1、1材料科学与人类文明课程复习材料1. 材料的发展是人类文明的里程碑材料的定义：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。材料科学的定义：研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间的关系的科学。材料结构包含四个层次：原子结构、结合键、原子排列方式（晶体与非晶体）微观组织。材料的固有性能包括材料本身所具有的物理性能（电、磁、光、热等性能） 、化学性能（如抗氧化性和抗腐蚀性、聚合物的降解等）和力学性能（如强度、塑性、韧性、硬度等） 。材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。综观人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配
2、和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。材料科学的发展不仅是科技进步、社会发展的物质基础，同时也改变着人们在社会活动中的实践方式和思维方式，由此极大地推动社会进步。当今世界各个国家的政府对材料科学技术发展日趋重视，新材料作为新技术革命的先锋，其发展对经济、科技、国防以及综合国力的增强都具有特殊重要的作用。2. 人类文明的涵义和基本结构德国学者诺贝特埃利亚斯在其文明的进程一书中指出：“文明这一概念所涉及到的是完全不同的东西：技术水准、礼仪规范、宗教思想、风俗习惯以及科学知识的发展等等；它既可以指居住状况或男女共同生活的方式，也可以指法律惩处或食品烹调；仔细观察的
3、话，几乎每一件事都是以文明或不文明的方式进行的。所以，要用几句话囊括文明所有的含义几乎是不可能的。 ”在马克思主义经典著作中，文明概念也有多种表述，而通常是在三种意义上加以使用的。第一种是在时间界限意义上的文明，它指人类社会发展到高级阶段的社会现象，与其相对的是蒙昧和野蛮时期。第二种是广义文化意义上的文明，指人类在改造客观世界和主观世界活动中的全部成果。第三种是社会进步状态意义上的文明，即人类改造世界的积极成果。毛泽东在谈到旧中国的发展前途时也说过：“要把一个被旧文化统治因而愚昧落后的中国，变为一个被新文化统治因而文明先进的中国。 ” 这里讲的文明表示人类社会物质、精神、制度不断发展、进步的状
4、态。 我们所说的文明主要是指第三种意义上的文明，即通过人类改造世界的积极成果所体现出来的人类社会生活的进步过程和状态。这种意义上的文明具有创造性、进步性和变化性三重特征。文明作为人类改造世界的积极成果，其不断发展的背后蕴藏着不竭的动力，这就是人类追求美好生活的需要。既然追求美好生活，满足生活需要是人类文明发展的动力和实质，所以人类生活需要的内容和结构也就决定了文明建设的内容和结构。在马克思主义者看来，生活这个概念总是和满足人的生存和发展的需要联系在一起的，所谓生活，指的是人类生存活动的过程和方式，指人类保证并不断改善自身生存状况、提高生存质量的过程和方式。马克思指出：“物质生活的生产方式制约着
5、整个社会生活、政治生活和精神生活过程。” 当我们这样来理解生活时，就其主要内容而言可大体上概括为三个基本方面：即物2质生活、政治生活和精神生活。为了满足人类的三大生活需要，构成文明发展的三个基本内容:即物质文明、政治文明和精神文明。物质文明指的是通过改造自然的积极成果所表现出来的人们的物质生活的进步状况。 政治文明指的是通过改造社会的积极成果所表现出来的人们社会政治生活的进步状况。精神文明指的是指通过改造主观世界的积极成果所表现出来的人们的精神生活的进步状况。3.人类文明简史中华民族具有 5000 年的历史历史学家往往会根据当时的标志性材料而将人类社会划分为原始文明时代、石器时代、青铜器时代、
6、铁器时代、钢铁时代等。什么是标志性材料呢?标志性材料 是指构成社会生产力的主流材料所以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。原始文明时代 在远古时期, 人类靠个人打猎、捉鱼和采摘植物的果实为生, 这既是生活方式又是生产方式。这时, 还谈不上有什么明确的组织方式。在这个时期, 努力在自然界中求生存 是唯一的追求, 唯一的目标。石器时代 古生物学研究证明：在这个时期，人类除了能加工粗糙的石器外，还能制造工具，用骨针把兽皮缝制成衣服。除了拳状锲之外，还有刮刀和刮板。骨头、象牙、石头和植物编织物常常被用来制造鱼叉、鱼钩和鱼网等。 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
7、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。青铜器时代一般来说，原始的农业、手工业和文字是青铜时代的特征。用青铜制造的各种物品，不仅显示出我们祖先精湛的艺术才能。更主要的是青铜材料代表一种新的生产力登上了历史舞台，有力地促进了生产的发展。铁器时代在考古学上，铁器时代（The I
8、ron Period）是指人们开始使用金属铁来制造武器和工具的时代。这一时代诞生的古希腊文明、古罗马文明、波斯文明、印度文明、华夏文明（秦汉文化）在农业经济、宗教信仰与文化模式等方面都有了自身显著的特征。铁器的出现及精巧的铁犁铧使得农业经济的效率愈加提高，土地利用率进一步提高，粮食继续增收。粮食增收促进非农业人口比例加大，手工业产品的种类日趋丰富，产品贸易渐成规模，商人成为社会生活中的重要阶层，人类社会的城市化进程与文明程度大幅提高。根据考古挖掘和现有的文献来判断，铁这种材料在公元前 12 世纪最终占据了人类文明的统治地位。我国的传统冶炼和浇铸技术，包括精密浇铸技术延续发展了一千多年，直到六百
9、多年前的明朝还在世界上处于遥遥领先地位，这也是我国灿烂的古代文化繁荣的基础，我国劳动人民对人类文明作出了巨大贡献。钢铁时代4材料是社会进步的标尺旧石器时代可追溯到公元前 10 万年左右，那时的原始人类用天然的石、木、竹、骨等材料作为狩猎的工具，生产效率当然很低。3青铜是人类社会中最早出现的金属材料，它使人类社会从新石器时代转入青铜器时代。铜和青铜性能上不如铁，把炼铜技术用于炼铁，用铁来制造农具促使农业生产力得到空前的提高。铁器在农业上的广泛应用，推动丁以农业为中心的科学技术日益发展，并促使奴隶社会解体和封建社会兴起。我国在公元前 3 世纪铁器已在农业上推广使用，秦汉时期农业经济相当发达，到了唐
10、宋时代，经济繁荣，科学文化发达，社会安定，国泰民安，处于盛世，形成了我国封建社会的科学文化高峰。5. 照亮人类文明的七种金属在人类文明发展史上， 人们发现了七种至今仍然广泛应用着的金属， 它们是金银铜铁锡铅汞。这七种金属的发现及应用对人类社会产生了深远的影响。6.航天科技与人类文明具有通信距离远、容量大、质量好、可靠性高、机动灵活等优点的卫星通信, 已成为现代通信的重要手段。卫星通信把分散的电子计算机设备连成全国乃至国际的信息网络, 大大发挥了计算机系统的效用, 给人们带来了极大方便。通信卫星在保护地面环境的前提下, 极大地提高了人类的文明程度。气象卫星预报天气变化气象卫星是从太空对地球和大气
11、层进行气鉴观测的航天器。气象卫星已成为人类预防灾害、节约资源、保护环境的重要帮手。资源卫星节约利用资源地球资源卫星是勘测地球资源的航天器, 能“ 看透” 地层, 发现人们肉眼看不到的地下宝藏、历史古迹和地层结构, 能普查森林、海洋等资源, 能鉴别农作物的收成和考察各种严重自然灾害。7.材料的业绩7.1 飞机发展的关键1903 年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，所用原料是木材和帆布。飞行速度每小时只有 16 公里，和骑自行车的速度差不多。1911 年，铝合金研制成功，很快取代了木材和帆布，到第一次世界大战期间，全金属结构的飞机已很普遍了。例如到 1939 年，螺旋桨飞机创造的最高时速已达
12、755 公里，仅36 年的时间，飞行速度提高了 47 倍。从铝合金的耐热性来讲，当飞机速度达到两倍音速时，铝的强度会显著降低；三倍音速时，就会发生空中解体。要制造表面耐温超过 180，即飞行速度为音速 25 倍的飞机，需要用钛合金（可承受 550温度）代替铝合金。一架波音 767 飞机，由于采用复合材料减重 450 公斤，采用超高强度钢减重 900 公斤，采用改进铝合金减重 363 斤三项总计共 17 吨。据统计，飞机结构如，减轻一公斤，每年可节省燃料 2900 公斤，可见其经济效益有多大。航天飞机的研制成功，是人类征服太空的又一次胜利，也显示出在现代技术革命中材料举足轻重的地位。7.2 材料
13、农业现代化的坚强后盾农业现代化最显著的特征是要在生产中大量采用各种先进的工业技术和新材料，换句话说，现代化农业要由工业部门投入大量物资，用现代工业的装备武装农业。拖拉机是应用最广泛的一种农业机械。制造拖拉机不仅消耗材料多，而且要求零部件质量好、寿命长，这些零部件都要用性能优越的材料来制造。由于材料质量和设计制造水平的提高，使得拖拉机的结构和性能也得到不断改进。不但向大型化、大马力、高速度和高效率方向发展，还可对配套农具实现自动调节和控制。它除了能耕地、整地、播种外，根据需要，交换不同的农具，还能干推土、铲运、开沟、施肥、收获、割草等几十种工作。47.3 新能源中的老问题从 20 世纪 70 年
14、代的能源危机以来，新能源的开发和节能技术引起了普遍重视。这些技术中除核反应堆已经进入实用阶段，其他都比较年轻。例如，太阳能、深层地热和氢能等还存在各种各样的问题。一些过去进展缓慢的领域，如煤的气化和液化，重新成为研究的重点。这些技术的突破，在很大程度上将依赖于新材料的进展，目前使用的材料大多不能满足苛刻的工作环境要求。太阳能是一种稀薄的能源，每平方米最多为一千瓦，而按目前太阳能装置的转换效率（约为 10），则只能获得 0.1 千瓦。唯一可行的办法是改进材料，提高反射镜的反射效率和集热效率。现在太阳能电池的转换效率有所提高，为约 13左右，但硅、镓半导体的价格很高，很难大规模使用。此外太阳能电站
15、多位于沙漠和偏僻地区，输电材料也待改进。由此可见，太阳能的利用是否能够普及，有赖于材料科学家的努力。利用某些合金与氢反应吸收大量氢气，吸氢量高达体积的数十倍或上千倍，而加热以后又很容易使氢气再释放出来，这些合金为钛合金、镧镍合金和镁镍合金等，所形成的金属氢化物是固体，因此储存时不需要高压和低温。这些合金材料对于氢的利用将起到重要的作用。7.4 国防军事的当务之急单就武器来讲，不论是常规武器（如弹药和坦克、军用飞机还是现代化武器如原子弹、氢弹、中子弹、核潜艇等，哪一样都离不开材料，尤其是性能优异的新型材料。从每一代坦克和反坦克武器的交替出现，我们不难看出，战争中一种武器或装备的克敌制胜，在很大程
16、度上是由制造这种武器、装备的材料决定的。这也说明，为了赢得战争的主动权和实现国防现代化，在国防建设和军事工程中，往往把新材料的研制作为当务之急，道理就在这里。7.5 节能技术的突破各工业大国在开发新能源的同时，普遍注意到节能技术，因为在工矿使用的能源中，几乎有一半的热量被作为废热排入大气和江海之中。充分发挥现有设备的潜力，尽可能达到极限效率也是节能的一种重要手段。“月光”计划中把一台高温燃气涡轮和一台汽轮机串联作为试验方案，这时燃气温度高达 1500，普通涡轮叶片使用的镍钴基超级高温合金已无能为力了，必须采用氮化硅、碳化硅、塞龙（Si-Al-O-N 化合物等）等精陶瓷才能满足要求。在电车和汽车
17、上也可用飞轮把刹车能储蓄起来，以便在加速时使用，这些方面的研究工作正在进行。飞轮的特点是旋转时必然产生动力损失，设计高性能飞轮应在选材和制造技术上考虑解决。使用碳纤维和聚芳酰胺纤维复合材料制造的飞轮转子，比使用金属制造的重量轻而强度高，因此提高了单位重量的储能。一种试验的复合材料飞轮，轮缘用的是碳纤维一环氧复合材料，而轮辐用的是聚芳酰胺一环氧复合材料。7.6 科学实验的先锋如果没有先进的科学仪器和设备，即使再有本领的科学家也只能束手无策，而每一种仪器设备都是由各种材料、特别是新型材料制成的。例如，电子显微镜、射电望远镜、高能加速器、电子计算机，这些标志着现代科学技术水平的仪器，都是由金属、非金
18、属、晶体、电磁、热敏、光电、激光、红外、合成以及复合材料制成的。科学工作者有了用这些材料制成的仪器和设备，就如同作家使用笔和纸一样，可以“胸藏万卷凭吞吐，笔者千钧任施张”了。另一方面，材料在科学研究工作中的地位也是首当其冲的。例如，自从 1990 年发现第一个激光工作介质以来，已经发现和研制了一百多种能产生激光的晶体材料，为激光科研提供了必要的物质前提。51911 年，荷兰物理学家翁纳斯在研究水银的低温性能时，发现了一个奇迹。当温度下降到269，水银的电阻突然消失了，这种现象就叫超导现象，具有超导性质的材料就叫超导体。电气工程师们一直幻想着，有一天获得没有电阻的导线，超导现象的发现，终于为他们
19、打开了希望之门。然而，几十年过去了，由于没有找到高转变温度、高临界磁场和高电流密度的超导材料，使这一科研项目一直停留在实验阶段，得不到推广应用。自从 60 年初，研制出合格的铌锡合金超导材料以后，才使得超导输电、超导磁场得以实现，“超导”才在技术上崭新露头角。8. 丰富多彩的材料世界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。把形形色色的材料按化学组成分类，可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。
20、8.1 经济发展中重要的材料-金属密度是划分金属和金属材料的一个重要标准。轻金属和轻金属合金比重一般低于 4.4克每立方厘米；重金属和重金属合金比重高于 4.4 克每立方厘米，工业中最重要的轻金属是铝、镁及其合金；最重要的重金属包括铜、铅、锌和锡以及以这些金属为基础所组成的合金。在二者之间，还有钛，一般把钛划归轻金属。金属已成为国民经济中头等重要的材料和工业材料的“主力” 。现代工业生产中，钢铁占有很重要的地位。钢铁产量往往是衡量一个国家工业水平和生产力水平的主要标志。目前，在整个结构材料中，钢铁占 70左右。钢铁虽然都是铁和碳组成的合金，但是含碳量不同，它们的“性格”有很大的差别。工业上以含
21、碳量多少为标准，把钢铁分为生铁、纯铁和钢三种。钢铁按照组成元素分为碳素钢和合金钢；按用途可分为结构钢、工具钢和特种钢。结构钢具有一定的强度和韧性，用途最广，一般用作结构零件，如用来制造汽车、轮船、钢轨、机械、油田井架、电视塔等等；工具钢的强度高、耐磨性好，大量用于机械制造，用工具钢做的刀具，可像切豆腐那样切削一般金属材料。特种钢按用途不同可分为磁性钢、耐磨钢、高温合金钢、低温钢、精密合金钢、电工钢等等。发展现代化工业技术不仅离不开钢铁，而且还对钢铁材料提出了更苛刻的要求。例如，海洋工程用的钢材，需要很高的强度、韧性和耐海水腐蚀的能力；大跨度桥梁需要采用强度和韧性都很好的钢铁材料建造；发展航空航
22、天技术则要求材料重量轻、强度高。对于这些特殊要求，一般碳钢无能为力，只有合金钢才能担负起这方面的重任。所谓合金钢就是在钢中另外加入铬、镍、钨、钛和钒等化学元素，它们可以使钢材增加某一特殊性能。常用的合金钢有合金结构钢、弹簧钢、高速工具钢、滚珠轴承钢、不锈钢等。例如，高压容器要用合金结构钢制造；不锈钢韧性好、耐腐蚀，主要用于化工设备。自然界共有 83 种金属元素，通常按外观颜色分为黑色和有色金属两大类。黑色金属包括铁、锰、铬和它们的合金，其余种金属都可统称为有色金属。有色金属也是重要的金属材料，它是现代化工业的生力军。常用的有色金属有铝、铜、钛、镁、镍、钴、钼、铅、锡、锌、金、银和铂等，它们的消
23、耗量虽只占金属材料消耗量的 5，但具有许多特殊的优良性能，是别的材料难以代替的。例如，它们的导电、导热性好，比重小，化学性质稳定，耐热、耐腐蚀，工艺性好等等，是电气、机械、化工、电子、轻工、仪表、航天工业不可缺少的材料。彩色电视机图象中的彩色，就是加入稀土荧光粉产生的；打火机的火石也是由稀土制6成的；陶瓷和玻璃品上漂亮而柔和的色彩，有些也是稀土的作用。稀土当然不是“土” ，就其资源来说，也并不稀少。它之所以叫稀土，是从 18 世纪沿习下来的。局限于当时的科学技术水平，人们以为能提取这类元素的矿物是一种稀少的、类似泥土的氧化物，故名稀土金属。其实，它是一大类金属，共有 17 种元素：镧、铈、镨、
24、钕、钷、钐、铕、铽、镝、钛、铒、铥、镱、镥、钪、钇。它们好比孪生兄弟，性质都十分相似，因此，在自然界中总是共生在一起。它们在地壳中的含量比常见的金属如铜、锌、锡都多，现在已发现含稀土的矿物达二百五十多种。稀土金属在冶金、电气、玻璃工业等部门，多用来制造易燃合金、电弧碳棒和玻璃颜料等，也常用来改善合金性能，因此有“冶金工业维生素”之称。例如，在钢铁或有色金属里 只要加进千、万分之几的稀土金属，就可使零件“添劲强身、延年益寿” 。金属材料在国民经济中具有重要意义，倘若没有金属制品，当前人类的发展状况和整个科技进步是不堪设想的。无论冶金工业，还是金属加工工业，机器制造和电力工业，在发展过程中所获成就
25、都是在材料科学和制造技术基础上取得的，这些成就同时也为未来新的重要任务奠定了基础。8.2 合成高分子材料人工合成有机高分子材料的品种很多，主要包括一般说的“三大材料” ，即合成纤维、合成橡胶和合成塑料，此外还包括合成油漆、涂料、胶粘剂和一部分液晶。一般的无机化合物和有机化合物，其分子只包含几个或几十个原子，最多也不超过二三百个原子，而高分子化合物却不同，每一个分子所含的原子数可达几千或几万，甚至几百、几千万。也就是说它们的分子量特别大，所以叫做高分子。高分子化合物是通过化学方法以天然气或石油为原料，经过一系列反应得到的。它的分子链形状细长，或者首尾相连，或者含有小支链，相互交连，吸引力非常强，
26、所组成的物质在强度、弹性等方面都比低分子物质优越许多。从结构上看，高分子化合物的分子是由许多相同的单体（链节）重复排列组成，所以又叫高聚物。例如，乙烯的分子量是 28，而聚乙烯的分子量可达 56 万，也就是说，聚乙烯是由大约两万个乙烯链节组成的。合成纤维合成纤维是以煤、石油、天然气、水、空气、食盐、石灰石等为原料，经化学处理制成的人工纤维。70 年代合成纤维的年产量已占世界纤维总产量的一半。合成纤维的主要品种有：绵纶（聚酰胺） 、腈纶（聚丙烯腈） 、涤纶（聚酯） 、维纶（聚乙烯醇） 、丙纶（聚丙烯）和氯纶（聚氯乙烯）等六种，其中前三种产量最大，占整个合成纤维产量的。它们都具有强度高、耐磨、比重
27、小、弹性大、防蛀、防霉等优点。除做衣服以外，在工业和其它方面也很有用处。它们共同的缺点是吸湿性和耐热性较差，染色比较困难。绵纶是最早出现的合成纤维，尼龙 66 和尼龙 6 先后于 1939 年和 1943 年开始工业化生产。特点是比重小、强度高，具有突出的耐磨性，大多用于制造丝袜、衬衣、渔网、缆绳、降落伞、宇航服，轮胎帘布等。芳纶坚韧耐磨，刚柔兼备，现在又发展成最有希望的防弹材料。过去的防弹材料主要是防弹铝板和钢板，都比较笨重，使用起来不灵活。现在用芳纶编织的防弹背心重量轻、结构紧凑、层数多、防护力强，适合于警察和公安人员日常穿用。士兵在战场上感到威胁最大的是弹片和散弹，穿上一种内衬陶瓷板的芳
28、纶避弹衣，就可以保证肺、胸、脊骨等重要部位的安全。合成橡胶天然橡胶不仅在数量上，而且在性能上均不能满足人们的需要，只有大力发展人工合成橡胶才是出路。人们将石油中的多种碳氢化合物分离出来，利用化学方法聚合得到合成7橡胶。人工合成橡胶具有一定的优越性，不仅可以制造出许多结构和性能相当于天然橡胶的普通橡胶，而且还能合成许多优于天然橡胶的特种橡胶。采用合成橡胶的经济效益也非常显著，例如，每生产 1000 吨天然橡胶需要占用 300 万株橡胶树，为此要五百多劳动力和数千亩土地，而且也非一年可得。而生产同等数量合成橡胶的小工厂，每年只要数十名熟练工人和一定数量的石油。丁苯橡胶在合成橡胶中产量最高，主要用于
29、制造汽车和飞机轮胎等；氯丁橡胶弹性和加工性好，可制造密封件和减震零件；丁腈橡胶具有耐热、耐油和耐老化的特点，可制作耐油胶管和油箱。塑料在人工合成的有机高分子材料中，塑料诞生最早，发展最快，产量最高，和人们生活的关系也最密切，因此有些学者认为：人类已处于塑料时代。塑料的显著特点是具有可塑性和可调性。可塑性是指采用最简单的工艺，就可以用在短时间内制造出形状极复杂的塑料制品；可调性是指生产过程中，可以用改变工艺、变换配方等方法来调整塑料的各种性能，以满足不同的需要。此外，塑料还不怕酸碱腐蚀、不具有重量轻、不导电、传热的优点，可做成透明、不透明或各种颜色的制品。从使用的角度来划分，把塑料分为通用塑料和
30、工程塑料两大类。从年代中期开始，又逐渐从工程塑料中分出高性能工程塑料。这三大类品种的划分至今没有定论，各国在划分上也略有差异，但大体上可以采用如下分类：通用塑料 聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。工程塑料 聚酰胺、聚甲醛、ABS、聚碳酸酯、聚酯、改性聚苯醚等。高性能工程塑料 聚芳醚、聚芳砜、聚芳酯、聚芳 杂环类、聚芳酰胺、聚对二甲苯、含氟材料等。除此之外，还有特种透明塑料和新近发展起来的功能高分子材料等。通用塑料的产量较大，占塑料总产量的 80以上。它们共 同的特点是价格低、用途广，可制 成生活用品、一般零件和包装材料，以代替纸和木材，并部分代替金属。工程塑料是指机械性
31、能好，可以代替金属制造机械零件，并且能在一些特殊环境，如高温、低温、腐蚀、大载荷条件下长期工作的工程材料的一类塑料。工程塑料的出现是年代塑料应用方面的重大突破，它既可用作电工器材，又可应用于机械工业，作钢铁和有色金属的代用品。广泛使用工程塑料的工业部门包括：机械制造、电子、化工、汽车、飞机制造、原子能和建筑等。特种工程塑料在提高耐热性方面可以满足要求，如聚砜的长期使用温度为 150短时为 180，能够用于电绝缘而代替云母，增加电机的容量并缩小体积；聚芳砜在240280温度范围内有良好的强度和电性能，可制成连接器、开关部件和印刷电路板；聚苯砜长期使用温度为 180，是砜族系统中耐热性最好的聚合物
32、。芳杂环的特点是耐热、耐辐射和突出的高温综合机械性能，目前进入商业化生产的有聚酰亚胺、聚海因、聚仲斑酸等，耐热性最高达 350，而正在研究中的聚苯并咪啉、聚唑 、聚喹二唑等，耐热性可望达到 500，目前仅限于宇航方面的应用。8.3 无机非金属材料无机非金属也简称无机材料。在物质或材料的成分里，凡是含有碳水化合物的，都称为有机物。例如，当某种物质受热时有碳化现象发生，或者在燃烧后生成二氧化碳的均称为有机物。而在物质或材料的成分里，不含有碳氢氧结合的化合物，称为无机物。其实，金属材料也属于无机材料的范畴，但是这里讲的是除了金属以外的无机材料。因此，为了明确起见，常常在这类材料的名字前加上“非金属”
33、三个字，称为无机非金属材料。较早的无机材料主要有水泥、玻璃和陶瓷，后来又出现了耐火材料。因为它们的成分中均含有二氧化硅这种化合物，所以又称为硅酸盐材料（它们是由二氧化硅和金属氧化物8组成的化合物） 。随着近代工业和科学技术的进步，使得无机材料的家族越来越庞大。如光学玻璃、工业陶瓷、石棉、石膏、云母、铸石、金刚石、石墨材料，不仅是建筑、化工、机械、冶金、电力、燃料、轻工业等工业部门不可缺少的材料，而且在国防工业和尖端技术中也有它们的重要地位。目前，这种材料发展很快，原来的硅酸盐材料已不能满足要求，一些新型无机材料成分里，不一定含有二氧化硅，这类材料称为新型无机材料。很多无机非金属材料是代替钢铁、
34、棉、木材、麻、丝的理想材料。用来代替钢铁和有色金属的有铸石、石棉压力管、石棉水泥井管、石棉塑料闸瓦等；代替木材的有水泥船、水泥轨枕、水泥电杆、水泥矿井支架等等；用以代替棉、麻的主要是玻璃纤维。无机材料是基本建设的主要物质。无论修建住房、厂房、办公楼，还是道路、桥梁、堤坝、机场、电站、都需要大量的砖、瓦、水泥、砂、石、玻璃等建筑材料。材料费用占整个建设投资的 50左右，由此可见这类材料的重要性。新无机材料还是发展高、精、尖科学技术不可缺少的材料。在航天、核能、电力、电子、激光等工业部门都有广泛应用。例如，火箭发动机的燃烧室和喷嘴，需要承受两千多度的高温而不氧化，它是用石墨表面喷涂一层二硅化钼材料
35、制成的；石墨还被大量用作核能工业的“减速剂” ；雷达里的大型电子管外壳，既要耐高温，又要有良好的超高频和绝缘性能，它是用氧化铝超高频绝缘陶瓷做的；还有核反应堆外部的防护层，是采用一种含钡的特种水泥筑成的。8.4 复合材料近代科学技术的发展，对材料性能的要求越来越高，所要求的性能中甚至有些相互矛盾。例如：航空和空间技术要求强度高、重量轻的材料；造船工业需要耐高压、耐腐蚀的结构材料。这使得单一的材料很难同时满足需要，而且三大类材料都有它们本身的弱点。唯一可行的有效办法就是把两种或两种以上的材料按一定方法组合起来，使它们互相取长补短，相得益彰，制成兼有几种优良性能的新材料，这就叫复合材料。现代复合材
36、料是由基体材料和增强剂复合而成的。这种复合可在不同的非金属之间、金属之间以及非金属与金属之间进行。通常使用的基体材料是塑料、树脂、橡胶、金属和陶瓷，而增强剂为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或金属丝，有时也采用粉末和颗粒增强剂。按照基体所用的材料不同，可将复合材料分为非金属基复合材料和金属基复合材料两大类。复合材料在一定程度上克服了原有材料的缺点，如金属不耐腐蚀、有机高分子材料不耐高温、陶瓷材料脆性高等，因此在综合性能上超过了单一的材料。复合材料的关键是增强材料，它的弹性模量和强度都必须大大超过基体，因而才能使制得的复合材料的机械性能优于未增强的基体。另一方面，基体在抗腐蚀性、韧性等方面又弥补了增强材
37、料的缺点，因此可以说复合材料具有人工设计的特点。8.5 非金属基复合材料玻璃钢是人们熟悉的一种多用途的复合材料，它的学名叫玻璃纤维增强塑料。目前广泛使用的玻璃钢有玻璃纤维增强尼龙、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、环氧、酚醛及有机硅树脂等品种。玻璃钢的特长是质量轻强度高、耐腐蚀性好，同时具有良好的隔热、隔音、抗冲击和透波能力。玻璃钢最早用于航空和军事工业，现在已推广到各行各业。军事用途包括自动枪托、火箭发射管、钢盔、登陆艇、飞机机头罩、机翼、尾翼、副油箱、雷达罩等，一般比采用金属部件重量轻 2025。在化工和石油工业中，玻璃钢管道、泵、槽节约了大量的不锈钢、铜、铝等金属，还延长了使用寿命。例如一台石油
38、裂化冷风机采用玻璃钢叶片后，可节省 50 公斤不锈钢和 35 公斤铝合金。采用一吨玻璃钢代替棉布层压板，可节省棉布 4000 米。近年来许多先进体育器械也有用玻璃钢制造的，如网球拍、高尔夫球棍、滑雪板等。碳-碳复合材料是一种性能特殊的复合材料，它是由多孔碳素基体和埋在其中的碳纤维9骨架组成。在极高的温度下，仍旧可以抵抗腐蚀性介质的作用，保持很高的强度。它的耐热、耐腐蚀性也十分优异，因而是一种高温结构和热防护的理想材料。在火箭和航天飞机上，碳-碳复合材料用于受热最高的再返大气层头锥、前缘、热屏蔽、激光屏蔽和火箭喷嘴等部位。金属基复合材料与非金属基复合材料相比，金属基复合材料的潜力尚未充分发挥，应
39、用面比较窄。航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求，看来只有依赖金属基复合材料和精陶瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼（硼硅克）纤维外，还有高强度钢丝、高熔点合金丝（钨、钼）和晶须（氧化铝、碳化硅）等。这些纤维分别用来与铝、镁、钛、铜和镍钻基高温合金组成复合材料。硼-铝复合材料的研制起步最早，取得了一定效果。这种材料用于航天飞机的中机身构架管，可减重 80 公斤。采用硼-铝复合材料的飞机为数不多，目前只有 F111,S-3A 等，此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。8.6 功能材料功能材料是指在电、光、热、磁、催化、分离、生物和医学等方面具有特殊性能的材料。随着各种奇妙
40、的功能材料层出不穷，光电、电声、激光、红外、半导体、超导技术的应用，仿佛使我们进入了一个神话世界。上天、入地、千里眼、顺风耳已成为事实。在当代的科学技术中，功能材料应用更加普遍了，例如，人们习惯上的“电脑” 、 “电鼻” 、 “电眼” 、 “电耳” 、 “功能高分子材料”等，就是分别采用记忆、光电、气敏、压电晶体和人工合成材料制成的。19 世纪末，人们发现铯、铷、钾、钠等金属内部的电子很不稳定，受到光线照射后，一部分电子会被释放出来，所释放的电子数量与光的强弱成正比，这种现象叫光电效应。由于光电管能够把光和电联系起来，使光信号变成电信号，因此光电管又称“光电眼” 。而铯、铷等金属正是制造光电管
41、最重要的材料。光电管现已广泛用于电视、电影、无线电传真等方面，正为人类造福。“光电眼”还在信号装置、光度计、照明、自动控制等技术方面，有着广泛应用。例如，用于自动控制炼钢炉温度，由于“光电眼”可以根据炉内光线强弱精确地“算出”温度，自动装置就能够采取相应措施，及时准确地调节炉温；有的“光电眼”不仅对光的强弱很敏感，而且还能识别颜色。生产中如要实现带色图案工作的自动化，可让“光电眼”分辨彩色图案的色泽、亮度和形状，把光电信号输入到电子计算机， “电脑”经过鉴别判断，即可命令机器去完成规定的动作。“电鼻”的学名叫“气体检漏仪” ，是发现危险气体和检查危险气体浓度的仪器。它是怎么“闻”到气味的呢？原
42、来，这个仪器中装有一种金属氧化物材料，叫气敏半导体。由二氧化锡、氯化钯等材料混合烧结制成，它的表面吸附着氧分子。当仪器靠近易燃、易爆气体时，这些气体很容易和氧结合，夺走气敏半导体表面的氧，警报器便发出信号。气体消散后，即可再次使用。“电鼻”对许多气体反应非常灵敏。例如它能把百万分之一浓度的氢气指示出来；对冷冻机、电冰箱中用的氟利昂，哪怕只有十万分之一的浓度，它就能“闻”出来；对剧毒的一氧化碳，人鼻子闻不出， “电鼻”却很灵敏。目前， “电鼻”能够“闻”出的气味已有四十多种，包括苯、染料、油漆、氨、树脂、瓦斯和酸等。它可以很负责地担任气体检漏、浓度测定、报警等工作，在石油、化工、矿山、仓库、环境
43、保护及科学研究等部门很有用处。另外，人们还根据“电鼻”的原理研制出了一种“电子警犬” ，它比狗的鼻子还要灵敏一千倍，已开始用于侦缉破案工作。10眼，明察秋毫；耳，能探微音。人的耳朵是灵敏的声音接收器。可是有一种“电耳”要比人耳高明许多倍，它的专业名称叫声纳，是利用超声波在水中进行通信和探测的一种仪器。声纳发射机发出的超声波，碰到水中的物体便被反射回来形成回波，并由接收机接收。根据超声波从发出到返回的时间，声纳便可以发现目标并探测两者之间的距离。声纳的探测和接收元件，是用压电陶瓷制成的。这是一种具有压电特性的陶瓷材料。压电效应是年由法国科学家皮埃尔 居里兄弟发现的。他们在研究石英、电石、酒石酸钾
44、钠等晶体的过程中，发现这些晶体在一定温度下受压时会有信号产生；在通电时，又会发生形变。后来，人们便利用这种奇特的压电效应，将机械能转变成电能，或把电能转变成为机械能。如果把电子振荡器产生的几万周的振荡电流加到压电晶体上，使薄片周围的水也随着发生波动，这就是超声波。装有“电耳”的潜水艇就是凭借压电晶体所发出的超声波以及接收的回波，来发现敌舰、水雷、暗礁以及冰山的。目前，常用的压电陶瓷材料，主要是钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷及以其为基础的三元素陶瓷等。功能高分子材料是在某领域具有特殊性能的人工合成材料。一部分功能高分子材料的用途已为人们所熟知，占有稳定的市场，如通用塑料等，而另一些独特的功能材料正在扩
45、大使用范围，留给人们深刻的印象，逐步建立起不容置疑的地位，如集成电路用的感光树脂、电子照相用的光导电性树脂、海水淡化用的离子交换树脂、回收废污水中重金属离子的螯合树脂、人造肾脏渗析的中空纤维等。下面让我们举例说明这些功能高分子材料的重要性。如加有掺杂剂的聚乙炔和聚苯硫醚都是能导电的塑料既能导电，又具有重量轻的特点，有广泛的用途。美国新研制出的一种塑料蓄电池，就是采用这种塑料做电池的电极，它的体积小，重量轻，可以提供常规铅蓄电池 10 倍的电力，并且在长期使用过程中不需要维修，充电次数可达 1000 次以上。还有一个优点即塑料电池是密封的，不会释放出有害的化学物质和气体选择性吸收高分子功能材料也
46、是功能材料的新秀，它优于碳吸附剂。因为规则的高分子碳化后，具有可控制的选择吸收性，如碳化聚丙烯腈吸附硫醇的能力，比活性碳高倍，用于冷库、空气净化机可以消除臭味；碳化聚乙烯醇具有分子筛的作用，筛目可以控制，能用于分离氧、一氧化碳和氢气等；选择性螯合树脂，能与特定的金属离子形成络合物，可用于工业废水回收有害金属或化工溶液去除金属离子。生物高分子材料的产量增长很快。例如具有肾脏功能的人工肾脏渗析器由中空纤维或膜组成，年产量达到数百万只；能渗透氧和二氧化碳的人工肺有机硅胶膜，年产量近万只；人造血液（聚乙烯基吡咯烷酮）也有商品供应。减阻功能高分子材料给许多工业部门带来了福音。例如，在流体中加入某些微量的
47、高分子材料，可使流动阻力大大降低。水中加入 25PPm 的聚环氧乙烷，就使水管中的阻力下降 75，出水率增加好几倍，可用于灭火水管等方面；在油田开采中加入聚丙烯酰胺和聚丁烯类聚合物，就会使原油易于从岩石缝隙中渗出和在输油管中通过，多出油和减小远程输油中的油量及能量消耗。保湿功能高分子材料对农业有重要意义，这种用纤维素或淀粉与丙烯酸的接枝共聚物有很强的吸水能力，能吸收自身重量 300 倍的水分，其中 95可供植物吸收，因此起到了地下小水库的作用。施用保湿剂后，小麦产量可提高 15，大豆产量可提高 25.8.7 半导体材料半导体材料实际上是指锗、硅、砷化镓一类材料。因为它们的导电性介于金属和非金属
48、之间，所以称为半导体。半导体材料的导电性能，在不同的温度、光照、杂质等条件下会灵敏地发生变化。正因为半导体这一非凡的 “本领” ，才使得它能够在技术上大显神通。例如，利用半导体对温度十分敏感的特性，制成自动化装置中常用的热敏电阻，可以测出万分之一度的温度变11化。半导体材料的导电性能，在不同的温度、光照、杂质等条件下会灵敏地发生变化。正因为半导体这一非凡的 “本领” ，才使得它能够在技术上大显神通。例如，利用半导体对温度十分敏感的特性，制成自动化装置中常用的热敏电阻，可以测出万分之一度的温度变化。半导体器件与电子管或其它电子器件比较，它的优点是体积小、重量轻、安全可靠、寿命长、省电、效率高、成
49、本低。晶体管的平均寿命比电子管长 1001000 倍，可靠性高100 倍，可称“半永久性器件” 。集成电路使电子设备向微小型发展产生了一次飞跃。实践表明：集成大电路的可靠性要比分立元件电路高 100 倍左右，大规模集成电路又比一般集成电路高出 100 倍以上。什么是集成电路呢？它主要是由许多集成块组成的，集成块是在平面晶体管技术的基础上，把晶体管、电阻及电容等都做在一小块半导体材料上，组成不能拆换的整体，代替传统的分散元件。集成块的功能和原电路的晶体管、电阻和电容的功能是相同的。9. 未来材料未来材料是指那些新近发展或正在发展的具有优异性能或特殊性能的、代表现代新技术动向并能满足未来需要的材料。9.1 新型金属合金材料高温合金高温合金是指那些在极高温度下仍能满足工作要求的金属材料。在 20 世纪 70 年代以前，高温合金耐热的发展速度大约每年提高 10。例如涡轮叶片最初使用的耐热钢，工作温度只有 550650，到 20 世纪 70 年代已达到 1050。继续提高镍基和钴基高温合金的工作温度越来越困难，因为这样高的温度已接近基体金属镍和钴的熔点（镍的为 1453，钴的为 1495） 。超塑性合金具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长 10 倍、20 倍甚至上百倍，既
