1、第一章緒論1.1 材料的發(fā)展歷史及在現(xiàn)代社會(huì)中的重要地位材料的發(fā)展歷史及在現(xiàn)代社會(huì)中的重要地位材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類(lèi)進(jìn)步程度的主要標(biāo)志，所以人類(lèi)類(lèi)進(jìn)步程度的主要標(biāo)志，所以人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步以材料作為里程碑。社會(huì)的進(jìn)步以材料作為里程碑?？v觀(guān)人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和利用材料的歷史，每一種重要材縱觀(guān)人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和利用材料的歷史，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和廣泛利用，都會(huì)把人類(lèi)支配和改造然料的發(fā)現(xiàn)和廣泛利用，都會(huì)把人類(lèi)支配和改造然的能力提高到一個(gè)新水平。的能力提高到一個(gè)新水平。給社會(huì)生產(chǎn)力和人類(lèi)生活水平帶來(lái)巨大的變化，給社會(huì)生產(chǎn)力和人類(lèi)生活水平帶來(lái)巨大的變化，把人類(lèi)的物質(zhì)文明和精神文明向前

2、推進(jìn)一步把人類(lèi)的物質(zhì)文明和精神文明向前推進(jìn)一步。一百萬(wàn)年以前一百萬(wàn)年以前，人類(lèi)開(kāi)始用石頭做工具，人類(lèi)開(kāi)始用石頭做工具，進(jìn)入進(jìn)入舊石器時(shí)代舊石器時(shí)代。大約一萬(wàn)年以前大約一萬(wàn)年以前，人類(lèi)開(kāi)始對(duì)石頭進(jìn)行人類(lèi)開(kāi)始對(duì)石頭進(jìn)行加工制成精致的器皿或工具，人類(lèi)進(jìn)入加工制成精致的器皿或工具，人類(lèi)進(jìn)入新新石器時(shí)代石器時(shí)代。石器時(shí)代人類(lèi)石器時(shí)代人類(lèi)開(kāi)始用皮毛遮身開(kāi)始用皮毛遮身8000年年前中國(guó)前中國(guó)開(kāi)始用蠶絲做衣服開(kāi)始用蠶絲做衣服4500年年前印度人前印度人開(kāi)始種植棉花開(kāi)始種植棉花標(biāo)志著人類(lèi)使用材料標(biāo)志著人類(lèi)使用材料促進(jìn)文明進(jìn)步促進(jìn)文明進(jìn)步公元前公元前2700年，中國(guó)已經(jīng)使用青銅器，至今約年，中國(guó)已經(jīng)使用青銅器，至

3、今約5000年的歷史，到商周年的歷史，到商周(公元前公元前17世紀(jì)到公元前世紀(jì)到公元前3世紀(jì)世紀(jì))進(jìn)入了鼎盛時(shí)期，如河南安陽(yáng)出土的達(dá)進(jìn)入了鼎盛時(shí)期，如河南安陽(yáng)出土的達(dá)875kg的鼎、的鼎、湖北隋縣的編鐘、西安青銅車(chē)馬都充分反映了當(dāng)時(shí)中國(guó)冶金技術(shù)水平和制造湖北隋縣的編鐘、西安青銅車(chē)馬都充分反映了當(dāng)時(shí)中國(guó)冶金技術(shù)水平和制造工藝的高超。工藝的高超。陶器的出現(xiàn)是對(duì)精神文明的一陶器的出現(xiàn)是對(duì)精神文明的一大促進(jìn)，歷史上雖無(wú)陶器時(shí)代大促進(jìn)，歷史上雖無(wú)陶器時(shí)代的名稱(chēng)，但其對(duì)的名稱(chēng)，但其對(duì)人類(lèi)文明的人類(lèi)文明的貢獻(xiàn)是不可估量的貢獻(xiàn)是不可估量的。燒制陶器過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)燒制陶器過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)金屬銅和錫金屬銅和錫，進(jìn)，

4、進(jìn)而又生產(chǎn)出色澤鮮艷、又能澆鑄成型的青而又生產(chǎn)出色澤鮮艷、又能澆鑄成型的青銅器，從而使人類(lèi)進(jìn)入青銅時(shí)代。銅器，從而使人類(lèi)進(jìn)入青銅時(shí)代。當(dāng)然那時(shí)還不明白這是銅、當(dāng)然那時(shí)還不明白這是銅、錫的氧化物在高溫下被炭還錫的氧化物在高溫下被炭還原的產(chǎn)物原的產(chǎn)物大約在大約在80009000年年前，人類(lèi)還前，人類(lèi)還處于新石器時(shí)代處于新石器時(shí)代，已發(fā)明了用粘土成型，再火燒固化而成為粘土成型，再火燒固化而成為陶器陶器。希臘在公元前希臘在公元前3000年年前，埃及在公元前前，埃及在公元前2500年年前，巴比侖在公元前前，巴比侖在公元前19世紀(jì)中世紀(jì)中葉，印度大約在公元前葉，印度大約在公元前3000年年已廣泛使用青銅器

5、。已廣泛使用青銅器。公元前公元前1314世紀(jì)前，人類(lèi)已開(kāi)始用鐵，世紀(jì)前，人類(lèi)已開(kāi)始用鐵，3000年前鐵工具比青銅工具更為普年前鐵工具比青銅工具更為普遍，人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)入了遍，人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)入了鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代。中國(guó)最早出土的人工冶鐵制品約在公元前中國(guó)最早出土的人工冶鐵制品約在公元前9世紀(jì)。到春秋世紀(jì)。到春秋(公元前公元前770476年年)末期，生鐵技術(shù)有較大突破，遙遙領(lǐng)先于世界其他地區(qū)，如用生鐵退火而末期，生鐵技術(shù)有較大突破，遙遙領(lǐng)先于世界其他地區(qū)，如用生鐵退火而制成韌性鑄鐵及以生鐵煉鋼技術(shù)的發(fā)明，促進(jìn)了中國(guó)生產(chǎn)力的大發(fā)展，對(duì)制成韌性鑄鐵及以生鐵煉鋼技術(shù)的發(fā)明，促進(jìn)了中國(guó)生產(chǎn)力的大發(fā)展，對(duì)戰(zhàn)國(guó)和秦漢農(nóng)

6、業(yè)、水利和軍事的發(fā)展起到很大作用。戰(zhàn)國(guó)和秦漢農(nóng)業(yè)、水利和軍事的發(fā)展起到很大作用。早在公元二世紀(jì)中早在公元二世紀(jì)中國(guó)的鋼和絲綢已馳名羅馬帝國(guó)國(guó)的鋼和絲綢已馳名羅馬帝國(guó)。生鐵技術(shù)在公元前生鐵技術(shù)在公元前5世紀(jì)即春秋末葉已經(jīng)在黃河長(zhǎng)江流域傳播。世紀(jì)即春秋末葉已經(jīng)在黃河長(zhǎng)江流域傳播。生鐵技術(shù)于公元生鐵技術(shù)于公元67世紀(jì)傳人朝鮮半島、日本和北歐，推動(dòng)了整個(gè)世界文明世紀(jì)傳人朝鮮半島、日本和北歐，推動(dòng)了整個(gè)世界文明的進(jìn)步。的進(jìn)步。18世紀(jì)世紀(jì)發(fā)明了蒸汽機(jī)，發(fā)明了蒸汽機(jī)，19世紀(jì)世紀(jì)發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，對(duì)金屬材料提出了更高要求，發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，對(duì)金屬材料提出了更高要求，同時(shí)對(duì)鋼鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動(dòng)作用。同時(shí)對(duì)鋼

7、鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動(dòng)作用。1854年年和和1864年年先后發(fā)明了先后發(fā)明了轉(zhuǎn)爐和平爐轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼，使世界鋼產(chǎn)量有一個(gè)飛速發(fā)展。煉鋼，使世界鋼產(chǎn)量有一個(gè)飛速發(fā)展。1850年年世界鋼產(chǎn)量世界鋼產(chǎn)量為為6萬(wàn)噸，萬(wàn)噸，1890年年達(dá)達(dá)2800萬(wàn)噸，大大促進(jìn)了機(jī)械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)萬(wàn)噸，大大促進(jìn)了機(jī)械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)的發(fā)展的發(fā)展。電爐冶煉電爐冶煉開(kāi)始，不同類(lèi)型的特殊鋼相繼問(wèn)世開(kāi)始，不同類(lèi)型的特殊鋼相繼問(wèn)世1887年年高錳鋼高錳鋼1900年年18-4-1(W18Cr4V)高速鋼高速鋼1903年年硅鋼及硅鋼及1910年年奧氏體鎳鉻奧氏體鎳鉻(Crl8Ni8)不銹鋼，把人類(lèi)帶進(jìn)不銹鋼，把

8、人類(lèi)帶進(jìn)了現(xiàn)代物質(zhì)文明。了現(xiàn)代物質(zhì)文明。銅、鋁得到大量應(yīng)用，鎂、鈦和很多稀有金屬也相繼出現(xiàn)，銅、鋁得到大量應(yīng)用，鎂、鈦和很多稀有金屬也相繼出現(xiàn)，金屬材料在整個(gè)金屬材料在整個(gè)20世紀(jì)占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料的主導(dǎo)地位世紀(jì)占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料的主導(dǎo)地位。有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，19世紀(jì)末葉世紀(jì)末葉西方科學(xué)家仿制中國(guó)絲綢發(fā)明了人造絲，這西方科學(xué)家仿制中國(guó)絲綢發(fā)明了人造絲，這是人類(lèi)改造自然材料的又一里程碑。是人類(lèi)改造自然材料的又一里程碑。20世紀(jì)初世紀(jì)初，人工合成有機(jī)高分子材料相繼問(wèn)世。，人工合成有機(jī)高分子材料相繼問(wèn)世。1909年年的酚醛樹(shù)脂的酚醛樹(shù)脂(電木電木)，1920年年的聚苯乙烯，的聚苯乙烯，1931

9、年年的聚氯乙烯的聚氯乙烯1941年年的尼龍等，的尼龍等，性能優(yōu)異，資源豐富、建設(shè)投資少、收效快而得到迅速發(fā)展。目前世界三性能優(yōu)異，資源豐富、建設(shè)投資少、收效快而得到迅速發(fā)展。目前世界三大有機(jī)合成材料大有機(jī)合成材料(樹(shù)脂、纖維和橡膠樹(shù)脂、纖維和橡膠)年產(chǎn)量逾億噸。而且有機(jī)材料的性能不年產(chǎn)量逾億噸。而且有機(jī)材料的性能不斷提高，附加值大幅度增加，特別是特種聚合物正向功能材料各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)斷提高，附加值大幅度增加，特別是特種聚合物正向功能材料各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)軍，顯示其巨大的潛力。軍，顯示其巨大的潛力。陶瓷陶瓷本來(lái)用作建筑材料、容器或裝飾品等。本來(lái)用作建筑材料、容器或裝飾品等。由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬

10、度、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨等特點(diǎn)，到了磨等特點(diǎn)，到了20世紀(jì)中葉，通過(guò)合成及其他制備方法，做出各種類(lèi)型的先進(jìn)陶世紀(jì)中葉，通過(guò)合成及其他制備方法，做出各種類(lèi)型的先進(jìn)陶瓷瓷(如如Si3N4、SiC、ZrO2等等)，成為近幾十年來(lái)材料中非?；钴S的研究領(lǐng)域，有人甚，成為近幾十年來(lái)材料中非?；钴S的研究領(lǐng)域，有人甚至認(rèn)為至認(rèn)為“新陶器時(shí)代新陶器時(shí)代即將到來(lái)。即將到來(lái)。由于其脆性問(wèn)題難以解決，且價(jià)格過(guò)高，作為結(jié)構(gòu)材料沒(méi)有得到如鋼鐵或高分子由于其脆性問(wèn)題難以解決，且價(jià)格過(guò)高，作為結(jié)構(gòu)材料沒(méi)有得到如鋼鐵或高分子材料一樣的廣泛應(yīng)用。材

11、料一樣的廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料復(fù)合材料是是20世紀(jì)后期發(fā)展的另一類(lèi)材料。天然材料很多是復(fù)合材料，如木材、世紀(jì)后期發(fā)展的另一類(lèi)材料。天然材料很多是復(fù)合材料，如木材、皮革、竹子等。人類(lèi)很早就制造復(fù)合材料，如泥巴中混入碎麻或麥稈用以建造房皮革、竹子等。人類(lèi)很早就制造復(fù)合材料，如泥巴中混入碎麻或麥稈用以建造房屋，鋼筋水泥是脆性材料和韌性材料的復(fù)合。屋，鋼筋水泥是脆性材料和韌性材料的復(fù)合。近幾十年來(lái)，利用樹(shù)脂的易成型和金屬韌性好，無(wú)機(jī)非金屬的高模量、高強(qiáng)度、近幾十年來(lái)，利用樹(shù)脂的易成型和金屬韌性好，無(wú)機(jī)非金屬的高模量、高強(qiáng)度、耐高溫，做成了樹(shù)脂基復(fù)合材料或金屬基復(fù)合材料，前者已得到廣泛應(yīng)用，后者耐高溫，做成

12、了樹(shù)脂基復(fù)合材料或金屬基復(fù)合材料，前者已得到廣泛應(yīng)用，后者以其制作困難、價(jià)格高而受到一定限制。為了改善陶瓷的性能，也制成陶瓷基復(fù)以其制作困難、價(jià)格高而受到一定限制。為了改善陶瓷的性能，也制成陶瓷基復(fù)合材料。合材料。碳碳是使用溫度最高的材料是使用溫度最高的材料(可達(dá)可達(dá)2500 ), 為了克服熱震性能差，并提高其力學(xué)性能為了克服熱震性能差，并提高其力學(xué)性能而制出的碳而制出的碳碳復(fù)合材料已廣泛用于軍工，并擴(kuò)展到民用。碳復(fù)合材料已廣泛用于軍工，并擴(kuò)展到民用。自自19世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉，現(xiàn)代煉鋼技術(shù)出現(xiàn)以后，金屬材料的重要性急劇增加，一直到，現(xiàn)代煉鋼技術(shù)出現(xiàn)以后，金屬材料的重要性急劇增加，一直到20世紀(jì)

13、中葉，人工合成有機(jī)材料、陶瓷材料及先進(jìn)復(fù)合材料迅速發(fā)展，金屬材料的世紀(jì)中葉，人工合成有機(jī)材料、陶瓷材料及先進(jìn)復(fù)合材料迅速發(fā)展，金屬材料的重要性逐漸下降，但一直到重要性逐漸下降，但一直到21世紀(jì)上半葉世紀(jì)上半葉，金屬材料仍將占重要位置。，金屬材料仍將占重要位置。功能材料功能材料自古就受到重視，早在戰(zhàn)國(guó)自古就受到重視，早在戰(zhàn)國(guó)(公元前公元前3世紀(jì)世紀(jì))已利用天然磁鐵礦來(lái)制造司南，已利用天然磁鐵礦來(lái)制造司南，到宋代用鋼針磁化制出了羅盤(pán)，為航海的發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)。到宋代用鋼針磁化制出了羅盤(pán)，為航海的發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)。功能材料功能材料是信息技術(shù)及自動(dòng)化的基礎(chǔ)，特別是半導(dǎo)體材料出現(xiàn)以后，加速了現(xiàn)代是信

14、息技術(shù)及自動(dòng)化的基礎(chǔ)，特別是半導(dǎo)體材料出現(xiàn)以后，加速了現(xiàn)代文明的發(fā)展，文明的發(fā)展，1947年年發(fā)明了第一只具有放大作用的晶體管，發(fā)明了第一只具有放大作用的晶體管，10余年后又研制成功余年后又研制成功集成電路，使以硅材料為主體的計(jì)算機(jī)的功能不斷提高，體積不斷縮小，價(jià)格不集成電路，使以硅材料為主體的計(jì)算機(jī)的功能不斷提高，體積不斷縮小，價(jià)格不斷下降，加之高性能的磁性材料不斷涌現(xiàn)，激光材料與光導(dǎo)纖維的問(wèn)世，使人類(lèi)斷下降，加之高性能的磁性材料不斷涌現(xiàn)，激光材料與光導(dǎo)纖維的問(wèn)世，使人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代。因?yàn)楣枋俏㈦娮蛹夹g(shù)的關(guān)鍵材料，所以有人稱(chēng)之為社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代。因?yàn)楣枋俏㈦娮蛹夹g(shù)的關(guān)鍵材料，所以有人

15、稱(chēng)之為“硅硅片為代表的電子材料時(shí)代片為代表的電子材料時(shí)代”，再一次說(shuō)明材料對(duì)人類(lèi)文明起了關(guān)鍵再一次說(shuō)明材料對(duì)人類(lèi)文明起了關(guān)鍵的作用的作用。“材料材料”是早已存在的名詞，但是早已存在的名詞，但“材料科學(xué)材料科學(xué)”的提出只是的提出只是20世紀(jì)世紀(jì)60年年代代初的事。初的事。1957年年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國(guó)朝野上下為之震驚，前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國(guó)朝野上下為之震驚，認(rèn)為自己落后的主要原因之一是先進(jìn)材料落后，于是在一些大學(xué)相繼認(rèn)為自己落后的主要原因之一是先進(jìn)材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個(gè)材料研究中心。成立了十余個(gè)材料研究中心。 1.2 材料科學(xué)的形成與內(nèi)涵材料科學(xué)的形成與內(nèi)涵采用

16、采用先進(jìn)的科學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行先進(jìn)的科學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行深入的研究深入的研究，取得重要成果。從此，取得重要成果。從此，“材料科學(xué)材料科學(xué)”這個(gè)這個(gè)名詞便開(kāi)始流行。名詞便開(kāi)始流行。“材料科學(xué)材料科學(xué)”的形成實(shí)際是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果的形成實(shí)際是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。材料科學(xué)所包括的內(nèi)容往往被理解為研究材料科學(xué)所包括的內(nèi)容往往被理解為研究材料的組織、結(jié)構(gòu)與性材料的組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，探索自然規(guī)律質(zhì)的關(guān)系，探索自然規(guī)律。這屬于基礎(chǔ)研究這屬于基礎(chǔ)研究。材料是面向?qū)嶋H、為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的，是一門(mén)應(yīng)用科學(xué)，研究與發(fā)展材料材料是面向?qū)嶋H、為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的，是一門(mén)應(yīng)用科學(xué)，研究與發(fā)展材料的目的在

17、于應(yīng)用，而材料又必須通過(guò)合理的工藝流程才能制備出具有實(shí)用的目的在于應(yīng)用，而材料又必須通過(guò)合理的工藝流程才能制備出具有實(shí)用價(jià)值的材料來(lái)，通過(guò)批量生產(chǎn)才能成為工程材料價(jià)值的材料來(lái)，通過(guò)批量生產(chǎn)才能成為工程材料。在在“材料科學(xué)材料科學(xué)”這個(gè)名詞出現(xiàn)后不久，就提出了這個(gè)名詞出現(xiàn)后不久，就提出了 “材料科學(xué)與工材料科學(xué)與工程程”。工程是指研究材料在制備過(guò)程中的工藝和工程技術(shù)問(wèn)題工程是指研究材料在制備過(guò)程中的工藝和工程技術(shù)問(wèn)題。許多大學(xué)的冶金系、材料系也就此改變了名稱(chēng)，多數(shù)改為許多大學(xué)的冶金系、材料系也就此改變了名稱(chēng)，多數(shù)改為“材料科學(xué)與工材料科學(xué)與工程系程系”，偏重基礎(chǔ)方面的就稱(chēng)偏重基礎(chǔ)方面的就稱(chēng)“材料

18、科學(xué)系材料科學(xué)系”，偏重工，偏重工藝方面的稱(chēng)藝方面的稱(chēng)“材料工程系材料工程系”。也有不肯放棄也有不肯放棄“冶金冶金”而稱(chēng)為而稱(chēng)為“冶金與材料科學(xué)系冶金與材料科學(xué)系”的，如英國(guó)的劍橋大學(xué)。同時(shí)，有關(guān)材料科學(xué)或材的，如英國(guó)的劍橋大學(xué)。同時(shí)，有關(guān)材料科學(xué)或材料科學(xué)與工程方面的雜志和書(shū)籍也應(yīng)運(yùn)而生。料科學(xué)與工程方面的雜志和書(shū)籍也應(yīng)運(yùn)而生。第一部第一部材料科學(xué)與工程百科全書(shū)材料科學(xué)與工程百科全書(shū)由美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家主編，由美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家主編，由英國(guó)由英國(guó)Pergamon自自1986年陸續(xù)出版。它對(duì)材料科學(xué)與工程下的定義為：年陸續(xù)出版。它對(duì)材料科學(xué)與工程下的定義為：材料科學(xué)與工程就是研究有

19、關(guān)材料組成、有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系的知識(shí)的產(chǎn)生及其運(yùn)用的關(guān)系的知識(shí)的產(chǎn)生及其運(yùn)用。換言之，材料科學(xué)與工程是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、材料組成、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過(guò)程、材料性能與使用效能以及它生產(chǎn)過(guò)程、材料性能與使用效能以及它們之間的關(guān)系們之間的關(guān)系。組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)(composition-structure)、合成與生產(chǎn)過(guò)程合成與生產(chǎn)過(guò)程(synthesis-processing)、性質(zhì)性質(zhì)(properties)及使用效能及使用效能(performance)稱(chēng)之為材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素稱(chēng)之為材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素(basi

20、celements)。把四要素連結(jié)在一起，便。把四要素連結(jié)在一起，便形成一個(gè)四面體形成一個(gè)四面體(tetrahedron)。考慮在四要素中的考慮在四要素中的組成結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)并非同義詞，即相同成分或組成并非同義詞，即相同成分或組成通過(guò)不同的合成或加工方法，可以得出不同結(jié)構(gòu)，從而材料的通過(guò)不同的合成或加工方法，可以得出不同結(jié)構(gòu)，從而材料的性質(zhì)或使用效能都不會(huì)相同。性質(zhì)或使用效能都不會(huì)相同。我國(guó)有人提出一個(gè)五個(gè)基本要素的模型，我國(guó)有人提出一個(gè)五個(gè)基本要素的模型，即即成分成分(composition)、合成合成/加工加工(synthesis/processing)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(structure)性質(zhì)性質(zhì)

21、(properties)使用效能使用效能(performance)。如果把它們連接起來(lái)，則形成一個(gè)六面如果把它們連接起來(lái)，則形成一個(gè)六面體體 (hexahedron)。材料科學(xué)與工程五要素模型的特點(diǎn)主要有兩個(gè)：材料科學(xué)與工程五要素模型的特點(diǎn)主要有兩個(gè)：一是一是性質(zhì)與使用效能有一個(gè)特殊的聯(lián)性質(zhì)與使用效能有一個(gè)特殊的聯(lián)系，材料的使用效能便是材料性質(zhì)在系，材料的使用效能便是材料性質(zhì)在使用條件下的表現(xiàn)使用條件下的表現(xiàn)。環(huán)境對(duì)材料性能的影響很大，如受力環(huán)境對(duì)材料性能的影響很大，如受力狀態(tài)、氣氛、介質(zhì)與溫度等。狀態(tài)、氣氛、介質(zhì)與溫度等。有些材料在一般環(huán)境下的性能很好，有些材料在一般環(huán)境下的性能很好，而在腐

22、蝕介質(zhì)下性能卻下降顯著；而在腐蝕介質(zhì)下性能卻下降顯著；有的材料在光滑樣品時(shí)表現(xiàn)很好，而有的材料在光滑樣品時(shí)表現(xiàn)很好，而在有缺口的情況下性能大為下降，特在有缺口的情況下性能大為下降，特別有些高強(qiáng)度材料表現(xiàn)尤為突出，但別有些高強(qiáng)度材料表現(xiàn)尤為突出，但凡有一個(gè)劃痕，就會(huì)造成災(zāi)害性破壞。凡有一個(gè)劃痕，就會(huì)造成災(zāi)害性破壞。因此，環(huán)境因素的引入對(duì)工程材料來(lái)因此，環(huán)境因素的引入對(duì)工程材料來(lái)說(shuō)十分重要。說(shuō)十分重要。二是二是材料理論和材料設(shè)計(jì)或材料理論和材料設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)有了一個(gè)適當(dāng)位置，工藝設(shè)計(jì)有了一個(gè)適當(dāng)位置，它處在六面體的中心。它處在六面體的中心。因?yàn)槲鍌€(gè)要素中的每一個(gè)要素，或因?yàn)槲鍌€(gè)要素中的每一個(gè)要素，

23、或幾個(gè)相關(guān)要素都有其理論，根據(jù)理幾個(gè)相關(guān)要素都有其理論，根據(jù)理論建立模型論建立模型(modelling)，通過(guò)模型，通過(guò)模型可以進(jìn)行材料設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)，以可以進(jìn)行材料設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高性能及使用效能、節(jié)約資達(dá)到提高性能及使用效能、節(jié)約資源、減少污染或降低成本的最佳狀源、減少污染或降低成本的最佳狀態(tài)。這是材料科學(xué)與工程最終努力態(tài)。這是材料科學(xué)與工程最終努力的目標(biāo)。的目標(biāo)。人們?cè)O(shè)想提出性能指標(biāo)或使用效能人們?cè)O(shè)想提出性能指標(biāo)或使用效能要求，可以通過(guò)材料配方，采用最要求，可以通過(guò)材料配方，采用最佳工藝，就可制備出符合要求的材佳工藝，就可制備出符合要求的材料或器件。料或器件。一是：一是：多學(xué)科交

24、叉。多學(xué)科交叉。是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷、高分子化學(xué)及計(jì)算科學(xué)相互陶瓷、高分子化學(xué)及計(jì)算科學(xué)相互融合與交叉的結(jié)果，如生物醫(yī)用材融合與交叉的結(jié)果，如生物醫(yī)用材料要涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及現(xiàn)代分子料要涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及現(xiàn)代分子生物學(xué)等學(xué)科。生物學(xué)等學(xué)科。二是：二是：與實(shí)際使用結(jié)合非常密與實(shí)際使用結(jié)合非常密切的科學(xué)。切的科學(xué)。發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開(kāi)發(fā)發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開(kāi)發(fā)新材料，提高材料的性能和質(zhì)新材料，提高材料的性能和質(zhì)量，合理使用材料，同時(shí)降低量，合理使用材料，同時(shí)降低材料成本和減少污染。材料成本和減少污染。材料科學(xué)有三個(gè)重要屬性：材料科學(xué)有三個(gè)重要屬

25、性：三是：三是：材料科學(xué)是一個(gè)正在發(fā)展中材料科學(xué)是一個(gè)正在發(fā)展中的科學(xué)。的科學(xué)。不像物理學(xué)、化學(xué)已經(jīng)有一個(gè)很成不像物理學(xué)、化學(xué)已經(jīng)有一個(gè)很成熟的體系，材料科學(xué)將隨各有關(guān)學(xué)熟的體系，材料科學(xué)將隨各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到充實(shí)和完善科的發(fā)展而得到充實(shí)和完善。1.3 先進(jìn)材料是社會(huì)現(xiàn)代化的先導(dǎo)從電子技術(shù)的發(fā)展可以看出材從電子技術(shù)的發(fā)展可以看出材料所起的作用。料所起的作用。1906年發(fā)明了電子管，從而出年發(fā)明了電子管，從而出現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、電視機(jī)、電現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、電視機(jī)、電子計(jì)算機(jī)。子計(jì)算機(jī)。1948年發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，年發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，致使電子設(shè)備的小型化、輕量致使電子設(shè)備的小型化、輕量化、節(jié)能

26、化及成本的降低、可化、節(jié)能化及成本的降低、可靠性的提高與壽命的延長(zhǎng)?？啃缘奶岣吲c壽命的延長(zhǎng)。1958年出現(xiàn)了集成電路，使計(jì)年出現(xiàn)了集成電路，使計(jì)算機(jī)及各種電工設(shè)備發(fā)生再一算機(jī)及各種電工設(shè)備發(fā)生再一次飛躍。次飛躍。1946年電子管計(jì)算機(jī)與年電子管計(jì)算機(jī)與1976年微機(jī)年微機(jī)的一些指標(biāo)來(lái)對(duì)比，由于采用集成的一些指標(biāo)來(lái)對(duì)比，由于采用集成電路，使計(jì)算機(jī)體積縮小了電路，使計(jì)算機(jī)體積縮小了30萬(wàn)倍，萬(wàn)倍，功耗降低了功耗降低了5萬(wàn)多倍，重量降低了萬(wàn)多倍，重量降低了6萬(wàn)倍，平均故障率也大為減少，而萬(wàn)倍，平均故障率也大為減少，而且價(jià)格大幅度下降。這樣為計(jì)算機(jī)且價(jià)格大幅度下降。這樣為計(jì)算機(jī)的普及創(chuàng)造了條件。的普及

27、創(chuàng)造了條件。芯片集成度不斷提高，單元體積和芯片集成度不斷提高，單元體積和價(jià)格不斷下降，價(jià)格不斷下降，19581998的的40年年間，芯片集成度提高了一百萬(wàn)倍，間，芯片集成度提高了一百萬(wàn)倍，每單元價(jià)格下降到一百萬(wàn)分之一，每單元價(jià)格下降到一百萬(wàn)分之一，因?yàn)閱卧獌r(jià)格與特征尺寸的平方成因?yàn)閱卧獌r(jià)格與特征尺寸的平方成正比，與晶片直徑的平方成反比。正比，與晶片直徑的平方成反比。材料既是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的里程碑，又是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)。特別材料既是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的里程碑，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)用反映著一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平。是先進(jìn)材料的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用反映著一個(gè)

28、國(guó)家科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平。航空航天技術(shù)的進(jìn)步航空航天技術(shù)的進(jìn)步21世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)的一體化，一靠信息世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)的一體化，一靠信息網(wǎng)絡(luò)的大發(fā)展，形成全球性的電子商網(wǎng)絡(luò)的大發(fā)展，形成全球性的電子商業(yè)；二是運(yùn)輸工具的高效、遠(yuǎn)程、大業(yè)；二是運(yùn)輸工具的高效、遠(yuǎn)程、大容量。容量。前者是電子及光電技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，后者前者是電子及光電技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，后者是航空技術(shù)與水上、地面運(yùn)輸工具不斷改是航空技術(shù)與水上、地面運(yùn)輸工具不斷改進(jìn)的結(jié)果，都與材料有著密切聯(lián)系。進(jìn)的結(jié)果，都與材料有著密切聯(lián)系。以飛機(jī)而論，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，以飛機(jī)而論，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，20世紀(jì)世紀(jì)40年代年代出現(xiàn)了噴氣技術(shù)，這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是出現(xiàn)了噴氣技術(shù)，

29、這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是以以高溫材料及高性能結(jié)構(gòu)材料高溫材料及高性能結(jié)構(gòu)材料為為依托的依托的。高溫合金的發(fā)展，使渦輪溫度不斷提高；高溫合金的發(fā)展，使渦輪溫度不斷提高；高比強(qiáng)度、高比剛度結(jié)構(gòu)材料的不斷進(jìn)步，高比強(qiáng)度、高比剛度結(jié)構(gòu)材料的不斷進(jìn)步，使今天大型客機(jī)的安全性及有效載荷大為使今天大型客機(jī)的安全性及有效載荷大為提高，續(xù)航時(shí)間不斷延長(zhǎng)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壽提高，續(xù)航時(shí)間不斷延長(zhǎng)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命顯著延長(zhǎng)，油耗不斷下降。命顯著延長(zhǎng)，油耗不斷下降。有人對(duì)殲擊機(jī)的發(fā)展有一個(gè)估計(jì)，有人對(duì)殲擊機(jī)的發(fā)展有一個(gè)估計(jì)，飛機(jī)性能的改善有飛機(jī)性能的改善有2/3依靠于材料，依靠于材料，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高在很大程度航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提

30、高在很大程度上也有賴(lài)于材料的改進(jìn)。由此說(shuō)明上也有賴(lài)于材料的改進(jìn)。由此說(shuō)明材料對(duì)飛機(jī)的重要性。材料對(duì)飛機(jī)的重要性。地面運(yùn)輸工具如汽車(chē)和火車(chē)，水上地面運(yùn)輸工具如汽車(chē)和火車(chē)，水上運(yùn)輸工具如輪船的發(fā)展莫不與材料運(yùn)輸工具如輪船的發(fā)展莫不與材料有密切關(guān)系。有密切關(guān)系。航天與衛(wèi)星是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重航天與衛(wèi)星是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。對(duì)材料的要求除了高要標(biāo)志之一。對(duì)材料的要求除了高比強(qiáng)度和高比剛度之外，還需要耐比強(qiáng)度和高比剛度之外，還需要耐超高溫、抗輻射、耐粒子云以及原超高溫、抗輻射、耐粒子云以及原子氧侵蝕等的材料，對(duì)比強(qiáng)度和比子氧侵蝕等的材料，對(duì)比強(qiáng)度和比剛度的要求更為苛刻，因?yàn)楹教祜w剛度的要求更為

31、苛刻，因?yàn)楹教祜w行器每減重行器每減重1kg，可使運(yùn)載火箭減，可使運(yùn)載火箭減輕幾百千克。輕幾百千克。 1.4 傳統(tǒng)材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位與可持續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位與可持續(xù)發(fā)展談到傳統(tǒng)材料往往和談到傳統(tǒng)材料往往和“夕陽(yáng)工業(yè)夕陽(yáng)工業(yè)”聯(lián)系在一起。聯(lián)系在一起。實(shí)際上傳統(tǒng)材料與國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)實(shí)際上傳統(tǒng)材料與國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)是密不可分的。業(yè)是密不可分的。 傳統(tǒng)材料量大面廣傳統(tǒng)材料量大面廣。傳統(tǒng)材傳統(tǒng)材料只要有一點(diǎn)改進(jìn)，收益就十分可料只要有一點(diǎn)改進(jìn)，收益就十分可觀(guān)。觀(guān)。據(jù)估計(jì)，美國(guó)道路與橋梁的使用壽據(jù)估計(jì)，美國(guó)道路與橋梁的使用壽命增加命增加1，其收益可達(dá)，其收益可達(dá)300億美元。億美元。世界易拉

32、罐每年消耗量以世界易拉罐每年消耗量以600億計(jì)，億計(jì)，其造價(jià)每個(gè)省其造價(jià)每個(gè)省1分，則有分，則有6億元的收億元的收益。益。 傳統(tǒng)材料是礦產(chǎn)資源消耗大戶(hù)傳統(tǒng)材料是礦產(chǎn)資源消耗大戶(hù)。根據(jù)專(zhuān)家估計(jì)，全世界鐵礦資源最多能根據(jù)專(zhuān)家估計(jì)，全世界鐵礦資源最多能維持維持200300年，鋁礦近百年，而銅、年，鋁礦近百年，而銅、鉛、鋅礦只能夠幾十年。因此，除了提鉛、鋅礦只能夠幾十年。因此，除了提高礦產(chǎn)的收得率外，要開(kāi)拓新的礦源，高礦產(chǎn)的收得率外，要開(kāi)拓新的礦源，探索某些關(guān)鍵材料的代用品探索某些關(guān)鍵材料的代用品。傳統(tǒng)材料在制備過(guò)程中污染嚴(yán)重傳統(tǒng)材料在制備過(guò)程中污染嚴(yán)重。根據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì)，含毒污水的排放，近根據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì)，

33、含毒污水的排放，近80來(lái)自化工、鋼鐵與有色金屬冶煉，因來(lái)自化工、鋼鐵與有色金屬冶煉，因而有機(jī)材料和金屬是重要污染源。水泥而有機(jī)材料和金屬是重要污染源。水泥生產(chǎn)除了高能耗外，也是一個(gè)重要污染生產(chǎn)除了高能耗外，也是一個(gè)重要污染源。源。1997年我國(guó)生產(chǎn)水泥年我國(guó)生產(chǎn)水泥5億噸，占世界產(chǎn)億噸，占世界產(chǎn)量近量近40，產(chǎn)生，產(chǎn)生CO2 近近4億噸，億噸，SO249萬(wàn)萬(wàn)噸，噸，NO100萬(wàn)噸，粉塵萬(wàn)噸，粉塵1100多萬(wàn)噸。廢多萬(wàn)噸。廢氣加劇了溫室效應(yīng)，促進(jìn)了酸雨。氣加劇了溫室效應(yīng)，促進(jìn)了酸雨。1.5 材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)1. 材料制備工藝與技術(shù)的開(kāi)發(fā)材料制備工藝與技術(shù)的開(kāi)發(fā)任何一種

34、新材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用于實(shí)際，任何一種新材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用于實(shí)際，必須經(jīng)過(guò)適宜的制備工藝才能成為工程必須經(jīng)過(guò)適宜的制備工藝才能成為工程材料。材料。高溫超導(dǎo)自高溫超導(dǎo)自1986年年發(fā)現(xiàn)以后到發(fā)現(xiàn)以后到20世紀(jì)末，世紀(jì)末，已有已有15年的歷史，但仍不能普遍應(yīng)用于年的歷史，但仍不能普遍應(yīng)用于電力，主要是因?yàn)闆](méi)有找到價(jià)廉而穩(wěn)定電力，主要是因?yàn)闆](méi)有找到價(jià)廉而穩(wěn)定的生產(chǎn)線(xiàn)材的工藝。的生產(chǎn)線(xiàn)材的工藝。C60也是如此，盡管在發(fā)現(xiàn)之初認(rèn)為它的也是如此，盡管在發(fā)現(xiàn)之初認(rèn)為它的用途十分廣泛，但到用途十分廣泛，但到20世紀(jì)末世紀(jì)末仍處于科仍處于科研階段。研階段。傳統(tǒng)材料也需要不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝或流傳統(tǒng)材料也需要不斷改進(jìn)生產(chǎn)工

35、藝或流程，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和減少程，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和減少污染，從而提高競(jìng)爭(zhēng)能力污染，從而提高競(jìng)爭(zhēng)能力。材料制備工藝的重點(diǎn)：材料制備工藝的重點(diǎn)：一是工藝流程的智能一是工藝流程的智能化；化；二是實(shí)現(xiàn)原子或分子二是實(shí)現(xiàn)原子或分子加工，使材料或器件加工，使材料或器件依照人們的意志達(dá)到依照人們的意志達(dá)到微型化、多功能化和微型化、多功能化和智能化。智能化。2. 材料的應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)材料的應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)材料的廣泛應(yīng)用是材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展材料的廣泛應(yīng)用是材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，?shí)驗(yàn)研究出來(lái)的具有優(yōu)的主要?jiǎng)恿?，?shí)驗(yàn)研究出來(lái)的具有優(yōu)異性能的材料不等于具有實(shí)用價(jià)值，異性能的材料不等于具有實(shí)用價(jià)值

36、，必須通過(guò)大量應(yīng)用研究，才能發(fā)揮其必須通過(guò)大量應(yīng)用研究，才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。應(yīng)有的作用。材料的應(yīng)用要考慮以下幾個(gè)因素：材料的應(yīng)用要考慮以下幾個(gè)因素：一是材料的使用性能一是材料的使用性能(performance)；二是使用壽命二是使用壽命(durability)及可靠性及可靠性(reliability)；三是環(huán)境適應(yīng)性三是環(huán)境適應(yīng)性(environmental compliance)，包括生產(chǎn)過(guò)程與使用期，包括生產(chǎn)過(guò)程與使用期間；間；四是價(jià)格四是價(jià)格(cost)。材料是否有競(jìng)爭(zhēng)能力，除了質(zhì)材料是否有競(jìng)爭(zhēng)能力，除了質(zhì)量和質(zhì)量穩(wěn)定性以外，還有材量和質(zhì)量穩(wěn)定性以外，還有材料的生產(chǎn)成本和價(jià)格。價(jià)格的料

37、的生產(chǎn)成本和價(jià)格。價(jià)格的影響因素很多，其中產(chǎn)量是決影響因素很多，其中產(chǎn)量是決定因素之一。定因素之一。材料應(yīng)用研究又是機(jī)械部件與材料應(yīng)用研究又是機(jī)械部件與電子元件失效分析的基礎(chǔ)。失電子元件失效分析的基礎(chǔ)。失效分析的準(zhǔn)確性與時(shí)效性代表效分析的準(zhǔn)確性與時(shí)效性代表一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平，因一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平，因而通過(guò)材料的應(yīng)用研究來(lái)培養(yǎng)而通過(guò)材料的應(yīng)用研究來(lái)培養(yǎng)一批既有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)又有理論基一批既有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)又有理論基礎(chǔ)的工程技術(shù)人才是一個(gè)重要礎(chǔ)的工程技術(shù)人才是一個(gè)重要途徑。途徑。3. 開(kāi)發(fā)先進(jìn)材料，發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)先進(jìn)材料，發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)(1) 信息功能材料將得到更高的重視信息功能材料將得到更高的重

38、視 人類(lèi)已進(jìn)入信息時(shí)代，為了實(shí)現(xiàn)裝置的小型化、低功耗、多功能化和智能化，信人類(lèi)已進(jìn)入信息時(shí)代，為了實(shí)現(xiàn)裝置的小型化、低功耗、多功能化和智能化，信息功能材料將受到更高的重視。所謂信息功能材料，就是指信息的產(chǎn)生、獲取、息功能材料將受到更高的重視。所謂信息功能材料，就是指信息的產(chǎn)生、獲取、存儲(chǔ)、傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示所需材料。主要用于計(jì)算機(jī)、通訊和控制，成為存儲(chǔ)、傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示所需材料。主要用于計(jì)算機(jī)、通訊和控制，成為3C(Computer，Communication及及Control)所需材料。其特點(diǎn)是要求高，發(fā)展快，所需材料。其特點(diǎn)是要求高，發(fā)展快，種類(lèi)繁多?？偟膩?lái)說(shuō)，信息技術(shù)種類(lèi)繁多。

39、總的來(lái)說(shuō)，信息技術(shù)(IT，Information Technology)以集成電路為基礎(chǔ)以集成電路為基礎(chǔ)(細(xì)胞細(xì)胞)，計(jì)算機(jī)為中樞，計(jì)算機(jī)為中樞(大腦大腦)，網(wǎng)絡(luò)為媒介，網(wǎng)絡(luò)為媒介(神經(jīng)神經(jīng))。(2) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的研究與開(kāi)發(fā)是永恒的主題先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的研究與開(kāi)發(fā)是永恒的主題 結(jié)構(gòu)材料一般數(shù)量大，資源與能源消耗高，污染嚴(yán)重，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有決定性作結(jié)構(gòu)材料一般數(shù)量大，資源與能源消耗高，污染嚴(yán)重，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有決定性作用。結(jié)構(gòu)材料性能的提高，無(wú)疑會(huì)減緩上述壓力，因性能的提高，使用壽命的延用。結(jié)構(gòu)材料性能的提高，無(wú)疑會(huì)減緩上述壓力，因性能的提高，使用壽命的延長(zhǎng)。長(zhǎng)。(3) 能源材料的開(kāi)發(fā)有廣闊的前景能

40、源材料的開(kāi)發(fā)有廣闊的前景 能源的利用是人類(lèi)進(jìn)步的標(biāo)志之一。能源的利用是人類(lèi)進(jìn)步的標(biāo)志之一。目前化石燃料一是儲(chǔ)量有限，二是目前化石燃料一是儲(chǔ)量有限，二是污染嚴(yán)重，必須大力開(kāi)發(fā)無(wú)污染、污染嚴(yán)重，必須大力開(kāi)發(fā)無(wú)污染、可再生能源?？稍偕茉?。太陽(yáng)能雖然密度低，又受氣候影響，太陽(yáng)能雖然密度低，又受氣候影響，但輻射于地表的能量，一萬(wàn)倍于人但輻射于地表的能量，一萬(wàn)倍于人類(lèi)開(kāi)發(fā)的能源。因此，開(kāi)發(fā)光類(lèi)開(kāi)發(fā)的能源。因此，開(kāi)發(fā)光電電轉(zhuǎn)換效率高而又價(jià)廉長(zhǎng)壽命的材料轉(zhuǎn)換效率高而又價(jià)廉長(zhǎng)壽命的材料是當(dāng)務(wù)之急。是當(dāng)務(wù)之急。(4) 有機(jī)高分子材料將有更大發(fā)展有機(jī)高分子材料將有更大發(fā)展 有機(jī)高分子材料以其可再生，資源豐富，有機(jī)

41、高分子材料以其可再生，資源豐富，又有優(yōu)異性能，特別可實(shí)現(xiàn)分子設(shè)計(jì)，又有優(yōu)異性能，特別可實(shí)現(xiàn)分子設(shè)計(jì)，將會(huì)更大發(fā)展。將會(huì)更大發(fā)展。高分子聚合物不但是重要的結(jié)構(gòu)材料，高分子聚合物不但是重要的結(jié)構(gòu)材料，而且正在發(fā)展成為重要的功能材料，從而且正在發(fā)展成為重要的功能材料，從半導(dǎo)體半導(dǎo)體到到超導(dǎo)體超導(dǎo)體都有發(fā)展前途，作為都有發(fā)展前途，作為電電導(dǎo)體導(dǎo)體，其電導(dǎo)率可與銅相比，其電導(dǎo)率可與銅相比，高分子光高分子光學(xué)材料學(xué)材料種類(lèi)繁多，正在研究開(kāi)發(fā)。種類(lèi)繁多，正在研究開(kāi)發(fā)。高分子材料也具有鐵磁性，這些都是高分子材料也具有鐵磁性，這些都是21世紀(jì)要開(kāi)展研究與開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域。但世紀(jì)要開(kāi)展研究與開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域。但是高分

42、子的某些缺點(diǎn)也是必須下大力氣是高分子的某些缺點(diǎn)也是必須下大力氣才能得到解決的，如穩(wěn)定性、抗老化性才能得到解決的，如穩(wěn)定性、抗老化性及阻燃性。及阻燃性。(5) 生物材料將受到更大的重視生物材料將受到更大的重視 生物技術(shù)生物技術(shù)：的發(fā)展及人類(lèi)壽命的延長(zhǎng)與生活質(zhì)量的提高，生物醫(yī)用材料：的發(fā)展及人類(lèi)壽命的延長(zhǎng)與生活質(zhì)量的提高，生物醫(yī)用材料已成為人們非常關(guān)注的領(lǐng)域，器官更換、藥物緩釋及組織工程的發(fā)展將已成為人們非常關(guān)注的領(lǐng)域，器官更換、藥物緩釋及組織工程的發(fā)展將逐步深入。逐步深入。生物模擬生物模擬：是另一正在興起的學(xué)科，使材料的功能進(jìn)一步提高，并能達(dá)：是另一正在興起的學(xué)科，使材料的功能進(jìn)一步提高，并能達(dá)

43、到自恢復(fù)、自修復(fù)或智能化。生物材料的更長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是使生物技術(shù)原理到自恢復(fù)、自修復(fù)或智能化。生物材料的更長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是使生物技術(shù)原理用于工業(yè)化生產(chǎn)，改變高溫、高壓及耗能高的生產(chǎn)方式，催化劑已邁出用于工業(yè)化生產(chǎn)，改變高溫、高壓及耗能高的生產(chǎn)方式，催化劑已邁出第一步。第一步。光合作用光合作用：使水和：使水和CO2合成碳水化合物，人類(lèi)正在尋求利用生物技術(shù)，合成碳水化合物，人類(lèi)正在尋求利用生物技術(shù)，通過(guò)像催化劑的效應(yīng)一樣以工廠(chǎng)方式合成糧食，如此除了可以解決世界通過(guò)像催化劑的效應(yīng)一樣以工廠(chǎng)方式合成糧食，如此除了可以解決世界糧食問(wèn)題，糧食問(wèn)題， CO2過(guò)剩問(wèn)題也可得到解決。當(dāng)然，這是很長(zhǎng)的歷史過(guò)程過(guò)剩問(wèn)題也可得到

44、解決。當(dāng)然，這是很長(zhǎng)的歷史過(guò)程。(6) 納米材料及制備技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)迫在眉睫納米材料及制備技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)迫在眉睫 納米技術(shù)可大幅度提高結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度，改善其脆性。對(duì)功能材料來(lái)說(shuō)，納米技術(shù)可大幅度提高結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度，改善其脆性。對(duì)功能材料來(lái)說(shuō)，應(yīng)用方面更廣，高效率的催化作用，以及多變的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、應(yīng)用方面更廣，高效率的催化作用，以及多變的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)等，將使目前的功能材料性能明顯提高。磁學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)等，將使目前的功能材料性能明顯提高。這些改變將影響到工業(yè)和國(guó)防的各個(gè)方面，所以有人認(rèn)為納米技術(shù)將如這些改變將影響到工業(yè)和國(guó)防的各個(gè)方面，所以有人認(rèn)為納米技術(shù)將

45、如信息技術(shù)或生物技術(shù)一樣，將導(dǎo)致下一代工業(yè)革命。應(yīng)該指出，納米科信息技術(shù)或生物技術(shù)一樣，將導(dǎo)致下一代工業(yè)革命。應(yīng)該指出，納米科學(xué)技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段，特別是納米電子學(xué)、納米醫(yī)學(xué)所需材料，學(xué)技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段，特別是納米電子學(xué)、納米醫(yī)學(xué)所需材料，尚處于探索階段，但是納米技術(shù)用于結(jié)構(gòu)材料的改性及用作某些功能材尚處于探索階段，但是納米技術(shù)用于結(jié)構(gòu)材料的改性及用作某些功能材料已顯示出明顯的優(yōu)越性，有些已進(jìn)人產(chǎn)業(yè)化。料已顯示出明顯的優(yōu)越性，有些已進(jìn)人產(chǎn)業(yè)化。4. 材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)材料通過(guò)設(shè)計(jì)而得到所需要的性能是材料科學(xué)技術(shù)工作者的材料通過(guò)設(shè)計(jì)而得到所需要的性能是材料科學(xué)技術(shù)工作者的奮斗目標(biāo)。奮斗目

46、標(biāo)。材料設(shè)計(jì)可以分為幾個(gè)層次材料設(shè)計(jì)可以分為幾個(gè)層次:最基礎(chǔ)的是最基礎(chǔ)的是量子設(shè)計(jì)量子設(shè)計(jì)(quantumdesign)，這是由于電子運(yùn)動(dòng)而引起的多種，這是由于電子運(yùn)動(dòng)而引起的多種現(xiàn)象，如光學(xué)，這是功能材料的基礎(chǔ)?，F(xiàn)象，如光學(xué)，這是功能材料的基礎(chǔ)。其次為其次為原子設(shè)計(jì)原子設(shè)計(jì)(atomicdesign)，這是納米技術(shù)的基礎(chǔ)。原子排列是決定，這是納米技術(shù)的基礎(chǔ)。原子排列是決定材料力學(xué)性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，原子操縱可能是下一代芯片的一種技材料力學(xué)性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，原子操縱可能是下一代芯片的一種技術(shù)。術(shù)。第三個(gè)層次是第三個(gè)層次是微觀(guān)設(shè)計(jì)微觀(guān)設(shè)計(jì)(microdesign)，即微米級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，金屬

47、的相，即微米級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，金屬的相變、晶界的控制都屬于這一范疇。變、晶界的控制都屬于這一范疇。第四個(gè)層次是第四個(gè)層次是宏觀(guān)設(shè)計(jì)宏觀(guān)設(shè)計(jì)(macro-design)，以毫米到厘米為對(duì)象，像金屬在，以毫米到厘米為對(duì)象，像金屬在凝固過(guò)程的結(jié)構(gòu)與偏析便屬于此。凝固過(guò)程的結(jié)構(gòu)與偏析便屬于此。5. 科學(xué)儀器與檢測(cè)裝置科學(xué)儀器與檢測(cè)裝置科學(xué)技術(shù)的發(fā)展很大程度上依科學(xué)技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴(lài)于新科學(xué)儀器的不斷發(fā)明和賴(lài)于新科學(xué)儀器的不斷發(fā)明和性能的不斷提高，以物理學(xué)諾性能的不斷提高，以物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者為例，大約有貝爾獎(jiǎng)金獲得者為例，大約有半數(shù)得益于新儀器的發(fā)明或新半數(shù)得益于新儀器的發(fā)明或新測(cè)試手段的采用。

48、測(cè)試手段的采用。工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)往往取決工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)往往取決于檢測(cè)裝置精度的提高。所以于檢測(cè)裝置精度的提高。所以工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)科學(xué)儀器與檢工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)科學(xué)儀器與檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)與制造都給以足測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)與制造都給以足夠的重視。夠的重視。檢測(cè)是控制工藝流程及產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)是控制工藝流程及產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段，如無(wú)損檢測(cè)裝置不但可主要手段，如無(wú)損檢測(cè)裝置不但可以檢查宏觀(guān)缺陷，也可監(jiān)控裂紋的以檢查宏觀(guān)缺陷，也可監(jiān)控裂紋的萌生與擴(kuò)展，提高無(wú)損檢測(cè)裝置的萌生與擴(kuò)展，提高無(wú)損檢測(cè)裝置的精度十分重要，如先進(jìn)陶瓷的臨界精度十分重要，如先進(jìn)陶瓷的臨界裂紋，只有幾十微米，沒(méi)有精密的裂紋，只有幾十微米，沒(méi)有精密的無(wú)損探傷儀，陶瓷的質(zhì)量控制便談無(wú)損探傷儀，陶瓷的質(zhì)量控制便談不上，當(dāng)前檢測(cè)裝置除了擴(kuò)大品種，不上，當(dāng)前檢測(cè)裝置除了擴(kuò)大品種，提高靈敏度和穩(wěn)定性提高靈敏度和穩(wěn)定性 以外，主要發(fā)以外，主要發(fā)展在線(xiàn)、動(dòng)態(tài)以及適應(yīng)各種惡劣環(huán)展在線(xiàn)、動(dòng)態(tài)以及適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的檢測(cè)裝置。境的檢測(cè)裝置。1.6 材料化學(xué)的研究?jī)?nèi)容1. 1. 材料化學(xué)的定義材料化學(xué)的定義材料化學(xué)是研究材料的制備、組成、材料化學(xué)是研究材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。又結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。又稱(chēng)為固體化學(xué)。稱(chēng)為固體化學(xué)。既是材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，也是既是材料科學(xué)的