材料与人类文明

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1、材料与人类文明摘要：材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会 发展的动力。材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。没有材料科学的发 展，就不会有人类社会的进步和经济的繁荣。关键词：新材料 材料科学 发展方向 材料举例 一、材料在人类社会发展进程中的作用 所谓材料，是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于 一定用途的物质。在实践中，人们按用途把材料分成结构材料和功能材料 。结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。功能材料则主要 利用其声、光、电、磁、热等性能。按化学成分分类，则可把材料分为金属材 料、有机高分子材料、无

2、机非金属材料及复合材料等。 某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革。人们把 人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过 简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对石器加工制作水平的提高 ，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们称之为新石器时代。青铜时代大约源 于 4000-5000 年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬 度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时 代则被认为是始于 2000 多年前，春秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种 兵器，得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥

3、等材料的出现和 广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体 硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济 社会。 基于材料对社会发展的作用，人们已提出信息。能源和材料并列为现代文 明和生活的三大支柱。在三大支柱中，材料又是能源和信息的基础。 二、新材料在高技术中的作用 新材料既是当代高新技术的重要组成部分，又是发展高新技术的重要支柱 和突破口。正是因为有了高强度的合金，新的能源材料及各种非金属材料，才 会有航空和汽车工业；正是因为有了光纤，才会有今天的光纤通讯；正是因为有 了半导体工业化生产，才有今天高速发展计算机技术和信息技术。当今世界各 国

4、在高技术领域的竞争，在很大程度上是新材料水平的较量。 50 年代末，美国政府就制定了全国材料发展规划，7080 年代又进行了 多次的补充和修正，把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精 密陶瓷上。日本在 1980 年开展了为期 10 年、耗资 4 亿美元的新材料发展规划，重点 领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。接着欧洲与前苏联也 制订了类似的规划，竞争的项目也集中在这些领域。某些具有特殊性能的新材料的出现，引 起了今天的高技术突飞猛进的发展。 1982 年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车，引起了世界性轰动。因为它的 出现将使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成

5、为现实。1988 年前 苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功，象征人类在航空领域中启 用了无污染的新能源-液氢。液氢的沸点为253，携储液氢需要高效率的绝热 材料。液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程度。1989 年 3 月，日本的一艘 6500 号潜水调查船下潜到 6500 米的深海区，打破了美国、前苏 联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱使用的正是一种高强度钛合金，观察 窗使用的是一种新型的有机玻璃。有了深海探测技术，人们才可实现对人类资源 开发有不可估量的意义的深海资源的开发。 美国在 1989 年 12 月入侵巴拿马，1991 年 1 月人侵海湾以及此刻正在空袭

6、南联 盟的战争中，使用的 F- ll7 隐身战斗机世人皆知。这种武器之所以能隐身，就是 使用了一种吸波材料和吸波涂层。由此可见，材料的发展已成为战争胜负的一个 方面。 新材料与现代科学技术特别是高技术是互相依存、互相促进的，高技术的 飞速发展对新材料提出了更高的要求。精密测试技术，电子显微技术，高速大 容量计算技术等的发展，为材料科学工作者提供了更有力的研究工具。 三、材料科学与经济发展 由于材料科学的发展水平与高新技术的发展是相互依存的，因此新材料发 展与应用水平直接决定着经济发展的水平。 有人曾作过粗略计算，以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作 1，那 么小轿车为 5，家电为 30，飞

7、机为 200，计算机为1000，集成电路芯片则为 10000 。由此可见，产品中的技术含量越高，收益就越高。真正体现了科学技术是第一 生产力。在从工业社会向知识经济社会的过渡过程中，工业产品结构中传统的 金属材料比重降低了，无机非金属材料、有机合成材料的比重越来越大，产业 结构也从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密集型方向发展。1980 年，美国的电子工业产值已经超过了钢铁和纺织工业，仅次于化工和汽车工业 。新材料新技术的发展使美国经济繁荣不衰，已连续 9 年保持高增长。日本通过 冶炼等技术的改进来大幅度提高传统金属材料性能，如超级钢计划就是要在本 世纪末将钢的性能提高一倍，实质上就是

8、节约了一倍的资源，使得产品更具竞 争力，保持日本经济的持续发展。 总之，以新材料为基础的一批新兴产业正在迅速兴起，并成为许多国家新的 经济增长点。预计到 2000 年，世界新材料市场销售额将达到 4000 亿美元，美国 占市场份额 40，日本占市场份额20。我国也研制出一大批新材料，并在国 民经济建设中得到了广泛的应用，取得了明显的经济效益和社会效益。然而与 发达国家相比，整体水平仍有相当的距离。总理本月访美，在麻省理工 学院发表的演讲中谈到美中贸易逆差这个问题时分析说，中国对美国出口绝大 部分是劳动密集型和低附加值的消费品，或者是资源型消费品。因而表面上美国 出现逆差，实质上是美国受益。为了

9、缩小与发达国家的差距，满足我国社会经 济发展的需求，科技部已把发展高技术新材料纳入“九五”科技攻关计划。“863”计 划和国家重点基础研究发展规划。 四 材料举例太阳能电池材料太阳能是取之不尽的清洁能源。如果人类能以太阳能作为能源，不仅能源危机可以缓解，而且伴随着能源消耗的生态环境危机亦可消除。因此，有许多的学者致力于太阳能利用的研究，其中太阳能转化过程中的关键太阳能电池成为研究的热点。自 1954 年硅太阳能电池开发以来，太阳能电池技术发展迅速，能量转化效率不断提高，制造成本不断下降。目前应用的太阳能电池材料主要有四种：1 单晶硅和多晶硅；2 非晶态硅；3 硒铟铜合金；4 镉碲化物和其他的硫

10、化物。在上述四种材料中，硅太阳能电池研究较早，生产技术比较完善，但单晶硅材料受其成本和抗辐射能力的影响，应用到限制。硒铟铜合金能量转化效率高，大面积制备简单，性能稳定，是一种很有发展前途的太阳能电池材料，其面临的主要任务是进一步降低成本，建立大规模生产方法。由于大规模应用需要高技术和高投资，因此先进的太阳能技术产业化刚刚起步。太阳能电池光伏发电是一种大规模利用太阳能的高新技术，20世纪 80 年代开始进入市场。近年来，全世界太阳能电池发电量逐年上升。单晶硅太阳能电池中光电转换效率最高的试验品曾是澳大利亚的新南威尔士大学研制的。该实验室认为单晶硅电池的转化效率理论限度为 30%。之后，各大公司、

11、实验室等的研究人员不断努力，是单晶硅太阳能电池的转化效率不断提高。多晶硅太阳能电池发展也极快，最大的生产厂家日本京都陶瓷公司，1991 年生产 6 兆瓦，1992 年生产 12 兆瓦，1995 年生产 30兆瓦。日本川崎钢铁公司开发了低成本的太阳能电池用多晶硅生产工艺，每克成本少于 3 日元，是半导体多晶硅成本的一半。德国瓦克公司建成了专供太阳能电池用的浇铸多晶硅切片的大批量生产线，产量相当可观，并逐年提高。非晶硅太阳能电池在提高转化效率、增大组件面积、提高生产速度、提高稳定性和降低成本方面取得了显著的进步。硒铟铜多晶薄膜太阳能电池也逐渐受到重视，其优点是成本低、效率较高、稳定性好。关于砷化镓

12、太阳能电池，美国的 Spire 公司制造出了效率24%的电池。储氢材料氢是无公害的燃料，如果将海水制造的氢作为燃料使用，从理论上讲，燃烧只生成水，所以有利于环境保护。另外，如果能利用太阳的热量从海水中制取氢，则能成为无污染能源系统。氢还是一种非常适合贮存的能源，原子能、地热、风能、潮汐、太阳能以及火力发电，难以做到相应于负荷的变化来调整输出功率。因此，在非用电高峰时，贮存电力的方法至关重要。相比受地形限制很大的扬水发电来说，用电电解水产生氢储存起来更经济。氢燃料能否成为广泛利用的能源，尚有许多问题需要解决，也就是说，在氢的制造、贮存、输送等各个环节中，如何做到效率高而且安全，将决定氢能系统成功

13、与否，其中安全贮存和运输是关键问题之一。液态氢贮存和运输主要是沉重的气瓶，但是有爆炸的危险，且制液氢费用高，能耗大。1974 年末，日本松下电器产业中央研究所青年研究人员偶然发现了一种新型金属材料储氢合金。因此开发储氢材料又成了研究的焦点。稀土储氢材料已得到成功的应用，如日本川崎重工业公司用富镧混合稀土镍铝合金制成容积为 175 立方米的储氢容器，与同样容积的高压气瓶相比，容器重量减少 30%，体积减少 86%。稀土储氢合金在热泵上的应用也取得很大进展。核能用稀有金属材料核燃料包套材料采用多种锆合金。国内核动力堆对锆合金的应用有：20 世纪 70 年代初，我国用国产 2 号锆合金装备了我国第一

14、批核潜艇；清华大学研制成功的世界上第一座投入运行的 5 兆瓦低温供热反应堆，采用国产 4 号锆合金作活性区流通分隔装置和控制棒导向装置的材料我国自己建造的秦山核电站的堆芯包壳管采用了4 号锆合金。另外，金属铪可用来制反应堆的控制棒，铍是核聚变动力堆中的理想材料，钛合金适用于制造核电站中的低压涡轮叶片和冷却泵部件，TiH 2是优良的中子减速材料，Gd 2O3为优良的中子吸收材料，钨是优良的 射线屏蔽材料等。总而言之，世界经济在高速发展，能源现状却不容乐观，要想从根本上解决能源短缺和环境恶化恶化的问题，必须不断开发有利于新能源广泛利用的高新材料，才能使世界经济可持续发展，才能使人类社会不断进步。当然，并不是仅靠材料学家开发几种新材料有很多，我们要走的路还很长！