材料化學(xué)緒論

1、材料化學(xué)主講： 李翠林 E-mail: Tel:aterials Chemistry本課程的內(nèi)容 緒論 材料制備方法金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料高分子材料復(fù)合材料納米材料介紹基本概念和基礎(chǔ)理論為主，兼顧新材料、新方法。學(xué)習(xí)方式：聽(tīng)課與自學(xué)相結(jié)合參考期刊：1.功能材料；2.高分子學(xué)報(bào) ；3.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào) ；4.復(fù)合材料學(xué)報(bào) ；5.中國(guó)化學(xué)快報(bào)（英文版）；6.應(yīng)用化學(xué)；7.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)；8.材料科學(xué)與工藝；9.熱固性樹(shù)脂 ；10.化學(xué)物理學(xué)報(bào) 參考教材：1材料化學(xué)，曾兆華，楊建文著，化學(xué)工業(yè)出版社，2008年4月第一版。2材料化學(xué)，朱光明，秦華宇著，機(jī)械工業(yè)出版社，2009

2、年6月第二版。3材料化學(xué)，李奇，陳光巨編，高等教育出版社，2010年9月第一版。4材料科學(xué)導(dǎo)論，馮端,師昌緒,劉治國(guó)，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年5月。5無(wú)機(jī)材料化學(xué)，田順寶，林祖強(qiáng)，祝炳和等，科學(xué)出版社，1993年 舊石器時(shí)代 新石器時(shí)代 陶器時(shí)代 青銅器時(shí)代 鐵器時(shí)代歷史學(xué)家把某一類(lèi)材料的特征及其廣泛應(yīng)用作為人類(lèi)文明史各個(gè)階段的一種標(biāo)志鋼硅塑料合成材料半導(dǎo)體精密陶瓷復(fù)合材料納米材料我們現(xiàn)在所處的時(shí)代應(yīng)該稱(chēng)為什么時(shí)代？ 材料成為了一個(gè)新的獨(dú)立的科學(xué)門(mén)類(lèi)。這個(gè)新學(xué)科與物理、化學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、冶金、化工等傳統(tǒng)科學(xué)門(mén)類(lèi)水乳交融，但是具有其獨(dú)特的鮮明的個(gè)性。也正是因?yàn)榕c各個(gè)傳統(tǒng)科學(xué)門(mén)類(lèi)水乳交融，材料學(xué)

3、科在不同的場(chǎng)合就被劃分成了材料物理、材料化學(xué)、材料力學(xué)、材料工程學(xué)等諸多分支。本課程所涉及的內(nèi)容就屬于材料化學(xué)這一分支。而作為本課程的緒論，這里我們將首先來(lái)討論幾個(gè)相關(guān)的名詞：材料材料科學(xué)材料化學(xué) 第一章 緒 論1.1 什么是材料？材料是可以用來(lái)制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。 師昌緒主編：材料大辭典p.58材料是“具有一定性能的物質(zhì), 可以用來(lái)制成一些機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品” 。 美國(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院聯(lián)合編寫(xiě) 材料：人類(lèi)的需求材料是可以用來(lái)制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)材 料 = 物 質(zhì) Materials = Matter水是材料？冰是材料？幾乎所有的物質(zhì)都可以稱(chēng)為是材料什么樣的材料

4、值得我們關(guān)注？并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注那么下一個(gè)問(wèn)題就是先來(lái)看看材料的發(fā)展歷史Chapter 1 Introduction群居洞穴的猿人通過(guò)簡(jiǎn)單加工獲得石器以狩獵、護(hù)身和生存。舊石器時(shí)代：這段文化時(shí)期，最早開(kāi)始于大約750,000年以前的以狩獵和打制石器工具為主。新石器時(shí)代：屬于或同始于大約公元前 10,000年中東及后來(lái)其它一些地方的文化時(shí)期相關(guān)，以農(nóng)業(yè)發(fā)展和磨制石具的制作為特征 。Chapter 1 Introduction隨著對(duì)石器加工制作水平的提高，出現(xiàn)了原始手工業(yè)如制陶和紡織Chapter 1 Introduction青銅時(shí)代大約源于4000 5000年前。青銅是銅錫鋁

5、等元素組成的合金，與純銅相比，青銅熔點(diǎn)低，硬度高，比石器易制作且耐用。青銅器大大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)和手工業(yè)的出現(xiàn)。Chapter 1 Introduction（3）鐵器時(shí)代被認(rèn)為是始于2000多年前，由鐵制作的農(nóng)具、手工工具及各種兵器得以廣泛應(yīng)用，大大促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會(huì)的發(fā)展。Chapter 1 IntroductionChapter 1 Introduction鋼鐵、水泥等材料的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，人類(lèi)社會(huì)開(kāi)始從農(nóng)業(yè)和手工業(yè)社會(huì)進(jìn)入了工業(yè)社會(huì)。本世紀(jì)半導(dǎo)體硅、高集成芯片的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，則把人類(lèi)由工業(yè)社會(huì)推向信息和知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)。 一方面，材料是人類(lèi)生存和生活必不可缺少的部分，是人類(lèi)文明的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是直

6、接推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力。 另一方面，隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及自然資源和能源的逐漸減少，人們所關(guān)注的、所使用的材料種類(lèi)也在發(fā)生著變化因此材料的定義可以發(fā)展為：人類(lèi)社會(huì)所能夠接受的經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì) 一個(gè)例子 高比強(qiáng)鋁合金給 20 世紀(jì)的“新”材料帶來(lái)了第一個(gè)突破比強(qiáng)：比強(qiáng)度，也就是材料的強(qiáng)度與密度之比。具有高強(qiáng)度、低密度的材料無(wú)疑具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。鋼的比強(qiáng)度為： 0.64 106 cm鋁合金的比強(qiáng)度為：2.64 106 cm 后者是前者的 4 倍，這對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來(lái)說(shuō)是幾千年來(lái)的一個(gè)飛躍。鋁鋁是一種輕金屬，密度 2.7 g/cm3，大約是鐵的 1/3。純鋁的拉伸強(qiáng)度只有 48 MPa，只

7、有鋼的1/10 左右。因此在早期并未得到重視。Al 在地殼中含量豐富，占 1/12，但主要以 Al2O3的狀態(tài)存在。18 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了 Al 元素的存在，1825 年丹麥物理學(xué)家 Hans Oersted 第一次成功地提煉出金屬鋁，但是提煉方法比較復(fù)雜，產(chǎn)量很低，使得其價(jià)格極為昂貴。鋁曾經(jīng)比金銀還要珍貴100多年前，為了表彰門(mén)捷列夫?qū)瘜W(xué)的杰出貢獻(xiàn)，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)不惜重金制作了一個(gè)比黃金還要貴重的獎(jiǎng)杯鋁杯，贈(zèng)送給門(mén)捷列夫。 法國(guó)皇帝拿破侖三世為了顯示自己的尊貴，用鋁作了一頂頭盔，成為轟動(dòng)一時(shí)的新聞。每逢盛大國(guó)宴，別人都用銀制餐具，而他獨(dú)自使用一套鋁制餐具。 技術(shù)的進(jìn)步讓鋁走出了首飾店1886 年，

8、 22 歲的美國(guó)人 Hall 發(fā)明了熔鹽電解法制取金屬鋁，此法投產(chǎn)后，金屬鋁的產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，價(jià)格則大幅度下降 ，從而把鋁的大規(guī)模生產(chǎn)變成了現(xiàn)實(shí)。這個(gè)年輕人組成了一個(gè)大公司，這就是今天美國(guó)美鋁公司 (Alcoa) 的前身。將氧化鋁 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中進(jìn)行電解(電解液溫度接近 1000) 在 上可以找到很多關(guān)于鋁以及鋁合金的信息美鋁的生意是從一把鋁壺開(kāi)始的從鋁壺做起，慢慢延伸到了烹調(diào)器具、錫箔紙、電線(xiàn)和電纜?，F(xiàn)在，美鋁了成為公認(rèn)的世界上最大的原鋁、鋁加工產(chǎn)品和氧化鋁生產(chǎn)商。美鋁的產(chǎn)品廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、包裝、建筑、商業(yè)運(yùn)輸以及工業(yè)市場(chǎng)。鋁的應(yīng)用市場(chǎng)的

9、打開(kāi)鋁的應(yīng)用市場(chǎng)的打開(kāi)是從 20 世紀(jì) 30 年代開(kāi)始的。為了提高鋁的比強(qiáng)度，當(dāng)時(shí)關(guān)于鋁的研究有兩個(gè)熱門(mén)話(huà)題： 合金強(qiáng)化 時(shí)效硬化在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所謂的鋁合金以提高 Al 的強(qiáng)度。把合金強(qiáng)化處理后形成的鋁合金加熱到一定溫度以上進(jìn)行“熔解處理”，使合金處于均勻的單相狀態(tài)，然后快速淬火，保持其單相組織。此后再在稍高于室溫的溫度下加熱，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的強(qiáng)度。鋁合金的出現(xiàn)，大大拓寬了鋁的用途航天飛機(jī)、大型客機(jī)鋁門(mén)窗、鋁活動(dòng)建筑鋁細(xì)粉是一種火箭固體燃料鋁 箔鋁電纜易拉罐 2000年，光美國(guó)就生產(chǎn)了1000億個(gè)鋁易拉罐。輕、薄、耐腐蝕。

10、易拉罐上的易拉扣，的確是一項(xiàng)高技術(shù)，代表了鋁材和鋁加工的現(xiàn)代成就。美國(guó)紐約的世界貿(mào)易大廈是一個(gè)大量使用鋁合金貼面的雄偉建筑?？上б呀?jīng)灰飛煙滅了。 長(zhǎng)期以來(lái)人們一直認(rèn)為鋁是無(wú)毒的，因此用起來(lái)很放心。但是醫(yī)學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究后發(fā)現(xiàn)，人體攝入過(guò)量的鋁也會(huì)帶來(lái)危害。 由于鋁制品的大量使用，特別是鋁制品盛放咸的、酸性的或堿性的食物時(shí)，其表面的保護(hù)膜就會(huì)遭到破壞，氧化鋁就會(huì)被溶解，使人體攝入鋁的量增加，日積月累，對(duì)健康會(huì)產(chǎn)生影響。友情提示一般說(shuō)來(lái)，一種材料能否在一個(gè)時(shí)代引起人們關(guān)注、得到廣泛使用應(yīng)該從以下幾方面加以分析 資 源 能 源 環(huán) 保 經(jīng) 濟(jì) 質(zhì) 量 新陳代謝這一生命規(guī)律在材料中也是同樣存在的。事實(shí)

11、上，每種材料都有其生命曲線(xiàn)出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退衰退主要是由于社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致的。一個(gè)新材料的誕生，從實(shí)驗(yàn)室研制出樣品到工業(yè)上的大規(guī)模實(shí)際使用，大概需要 15 20 年時(shí)間。 所謂的“材料科學(xué)”的主要研究對(duì)象是新材料，或者是想方設(shè)法使傳統(tǒng)材料獲得新生。出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退新材料傳統(tǒng)材料石棉是含有鐵、鎂、鎳、鈣、鋁等元素的硅酸鹽，分為溫石棉和青石棉兩種，由于具有結(jié)實(shí)、抗彎、絕緣、隔熱、保溫、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛用于建筑、造船、航天和交通機(jī)械中隔熱、保溫、防火等領(lǐng)域。石棉經(jīng)過(guò)加工后制成的紡織、石棉水泥制品，具有耐磨、絕緣等特點(diǎn)，還可制成防火材料、濾料、填料等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石棉的各種用途已逾千種

12、 。“夕陽(yáng)”材料：石棉近年來(lái)的研究表明石棉是一種致癌物質(zhì)，歐美國(guó)家許多癌癥的病因，都曾與石棉污染有關(guān)。目前這種狀況正在向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。據(jù)保守估計(jì)，今后30年中死于石棉污染者將達(dá)到100萬(wàn)，其中大多數(shù)是制造含石棉的地板、天花板、屋頂材料、接合劑和自動(dòng)閘的工人。若進(jìn)行大規(guī)模樓層定向爆破、拆除等工作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)附近人員不采取防護(hù)措施，也極可能被構(gòu)成傷害?！跋﹃?yáng)”材料：石棉專(zhuān)家估計(jì)，全世界每年約有20萬(wàn)人死于與石棉有關(guān)的癌癥，其中約25死于肺癌，10死于惡性間皮瘤。在歐盟的15個(gè)國(guó)家中，已有12個(gè)禁止使用石棉，沙特阿拉伯也將它列在禁用之列，阿根廷、智利等國(guó)也隨之仿效。目前美國(guó)也不再生產(chǎn)石棉，其石棉使用僅

13、依靠進(jìn)口。 “夕陽(yáng)”材料：石棉鋼鐵工業(yè)在發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入衰退階段，原因是有許多新材料來(lái)代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國(guó)家。 鋼鐵在我國(guó)還在成熟階段，鋼鐵的需求量很大，不但每年產(chǎn)量有所增加，每年還需進(jìn)口2000萬(wàn)噸。據(jù)估計(jì)，我國(guó)的鋼產(chǎn)量達(dá)到12000萬(wàn)15000萬(wàn)噸，才能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要。 “夕陽(yáng)”材料工業(yè)：鋼鐵在“911”事件中變成廢墟的紐約世貿(mào)大廈的數(shù)十萬(wàn)噸廢鋼鐵被運(yùn)往中國(guó)和印度，將在那里回爐后重新使用。從這兩座 100 多層的雙子大廈廢墟中回收的鋼材數(shù)量相當(dāng)可觀(guān)，估計(jì)多達(dá) 40 萬(wàn)噸。材料中的“常青樹(shù)”：陶瓷1.2 材料的分類(lèi)及要素按材料的組成分類(lèi)金屬材料 (

14、Metal)鋼鐵材料、非鐵材料、合金有機(jī)高分子材料 (Polymer)天然的、合成的無(wú)機(jī)非金屬材料 (Ceramics)陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷復(fù)合材料 (Composites)按材料的用途分類(lèi) 結(jié)構(gòu)材料 支撐件、連接件、傳動(dòng)件、緊固件等 功能材料 磁性材料、電子材料、信息記錄材料、光學(xué)材料、敏感材料、能源材料、生物醫(yī)學(xué)材料等 結(jié)構(gòu)材料與功能材料的劃分并不嚴(yán)格 生物醫(yī)學(xué)材料？按材料內(nèi)部原子排列情況分類(lèi) 晶態(tài)材料 非晶態(tài)材料 液態(tài)材料 氣態(tài)材料材料是可以用來(lái)制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)從材料尺度角度分類(lèi) 三維材料 塊體材料二維材料 薄膜、涂層等 (金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、

15、半導(dǎo)體薄膜、耐磨涂層) 一維材料 纖維、晶須等 (光導(dǎo)纖維、高強(qiáng)纖維) 零維材料 粉 體材料的要素美國(guó)的政策性報(bào)告90年代的材料科學(xué)與工程認(rèn)為現(xiàn)代材料研究是由四個(gè)要素組成?？苫厥詹牧显O(shè)計(jì)的時(shí)裝 材料設(shè)計(jì)是否材料設(shè)計(jì)？“根據(jù)使用上的要求對(duì)材料的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以達(dá)到所要求的性能，這就是材料的設(shè)計(jì)” 例如：為改善陶瓷的力學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)出二氧化鋯增韌陶瓷（可制作陶瓷刀具）、納米晶粒陶瓷和梯形材料等。此外，為改善材料的電學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)出有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料。Chapter 1 Introduction材料設(shè)計(jì)的思想始于50年代，其目的是“按照指定性能“定做”新材料，按生產(chǎn)要求“設(shè)計(jì)”最佳的制備和加工方法。C

16、hapter 1 Introduction材料哲學(xué)史 The Philosophy History of MaterialsChapter 1 IntroductionChapter 1 Introduction 一部材料發(fā)展哲學(xué)史就是一部人類(lèi)探索、認(rèn)識(shí)、改造物質(zhì)世界包括人類(lèi)自身的思想發(fā)展史。Chapter 1 Introduction 最能引起哲學(xué)反思的新材料克隆人中國(guó)社會(huì)科學(xué)院哲學(xué)所倫理學(xué)博士后李隼認(rèn)為克隆造人是人類(lèi)道德水平的提高 ？有些人認(rèn)為，世界上多一些年齡差距大的同卵雙胞胎, 實(shí)在沒(méi)有多少值得大驚小怪的 還有學(xué)者認(rèn)為，我們不能盲目地跨進(jìn)克隆人的時(shí)代，當(dāng)我們?cè)诩夹g(shù)上已經(jīng)能夠克隆人時(shí)，但

17、為了公正的倫理原則，為了尊重人類(lèi)遺傳學(xué)和醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)中所公認(rèn)的倫理原則，也不能克隆人。 既然人類(lèi)經(jīng)歷了猿人、直立人、能人、智人、現(xiàn)代人等突變過(guò)程，為什么不會(huì)出現(xiàn)克隆人時(shí)代？只不過(guò)前者是自然突變，而后者則是人力突變。1.3 材料科學(xué) 20 世紀(jì)對(duì)于材料的發(fā)展歷史來(lái)說(shuō)是一個(gè)值得大書(shū)特書(shū)的時(shí)期。20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)域的巨大變化，而這些巨大變化則有力地促進(jìn)了材料的發(fā)展，使得材料在 20 世紀(jì)中葉發(fā)生了一次“革命性”的飛躍，這個(gè)飛躍的標(biāo)志就是“材料科學(xué)”的形成。 超音速飛機(jī) (鎳基超級(jí)合金) 計(jì) 算 機(jī) (晶體管、半導(dǎo)體) 航天飛機(jī) (高溫

18、結(jié)構(gòu)陶瓷)20 世紀(jì)中葉的幾項(xiàng)成果 1947 年，在美國(guó)新墨西哥州哥西維爾地方，有一艘外星來(lái)的宇宙飛船墜毀了。科學(xué)家們紛紛云集此地，對(duì)這艘飛船進(jìn)行了全方位的研究，于是地球上就誕生了半導(dǎo)體、光纖、激光器等一系列對(duì)當(dāng)代文明產(chǎn)生了顯著影響的新材料。后來(lái)美國(guó)政府將這艘飛船隱匿起來(lái)了輕松一下哈哈哈哈！天方夜譚20 世紀(jì)中葉是蘇美兩個(gè)超級(jí)大國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行全面競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。材料的競(jìng)爭(zhēng)是其中的主要內(nèi)容之一。1957 年蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學(xué)研究。美國(guó)從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科對(duì)待。20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的新技術(shù)革命把新材料、信息技術(shù)、生物

19、技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。 美國(guó)國(guó)防部1991年提出20項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，有5項(xiàng)以材料為主。同年，美國(guó)白宮發(fā)布美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目共6領(lǐng)域22項(xiàng)關(guān)鍵，材料為6領(lǐng)域之一。材料合成與加工、電子和光子材料、陶瓷復(fù)合材料、高性能金屬與合金5項(xiàng)為關(guān)鍵。 從1995年至2001年每?jī)赡旮乱淮蔚拿绹?guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中，特種功能材料和制品技術(shù)占了很大的比例。 20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的新技術(shù)革命把新材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。 2001年日本文部省發(fā)布的第七次技術(shù)預(yù)測(cè)研究報(bào)告中列出了影響未來(lái)的100項(xiàng)重要課題，一半以上為新材料或依賴(lài)于新材料發(fā)展的課題，而其中絕大部分均為功能材料。

20、歐盟第六框架計(jì)劃和韓國(guó)的國(guó)家計(jì)劃等把功能材料技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一加以重點(diǎn)支持。 我國(guó)863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，材料是7個(gè)重點(diǎn)之一，重大基礎(chǔ)研究攀登計(jì)劃的30個(gè)重大課題中有7個(gè)與材料直接有關(guān)。 材料涉及的領(lǐng)域極為廣泛，舉凡國(guó)家的工農(nóng)業(yè)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)，人民生活水平的提高，無(wú)不與材料密切相關(guān)。所以材料的科學(xué)研究、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、工業(yè)大生產(chǎn)與合理應(yīng)用都關(guān)系到社會(huì)進(jìn)步、國(guó)家安全，因此人們把材料譽(yù)為現(xiàn)代文明的三大支柱之一。 摘自：師昌緒主編材料大辭典前言新材料發(fā)展與應(yīng)用水平直接決定著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平。不妨看幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù) 以每公斤產(chǎn)品的出廠(chǎng)價(jià)格計(jì)算，把原材料比作1，那么小轎車(chē)為5，家電為30，飛機(jī)為200，計(jì)算機(jī)

21、為1000，集成電路芯片則為10000。產(chǎn)品中的技術(shù)含量越高，收益就越高。 2000 年，世界新材料市場(chǎng)銷(xiāo)售額達(dá)到 4000 億美元，美國(guó)占市場(chǎng)份額 40%，日本占市場(chǎng)份額 20% (預(yù)計(jì)數(shù)據(jù))。據(jù) 1982 年統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年因材料腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為 1260 億美元。材料斷裂和磨損造成的損失分別為 1190 億和 1000 億美元。 戰(zhàn)后日本經(jīng)濟(jì)的迅速崛起，與其政府對(duì)材料的高度重視有關(guān)。材料科學(xué)與綜合國(guó)力二戰(zhàn)結(jié)束的時(shí)候，鋼鐵仍然是整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)的支柱。意識(shí)到必須具有高質(zhì)量和低成本的鋼鐵，日本開(kāi)始大力發(fā)展鋼鐵工業(yè) 這一技術(shù)政策推動(dòng)了日本的汽車(chē)工業(yè)和其他一些主要用鋼材的產(chǎn)品，使得日本經(jīng)濟(jì)得到

22、了很大的發(fā)展。1970 年以后，日本認(rèn)識(shí)到當(dāng)今世界已經(jīng)處于硅時(shí)代，因此在保持鋼的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，日本瞄準(zhǔn)了硅材料，開(kāi)始大力發(fā)展半導(dǎo)體工業(yè)，使得家用電器的生產(chǎn)在世界市場(chǎng)中占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。英國(guó)此時(shí)卻忽略了硅時(shí)代的到來(lái)，由于沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)政策和戰(zhàn)略眼光，其結(jié)果是英國(guó)有2000 名研究硅材料的科學(xué)家流入美國(guó)硅谷。1988 年僅在信息技術(shù)產(chǎn)品這一項(xiàng)上，英國(guó)對(duì)日本的貿(mào)易赤字就高達(dá) 2.2 億英鎊，這還不包括由硅片控制的自動(dòng)聚焦的照相機(jī)之類(lèi)的產(chǎn)品。 英國(guó)人悲哀地說(shuō)：英國(guó)沒(méi)有硅工業(yè)了，英國(guó)從第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家變成了第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)，英國(guó)的態(tài)度恰似一個(gè)仍然

23、停留在石器時(shí)代的國(guó)家，而沒(méi)有進(jìn)展到青銅器時(shí)代。新材料在高技術(shù)中的應(yīng)用幾個(gè)實(shí)例1982 年日本首次研制出了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)小汽車(chē)。它的出現(xiàn)使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現(xiàn)實(shí)。1988年前蘇聯(lián)一架以液氫為燃料的中型運(yùn)輸機(jī)首次試飛成功。液氫的沸點(diǎn)為 253C，攜儲(chǔ)液氫需要高效率的絕熱材料。液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，則意味著低溫極限技術(shù)已達(dá)到實(shí)用化程度。1989 年日本一艘潛水調(diào)查船下潛到6500 米的深海區(qū)，打破了美國(guó)、前蘇聯(lián)和德國(guó)的下潛紀(jì)錄。這艘潛水艇耐水艙使用的是一種高強(qiáng)度鈦合金，觀(guān)察窗使用的是一種新型的有機(jī)玻璃。我國(guó)蛟龍?zhí)栂聺摮^(guò)7000米，什么材料制備？6月1日，蛟龍?zhí)柕醣墼囼?yàn)結(jié)束后，3

24、名潛航員付文韜 、葉聰 、唐嘉陵（由左至右）合影。美國(guó)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的隱身戰(zhàn)斗機(jī)所以能隱身，就是使用了一種吸波材料和吸波涂層。所謂隱形是指不易被雷達(dá)或紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、聲探測(cè)等傳感器發(fā)現(xiàn)。隱形飛機(jī)之所以能夠隱形，主要是綜合采用了隱身外形技術(shù)、隱身材料技術(shù)、紅外線(xiàn)抑制和干擾技術(shù)、聲波隱身技術(shù)以及微電子技術(shù)等，具有降低其在雷達(dá)屏幕上的特征、壓制噪聲、減弱飛機(jī)紅外圖像特征、抑制無(wú)線(xiàn)電信號(hào)傳輸?shù)刃阅?。隱形飛機(jī)與材料 隱形武器由于其科技含量高，對(duì)材料要求苛刻，研制費(fèi)用異常高。美國(guó)的 F-117A 隱形飛機(jī)單價(jià) 為 1.1 億美元，B-2隱形轟炸機(jī)單價(jià)更高達(dá) 5.3 億美元，比與機(jī)體等重量的黃金價(jià)值還要高

25、。最近，美國(guó)又以 4000 億美元的天價(jià)，開(kāi)始研制一種集“隱形、敏捷、高速”為一體的 F-35 新型隱形戰(zhàn)機(jī)。 F-117A 戰(zhàn)斗機(jī)周身幾乎全由直線(xiàn)構(gòu)成，機(jī)體表面使用了 6 種不同的雷達(dá)吸波涂層材料，大大降低了雷達(dá)探測(cè)度。經(jīng)科學(xué)家測(cè)試，雷達(dá)在距離 F-117A 飛機(jī) 600 米時(shí)，就已完全接收不到它發(fā)出的信號(hào)。中國(guó) J-20 隱形飛機(jī)殲-20 由中航一集團(tuán)為中國(guó)人民解放軍空軍研制的第五代戰(zhàn)斗機(jī)，屬于重型戰(zhàn)機(jī)，也是隱形戰(zhàn)機(jī)。目前兩架原型機(jī)(#20012002)已經(jīng)建成。殲-20的資料一直被中國(guó)官方保密，直至2010年年底，編號(hào)2001的原型機(jī)從成都飛機(jī)公司132廠(chǎng)的機(jī)場(chǎng)滑行測(cè)試，軍事迷所拍攝高清

26、晰度的照片從多數(shù)軍事網(wǎng)站開(kāi)始流露出來(lái)，預(yù)計(jì)2012年首飛。殲-20據(jù)報(bào)采用兩具俄羅斯117S發(fā)動(dòng)機(jī)，但隱形、巡航性能均不及F-22。美國(guó)估計(jì)殲-20將于10年內(nèi)量產(chǎn)。 揚(yáng)子晚報(bào)2001年6月12日?qǐng)?bào)道：西門(mén)子公司近日發(fā)布消息說(shuō)，該公司所屬的一家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了利用移動(dòng)電話(huà)發(fā)射站對(duì)付隱形飛機(jī)的技術(shù)。這家設(shè)在英國(guó)的研究機(jī)構(gòu) RMR 研究人員發(fā)現(xiàn)，由普通移動(dòng)電話(huà)發(fā)射站、全球定位系統(tǒng)以及由計(jì)算機(jī)連接的若干信號(hào)接收器組成的系統(tǒng)，可以用來(lái)捕捉隱形飛機(jī)。 RMR的科學(xué)家說(shuō)，如果隱形飛機(jī)飛越某一已部署該系統(tǒng)的地區(qū)，移動(dòng)電話(huà)發(fā)射站的信號(hào)接觸飛機(jī)后會(huì)向四處反射，而接收器接收的反射信號(hào)經(jīng)電腦處理后就能判斷出飛機(jī)的準(zhǔn)

27、確位置?？茖W(xué)家認(rèn)為，他們開(kāi)發(fā)的技術(shù)將使“隱形飛機(jī)毫無(wú)用處”。材料科學(xué)家的喜訊?在美國(guó)的航天史上發(fā)生過(guò)三起巨大災(zāi)難1967 年 1 月 27 日：阿波羅號(hào)飛船升空時(shí)爆炸，三名宇航員遇難1986 年 1 月 28 日：挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)升空時(shí)爆炸，包括一名女教師在內(nèi)的宇航員全部遇難2003 年 2 月 1 日：“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)在完成 16 天的太空研究任務(wù)后，在返回大氣層時(shí)突然發(fā)生解體，機(jī)上 7 名宇航員全部遇難 “哥倫比亞號(hào)”是航天飛機(jī)第一次在即將著陸時(shí)發(fā)生的災(zāi)難?？针y發(fā)生后，由美國(guó)宇航局（NASA）組成了由材料和工藝工程師及科學(xué)家組成的調(diào)查組對(duì)飛機(jī)殘骸進(jìn)行了重組、殘骸材料的冶金分析以及模擬

28、試驗(yàn)，分析了航天飛機(jī)爆炸的原因?！案鐐惐葋喬?hào)”航天飛機(jī)的爆炸，震驚了世人，同時(shí)也引起了人們對(duì)材料的關(guān)注，材料分析揭開(kāi)了哥倫比亞空難之謎。 哥倫比亞空難與材料 這張照片是在哥倫比亞號(hào)返回地球的11天前拍攝并傳回的，通過(guò)哥倫比亞號(hào)上隨機(jī)安裝的一架照相機(jī)拍攝。升空時(shí)，從燃料箱腳架處掉下的一塊隔熱泡沫砸到左翼碳碳復(fù)合材料面板下半部附近造成裂縫。而后高溫?zé)犭x子流穿過(guò)此處，使機(jī)翼鋁合金、鐵基合金、鈉基合金結(jié)構(gòu)熔化，導(dǎo)致航天飛機(jī)失控、機(jī)翼破壞和機(jī)體解體。 2005 年 8 月 9 日，美國(guó)的“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)平安著陸。它對(duì)于人類(lèi)今后探索太空、進(jìn)一步發(fā)展載人航天事業(yè)具有重要意義。與此同時(shí)，美國(guó)航天飛機(jī)兩年半來(lái)

29、重返太空的這次首航，在美國(guó)航天界、輿論界及民眾中引發(fā)了對(duì)航天飛機(jī)探測(cè)飛行前景及對(duì)載人飛行安全前所未有的關(guān)注材料科學(xué)研究的內(nèi)容合成與制備Synthesis and Fabrication結(jié) 構(gòu)Structures性 能Properties效能與功能Performance簡(jiǎn)而言之，材料科學(xué)就是研究各種材料的成分與結(jié)構(gòu)、合成與制備加工工藝、性能以及材料在服役過(guò)程中的表現(xiàn)這四個(gè)方面之間相互關(guān)系的科學(xué)。 成分與結(jié)構(gòu)、合成與制備加工工藝、性能以及材料在服役過(guò)程中的表現(xiàn)是材料科學(xué)的四個(gè)基本要素。材料科學(xué)研究的目的則是在這四個(gè)基本要素方面進(jìn)行不懈地努力，以期使材料的發(fā)展更好地為人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步服務(wù)。新方法、新結(jié)

30、構(gòu)、新性能新應(yīng)用是發(fā)展新材料以及材料科學(xué)研究的永恒主題。 材料科學(xué)研究的一般流程新材料的發(fā)展方向 結(jié)構(gòu)功能的復(fù)合化 功能材料的智能化 材料與器件的集成化 制備和使用工程的綠色化 在 3 到 13 世紀(jì)，中國(guó)保持著一個(gè)讓西方人望塵莫及的科學(xué)知識(shí)水平。英國(guó)科學(xué)家 李約瑟CHINA越王勾踐的寶劍青銅編鐘 我國(guó)的材料研究這套編鐘是在洛莊漢墓主墓室北面的14號(hào)陪葬坑內(nèi)出土的。編鐘出土?xí)r排列整齊，可看出當(dāng)時(shí)是掛在架子上埋進(jìn)去的。難能可貴的是，這套編鐘在地下保存得非常完好，出土之后，輕輕擦拭便锃亮如新形成了一支 40 萬(wàn)人的研究與生產(chǎn)隊(duì)伍，其中科研人員近 10 萬(wàn)人。研究單位有 300 多個(gè)，新材料生產(chǎn)工廠(chǎng) 1000 多個(gè)。各類(lèi)大學(xué)有 150 多個(gè)與材料有關(guān)的專(zhuān)業(yè)，畢業(yè)生的數(shù)量與美國(guó)相近。我國(guó)的新材料研究在光學(xué)晶體、有機(jī)分離膜、稀土永磁材料、高溫超導(dǎo)體、準(zhǔn)晶態(tài)研究等方面已取得舉世矚目的成績(jī)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比在總體水平上估計(jì)落后 10 年左右。鋼材和化工有機(jī)合成材料要靠