材料科学与人类文明

材料科学与人类文明

回顾历史，人类的历史是一部材料不断进步发展的历史。正是在历史发展过程中以及与此相联系的人类知识和经验的增长过程中，材料的使用才得以发展。材料的发展与社会的发展以及人类文明之间贯穿着一条辩证的线索。在人类发展史的早期阶段，直接获取的自然财富被用于满足最简单的需要。随着分工程度的深化，对在自然界寻觅到的原始材料进行加工的兴趣提高了。如果没有具备相应数量、质量、形式和布局的一定材料，没有必要的知识和技能，人类便会停留在原始阶段。

材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。没有材料科学的发展，就不会有人类社会的进步和经济的繁荣。

材料是指经过某种加工,具有一定结构、组分和性能,并可应用于一定用途的物质。材料可分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。功能材料主要是利用其声、光、电、磁、热等性能。通常的材料包括有金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料、复合材料等。材料的科学发展及应用,推动着人类社会的文明和进步,带动经济的繁荣发展。

人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们称之为新石器时代。青铜时代大约源于4000-5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代则被认为是始于1400多年前，春秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器，得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。

在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。在已经发现的旧石器时代的人类遗址里，可以看到我们的祖先用石头打磨制成的石刀、石斧、刮削器等，这些就是人类早期曾经用过的工具。劳动工具的出现，也带来了社会物质和人类文明的进步。古生物学研究证明：在这个时期，除了能加工粗糙的石器外，还能制造工具。除了拳状锲之外，还有刮刀和刮板。骨头、象牙、石头和植物编织物被用来制造鱼叉、鱼钩和鱼网等。原始时代和史前时期用“划时代材料”来命名历史阶段，形象地说明了材料在人类历史上的重要性。

距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，是人类单纯利用火制造材料的阶段例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料等等。

20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属

材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。

20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。

20世纪80年代人们发现自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。

材料作为划分时代的标志，正确地反映了人类社会的生产力发展水平，也反映出材料举足轻重的意义。在现代科学技术中，材料科学已经和能源科学、信息科学并列为三大支柱。值得注意的是，无论能源技术还是信息技术对于材料的依赖，均变得越来越突出.

在新的世纪里，会有更多的新材料问世，传统材料的性能得到进一步提高，人类将生活在一个多元化材料的时代。寻求新材料在飞机上应用成为未来飞机发展的关键技术之一。复合材料使用日益广泛，陶瓷复合材料由于极好的耐高温性能和低密度，越来越多地应用到高温耐磨的热部件上传统的金属材料不断被新研制的先进合金材料所代替，如Al－Li合金，钛合金等，以及更轻，更好的强度和更耐热的金属基复合材料。为适应特种飞机的特种需要出现了特种材料，如航空电子器件用的高温超导材料和专用于作战飞机隐身的吸波材料和导电塑料等。金属材料朝更轻、更强、耐高温、抗腐蚀、抗疲劳，生产成本更低，结构功能一体化的方向发展。先进的陶瓷高温结构应用继续得到重视，功能陶瓷的发展方兴未艾，光电子陶瓷材料具有无限的生命力。结构高分子材料和功能高分子材料（导电、导热、发光等）具有广阔的发展前景，将在很多应用里域内与金属材料和陶瓷材料展开竞争。各种材料的生产与使用将更注重与环境的协调性，资源的再生和循环利用。总的说来，本世纪材料科学的发展有以下几个特点:超纯化（从天然材料到合成材料）、量子化（从宏观控制到微观和介质控制）、复合化（从单一到复合）及可设计化（从经验到理论）。当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也日益丰富，21世纪会出现什么样的高技术材料，材料科学又将发展到何种程度，我们很难预料。