材料科学发展与人类社会进步原创

材料科学发展与人类社会进步

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。

世界是由物质组成的，对人类有用的物质即材料，按其组成和化

学键性质可将材料分成四大类：金属材料（包括纯金属及其合金）：由金属原子组成，原子与原子之间靠共价键而键合，描述键合的理论为自由电子理论；有机高分子材料：以C原子为主要成分，原子与原子之间靠共价键而键合，描述键合的理论有价键理论和分子轨道理论；无机非金属材料：以金属元素或非金属元素的化合物或非金属元

素单质为组元，原子与原子之间通过离子键和共价键而键合，描述键合的理论有静电吸引理论、价键理论与分子轨道理论；复合材料：金

属基，非金属基，树脂基，以混合键结合，物理与化合键可能均存在。

众所周知，金属工具的制造和使用标志着人类文明的一个重大进步。从青铜到钢铁，再到当今形形色色的合金材料，人类在自身不断

进步的同时，从未放松过对金属材料的研究和开发。大约一百万年前，

人类开始用火；十万年之前，人类开始住窑洞；一万多年以前，人类社会出现了陶器。不久，出现了金属加工、毛与丝、炼铜、棉布等材料；到了5000年前，中国就出现了青铜器。随着人类社会的进步，

又出现了指南针和火药。金属材料在三大类材料消费中占主导地位，

表现在：用途大（如钢铁，年消耗全世界8~9亿吨，中国年产钢1亿吨）；用途广（遍及几乎所有国计民生的各个领域，如机械、交通

运输、建筑、冶金、国防军工）

有机高分子材料具有密度小、比强度高、力学性能好、耐水、耐湿、耐腐蚀性好、易加工、使用方便等优良的性能，已成为建设工程

中不可缺少的一类建筑材料，它的产品如塑料、橡胶、胶粘剂、涂料以及由它们复合的材料等，在工程中已得到广泛地应用。有机高分子材料是由高分子化合物组成的材料。高分子化合物常简称高分子，是由千万个原子彼此以共价键结合的大分子构成的。一般是指相对分子质量在10000以上的物质，但这仅是一个大体范围，并不存在一个严格的界限。简单地说，高分子就是分子量很大的分子的总称。一个大

分子往往由许多相同、简单的结构单元通过共价键重复连接而成，因此高分子又称作聚合物或高聚物。由单体制备高分子化合物的基本方法有加聚反应和缩聚反应。有机高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、

液晶材料等。功能材料主要包括功能高分子材料，跟能源有关的材料，具有生理机能和生物活性的材料，以及具有“感觉”和“记忆”功能的材料。这些材料不是利用它们的机械强度来作设备或器物，而是利用它们的物理和化学的特殊性能，如光电效应、生理机能、催化活性、记

忆功能等。高分子材料是功能材料的主要部分。高分子还可作为储能材料。人们已发现环庚二烯在吸收光能后变成环庚烷，当它释放出热量后又回复到环庚二烯。如果能提高其储能指标，将非常有用。

无机非金属材料在工业、农业、人们日常生活、国防及现代科技中都有着非常重要的作用，用途极为广泛，为人类文明作出了重要的贡献。传统无机非金属材料：也称为硅酸盐材料，因构成材料的主要物质为硅酸盐，包括用陶土制作粗陶制品，花盆，彩陶等；采用更高级的材料制作的精陶。粗陶与精陶都是不很致密的物质，气孔较多；

烁器：提高烧成温度而获得致密的瓷器-----烁器；瓷器：从烁起出发，通过提高质量而获得致密的烧结构白色胚体。陶瓷和瓷器合称为陶

瓷；在陶瓷的发展过程中，硅瓦，玻璃，水泥，耐火材料也在慢慢发

展起来，都已经形成产业。建筑物是人类生存，学习和工作的主要场所，构筑建筑物的材料相当一部分是无机非金属材料。中空玻璃、夹

层玻璃、钢化玻璃、防火玻璃都是良好的新型建筑材料。人体器官，

骨骼等因疾病、缺损或机械损伤等原因，致使其失去应有的功能，需

要替换。生物材料的使用也越来越广泛，生物材料主要有三种功能：

替代人体内有病或损伤的部分；作为人体先天性缺损部分的替代品；

有助于人体内组织恢复的功能生物材料。除这些材料外，还有

隐身材料、高温结构材料、电子材料、磁性材料等等大多都是无机非

金属材料。

复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪

40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各

具特色的复合材料。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘

等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动

阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维

与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有

优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制