材料科學(xué)與節(jié)能減排

現(xiàn)在各國(guó)重視可持續(xù)發(fā)展，積極發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，努力建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。中國(guó)是一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國(guó)，節(jié)能減排、清潔發(fā)展是中國(guó)自身發(fā)展的需要，也是中國(guó)應(yīng)該承擔(dān)的國(guó)際義務(wù)，而且中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展浪費(fèi)了大量的材料和能源，急需一些節(jié)能材料、低碳材料、節(jié)能材料。隨著石油、煤、天燃?xì)獾炔豢稍偕茉吹闹饾u減少，溫室效應(yīng)的提升，能源的緊張，環(huán)保材料、低新能源材料、節(jié)能材料、低碳材料、節(jié)能材料等的需要也迫在眉睫。緩解我國(guó)能源資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾，必須立足國(guó)內(nèi)，顯著提高能源資源利用效率。一要堅(jiān)決實(shí)行開(kāi)發(fā)和節(jié)約并舉、把節(jié)約放在首位的方針。鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用節(jié)能降耗的新技術(shù)，對(duì)高能耗、高物耗設(shè)備和產(chǎn)品實(shí)行強(qiáng)制淘汰制度。二要抓緊制定專項(xiàng)規(guī)劃，明確各行業(yè)節(jié)能降耗的標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)和政策措施。抓好重點(diǎn)行業(yè)的節(jié)能節(jié)水節(jié)材工作。鼓勵(lì)發(fā)展節(jié)能環(huán)保型汽車、節(jié)能省地型住宅和公共建筑。三要大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。從資源開(kāi)采、生產(chǎn)消耗、廢棄物利用和社會(huì)消費(fèi)等環(huán)節(jié)，加快推進(jìn)資源綜合利用和循環(huán)利用。積極開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源。四要加強(qiáng)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)管理。整頓和規(guī)范礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)秩序。完善資源開(kāi)發(fā)利用補(bǔ)償機(jī)制和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)補(bǔ)償機(jī)制。五要大力倡導(dǎo)節(jié)約能源資源的生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式，在全社會(huì)形成節(jié)約意識(shí)和風(fēng)氣，加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)低碳材料的應(yīng)用對(duì)節(jié)能減排有著非凡的意義。在建筑中，生態(tài)墻衣、XPS薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)、巖棉、活性生態(tài)漆地板、陶瓷薄板等低碳材料的應(yīng)用為中國(guó)建筑降低了在開(kāi)發(fā)和使用過(guò)程中的能耗，這樣既保護(hù)了環(huán)境又提高了材料的利用率。而在冶金焦生產(chǎn)中，內(nèi)陸鋼公司進(jìn)行了使用配煤及各種低碳材料（細(xì)煤粉、焦粉、石油焦、汽車輪胎、焦油及瀝青）的干餾基礎(chǔ)試驗(yàn)。并以該試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了若干種低碳材料作為配煤添加劑在工業(yè)焦?fàn)t上的應(yīng)用，這樣既降低焦?fàn)t操作費(fèi)用、叉保持焦炭高質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了降低成本、改善操作及資源的有效利用，使得冶金成本和效益提高了不少。運(yùn)用低碳材料的景觀雕塑能夠保護(hù)環(huán)境、節(jié)約材料的社會(huì)生產(chǎn)成本、并具有美學(xué)意義、創(chuàng)新意義和文化意義。節(jié)能環(huán)保材料的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)國(guó)家有著戰(zhàn)略意義，隨著城鎮(zhèn)化比例的不斷升高，城鎮(zhèn)建設(shè)每年新增的住宅建筑面積要達(dá)到10億平方米，而建筑的能源消耗占全社會(huì)能源消耗總量的40%。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的全社會(huì)碳排放總量，房地產(chǎn)及建筑行業(yè)占了30%以上；目前全世界50%的木材消耗是用于中國(guó)的建筑及房地產(chǎn)行業(yè)，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展更需要材料這個(gè)物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的提高，城鄉(xiāng)建筑迅速增加，建筑耗能的問(wèn)題日益突出，資料顯示:建筑行業(yè)能耗占到了全社會(huì)總能耗的40%?50%。因而建筑節(jié)能問(wèn)題已越來(lái)越被政府和社會(huì)各界所重視，“建設(shè)節(jié)約型社會(huì)”已成為當(dāng)今社會(huì)廣泛關(guān)注的一個(gè)重要主題,我國(guó)政府適時(shí)制定了中長(zhǎng)期節(jié)能規(guī)劃，在規(guī)劃中建筑業(yè)被列為節(jié)能與環(huán)保的重點(diǎn)行業(yè)。而建材行業(yè)作為消耗自然資源、能源高，破壞土地多，廢氣、粉塵排放量大對(duì)大氣污染嚴(yán)重的行業(yè),節(jié)能問(wèn)題更是重中之重。因此，節(jié)能減排材料的發(fā)展對(duì)建筑和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大意義。20世紀(jì)70年代人們?cè)巡牧稀⑿畔?、能源歸納為現(xiàn)代文明的三大支柱，現(xiàn)在又預(yù)言新的技術(shù)革命即將來(lái)臨，并且把信息技術(shù)、生物技術(shù)和新型材料作為這次革命的重要標(biāo)志石器青銅器鐵器公元前10萬(wàn)年左右，原始人采用天然的石、木、竹等材料作為工具。史稱“舊石器時(shí)代”公元前6000年，人類發(fā)明了火青銅器時(shí)代（BronzeAge）：巨型司母戊鼎（河南安陽(yáng)晚商遺址）湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍、湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤18世紀(jì)隨著蒸氣機(jī)的發(fā)明，歐洲爆發(fā)了產(chǎn)業(yè)革命，工業(yè)迅猛發(fā)展，推動(dòng)和促進(jìn)了以鋼鐵為中心的金屬材料的大規(guī)模發(fā)展第二次世界大戰(zhàn)后各國(guó)致力于恢復(fù)經(jīng)濟(jì)，發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)材料提出了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、價(jià)格低等一系列新的要求。具有優(yōu)異性能的工程塑料部分代替了金屬材料，合成纖維、合成橡膠、涂料和膠粘劑等都得到了相應(yīng)的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，在世界范圍內(nèi)高新技術(shù)迅猛發(fā)展，各國(guó)展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，都想在生物技術(shù)、信息技術(shù)、空間技術(shù)、能源、海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域占有一席之地。發(fā)展高新技術(shù)的關(guān)鍵往往是材料，因此新型材料的開(kāi)發(fā)本身就成為一種高新技術(shù)。在新材料領(lǐng)域，近年來(lái)相繼在超導(dǎo)材料、生物材料、納米材料等方面取得了較大突破。材料又是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)，特別是先進(jìn)材料的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用反應(yīng)著一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平。1906年，電子管發(fā)明；1946年，ENIAC機(jī)誕生1947年，發(fā)明晶體管；1949年，EDVAC誕生1958年出現(xiàn)集成電路，不久又發(fā)明了微處理器1970年，第一片RAM芯片由Intel推出，容量1KB1978年，Intel推出8088微處理器，集成29000個(gè)晶體管。1982年，80286發(fā)布，集成了13.4萬(wàn)個(gè)晶體管1985年，80386推出，集成27.5萬(wàn)個(gè)晶體管1989年，80486集成120萬(wàn)個(gè)晶體管。1995年，PentiumPro發(fā)布（550萬(wàn)）1999年，Pentium111（2800萬(wàn)，106mm2）杜邦不粘鍋特氟隆第一種：聚乙烯，簡(jiǎn)稱PE。這種材料主要用于食品的包裝第二種：氯乙烯，簡(jiǎn)稱PVC。這種材料也可以用于食品包裝，但它對(duì)人體的安全性有一定的影響。一些超市生鮮產(chǎn)品如蔬菜、水果及熟食包裝卻大量采用PVC保鮮膜第三種：聚偏二氯乙烯，簡(jiǎn)稱PVDC。用于熟食火腿等產(chǎn)品的包裝。光電子材料是指光電子技術(shù)中所用的材料。半導(dǎo)體材料、磁信息儲(chǔ)存材料、信息傳輸材料、敏感元器件材料、光纖通訊材料、光電顯示材料。生態(tài)環(huán)境材料是指那些具有良好的使用性能或功能，并且能夠和環(huán)境相協(xié)調(diào)的料。作為生物體部分功能或形態(tài)修復(fù)的材料稱為生物醫(yī)用材料，簡(jiǎn)稱生物材料。生物醫(yī)用材料主要包括三個(gè)部分：一是硬組織的替代材料，如人工骨、人工牙齒等；二是埋入生物體內(nèi)部的植入材料，如人工血管、人工腎等；三是作為藥物定位的載體，控制藥物的釋放，使之長(zhǎng)效平和。按照材料的組成，生物醫(yī)用材料可分為四類：醫(yī)用金屬和合金；醫(yī)用生物陶瓷；醫(yī)用高分子材料；醫(yī)用復(fù)合生物材料。材料是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民生活水平的重要標(biāo)志，也是一個(gè)時(shí)代的重要標(biāo)志。人類社會(huì)的發(fā)展史事實(shí)上也是一部材料的發(fā)展史，材料與人類的發(fā)展和進(jìn)步息息相關(guān)，材料的每一次重大發(fā)現(xiàn)及其大量制造和使用，推動(dòng)人類社會(huì)向更新更高的階段發(fā)展。幾百萬(wàn)年來(lái)，人類已經(jīng)跨越了石器時(shí)代，青銅器時(shí)代，鐵器時(shí)代，以水泥、玻璃、塑料、橡膠為代表的非金屬時(shí)代，21世紀(jì)將以復(fù)合材料和功能材料為特色。具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)稱為材料。材料包含有四個(gè)要素：材料的制備（加工）、材料的結(jié)構(gòu)、材料的性能和材料的使用性能。這四個(gè)要素是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的。使用性能（物理） —合成/加工（工程沁性質(zhì)（化學(xué)）-結(jié)構(gòu)/成分（物理）金屬材料又分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬通常包括鐵、錳、格以及它們的合金。除黑色金屬以外的其他各種金屬及其合金都稱為有色金屬。為了發(fā)展航空、火箭、宇航、艦艇、能源等新技術(shù)工業(yè)，需要研制具有特殊性能的新型金屬材料。無(wú)機(jī)非金屬材料主要是指硅酸鹽材料，包括陶瓷、玻璃和水泥。新近發(fā)展起來(lái)的特種陶瓷，成分?jǐn)U展到純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。此外半導(dǎo)體材料也屬于無(wú)機(jī)非金屬材料。高分子材料是一類合成材料，主要有塑料、合成纖維和合成橡膠，此外還有涂料和膠粘劑等。這類材料具有優(yōu)異的性能，如較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性、耐腐蝕、不導(dǎo)電等，發(fā)展速度很快，已部分取代了金屬材料。合成具有特殊性能的高分子材料是其發(fā)展方向。復(fù)合材料是由金屬材料、陶瓷材料和高分子材料復(fù)合組成的。復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛性和耐腐蝕性等比單一材料更為優(yōu)越，是一類具有廣闊應(yīng)用發(fā)展前景的新型材料。最初，各種材料的發(fā)展是分別進(jìn)行，互不相關(guān)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)不斷深化，積極吸取了近代物理、化學(xué)，特別是固體物理、量子化學(xué)等基礎(chǔ)理論并應(yīng)用各種先進(jìn)分析儀器和尖端技術(shù)來(lái)研究和闡明材料的本性，為認(rèn)識(shí)材料的性能一一結(jié)構(gòu)一一應(yīng)用之間的關(guān)系和探索新材料提供了理論基礎(chǔ)。這樣就在各種基礎(chǔ)學(xué)科的滲透和現(xiàn)代科學(xué)儀器的幫助下，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始形成了一門新的綜合性學(xué)科——材料科學(xué)。材料科學(xué)是一門以材料為研究對(duì)象，介于基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。材料科學(xué)的內(nèi)容：一是從化學(xué)的角度出發(fā)，研究材料的化學(xué)組成、鍵性、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系規(guī)律；二是從物理學(xué)角度出發(fā)，闡述材料的組成原子、分子及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與各種物性之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上為材料的合成、加工工藝及應(yīng)用提出科學(xué)依據(jù)。材料科學(xué)的主要任務(wù)是以現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科理論為基礎(chǔ)，從電子、原子分子間結(jié)合力、晶體及非晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、結(jié)構(gòu)缺陷等觀點(diǎn)研究材料的各種性能以及材料在制造和應(yīng)用過(guò)程中的行為，了解結(jié)構(gòu)一一，性能一一應(yīng)用之間的規(guī)律關(guān)系，提高現(xiàn)有材料的性能，發(fā)揮材料的潛力，并能動(dòng)地探索和發(fā)展新型材料以滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展對(duì)材料日益增長(zhǎng)的需求。-現(xiàn)貌描述褂學(xué)性問(wèn)題一-物質(zhì)會(huì)成-物質(zhì)表征-材料制備技術(shù)性向鹿 物性測(cè)試-應(yīng)用自然界中存在的94多種化學(xué)元素中有2/3是金屬（72種），20世紀(jì)中幾乎所有的金屬都被研究過(guò)。金屬材料在工程中一直是最重要的材料。大約公元前5000年，人類進(jìn)入銅器時(shí)代（銅、青銅、黃銅等）；公元前1200年又進(jìn)入鐵器時(shí)代。此外，還出現(xiàn)了金、銀等貴金屬，人們將其作為貨幣、首飾等。與此對(duì)應(yīng)的銅、鐵、鉛等稱為“賤金屬”，并由此誕生了“煉金術(shù)”，客觀上推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步。從中世紀(jì)到工業(yè)革命時(shí)期，金屬生產(chǎn)向著規(guī)?；姆较虬l(fā)展。（高爐煉鐵、煉鋼、電的產(chǎn)生和使用）19世紀(jì)末到20世紀(jì)中葉，是金屬鋼和其它金屬材料飛速發(fā)展的時(shí)代，超高強(qiáng)度鋼、工具鋼、不銹鋼等相繼研究成功。金屬優(yōu)點(diǎn)：力學(xué)性能（如強(qiáng)度、塑性、韌性等）堪稱“全能冠軍”。既耐熱，又耐寒。金屬材料的有出色的工藝性能。金屬有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和鐵磁性，在電力電子等行業(yè)有不可替代的作用。金屬材料可分為兩大家：鋼鐵和有色金屬（非鐵合金）。目前世界的鋼鐵總年產(chǎn)量約8億噸，而有色金屬年產(chǎn)量約為5000萬(wàn)噸，鋼鐵產(chǎn)量約占金屬總量的94%。鋼鐵是金屬材料的主力軍，但非鐵金屬由于它們的特殊性能，在工業(yè)占仍有不可替代的重要用途。鋼鐵——現(xiàn)代工業(yè)化的基礎(chǔ)。鋼鐵是鐵和碳的合金體系總稱。鋼鐵中含碳量大于2%的叫生鐵，小于0.02%的叫純鐵，在這兩者之間的稱為鋼。鋼中含碳量大于0.25%的稱低碳鋼，介于0.25%~0.60%的稱中碳鋼，大于0.60%的稱為高碳鋼目的加入各種適量合金元素（常用的有Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、B等），就形成形形色色的合金鋼或合金鑄鐵。所謂煉鋼，其實(shí)質(zhì)是控制生鐵中含碳量達(dá)到鋼的要求，同時(shí)除去危害鋼的性能的一些雜質(zhì)，如S、P等。若要想得到特殊性能的合金鋼，當(dāng)然還要加入一些其他金屬。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和中等發(fā)達(dá)國(guó)家的人均年鋼產(chǎn)量在300kg/人以上。鋼鐵應(yīng)用九大領(lǐng)域：電力系統(tǒng)中的工業(yè)鍋爐、高壓鍋爐及其熱交換管道，發(fā)電機(jī)中的大型篆字和葉輪，變壓器的鐵芯；汽車工業(yè)：根據(jù)美國(guó)的一份調(diào)查，美國(guó)平均美臺(tái)車消耗的材料；機(jī)床與工程機(jī)械，包括起重機(jī)、挖掘機(jī)、拖拉機(jī)；鐵路（鋼軌）與橋梁；船舶和海上鉆井平臺(tái)。它們對(duì)鋼材的強(qiáng)度、韌性和耐海水腐蝕都有很高的要求；兵器：包括坦克、大炮、槍械；石油開(kāi)采機(jī)械、輸油管道和泵站；化工壓力容器、反應(yīng)釜和管道，其中不銹鋼、耐熱鋼等特殊鋼用量很大；建筑鋼筋和構(gòu)架。鑄鐵：含碳量在1.8%?4.0%之間，多數(shù)鑄鐵中的碳以石磨形式存在，石墨的形狀對(duì)性能影響較大。鑄鐵有很高的耐壓強(qiáng)度、耐蝕性和良好的鑄造性、消振性和切削性，而且價(jià)格低廉，工業(yè)應(yīng)用十分廣泛。加入不同的合金元素可鑄成耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵和耐磨鑄鐵等，在可能的條件下“以鐵代鋼，以鑄代鍛”可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，一直是工業(yè)生產(chǎn)中的趨勢(shì)之一。碳素鋼：含碳量在0.10%?1.3%之間，隨含碳量增加，強(qiáng)度硬度提高，塑性韌性和可焊性下降。低碳鋼（0.10%?0.25%C）用作大型構(gòu)件；中碳鋼（0.25%?0.55%C）強(qiáng)度、塑韌性綜合性能高，做一般機(jī)械零件；含碳0.6%?0.7用于彈簧；高碳鋼（0.6%?0.7）硬度高，用做工具。碳素鋼用平爐或轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，生產(chǎn)量很大，用量也很大。合金鋼：合金結(jié)構(gòu)鋼：在中碳鋼中加入少量合金元素，主要是提高強(qiáng)度，增加使用可靠性，滿足特殊場(chǎng)合的使用要求。如滲碳鋼、氮化鋼、超強(qiáng)鋼等。合金工具鋼：在高碳鋼中加入適量合金元素，進(jìn)一步提高其硬度和耐磨性，作為工具材料占有重要的地位。如刃具鋼、模具鋼、軸承鋼等。特殊鋼：包括不銹鋼、耐熱鋼、低溫鋼、耐磨鋼等。如不銹鋼主要是在表面加入合金元素鉻（12%以上），在表面形成一層致密鈍化層，使耐蝕性提高。世界有色金屬生產(chǎn)的構(gòu)成中，鋁、銅、鉛、鋅四種占總量的95%以上。我國(guó)有色金屬居第四，人均第50。鋁合金：鋁是最重要的、最有特色的有色金屬，其主要特點(diǎn)是：密度低；抗大氣腐蝕；優(yōu)良的導(dǎo)電性；比強(qiáng)度高；良好的加工性能。在從日常用品到汽車、航空材料等各行業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。鈦合金：輕合金中的又一佼佼者，密度小、強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕，在航空航天及其它領(lǐng)域中具有主要用途。鎂合金：比重輕，減震能力強(qiáng)，在航空航天領(lǐng)域有重要應(yīng)用。鍍合金：尺寸穩(wěn)定，慣性低，用于航天；比熱大，用于散熱片和飛行器頭部；熱中子吸收截面低，用于核工業(yè)。銅合金：包括黃銅、青銅、白銅等，用于機(jī)械、儀表、電機(jī)、化工、造船、汽車等工業(yè)。鋅合金：用于電池鋅板，照相和膠印印刷，鑄造溫度低用于模具和儀表零件等。鎳合金：高溫強(qiáng)度高，用于航空、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和核反應(yīng)堆等。錳合金：減振性能好，用于潛艇螺旋槳、鉆桿等。低熔點(diǎn)合金：鉛（熔點(diǎn)327°C）、錫（232°C）、鎘（321°C）、鉍（271°C）等及其合金，用于保險(xiǎn)絲、熔斷器、焊料等。難熔金屬：鎢合金（熔點(diǎn)3407C），用于電光源材料、電子發(fā)射材料，軍事上用作穿甲彈；鉬合金（2610C）、鈮合金（2477C）、鉭合金（2985C），在飛機(jī)、宇航、核工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。貴金屬：包括金（Au）、銀（Ag）、鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）、銥（Ir）等。有艷麗的光澤，耐腐蝕，可用于裝飾品等。稀土金屬：稀土包括15個(gè)鑭系元素，以及鈧、釔共17種元素。在世界上分布相對(duì)集中在中國(guó)、美國(guó)、印度、澳大利亞、前蘇聯(lián)和巴西。我國(guó)稀土資源占世界儲(chǔ)量的80%左右。目前稀土已在金屬加工、永磁材料、生命科學(xué)、發(fā)光材料、高溫超導(dǎo)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。電熱合金：用于制造電熱器發(fā)電體，把電能轉(zhuǎn)化為熱能，如鐵基或鎳基材料。熱電偶：主要材料及其最高使用溫度如下：鉑-鉑銠合金（1800C）、鎳鉻-鎳硅合金（1300°C）、鎳鉻-鎳銅（900°C）、銅-鎳銅（400C）等。精密電阻：電阻隨溫度變化小，穩(wěn)定性高，用于精密儀器。彈性合金、膨脹合金等。有機(jī)高分子材料和金屬以外的固體材料都屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，范圍很廣。無(wú)機(jī)非金屬材料大都具有熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化、耐腐蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)良性能，有些無(wú)機(jī)非金屬材料還具有某些獨(dú)特的性能而作為功能材料使用。水泥是當(dāng)前工業(yè)中用量最大的材料。目前全世界的水泥年產(chǎn)量達(dá)數(shù)億噸，我國(guó)年產(chǎn)量列世界第一。最常用的的硅酸鹽水泥是由石灰?guī)r、粘土和鐵礦石為原料，按一定比例混和并磨細(xì)成所謂生料，經(jīng)1450C的高溫煅燒成為熟料，然后加入一定量的石膏后再次細(xì)磨即為水泥。這一過(guò)程可概括為“兩磨一燒”。水泥加水形成膠體，靜止一段時(shí)間可自動(dòng)凝固形成堅(jiān)硬的固體。耐火材料：能夠滿足高溫條件下使用要求的無(wú)機(jī)非金屬材料，即在高溫使用下不熔融、不分解、不氧化變質(zhì)，并具有一定牢固性，通常規(guī)定其耐火度在1580°C。耐火材料品種繁多，按其化學(xué)-礦物組成可分為硅質(zhì)制品。硅酸鋁質(zhì)制品、鎂質(zhì)和白云石質(zhì)制品、磚質(zhì)制品、鋯質(zhì)制品等。為滿足近代工業(yè)需要還研制了多種使用高純度的人工合成原料制成的高級(jí)耐火材料。早在3500年前，古埃及創(chuàng)造了玻璃工業(yè)，這是西方古代文明的象征之一。玻璃也屬于硅酸鹽系列，不過(guò)這種物質(zhì)的熱點(diǎn)比較低，在熔點(diǎn)附近粘度大大降低，逐漸成為液態(tài)，然后以較快的速度冷下來(lái)，便形成透明、非晶態(tài)的固態(tài)材料。玻璃具有優(yōu)良的光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可以通過(guò)化學(xué)組成的調(diào)整和各種處理工藝來(lái)大幅度地改變其物理和化學(xué)性能，以適應(yīng)多種不同的實(shí)用要求。陶瓷材料大體可分為兩大類傳統(tǒng)陶瓷：主要指黏土制品。以天然的硅酸鹽礦物為原料經(jīng)粉碎、成形、燒結(jié)制成的產(chǎn)品均屬傳統(tǒng)陶瓷。包括日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、化工陶瓷等。特種陶瓷：以高純化工原料和合成礦物為原料，沿用傳統(tǒng)陶瓷的工藝流程制備，具有各種特殊力學(xué)、物理或化學(xué)性能的陶瓷。如電子陶瓷、光學(xué)陶瓷、高硬陶瓷等。工程陶瓷：氧化鋁陶瓷（耐磨零件、高溫部件等），氮化硅陶瓷（優(yōu)良的高溫力學(xué)性能），碳化硅陶瓷（在航空航天、原子能、化工等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用）。功能陶瓷：通過(guò)光、電、磁、聲、熱、彈性等直接效應(yīng)和耦合效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)某種特殊功能的先進(jìn)陶瓷材料。如絕緣陶瓷、電介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、光學(xué)功能陶瓷、生物功能陶瓷等。20世紀(jì)初，隨著電力的普及和大規(guī)模應(yīng)用，開(kāi)始出現(xiàn)新型陶瓷材料，如剛玉、氮化硅等。1948年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料，因此產(chǎn)生和推動(dòng)了微電子和計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。1958年提出激光原理，1960年用紅寶石發(fā)生激光成功，1966年利用石英玻璃做成光纖。高分子材料獲得迅猛發(fā)展的原因：高分子材料本身具有十分優(yōu)良的性能，如比重輕，強(qiáng)度高；絕緣性和絕熱性好；耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性好；光學(xué)性質(zhì)好；耐磨、自潤(rùn)滑性能好；加工性能優(yōu)，能耗小。高分子材料的資源非常豐富，原料價(jià)格十分低廉。煉油廠從石油中提煉了汽油、柴油和潤(rùn)滑油等后無(wú)法直接利用的廢氣和重油，焦炭廠煉焦時(shí)產(chǎn)生的廢氣和焦油都是生產(chǎn)高分子最好的原料。這使得高分子生產(chǎn)和加工所需的投資和成本都比其它材料低，有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)高分子的來(lái)源，可將其分為天然高分子、人造高分子和合成高分子；根據(jù)用途則可分為塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑和功能高分子。辯證地看待“回歸自然”與合成高分子的關(guān)系：自然界存在的天然高分子化合物的發(fā)展受到自然條件的限制，在數(shù)量和質(zhì)量上都不能滿足人類社會(huì)飛速發(fā)展的需要。合成高分子的出現(xiàn)是對(duì)人類資源的綜合利用，更有利于經(jīng)濟(jì)的綜合、平衡發(fā)展。另一方面，應(yīng)成分認(rèn)識(shí)到合成高分子對(duì)環(huán)境的影響。塑料的主要用途：包裝和建筑材料。橡膠是一類具有高彈性的高分子材料，拉伸時(shí)能伸長(zhǎng)到原長(zhǎng)的幾倍，拉力撤除后又能恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。橡膠分為天然橡膠和合成橡膠。1938年第一個(gè)化學(xué)纖維廠投產(chǎn)，生產(chǎn)尼龍一66。合成纖維具有比天然纖維和人造纖維更優(yōu)越的性能：強(qiáng)度高大、彈性好；耐磨、耐化學(xué)腐蝕性好；不會(huì)發(fā)霉，不怕蟲(chóng)蛀；不縮水；做成的衣服美觀，堅(jiān)固耐用。制備纖維的聚合物必須具備如下條件：很好的防絲性性；較高的強(qiáng)度；較好的耐熱性；較好的手感、吸濕性、染色性、抗腐蝕和抗霉變性。最主要的合成纖維有三種：滌綸（聚酯纖維），是最挺括的纖維；錦綸（聚酰胺纖維），最結(jié)實(shí)耐磨的纖維；月青綸（聚丙烯腈纖維），最耐曬的纖維。涂料是一種液態(tài)或粉末狀態(tài)能均勻涂覆在物體的表面并形成堅(jiān)韌保護(hù)膜的材料。涂料具有保護(hù)、裝飾、色彩標(biāo)志作用，某些涂料還具有防腐、殺菌等特殊功能。涂料的主要組分有：成膜物、溶劑、顏料和填料、助劑等。涂料的品種非常繁多，有溶劑型涂料、高固含量涂料、無(wú)溶劑輻射固化涂料及粉末涂料等。凡能把同種的或不同種的固體材料表面連接在一起的物質(zhì)統(tǒng)稱為膠粘劑。如自行車補(bǔ)胎用的膠水，信封封口用的糨糊等。膠粘劑的品種很多，組成不一，但一般都包含以下幾種組分：基料、固化劑、溶劑、填以及其他助劑。膠黏劑種類：溶劑型膠粘劑：如市售的“白膠”，廣泛應(yīng)用于家庭裝潢和木材的粘接；再如，儀器的塑料外殼破裂或損壞，將碎片溶于少量有機(jī)溶劑中，再涂在斷口處并壓緊即可修補(bǔ)。熱固性高分子樹(shù)脂膠粘劑：如用于木材的脲醛樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂；用于船體、水壩補(bǔ)漏或飛機(jī)、導(dǎo)彈等粘接的環(huán)氧樹(shù)脂；用于粘接塑料、皮革等的聚氨酯等。橡膠膠粘劑：如補(bǔ)車胎的膠水，房屋建筑防水密閉用的硅橡膠密封膠。壓敏膠粘劑：如包裝封口用的壓箱帶、作文具用的壓敏膠帶、商場(chǎng)的壓敏標(biāo)簽等。所謂能源指的是提供能量的自然資源。凡是能提供某種形式能量的物質(zhì)，或是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)稱為能源。它是人類取得能量的來(lái)源，包括已開(kāi)采出來(lái)的可供使用的自然資源與經(jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)移的能量的來(lái)源。自然界中以現(xiàn)成形式提供的能源稱為一次能源，需依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二次能源。一級(jí)能源：（燃）煤、石油、薪柴、天然氣（非燃）水力、鈾、風(fēng)力；二級(jí)能源：（燃）汽油、酒精、液化氣、煤氣非燃）熱水、蒸汽、電。常規(guī)能源：在一定歷史時(shí)期和科學(xué)水平下，已被人們廣泛利用的能源稱為常規(guī)能源，如煤、石油、天然氣、水能等；新能源：隨著科技的不斷發(fā)展，才開(kāi)始被人類采用先進(jìn)的方法加以利用的古老能源以及新發(fā)展的利用先進(jìn)技術(shù)所獲得的能源都是新能源，如:核聚變能、用以發(fā)電的風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等。再生能源：可連續(xù)再生、持續(xù)利用的一次能源稱為可再生能源，如水力、風(fēng)能等；非再生能源：經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年形成的、短期內(nèi)無(wú)法恢復(fù)的能源，稱之為非再生能源，如：石油、煤、天然氣等。我國(guó)進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，能源的生產(chǎn)量略小于消費(fèi)量。在能量消費(fèi)總量中，煤占70%~80%，因此煤是我國(guó)的主要能源。近年來(lái)，煤的比重有所下降，天然氣保持在2%左右?？偟膩?lái)看，我國(guó)能源有以下特點(diǎn)：資源總量豐富，但人均不足。我國(guó)是世界第三大能源生產(chǎn)國(guó)和第二大能源消耗國(guó)。煤炭、石油和天然氣人均占有量只有95噸，是世界平均值的1/2。能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理。電能消費(fèi)比例低，非商品生物能源比例高。我國(guó)煤炭人均資源是全世界平均人均的50%，而石油只有10%；我國(guó)人年均能源消耗是1000公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，而美國(guó)是11000公斤。從火的發(fā)現(xiàn)到18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命期間，樹(shù)枝雜草一直是人類使用的主要能源。柴草不僅能燒烤食物，還可以用來(lái)燒制陶器和冶煉金屬。陶器是人類利用火制造出來(lái)的第一種自然界不存在的材料。世界古文明的發(fā)源地都在新石器時(shí)代中出現(xiàn)過(guò)陶器?；茉匆灰幻禾浚禾康拈_(kāi)采始于13世紀(jì)，1769年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，煤炭作為蒸汽機(jī)的動(dòng)力之源而受到關(guān)注。煤是發(fā)熱量很高的一種固體燃料。在燃燒煤的過(guò)程中，會(huì)排放出大量的二氧化碳及有毒的二氧化硫.二氧化碳的增多會(huì)導(dǎo)致全球變暖。二氧化硫會(huì)形成酸霧隨雨雪降落，形成酸雨。煤中含有的多環(huán)芳烴產(chǎn)生的煤煙會(huì)隨雨水降落到水體中，造成是的有機(jī)污染。我國(guó)SO2排放量為世界第一；CO2排放量?jī)H次于美國(guó)，為世界第二。煤的綜合利用1、煤的干餾：把煤隔絕空氣加強(qiáng)熱使它分解的過(guò)程，叫煤的干餾。2、煤的氣化：煤在氧氣不足的情況下部分氧化，使煤中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為H2、CH4、CO等氣體物質(zhì)。3、煤的液化：把煤加熱裂解，并在催化劑作用下加氫，得到多種燃料油。（人造石油）到60年代初期，石油的消耗比例開(kāi)始超過(guò)煤炭而居首位。中國(guó)目前探明油、氣儲(chǔ)量占世界總量的3.7%和1.96%，人均石油擁有量只有12%和4%。因此，維持產(chǎn)量穩(wěn)定和提高后備儲(chǔ)量的意義十分重大。石油儲(chǔ)量分為地質(zhì)儲(chǔ)量和可采儲(chǔ)量。一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度與消耗石油有關(guān)，石油還決定了戰(zhàn)爭(zhēng)的速度。利用天然氣作燃料與煤相比，可減少SO2、粉塵排放量近100%，可減少NOX排放量50%、CO2排放量60%?！熬G色能源”風(fēng)吹全球可再生資源----綠色能源?太陽(yáng)能?地?zé)崮?風(fēng)能?海洋能?核能?生物質(zhì)能世界核能發(fā)電占全部電量1/4，解決能源危機(jī)根本途一一核能：可開(kāi)發(fā)的核裂變?nèi)剂腺Y源使用上千年。核聚變資源可使用幾億年。?裂變?聚變?取之不盡?價(jià)格低廉?不污染環(huán)境?可直接轉(zhuǎn)化電能要發(fā)生核聚變反應(yīng)，必須具備兩個(gè)條件：1、在一定的空間范圍內(nèi)要有足夠多的輕原子核2、必須使反應(yīng)溫度超過(guò)所謂“引燃溫度”。氘一氤反應(yīng)的引爆溫度為109K。⑴聚變能電站氘燃料取之不盡、用之不竭。⑵燃料價(jià)格低廉。⑶不污染環(huán)境，運(yùn)行安全可靠。⑷與裂變相比，其放射性是微乎其微的，它還消化裂變的污染源，幾乎沒(méi)有廢料；⑸可直接轉(zhuǎn)化成電能等。是人類最理想的能源。首先，聚變反應(yīng)不產(chǎn)生裂變碎片其次，聚變反應(yīng)堆不象裂變反應(yīng)堆那樣存在著偏離額定值的所謂功率聚增（Micleavexcursion）事故，也不存在象钚那樣轉(zhuǎn)變?yōu)楹宋淦鞑牧系膯?wèn)題。再次，氘一氤聚變反應(yīng)堆的熱利用率為50%?60%，它的熱污染問(wèn)題較其它任何發(fā)電方法少。還可以不通過(guò)蒸汽回路直接利用聚變能發(fā)電。新材料的作用：新材料把原來(lái)習(xí)用已久的能源變成新能源；一些新材料可提高儲(chǔ)能和能量轉(zhuǎn)化效果；新材料決定著核反應(yīng)堆的性能與安全性；材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作與加工工藝決定著新能源的投資與運(yùn)行成本。新能源材料的任務(wù)及面臨的課題：研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)以提高能量的利用效率與轉(zhuǎn)換效率。能源的合理利用。安全與環(huán)境保護(hù)材料規(guī)模生產(chǎn)的制作與加工工藝延長(zhǎng)材料的使用壽命。一些主要的新能源材料：金屬氫化物鎳電池材料、鋰離子二次電池材料、燃料電池材料、太陽(yáng)能電池材料、核能材料?；瘜W(xué)電池基本原理：利用物質(zhì)的變換，即某一物質(zhì)消失就另外生成一種物質(zhì)的觀念，將其化學(xué)變換所產(chǎn)生的電能加以利用。西元1799年，伏打畿表伏打雷池。紐扣雷池：氧化汞、氧化金艮等高能量密度雷池，用于照相檄、助聘器、手表用。目前，世界各國(guó)都投入極大的人力和物力來(lái)發(fā)展新型二次電池技術(shù)，并形成以下研究熱點(diǎn)：儲(chǔ)氫材料及金屬氫化物鎳電池；鋰離子嵌入材料及液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池；聚合物電解質(zhì)鋰蓄電池或鋰離子電池。推動(dòng)這些熱點(diǎn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的推動(dòng)力有：信息技術(shù)的發(fā)展，特別是移動(dòng)通信及筆記本電腦等的迅速發(fā)展；環(huán)境保護(hù)呼聲愈來(lái)愈高；全世界天然能源正不斷消耗并終將枯竭；航天領(lǐng)域和現(xiàn)代化武器制備對(duì)高性能二次電池的需求非常迫切。為了在手機(jī)和筆記本電腦與與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)，近幾年來(lái)，Ni/MH電池的技術(shù)不斷得到改進(jìn)，產(chǎn)品性能不斷提高。手機(jī)和移動(dòng)通訊設(shè)備對(duì)電源要求：小巧、輕薄、便攜和移動(dòng)、高能量密度，高電壓輸出、長(zhǎng)循環(huán)壽命，反復(fù)多次使用、安全性，可靠性。金屬鋰是比容量最高的負(fù)極材料。鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)：1.工作電壓高2.能量密度高3.自放電速率低4.循環(huán)壽命長(zhǎng)5.無(wú)記憶效應(yīng)6.環(huán)保缺點(diǎn)：1.快充放電性能差、大電流放電特性不理想2.價(jià)格偏高3.過(guò)充放電保護(hù)問(wèn)題氫一理想能源：普遍存在%宇宙質(zhì)量 9000倍化石燃料、燃燒性能好、燃燒熱值最高（1.21~1.43）X105kJ/kgH2汽油的3倍焦碳的4.5倍、無(wú)毒、無(wú)污染一清潔能源、導(dǎo)熱性最好的氣體——熱泵、存在形式多樣。我國(guó)首輛燃料電池混合動(dòng)力轎車“超越一號(hào)”，03.8月7日在同濟(jì)大學(xué)校園奔馳，接受國(guó)家科技部的驗(yàn)收。由東風(fēng)汽車公司和武漢理工大學(xué)合作聯(lián)合研發(fā)的東風(fēng)燃料電池電動(dòng)汽車“楚天一號(hào)”通過(guò)專家組驗(yàn)收。這是繼上海研制的“超越號(hào)”之后，我國(guó)研發(fā)成功的第二臺(tái)燃料電池轎車型樣車。太陽(yáng)能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來(lái)自太陽(yáng)能，廣義地說(shuō)，太陽(yáng)能包含以上各種可再生能源。太陽(yáng)能作為可再生能源的一種，則是指太陽(yáng)能的直接轉(zhuǎn)化和利用。資源豐富：40分鐘照射地球輻射的能量=全球人類一年的能量需求潔凈能源：與石油、煤炭等礦物燃料不同，不會(huì)導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，也不會(huì)造成環(huán)境污染使用方便：同水能、風(fēng)能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。太陽(yáng)能利用的重要途徑之一是研制太陽(yáng)能電池！經(jīng)濟(jì)效益（偏遠(yuǎn)島嶼、緊急發(fā)電成本投資回收）環(huán)保效益（降低石化燃料的CO2、NOx、SOx污染）節(jié)能效益（以自然能源替代石化燃料、建立自主能源）社畬效益（疏解尖峰、緊急救災(zāi)用電之社畬效益）產(chǎn)業(yè)效益（創(chuàng)造高科技產(chǎn)業(yè)及就業(yè)機(jī)會(huì)）1956年第一彳固太陽(yáng)能電池制作成功。1958年開(kāi)始太空應(yīng)用（GaAs）。1970年開(kāi)始太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)地面應(yīng)用（Si）（能源危機(jī)）。1980年消費(fèi)性薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)用（a-Si,CdS/CdTe）。1990年與公用電力并聯(lián)之太陶光發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)成熟（Grid-ConnectedPVSystem,Si）（電力電子技術(shù)）。1992年起歐、美、日各國(guó)推動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)之襦助獎(jiǎng)勵(lì)政策。2000年建材一體型太陽(yáng)能電池應(yīng)用（BIPV）。材料是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民生活水平的重要標(biāo)志，也是一個(gè)時(shí)代的重要標(biāo)志。人類社會(huì)的發(fā)展史事實(shí)上也是一部材料的發(fā)展史，材料與人類的發(fā)展和進(jìn)步息息相關(guān)，材料的每一次重大發(fā)現(xiàn)及其大量制造和使用，推動(dòng)人類社會(huì)向更新更高的階段發(fā)展。幾百萬(wàn)年來(lái)，人類已經(jīng)跨越了石器時(shí)代，青銅器時(shí)代，鐵器時(shí)代，以水泥、玻璃、塑料、橡膠為代表的非金屬時(shí)代，21世紀(jì)將以復(fù)合材料和功能材料為特色。材料是指人類利用化合物的某些功能來(lái)制作物件時(shí)用的化學(xué)物質(zhì)。作為材料，必須具備如下特點(diǎn)：一定的組成、可加工性、現(xiàn)狀保持性、使用性能、經(jīng)濟(jì)性、再生性。從以上的分析可見(jiàn)，材料與物質(zhì)是兩個(gè)不同的概念，材料總是和一定的用場(chǎng)相聯(lián)系的。材料按用途可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料主要是利用材料的力學(xué)和理化性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、工程建設(shè)、交通運(yùn)輸和能源等各個(gè)工業(yè)部門。功能材料則利用材料的熱、光、電、磁等性能，用于電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新技術(shù)領(lǐng)域。功能材料的最新發(fā)展是智能材料。材料按化學(xué)組成的不同，可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料。金屬材料又分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬通常包括鐵、錳、鉻以及它們的合金。除黑色金屬以外的其他各種金屬及其合金都稱為有色金屬。產(chǎn)量最大的金屬材料是鋼鐵。無(wú)機(jī)非金屬材料主要是指硅酸鹽材料，包括陶瓷、玻璃和水泥。新近發(fā)展起來(lái)的特種陶瓷，成分?jǐn)U展到純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。此外半導(dǎo)體材料也屬于無(wú)機(jī)非金屬材料。高分子材料是一類合成材料，主要有塑料、合成纖維和合成橡膠，此外還有涂料和膠粘劑等。這類材料具有優(yōu)異的性能，如較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性、耐腐蝕、不導(dǎo)電等，發(fā)展速度很快，已部分取代了金屬材料。合成具有特殊性能的高分子材料是其發(fā)展方向。復(fù)合材料是由金屬材料、陶瓷材料和高分子材料復(fù)合組成的。復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛性和耐腐蝕性等比單一材料更為優(yōu)越，是一類具有廣闊應(yīng)用發(fā)展前景的新型材料。材料是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是與人類社會(huì)的發(fā)展、進(jìn)步密切相關(guān)的。最初，各種材料的發(fā)展是分別進(jìn)行，互不相關(guān)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)不斷深化，積極吸取了近代物理、化學(xué)，特別是固體物理、量子化學(xué)等基礎(chǔ)理論并應(yīng)用各種先進(jìn)分析儀器和尖端技術(shù)來(lái)研究和闡明材料的本性，為認(rèn)識(shí)材料的性能一一結(jié)構(gòu)——應(yīng)用之間的關(guān)系和探索新材料提供了理論基礎(chǔ)。這樣就在各種基礎(chǔ)學(xué)科的滲透和現(xiàn)代科學(xué)儀器的幫助下，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始形成了一門新的綜合性學(xué)科——材料科學(xué)。材料科學(xué)是一門以材料為研究對(duì)象，介于基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。材料科學(xué)的內(nèi)容：一是從化學(xué)的角度出發(fā)，研究材料的化學(xué)組成、鍵性、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系規(guī)律；二是從物理學(xué)角度出發(fā)，闡述材料的組成原子、分子及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與各種物性之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上為材料的合成、加工工藝及應(yīng)用提出科學(xué)依據(jù)。材料科學(xué)的主要任務(wù)是以現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科理論為基礎(chǔ)，從電子、原子分子間結(jié)合力、晶體及非晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、結(jié)構(gòu)缺陷等觀點(diǎn)研究材料的各種性能以及材料在制造和應(yīng)用過(guò)程中的行為，了解結(jié)構(gòu)一一，性能一一應(yīng)用之間的規(guī)律關(guān)系，提高現(xiàn)有材料的性能，發(fā)揮材料的潛力，并能動(dòng)地探索和發(fā)展新型材料以滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展對(duì)材料日益增長(zhǎng)的需求。金屬材料：自然界中存在的94多種化學(xué)元素中有2/3是金屬（72種），20世紀(jì)中幾乎所有的金屬都被研究過(guò)。金屬材料在工程中一直是最重要的材料。鋼鐵是鐵和碳的合金體系總稱。鋼鐵中含碳量大于2%的叫生鐵，小于0.02%的叫純鐵，在這兩者之間的稱為鋼。鋼中含碳量大于0.25%的稱低碳鋼，介于0.25%~0.60%的稱中碳鋼，大于0.60%的稱為高碳鋼。所謂煉鋼，其實(shí)質(zhì)是控制生鐵中含碳量達(dá)到鋼的要求，同時(shí)除去危害鋼的性能的一些雜質(zhì)，如S、P等。若要想得到特殊性能的合金鋼，當(dāng)然還要加入一些其他金屬。鋼鐵的九大應(yīng)用領(lǐng)域：電力系統(tǒng)中的工業(yè)鍋爐、高壓鍋爐及其熱交換管道，發(fā)電機(jī)中的大型篆字和葉輪，變壓器的鐵芯；汽車工業(yè)；機(jī)床與工程機(jī)械，包括起重機(jī)、挖掘機(jī)、拖拉機(jī)；鐵路（鋼軌）與橋梁；船舶和海上鉆井平臺(tái)，它們對(duì)鋼材的強(qiáng)度、韌性和耐海水腐蝕都有很高的要求；兵器：包括坦克、大炮、槍械；石油開(kāi)采機(jī)械、輸油管道和泵站；化工壓力容器、反應(yīng)釜和管道，其中不銹鋼、耐熱鋼等特殊鋼用量很大；建筑鋼筋和構(gòu)架。無(wú)機(jī)非金屬材料:有機(jī)高分子材料和金屬以外的固體材料都屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，范圍很廣。無(wú)機(jī)非金屬材料大都具有熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化、耐腐蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)良性能，有些無(wú)機(jī)非金屬材料還具有某些獨(dú)特的性能而作為功能材料使用。這里主要介紹陶瓷、水泥和玻璃等材料。納米材料：納米（Nanometer）又稱毫微米，是一種長(zhǎng)度單位.把1米分成10億份，每一份就是1納米（1nm=10-9m）。1982年，一種奇特的顯微鏡（掃描隧道顯微鏡）發(fā)明后，便誕生了一門以0.1至100納米尺度空間為研究對(duì)象的前沿學(xué)科，也就是研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性的高新學(xué)科，它就是納米科技。蛋白質(zhì)、DNA、RNA、病毒，都在1~100nm的范圍，光合作用在“納米車間”進(jìn)行，細(xì)胞中的一些結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞象一個(gè)“納米工廠”蓮花荷葉出污泥而不染：“荷葉效應(yīng)”納米結(jié)構(gòu)是生命現(xiàn)象中基本的東西。1.特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，便失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。還可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。2.特殊的熱學(xué)性質(zhì):固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑?？捎眉{米顆粒的粉體作為火箭的固體燃料、催化劑。3.特殊的磁學(xué)性質(zhì)：當(dāng)顆粒尺寸減小到2*10-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6*10-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。4.特殊的力學(xué)性質(zhì)：由于納米材料粒度非常微小，具有良好的表面效應(yīng),1克納米材料的表面積達(dá)到幾百平方米。因此，用納米材料制成的產(chǎn)品其強(qiáng)度、柔韌度、延展性都十分優(yōu)越5.特殊的電學(xué)性質(zhì)：由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)受到限制，電子能量被量子化了。結(jié)果表現(xiàn)為當(dāng)在金屬顆粒的兩端加上合適電壓時(shí)，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時(shí)金屬顆粒不導(dǎo)電。納米這項(xiàng)新技術(shù)的誕生，其用途之廣，涉及領(lǐng)域之多，前所未有。納米技術(shù)是一門嶄新的交叉學(xué)科，學(xué)科領(lǐng)域涵蓋納米物理學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米顯微學(xué)、納米計(jì)量學(xué)和納米制造等，有著十分寬廣的學(xué)科領(lǐng)域。二十一世紀(jì)，納米技術(shù)將廣泛應(yīng)用于信息、醫(yī)學(xué)和新材料領(lǐng)域。貢獻(xiàn)：一、社會(huì)生產(chǎn)途徑；二、人類生活方式；三、人們思維模式科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料的顆粒縮小到只有幾納米到幾十納米時(shí)，由于顆粒表面相對(duì)活躍的原子數(shù)量與顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原子數(shù)量的比例大大增加，使得材料的性質(zhì)發(fā)生了意想不到的變化。納米陶瓷材料能夠彎曲180度就是一個(gè)典型的例子。由于陶瓷材料具有堅(jiān)硬、耐高溫等優(yōu)良特性，工業(yè)界一直認(rèn)為陶瓷是未來(lái)汽車、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。如果按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為三類：（1）零維，指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等；（2）一維，指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；（3）二維，指在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜，多層膜；超晶格等。納米材料大部分都是用人工研究、制備的，屬于人工材料，但是自然界中早就存在納米微粒和納米固體仿生材料新思維:多從自然界動(dòng)植物中尋求靈感，從事以生物為材料主體的研究，再生利用，源源不^的概念。仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理的科學(xué)。仿生學(xué)的研究主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。仿生學(xué)的