的青銅器，從而使人類進入青銅時代。銅器，從而使人類進入青銅時代。當然那時還不明白這是銅、當然那時還不明白這是銅、錫的氧化物在高溫下被炭還錫的氧化物在高溫下被炭還原的產物原的產物大約在大約在80009000年年前，人類還前，人類還處于新石器時代處于新石器時代，已發明了用粘土成型，再火燒固化而成為粘土成型，再火燒固化而成為陶器陶器。希臘在公元前希臘在公元前3000年年前，埃及在公元前前，埃及在公元前2500年年前，巴比侖在公元前前，巴比侖在公元前19世紀中世紀中葉，印度大約在公元前葉，印度大約在公元前3000年年已廣泛使用青銅器

5、。已廣泛使用青銅器。公元前公元前1314世紀前，人類已開始用鐵，世紀前，人類已開始用鐵，3000年前鐵工具比青銅工具更為普年前鐵工具比青銅工具更為普遍，人類開始進入了遍，人類開始進入了鐵器時代鐵器時代。中國最早出土的人工冶鐵制品約在公元前中國最早出土的人工冶鐵制品約在公元前9世紀。到春秋世紀。到春秋(公元前公元前770476年年)末期，生鐵技術有較大突破，遙遙領先于世界其他地區，如用生鐵退火而末期，生鐵技術有較大突破，遙遙領先于世界其他地區，如用生鐵退火而制成韌性鑄鐵及以生鐵煉鋼技術的發明，促進了中國生產力的大發展，對制成韌性鑄鐵及以生鐵煉鋼技術的發明，促進了中國生產力的大發展，對戰國和秦漢農

6、業、水利和軍事的發展起到很大作用。戰國和秦漢農業、水利和軍事的發展起到很大作用。早在公元二世紀中早在公元二世紀中國的鋼和絲綢已馳名羅馬帝國國的鋼和絲綢已馳名羅馬帝國。生鐵技術在公元前生鐵技術在公元前5世紀即春秋末葉已經在黃河長江流域傳播。世紀即春秋末葉已經在黃河長江流域傳播。生鐵技術于公元生鐵技術于公元67世紀傳人朝鮮半島、日本和北歐，推動了整個世界文明世紀傳人朝鮮半島、日本和北歐，推動了整個世界文明的進步。的進步。18世紀世紀發明了蒸汽機，發明了蒸汽機，19世紀世紀發明了電動機，對金屬材料提出了更高要求，發明了電動機，對金屬材料提出了更高要求，同時對鋼鐵冶金技術產生了更大的推動作用。同時對鋼

7、鐵冶金技術產生了更大的推動作用。1854年年和和1864年年先后發明了先后發明了轉爐和平爐轉爐和平爐煉鋼，使世界鋼產量有一個飛速發展。煉鋼，使世界鋼產量有一個飛速發展。1850年年世界鋼產量世界鋼產量為為6萬噸，萬噸，1890年年達達2800萬噸，大大促進了機械制造、鐵道交通及紡織工業萬噸，大大促進了機械制造、鐵道交通及紡織工業的發展的發展。電爐冶煉電爐冶煉開始，不同類型的特殊鋼相繼問世開始，不同類型的特殊鋼相繼問世1887年年高錳鋼高錳鋼1900年年18-4-1(W18Cr4V)高速鋼高速鋼1903年年硅鋼及硅鋼及1910年年奧氏體鎳鉻奧氏體鎳鉻(Crl8Ni8)不銹鋼，把人類帶進不銹鋼，把

8、人類帶進了現代物質文明。了現代物質文明。銅、鋁得到大量應用，鎂、鈦和很多稀有金屬也相繼出現，銅、鋁得到大量應用，鎂、鈦和很多稀有金屬也相繼出現，金屬材料在整個金屬材料在整個20世紀占據了結構材料的主導地位世紀占據了結構材料的主導地位。有機化學的發展，有機化學的發展，19世紀末葉世紀末葉西方科學家仿制中國絲綢發明了人造絲，這西方科學家仿制中國絲綢發明了人造絲，這是人類改造自然材料的又一里程碑。是人類改造自然材料的又一里程碑。20世紀初世紀初，人工合成有機高分子材料相繼問世。，人工合成有機高分子材料相繼問世。1909年年的酚醛樹脂的酚醛樹脂(電木電木)，1920年年的聚苯乙烯，的聚苯乙烯，1931

9、年年的聚氯乙烯的聚氯乙烯1941年年的尼龍等，的尼龍等，性能優異，資源豐富、建設投資少、收效快而得到迅速發展。目前世界三性能優異，資源豐富、建設投資少、收效快而得到迅速發展。目前世界三大有機合成材料大有機合成材料(樹脂、纖維和橡膠樹脂、纖維和橡膠)年產量逾億噸。而且有機材料的性能不年產量逾億噸。而且有機材料的性能不斷提高，附加值大幅度增加，特別是特種聚合物正向功能材料各個領域進斷提高，附加值大幅度增加，特別是特種聚合物正向功能材料各個領域進軍，顯示其巨大的潛力。軍，顯示其巨大的潛力。陶瓷陶瓷本來用作建筑材料、容器或裝飾品等。本來用作建筑材料、容器或裝飾品等。由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬

10、度、耐腐蝕、膨脹系數小、耐高溫、耐由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蝕、膨脹系數小、耐高溫、耐磨等特點，到了磨等特點，到了20世紀中葉，通過合成及其他制備方法，做出各種類型的先進陶世紀中葉，通過合成及其他制備方法，做出各種類型的先進陶瓷瓷(如如Si3N4、SiC、ZrO2等等)，成為近幾十年來材料中非常活躍的研究領域，有人甚，成為近幾十年來材料中非常活躍的研究領域，有人甚至認為至認為“新陶器時代新陶器時代即將到來。即將到來。由于其脆性問題難以解決，且價格過高，作為結構材料沒有得到如鋼鐵或高分子由于其脆性問題難以解決，且價格過高，作為結構材料沒有得到如鋼鐵或高分子材料一樣的廣泛應用。材

11、料一樣的廣泛應用。復合材料復合材料是是20世紀后期發展的另一類材料。天然材料很多是復合材料，如木材、世紀后期發展的另一類材料。天然材料很多是復合材料，如木材、皮革、竹子等。人類很早就制造復合材料，如泥巴中混入碎麻或麥稈用以建造房皮革、竹子等。人類很早就制造復合材料，如泥巴中混入碎麻或麥稈用以建造房屋，鋼筋水泥是脆性材料和韌性材料的復合。屋，鋼筋水泥是脆性材料和韌性材料的復合。近幾十年來，利用樹脂的易成型和金屬韌性好，無機非金屬的高模量、高強度、近幾十年來，利用樹脂的易成型和金屬韌性好，無機非金屬的高模量、高強度、耐高溫，做成了樹脂基復合材料或金屬基復合材料，前者已得到廣泛應用，后者耐高溫，做成

12、了樹脂基復合材料或金屬基復合材料，前者已得到廣泛應用，后者以其制作困難、價格高而受到一定限制。為了改善陶瓷的性能，也制成陶瓷基復以其制作困難、價格高而受到一定限制。為了改善陶瓷的性能，也制成陶瓷基復合材料。合材料。碳碳是使用溫度最高的材料是使用溫度最高的材料(可達可達2500 ), 為了克服熱震性能差，并提高其力學性能為了克服熱震性能差，并提高其力學性能而制出的碳而制出的碳碳復合材料已廣泛用于軍工，并擴展到民用。碳復合材料已廣泛用于軍工，并擴展到民用。自自19世紀中葉世紀中葉，現代煉鋼技術出現以后，金屬材料的重要性急劇增加，一直到，現代煉鋼技術出現以后，金屬材料的重要性急劇增加，一直到20世紀

13、中葉，人工合成有機材料、陶瓷材料及先進復合材料迅速發展，金屬材料的世紀中葉，人工合成有機材料、陶瓷材料及先進復合材料迅速發展，金屬材料的重要性逐漸下降，但一直到重要性逐漸下降，但一直到21世紀上半葉世紀上半葉，金屬材料仍將占重要位置。，金屬材料仍將占重要位置。功能材料功能材料自古就受到重視，早在戰國自古就受到重視，早在戰國(公元前公元前3世紀世紀)已利用天然磁鐵礦來制造司南，已利用天然磁鐵礦來制造司南，到宋代用鋼針磁化制出了羅盤，為航海的發展提供了關鍵技術。到宋代用鋼針磁化制出了羅盤，為航海的發展提供了關鍵技術。功能材料功能材料是信息技術及自動化的基礎，特別是半導體材料出現以后，加速了現代是信

14、息技術及自動化的基礎，特別是半導體材料出現以后，加速了現代文明的發展，文明的發展，1947年年發明了第一只具有放大作用的晶體管，發明了第一只具有放大作用的晶體管，10余年后又研制成功余年后又研制成功集成電路，使以硅材料為主體的計算機的功能不斷提高，體積不斷縮小，價格不集成電路，使以硅材料為主體的計算機的功能不斷提高，體積不斷縮小，價格不斷下降，加之高性能的磁性材料不斷涌現，激光材料與光導纖維的問世，使人類斷下降，加之高性能的磁性材料不斷涌現，激光材料與光導纖維的問世，使人類社會進入了信息時代。因為硅是微電子技術的關鍵材料，所以有人稱之為社會進入了信息時代。因為硅是微電子技術的關鍵材料，所以有人

15、稱之為“硅硅片為代表的電子材料時代片為代表的電子材料時代”，再一次說明材料對人類文明起了關鍵再一次說明材料對人類文明起了關鍵的作用的作用。“材料材料”是早已存在的名詞，但是早已存在的名詞，但“材料科學材料科學”的提出只是的提出只是20世紀世紀60年年代代初的事。初的事。1957年年前蘇聯人造衛星首先上天，美國朝野上下為之震驚，前蘇聯人造衛星首先上天，美國朝野上下為之震驚，認為自己落后的主要原因之一是先進材料落后，于是在一些大學相繼認為自己落后的主要原因之一是先進材料落后，于是在一些大學相繼成立了十余個材料研究中心。成立了十余個材料研究中心。 1.2 材料科學的形成與內涵材料科學的形成與內涵采用

16、采用先進的科學理論與實驗方法對材料進行先進的科學理論與實驗方法對材料進行深入的研究深入的研究，取得重要成果。從此，取得重要成果。從此，“材料科學材料科學”這個這個名詞便開始流行。名詞便開始流行。“材料科學材料科學”的形成實際是科學技術發展的結果的形成實際是科學技術發展的結果。材料科學所包括的內容往往被理解為研究材料科學所包括的內容往往被理解為研究材料的組織、結構與性材料的組織、結構與性質的關系，探索自然規律質的關系，探索自然規律。這屬于基礎研究這屬于基礎研究。材料是面向實際、為經濟建設服務的，是一門應用科學，研究與發展材料材料是面向實際、為經濟建設服務的，是一門應用科學，研究與發展材料的目的在

17、于應用，而材料又必須通過合理的工藝流程才能制備出具有實用的目的在于應用，而材料又必須通過合理的工藝流程才能制備出具有實用價值的材料來，通過批量生產才能成為工程材料價值的材料來，通過批量生產才能成為工程材料。在在“材料科學材料科學”這個名詞出現后不久，就提出了這個名詞出現后不久，就提出了 “材料科學與工材料科學與工程程”。工程是指研究材料在制備過程中的工藝和工程技術問題工程是指研究材料在制備過程中的工藝和工程技術問題。許多大學的冶金系、材料系也就此改變了名稱，多數改為許多大學的冶金系、材料系也就此改變了名稱，多數改為“材料科學與工材料科學與工程系程系”，偏重基礎方面的就稱偏重基礎方面的就稱“材料

18、科學系材料科學系”，偏重工，偏重工藝方面的稱藝方面的稱“材料工程系材料工程系”。也有不肯放棄也有不肯放棄“冶金冶金”而稱為而稱為“冶金與材料科學系冶金與材料科學系”的，如英國的劍橋大學。同時，有關材料科學或材的，如英國的劍橋大學。同時，有關材料科學或材料科學與工程方面的雜志和書籍也應運而生。料科學與工程方面的雜志和書籍也應運而生。第一部第一部材料科學與工程百科全書材料科學與工程百科全書由美國麻省理工學院的科學家主編，由美國麻省理工學院的科學家主編，由英國由英國Pergamon自自1986年陸續出版。它對材料科學與工程下的定義為：年陸續出版。它對材料科學與工程下的定義為：材料科學與工程就是研究有

19、關材料組成、有關材料組成、結構、制備工藝流程與材料性能和用途結構、制備工藝流程與材料性能和用途的關系的知識的產生及其運用的關系的知識的產生及其運用。換言之，材料科學與工程是研究材料組成、結構、材料組成、結構、生產過程、材料性能與使用效能以及它生產過程、材料性能與使用效能以及它們之間的關系們之間的關系。組成與結構組成與結構(composition-structure)、合成與生產過程合成與生產過程(synthesis-processing)、性質性質(properties)及使用效能及使用效能(performance)稱之為材料科學與工程的四個基本要素稱之為材料科學與工程的四個基本要素(basi

20、celements)。把四要素連結在一起，便。把四要素連結在一起，便形成一個四面體形成一個四面體(tetrahedron)。考慮在四要素中的考慮在四要素中的組成結構組成結構并非同義詞，即相同成分或組成并非同義詞，即相同成分或組成通過不同的合成或加工方法，可以得出不同結構，從而材料的通過不同的合成或加工方法，可以得出不同結構，從而材料的性質或使用效能都不會相同。性質或使用效能都不會相同。我國有人提出一個五個基本要素的模型，我國有人提出一個五個基本要素的模型，即即成分成分(composition)、合成合成/加工加工(synthesis/processing)結構結構(structure)性質性質

21、(properties)使用效能使用效能(performance)。如果把它們連接起來，則形成一個六面如果把它們連接起來，則形成一個六面體體 (hexahedron)。材料科學與工程五要素模型的特點主要有兩個：材料科學與工程五要素模型的特點主要有兩個：一是一是性質與使用效能有一個特殊的聯性質與使用效能有一個特殊的聯系，材料的使用效能便是材料性質在系，材料的使用效能便是材料性質在使用條件下的表現使用條件下的表現。環境對材料性能的影響很大，如受力環境對材料性能的影響很大，如受力狀態、氣氛、介質與溫度等。狀態、氣氛、介質與溫度等。有些材料在一般環境下的性能很好，有些材料在一般環境下的性能很好，而在腐

22、蝕介質下性能卻下降顯著；而在腐蝕介質下性能卻下降顯著；有的材料在光滑樣品時表現很好，而有的材料在光滑樣品時表現很好，而在有缺口的情況下性能大為下降，特在有缺口的情況下性能大為下降，特別有些高強度材料表現尤為突出，但別有些高強度材料表現尤為突出，但凡有一個劃痕，就會造成災害性破壞。凡有一個劃痕，就會造成災害性破壞。因此，環境因素的引入對工程材料來因此，環境因素的引入對工程材料來說十分重要。說十分重要。二是二是材料理論和材料設計或材料理論和材料設計或工藝設計有了一個適當位置，工藝設計有了一個適當位置，它處在六面體的中心。它處在六面體的中心。因為五個要素中的每一個要素，或因為五個要素中的每一個要素，

23、或幾個相關要素都有其理論，根據理幾個相關要素都有其理論，根據理論建立模型論建立模型(modelling)，通過模型，通過模型可以進行材料設計或工藝設計，以可以進行材料設計或工藝設計，以達到提高性能及使用效能、節約資達到提高性能及使用效能、節約資源、減少污染或降低成本的最佳狀源、減少污染或降低成本的最佳狀態。這是材料科學與工程最終努力態。這是材料科學與工程最終努力的目標。的目標。人們設想提出性能指標或使用效能人們設想提出性能指標或使用效能要求，可以通過材料配方，采用最要求，可以通過材料配方，采用最佳工藝，就可制備出符合要求的材佳工藝，就可制備出符合要求的材料或器件。料或器件。一是：一是：多學科交

24、叉。多學科交叉。是物理學、化學、冶金學、金屬學、是物理學、化學、冶金學、金屬學、陶瓷、高分子化學及計算科學相互陶瓷、高分子化學及計算科學相互融合與交叉的結果，如生物醫用材融合與交叉的結果，如生物醫用材料要涉及醫學、生物學及現代分子料要涉及醫學、生物學及現代分子生物學等學科。生物學等學科。二是：二是：與實際使用結合非常密與實際使用結合非常密切的科學。切的科學。發展材料科學的目的在于開發發展材料科學的目的在于開發新材料，提高材料的性能和質新材料，提高材料的性能和質量，合理使用材料，同時降低量，合理使用材料，同時降低材料成本和減少污染。材料成本和減少污染。材料科學有三個重要屬性：材料科學有三個重要屬

25、性：三是：三是：材料科學是一個正在發展中材料科學是一個正在發展中的科學。的科學。不像物理學、化學已經有一個很成不像物理學、化學已經有一個很成熟的體系，材料科學將隨各有關學熟的體系，材料科學將隨各有關學科的發展而得到充實和完善科的發展而得到充實和完善。1.3 先進材料是社會現代化的先導從電子技術的發展可以看出材從電子技術的發展可以看出材料所起的作用。料所起的作用。1906年發明了電子管，從而出年發明了電子管，從而出現了無線電技術、電視機、電現了無線電技術、電視機、電子計算機。子計算機。1948年發明了半導體晶體管，年發明了半導體晶體管，致使電子設備的小型化、輕量致使電子設備的小型化、輕量化、節能

26、化及成本的降低、可化、節能化及成本的降低、可靠性的提高與壽命的延長。靠性的提高與壽命的延長。1958年出現了集成電路，使計年出現了集成電路，使計算機及各種電工設備發生再一算機及各種電工設備發生再一次飛躍。次飛躍。1946年電子管計算機與年電子管計算機與1976年微機年微機的一些指標來對比，由于采用集成的一些指標來對比，由于采用集成電路，使計算機體積縮小了電路，使計算機體積縮小了30萬倍，萬倍，功耗降低了功耗降低了5萬多倍，重量降低了萬多倍，重量降低了6萬倍，平均故障率也大為減少，而萬倍，平均故障率也大為減少，而且價格大幅度下降。這樣為計算機且價格大幅度下降。這樣為計算機的普及創造了條件。的普及

27、創造了條件。芯片集成度不斷提高，單元體積和芯片集成度不斷提高，單元體積和價格不斷下降，價格不斷下降，19581998的的40年年間，芯片集成度提高了一百萬倍，間，芯片集成度提高了一百萬倍，每單元價格下降到一百萬分之一，每單元價格下降到一百萬分之一，因為單元價格與特征尺寸的平方成因為單元價格與特征尺寸的平方成正比，與晶片直徑的平方成反比。正比，與晶片直徑的平方成反比。材料既是人類社會進步的里程碑，又是社會現代化的物質基礎與先導。特別材料既是人類社會進步的里程碑，又是社會現代化的物質基礎與先導。特別是先進材料的研究、開發與應用反映著一個國家科學技術與工業水平。是先進材料的研究、開發與應用反映著一個

28、國家科學技術與工業水平。航空航天技術的進步航空航天技術的進步21世紀全球經濟的一體化，一靠信息世紀全球經濟的一體化，一靠信息網絡的大發展，形成全球性的電子商網絡的大發展，形成全球性的電子商業；二是運輸工具的高效、遠程、大業；二是運輸工具的高效、遠程、大容量。容量。前者是電子及光電技術發展的結果，后者前者是電子及光電技術發展的結果，后者是航空技術與水上、地面運輸工具不斷改是航空技術與水上、地面運輸工具不斷改進的結果，都與材料有著密切聯系。進的結果，都與材料有著密切聯系。以飛機而論，由于戰爭的需要，以飛機而論，由于戰爭的需要，20世紀世紀40年代年代出現了噴氣技術，這種技術的實現是出現了噴氣技術，

29、這種技術的實現是以以高溫材料及高性能結構材料高溫材料及高性能結構材料為為依托的依托的。高溫合金的發展，使渦輪溫度不斷提高；高溫合金的發展，使渦輪溫度不斷提高；高比強度、高比剛度結構材料的不斷進步，高比強度、高比剛度結構材料的不斷進步，使今天大型客機的安全性及有效載荷大為使今天大型客機的安全性及有效載荷大為提高，續航時間不斷延長，飛機發動機壽提高，續航時間不斷延長，飛機發動機壽命顯著延長，油耗不斷下降。命顯著延長，油耗不斷下降。有人對殲擊機的發展有一個估計，有人對殲擊機的發展有一個估計，飛機性能的改善有飛機性能的改善有2/3依靠于材料，依靠于材料，航空發動機性能的提高在很大程度航空發動機性能的提

30、高在很大程度上也有賴于材料的改進。由此說明上也有賴于材料的改進。由此說明材料對飛機的重要性。材料對飛機的重要性。地面運輸工具如汽車和火車，水上地面運輸工具如汽車和火車，水上運輸工具如輪船的發展莫不與材料運輸工具如輪船的發展莫不與材料有密切關系。有密切關系。航天與衛星是科學技術現代化的重航天與衛星是科學技術現代化的重要標志之一。對材料的要求除了高要標志之一。對材料的要求除了高比強度和高比剛度之外，還需要耐比強度和高比剛度之外，還需要耐超高溫、抗輻射、耐粒子云以及原超高溫、抗輻射、耐粒子云以及原子氧侵蝕等的材料，對比強度和比子氧侵蝕等的材料，對比強度和比剛度的要求更為苛刻，因為航天飛剛度的要求更為

31、苛刻，因為航天飛行器每減重行器每減重1kg，可使運載火箭減，可使運載火箭減輕幾百千克。輕幾百千克。 1.4 傳統材料在國民經濟中的地位與可持續發展傳統材料在國民經濟中的地位與可持續發展談到傳統材料往往和談到傳統材料往往和“夕陽工業夕陽工業”聯系在一起。聯系在一起。實際上傳統材料與國民經濟支柱產實際上傳統材料與國民經濟支柱產業是密不可分的。業是密不可分的。 傳統材料量大面廣傳統材料量大面廣。傳統材傳統材料只要有一點改進，收益就十分可料只要有一點改進，收益就十分可觀。觀。據估計，美國道路與橋梁的使用壽據估計，美國道路與橋梁的使用壽命增加命增加1，其收益可達，其收益可達300億美元。億美元。世界易拉

32、罐每年消耗量以世界易拉罐每年消耗量以600億計，億計，其造價每個省其造價每個省1分，則有分，則有6億元的收億元的收益。益。 傳統材料是礦產資源消耗大戶傳統材料是礦產資源消耗大戶。根據專家估計，全世界鐵礦資源最多能根據專家估計，全世界鐵礦資源最多能維持維持200300年，鋁礦近百年，而銅、年，鋁礦近百年，而銅、鉛、鋅礦只能夠幾十年。因此，除了提鉛、鋅礦只能夠幾十年。因此，除了提高礦產的收得率外，要開拓新的礦源，高礦產的收得率外，要開拓新的礦源，探索某些關鍵材料的代用品探索某些關鍵材料的代用品。傳統材料在制備過程中污染嚴重傳統材料在制備過程中污染嚴重。根據美國統計，含毒污水的排放，近根據美國統計，

33、含毒污水的排放，近80來自化工、鋼鐵與有色金屬冶煉，因來自化工、鋼鐵與有色金屬冶煉，因而有機材料和金屬是重要污染源。水泥而有機材料和金屬是重要污染源。水泥生產除了高能耗外，也是一個重要污染生產除了高能耗外，也是一個重要污染源。源。1997年我國生產水泥年我國生產水泥5億噸，占世界產億噸，占世界產量近量近40，產生，產生CO2 近近4億噸，億噸，SO249萬萬噸，噸，NO100萬噸，粉塵萬噸，粉塵1100多萬噸。廢多萬噸。廢氣加劇了溫室效應，促進了酸雨。氣加劇了溫室效應，促進了酸雨。1.5 材料科學技術發展的重點材料科學技術發展的重點1. 材料制備工藝與技術的開發材料制備工藝與技術的開發任何一種

34、新材料從發現到應用于實際，任何一種新材料從發現到應用于實際，必須經過適宜的制備工藝才能成為工程必須經過適宜的制備工藝才能成為工程材料。材料。高溫超導自高溫超導自1986年年發現以后到發現以后到20世紀末，世紀末，已有已有15年的歷史，但仍不能普遍應用于年的歷史，但仍不能普遍應用于電力，主要是因為沒有找到價廉而穩定電力，主要是因為沒有找到價廉而穩定的生產線材的工藝。的生產線材的工藝。C60也是如此，盡管在發現之初認為它的也是如此，盡管在發現之初認為它的用途十分廣泛，但到用途十分廣泛，但到20世紀末世紀末仍處于科仍處于科研階段。研階段。傳統材料也需要不斷改進生產工藝或流傳統材料也需要不斷改進生產工

35、藝或流程，以提高產品質量、降低成本和減少程，以提高產品質量、降低成本和減少污染，從而提高競爭能力污染，從而提高競爭能力。材料制備工藝的重點：材料制備工藝的重點：一是工藝流程的智能一是工藝流程的智能化；化；二是實現原子或分子二是實現原子或分子加工，使材料或器件加工，使材料或器件依照人們的意志達到依照人們的意志達到微型化、多功能化和微型化、多功能化和智能化。智能化。2. 材料的應用研究與開發材料的應用研究與開發材料的廣泛應用是材料科學技術發展材料的廣泛應用是材料科學技術發展的主要動力，實驗研究出來的具有優的主要動力，實驗研究出來的具有優異性能的材料不等于具有實用價值，異性能的材料不等于具有實用價值

36、，必須通過大量應用研究，才能發揮其必須通過大量應用研究，才能發揮其應有的作用。應有的作用。材料的應用要考慮以下幾個因素：材料的應用要考慮以下幾個因素：一是材料的使用性能一是材料的使用性能(performance)；二是使用壽命二是使用壽命(durability)及可靠性及可靠性(reliability)；三是環境適應性三是環境適應性(environmental compliance)，包括生產過程與使用期，包括生產過程與使用期間；間；四是價格四是價格(cost)。材料是否有競爭能力，除了質材料是否有競爭能力，除了質量和質量穩定性以外，還有材量和質量穩定性以外，還有材料的生產成本和價格。價格的料

37、的生產成本和價格。價格的影響因素很多，其中產量是決影響因素很多，其中產量是決定因素之一。定因素之一。材料應用研究又是機械部件與材料應用研究又是機械部件與電子元件失效分析的基礎。失電子元件失效分析的基礎。失效分析的準確性與時效性代表效分析的準確性與時效性代表一個國家的科學技術水平，因一個國家的科學技術水平，因而通過材料的應用研究來培養而通過材料的應用研究來培養一批既有實踐經驗又有理論基一批既有實踐經驗又有理論基礎的工程技術人才是一個重要礎的工程技術人才是一個重要途徑。途徑。3. 開發先進材料，發展高技術產業開發先進材料，發展高技術產業(1) 信息功能材料將得到更高的重視信息功能材料將得到更高的重

38、視 人類已進入信息時代，為了實現裝置的小型化、低功耗、多功能化和智能化，信人類已進入信息時代，為了實現裝置的小型化、低功耗、多功能化和智能化，信息功能材料將受到更高的重視。所謂信息功能材料，就是指信息的產生、獲取、息功能材料將受到更高的重視。所謂信息功能材料，就是指信息的產生、獲取、存儲、傳輸、轉換、處理、顯示所需材料。主要用于計算機、通訊和控制，成為存儲、傳輸、轉換、處理、顯示所需材料。主要用于計算機、通訊和控制，成為3C(Computer，Communication及及Control)所需材料。其特點是要求高，發展快，所需材料。其特點是要求高，發展快，種類繁多。總的來說，信息技術種類繁多。

39、總的來說，信息技術(IT，Information Technology)以集成電路為基礎以集成電路為基礎(細胞細胞)，計算機為中樞，計算機為中樞(大腦大腦)，網絡為媒介，網絡為媒介(神經神經)。(2) 先進結構材料的研究與開發是永恒的主題先進結構材料的研究與開發是永恒的主題 結構材料一般數量大，資源與能源消耗高，污染嚴重，對可持續發展有決定性作結構材料一般數量大，資源與能源消耗高，污染嚴重，對可持續發展有決定性作用。結構材料性能的提高，無疑會減緩上述壓力，因性能的提高，使用壽命的延用。結構材料性能的提高，無疑會減緩上述壓力，因性能的提高，使用壽命的延長。長。(3) 能源材料的開發有廣闊的前景能

40、源材料的開發有廣闊的前景 能源的利用是人類進步的標志之一。能源的利用是人類進步的標志之一。目前化石燃料一是儲量有限，二是目前化石燃料一是儲量有限，二是污染嚴重，必須大力開發無污染、污染嚴重，必須大力開發無污染、可再生能源。可再生能源。太陽能雖然密度低，又受氣候影響，太陽能雖然密度低，又受氣候影響，但輻射于地表的能量，一萬倍于人但輻射于地表的能量，一萬倍于人類開發的能源。因此，開發光類開發的能源。因此，開發光電電轉換效率高而又價廉長壽命的材料轉換效率高而又價廉長壽命的材料是當務之急。是當務之急。(4) 有機高分子材料將有更大發展有機高分子材料將有更大發展 有機高分子材料以其可再生，資源豐富，有機

41、高分子材料以其可再生，資源豐富，又有優異性能，特別可實現分子設計，又有優異性能，特別可實現分子設計，將會更大發展。將會更大發展。高分子聚合物不但是重要的結構材料，高分子聚合物不但是重要的結構材料，而且正在發展成為重要的功能材料，從而且正在發展成為重要的功能材料，從半導體半導體到到超導體超導體都有發展前途，作為都有發展前途，作為電電導體導體，其電導率可與銅相比，其電導率可與銅相比，高分子光高分子光學材料學材料種類繁多，正在研究開發。種類繁多，正在研究開發。高分子材料也具有鐵磁性，這些都是高分子材料也具有鐵磁性，這些都是21世紀要開展研究與開發的重要領域。但世紀要開展研究與開發的重要領域。但是高分

42、子的某些缺點也是必須下大力氣是高分子的某些缺點也是必須下大力氣才能得到解決的，如穩定性、抗老化性才能得到解決的，如穩定性、抗老化性及阻燃性。及阻燃性。(5) 生物材料將受到更大的重視生物材料將受到更大的重視 生物技術生物技術：的發展及人類壽命的延長與生活質量的提高，生物醫用材料：的發展及人類壽命的延長與生活質量的提高，生物醫用材料已成為人們非常關注的領域，器官更換、藥物緩釋及組織工程的發展將已成為人們非常關注的領域，器官更換、藥物緩釋及組織工程的發展將逐步深入。逐步深入。生物模擬生物模擬：是另一正在興起的學科，使材料的功能進一步提高，并能達：是另一正在興起的學科，使材料的功能進一步提高，并能達

43、到自恢復、自修復或智能化。生物材料的更長遠目標是使生物技術原理到自恢復、自修復或智能化。生物材料的更長遠目標是使生物技術原理用于工業化生產，改變高溫、高壓及耗能高的生產方式，催化劑已邁出用于工業化生產，改變高溫、高壓及耗能高的生產方式，催化劑已邁出第一步。第一步。光合作用光合作用：使水和：使水和CO2合成碳水化合物，人類正在尋求利用生物技術，合成碳水化合物，人類正在尋求利用生物技術，通過像催化劑的效應一樣以工廠方式合成糧食，如此除了可以解決世界通過像催化劑的效應一樣以工廠方式合成糧食，如此除了可以解決世界糧食問題，糧食問題， CO2過剩問題也可得到解決。當然，這是很長的歷史過程過剩問題也可得到

44、解決。當然，這是很長的歷史過程。(6) 納米材料及制備技術的研究與開發迫在眉睫納米材料及制備技術的研究與開發迫在眉睫 納米技術可大幅度提高結構材料的強度，改善其脆性。對功能材料來說，納米技術可大幅度提高結構材料的強度，改善其脆性。對功能材料來說，應用方面更廣，高效率的催化作用，以及多變的光學性質、電學性質、應用方面更廣，高效率的催化作用，以及多變的光學性質、電學性質、磁學性質和熱學性質等，將使目前的功能材料性能明顯提高。磁學性質和熱學性質等，將使目前的功能材料性能明顯提高。這些改變將影響到工業和國防的各個方面，所以有人認為納米技術將如這些改變將影響到工業和國防的各個方面，所以有人認為納米技術將

45、如信息技術或生物技術一樣，將導致下一代工業革命。應該指出，納米科信息技術或生物技術一樣，將導致下一代工業革命。應該指出，納米科學技術仍處于基礎研究階段，特別是納米電子學、納米醫學所需材料，學技術仍處于基礎研究階段，特別是納米電子學、納米醫學所需材料，尚處于探索階段，但是納米技術用于結構材料的改性及用作某些功能材尚處于探索階段，但是納米技術用于結構材料的改性及用作某些功能材料已顯示出明顯的優越性，有些已進人產業化。料已顯示出明顯的優越性，有些已進人產業化。4. 材料設計材料設計材料通過設計而得到所需要的性能是材料科學技術工作者的材料通過設計而得到所需要的性能是材料科學技術工作者的奮斗目標。奮斗目

46、標。材料設計可以分為幾個層次材料設計可以分為幾個層次:最基礎的是最基礎的是量子設計量子設計(quantumdesign)，這是由于電子運動而引起的多種，這是由于電子運動而引起的多種現象，如光學，這是功能材料的基礎。現象，如光學，這是功能材料的基礎。其次為其次為原子設計原子設計(atomicdesign)，這是納米技術的基礎。原子排列是決定，這是納米技術的基礎。原子排列是決定材料力學性質與化學性質的基礎，原子操縱可能是下一代芯片的一種技材料力學性質與化學性質的基礎，原子操縱可能是下一代芯片的一種技術。術。第三個層次是第三個層次是微觀設計微觀設計(microdesign)，即微米級結構的設計，金屬

47、的相，即微米級結構的設計，金屬的相變、晶界的控制都屬于這一范疇。變、晶界的控制都屬于這一范疇。第四個層次是第四個層次是宏觀設計宏觀設計(macro-design)，以毫米到厘米為對象，像金屬在，以毫米到厘米為對象，像金屬在凝固過程的結構與偏析便屬于此。凝固過程的結構與偏析便屬于此。5. 科學儀器與檢測裝置科學儀器與檢測裝置科學技術的發展很大程度上依科學技術的發展很大程度上依賴于新科學儀器的不斷發明和賴于新科學儀器的不斷發明和性能的不斷提高，以物理學諾性能的不斷提高，以物理學諾貝爾獎金獲得者為例，大約有貝爾獎金獲得者為例，大約有半數得益于新儀器的發明或新半數得益于新儀器的發明或新測試手段的采用。

48、測試手段的采用。工業產品質量的改進往往取決工業產品質量的改進往往取決于檢測裝置精度的提高。所以于檢測裝置精度的提高。所以工業發達國家對科學儀器與檢工業發達國家對科學儀器與檢測裝置的開發與制造都給以足測裝置的開發與制造都給以足夠的重視。夠的重視。檢測是控制工藝流程及產品質量的檢測是控制工藝流程及產品質量的主要手段，如無損檢測裝置不但可主要手段，如無損檢測裝置不但可以檢查宏觀缺陷，也可監控裂紋的以檢查宏觀缺陷，也可監控裂紋的萌生與擴展，提高無損檢測裝置的萌生與擴展，提高無損檢測裝置的精度十分重要，如先進陶瓷的臨界精度十分重要，如先進陶瓷的臨界裂紋，只有幾十微米，沒有精密的裂紋，只有幾十微米，沒有精密的無損探傷儀，陶瓷的質量控制便談無損探傷儀，陶瓷的質量控制便談不上，當前檢測裝置除了擴大品種，不上，當前檢測裝置除了擴大品種，提高靈敏度和穩定性提高靈敏度和穩定性 以外，主要發以外，主要發展在線、動態以及適應各種惡劣環展在線、動態以及適應各種惡劣環境的檢測裝置。境的檢測裝置。1.6 材料化學的研究內容1. 1. 材料化學的定義材料化學的定義材料化學是研究材料的制備、組成、材料化學是研究材料的制備、組成、結構、性質及其應用的一門科學。又結構、性質及其應用的一門科學。又稱為固體化學。稱為固體化學。既是材料科學的一個重要分支，也是既是材料科學的