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(duì)當(dāng)今浩瀚的材料世界進(jìn)行過(guò)粗略有人對(duì)當(dāng)今浩瀚的材料世界進(jìn)行過(guò)粗略統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)，70 年代登記的新老材料達(dá)到年代登記的新老材料達(dá)到25 萬(wàn)種，萬(wàn)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(wàn)種，并萬(wàn)種，并且每年還以且每年還以5的增長(zhǎng)率增加。的增長(zhǎng)率增加。 如果把形形色色的材料按化學(xué)組成分類(lèi)，如果把形形色色的材料按化學(xué)組成分類(lèi)，可以分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)可以分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料三大類(lèi)。它們鼎足而立，構(gòu)成了高分子材料三大類(lèi)。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(lèi)：一類(lèi)叫做結(jié)構(gòu)材料，主要是利用它們大類(lèi)：一類(lèi)叫做結(jié)構(gòu)材料，主要是利用它們的強(qiáng)度、韌性、硬度、彈性等機(jī)械性能；另的強(qiáng)度、韌性、硬度、彈性等機(jī)械性能；另一類(lèi)是功能材料，是利用它們所具有的電、一類(lèi)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(dāng)然，上述各種材料之間也存在著交叉當(dāng)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(lái)；非晶

3、態(tài)金屬則介于金屬與非金屬合了起來(lái)；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(lèi)的，如之間。此外，還有按材料的用途分類(lèi)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(lèi)，感光材料等；按材料的物理效應(yīng)與功能分類(lèi)，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(lèi)方法和材料使用綜合以上分類(lèi)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(shí)代的標(biāo)志，已經(jīng)以材料作為劃分時(shí)代的標(biāo)志，已經(jīng)為人們所熟悉和接受因?yàn)檫@種劃分正確為人們所熟悉和接受因?yàn)檫@種劃分正確地反映了人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)力發(fā)展水平，地反映了人類(lèi)社會(huì)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(wú)論能源技術(shù)還是信息技得注意的是，無(wú)論能源技術(shù)還是信息技術(shù)對(duì)于材料的依賴(lài)，均變得越來(lái)越突出。術(shù)對(duì)于材料的依賴(lài)，均變得越來(lái)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(yán)格分類(lèi)廣泛，品種繁多，要想把它們嚴(yán)格分類(lèi)已很困難。過(guò)去的教科書(shū)習(xí)慣把材料劃已很困難。過(guò)去的教科書(shū)習(xí)慣把材料劃分為金屬材料和非金屬材料兩大類(lèi)，然分為金屬材料和非金屬材料兩大類(lèi)，然而這種劃分材料的方法越來(lái)越顯得不合而這種劃分材料的方法越來(lái)越顯得不合理，因?yàn)椴簧俚男滦筒牧鲜强缭絻烧咧?，因?yàn)椴簧俚男滦筒牧鲜强缭絻烧咧g的。間的。 近年來(lái)出現(xiàn)了材料三大領(lǐng)域的提法，近年來(lái)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(wú)機(jī)非金屬即把材料劃分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料。盡管如此，在材料和有機(jī)高分子材料。盡管如此，在繼續(xù)細(xì)分這些材料的小類(lèi)和決定某些材繼續(xù)細(xì)分這些

6、材料的小類(lèi)和決定某些材料的歸處時(shí)，仍出現(xiàn)不少困難。料的歸處時(shí)，仍出現(xiàn)不少困難。 例如復(fù)合材料就是一個(gè)例子，它是例如復(fù)合材料就是一個(gè)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(qiáng) 材 料 ） 組 成 的 ；種 材 料 （ 增 強(qiáng) 材 料 ） 組 成 的 ；基體和增強(qiáng)材料都可能是金屬、有機(jī)高基體和增強(qiáng)材料都可能是金屬、有機(jī)高分子或無(wú)機(jī)非金屬中任何一種，究竟如分子或無(wú)機(jī)非金屬中任何一種，究竟如何給它們分類(lèi)呢？有人建議把它們單獨(dú)何給它們分類(lèi)呢？有人建議把它們單獨(dú)提出來(lái)，另立門(mén)戶(hù)。提出來(lái)，另立門(mén)戶(hù)。 總之，任何一種分類(lèi)方法都只能看總之，任何一種分類(lèi)方

7、法都只能看成是暫時(shí)的、不完善的，這也反映出材成是暫時(shí)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(mén)是生產(chǎn)各種材料的基地，工業(yè)部門(mén)是生產(chǎn)各種材料的基地，同時(shí)也是使用各種材料的最大用戶(hù)。同時(shí)也是使用各種材料的最大用戶(hù)。這些部門(mén)中的原子能、航空與航天、中這些部門(mén)中的原子能、航空與航天、中子、海洋開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，對(duì)材料提出子、海洋開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，對(duì)材料提出許多更新的、更嚴(yán)的要求，天然材料和許多更新的、更嚴(yán)的要求，天然材料和靠天然原料制備的材料，已經(jīng)不能滿(mǎn)足靠天然原料制備的材料，已經(jīng)不能滿(mǎn)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(diǎn)。的研究成為重點(diǎn)。 舉例來(lái)說(shuō)，原子能工業(yè)要求耐輻射和耐舉例來(lái)說(shuō)，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(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火；新型飛機(jī)和航的激光工作物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火；新型飛機(jī)和航天器要求強(qiáng)度極高、重量極輕的結(jié)構(gòu)材料。天器要求強(qiáng)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(kāi)發(fā)要求耐高壓、耐下沉的鎂鋰合金。海洋開(kāi)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(mǎn)足需要。凡此種種，都可

9、以劃入夠滿(mǎn)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?！案挥懈挥小钡膫鹘y(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(jì)。約在二億五千萬(wàn)年史可追溯到泥盆紀(jì)。約在二億五千萬(wàn)年前的二迭紀(jì)，這種原始羊齒科植物發(fā)展前的二迭紀(jì)，這種原始羊齒科植物發(fā)展為針葉樹(shù)，直到一億年前的白堊紀(jì)才形為針葉樹(shù)，直到一億年前的白堊紀(jì)才形成寬葉樹(shù)。成寬葉樹(shù)。 古代人們起初是不經(jīng)加工就利用樹(shù)古代人們起初是不經(jīng)加工就利用樹(shù)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(lái)（石斧）以及把手杖和石頭結(jié)合合起來(lái)（石斧）以及把手杖和石頭結(jié)合起來(lái)（矛），從而首次制造了工具。隨起來(lái)（矛），從而首次制造了工具。隨著學(xué)會(huì)用火，木材在數(shù)千年內(nèi)成為人類(lèi)著學(xué)會(huì)用火，木材在數(shù)千年內(nèi)成為人類(lèi)最重要的能源。因此，人類(lèi)應(yīng)用木材起最重要的能源。因此，人類(lèi)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(shí)代過(guò)渡時(shí)期約在新石器向中石器時(shí)代過(guò)渡時(shí)期（約一萬(wàn)年前），人類(lèi)學(xué)會(huì)了加工木材，（約一萬(wàn)年前），人類(lèi)學(xué)會(huì)了加工木材，人類(lèi)學(xué)會(huì)用木材造船和修筑簡(jiǎn)單的住所人類(lèi)學(xué)會(huì)用木材造船和修筑簡(jiǎn)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?cè)诩夹g(shù)和藝術(shù)活目前的狀況?，F(xiàn)在我們?cè)诩夹g(shù)和藝術(shù)活動(dòng)中到處可見(jiàn)木材。動(dòng)中到處可見(jiàn)木材。 木材雖密實(shí)，但仍是一種孔隙性有木材雖密實(shí)，但仍是一種孔隙性有機(jī)材料。木材由其細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞壁內(nèi)機(jī)材料。木材由其細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)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(chēng)為原木。始形式，即未經(jīng)加工的形式，稱(chēng)為原木。木材都是指砍伐后的、長(zhǎng)度厚度和質(zhì)量木材都是指砍伐后的、長(zhǎng)度厚度和質(zhì)量不同的樹(shù)木?？梢?jiàn)木材既是原料又是材不同的樹(shù)木?？梢?jiàn)木材既是原料又是材料。料。 木材主要產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)林中，在一定程木材主

12、要產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)林中，在一定程度上也來(lái)自森林之外（公路、通道）。度上也來(lái)自森林之外（公路、通道）。大陸的三分之一有森林覆蓋，當(dāng)然其中大陸的三分之一有森林覆蓋，當(dāng)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(shuō)這種森林的林面積未加利用，也就是說(shuō)這種森林的生長(zhǎng)無(wú)人工影響。世界森林面積只有生長(zhǎng)無(wú)人工影響。世界森林面積只有11左右屬于經(jīng)濟(jì)林。人類(lèi)付出力量經(jīng)營(yíng)左右屬于經(jīng)濟(jì)林。人類(lèi)付出力量經(jīng)營(yíng)經(jīng)濟(jì)林，以獲得木材。經(jīng)濟(jì)林，以獲得木材。 木材砍伐分兩個(gè)階段，其中又要區(qū)別初木材砍伐分兩個(gè)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(jìn)行初次年以后要進(jìn)行初次砍伐。以后每隔砍伐。以后每隔510年重復(fù)進(jìn)行（使森林變年重復(fù)進(jìn)行（使森林變稀，初期利用）。到樹(shù)木完全成熟（不同樹(shù)稀，初期利用）。到樹(shù)木完全成熟（不同樹(shù)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(gè)森林面積上生產(chǎn)的全部木材有個(gè)森林面積上生產(chǎn)的全部木材有40到到60已經(jīng)砍伐進(jìn)行初期利用，其中大部分為較細(xì)已經(jīng)砍伐進(jìn)行初期利用，其中大部分為較細(xì)的木材品種，然后才將余留的樹(shù)木伐掉（較的木材品種，然后才將余留的樹(shù)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(shí)，含有從物理上看，木

14、材并不密實(shí)，含有大大小小的空腔，因此稱(chēng)之為孔隙體。大大小小的空腔，因此稱(chēng)之為孔隙體。細(xì)胞壁的空腔（毛細(xì)管）比細(xì)胞的空腔細(xì)胞壁的空腔（毛細(xì)管）比細(xì)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(duì)其強(qiáng)度影汽混合物。木材的這種水分對(duì)其強(qiáng)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(duì)木纖維是，對(duì)木纖維是1600公斤每立公斤每立方米，對(duì)木質(zhì)素是方米，對(duì)木質(zhì)素是1400公

15、斤每立方米，公斤每立方米，對(duì)所有樹(shù)種，可用的平均值為對(duì)所有樹(shù)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(shuō)有吸濕性?？諝庵械乃羝?，這就是說(shuō)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(shuō)，木材總是具有相應(yīng)的濕度，也就是說(shuō)，木材和環(huán)境空氣間總是達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)。材和環(huán)境空氣間總是達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)。空氣相對(duì)濕度為空氣相對(duì)濕度為20時(shí)，木材經(jīng)過(guò)一段時(shí)，木材經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)后，濕度達(dá)到時(shí)間的適應(yīng)后，濕度達(dá)到11。木材吸。木材吸水膨脹，反之則收縮。俗話(huà)說(shuō)這是木材水膨

16、脹，反之則收縮。俗話(huà)說(shuō)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(jì)；而切向上的長(zhǎng)，故可以忽略不計(jì)；而切向上的長(zhǎng)度變化（松樹(shù)為度變化（松樹(shù)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(gè)范圍內(nèi)，之后就達(dá)到所這個(gè)范圍內(nèi)，之后就達(dá)到所謂纖維飽和狀態(tài)，停止了這個(gè)過(guò)程，水謂纖維飽和狀態(tài)，停止了這個(gè)過(guò)程，水分繼續(xù)增加而膨脹不會(huì)繼續(xù)增加。分繼續(xù)增加而膨脹不會(huì)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(dāng)有利，因?yàn)橛媚静闹谱魈齑判阅芤蚕喈?dāng)

17、有利，因?yàn)橛媚静闹谱魈炀€(xiàn)的塔架時(shí)，它幾乎不影響天線(xiàn)的發(fā)射線(xiàn)的塔架時(shí)，它幾乎不影響天線(xiàn)的發(fā)射電磁場(chǎng)。木材的聲學(xué)特性與其他材料有電磁場(chǎng)。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(lè)器方面優(yōu)先得明顯區(qū)別，因此在制作樂(lè)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(fù)荷處于虎克定律范圍如果木梁的負(fù)荷處于虎克定律范圍而距離破斷負(fù)荷足夠遠(yuǎn)，那么在當(dāng)負(fù)荷而距離破斷負(fù)荷足夠遠(yuǎn)，那么在當(dāng)負(fù)荷解除時(shí)，變形幾乎完全消失，這是典型解除時(shí)，變形幾乎完全消失，這是典型的彈性材料性質(zhì)。當(dāng)然

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

19、生蟲(chóng)的侵蝕，但可以用某些藥劑和其它方法保護(hù)木材。用某些藥劑和其它方法保護(hù)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(jià)格也不同，我們決不能忽視。森米的價(jià)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(duì)國(guó)家文化、環(huán)保、水土它功能。它們對(duì)國(guó)家文化、環(huán)保、水土保護(hù)和人類(lèi)休養(yǎng)的重要性是難以用數(shù)字保護(hù)和人類(lèi)休養(yǎng)的重要性是難以用數(shù)字表達(dá)的。表達(dá)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