校本课程——发展中的材料

1、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，因此历史学家往往根据当时有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、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，不仅可以熟食、取暖、照明和驱兽，还可以烧制陶器。陶瓷材料的发明和应用，创造了新石器时代的仰韶文化，后来在制陶技术的基础上又发明了瓷器。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。人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术来烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜。可以说这是人类社会最早出现的金属材料

2、，它使人类社会从新石器时代转入到青铜器时代。炼铜技术发展为炼铁应是顺理成章的事。用铁作为材料来制造农具，使农业生产力得到空前的提高，并促使奴隶社会解体和封建社会兴起。我国从公元前3世纪起，即秦汉时代起就进入农业经济发达社会，到了唐宋时代，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。正如英国李约瑟博士所说的：“在313世纪，中国保持一个让西方人望尘莫及的科学知识水平”。18世纪发明了蒸汽机，爆发了产业革命，小作坊式的手工操作被工厂的机械操作所代替。工业迅猛发展，生产力空前提高，迫切要求发展铁路、航运，使生产出来的产品远销他国，占据国际市场。社会经济的发

3、展推动和促进了以钢铁为中心的金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会的生产方式，萌发了资本主义社会。第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破，从此以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。进入20世纪80年代以来，在世界范围内高新技术迅猛发展，国际上展开激烈的竞争，各国都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等领域占有一席之地。发展高新技

4、术的关键往往与材料有关，因此新型材料的开发本身就成为一种高新技术，可称为新材料技术，其标志技术是材料设计或分子设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。材料的重要性已被人们充分地认识，能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱。科学技术的发展对材料不断提出新的要求。材料可按不同的方法分类。若按用途分类，可将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要是利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能、

5、自我修复功能和时间轴功能，人们称智能材料是21世纪的材料。若按材料的成分和特性分类，可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。金属材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料通常包括铁、锰、铬以及它们的合金，是应用最广的金属结构材料。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。有色金属品种繁多，又可分为轻金属、重金属、高熔点金属、稀土金属、稀散金属和贵金属等。纯金属的强度较低，工业上用的金属材料大多是由两种或两种以上金属经高温熔融后冷却得到的合金。例如由铜和锡组成的青铜，铝、铜和镁组成的硬铝等都是合金。合金也可以由金属元素和非金属元素组成，如碳钢是由铁和碳组成的合金。合金的

6、性能一般都优于纯金属。为了发展航空、火箭、宇航、舰艇、能源等新兴工业，需要研制具有特殊性能的金属结构材料，因此金属材料发展的重点是研制新型金属材料。陶瓷材料是人类应用最早的材料。传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，新近发展起来的特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，因此可称为无机非金属材料。高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。这类材料有优异的性能，如较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，发展速度较快，已部分地取代了金属材料。合成具有特殊性能的功能高分子材料是高分子材料的发展方向。复合材料是由金属材料

7、、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚度和耐腐蚀等性能比单一材料更为优越，是一类具有广阔发展前景的新型材料。这里着重介绍复合材料及属于其范畴的梯度材料的发展。将合成高分子材料、金属材料和无机非金属材料这三类不同的材料通过复合工艺组合成为新的复合材料，它既能保持原来材料的长处，又能弥补短处。例如金属材料易腐蚀，合成高分子材料易老化、不耐高温，陶瓷材料易碎裂等缺点，都可以通过复合的方法予以改善和克服。因此复合材料是在三大材料基础上发展起来的新材料。复合材料的历史可追溯到很久以前。人们打泥砖，往泥中掺入禾秸，晒干后的泥砖可以称为复合材料。为什么要掺禾秸呢？人们从实践中懂得这样可以提高泥

8、砖的强度。砂子、砾石与水泥加在一起也是复合材料，它比单纯水泥的强度大得多。钢筋水泥是复合材料。将增强体与基体结合在一起，形成一种能发挥两者各自优点的材料，称为复合材料。高分子（塑料、树脂）、金属、陶瓷等材料都可以作为基体，掺入增强体后便成为复合材料。若按增强体的形状分类，复合材料可分为：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料，如图85所示。目前发展较快、应用较广的是纤维增强复合材料，若按基体分类，也可分为三类：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。玻璃钢 它是由玻璃纤维与聚酯类树脂复合而成的材料。玻璃是非常易碎的脆性材料，但如果将玻璃熔化并以极快的速度拉成细丝，这种玻璃

9、纤维异常柔软，可以纺织。玻璃纤维的强度很高，比天然纤维或化学纤维高出530倍。在制造玻璃钢时，可将直径为510m的玻璃纤维制成纱、带材或织物加到树脂中，也可以把玻璃纤维切成短纤维加入基体。玻璃钢具有优良的性能，它的强度高、质量轻、耐腐蚀、抗冲击、绝缘性好。增强体除了用普通玻璃外，还可以根据具体用途调整玻璃成分，制取耐化学腐蚀、耐高温、高强度和高模量的玻璃纤维。玻璃钢已经广泛用于飞机、汽车、船舶、建筑和家具等行业。除了用聚脂类作为玻璃纤维增强树脂基体外，还可用尼龙、聚乙烯、聚丙烯、环氧、酚醛和有机硅树脂等作为玻璃纤维增强树脂基体。碳纤维增强塑料 碳纤维的发明可以追溯到爱迪生时代，他在发明电灯过程

10、中选用多种材料做灯丝都失败了，后来他将竹子烘烤后制成碳丝，终于使电灯亮了。碳丝可以说是当今碳纤维的前身。目前制备碳纤维的方法是将聚丙烯腈合成纤维在200300的空气中加热使其氧化，然后在10001500的惰性气体中碳化，即可得到强度很高的碳纤维。用沥青为原料也可制成碳纤维，成本比用聚丙烯腈降低约50。碳纤维原料来源广、成本低、性能好，是很有发展前途的增强材料。碳纤维增强塑料可以根据使用温度的不同选择不同的树脂基体。如环氧树脂使用温度为150200；聚双马来酰亚胺为200250；而聚酰亚胺在300以上。这类热固性树脂的碳纤维复合材料较多应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管的耐烧蚀材料中。新一代的运

11、动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪杖、滑雪板、撑杆、弓箭等都采用碳纤维增强塑料来做，为运动员创造世界记录做出了贡献。除了玻璃纤维、碳纤维外，作为纤维增强材料还有硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。树脂基复合材料的耐热性低，一般不超过300，且不导电，导热性也较差，这就限制了它们在某些条件下的使用。而金属基复合材料恰好在这些方面具有优势，成为各国竞相发展的新材料。金属基复合材料一般都在高温下成形，因此要求作为增强材料的耐热性要高。在纤维增强金属中不能选用耐热性低的玻璃纤维和有机纤维，而主要使用硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维。基体金属用得较多的是铝、镁、钛及某些合金。碳纤维

12、是金属基复合材料中应用最广泛的銮坎牧稀枷宋銮柯辆哂心透呶隆腿绕汀妥贤庀吆湍统笔刃阅埽屎嫌谠诤娇铡教炝煊蛑凶龇苫慕峁共牧稀鹣宋銮柯烈灿糜诳占浼际鹾途路矫妗?font lang=EN-US碳化硅纤维增强铝比铝轻10，强度高10，刚性高一倍，具有更好的化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性。它们主要用于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维增强钛做成的板材和管材已用来制造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。随着对高温高强材料的要求愈来愈高，人们转向研制陶瓷基复合材料。基体陶瓷大体有Al2O3，MgOAl2O3，SiO2，Al2O3ZrO2，Si3N4，SiC等。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须。所谓晶须就是

13、由晶体生长形成的针状短纤维。纤维增强陶瓷可以增加陶瓷的韧性，这是解决陶瓷脆性的途径之一。由纤维增强陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接剂贴在航天飞机机身上，使航天飞机能安全地穿越大气层回到地球上。所谓功能梯度材料(FunctionallyGradientMaterials简称FGM)是以计算机辅助材料设计为基础,采用先进的材料复合技术,使构成材料的要素(组成结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化,从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的新型材料.该材料具有较高的机械强度!抗热冲击性能!耐高温性能(达2000e以上)等特点。根据不同的梯度性质变化,功能梯度材料可分为密度功能梯度材料!成分功能梯度材料!光学功能梯度材料和精细功能梯度材料等.根据不同的应用领域,功能梯度材料可分为耐热功能梯度材料!生物功能梯度材料!化学工程功能梯度材料和电子工程功能梯度材料等。功能梯度材料是21世纪最有发展前景的新型材料之一.功能梯度材料一出现就引起了世界各国的广泛兴趣和关注.日本已经将其列入日本科学厅资助的重点研究开发项目,美国在1993年国家标准技术研究所开始开发超高温耐热氧化保护涂层为目标的大型功能梯度材料研究项目。华中