《材料与文明进步》
材料与文明进步、科技创新的重要关联
主讲人：屈静江
材料是人类文明进步的里程碑，它也是构筑了我们的世界；材料是赖以生存发展的物质基础，也是所有科技进步工业的核心；新材料不断开发和有效地使用能力，是衡量社会技术水平和未来科技发展的重要尺度；材料主导工业发展和科技创新。
材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史。人类进步的重要阶段，都是由材料来划分的。比如陶器时代、青铜器时代和铁器时代等。公元前6000年，人类发明了火，掌握了钻木取火的技术。有了火，不仅可以热食、取暖、照明和驱兽，还可以烧制陶器。这是陶瓷材料发展的一次飞跃，瓷器（英译名为China）的出现已成为中华民族文化的象征之一，对世界文化产生过深远的影响。从陶器时代开启人类文明；青铜催生冶炼辉煌；到钢铁推动第一次产业革命；再到半导体硅材料将人类社会带入信息时代；而石墨烯被认为是替代硅最有前途的材料，未来可能从“硅时代”进入“碳时代”。创新引领未来，科技创造美好生活，材料的发展推动人类文明不断进步。我们还是从材料的起源去追寻这迷人的世界。
陶器时代：陶器是人类最早不用
大自然的现成材料而制成的器具。制
陶技术是最古老的材料技术，是人类
材料技术的发端。我国陶器的制造和
使用大致始于距今1万年左右的全新
世初期。陶器的出现与农业、定居生
远古陶器
活的出现成为石器时代人类文化新飞跃的重要标志，即人类文化从此进入了新石器时代。陶器的出现促进和丰富了原始人的经济生活，在陶器制作中，人类的审美智慧创造性地得
到了发挥。
我们的先民是首先发现了陶土用火烤一下，烤到某种程度陶土会变硬，变硬之后可以用来盛水，盛食物，大大改善了人类的生活。更重要一点，就是先人从火烤的经验知道了材料与温度有密切的关系。这种知识，使我们以后发展材料有很大的帮助。但是大家都知道，陶器有很多缺点，缺点是什么呢，比较脆，一碰就摔碎了，所以陶器不能用来做农耕工具，也不能用来做武器防身。因而它激发了新材料研发，这个当时的新材料就是青铜器。
青铜时代：青铜采冶业
是从石器加工和烧制陶器的
生产实践中渐渐认识而产生
的。人们在寻找石料和加工
的过程中，逐步识别了自然
铜与铜矿石。中国的青铜文
化起源于黄河流域，距今约
青铜编钟
5000年，商周为鼎盛期，目前世界上最早的冶炼铜发现于中国的陕西姜寨遗址。姜寨遗址出土的公元前4700年前冶炼的黄铜片及黄铜圆环为世界上最古老的冶炼黄铜，标志着人类初步掌握了金属冶炼技术，为青铜时代的到来打下基础。如果铜里含了20%到30%的锡，它加到铜里面就有两种很重要的作用，一个作用就是把铜熔点从1100度降低到800度，这个温度在古时候可以用烧柴火就能达到这个温度，所以古人可以把青铜来熔化，来做成各种器具，而且青铜有其它的好处，它比较硬化，又能抗腐蚀，所以青铜在当时是一种最好的材料。青铜在商周的时候大量开发，最漂亮最精美的青铜器是在战国时期铸造的曾侯乙编钟，也是我国出土文物最多，重量最重，声音最全的一套编钟，凡是有机会听到、看到的人都认为这个编钟是中华文化的国宝，也是世界音乐史上的一个奇迹。所以，材料不但可以改进人们生活，而且材料可以影响历史的发展，就以青铜为例，中国历史上，秦
灭六国统一中国，当然秦朝战胜有很多原因，但是一个直接
的原因就是秦在当时做的青铜器特别好，秦剑细而尖锐，而
且它比其它六国制的剑要精致，剑的长度可做到一米左右，
而其它国家只能铸出0.8米长，他的剑比对手长，就容易刺
伤对方，别人很难刺到他，这是秦战胜的一个很重要的因素。
当然剑长有时也有不利的一面，如秦始皇的剑就是把很长的
青铜剑，当时荆轲刺秦皇时，秦王一紧张，加上这剑因长没
一下子拔出来，差一点被荆轲刺杀了，假如这次行刺成功了，
也许中国历史就要改写了。所以材料器具对历史文化有着重
要关联。以上讲了青铜器优点，但他缺点也很多，如不够坚
韧，在很多地方像农耕器具、车轮车轴用青铜就不够坚硬，
不能久耐用，所以激发了开创铁器时代。
铁器时代：铁器时代是人类发
展史上一个极为重要的时代。人类
最早知道的铁是陨石中的铁，古人
曾用这种天然铁制作刀刃和饰物，
这是人类使用铁的最早情况。地球
上的铁是少见的，所以铁的冶炼和
早期铁器铁的制造经历了一个很长的时期。
当人们在冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，
铁器时代也就到来了。我国目前发现的最古老冶炼铁器是甘
肃省临潭县磨沟寺洼文化墓葬出土的两块铁条距今3300年。
因此大约在3000年前，人类进入了铁器时代。铁器时代也
叫做铸铁时代。铸铁就是在铁里面含有4%左右的碳，碳的用
途可以把铁的熔点从1450度降低到1100度，这个温度很重
要，这在当时以烧煤为燃料才可以烧到那么高的温度，所以
纯铁是没有办法去熔炼，但是铸铁就可以很好地熔炼。在汉
朝的时候有大量的铸铁（器）造出来，包括农耕工具，交通
用的轮轴都做得很好，铁器发展是造就汉唐盛世的很大一个
原因，可惜当时中国太过保守，太过自大，抑制了铁器的进
一步开发。如果开发好的话，也许工业革命是发生在中国而
不是欧洲。这里讲个小故事吧。
在公元326年的时候，古希腊有名的一个皇帝叫亚历山大帝，他在印度河的河谷战役中，打败了印度王突罗，印度王被战败之后就呈献给亚历山大帝一个礼物，这个礼物是装在一个黄金盆子里，而这个黄金盆子装的是一块刚开发出来的精铁，什么叫精铁，就是几乎近乎纯铁的那种铁，为什么这个铁珍贵呢？这个铁可以做宝剑，当时有这种精制的铁非常重要，所以它比黄金价格高很多。只可惜这精铁刚开发出来，否则，这战局谁胜谁负就难说了。
钢铁时代：钢铁作为基础金属材料，仍然是国民经济发展所需的大众材料。直到今天的人类生活中对我们生产生活影响最大的，生产力推动最强的材料应当是钢铁莫属。钢铁材料始于十八世纪英国工程师贝西默首创酸性转炉炼钢技术，使当时钢价降低了85%，世界钢铁产量从1850年的6万吨晋升到1900年的2800万吨（2014年钢产量14亿吨），大大促进了钢铁的工业化，颠覆了封建的生产方式，使大量由农业、手工业社会进步到工业社会。所以钢材料是人类材料史上的第一次革命。
而钢铁材料的出现，人类终于要开始工业革命啦，工业革命发生在18世纪，在欧洲英国首先成功地用低硫焦炭工艺大规模生产钢铁，而且当时蒸气机已经在欧洲被发明出来，但是蒸汽机的制造必须要用坚韧耐磨的钢铁，所以当时大规模廉价生产钢铁可以促使蒸汽机的开发，因为蒸汽机的开发解决了用机械动力取代人工劳力，成就了所谓工业革命，也开启了工业时代，所以钢铁是促成工业革命的最重要的一个因素。
工程材料的第二次革命应当属于热压材料（塑料），是由美籍比利时化学家贝克兰发明的。1907年7月14日，他注册了第一个酚醛塑料的专利，塑料这种高分子聚合物它的强度仅仅是钢铁的50分之一，但是它集木材的轻便性，玻璃的透明性，陶瓷的耐腐蚀性，以及橡胶的弹性和韧性于一
身，所以除了日常生活用品以外，大家所坐的椅子等等，还广泛地运用医疗器械、石油化工、机械制造、航空航天、建筑等各行各业。例：最新型的787民用客机，它中间的一半是复合材料，其基体是增强碳纤维都是高分子材料。目前全球塑料产量如果按照体积算已经超过钢铁了。
从陶、青铜、铁、到种类繁多的各种金属，材料的开发推动了人类的文明进步，也促进了现代工业科技的发展和创新，不过因为材料的缺陷也曾酿成人类历史上的大悲剧。近代第一个悲剧事件就是1912年发生的铁达尼号邮轮的沉没，该船的船身是钢铁做的，当时钢铁做得不够好，钢铁在低温时有脆性，所以当这船撞到冰山的时候船身就断裂了，造成船体很快沉没，一共死了1500人，而这1500人都是非常有钱的人，因为这是一艘非常豪华的邮轮。大家非常关注，其实在19世纪的时候很多船容易断裂，都是因为铁出了问题，这个问题一直没解决，直到70年后的1980年，材料科学家才找到答案，就是早期做出的钢铁含有杂质硫黄硫，如果铁里面含了0.1%的硫，这个铁在低温时就有脆性，也就导致了历史上悲剧的发生。现在的钢铁，尤其好的钢铁，硫的含量必须在0.05%以下，这样低硫的钢铁韧性好。硫有什么问题呢，因为硫会偏折到铁的晶界上，使晶界脆化，所以当撞到坚硬物时这个铁就开始断裂了。
美国911事件，飞机撞到了非常坚固的世贸大楼，本来这飞机是不容易把大楼撞倒的，怎么倒了呢？因为飞机上有近1万加仑的油料，油料造成大火，油把建筑烧到差不多600度的高温，这使得大楼的钢筋开始软化，钢筋软化之后造成整个大楼的倒塌，这个惨剧造成3000人死亡，受伤超过6000人以上。美国联邦调查局下的结论就是这个大楼钢筋不耐高温，是高温导致钢筋软化造成此次大楼坍塌的主因，因此，以后欧美规定在盖高楼时，钢筋必须要在600度的时候要有相当于室温的一半以上的强度，这样的钢筋才能盖高楼。灾难造成的极端状况，让人类更清楚地认识到了材料的特性，
科学家们开发新材料的努力也从未停息，材料与工业发展和科技创新又有怎样的关联呢？
新材料时代：随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据科学技术的研究成果，开发出性能超群的新材料。主要为：先进的高分子材料、超导材料、智能材料、能源材料、纳米材料、仿生材料、多孔材料等。新材料在日常生活、国防建设上作用重大。例如：超纯硅、砷化镓研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的上千亿次；航空发动机材料的工作温度每提高100度，推力可增大20%；隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现等等。关系材料和工业的关系，我举几个例子说明。我想大家都坐过喷射（气）飞机吧，喷射飞机动力来自涡轮发动机，涡轮发动机的核心部分是涡轮叶片，这个叶片要在1500度左右的高温下运转，它需要抗高温，耐高压。经过40年努力，在1980年美国才正式开发出非常好的双相镍基合金，这个镍基合金是当时世界上最好的高温材料，这个材料经过不同的工艺，做成等轴晶体、桩状晶体或单晶，就是因为有了这个高温材料，我们才可以坐上这种喷射飞机。但是这种镍基超高温合金有它的优点，也有它的缺点，一个缺点就是它的比重过高，因为飞机发动机高速运转，叶片太重的话，需要消耗很多的能量，并且产生很大的噪音。在2009年时候，美国波音公司成功开发出一种新的轻型高温合金钛铝介合金，可以取代镍基合金在低温部分，高温部分还是镍基合金比较好。钛铝合金的好处就是它的比重是镍基合金的60%左右，如果一台飞机发动机上把一部分低温部分的叶片从镍基合金改为钛铝合金的话，发动机减重400磅，可降低噪音和废气50%以上。镍基合金是非常好的高温材料，但由于熔点不够高，1970年初，美国研发航天器发动机时就遇到了困难，要想成功发射，这需要有能够满足苛刻条件的新合金，科学家们用了三年时间，开发出了铱基新合金，铱基合
金的熔点很高，它的熔点是2450度，而且有很好抗氧化，这个铱基超合金，从1975年开始陆续用在各种美国的升空航天器上。其中美国卡西尼深空探测器在2004年升空七年后飞到了土星，也就是太阳系的第六颗行星，现在卡西尼号已经远离了太阳系，但是仍然把美好的电子信息传递到地球来，使我们了解太阳系的很多特质，而且可以研究宇宙的很多神秘现象。
每当我们谈论航空发动机耐高温材料时，就会想起我国高温合金研究的奠基人、材料腐蚀领域的开拓者师昌绪院士。2010年度国家科学技术最高奖颁给了这位中科院金属研究所名誉所长、材料科学家、战略科学家、两院院士师昌绪。他带领的科研团队在五十年代就研制出中国第一个铁基高温合金808，部分代替了当时镍基高温合金GH33作为航空发动机的涡轮盘。为使歼7飞机提高档次，到了1965年又自主设计并研制出了九孔空心高温合金涡轮叶片，使我国成为继美国之后第二个采用精铸气冷涡轮叶片的国家，仅比美国晚五年。而“空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片技术使我国喷气发动机一步跃上了两个台阶：由锻造合金改为真空精铸，由实心叶片改为空心叶片，提高了涡轮工作温度。40多年来，应用于我国各类发动机热端部件，助推共和国几代战机上天。他领导发明的低偏析合金技术，在高温合金和合金钢的研制生产中应用，潜艇桅杆用”无磁铬猛系高强度不锈钢“也是他的研究成果，作为无磁材料，其性能优于镍铬不锈钢，他倡导大飞机在“中长期规划”中立项，引领和推动了我国纳米科学技术、碳纤维等学科的发展，2012年在他90多岁高龄时主动请缨组织协调统领碳纤维的研发，取得成功，实现了碳纤维材料国产化，为我国的材料科学作出了巨大贡献。
现代喷气发动机的涡轮叶片通常要承受1600-1800摄氐度的高温，同时还要承受300米/秒左右的风速，以及由此带来的巨大的空气压力，工作环境极其恶力。现代涡轮叶片通常采用定向凝固的单晶材料制造，还要在内部开辟风冷
通道，工艺极其复杂，被誉为现代工业皇冠上的明珠。我国新型航空发动机叶片材料，是北京科技大学新金属材料国家重点实验室以陈国良院士为首的研究组经过二十年攻关成功研制并产业化生产，这种高性能高铌钛铝合金，密度约西方国家的镍基合金的一半，使部件有显著的减少重量的作用。最高耐高温能力2200+，用该材料制造新一代国产大推力WS-15发动机，以及正在研发能飞200吨级别，航程1.3万公里（不加油），飞翼式布局的轰-20大型远程隐身战略轰炸机上WS-18（长远WS-20）涡扇式发动机叶片，可减轻发动机重量，噪音小，提高发动机的推动比，高性能高铌钛铝合金可进一步提高涡轮叶片的耐高温能力，从而允许提高发动机进气口温度，进而增加发动机推力。
这里不仿介绍一下我国无机材料首席大师严冬生院士的部分新材料科研成果：2013年6月1日神舟十号升空，其“天线窗”的部件具有防热性能确保宇航员与地面指挥控制中心的通讯。而“神舟”系列飞船天线窗所用的耐高温烧蚀材料，则是由我国著名材料科学家，两院院士严冬生主持研制。这种独创的高温复相耐烧蚀复合材料，在1981年度就获国家重大发明奖一等奖。作为“神舟”系列飞船天线窗的框架材料仍在现役使用。严冬生带领团队还发明了金属—陶瓷过渡型复合材料，解决了火箭高速飞行进入大气层时，会因与大汽摩擦而损毁的难题，已成功应用于多种火箭发动机上。
从上世纪八十年代初起，他就带队为欧洲核子研究中心研制闪烁晶体，并与诺贝尔奖得主丁肇中结下了友谊。1994年，欧洲核子研究中心由丁肇中主持大型正负电子对撞机中的L3探测器，准备采用新型锗酸铋（BEO）闪烁晶体做探测器中的核心部件——电磁量能器，以进行高能物理实验研究。丁肇中所领衔的是当代国际科技界备受关注的一项举世瞩目的科学大工程，吸引了十余个国家的五百多名科学家共同参与。他们希望借助对撞机能够发现新的基本粒子和物质运动规律，提示物质的“能量之源”，并由此探索宇宙起源的
奥秘。而这一实验中探测基本粒子的核心材料就是BEO晶体。闪烁晶体是一类用人工方法生长的晶体，在高能粒子的撞击下会把粒子的动能转变为光能。科学家根据仪器记录下的发光曲线，就能判定高能粒子的性质，从而发现新的粒子，可谓“粒子神探”。2003年底，当他拿到这一国际重大项目的“任务书”后，虽已经85岁高龄，仍亲自领导PWO晶体课题组进行攻关。并按合同将约5000根高质量的大尺寸PWO闪烁晶体成功按时交付欧洲核子研究中心，半年后的2008年9月20日，大型强子对撞机（LHC）正式运行，开启了人类提示宇宙起源的征程。2012年7月4日，欧洲核子研究中心向全世界宣布，大型强子对撞机的CMS和ATLAS两个对撞点的实验显示，他们发现了一种新粒子，其特性被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子一致。消息传来，让95岁的严冬生十分欣喜，因为CMS探测器上的钨酸
铅（PWO）闪烁晶体是他带领团
队研制的，正是这种晶体，捕捉到
了“上帝粒子”的踪迹。所以，丁肇
中教授碰到同行就说：“谁要BGO
晶体，就去中科院上海硅酸盐研究
大型强子对撞机所！”
新材料发展方向：新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛。日新月异的现代技术的发展需要新材料的支持。新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生新的产业和技术领域，由此带动高新技术产业群的崛起。
我国新材料产业正不断壮大，在体系建设、产业规模、技术进步等方面取得明显成就。举个例子：金属玻璃：金属玻璃（又称非晶合金）及其复合材料是采用现代冶金技术合成的一种比普通金属强度高两至三倍（其一根直径4毫米粗的合金丝可悬吊起3吨的重物），且具有高橡胶弹性与韧性，能像玻璃一样被塑形，具有自锐性和生物兼容性，浸在强酸、
强碱性液体，仍能完全无损，具有接近陶瓷的硬度却在一定温度能像液体那样流动的新型合金材料。金属玻璃中的“玻璃”不是普通意义上的我们日常生活中常见的“玻璃”，而是指这种材料的结构是一种玻璃态结构。用金属玻璃材料成功开发出太阳能电池的伸展机构以及空间
探测器磐压杆、舰艇镀膜、石油管道
金属玻璃制品等领域，很有可能引发工程材料界的
一次革命。目前市场份额中国超过美
国，在过去的两三年来中国占全球份
额的35%，美国才占20%，日本占18%，
德国只占8%，这也说明，某些领域我们领先了。但大部分领域我们不如人家。材料研发美国最好，制备技术日本比美国强，我国的制备工艺相对落后，如何迎头追赶，首先应注意以下几个方面：材料的研发和制备工艺很重要，中国最缺的就是制备技术，日本的制备工艺水平相当高，在成本控制、杂质控制做得好；材料要越轻材质比重越小越好；材料制造对环境污染越低越好；材料制造的成本要越低越好（现在正在研发的3D打印技术可以降低材料消耗，降低能耗）。这里还是讲个小故事。
今年“五一劳动节”当天，有幸观看了央视《工匠精神》介绍导弹精确制导部件研磨师巩鹏。为他精湛的技能叫好，更为他耐住寂寞的坚守、乐于奉献的“工匠精神”而感动。按央视介绍，由于导弹技术太高新太尖端，很多零部件的加工是无法通过自动化程度很高的机床（磨床）来实现，必须由人工来打造。巩鹏研磨的这个零件，是导弹上的一个关键部件，它只有矿泉水瓶盖大小，但平面精度的要求却是机器都无法完成的12级。12级意味着要细至一根头发丝的千分之三，全凭人的手感，并且还要在这部件上用电钻打下直径0.2毫米小孔（直径0.2毫米，这是两根头发丝粗细的猪鬃），导弹上零件安装时最小的孔就是这么大。别看它小，稍有一丝偏差，就会影响导弹打击的精确度。作为一个有着对这些工
艺了解的我，在对他们工匠精神敬仰的同时，也为我国制备工艺、后加工工艺的落后而叹息和联想。而这些部件的技术工艺要求，我15年前就在日本进口的设备上实现了自动化流水线加工。（光通信陶瓷插芯平面精度和它是一样都是12，但孔直径只有0.125毫米，比他的小而难度更大）。当然，现在用3D 打印技术就小菜一碟了，中国制造加油！
再举例：今年1月4日，李克强总理在山西太原主持召开钢铁煤炭行业化解产能、实现脱困发展座谈会，他透露了一个“秘密”：“去年，我们钢铁产量严重过剩的情况下，仍然进口了一些特殊品类的高质量钢材。我们还不具备生产模具钢的能力，包括圆珠笔头上的“圆珠”，
目前仍然需要进口。”如果不是李总理
讲出来，估计许多人都不知道。3000
多家制笔企业，20余万从业人口，年
产圆珠笔400多亿支……中国已经成为当之无愧的制笔大国，但一连串值得骄傲的数字背后，却是核心技术和材料高度依赖进口，劣质假冒产品泛滥的尴尬局面，大量的圆珠笔的“珠球”却需要进口。真是造得出原子弹，做不出圆珠笔珠球蛋。实际上该“珠球”我在15年前也是用日本引进的做陶瓷插芯的研磨设备上做出了陶瓷“珠珠”，供应给日本最著名的文具品牌——斑马公司印尼工厂，并小批量供货。还是让我们关注新材料领域值得注意和发展，并未来极有可能形成宝塔形市场份额的纳米钢、碳纤维、石墨烯材料吧。
纳米钢：纳米级结构材料简称纳米材料，广义上是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范
围超精细颗粒材料的总称。这一基本颗
粒粒的总数量在整个材料的所有颗粒
总数中占50%以上。1纳米等于10亿分
之1米，相当于头发丝的万分之一。
纳米钢是一种有纳米结构的钢。纳米钢在环境温度下具陶瓷珠球笔芯
纳米钢
有很好的延展性，普通钢在环境温度下非常脆，也就是说，纳米钢拥有普通钢所没有的冷成型属性。纳米钢的强度为1800Mpa，普通钢为350Mpa，纳米钢强度是普通钢的四倍以上，硬度是普通钢的二倍。基于纳米结构形成机理，同时消除钢材的脆性，这种钢材使用了传统的生产工艺并避免了使用特殊的合金材料，纳米钢旨在使汽车等实现轻量化，从而保持安全性的同时降低燃料消耗。
钢铁是中国经济发展和基础建设的最重要的材料。2014年全球钢产量为14亿吨，而中国钢产量达8.2亿吨，占世界钢产量一半以上。我国的产钢结构以大众钢材为主，一些特种钢仍依赖进口。近年来，高楼大厦增多，建筑用钢聚增（北京鸟巢用钢4.2万吨，台北101大楼用钢9.7万吨），钢产量的增加，污染环境雾霾严重。2014年我国二氧化碳排放93亿吨（钢铁占了六分之一、水泥六分之一、发电三分之一、汽车等其它三分之一）这种状况迫使我们开发和应用高性能纳米钢。如纳米钢实现产业化量产后，可减少钢产量50%，减排50%以上。
碳纤维：碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。是火箭、卫星、导弹、舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。将碳纤维复合材料应用在洲际（战略）导弹体和发动机壳体上，可大大减轻重量，提高导弹的射程和实击能力以及雷达吸波；A380等民航飞机机体、机翼大量使用了碳纤维复合材料，不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；新一代战斗机使用了该材料，使战机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性；碳纤维用于卫星、火箭、国际空间站等宇宙飞行器壳体、构架等部件，机械强度高，而且质量小而动力消耗少；碳纤维在舰艇上也有重要的应用价值，可减轻舰艇的结构重量，增加舰艇有效载荷，从而提高运送能力；而1999年北约科素沃战争中使用石墨炸弹破坏南联盟大部分电力供应，其原理就是产
生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维致使供电系统短路，电力瘫痪；碳纤维在风力发电叶片上的应用，既减轻重量，又满足强度和刚度要求，因其耐腐蚀性出类拔萃，可任凭风吹雨打；用碳纤维制作电子计算机的磁盘，能提高计算机储存量和运算速度；碳纤维应用在工业与民用建筑、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构、防御工事、人防工程等加固补强，具有密度小、耐久性好、耐腐蚀、应变能力强、施工工艺简便；碳纤维作为汽车、高速列车等现代交通工具材料，最大优点在于重量轻、强度大、抗冲性高，因其重量相当于钢材的30%，硬度是钢材的10倍，车辆行驶轻和快，实现了轻量化；碳纤维运用在体育休闲领域中，像球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪板、帆船桅杆、航海船体等运动用品；还应用在日常用品，像音响、浴霸、风扇、取暖器、地热、家用电器、手机、笔记本电脑等电子产品；碳纤维还将在压力容器、离心机转子管、医疗器械、钻井平台、海洋开发、新能源等领域不断拓展。鉴于碳纤维是多领域高技术的集成，它涉及到高分子聚合、纺织、传动、热工等多领域学科交叉，尤其是生产线设备技术难度大。全球高性能碳纤维生产技术仍主要集中在日本东丽、美国赫氏、德国西格里集团等少量企业手中，占据着全球过半市场。我国虽然碳纤维的研发生产起步早，但一直在低端产品徘徊，产品不匀率高，毛丝多，力学性能上不去等困扰着生产企业。由于国防、军工、航空航天急需高性能碳纤维材料，倒逼我们奋起追赶，近年来成果丰硕。最近，江苏连云港市中复神鹰碳纤维公司千吨级T800原丝生产线投产。该生产线是在2012年投产的T700碳纤维生产线基础上改造而来。T800纤维是目前国际上能实现量产的最高强度碳纤维。也是美国等西方国家对华禁运材料。目前，国内有一些企业实现了T800碳纤维的小规模生产，例如江苏镇江的航科公司2012年建成国内首条T800生产线，年生产规模为25吨。作为21世纪的新材料，很多人把碳纤维看成是“改变全球现存游戏格局”的潜力股。
石墨烯：石墨烯（Graphene）是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克重的猫。
石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数
百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明
的，只吸收2.3%的光。另一方面，它
非常致密，即使是最小的气体原子
(氦原子)也无法穿透。这些特征使得
它非常适合作为透明电子产品的原
料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
石墨烯做防弹衣，官兵可刀枪不入。基至未来的太空电梯和太空电梯线缆都可用石墨烯为原料。手机用石墨烯动力电池后，冲一次电可用半年。电动汽车的普通电池充电通常需要13小时，而石墨烯动力锂电池在10分钟内就可以完成快速充电而且电池的性能会大大提高寿命更长。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材
料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。
中科院宁波材料所刘兆平研究员和他的团队，取得了石墨烯低成本规模化制备技术的重大突破。2014年7月他们通过和宁波一家企业合作建成了世界上第一条且拥有完全自主知识产权的年产30吨石墨烯中试生产线并成功地通过了中试。从中试结果来看，不仅产品品质达到国际先进水平而且产品销售价从每克5000元可以直降至每千克3000元，具有极强的市场竞争力。
中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特瑞、正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家上市公司的代表参加了西班牙的石墨烯会议，并分别与意大利、瑞典代表团签订了深度战略合作协议，为“石墨烯全球并购，中国整合”战略打响了第一枪。此外，2015年3月2日全球首批3万部量产石墨烯手机在重庆发布，该款手机采用了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜，可接受官方预定，16G售价2499元。其核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发，开启了石墨烯产业化应用的新时代。石墨烯列入“十三五”新材料规划，2016年将成为中国石墨烯产业爆发元年，石墨烯的春天很快会来临。
世界材料产业的产值每年以30%的速度增长。新材料的研究，是人类对物质认识和应用向更深层次的进军，材料承载着人类文明进程的支撑作用，新材料将同信息技术、新能源一起成为21世纪最重要和最具发展潜力的领域。