材料科技的發(fā)展歷程

人類文明的進步離不開材料。一種新材料的出現(xiàn)，有時會引起生產工具和生產方式的變革，生產力也因此獲得巨大的發(fā)展。近代以前，人類歷史出現(xiàn)了以材料為標志的石器時代、青銅器時代和鐵器時代，近代也有鋼鐵時代、高分子時代的說法，可見材料在人類文明進程中的重要地位。材料的發(fā)展是科學技術發(fā)展的物質基礎，是一切工程建設的基本前提；同時，具有特殊功能的材料的新發(fā)現(xiàn)又大多是物理學、化學、冶金學及有關工程技術綜合研究的結果。材料研究中的革命性發(fā)現(xiàn)和科技革命相伴而行、相輔相成。因此，材料的生產與研制在現(xiàn)代科學技術中的地位極其重要，其數(shù)量、品種和質量已成為衡量國家科學技術和經濟發(fā)展水平的重要依據(jù)。

那些曾經的新材料

新材料是一個相對的概念，是相對于那些已廣泛應用的傳統(tǒng)材料而言的。目前，世界上的材料有成千上萬種，根據(jù)它們的特性大致可分為金屬材料、合成高分子材料和無機非金屬材料三大類。其中，金屬材料包括金、銀、銅、鐵、錫及其合金等；合成高分子材料包括塑料、合成橡膠、纖維等；無機非金屬材料包括單晶硅、玻璃、陶瓷等。這些傳統(tǒng)材料對當時發(fā)生的科技革命和工業(yè)革命都產生了極其重要的影響，至今仍然煥發(fā)著新的生機。

●鋼鐵

鋼鐵曾是一國工業(yè)化的代名詞，世界發(fā)達國家都曾經歷鋼鐵時代。以鋼鐵為代表的金屬材料是國民經濟的重要物質基礎。有了鋼鐵的大發(fā)展，才使得蒸汽機、紡織機械、火車、輪船批量生產，才使得工業(yè)革命的發(fā)生成為可能。19世紀中葉以前，金屬材料主要是鑄鐵、鍛鐵，鋼的產量還不到鐵的產量的1/40。1855年，英國人貝西默發(fā)明了從爐底吹送空氣的“轉爐”，只需十幾分鐘就可以生產大量的鋼，首次解決了大規(guī)模生產液態(tài)鋼的問題。1864年，法國人馬丁發(fā)展了西門子平爐煉鋼法，可大量利用廢鋼、生鐵進行煉鋼，能生產出更多品種、更好質量的鋼。1878年，英國人托馬斯發(fā)明了堿性底吹空氣轉爐煉鋼法，解決了高磷鐵煉鋼問題。

20世紀上半葉，酸性轉爐、平爐、堿性轉爐的發(fā)明與推廣使大規(guī)模生產的鋼材迅速取代了鐵，成為第一次工業(yè)革命的重要支柱。第二次世界大戰(zhàn)以后，高爐煉鐵技術又有了重大進展。1952年，奧地利的林茨廠發(fā)明了堿性頂吹氧氣轉爐，由于具有時間短、占地少、節(jié)省人力物力等優(yōu)點，該技術得到迅速推廣。在此后的二三十年內，該技術不僅全部淘汰了托馬斯轉爐，也使平爐日漸受到冷落，使煉鋼技術跨入一個新的時代。1970年，人們開發(fā)出頂?shù)讖秃洗禑掁D爐，300噸級頂?shù)讖秃洗禑掁D爐只需20分鐘左右便可完成冶煉，其后該項技術在世界各國鋼鐵企業(yè)獲得了廣泛采用，轉爐徹底替代平爐成為主要煉鋼方式。

隨著各種工業(yè)技術的發(fā)展，各種特殊性能的高質量的合金鋼也大量問世。目前，合金鋼已達數(shù)千種，幾乎囊括了所有的金屬元素，此外還包含了碳、氮、硼等少量非金屬元素。1882年，英國人哈德菲爾德研制出錳鋼，被認為是合金鋼發(fā)展史上的里程碑。此后，各種有特殊性能的合金鋼不斷出現(xiàn)，如鎳鋼、不銹鋼、透磁鋼、氮化鋼、鎳鉻合金、銅鎳合金等。1995年，日本發(fā)生的阪神大地震使許多鋼結構建筑毀于一旦，引發(fā)了人們對鋼鐵材料的再思考。1997年，日本提出為期10年的“超級鋼”研究計劃。1998年，中國啟動了新一代超細晶粒鋼研究。2002年，美國啟動了“超細晶粒鋼開發(fā)”計劃。這些研究均旨在通過形變細化、相變細化和第二相析出來大幅提高鋼的強度、抗疲勞性能和低溫韌性，并均已取得了可喜的成果。

超細晶粒鋼是當前汽車用鋼鐵材料的研究熱點，是21世紀先進高性能結構材料的代表。近年來，3D打印技術逐漸應用于實際產品的制造，使用金屬材料的3D打印技術的發(fā)展尤為迅速。目前，應用于3D打印的金屬粉末材料主要有欽合金、鉆鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等，鋼鐵合金粉末材料現(xiàn)已成為打印制造質量的基礎和關鍵。因此，以鋼鐵材料為代表的金屬材料仍有著不可替代的戰(zhàn)略地位。此外，鋁、鎂、鈦及其合金，稀有金屬、稀土元素等金屬材料也占據(jù)著重要地位，在我們的社會生活中發(fā)揮著重要作用。

●高分子合成材料

高分子合成材料是20世紀材料領域的新秀，給人類生活方式帶來了革命性的影響。與絲、棉、毛紡織、皮革等天然高分子材料不同，高分子合成材料主要指橡膠、塑料、纖維、薄膜、涂料等。高分子合成材料及其應用技術發(fā)端于20世紀20年代，成熟于70年代，在不到50年的發(fā)展過程中在許多領域取代了鋼材、木材和棉花。據(jù)不完全統(tǒng)計，至70年代末，合成橡膠的產量已經達到天然橡膠產量的2倍，塑料在結構材料中占到了22%，工程塑料已有取代鋼鐵之勢。

高分子合成材料的發(fā)展可以說是科研與生產密切結合的典范。高分子科學的建立和發(fā)展為高分子合成材料的發(fā)展奠定了理論基礎。1920年，德國化學家施陶丁格在《德國化學會會志》上發(fā)表了關于聚合反應的論文，首次提出聚苯乙烯、聚甲醛、天然橡膠上有線性長鏈的價鍵結構式。兩年后，他明確提出了高聚物是長鏈大分子結構的概念。1926年，在德國化學年會上，施陶丁格的高分子理論得到了與會者認同。1932年，施陶丁格出版了劃時代巨著《高分子有機化合物》，標志著高分子合成化學正式創(chuàng)立。在施陶丁格理論的影響下，高分子合成材料的研發(fā)得到迅速發(fā)展，1927年有機玻璃研制成功，1928年合成聚氯乙烯塑料，1930年研制出聚苯乙烯塑料。此后，塑料被廣泛應用到人類生活的方方面面，可以稱得上是20世紀人類最為重要的發(fā)明。1935年，美國化學家卡羅瑟斯發(fā)現(xiàn)了縮合聚合規(guī)律，直接促使他發(fā)明了尼龍。1939年，德國研制出錦綸。1940年，英國合成了滌綸。第二次世界大戰(zhàn)期間，橡膠、尼龍等合成高分子材料作為軍用物資，備受重視。1942年，德國人萊因與美國人萊瑟姆幾乎同時發(fā)現(xiàn)了二甲基甲酰胺溶劑，并成功地得到了聚丙烯腈纖維，即腈綸。1953年，德國化學家齊格勒發(fā)明了四氯化鈦—二乙基鋁催化體系，并合成了聚乙烯和聚丙烯，使高分子合成工業(yè)的發(fā)展又邁向了一個新的階段。1955年，美國人合成了結構與天然橡膠一致的聚異戊二烯，同年合成順丁橡膠并投產。1960年，美國科學家貝肯在《應用物理雜志》（Journal of Applied Physics）上發(fā)表了關于石墨晶須的文章，成為高性能碳纖維技術基礎研究史上的一個里程碑。他認為，石墨晶須是石墨聚合物，是一種純粹的碳形式，原子被排列在六角形的片體中，是卷起來的石墨片層。

總之，20世紀五六十年代，高分子科學已相當成熟，極大地促進了橡膠、塑料、纖維的工業(yè)發(fā)展，改變了人們的衣食住行。70年代后，高分子科學進入一個新的發(fā)展時期，出現(xiàn)一些具有特殊功能的高分子材料，如用于集成電路光刻工藝的高分子感光膠，以及高分子導電、半導體、發(fā)光、壓電、熱電、功能膜、生物醫(yī)學材料等。值得一提的是，在這個時期，美國人辛格獲得了石墨纖維及其制造工藝的專利，日本東麗工業(yè)公司開發(fā)了性能極優(yōu)異的聚丙烯腈基碳纖維，占據(jù)了碳纖維技術的領導地位。由于碳纖維質量小，動力消耗少，可節(jié)約大量燃料而被應用在火箭、導彈和高速飛行器等航空航天領域。目前，碳纖維作為新興材料正由成長期進入快速應用期，預計在工業(yè)領域應用將占70%，在休閑娛樂等領域應用將占15%～30%。

●半導體材料

半導體材料的出現(xiàn)開啟了第三次科技革命的浪潮，使人類社會邁進了電子信息時代。半導體是20世紀40年代發(fā)現(xiàn)的新型無機非金屬材料。第一代半導體材料為元素半導體，鍺和硅鍺是最早用來制造晶體管的半導體材料。由于硅材料具有優(yōu)良的半導體電學性能，因此，絕大多數(shù)半導體器件都是在單晶片或在硅襯底的外延片上制作的，在半導體工業(yè)發(fā)展初期其他材料就逐漸為硅材料所取代。到目前為止，硅仍是制造二極管、晶體管和集成電路等這些器件的最主要材料。1947年，美國貝爾實驗室的肖克利研制成功了第一只點接觸晶體管。1954年，貝爾實驗室使用800支晶體管組裝成功人類有史以來第一臺晶體管計算機TRADIC，使晶體管步入集成電路時代?？梢哉f，硅材料的發(fā)現(xiàn)和使用使計算機發(fā)生了一場“革命”，極大地促進了計算機的更新?lián)Q代。迄今，以硅為基質的半導體集成電路已經發(fā)展到超大規(guī)模集成和超高速集成以及三維多層集成的新階段。

第二代半導體材料是化合物半導體，主要有砷化鎵和磷化鎵等。由于砷化鎵具有電子遷移率高等優(yōu)異的物理性質，目前被廣泛應用于軍事設施、激光器探測器、高速器件、微波二極管中。

第三代半導體材料為寬禁帶半導體材料，主要有碳化硅、金剛石和氮化鎵等。由于碳化硅禁帶寬度在3 eV以上，工作溫度可以很高，可以在600℃下工作，常用于制作耐高溫、抗輻射的半導體和高密度集成的電子器件，被廣泛用在石油鉆探、航空航天等領域。20世紀70年代初，石英光導纖維材料和砷化鎵激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術產業(yè)，使人類進入了信息時代。70年代初期，美國IBM實驗室的著名物理學家江崎與華裔科學家朱兆祥，基于試圖人為地控制半導體中電子的勢分布與波函數(shù)的設想，首次提出半導體超晶格的新概念。與此同時，美國貝爾實驗室和IBM公司制成了第一類晶格匹配的組分型超晶格，開創(chuàng)了具有一維量子封閉性的半導體超晶格與量子阱研究的新局面，標志著半導體材料的發(fā)展開始進入人工設計的新時代。這個階段的突出特點是低維化，即當材料特征尺寸在某一維度小于電子平均自由程時，電子能量將不再是連續(xù)的而是量子化的，如超晶格、量子阱、量子線、量子點與納米晶粒等低維半導體材料。用低維材料制作的納米器件可實現(xiàn)單電子或數(shù)個電子的量子調控，將大幅提升集成度，降低功耗。

低維半導體材料的出現(xiàn)，使半導體器件的設計與制備從“雜質工程”跨越到“能帶工程”，現(xiàn)在這些低維半導體材料已被廣泛應用于光通信、移動通信、微波通信中而成為新的發(fā)展方向。1986年，德國科學家柏諾茲和瑞士科學家穆勒發(fā)現(xiàn)了新的金屬氧化物超導材料即鋇鑭銅氧化物。銅酸鹽高溫超導體的發(fā)現(xiàn)是自1911年荷蘭物理學家昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞的超導材性以來的一次重大突破，打開了混合金屬氧化物超導體的研究方向，促使了一系列新型奇異超導體的發(fā)現(xiàn)。目前，超導成為世界材料科技研究的前沿領域，市場前景廣闊。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家杰姆、諾沃消洛夫從石墨中分離出由碳原子構成的單層片狀結構新材料——石墨烯，其具有非同尋常的導電性、導熱性、高電子遷移率、超出鋼鐵數(shù)十倍的強度、極好的透光性和卷曲柔性。在不遠的將來，石墨烯器件有望替代互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件，被廣泛應用在納電子器件、光電化學電池、超輕型飛機材料等領域，可能會給半導體材料與器件帶來一場新的革命。

材料科學的融合發(fā)展

各種分門別類材料學的發(fā)展，如涓涓細流，終匯成以現(xiàn)代科學為基礎的全材料學科——材料科學與工程學科。一門學科的建立或形成并不取決于某些學者的意志與愛好，而是取決于生產生活的需要。一般來說，隨著專業(yè)人才的不斷增多和人類認識的不斷深化，專業(yè)化研究機構的出現(xiàn)，交流機制的形成，一門學科才算真正地建立起來。材料科學與工程學科的建立結束了材料發(fā)展的混沌狀態(tài)，使科學、技術與工程徹底結合起來。

●材料加工技術的發(fā)展

材料加工技術的發(fā)展加深了人們對材料宏觀性能的認識。人類最早使用的是天然材料，利用木材、石頭、泥土、礦石及家畜產品以應對當時一般的生產和低水平生活的需要。在生產實踐中，人們逐步積累了一些材料加工技術。大約從公元前4000年開始，人類從漫長的石器時代進入青銅器時代，出現(xiàn)了銅的熔煉技術和鑄造技術，人類開始掌握對自然資源進行加工的技術。公元前1400年至公元前1350年，開始出現(xiàn)以大規(guī)模煉鐵技術和鍛造技術為代表的材料加工技術，人類進入鐵器時代。從公元1500年到20世紀初，隨著科學技術的進步，人們對多數(shù)材料的強度、硬度、傳熱性、導電性、透光性、耐腐蝕性等宏觀性能有了較多的知識，積累了更多的材料加工方法。受產業(yè)革命的影響，以鋼鐵為代表的金屬材料的社會需求驟增，同時對鋼材的抗壓、高強度、高韌性和抗腐蝕性的要求也日益提高，使冶金技術在19世紀下半葉發(fā)生了重大變革，高爐技術和金屬精煉日漸成熟，具有各種特殊性能和功能的合金鋼也應運而生。水泥生產是19世紀開創(chuàng)的又一重要的材料工業(yè)，它以石頭、煤炭為基本原料，與鋼材、玻璃相配合，使建筑技術發(fā)生了大變革。從20世紀初到20世紀后期，有機高分子材料的出現(xiàn)與發(fā)展，使材料的品種面貌發(fā)生了很大的改觀，半導體材料和多種功能性材料的發(fā)現(xiàn)和研制促進了許多新興工業(yè)的發(fā)展，陶瓷制品生產的機械化大大提高人類的生產能力。

總之，材料合成技術的發(fā)展使材料的應用領域變得更加廣泛。據(jù)統(tǒng)計，截至1976年，全世界的材料品種有25萬種，年增長率為5%。從20世紀后期至今，材料加工技術呈現(xiàn)出兩個特征：一是按照使用要求來設計材料的性能，實現(xiàn)性能設計與制備加工工藝設計的一體化；二是在材料設計、制備、成型與加工處理的全過程中，對材料的組織性能和形狀尺寸實行精確控制。而實現(xiàn)第二個特征則要求計算機模擬與仿真技術的高度發(fā)展和材料數(shù)據(jù)庫的高度完備，這也是當前材料加工技術的重要發(fā)展方向。

●基礎科學的發(fā)展

基礎科學的發(fā)展加深了人們對材料微觀結構的認識?；瘜W家很早就建立起由于所含元素不同而性能各異的概念。1863年，英國地質礦物學家索比在顯微鏡下觀察金屬表面，發(fā)現(xiàn)了金屬的顯微結構，開啟了金屬結構同金屬拉力、延展性及其他性能的關系研究。1887年，荷蘭化學家羅澤布姆開始用相律研究合金的性質。1903年，德國物理化學家塔曼開始研究冶煉中的物質平衡、熱平衡及爐內氣體運動規(guī)律。1911年，丹麥物理學家玻爾建立了原子結構理論。1916年，美國化學家路易斯建立化學鍵的電子理論。量子力學、電子衍射、中子衍射、光譜理論、電子成像理論、X射線成像理論等的發(fā)展，使材料微觀分析技術逐步完善，成為一個相互交錯、相輔相成的體系。

20世紀，物理學、化學的發(fā)展使研究深入到材料的晶體結構、分子結構、原子結構等微觀的基本結構中。人們除了研究材料的強度、硬度、彈性、疲勞、蠕變等力學性能為主的材料力學之外，也對各種材料的結構與性能之間的關系進行深入研究，并取得許多重要成果。例如，1912年通過X射線衍射法，人們獲知了金剛石是正四面體晶體結構，而石墨是平面的六邊形晶體結構。在這種認識的基礎上，1955年美國通用電氣公司實驗室終于將石墨變成了金剛石。各類材料的本質揭示，有效指導了改善材料性能的途徑、研制方法及其加工技術。此外，雜質對材料性能的影響也越來越受到人們的重視，從而使各種材料生產工藝得到很大的改進。

因此，從19世紀后半葉到20世紀，由于人類對材料宏觀性能、微觀結構及其關系研究的加深，所以各種分門別類的材料學先后建立起來，例如以材料化學成分劃分的金屬材料、陶瓷材料、高分子合成材料等，以材料功能劃分的建筑材料、汽車工業(yè)材料、電力工業(yè)材料、電子工業(yè)材料、航空工業(yè)材料、半導體材料、原子反應堆材料、計算機材料、超導材料等。其中，最早獨立成為一門學科的是金相學。1863年，英國地質礦物學家索比首次用顯微鏡觀察經拋光并蝕刻的鋼鐵試片，從而揭開了金相學的序幕。1903年，專業(yè)的金相學家開始出現(xiàn)。1910年，德國柏林工業(yè)大學開始開設金相學講座。1911年，《國際金相學雜志》誕生，其后一些專著陸續(xù)出版，標志著金相學的正式形成。其他材料學科建立亦大致如此。

●全材料科學

各門材料學科逐步走向具有共同理論技術基礎的全材料科學。20世紀40年代，固體物理與工程兩學科聯(lián)系并不緊密，之后，兩學科才開始有交叉。1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星，這使得美國朝野震驚，認為美國落后的主要原因之一是先進材料的研究應用不夠。于是，美國在50年代末、60年代初興起了材料科學研究熱，并陸續(xù)提出“材料科學”“材料科學與工程”等概念。這時，以材料科學命名的期刊和專著也逐漸出現(xiàn)，許多大學開始設立材料科學的課程，甚至直接建立材料科學系，人們開始從總體上研究材料的種類、功能、基本結構和性能之間的關系，以及研制新材料的共同理論基礎。

研究表明，盡管材料的種類繁多，但是材料的性能則是由其原子結構、分子結構、晶體結構等微觀結構決定的，存在著統(tǒng)一性和一定的規(guī)律性。因此，研究各種不同性能的材料學、材料力學和研究材料基本結構與理論就統(tǒng)一起來，形成了全材料科學，這標志著各種分門別類材料學已進入以現(xiàn)代科學為基礎的材料科學新階段。70年代，材料科學與工程作為大學學科已逐步為科技界和教育界所接受。歐美等國家的許多大學開始把冶金、機械或化工等與材料有關的系或相關專業(yè)改設為“材料科學與工程系”“材料科學系”“材料工學系”，甚至直接建立材料科學系?？梢哉f，到了80年代，材料科學與工程作為一級學科已經形成。

國內外新材料的發(fā)展方向

歷史表明，材料研究與應用水平已成為人類文明進步和國家競爭力的基礎，材料的創(chuàng)新始終支撐、引領著技術發(fā)展與產業(yè)變革。因此，基于材料科技和產業(yè)的基礎性和戰(zhàn)略性，美國、歐盟、日本和中國都把材料發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略。2011年，美國總統(tǒng)奧巴馬提出了“材料基因組計劃”，其核心內容是構建高通量材料計算平臺、高通量材料制備與檢測平臺、材料數(shù)據(jù)庫等新材料創(chuàng)新基礎設施，試圖改變多年來材料界形成的一家一戶式的封閉型工作方式，培育開放、協(xié)作的新型合作模式，以達到通過理論模擬和計算完成先進材料的“按需設計”和實現(xiàn)全程數(shù)字化制造的目的。同年，歐盟啟動了第7框架項目“加速冶金學”，目標對準了輕量、高溫、高溫超導、熱電、磁性及熱磁、相變記憶存儲6類高性能合金材料。2014年，歐洲科學基金會啟動了一項為期7年的“冶金歐洲”項目，主要內容包括超導合金、高效率電源線、新型熱電材料，用于生產塑料和藥物的新催化劑，生物兼容金屬及高強度的磁系統(tǒng)。日本在國際競爭中能夠長期處于領先地位，也得益于其強大的材料科技，特別是在半導體材料、電子材料、碳纖維復合材料及特種鋼等領域取得的成就。2010年，日本政府發(fā)布的《日本產業(yè)結構展望2010》將高溫超導、納米技術、功能化學、碳纖維、信息技術等在內的10大尖端新材料技術及產業(yè)作為新材料產業(yè)未來發(fā)展的主要領域。2016年，日本“第五期科學技術基本計劃”把納米技術與材料作為技術創(chuàng)新的核心，并注重對已有材料的性能提高、合理利用及回收再生。中國在“十二五”期間把特種金屬功能材料、高端金屬結構材料、先進高分子材料、新型無機非金屬材料、高性能復合材料和前沿新材料等這6大領域確定為發(fā)展重點?！笆濉逼陂g在前沿新材料中把石墨烯、金屬及高分子增材制造材料，形狀記憶合金、自修復材料、智能仿生與超材料，液態(tài)金屬、新型低溫超導及低成本高溫超導材料作為重點。