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材料科学科普:《中国材料工程大典》

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导读:原文是师昌绪老师写的《材料科学与工程的提出与内涵》,读后获益良多。由于文章篇幅过长,总结了一个浓缩精华版。

《中国材料工程大典》简介:

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它是关于材料制备和测试、材料成形与加工工程的大型工具书,由中国机械工程学会、中国材料研究学会组织编写,中国科学院路甬祥院长担任编委会主任,师昌绪院士等做顾问, 39位院士、1200余位专家教授共同执笔。

《中国材料工程大典》共26卷,近7000万字,是我国当前规模最大、内容最全面的材料工程工具书。

主编:中国机械工程学会、中国材料研究学会、中国材料工程大典编委会

参编:中国金属学会、中国化工学会、中国硅酸盐学会、中国有色金属学会、中国复合材料学会

支持单位:中华人民共和国科学技术部、国防科学技术工业委员会、国家自然科学基金委员会、中国科学技术协会

 

文章如下:

材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质,但不是所有物质都可以称为材料,如食物和药物,一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格,如炸药、固体火箭推进剂,一般称之为“含能材料”,因为它属于火炮或火箭的组成部分。

 

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。

20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。

 

材料具有多样性。

从物理化学属性来分,可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料组成的复合材料。

从用途来分,又分为电子材料、航天航空材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。

更常见的两种分类方法则是结构材料与功能材料,传统材料(基础材料)与新型材料。

 

结构材料是以力学性能为基础,以制造受力构件所用材料,当然,结构材料对物理或化学性能也有一定要求,如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。

功能材料则主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。一种材料往往既是结构材料又是功能材料,如铁、铜、铝等。

传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料,如钢铁、水泥、塑料等。这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛,又是很多支柱产业的基础,所以又称为基础材料。

新型材料是指那些正在发展,且具有优异性能和应用前景的一类材料。新型材料与传统材料之间并没有明显的界限,传统材料通过采用新技术,提高技术含量,提髙性能,大幅度增加附加值而成为新型材料;新型材料在经过长期生产与应用之后也成为传统材料。

1 材料是人类社会进步的里程碑

纵观人类发现材料和利用材料的历史,每一种重要材料的发现和广泛利用,都会给社会生产力和人类生活水平带来巨大的变化,把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。

 

以结构材料为主线,概述了材料的发展历史。可以看出,自19世纪中叶现代炼钢技术出现以后,金属材料的重要性急剧增加,一直到20世纪中叶,人工合成有机材料、陶瓷材料及先进复合材料迅速发展,金属材料的重要性逐渐下降,但一直到21世纪上半叶,金属材料仍将占重要位置。

功能材料自古就受到重视,早在战国(公元前3世纪)已利用天然磁铁矿来制造司南,到宋代用钢针磁化制出了罗盘,为航海的发展提供了关键技术。功能材料是信息技术及自动化的基础,特别是半导体材料出现以后,加速了现代文明的发展。1947年发明了第一只具有放大作用的晶体管,10余年后又研制成功集成电路,使以硅材料为主体的计算机的功能不断提髙,体积不断缩小,价格不断下降,加之高性能的磁性材料不断涌现,激光材料与光导纤维的问世,使人类社会进人了信息时代。因为硅是微电子技术的关键材料,所以有人称之为硅器件为代表的“硅材料时代”,再一次说明材料对人类文明起了关键的作用。

2 材料科学的形成与内涵

“材料”是早已存在的名词,但“材料科学”的提出只是20世纪60年代初的事。1957年苏联人造卫星上天,美国震惊,认为自己落后的主要原因之一是先进材料落后,于是成立了十余个材料科学研究中心。采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深人的研究。从此,“材料科学”这个名词便开始流行。

“材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果。

首先,固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展,为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。

其次,在材料科学这个名词出现以前,金属材料、高分子材料与陶瓷材料都已自成体系,目前复合材料也获得广泛应用,其研究也逐步深入。但它们之间存在着颇多相似之处,对不同类型材料的研究可以相互借鉴,从而促进学科的发展。

最后,许多不同类型的材料可以相互替代和补充,能更充分发挥各种材料的优越性,达到物尽其用的目的。但长期以来,金属、高分子及无机非金属材料自成体系,缺乏沟通。由于互不了解,不利于发展创新,对复合材料的发展也极不利。

尽管从材料发展需要和共性来看,有必要形成一门材料科学,但是由于各类材料的学科基础不同,还存在不小的分歧,特别是无机材料与有机材料之间分歧较大,但由于软物质科学的崛起,还可以软硬兼顾,互相借鉴。

材料科学所包括的内容往往被理解为研究材料的组织、结构与性质的关系,探索自然规律,这属于基础研究。实际上,材料是面向实际、为经济建设服务的,是一门应用科学,研究与发展材料的目的在于应用,而材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来,通过批量生产才能成为工程材料。所以,在“材料科学”这个名词出现后不久,就提出了“材料科学与工程”。

换言之,材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。因而把组成与结构(composition-structure)、合成与生产过程(synthesis-processing)、性质(properties)及使用效能(performance)称之为材料科学与工程的四个基本要素(basicelements)。把四要素连结在一起,便形成一个四面体(tetrahedron)。考虑在四要素中的组成/结构并非同义词,即相同成分或组成通过不同的合成或加工方法,可以得出不同结构,从而材料的性质或使用效能都不会相同。因此,师昌绪提出一个五个基本要素的模型,即成分(composition)、合成/加工(synthesis/processing)、结构(structure)、性质(properties)和使用效能(performance)。如果把它们连接起来,则形成一个六面体(hexahedron)。

3 先进材料是社会现代化的先导

3.1电子技术的发展

从电子技术的发展可以看出材料所起的作用。随着芯片集成度的不断提高,单元体积和价格不断下降,芯片发展历程及与硅晶片尺寸的关系。可以看出,40年间(1958~1998年),芯片集成度提髙了一百万倍,每单元价格下降到一百万分之一,由于芯片密度的大幅度提高,用以制造计算机的性能大为提高,如20世纪末计算机的计算速度已逾每秒万亿次。计算机是工业自动化的关键,计算机控制的精度决定于传感器的敏感程度。因此,高精度、高灵敏度、性能稳定的各种类型的敏感材料便成为关键。

3.2光纤通信的诞生

1966年高琨提出当光纤传输的损耗小于20dB/km时可实现光通信。1970年采用石英掺杂氧化锗等,达到了这一指标,而后光纤通信比集成电路发展更快,代替了同轴电缆。因为其信息容量比同轴电缆大几个量级,而且质量轻,消耗原材料少,保密性强,又抗电磁干扰,所以几十年来,从连接各个大陆的海底电缆到很多家庭,都遍布了光缆,成为现代信息高速公路与信息网络化的重要组成部分。

3.3航空航天技术的进步

21世纪全球经济的一体化,一靠信息网络的大发展,形成全球性的电子商业;二是运输工具的高效、远程、大容量。前者是电子及光电技术发展的结果,后者是航空技术与水上、地面运输工具不断改进的结果,这些都与材料有着密切联系。

以飞机而论,由于战争的需要,20世纪40年代出现了喷气技术,这种技术的实现是以髙温材料及高性能结构材料为依托的。髙温合金的发展,使涡轮前温度不断提高;高比强度、高比刚度结构材料的不断进步,使今天大型客机的安全性及有效载荷大为提髙,续航时间不断延长,飞机发动机寿命显著延长,油耗不断下降。

从以上几个方面说明,材料,特别是先进材料与现代文明的关系十分密切,而且先进材料是先进技术的先导。没有半导体和其他功能材料,就不会有今天的信息社会,没有高温和超高温材料及髙比强度、髙比刚度材料,就不会有今天的航空航天技术,从而全球经济的一体化、人类社会的频繁往来就会发生很大困难。

4 传统材料(基础材料)在国民经济中的地位与可持续发展

谈到传统材料往往和“夕阳工业”联系在一起。实际上传统材料与国民经济支柱产业是密不可分的。钢铁曾经是衡量一个国家实力的重要标志,

今天在一些工业发达国家也仍把钢铁视为支柱产业,因为钢有不可代替的优良性能,其价格又十分低廉,表1.1-2为一些结构材料的价格与其比强度的关系。钢的价格与比强度的比值仅高于木材,而比任何其他材料都低。同时根据多年统计结果,很多机械产品和材料的价格都在上涨,而钢的价格由于其工艺的不断改进、降低能耗和提高劳动生产率而长期未上涨。

 

表1.1-2 一些结构材料的价格与其比强度的关系

材料 水泥 木材
比强度 5.2 11.1 13.3 0.8 12.5
价格/比强度(相对值) 1 3.0 16.7 6.4 0.8

 

建筑行业在任何一个国家都被视为支柱产业,建筑材料是建筑行业的重要组成部分。它涉及人民生活的提高,量大面广。水泥、玻璃、木材以及砖、瓦、石材等属于传统产业。

汽车工业在很多国家也被视为支柱产业,但是所用材料中钢、铁、铝、塑料及玻璃等占了汽车用结构材料的90%〜95%。人工合成纤维、树脂、塑料、橡胶在国民经济中占有非常重要位置,而且逐年增加,这都属于传统产业。此外,机械制造、造船、机车等莫不是以钢铁及其他传统材料为基础的,所以说传统材料是国民经济的基础,不能稍有忽视。

 

另外,传统材料有以下几个特点。

1)传统材料量大面广。

2)传统材料是矿产资源消耗大户。

3)传统材料在制备过程中污染严重。

 

5 材料科学技术发展的重点

5.1材料制备工艺与技术的开发

任何一种新材料从发现到应用于实际,必须经过适宜的制备工艺才能成为工程材料。高温超导自1986年发现以后到20世纪末,已有15年的历史,但仍不能普遍应用于电力工业,主要是因为没有找到价廉而稳定的生产线材的工艺。

材料的现代制备工艺或技术往往与极端条件密切相联,如利用空间失重条件进行晶体生长,可得出无偏析或低偏析的材料;强磁场、强冲击波、超高压、超高真空以及强制快冷等都可能成为改进材料性能的有效手段。

 

5.2材料的应用研究与开发

材料的广泛应用是材料科学技术发展的主要动力,实验研究出来的具有优异性能的材料不等于具有实用价值,必须通过大量应用研究,才能发挥其应有的作用。这里对材料的应用问题稍加讨论,如此对材料有一个比较全面的了解。

材料的应用要考虑以下几个因素:

一是材料的使用性能(perfomiance);

二是使用寿命(durability)及可靠性(reliability);

三是环境适应性(environmentalcompliance),包括生产过程与使用期间;

四是价格(cost)。

 

5.3开发先进材料,发展离技术产业

当今是高技术主宰着社会,一方面高技术促进社会的发展,又是国防安全的保证,另一方面高技术是传统产业改造和发展支柱产业不可或缺的组成部分,而先进材料又是高技术的先导和基础,所以开发先进材料必须受到髙度重视。根据目前情况,先进材料的重点有以下几个方面。

1)信息功能材料将得到更高的重视人类已进人信息时代,为了实现装置的小型化、低功耗、多功能化和智能化,信息功能材料将受到更高的重视。

2)先进结构材料的研究与开发是永恒的主题结构材料一般数量大,资源与能源消耗髙,污染严重,对可持续发展有决定作用。

3)能源材料的开发有广阔的前景能源的利用是人类进步的标志之一。目前化石燃料一是储量有限,二是污染严重,必须大力开发无污染、可再生能源。

4)有机髙分子材料将有更大发展有机高分子材料以其可再生,资源丰富,又有优异性能,特别可实现分子设计,将会更大发展。

5)生物材料将受到更大的重视随着生物技术的发展及人类寿命的延长与生活质量的提高,生物医用材料已成为人们非常关注的领域,人的器官更换、药物缓释及组织工程的发展将逐步深人。

6)纳米材料及制备技术的研究与开发迫在眉睫当物质到纳米尺度时,由于其尺寸效应、晶界效应和量子效应等,材料显示出奇特的物理、化学性能,或其生物功能有明显改变,利用这一效应可大幅度提髙结构材料的强度,改善其脆性。

 

5.4材料设计

材料通过设计而得到所需要的性能是材料科学技术工作者的奋斗目标。材料的研制从以经验为主过渡到以科学设计为主,从而进人“设计材料”(materials by design)时代。材料设计的概念始于20世纪80年代初,随着有关学科的发展,设计材料愈来愈受到重视。材料设计可以分为几个层次,

最基础的是量子设计(quantum design)。这是由于电子运动而引起的多种现象,如光学,这是功能材料的基础。

其次为原子设计(atomic design),这是纳米技术的基础。原子排列是决定材料力学性质与化学性质的基础,原子操纵可能是下一代芯片的一种技术。

第三个层次是微观设计(micro-design),即微米级结构的设计,金属的相变、晶界的控制都属于这一范畴。

第四个层次是宏观设计(macro-design),以毫米到厘米为对象,像金属在凝固过程的结构与偏析便属于此。

 

5.5科学仪器与检测装置

科学技术的发展很大程度上依赖于新科学仪器的不断发明和性能的不断提高,以物理学诺贝尔奖金获得者为例,大约有半数得益于新仪器的发明或新测试手段的采用。工业产品质量的改进往往取决于检测装置精度的提髙。所以工业发达国家对科学仪器与检测装置的开发与制造都给以足够的重视。

 

来源:NDT新生(NDTxinsheng)。作者:胡宏宇

 

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