新材料技术

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第77页（3702字）

材料的不断发展和进步一直是人类社会前进的重要基础之一。也可以说，人类使用的材料的种类和水平，对当代文明、经济繁荣和技术进步都有决定性的作用。当经济、技术的发展对材料提出更新更高的要求时，可以促进新材料的出现；而新材料的出现也必将支持和推动经济技术的进步。这两者之间就存在着这种相互促进、互为因果的关系。

正是由于这种原因，人类的历史就曾以当时所使用的主要材料的种类来加以划分，如石器时代、青铜器时代、铁器时代等。

人类过去使用的材料的发展过程大致可以分为以下几个阶段。

远古时代人类最早使用的材料不过是最原始的天然的竹、木、石、骨之类，不经或稍经加工即制成简单的工具、用具。这可算是材料发展的初级阶段。

由铜及铁而后其它金属、合金的发现及应用是材料发展的第二阶段。在这个阶段中金属确立了作为工业材料的绝对权威地位。在人类社会史中这一阶段曾占有最长的时间，并发挥了极其重要的作用。

材料发展的第三个阶段是各种塑料的人工合成时代。随着工业的发展，对材料提出了质量轻、强度高、价格低等各种要求；与此同时，人类在已经掌握的知识、技术的基础上，已经能够人为地制造出自然界中不存在的材料，来满足各种各样的要求，取得了更大的自由度和主动性。现在，各种塑料已经可以在除结构材料以外的许多领域取代金属材料，而精密陶瓷、复合材料等一系列高性能的新材料正在迅速地形成仅次于金属、塑料的第三类工业材料群，其发展令人瞩目。

社会、经济的飞速发展加速了新材料的发展。最近一、二十年掀起了一股全新的世界性科学、技术革命浪潮，并迅速地渗入到人类社会的各个活动领域。在这种形势的推动和摧迫下也使材料的发展进入一个崭新的阶段，并接连不断地涌现出一批新材料。

从历史的发展来看，在产业革命以后，钢铁的应用及普及的时代可以认为是材料的第一次大变革。第二次世界大战以后，塑料获得高度发展和大量应用，是材料的第二次大变革。而当前则正处于第三次材料大变革的时代。这次大变革，无论是其规模、范围，还是其水平和效果都是以前变革所无法相比的。

由于新材料对当今社会新技术、新产业的发展具有格外重要的作用，所以有人把它和信息技术及能源作为现代文明的三大支柱，而新材料的发展亦被列为新技术革命的重要标志之一。

现代新材料的发展——从设计、研究、试验、生产制造直到应用都涉及到广泛的知识，需要专门的、复杂的设备和技术，所以形成一个独特的领域，即“新材料技术”。

新材料的特点

新材料是指通过物性研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，克服了现有材料的缺点和不足而获得的具有人们所需要的高功能、高特性以及高附加价值的材料，当代新材料具有以下特点。

1．获得途径与传统材料不同

新材料是过去不曾有、自然界中亦不存在的人造材料。传统的材料是利用天然原材料加以提炼、加工而成的。而新材料是在研究并掌握了物质结构、变化的规律的基础上，根据人类的需要，通过对原子、分子等的选择、组合，并创造必要的环境条件，得到的具有预期性能的物质，所以是人工合成或人工创造的。在新材料的研究和制造中人们是主动的，这是因为：

①研究和制造新材料是出于人类的主观需要，因而有明确的目的和要求，这一点自始至终贯穿于整个新材料的研究、试验和制造过程中，因而是有目的的“创造”；

②新材料的研究和制造是在人类已经掌握了各方面必需的知识的基础之上进行的，决不是盲目的摸索，由于人类已经愈来愈多地掌握了物质结构及其变化规律，以及由此对性能产生的影响，因此新材料的出现决不是偶然事件，而是人类科学、技术发展的必然结果。

现在探索和创造新材料有三种途径：

①利用极限条件。如超高温、超高压、极低压等，以获得有特异性的原子排列特点的材料；

②通过形态和纯度的控制。如超细化、超薄膜化、多孔质化等设计和控制技术，创造出具有高纯度、完全结晶、非晶态等极限状态的新材料；

③材料复合。如金属、陶瓷、有机材料等的相互复合，利用其复合效应开发高性能材料。

2．新材料的出现是多种学科综合研究和进步的成果

如上所述，新材料的研究、制造是以先进的科学、技术为基础的，是包括物理、化学、冶金学等多种学科综合研究和进步的成果，因此，其涉及的面广，知识密度高。如果没有各种学科最新研究成果的指导或支持，新材料的设计、研究是不可能的，即使有了设想和设计也不可能制造出来。

新型材料工业本身亦是知识、技术密集型的新产业，其产品——新材料具有极高的附加价值。例如由精密陶瓷材料制成的人造齿售价高达1000万日元／公斤，碳纤维达1～2万日元／公斤，而钢材的售价仅为100日元／公斤，相差甚远。

3．具有高新性能，满足尖端技术和设备制造的需要

新材料是新技术、新设备得以完成和实现的重要条件和保证。例如，不需高压和钢瓶，也不需要低温致冷设备和绝热保护来贮存氢是一项新技术，是利用新能源－氢的关键。但是如果没有新型的贮氢材料，这一新技术是不可能实用化的。光导纤维的开发使光纤通信这一新技术得到实际应用。高纯单品硅半导体材料的研制成功，使集成电路问世，开创了微电子学这一新领域。而以新材料砷化镓制作的电子器件比硅制器件的运算速度快5～10倍，甚至高达100倍，从而可使计算机的运算速度达到100亿次／秒。所以新型半导体材料的出现才使对无线电波的控制有了希望。一大批超轻质、耐高温、耐腐蚀、超高强，超电导以及耐超低温等极限材料已经成为航天、海洋、新能源、生物工程以及信息技术等领域的主要应用材料。

因为新材料具有极其重要的作用，所以受到世界各国的高度重视，竟相开展研究工作，投入大量人力、物力，财力，从而更加速了新材料的发展。

新材料的分类

材料可以按不同方法来分类

按其用途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其力学和理化性能。这类材料是机械制造、工程建筑、交通运输、能源等各种工业的物质基础。提高质量、增加品种、降低成本仍是这类材料的重要任务。另外，开发新型结构材料，满足高强度高韧性、高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求也是需要解决的问题。新型陶瓷结构材料、复合材料和高分子结构材料的开发，为结构材料注入了新的生命力，正在受到人们的高度重视。

功能材料是指除强度之外具有其它功能的材料，它们对外界环境具有灵敏的反应能力，即对外界的光、热、电、压力等各种刺激可以有选择地完成某些相应的动作，因而具有许多特定的用途。电子、激光、能源、通讯、生物等许多新技术的发展都必须有相应的功能材料。可以说，没有许多功能材料的出现，就不可能有今日科学、技术的发展。与结构材料相比，功能材料的发展更为突出，并因此而使材料科学进入一个新阶段。

最近有人又在上述两类材料之外分出一类智能材料。这种材料在功能材料特性基础上另有三种功能，即环境判断功能、自我修复功能和具有时间轴的功能。科学家认为，支持现在科学技术的是功能材料，而在未来的21世纪则将从功能材料发展到智能材料。

从成分、特性的角度又可分为新型金属材料、新型无机材料、高性能高分子材料以及新型复合材料四大类。每一类材料均是在已有材料的基础上发展而成，而且各具不同的结构特性和功能特性。