第1章材料一划时代的重要标志 在人类发展的历史长河中，材料起着举足轻重的作用，人类对 材料的应用一直是社会文明进程的里程碑。古代的石器、青铜器、 铁器等的兴起和广泛利用，极大地改变了人们的生活和生产方式， 对社会进步起到了关键性的推动作用，这些具体的材料（石器、青 铜器、铁器)被历史学家作为划分某一个时代的重要标志，如石器 时代、青铜器时代、铁器时代等。20世纪下半叶开始，历史进入 新技术革命时代，材料与能源、信息一道被公认为现代文明的三大 基础支柱。材料的发展创新已是各个高新技术领域发展的突破口， 新型材料的进步在很大程度上决定新兴产业的进程，是现代社会经 济的先导、现代工业和现代农业发展的基础，也是国防现代化的保 证，深刻地影响着世界经济、军事和社会的发展。材料科学的发展 不仅是科技进步、社会发展的物质基础，同时也改变着人们在社会 活动中的实践方式和思维方式，由此极大地推动社会进步。当今世 界各国政府对材料科学技术发展日趋重视，新型材料作为新技术革 命的先锋，其发展对经济、科技、国防以及综合国力的增强都具有 特殊重要的作用。 1.1人类进化与文明的标志一材料发展简史 材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，历来是生产力的 标志，被看成是人类社会进步的里程碑。因为对材料的认识和利用 的能力，决定着社会的形态和人类生活的质量，所以历史学家往往 用制造工具的原材料来作为历史分期的标志。一部人类文明史，从 某种意义上说，也可以称之为世界材料发展史。我们只要考察一下 从石器时代、青铜器时代、铁器时代，直到目前的信息时代的历史 发展轨迹，就可以明显地看出材料在社会进步中的巨大作用。为什
么石器时代绵延数十万年之久？因为人类当时只能利用岩石、木 材、兽皮、骨骼等天然材料并进行粗糙的加工，生产工具极其落 后，所以社会发展极其缓慢。青铜器曾经显赫一时，但又很快被铁 器所取代，原因是铁这种材料性能比铜优越，资源比铜更丰富，加 工制造比铜更容易。19世纪发展起来的现代钢铁材料，推动了机 器制造工业的飞速发展，为20世纪的物质文明奠定了基础。近半 个多世纪以来，合成橡胶、合成塑料、合成纤维和各种各样的合成 高分子材料，如雨后春笋般地涌现出来，曾经“在力史上起过革命 性作用的”（恩格斯语）钢铁，已经远远无法满足人类日益增长的 物质和文化生活的需要。20世纪50年代以锗、硅单晶材料为基础 的半导体器件和集成电路技术的突破，使人类跨入了现代信息生 活，对社会生产力的提高，起了不可估量的推动作用。由此可见， 每一种新材料的发现，每一项新材料技术的应用，都会给社会生户产 和人类的生活带来巨大改变，把人类文明推向前进。 材料工业始终是世界经济的重要基础和支柱，随着社会的进 步，材料的内容正在发生重大变化，一些新型材料和相应技术正在 不断替代或局部替代传统材料。材料既古老又年轻，既普通又深 奥。说“占老”，是因为它的历史和人类社会的历史同样悠久：说 “年轻”，是因为时至今日，它依然保持着蓬勃发展的生机：说“普 通”，是因为它与每一个人的衣食住行息息相关：说“深奥”，是因 为它包含着许多让人充满希望又充满闲惑的难解之谜。可以毫不夸 张地说，世界上的万事万物，就其和人类社会生存与发展关系密切 的程度而言，没有任何东西堪与“材料”相比。 1.2新型材料一当代新技术革命的先锋 纵观人类发展史，科学和技术始终是促进社会变革的重要因素。 早在100多年前马克思就曾说过，科学是“最高意义上的革命力 量”，他还指出“社会的劳动生产力，首先是科学的力量”。近代科 技史实表明，每一次重大科学的发现、技术的创新，都使人们对客 观世界的认识产生飞跃；每一次新技术革命浪潮的兴起，都使人们
改造自然的能力和推动社会发展的力量，提高到一个崭新的水平。 新型材料，通常是指对现代化科学技术进步和国民经济发展以 及提高综合国力有重大推动作用的最新发展或正在发展的材料。这 些材料和传统材料相比具有优异的性能和特定的功能，是发展信 息、航天、生物、能源以及海洋开发等高技术的重要物质基础。事 实表明：历史上每一次重大的新技术的发现和某种新产品的研制成 功，都往往有赖于新型材料的发现和应用。没有新型材料的开发应 用，便谈不上新的技术产品和产业进步。新型材料无愧为当代新技 术革命的先锋。因此，新型材料又被誉为“发明之母”。从这个意 义上说，没有材料科学的发展，就不会有高新技术产品的出现，也 就失去了人类社会进步的物质基础。 新型材料是当代社会经济的先导，是现代工业和现代农业发展 的基础。现代工业不仅是直接生产各种材料，而且也是需要各种材 料最多的领域，可以形象地把材料比做现代工业的骨肉。比如原子 能工业、电子工业、海洋开发产业的发展，对材料提出了更新、更 高的要求一原子能工业需要耐辐射和耐腐蚀材料：电子工业需要 超纯、特薄、特细、特均匀的电子材料：海洋开发需要耐腐蚀和耐 高压的材料……。倘若没有符合要求的高质量的材料作基础，便无 现代工业可言。工业是如此，农业也是这样。农业的电气化、机械 化、化学化、水利化、工厂化等，都离不开材料的支持。 新型材料是国防现代化的保证，国防现代化的关键是武器装备 现代化。无论是常规武器还是核武器，都需要性能优异的新型材 料。世界各国都把新型材料作为国防高技术发展的物质基础和突破 口，谁能更快地开发和应用具有特定性能的新材料，谁就拥有更强 大的技术潜力。反之，任何一种新的武器装备系统，离开新型材料 的支撑都将无法研制出来。这一点，在1991年的海湾战争中明显 地表现出来。人们从滚滚烟尘巾的隐身飞机、反辐射导弹、精确制 导武器、复合装甲坦克等性能优异的高技术武器装备，不难看出正 是那些日新月异的结构材料、不断发展的高温材料、一物多用的复 合材料、巧妙神奇的功能材料等构成了这一“现代高技术武器试验
场”，也可以说是一次“最新军用材料展览会和竞赛表演”。 新型材料是科技进步的关键，现代技术特别是高技术的每一项 新进展，都和新型材料开发应用有着密切的联系。没有高纯度的半 导体材料，就不会有微电子技术；没有耐数千度高温的内烧蚀材料 和涂层材料，人类遨游太空的梦想就无法成为现实；没有低损耗的 光导纤维，便不会出现光通信技术…。 相反，由于某些新材料不 过关，有许多新技术的研究功亏一篑，难以实现。如太阳能的利用 问题，因目前还没有能够找到一种价格低、寿命长、光电转换效率 很高的材料把光能转变为电能，所以只能“望阳兴叹”，任凭这宝 贵的能源白白浪费掉。诸如此类的例子，不胜枚举。 材料科学的发展不仅是科技进步、社会发展的物质基础，同时 也改变着人类社会的思维方式和实践方式，推动社会进步。如金属 复杂氧化物陶瓷超导体的发现，改变了人们对导电物质的传统认 识，进而开发出系列超导体系，带来科技史上的革命：超微颗粒材 料的奇异特性，使人们可以研制出不同性质的功能材料。各种新型 特殊材料的发现，使得当今科学和技术的发展，正在向包括超高 压、超高温、超低温、超高速、超真空、超净、超纯、超导、超细 微、超大规模等在内的自然界的各种“极限”逼近。极限化往往带 来一系列在非极限条件下所没有的新效应，出现传统科学原理不再 适应的新领域，使人类认识自然、改造自然的活动上升到一个新的 水准。人们针对材料环境与性能的改变，通过各种不同外界条件下 材料特性与材料结构的相互联系，以运动变化的观点认识新材料、 研究新材料、开发新材料，也正是这种辩证逻辑的思维形式使人类 在发展材料科学新概念、新构思、新方法的进程中永无止境。产生 的新效应反过来又进一步改进人类的这种思维与实践活动，推动科 技进步和社会发展。 材料科技水平，新型材料的发展，与一个国家的经济活力、军 事实力和科技能力都有着十分密切的关系。因此，各发达国家都把 新材料的研究与开发放在突出的地位，竞相制订发展规划，采取各 种措施，力争抢占新材料技术“制高点”，以推动本国在各个高技
术领域持续稳定地发展。在这方面，日本一马当先，把发展新材料 作为“技术立国”的基础，并把新型材料的发展放在与微电子技术 同等重要的地位，日本政府已经把新材料看做是走向未来的关键技 术。美国政府则把新材料研究的重点放在军事高技术领域，政府各 有关部门纷纷制定发展规划和研究课题。为了在军事工业中占优 势，并保持在高技术中的领先地位，新型材料的研究与丌发已进入 “白热化”的程度。在其《国家关键技术》报告中，美国政府列举 了六大关键技术领域共22项关键技术项目，而新材料技术位居六 大关键技术之首。西欧各国意识到新材料开发的重要性，在“尤里 卡”计划中，新材料也包括在内。德、法等国都有政府部门制定的 “材料科研10年规划”，“新材料开发计划”等，耗资巨大。其他各 国也都开始对新材料予以充分注意，争相在材料高技术领域中占有 一席之地，保持和争夺国家工业和军事优势。 在新型材料研究、开发与应用方面，我国也取得了难能可贵的成 绩。为了适应国民经济建设、国防建设和高新技术发展对新型材料的 日益增长的需要，我国的《高技术研究发展计划》(“863”计划)中， 把新材料领域列为七个重点研究发展领域之一，为国家高坟术各相关 领域提供关键新材料并促进我国材料科技的发展。在国家计委新近制 订的《未来十年中国经济发展关键技术》中，材料也被列为十大领域 的关键技术之一。除中长期高技术计划外，我国新材料的研究发展T 作还有国家攻关计划、攀登计划、火炬计划、星火计划等。在人工晶 体、储能材料、精密陶瓷、金属间化合物、金刚石薄膜、航天防热系 统材料等方面取得了具有国际水平的成就，一批科研成果进入中试和 试用阶段，部分新材料已形成产业，产生了较大的经济效益和社会效 益，为我国成为世界经济强国创造了条件。 1.3五彩缤纷的材料王国 材料科学技术领域历来十分活跃，理论上的新概念，技术上的新 构思，工艺上的新方法不断出现，材料科学理论和技术近年都取得了 重大进展，这些进展反映了材料科学发展的趋势，将会对今后相当长