新材料与功能材料的战略地位
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历史发展到近现代，材料的应用与发展，更是在人类文明与进步中扮演着举足轻重 的角色。众所周知，钢铁材料孕育了工业产业革命；半导体材料促进了现代信息技术的 建立和发展；复合材料及新型超合金材料为空间技术的发展奠定了物质基础；光导纤维 的出现又为现代数字信息技术及网络技术带来了无限美好前景。材料、能源和信息已经 成为现代文明的三大支柱，而材料则是其中非常重要的物质基础。1986 年我国制定了《高 技术发展计划纲要》，被评选列入的七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航 天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术[1]。包括新材料技术在内的高技术代表 着科学技术发展的前沿，它在社会进步和经济发展中发挥着巨大的作用，并对增强综合 国力有着重要意义，所以具有非常重要的战略地位。进入 21 世纪以来，信息、新材料、 生物技术被视为 21 世纪新技术的主要标志[2]。因此许多国家都把新材料的研究开发放在 了优先发展的地位。总之，材料科学的发展水平已经成为衡量一个国家科学技术、国民 经济水平及综合国力的重要标志，新材料技术则是衡量高新技术发展水平的主要标志。 新材料是材料科学和新材料技术的发展成果和物质体现，同时又是整个科学技术发展的 极其重要的物质基础。因此，无论是在我国还是在世界其他国家新材料和新材料技术都 具有非常重要的战略地位。
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3.1 结构材料性能及应用
结构材料指作为工程结构材料使用的材料，根据材料的本性或其结合键的性质可以 分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。
3.1.1 金属结构材料
金属材料是最重要的工程材料，包括纯金属和以纯金属为基的合金。金属的结合键 以金属键为主，还有部分共价键结合，所以以金属为主体的工程材料不仅具有较高的弹 性模量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、韧性、导电和导热性能。因此成为工程材 料的首选，得到广泛应用。其中，黑色金属的价格便宜，且工艺性能比较优越，是最重 要的工程金属材料。铁基材料的产量占整个结构材料和工具材料的 90%以上。有色金属 包括轻金属、易熔金属、难熔金属、贵金属、稀土金属和碱金属等，它们是重要的特殊 用途材料。
而且随着工艺技术的不断改进，更多的新材料会不断被发现和研制。
3 新材料概况、性能及应用
对于新材料并没有公认的确切的定义。简短地不太严格的说法可以表述为“在最近 将达到实用化的高功能材料”。一般认为新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、 形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等[1]。新 材料目前的范围还没有公认的严格的界定，所以对它的分类也很难有统一的认识，下面 姑且按成分、特性和用途大致将其归类为结构材料和功能材料两大类进行性能及应用讨 论，重点在无机材料方面，对金属和有机材料由于知识所限仅作简单介绍。考虑到目前 新材料发展的方向性，重点对功能材料的性能及应用讨论。
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2 新材料的研究和发展历史
从 1881 年 SiC 问世，1893 年美国人 E.G.Acheson 独具慧眼发现 SiC 单晶并认识到 它的优异耐磨性能的潜在价值起，新材料就被人们逐渐认识和开发利用[3，4]。
1911 年，荷兰人昂尼斯发现了超导现象[4]。1913 年，英国人 Thomson-Houston 申请 用烧结氧化铝制作工具、模具、滚子、轴承的专利[4]。但这两项技术都是在 50 年后才得 以开发应用。超导技术更是在近 30 年才逐渐步入实用化阶段[1]。
3.2 功能材料性能及应用
3.2.1 功能金属材料
功能金属材料是最早为人们认识和利用的功能材料，目前仍是研究最活跃、开发最 有潜力、应用效益极好的高技术新材料领域之一。
传统功能金属材料有电性材料、磁性材料、超导材料、膨胀材料和弹性材料等。另 一部分属于较新发展起来的材料，如非晶合金、储氢合金、形状记忆材料、超塑性合金 及金属薄膜等。
3、多学科相互渗透，技术更加复杂化，新材料属性模糊化。诸多新材料的功能已 经远远超出了原来界定的材料类别范围，尤其是复合及杂化等新技术的运用，使新材料 的属性界定变的困难，在学界引起认识上的困惑或分歧。
4、研究更加微观化。纳米技术的运用，如杂化技术的运用和纳米材料的研制已经 是在量子效应和表面能量效应级上的研究。
3.1.4 复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织结构材料组合在一起而构成的。 如果选择适合的组分及复合工艺，可以得到在强度、刚度和耐腐蚀性等方面比单纯的金 属、陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有广阔的发展前景。复合材料通常分为树 脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。
表 1 结构陶瓷材料的分类、特性和用途
系列
材料
特性
用途
氧化物
Al2O3、MgO、ZrO２、SiO２、 高强度、高硬度、高韧
BeO、莫来石
性、高导热性、耐磨性
各种受力构件、汽车、车床、 机床零件、拉丝模具、刀具、 测量工具、研磨介质
碳化物 氮化物 硅化物 硼化物 纳米陶瓷
SiC、B4C、TiC Si3N4、BN、AlN MoSi2、TiSi2 ZrB2、TiB2 纳米氧化物、非氧化物
新材料与功能材料的战略地位
董秀珍 （唐山学院 063000）
摘要 从材料的历史地位和作用出发、介绍了新材料的研发历史、结构材料和功能材料的主要性能、 应用和发展现状，分析探讨了新材料与功能材料发展在国家发展中的重要战略地位，提出了新材料 和功能材料的发展方向。
关键词 新材料 功能材料 战略地位 发展方向
电性材料：电性材料的主要类型、特性和用途见表 2。
1 材料的历史地位及重要作用
材料是人类生活和生产必需的物质基础。自古以来材料就是人类文明程度的标志。 人类的历史曾以当时使用的代表性的材料命名的，有“石器时代”、“青铜器时代”、“铁 器时代”等。可以说，人类社会的每一步进步和发展，都离不开新材料的应用和发展。 正是由于石器材料的使用，推动了人类文明从采集渔猎生活进入农耕生活；青铜器材料 的使用，促进了人类文明从原始社会向奴隶社会转变；而铁器材料的使用，则把人类带 入到工业文明的社会。
耐高温、超硬性、抗热 震、抗氧化
汽车发动机零件、燃汽轮机叶 片、高温润滑材料、耐磨材料、 耐火材料
超塑性、高韧性
各种高性能结构零件
低膨胀陶瓷 堇青石、锂辉石、钛酸铝 α＜2×10-6℃
耐急冷急热结构零件
复合材料
Cf／SiO２、SiCw／ZrO２ 高温力学性能优良
Biblioteka Baidu
火箭头罩、飞行器表面瓦、发 动机零部件
3.1.3 高分子材料
高分子材料又称聚合物材料，主要组分是有机高分子化合物。高分子化合物每个分
子中可含有几千、几万甚至几十万个原子，相对分子质量在 5000 以上。大分子内的原
子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之间的结合力为范德瓦尔斯力和氢键。
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由于大分子链很长，大分子之间的接触面比较大，特别当分子链缠结在一起时，大分子 之间可以产生较大的结合力，所以高分子材料具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐 腐蚀性能、很好的绝缘性以及较低的密度等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型 结构材料。按其用途和使用状态又分为橡胶、塑料、合成纤维和胶黏剂等四大类。
重要的金属结构材料有不锈钢、微合金非调质钢、轻金属、耐热钢、纳米材料和非 晶体材料等。
3.1.2 结构陶瓷材料
陶瓷材料的结合键有离子键、共价键、离子-共价键等结合形式，因此表现出高强 度、高硬度、耐高温、耐磨蚀、抗氧化、抗热震等优良性能，在机械、热及部分化学领 域有特殊作用，在结构材料领域发挥着重要的作用。其主要分类、特性和用途见表 1[6]。
随着科技的进步和基础工业的发展，材料科学进入到突飞猛进的发展阶段。体现出 以下主要特征：
1、注重材料功能性的开发和利用，而且开始根据功能要求设计制造新型功能材料。 显微理论和技术的成熟有力支持了这些研究。
2、新品种材料开发速度快、质量高。主要是材料制备新方法很多，如快速凝固、 镀膜、超晶格、机械合金化、溶胶-凝胶、极限（极高温、高压、高真空、失重等）条 件下制备的方法、复合及杂化、晶须及大单晶制备法等等，提高了开发速度和材料质量。
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评估可以认识到：要是整个美国的汽车上普遍使用陶瓷发动机，每年可节约燃料 175 亿 美元左右；仅仅因为应用陶瓷组件可以提高涡轮机工作温度一项，每年可节约 70 亿美 元左右；由于在热机中采用陶瓷材料取代超级合金，每年可减少进口战略材料 10 亿美 元以上。正是由于热机陶瓷技术对国家的宏观经济产生的巨大作用，所以 20 世纪 70～ 90 年代成为陶瓷热机年代。日本、德国、瑞典、英国、法国也纷纷加入了陶瓷发动机热 潮。尤其是日本，起点高，应用成果能力很强，发展极为迅速，在当时的世界陶瓷市场 几乎是和美国均分天下，甚至超过美国，经济优势非常显著[3]。
20 世纪 80 年代后，新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。研究领域涉 及全部材料，技术逐渐成熟或突破。如 1986 年瑞士苏黎世 IBM 实验室的 J.G.Bednorz 和 K.A.Muller 发现了 La-Ba-Cu-O 化合物在 35K 下的超导现象，突破了困惑超导研究领 域 75 年的温度问题，在世界掀起了一场超导热浪[1]。 其他如激光晶体、太阳能电池材 料、纳米材料、晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有 机材料、碳纤维、能量转换材料等新材料的研究也逐渐深入。
从 1918 年无线电通讯由火花塞进入真空管时代，到 1931 年半导体理论由英国的 A.H.Wilson 发表[4]，新材料的研究开始缓慢起步。二战期间，工程塑料和纤维增强树脂 （FRP）复合材料因加工性能优良、价格低廉，被用于制造武器，得到军事应用，取得 惊人发展[4，5]。
随着 1955 年，美国通用电气公司人工合成了超硬质陶瓷材料[5]，新材料的研究开始 步入加速起步阶段。由于二战后美国经济的高速发展，美国的材料科学也快速发展。1957 年，苏联人造卫星发射成功，美国在翌年发射成功[4]。1959 年美国航空航天局（NASA） 开发了纤维增强金属复合材料 FRM[4]。60 年代初美国海军研究所发现了形状记忆材料“镍 钛脑”（Nitanon），随之雷切姆公司利用此技术制造了数十万只 F-14 战斗机燃料管的接 头，几乎没有事故和次品发生[5]。1965 年，日本研制生物体适用材料。1967 年贝尔研究 所的豪博格研究了磁泡存储器材料[5]。1968 年美国 RCA 公司发表用液晶显示的装置，有 机物半导体问世。同年美国布鲁克海本国立研究所研究了储氢合金材料镁-镍合金等， 储氢合金材料开始以美国为首到处开发。1969 年美国的阿波罗 11 号登月成功。1970 年 美国康宁公司成功研制了光导纤维，日本迅速应用并超过其发展水平。可以说，20 世纪 60 年代是以美国为首的新技术革命浪潮席卷全球的年代。世界进入了计算机、微电子、 通讯、激光、航天、海洋和生物工程等新兴技术领域的时代 [3，4，5] 。
到了 20 世纪 70 年代，举世震惊的石油危机以及战略材料的严重匮乏。使世界面临 严重的挑战。80 年代，中东两伊战争，石油输出国一度中断原油出口，使世界能源局势 岌岌可危，迫使人们想方设法寻求新能源材料和战略替代材料。远见卓识的美国最早开 始了制造汽车发动机组件的结构陶瓷的研究，并加大了研究步伐和研究力度。国防部启 动了十大陶瓷热机计划，以通用、福特卡明斯为首的 40 多家公司加入了开发行列。能 源部也非常重视轻质节能的新材料的研究开发，仅 1985 年度，就投资 1.331 亿美元。 其下属的 20 个局都制定了材料科学与工程的研究与开发计划。国家科学基金会（NSF） 在 1984-1986 年对材料研究计划的投资达 3.2 亿美元。其他如国家远景研究规划局 （ARPA）、空军、陆军、国家航空和航天管理局（NASA）、海军部等都参与了相关 计划[5]。可见美国在陶瓷热机的研究与开发上起步之早、规模之大、计划之多、阵容之 强，名列世界前茅。对新材料开发的重视和支持程度足见新材料发展在美国国家政治、 经济、军事和文化发展中备受重视的战略地位。其研究价值从 80 年代美国的一项研究
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3.1 结构材料性能及应用
结构材料指作为工程结构材料使用的材料，根据材料的本性或其结合键的性质可以 分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。
3.1.1 金属结构材料
金属材料是最重要的工程材料，包括纯金属和以纯金属为基的合金。金属的结合键 以金属键为主，还有部分共价键结合，所以以金属为主体的工程材料不仅具有较高的弹 性模量、硬度和强度，而且具有很好的塑性、韧性、导电和导热性能。因此成为工程材 料的首选，得到广泛应用。其中，黑色金属的价格便宜，且工艺性能比较优越，是最重 要的工程金属材料。铁基材料的产量占整个结构材料和工具材料的 90%以上。有色金属 包括轻金属、易熔金属、难熔金属、贵金属、稀土金属和碱金属等，它们是重要的特殊 用途材料。
而且随着工艺技术的不断改进，更多的新材料会不断被发现和研制。
3 新材料概况、性能及应用
对于新材料并没有公认的确切的定义。简短地不太严格的说法可以表述为“在最近 将达到实用化的高功能材料”。一般认为新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、 形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等[1]。新 材料目前的范围还没有公认的严格的界定，所以对它的分类也很难有统一的认识，下面 姑且按成分、特性和用途大致将其归类为结构材料和功能材料两大类进行性能及应用讨 论，重点在无机材料方面，对金属和有机材料由于知识所限仅作简单介绍。考虑到目前 新材料发展的方向性，重点对功能材料的性能及应用讨论。
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2 新材料的研究和发展历史
从 1881 年 SiC 问世，1893 年美国人 E.G.Acheson 独具慧眼发现 SiC 单晶并认识到 它的优异耐磨性能的潜在价值起，新材料就被人们逐渐认识和开发利用[3，4]。
1911 年，荷兰人昂尼斯发现了超导现象[4]。1913 年，英国人 Thomson-Houston 申请 用烧结氧化铝制作工具、模具、滚子、轴承的专利[4]。但这两项技术都是在 50 年后才得 以开发应用。超导技术更是在近 30 年才逐渐步入实用化阶段[1]。
3.2 功能材料性能及应用
3.2.1 功能金属材料
功能金属材料是最早为人们认识和利用的功能材料，目前仍是研究最活跃、开发最 有潜力、应用效益极好的高技术新材料领域之一。
传统功能金属材料有电性材料、磁性材料、超导材料、膨胀材料和弹性材料等。另 一部分属于较新发展起来的材料，如非晶合金、储氢合金、形状记忆材料、超塑性合金 及金属薄膜等。
3、多学科相互渗透，技术更加复杂化，新材料属性模糊化。诸多新材料的功能已 经远远超出了原来界定的材料类别范围，尤其是复合及杂化等新技术的运用，使新材料 的属性界定变的困难，在学界引起认识上的困惑或分歧。
4、研究更加微观化。纳米技术的运用，如杂化技术的运用和纳米材料的研制已经 是在量子效应和表面能量效应级上的研究。
3.1.4 复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织结构材料组合在一起而构成的。 如果选择适合的组分及复合工艺，可以得到在强度、刚度和耐腐蚀性等方面比单纯的金 属、陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有广阔的发展前景。复合材料通常分为树 脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。
表 1 结构陶瓷材料的分类、特性和用途
系列
材料
特性
用途
氧化物
Al2O3、MgO、ZrO２、SiO２、 高强度、高硬度、高韧
BeO、莫来石
性、高导热性、耐磨性
各种受力构件、汽车、车床、 机床零件、拉丝模具、刀具、 测量工具、研磨介质
碳化物 氮化物 硅化物 硼化物 纳米陶瓷
SiC、B4C、TiC Si3N4、BN、AlN MoSi2、TiSi2 ZrB2、TiB2 纳米氧化物、非氧化物
新材料与功能材料的战略地位
董秀珍 （唐山学院 063000）
摘要 从材料的历史地位和作用出发、介绍了新材料的研发历史、结构材料和功能材料的主要性能、 应用和发展现状，分析探讨了新材料与功能材料发展在国家发展中的重要战略地位，提出了新材料 和功能材料的发展方向。
关键词 新材料 功能材料 战略地位 发展方向
电性材料：电性材料的主要类型、特性和用途见表 2。
1 材料的历史地位及重要作用
材料是人类生活和生产必需的物质基础。自古以来材料就是人类文明程度的标志。 人类的历史曾以当时使用的代表性的材料命名的，有“石器时代”、“青铜器时代”、“铁 器时代”等。可以说，人类社会的每一步进步和发展，都离不开新材料的应用和发展。 正是由于石器材料的使用，推动了人类文明从采集渔猎生活进入农耕生活；青铜器材料 的使用，促进了人类文明从原始社会向奴隶社会转变；而铁器材料的使用，则把人类带 入到工业文明的社会。
耐高温、超硬性、抗热 震、抗氧化
汽车发动机零件、燃汽轮机叶 片、高温润滑材料、耐磨材料、 耐火材料
超塑性、高韧性
各种高性能结构零件
低膨胀陶瓷 堇青石、锂辉石、钛酸铝 α＜2×10-6℃
耐急冷急热结构零件
复合材料
Cf／SiO２、SiCw／ZrO２ 高温力学性能优良
Biblioteka Baidu
火箭头罩、飞行器表面瓦、发 动机零部件
3.1.3 高分子材料
高分子材料又称聚合物材料，主要组分是有机高分子化合物。高分子化合物每个分
子中可含有几千、几万甚至几十万个原子，相对分子质量在 5000 以上。大分子内的原
子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之间的结合力为范德瓦尔斯力和氢键。
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由于大分子链很长，大分子之间的接触面比较大，特别当分子链缠结在一起时，大分子 之间可以产生较大的结合力，所以高分子材料具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐 腐蚀性能、很好的绝缘性以及较低的密度等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型 结构材料。按其用途和使用状态又分为橡胶、塑料、合成纤维和胶黏剂等四大类。
重要的金属结构材料有不锈钢、微合金非调质钢、轻金属、耐热钢、纳米材料和非 晶体材料等。
3.1.2 结构陶瓷材料
陶瓷材料的结合键有离子键、共价键、离子-共价键等结合形式，因此表现出高强 度、高硬度、耐高温、耐磨蚀、抗氧化、抗热震等优良性能，在机械、热及部分化学领 域有特殊作用，在结构材料领域发挥着重要的作用。其主要分类、特性和用途见表 1[6]。
随着科技的进步和基础工业的发展，材料科学进入到突飞猛进的发展阶段。体现出 以下主要特征：
1、注重材料功能性的开发和利用，而且开始根据功能要求设计制造新型功能材料。 显微理论和技术的成熟有力支持了这些研究。
2、新品种材料开发速度快、质量高。主要是材料制备新方法很多，如快速凝固、 镀膜、超晶格、机械合金化、溶胶-凝胶、极限（极高温、高压、高真空、失重等）条 件下制备的方法、复合及杂化、晶须及大单晶制备法等等，提高了开发速度和材料质量。
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评估可以认识到：要是整个美国的汽车上普遍使用陶瓷发动机，每年可节约燃料 175 亿 美元左右；仅仅因为应用陶瓷组件可以提高涡轮机工作温度一项，每年可节约 70 亿美 元左右；由于在热机中采用陶瓷材料取代超级合金，每年可减少进口战略材料 10 亿美 元以上。正是由于热机陶瓷技术对国家的宏观经济产生的巨大作用，所以 20 世纪 70～ 90 年代成为陶瓷热机年代。日本、德国、瑞典、英国、法国也纷纷加入了陶瓷发动机热 潮。尤其是日本，起点高，应用成果能力很强，发展极为迅速，在当时的世界陶瓷市场 几乎是和美国均分天下，甚至超过美国，经济优势非常显著[3]。
20 世纪 80 年代后，新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。研究领域涉 及全部材料，技术逐渐成熟或突破。如 1986 年瑞士苏黎世 IBM 实验室的 J.G.Bednorz 和 K.A.Muller 发现了 La-Ba-Cu-O 化合物在 35K 下的超导现象，突破了困惑超导研究领 域 75 年的温度问题，在世界掀起了一场超导热浪[1]。 其他如激光晶体、太阳能电池材 料、纳米材料、晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有 机材料、碳纤维、能量转换材料等新材料的研究也逐渐深入。
从 1918 年无线电通讯由火花塞进入真空管时代，到 1931 年半导体理论由英国的 A.H.Wilson 发表[4]，新材料的研究开始缓慢起步。二战期间，工程塑料和纤维增强树脂 （FRP）复合材料因加工性能优良、价格低廉，被用于制造武器，得到军事应用，取得 惊人发展[4，5]。
随着 1955 年，美国通用电气公司人工合成了超硬质陶瓷材料[5]，新材料的研究开始 步入加速起步阶段。由于二战后美国经济的高速发展，美国的材料科学也快速发展。1957 年，苏联人造卫星发射成功，美国在翌年发射成功[4]。1959 年美国航空航天局（NASA） 开发了纤维增强金属复合材料 FRM[4]。60 年代初美国海军研究所发现了形状记忆材料“镍 钛脑”（Nitanon），随之雷切姆公司利用此技术制造了数十万只 F-14 战斗机燃料管的接 头，几乎没有事故和次品发生[5]。1965 年，日本研制生物体适用材料。1967 年贝尔研究 所的豪博格研究了磁泡存储器材料[5]。1968 年美国 RCA 公司发表用液晶显示的装置，有 机物半导体问世。同年美国布鲁克海本国立研究所研究了储氢合金材料镁-镍合金等， 储氢合金材料开始以美国为首到处开发。1969 年美国的阿波罗 11 号登月成功。1970 年 美国康宁公司成功研制了光导纤维，日本迅速应用并超过其发展水平。可以说，20 世纪 60 年代是以美国为首的新技术革命浪潮席卷全球的年代。世界进入了计算机、微电子、 通讯、激光、航天、海洋和生物工程等新兴技术领域的时代 [3，4，5] 。
到了 20 世纪 70 年代，举世震惊的石油危机以及战略材料的严重匮乏。使世界面临 严重的挑战。80 年代，中东两伊战争，石油输出国一度中断原油出口，使世界能源局势 岌岌可危，迫使人们想方设法寻求新能源材料和战略替代材料。远见卓识的美国最早开 始了制造汽车发动机组件的结构陶瓷的研究，并加大了研究步伐和研究力度。国防部启 动了十大陶瓷热机计划，以通用、福特卡明斯为首的 40 多家公司加入了开发行列。能 源部也非常重视轻质节能的新材料的研究开发，仅 1985 年度，就投资 1.331 亿美元。 其下属的 20 个局都制定了材料科学与工程的研究与开发计划。国家科学基金会（NSF） 在 1984-1986 年对材料研究计划的投资达 3.2 亿美元。其他如国家远景研究规划局 （ARPA）、空军、陆军、国家航空和航天管理局（NASA）、海军部等都参与了相关 计划[5]。可见美国在陶瓷热机的研究与开发上起步之早、规模之大、计划之多、阵容之 强，名列世界前茅。对新材料开发的重视和支持程度足见新材料发展在美国国家政治、 经济、军事和文化发展中备受重视的战略地位。其研究价值从 80 年代美国的一项研究