新材料和納米材料

1、9第一講 材料發(fā)展歷史1、什么是材料？其重要意義是什么？ 世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，材料就是人們用來制成各種機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)等具有某種特性的物質(zhì)實(shí)體。 材料是人類社會(huì)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)， 材料的發(fā)展導(dǎo)致時(shí)代的變遷， 推動(dòng)人類的物質(zhì)文明和社會(huì)進(jìn)步。 在人 類即將進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)的新時(shí)代， 材料與能源和信息并列為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱、 其作用和意義尤為 重要。2、材料與人類社會(huì)的關(guān)系如何？在人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步過程中 材料是是一個(gè)帶有時(shí)代和文明標(biāo)志的基礎(chǔ)。 人類和材料的關(guān)系非 常廣泛、非常密切。也非常重要，在這點(diǎn)上很少能有其他領(lǐng)域與之相比。其實(shí)，人類文明的發(fā)展史就 是一部學(xué)習(xí)利用材料、制造材料、創(chuàng)新材料的歷史

2、。材料是人類一切生產(chǎn)和生活活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)， 歷來 是生產(chǎn)力的標(biāo)志， 被看成是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑。 對(duì)材料的認(rèn)識(shí)和利用的能力， 決定著社會(huì)的形態(tài)和 人類生活的質(zhì)量， 所以人類從來沒有中斷過追求更好的材料， 讓材料具有更優(yōu)異的性質(zhì)或者前獨(dú)特的功 能， 從而滿足人類世世代代發(fā)展中層出不窮的新的需要和追求。一 種新材料的出現(xiàn)， 常常引起生產(chǎn)力大發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。正是如此，才有了今天人類豐富多彩、璀璨奪目的世界與文化。如沒有半導(dǎo) 體單晶硅材料， 便不可能有今天的微電子工業(yè)； 因?yàn)橛辛说蛽p耗的光導(dǎo)纖維， 當(dāng)今世界蓬勃發(fā)展的光纖 通訊才得以實(shí)現(xiàn)。所以，一部人類文明史，從某種意義上說，也可以稱之為世界

3、材料發(fā)展史。每一種新 材料的發(fā)現(xiàn)， 每一項(xiàng)新材料技術(shù)的應(yīng)用， 都會(huì)結(jié)社會(huì)生產(chǎn)和人類的生活帶來巨大改變， 把人類社會(huì)推向 前進(jìn)。3、材料發(fā)展歷史 在人類發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，材料起著舉足輕重的作用，人類對(duì)材料的應(yīng)用一直是社會(huì)文明進(jìn)程的 里程碑。古代的石器、青銅器、鐵器等的興起和廣泛利用，極大地改變了人們的生活和生產(chǎn)方式，對(duì)社 會(huì)進(jìn)步起到了關(guān)鍵性的推動(dòng)作用，這些具體的材料 （石器、青銅器、鐵器 ）被歷史學(xué)家作為劃分某一個(gè)時(shí) 代的重要標(biāo)志如石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代等。3.1 石器時(shí)代 大約在 25000 年前 人類就學(xué)會(huì)使用材料了。 途的鋒利石片， 可以想象人類遠(yuǎn)祖的艱苦和聰明。 產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭(zhēng)。

4、 這是一段漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程和時(shí)代，今天人們從考古學(xué)家挖掘的人類當(dāng)年所使用的各種用 他們能區(qū)別、選用各種石頭創(chuàng)造出各種用具， 用于生 歷史學(xué)家們?cè)缇凸实匕涯莻€(gè)年代叫做 “石器時(shí)代” 。此時(shí)的人類只能利用巖石、樹木、獸皮、骨骼等天然材料并進(jìn)行粗糙加工，除此之外別無他物。所以， 石器時(shí)代的生產(chǎn)工具極其落后， 人類社會(huì)的生產(chǎn)力也是極端低下， 所以社會(huì)發(fā)展極其緩慢， 人類文化也 是相當(dāng)簡(jiǎn)單和粗俗的。3.2 陶器時(shí)代石器時(shí)代時(shí)期， 氣候的干燥或者閃電雷擊等自然因素的作用， 自然火災(zāi)時(shí)有發(fā)生。 經(jīng)火灼烤后的大 地，不但給人們留下了營(yíng)養(yǎng)豐富的食物，引起人類形體（如牙齒、消化系統(tǒng) ）上的變化，更重要的是給人們留

5、下了一種全新的東西由軟軟的粘土所燒成的堅(jiān)硬塊體。在大自然的啟發(fā)下，公元前 8000 年， 人們發(fā)現(xiàn)用粘土制成的罐放在熾熱的煤塊上， 經(jīng)過焙燒后會(huì)變硬， 可以用來盛水并且不變形， 這代表著 人類發(fā)明了陶器。 這是人類第一次有意識(shí)地將一種天然無機(jī)材料轉(zhuǎn)變成具有新奇性能的新材料， 它不但 意味著人類進(jìn)入了陶器時(shí)代，還意味著材料工藝或工程的開端。陶器在中國(guó)具有悠久的歷史沉淀。半坡村出土的碗、缽、釜、罐、瓶等，甚至還有吹氣能發(fā)聲的陶 塤。從著名的仰韶文化遺址出土的陶器中， 人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)祖先們已經(jīng)掌握了燒制黑色陶器和白色陶器的 配方和技術(shù)。3000多年前的殷、周時(shí)期，祖先已經(jīng)掌握的釉陶的制備方法（這需要爐

6、窯溫度達(dá)到 1200C,才能將金屬氧化物燒制成釉，1200 C有利于金屬的冶煉）。陶器的繁衍發(fā)展，后來形成了秦始皇陵墓中兵馬俑軍陣的壯觀。 制陶技術(shù)逐漸發(fā)展為制瓷技術(shù)， 制備的瓷器經(jīng)過絲綢之路逐漸傳播到全世界， 對(duì)世 界文明產(chǎn)生了很大的影響。所以，瓷器的英文名稱“china”和“中國(guó)”交相輝映。陶器可以說是人類創(chuàng)造的第一個(gè)無機(jī)非金屬材料。這個(gè)劃時(shí)代的發(fā)明不僅意味著使用材料的變化， 而且比這更深遠(yuǎn)重要的是人類第一次有意識(shí)地創(chuàng)造發(fā)明了自然界沒有的，并且全新性能的“新”材料。 從此人類能離開上天的賜予而進(jìn)入自力創(chuàng)造材料的時(shí)代。 恩格斯曾論述人類從低級(jí)階段向文明階段的發(fā) 展是從學(xué)會(huì)制陶開始的。3.3

7、青銅時(shí)代大約在公元前 5000 年，人類在用粘土燒成陶器的過程發(fā)現(xiàn)了金屬銅和錫（碳酸鹽分解后的 CO2 與燃料炭生成還原氣體 CO,從而還原金屬氧化物）。公元前4000年左右，煉銅技術(shù)的成熟標(biāo)志著人類進(jìn) 入青銅時(shí)代。 青銅冶鑄業(yè)的出現(xiàn)， 表明人類能夠從礦石中提取金屬， 再用它去制造工具， 用于改造自然。 這是生產(chǎn)力發(fā)展到一個(gè)新階段的標(biāo)志, 也是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志。 青銅業(yè)的發(fā)展, 又促使百工 的出現(xiàn), 并帶動(dòng)各個(gè)行業(yè)一起興盛起來。 商代社會(huì), 正是由于青銅業(yè)的發(fā)展, 才創(chuàng)造了燦爛的青銅文明。青銅 CuSn 合金是人類歷史上發(fā)明的第一個(gè)合金。熔化的青銅在冷凝時(shí)的體積略有脹大,所以 填充性

8、較好,氣孔也少, 這都使青銅在應(yīng)用上具有更廣泛的適應(yīng)性,所以青銅的生產(chǎn)發(fā)展很快,逐步取代了一部分石器、木器、骨器和紅銅器,而成為生產(chǎn)工具的重要組成部分。青銅生產(chǎn)工具的出現(xiàn),在生 產(chǎn)力的發(fā)展上起了劃時(shí)代的作用。青銅工具如斧、鋸、鑿、錐等,青銅農(nóng)具有鋤、鏟等已廣泛使用,青銅工具在生產(chǎn)中的效用,使青銅冶鑄技術(shù)日益重要,因而能獲得飛速的發(fā)展。一言九鼎然而, 青銅器的最大歷史貢獻(xiàn)并不在于對(duì)生產(chǎn)力的推動(dòng), 而在于社會(huì)秩序的建立。 西周中晚期有著 嚴(yán)格的列鼎制度,即用形狀花紋相同而大小依次遞減的奇數(shù)組鼎來代表貴族的身份。春秋公羊傳記載,天子用 9鼎,諸侯用 7鼎,卿大夫用 5鼎,士用 3鼎或 1 鼎。此外,

9、作為酒器、水器、樂器的青銅 器也有著代表不同身份的等級(jí)差別。 青銅的出爐并沒有給當(dāng)時(shí)的勞動(dòng)者帶來創(chuàng)業(yè)的沖動(dòng), 而那些控制了青銅所有權(quán)和使用權(quán)的統(tǒng)治者也不愿意將這一歷史創(chuàng)造推廣到物質(zhì)生產(chǎn)之中去,而是將青銅虛化, 用以比附人的不同身份。也是第一次,人類在這個(gè)文明時(shí)代自覺地將人與工具二者的意義聯(lián)系起來。青銅器在奴隸制時(shí)代除了作為禮器而具有獨(dú)一無二的地位外,還有一個(gè)重要用途就是用來鑄造武 器,如鉞、戈、矛、戟、刀、劍、弩、鏃、盔等。青銅武器相對(duì)于石制和純銅武器來說,其威力如同槍 炮對(duì)刀戟,當(dāng)軍隊(duì)和戰(zhàn)爭(zhēng)成為一個(gè)國(guó)家的暴力機(jī)器和手段的時(shí)候,青銅更是以它4.7倍于純銅的硬度頻頻向統(tǒng)治貴族領(lǐng)取赫赫戰(zhàn)功。 由于

10、大部分的青銅的所有和使用被統(tǒng)治者控制, 因而青銅武器對(duì)維持統(tǒng)治 階級(jí)的統(tǒng)治起到了十分重要的作用。 因此, 在人類社會(huì)秩序的第一次大整頓中, 青銅起到了一個(gè)軟硬兼 施的作用,世界上最早進(jìn)入青銅時(shí)代的地區(qū)是西亞。 在兩河流域發(fā)現(xiàn)的蘇美爾早王朝時(shí)期的雕有獅子形象的大 型銅刀及阿卡德王國(guó)時(shí)期薩爾貢一世的青銅像等， 都是較早的著名青銅器實(shí)物。 我國(guó)在青銅器的制造和 應(yīng)用方面有著輝煌的成就。 春秋時(shí)候人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到青銅性能和成分的關(guān)系， 制造出不同性能的青銅制 品。 在河南安陽出土的司母戊鼎是世界上最大的古老青銅制品。 湖北江陵出土的越王勾踐劍、 隨州出土 的青銅編鐘、 四川廣漢出現(xiàn)的三星堆文化等， 都代

11、表了我國(guó)在青銅時(shí)代的輝煌。 青銅器的應(yīng)用還代表著 人們已經(jīng)掌握了冶煉、 鑄造和鍛造等材料成形和加工技術(shù)。 青銅時(shí)代冶煉技術(shù)已經(jīng)比較發(fā)達(dá)， 為鐵器時(shí) 代的到來奠定了堅(jiān)實(shí)的理論。3.4 鐵器時(shí)代人們最早知道的鐵是隕石中的鐵， 古代埃及人稱之為神物。 在很久以前， 人們就曾用這種天然鐵制 作過刀刃和飾物， 這是人類使用鐵的最早情況。 地球上的天然鐵是少見的， 所以鐵的冶煉和鐵器的制造 經(jīng)歷了一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)期。 當(dāng)人們?cè)谝睙捛嚆~的基礎(chǔ)上經(jīng)過試錯(cuò)， 逐漸掌握了冶煉鐵的技術(shù)， 宣告著鐵器 時(shí)代的到來。鐵器的崛起正式宣告了青銅退出歷史舞臺(tái)，這并非偶然。 鐵的性能比銅優(yōu)越，資源比銅更豐富， 加 工制造比銅更容易

12、，價(jià)格也比銅便宜的多。例如，由于鐵的價(jià)格十分便宜，鐵制農(nóng)具大面積推廣應(yīng)用； 加上鐵的耐磨性能大大高于青銅， 鐵制農(nóng)具更加耐用， 對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有相當(dāng)大的促進(jìn)作用， 因而鐵制農(nóng)具 迅速占領(lǐng)了生產(chǎn)材料市場(chǎng)。又如，由于鐵的密度比銅小，強(qiáng)度和硬度比銅高，在相同防護(hù)效果下，鐵制 盔甲比銅制盔甲輕的多， 大大增加了戰(zhàn)士的靈活性； 鐵的硬度也大大高于銅， 鐵制兵器比銅制兵器更加 鋒利， 更加耐用。所以， 鐵制武器裝備的出現(xiàn)大大提高了軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力，因而鐵制武器也迅速占領(lǐng)了軍備材料市場(chǎng)。世界上最早制造鐵器的是小亞細(xì)亞的赫梯人，時(shí)間在公元前 1400年左右。約在公元前 1000 年代， 古希臘和古羅馬開始普遍使用鐵制

13、的工具和兵器。 約在公元前 500 年左右， 歐洲大陸普遍使用鐵器。 中 國(guó)最早的關(guān)于使用鐵制工具的文字記載，是左傳中的晉國(guó)鑄鐵鼎。在春秋時(shí)期，中國(guó)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、 手工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用鐵器。 我國(guó)從公元前 7 世紀(jì)開始大量使用鐵器。 鐵器的廣泛使用， 使人類的工具 制造進(jìn)入了一個(gè)全新的領(lǐng)域， 生產(chǎn)力得到極大的提高。 鐵器的使用， 導(dǎo)致了世界上一些民族從原始社會(huì) 發(fā)展到奴隸社會(huì)，也推動(dòng)了一些民族脫離了奴隸制的枷鎖而進(jìn)入了封建社會(huì)。在中國(guó)的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期， 奴隸制開始瓦解， 出現(xiàn)了孔子所說的禮崩樂壞的社會(huì)混亂。 這位心事重重的沒落貴族， 站在一座石拱橋 上，面對(duì)滾滾東逝水，不得不發(fā)出“逝者如斯夫”的嘆

14、息。我國(guó)古文化遺址中，隨處可以看見鐵器的蹤 跡。如河北滄州的鐵獅、 湖北當(dāng)陽的鐵塔、山西晉祠的鐵人等，代表著我國(guó)鐵器的制造和冶煉達(dá)到了相 當(dāng)高的水平。3.5 鋼鐵中國(guó)早在漢代，就在世界上最先用“百煉鋼法”煉出了鋼。這種方法是在熟鐵中再加進(jìn)適量的碳， 經(jīng)過反復(fù)加熱冶煉， 盡量減少雜質(zhì)， 從而煉出具有更高強(qiáng)度和硬度的鋼。但是，這種方法的冶煉過程很 復(fù)雜，一直未能發(fā)展起來。一直到 19 世紀(jì)前半期，人類始終生活在“鐵器時(shí)代” 。19 世紀(jì)中期俄國(guó)和土耳其之間爆發(fā)了克什米亞戰(zhàn)爭(zhēng)。在此期間，英國(guó)人貝西默研制了一種具有來 福螺旋線新式步槍， 子彈沿槍膛射出時(shí)旋轉(zhuǎn)飛出， 更加穩(wěn)定地沿著彈道前進(jìn)。射擊距離增大

15、， 命中率也明顯提高。 步槍的成功使貝西默將來福螺旋線應(yīng)用到大炮的設(shè)計(jì)中。 新式大炮在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)炸 膛的情況， 這是因?yàn)閬砀＞€對(duì)炮膛要求很高， 如果炮彈與炮膛之間間隙過大，火藥爆炸氣體泄漏， 炮彈 旋轉(zhuǎn)力量不足； 如果炮彈與炮膛之間間隙過小， 火藥爆炸使炮膛內(nèi)壓力驟然增大， 當(dāng)時(shí)的大炮都是用鑄 鐵制造的， 火藥爆炸使炮膛內(nèi)壓力驟然增大， 超過鑄鐵的極限強(qiáng)度，造成炸膛。為了挽救花費(fèi)多年心血 的大炮，貝西默開始致力于尋找提高鑄鐵強(qiáng)度的方法。在一位化學(xué)家的幫助下，貝西默發(fā)現(xiàn)，引起鑄鐵不硬的原因是因?yàn)槠渲械暮剂刻摺?要減少鑄鐵中的含碳量， 貝西默設(shè)計(jì)了空氣吹入法， 在鐵水排出 之前吹入空氣

16、，讓空氣中的氧氣與鐵水中的碳進(jìn)行反應(yīng)，降低碳含量，使其達(dá)到鋼的含碳量標(biāo)準(zhǔn) (小于 2.11%)。于是，通紅的鐵水沸騰了，鋼花四濺，映紅了夜空，貝西默煉出了鐵匠們一致稱贊的鋼材。隨 著空氣吹入法的不斷完善，大規(guī)模生產(chǎn)鋼材成為可能，鋼材逐漸取代鐵器成為人類社會(huì)的主導(dǎo)材料。鋼鐵時(shí)代的到來很大程度上還應(yīng)歸功于英國(guó)地質(zhì)學(xué)家和顯微技術(shù)的先驅(qū) Henry Clifton Sorby ，他在 1866 年第一次用光學(xué)顯微鏡研究鋼的斷口表面的組織，發(fā)現(xiàn)其具有晶態(tài)的特征，而且其晶態(tài)組織還隨 鋼的成分及其熱處理的變化而有所不同。 這種對(duì)金屬內(nèi)部組織變化的獨(dú)創(chuàng)性觀察與從分析化學(xué)得到的有 關(guān)成分方面的新知識(shí)結(jié)合起來，標(biāo)

17、志人們對(duì)材料基本特性所能認(rèn)識(shí)的程度發(fā)生了深刻的變化。鋼鐵材料的大規(guī)模發(fā)展制造出無數(shù)的紡織機(jī)械和蒸汽機(jī) 進(jìn)而才引發(fā)了人類歷史上的工業(yè)革命。 所 以 19 世紀(jì)發(fā)展起來的鋼鐵材料，推動(dòng)了機(jī)器制造工業(yè)的飛速發(fā)展，為 20 世紀(jì)的物質(zhì)文明奠定了基礎(chǔ)。 3.6、有色合金近代以來，人們除了發(fā)展鋼鐵材料以外，還進(jìn)一步發(fā)展了金、銀、銅、鈦、鋁、鎂、鉬等有色金屬 及其合金材料。雖然全世界每年金屬材料的總產(chǎn)量約達(dá)八億噸，其中黑色金屑約占95 ，有色金屬只占 5。有色金屬資源的開發(fā)和利用，不只是對(duì)鋼鐵材料的補(bǔ)充，更重要的是可以發(fā)揮和開發(fā)鋼鐵材料 所不具備的各種特殊性能， 在特定領(lǐng)域中， 必須采用有色金屬才能最大限度

18、滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)各種材 料性能所提出的要求。鋁(A1)是一種輕金屬，密度為 2.7g/cm3，是鐵(7.8g/cm3)的大約1/3，但是，純鋁的拉伸強(qiáng)度并不高， 只有48MPa，很容易加工。同鋼的強(qiáng)度(500MPa)相比，Al的強(qiáng)度只有鋼的1/10。從輕但不強(qiáng)的性質(zhì)看來，純 Al 并不占優(yōu)勢(shì)。 20 世紀(jì)上半葉，材料科學(xué)家利用合金化和時(shí)效強(qiáng)化兩個(gè)手段，把Al 臺(tái)金的強(qiáng)度提高到700MPa。鋁合金的比強(qiáng)度達(dá)到(強(qiáng)度/密度)2.64x106cm,是鋼的比強(qiáng)度(0.61x106cm)的4倍有余。 這意味著要達(dá)到同樣強(qiáng)度， Al 合金的用量只有鋼的 1/4，這就為 Al 合金作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材

19、料 帶來極大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來說無疑是幾千年來的一個(gè)飛躍。正是有了高比強(qiáng)度的Al 合金以及種種不同的鋁合金序列，大大擴(kuò)展了 Al 合金的用途，如大型客機(jī)、航天飛機(jī)等、可以說，沒有高比強(qiáng)度 的 Al 合金做基礎(chǔ)，就沒有現(xiàn)代的航天航空成就。有色金屬在其他方面也有重要用途。 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、 火箭、 煤炭地下氣化、石油化工等現(xiàn)代化工業(yè)技 術(shù)所需要的超耐熱合金；電力、電工、電子工業(yè)所需要的導(dǎo)體材料、電阻和儀表材料；原子能發(fā)電和核 技術(shù)所需要的核燃料和稀有金屬Be、Nb、V 等；大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)所需要的Au、Ag、Cu、Al等良導(dǎo)體；高性能永磁材料所需要的Nd、Pr、Dy 等，以及能源、信息技術(shù)所

20、需要的半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和貯能材料等。這些都是有色金屬材料，其性能是鋼鐵材料無法代替的。3.7、高分子材料從人類文明出現(xiàn)以來，高分子材料就一直陪伴著人們。天然高分子，如絲、皮、毛等從遠(yuǎn)古開始就 被人們發(fā)現(xiàn)并利用。在利用過程中，人們還不斷改進(jìn)加工技術(shù)，將棉、麻、絲、皮、毛等用于建筑、工 具、用品、紡織、造紙、制衣制革、防寒制品，把植物體內(nèi)的“樹脂” （樹流出的油脂 ）用于涂料、粘合 劑、藥物和溶劑等。工業(yè)革命后，生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，曾經(jīng)“在歷史上起過革命性作用的” （恩格斯語 ）鋼鐵，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn) 無法滿足人類日益增長(zhǎng)的物質(zhì)和文化生活的需要。 到 19 世紀(jì) 30 年代，許多人想用當(dāng)時(shí)已知的先進(jìn)煉鋼 技術(shù)

21、，用煉制“合金”的方法來使橡膠變成“合金” ，提高強(qiáng)度。他們將許多物質(zhì)，如焦炭、石灰、滑 石、硫磺、酸、堿、油等，添加到橡膠中，或煮或熬或加熱或攪拌，但屢遭失敗。 1839 年英國(guó)人古特 異（Goodyear）把硫磺加入到已經(jīng)燃燒的橡膠中時(shí)，發(fā)生了激烈反應(yīng)，放出大量窒息性氣體。后來，他再 進(jìn)人實(shí)驗(yàn)室，偶然發(fā)現(xiàn)忙亂中留在試驗(yàn)臺(tái)上發(fā)黑的橡膠， 加熱時(shí)不發(fā)粘高溫下尚存彈性和強(qiáng)度。 他從 廢物堆里找回丟掉的橡膠， 研究了它的性能， 分析那種難聞的窒息性氣體是硫磺在空氣中燃燒所致。 他 繼續(xù)工作，研究隔絕空氣、添加硫磺的最佳配比等，終于成功制備出硫化橡膠。更重要的是，人們發(fā)現(xiàn) 了對(duì)天然高分子進(jìn)行改性后可

22、以得到性能優(yōu)異的新材料，人們又掌握了一種制備高性能新材料的方法。 從此，高分子改性的新材料如雨后春筍般出現(xiàn)。 1832-1845 年，人們發(fā)現(xiàn)用硝酸處理潔凈的纖維索，能 得到硝化纖維，但難于加工；1872年，有人發(fā)現(xiàn)加入樟腦后，硝化纖維易于加工，做成了celluloid “賽璐璐”材料， 1884 年用來制作照相底片、電影膠片等。 1855 年，法國(guó)人奧德馬爾把硝化纖維溶解在乙 醇乙醚混溶液中， 將溶液通過毛細(xì)針管擠到空氣中， 溶劑揮發(fā)后得到一根人造絲， 實(shí)現(xiàn)了人類多少年 來的夢(mèng)想。相比于高分子改性工業(yè)， 高分子合成工業(yè)的發(fā)展也毫不遜色。早在 1872 年，德國(guó)的拜爾 （ABaycr）就發(fā)現(xiàn)苯

23、酚和甲醛在酸性介質(zhì)中反應(yīng)形成樹脂狀物質(zhì)，樹脂可熔可溶， 但未引起他的注意， 因?yàn)榈侨藗兊呐d趣在于合成低分子物質(zhì)， 然后進(jìn)行提純研究其物理性能， 這種聚合物是研究低分子物質(zhì)極大的障 礙。 1891 年，人們用濃硫酸催化得到不熔不溶的多孔物質(zhì)，仍然因?yàn)闊o法提純結(jié)晶而放棄研究。直到 1907 年，比利時(shí)人貝克蘭德 （Bakeland） 在前人基礎(chǔ)上深入研究苯酚與甲醛的反應(yīng)，指出在不同條件下， 可得到兩類樹脂， 是酸催化下生成可熔可溶的， 稱蟲膠代用品； 另一類是堿介質(zhì)下生成不熔不溶樹脂。 他準(zhǔn)確提山了控制反應(yīng)的三個(gè)階段， A 階段是開始階段，生成物可溶可熔； B 階段生成軟而不溶物； C 階段則生

24、成不熔不溶產(chǎn)物。 在第三階段之前加入木粉， 能提高韌性。 這是人類歷史上第一次完全靠化學(xué) 合成方法生產(chǎn)出來的樹脂，命名為“Bakelite ”，在中國(guó)俗稱“電木” 。1932年世界上第一個(gè)塑料外殼的黑色電話機(jī)問世，所用材料就是酚醛樹脂。20 世紀(jì) 30 年代，由于合成氨工業(yè)的發(fā)展，許多人對(duì)高壓合成十分有興趣。1933 年英國(guó)的 Robsin建議用乙烯和苯甲醛作超高壓反應(yīng)，反應(yīng)未獲結(jié)果，只發(fā)現(xiàn)在容器壁上附有殘余的蠟狀物。1935 年又進(jìn)行了乙烯的高壓試驗(yàn)，由于密封不好漏掉了乙烯，壓力下降，補(bǔ)充乙烯后，出乎意料，卻獲得了8g粉末，這就是聚乙烯。分析原因可能是補(bǔ)充乙烯時(shí)，補(bǔ)充了微量氧氣。1927 年

25、，美國(guó)的杜邦公司的卡羅澤斯研究了聚酯、聚酰胺合成紡絲，合成出一種所謂的比蜘蛛絲 還細(xì)， 比鋼還強(qiáng)的絲， 這就是尼龍 66 纖維， 與此同時(shí)， 德國(guó)生產(chǎn)出另外一種聚酰胺纖維尼龍 6。 1941 年英國(guó)的溫費(fèi)爾德和狄克遜提出用芳香二元醇代替卡羅澤斯使用的脂肪酸，從而得到熔點(diǎn)在250 C以上 的縮聚產(chǎn)物，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的原因到 1950 年才開始生產(chǎn)，這種纖維被稱之為滌綸，在中國(guó)的俗稱就是大家 熟悉的“的確良” 。滌綸纖維編制的衣服手感滑膩而不起皺，顏色鮮艷光亮，一時(shí)風(fēng)靡大江南北。1950年起，世界上有三個(gè)試驗(yàn)組在研究烯烴低壓聚合方法。德國(guó)的齊格勒（ziedm）在1953年用于乙基鋁和 TiCl4 搭配，

26、使乙烯常壓下聚合，這使科技界十分震驚也使人們豁然開朗，破除了對(duì)“科學(xué)”的 迷信。到 1969年，比利時(shí)人研究“第二代”催化劑，活性又提高幾百倍。齊格勒催化劑的出現(xiàn)使部分 高分子材料的合成條件由極限狀態(tài)變成了平常條件， 高分子合成工業(yè)蓬勃發(fā)展。 新的產(chǎn)物和新的工藝層 出不窮，合成了各種特性的塑料 （如聚碳酸酯、聚氨酯、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂等）、熱塑性橡膠、芳綸耐高溫纖維、特種涂料、粘合劑等，從而使高分子材料成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)與日常生活不可或缺的材料。3.8、小結(jié)從歷史的角度看， 20 世紀(jì)之前材料的進(jìn)步不能不說是大量依靠人們的經(jīng)驗(yàn)、技巧和積累。應(yīng)該 說， 這個(gè)過程是很緩慢的。 原因在于人們還沒能夠?qū)Σ牧?/p>

27、在科學(xué)上有深刻的認(rèn)識(shí)和理解，因而也缺乏科學(xué)的指導(dǎo)作用。 因?yàn)椴牧峡茖W(xué)不可能是孤立的 沒有先進(jìn)的自然科學(xué)理論和相關(guān)的先進(jìn)技術(shù) 當(dāng)然也談 不上材料科學(xué)。繼19世紀(jì)熱力學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)原子論的理論成果的三大發(fā)現(xiàn)（x射線、放射性、電子）之后， 20 世紀(jì)的前 30年物理學(xué)革命產(chǎn)生相對(duì)論和量子力學(xué)，這些科學(xué)上的突破成功地揭示了微觀物質(zhì) 世界的基本規(guī)律，加速了人們對(duì)材料的聲、光、電、磁、熱現(xiàn)象以及材料內(nèi)部的結(jié)合鍵、微觀組織、缺 陷的認(rèn)識(shí)。這一切既促使了多種新材料的誕生，也開辟了 20 世紀(jì)下期一系列重大科學(xué)技術(shù)上的突破， 材料和這些重大突破都是息息相關(guān)的， 正是在科學(xué)的引導(dǎo)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動(dòng)的雙重作用下

28、 各種各 樣神奇的新材料層出不窮，也正是這些日新月異的材料構(gòu)成了20世紀(jì)人類新技術(shù)新文明的基礎(chǔ)，4、什么是新型材料？主要有什么特點(diǎn)？新型材料，通常是指對(duì)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及提高綜合國(guó)力有重大推動(dòng)作用的最 新發(fā)展或正在發(fā)展的材料。 這些材料和傳統(tǒng)材料相比具有優(yōu)異的性能和特定的功能， 是發(fā)展信息、 航天、 生物、能源等高技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。新型材料具有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）新型材料是知識(shí)密集、技術(shù)密集、資金密集的一類新興產(chǎn)業(yè)。 新型材料多數(shù)是固體物理、固體化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、冶金學(xué)、陶瓷學(xué)、生物學(xué)及微電子學(xué)等學(xué)科的新成就因此，各國(guó)政府對(duì)新型材料的投資較大，如美國(guó)政府對(duì)納米科技研究的資助2

29、001 年就已經(jīng)達(dá)到5 億美元。目前已經(jīng)增加到 15 億美元；日本從 2001 年起實(shí)施為期 7 年的“納米材料工程”計(jì)劃 ,預(yù)計(jì) 每年的投資額為 50 億日元。 同時(shí)日本通產(chǎn)、 文部和科技三省廳將年投資 330 億日元用于建立 “納米材 料研究中心” 。從事新型材料研制的科技人員 （特別是具有高級(jí)技術(shù)的專家 ）也比從事傳統(tǒng)材料工業(yè)研究 的科技人員的比例要大的多。（2）新型材料的發(fā)展與新技術(shù)密切相關(guān)， 從新型材料的合成與制造來看，往往是利用極端條件或技術(shù)作為必要的手段，如超高壓、超高溫、超高真空、 極低溫、 超高速冷卻及超高純等。 自從出現(xiàn)航天飛機(jī)和空間實(shí)驗(yàn)室之后，在失重條件下制造 新材料已成

30、為可能，有些有特殊要求的材料，如高度完整、無偏析的微電子用的單晶材料已可以制備。20 世紀(jì)中葉，計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)以后，人們才可以依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，對(duì)影響材料的制備和生產(chǎn)流程的若干因素進(jìn)行控制，找到最佳條件，推動(dòng)新型材料的工業(yè)化生產(chǎn)。 20 世紀(jì) 90 年代，隨著放電等離子 燒結(jié)技術(shù)的問世，人們才可以輕松地制備出致密度達(dá)到99%以上的硬質(zhì)合金材料。(3) 新型材料是多種學(xué)科互相交叉和互相滲透的結(jié)果，種類多、更新?lián)Q代快。 一種新型材料的出現(xiàn)往往是多學(xué)科的成果交叉復(fù)合的結(jié)果。如稀土永磁材料的出現(xiàn)是化學(xué)、物理、 冶金、 材料多個(gè)學(xué)科相互滲透的結(jié)果。 各學(xué)科的交叉滲透一方面使新材料層出不窮， 另一方面使

31、新材料 的性能不斷得到提高和完善， 因而材料的更新速度也迅速增加。 如便攜磁盤存貯器， 由于磁性材料的性 能提高，存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)量由上世紀(jì)90年代的 1.44M 發(fā)展到 16M 、 32M 、64M、128M、256M，512M，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有 1G 的 U 盤出售。5、新型材料有那些種類？新型材料有些是從傳統(tǒng)材料發(fā)展而來的； 有些是基礎(chǔ)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果的結(jié)晶； 更多的是根 據(jù)需要而研制出來的主要有以下種類：1、納米材料2、超導(dǎo)材料3、形狀記憶合金4、梯度功能材料5、非晶態(tài)合金材料6、信息材料7、新能源材料8、光學(xué)材料9、新型高分子材料10、新型無機(jī)非金屬材料11、智能材料12、磁性材料

32、13、生物醫(yī)用材料14、環(huán)境材料15、航空材料6、為什么要發(fā)展新型材料？(1) 新型材料能夠促使生產(chǎn)力得到極大的提高，推動(dòng)人類社會(huì)的發(fā)展縱觀人類歷史， 不難看出， 當(dāng)處于特定時(shí)期的人類社會(huì)發(fā)展到一定程度，由于客觀需求增加， 已有 生產(chǎn)力已不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求， 迫切需要提高生產(chǎn)力。 而生產(chǎn)力不但受到生產(chǎn)關(guān)系的影響， 還受到 生產(chǎn)工具等多方面因素的制約。 而新材料的出現(xiàn)總是能迅速融入到生產(chǎn)工具中， 而且還可以引起生產(chǎn)關(guān) 系的變革， 促使生產(chǎn)力的提高， 加速社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，才能滿足社會(huì)的需求。如鋼鐵時(shí)代的到來不但使 鐵制生產(chǎn)工具退居二線， 而且還引起了封建社會(huì)生產(chǎn)關(guān)系的崩潰， 出現(xiàn)了資本主義生產(chǎn)

33、關(guān)系。 這使人類 社會(huì)的生產(chǎn)力有了巨大的飛躍， 社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到快速的發(fā)展。 而 20 世紀(jì) 50 年代以鍺、 硅單晶材料為基礎(chǔ) 的半導(dǎo)體器件和集成電路技術(shù)的突破， 使人類跨入了現(xiàn)代信息社會(huì)， 這對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的提高起了不可估 量的推動(dòng)作用，從而才有今天人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)繁榮。(2) 新型材料是現(xiàn)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ) 現(xiàn)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的發(fā)展離不開新型材料。 現(xiàn)代工業(yè)不僅是直接生產(chǎn)各種材料， 而且也是需要各 種材料最多的領(lǐng)域， 可以形象地把材料比做現(xiàn)代工業(yè)的骨肉。 比如原于能工業(yè)、電子工業(yè)、 海洋開發(fā)產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展， 對(duì)材料提出了更新、 更高的要求： 原子能工業(yè)需要耐輻射和耐腐蝕材料； 電子工業(yè)需要超純、 特薄、特細(xì)、特均勺的電子材料；海洋開發(fā)需要耐腐蝕和耐高壓的材料 。并且，傳統(tǒng)工業(yè)的改造和 技術(shù)進(jìn)步都是以新材料為基礎(chǔ)的。 倘若沒有符合要求的高質(zhì)量的材料作基礎(chǔ)， 便無現(xiàn)代工業(yè)。 工業(yè)是如 此，醫(yī)學(xué)也不例外。 隨著環(huán)境的惡化，病毒的進(jìn)化，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥對(duì)新發(fā)病癥和變異病癥的監(jiān)控和治 療根本無能為力。 如艾滋病毒、 禽流感的變異病毒等， 人類至今還沒找到合適藥物可以將其根治。但是，可以確信隨著納米