材料科学的发展史及发展趋势

1、论材料科学的发展史及发展趋势（材料科学与工程学院 材料科学与工程类 潘勇辉1009100131 ）摘要本文简要的介绍了材料的发展史，然后介绍了一些新 材料及其发展趋势。关键词材料科学发展史 趋势 金属材料 超导材料 高分 子材料如今，一说到材料很多人都不会感到陌生，因为我们的生活 与材料是息息相关的。如我们造房子就需要各种各样的材料，而 这些材料既有无机非金属材料（如水泥、沙子）的又有金属材料 （如钢筋）的。我们所使用的各种生活用品也是由各种材料制造 而成的。还有各个领域（如航天、航空、军事）都有材料的影子。 可以这么说，人们想要发展，那就必须先发展材料科学。在人类社会的发展过程中，材料的发展

2、水平始终是时代进步 和社会文明的标志，人类文明的发展史，就是一部如何更好地利 用材料和创造材料的历史。在当代，材料和能源、信息是构成社 会文明和国民经济的三大支柱，其中材料更是科学技术发展的物 质基础和技术先导。材料科学与工程是一门实用的、直接的科学 与技术，是研究材料的组成与结构、合成与制备性质及使用性能 等基本要素及其相互关系与制约规律的一门科学。涵盖高分子材 料与工程无机非金属材料工程等本科专业。改革开放后，20世纪70年代末至90年代，随着经济、社会和科学的发展，各种 新材料的出现 和广泛应用，计算机技术的发展，材料科学与材料 工程之间的界线开始模糊，几大材料之间有了更多的内在联系和

3、共性。各学科之间的相互交叉、渗透、借鉴，材料科学技术迅速 发展。所以为了更好地学习和研究材料，我们很有必要学习一下 材料科学的发展史，并了解一下材料科学今后的发展趋势。一、材料科学发展史人类社会的发展历程 ,是以材料为主要标志的。 历史上 ,材 料被视为人类社会进化的里程碑。对材料的认识和利用的能 力 ,决定着社会的形态和人类生活的质量。 材料是人类生活和生 产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。可以这样说， 自从人类一出现就开始了使用材料。材料的历史与人类史一样久 远。从考古学的角度，人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器 时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社 会的

4、影响。材料也是人类进化的标志之一，任何工程技术都离不 开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将支持和促进 当时文明的发展和技术的进步。从人类的出现到二十一世纪的今 天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。 在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段。（一）使用纯天然材料的初级阶段在原古时代，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。（二）人类单纯利

5、用火制造材料的阶段这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器 时代，也就是距今约 10000 年前到二十世纪初的一个漫长的时期， 并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、 铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。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。（三）利用物理与化学原理合成材料的阶段二十世纪初，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

6、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，

7、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。（四）材料的复合化阶段二十世纪五十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

8、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。（五）材料的智能化阶段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 近十余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但

9、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。二、新材料科学及其发展趋势材料科学的发展，从目前的趋势来看，是肯定会沿着新材料 的方面发展的。新材料又称先进材料，它不以生产规模，而以优 异性能、高质量、高稳定性取胜的高知识、高技术密集型为特点。 新材料有结构材料和功能材料之分，前者主要利用他的力学性能， 而后者以应用其各种物理、化学效应为主。金属材料 金属材料科学主要是研究金属材料的成分组 织、结构、缺陷与性能之间内在联系的一门学科。金属材料， 特别是钢、铜、铝等，仍然是 21 世纪主要的结构材料和电能 传输材料。金属材料已经有成熟的生产工艺，相当

10、多的配备 设施和工业规模生产，价格低廉、性能可靠，已成为涉及面 广、市场需求大的基础材料。所以在今后相当长的时间内改 变不了它在材料中的主导地位。金属材料的发展趋势是：随着航天航空和其它尖端技术 的飞跃发展，在改善和提升传统材料品质的同时，金属功能 材料、非平衡态金属，特别是高比强、高模量、耐高温、抗 氧化、抗腐蚀、耐磨损合金和金属复合基材料会有快速发展， 如金属超导材料、钛及其合金、铝基增强复合材料、记忆合 金、纳米晶块体材料等。高分子材料 高分子材料是指分子量从几百到几万由加聚或 缩聚链条状官能团构成的有机化合物 自20世纪 20年代德国著名 科学 家斯托丁格开创这一学科以来 ,高分子科学

11、和技术的发展 极为迅猛 ,如今已形成非常庞大的高分子工业。它具有较高的 强度 ,良好的塑性 ,较强的耐腐蚀性能 ,很好的绝缘性能 ,以及重 量轻等优良性能 ,在是工程上的发展最快的一类新型结构材 料。高分子材料按其分子链排列有序与否 ,可分为结晶聚合物 和无定型聚合物两类。结晶聚合物的强度较高 ,结晶度决定于 分子链排列的有序程度。工程上通常根据机械性能和使用状 态将其分为三大类 :塑料、橡胶以及合成纤维。其中 ,我国的合 成纤维、合成树脂和合成橡胶已分别居世界产能的第一、二 和三位。高分子材料发展趋势：发展先进的树脂基、有机 / 无机和异质 材料连接技术，研究高分子的老化、降解机制和控制技术

12、，制备 综合性能更好的新材料是高分子材料的发展趋势。能源材料 广义的说， 凡是能源工业及能源技术所需的材料 都可称为能源材料。但在新材料领域，能源材料往往指那些正 在发展的、 可能支持建立新能源系统满足各种新能源及节能技 术的特殊要求的材料。能源种类繁多属于一次性能源有核能、 太阳能、地热能、风能及海洋能等。就规模应用而言，一次性 能源利用还需要克服许多科学和技术难关， 其中材料就是一个 带共性的关键问题。氢能、合成燃料、高比能电池的利用原理 和特色各异，对材料品种和功能提出了更多的要求。能源材料的发展趋势： 随着化石能源的枯竭， 新能源的研 究与发展必定越来越受到重视， 而新能源的发展必定依

13、赖新材 料，所以能源材料的发展将会与新能源紧紧联系在一起。超导材料 具有在一定的低温条件下呈现出电电阻等于零以 及排斥磁力线的性质的材料。超导材料具有的优异特性使它从 被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应 用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参 量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如 何制成柔细的线材就有一系列工艺问题） 。到 80 年代，超导材 料的应用主要有：利用材料的超导电性可制作磁体，应用于 电机、 高能粒子加速器、 磁悬浮运输、 受控热核反应、 储能等； 可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA ）；可制作通信电缆和天线

14、，其性能优于常规材料。利用材料的 完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。 利用约瑟夫森效应 可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻 辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运 算速度比高性能集成电路的快1020倍，功耗只有四分之一。超导材料的发展趋势：由于超导材料所具有的优异性能， 所以超导材料将会并已经受到科学界和各类研究机构的重视， 超导材料也会向实用化方向发展。结束语在上世纪里， 世界的变化比任何时候都都要大， 其原因在 于技术直接紧随基础科学的进步而发展， 这为材料科学和技术 的发展注入了强大的动力。 在结构材料方面除了继续对传统材 料进行升级改造之外，应该特

15、别重视发展耐高温、耐腐蚀、高 比强、高韧、高刚度材料及复合材料。对于功能材料，应该特 别重视多功能、高集成度、高效率的信息功能材料。大力加强 能源材料、超导材料的基础研究和应用研究，扩大它们的应用 领域，把 21 世纪的材料科学与工程推进到一个新的水平。新 材料和高技术是材料科学研究的核心，两者之间密切相关，新材 料研究需要高技术，新材料本身必须依托于高技术，同时新材料 为高技术的发展提供了载体。但必须指出：材料科学的重点，除 了应对新材料给予足够的重视外，必须加强对我国基础材料科学 问题的研究，首先促进面广量大的国民经济基础产业的科技进步， 用高技术改造传统产业，注重产品结构的升级换代，从而为新材 料和高技术乃至国民经济的快速发展打下良好基础。我们有理由 相信，材料科学的明天加会更好，未来的的社会科学发展还将会 围绕着材料科学的发展而发展，材料科学在整个科学领域中将会