材料科技的发展历程

人类文明的进步离不开材料。一种新材料的出现，有时会引起生产工具和生产方式的变革，生产力也因此获得巨大的发展。近代以前，人类历史出现了以材料为标志的石器时代、青铜器时代和铁器时代，近代也有钢铁时代、高分子时代的说法，可见材料在人类文明进程中的重要地位。材料的发展是科学技术发展的物质基础，是一切工程建设的基本前提；同时，具有特殊功能的材料的新发现又大多是物理学、化学、冶金学及有关工程技术综合研究的结果。材料研究中的革命性发现和科技革命相伴而行、相辅相成。因此，材料的生产与研制在现代科学技术中的地位极其重要，其数量、品种和质量已成为衡量国家科学技术和经济发展水平的重要依据。

那些曾经的新材料

新材料是一个相对的概念，是相对于那些已广泛应用的传统材料而言的。目前，世界上的材料有成千上万种，根据它们的特性大致可分为金属材料、合成高分子材料和无机非金属材料三大类。其中，金属材料包括金、银、铜、铁、锡及其合金等；合成高分子材料包括塑料、合成橡胶、纤维等；无机非金属材料包括单晶硅、玻璃、陶瓷等。这些传统材料对当时发生的科技革命和工业革命都产生了极其重要的影响，至今仍然焕发着新的生机。

●钢铁

钢铁曾是一国工业化的代名词，世界发达国家都曾经历钢铁时代。以钢铁为代表的金属材料是国民经济的重要物质基础。有了钢铁的大发展，才使得蒸汽机、纺织机械、火车、轮船批量生产，才使得工业革命的发生成为可能。19世纪中叶以前，金属材料主要是铸铁、锻铁，钢的产量还不到铁的产量的1/40。1855年，英国人贝西默发明了从炉底吹送空气的“转炉”，只需十几分钟就可以生产大量的钢，首次解决了大规模生产液态钢的问题。1864年，法国人马丁发展了西门子平炉炼钢法，可大量利用废钢、生铁进行炼钢，能生产出更多品种、更好质量的钢。1878年，英国人托马斯发明了碱性底吹空气转炉炼钢法，解决了高磷铁炼钢问题。

20世纪上半叶，酸性转炉、平炉、碱性转炉的发明与推广使大规模生产的钢材迅速取代了铁，成为第一次工业革命的重要支柱。第二次世界大战以后，高炉炼铁技术又有了重大进展。1952年，奥地利的林茨厂发明了碱性顶吹氧气转炉，由于具有时间短、占地少、节省人力物力等优点，该技术得到迅速推广。在此后的二三十年内，该技术不仅全部淘汰了托马斯转炉，也使平炉日渐受到冷落，使炼钢技术跨入一个新的时代。1970年，人们开发出顶底复合吹炼转炉，300吨级顶底复合吹炼转炉只需20分钟左右便可完成冶炼，其后该项技术在世界各国钢铁企业获得了广泛采用，转炉彻底替代平炉成为主要炼钢方式。

随着各种工业技术的发展，各种特殊性能的高质量的合金钢也大量问世。目前，合金钢已达数千种，几乎囊括了所有的金属元素，此外还包含了碳、氮、硼等少量非金属元素。1882年，英国人哈德菲尔德研制出锰钢，被认为是合金钢发展史上的里程碑。此后，各种有特殊性能的合金钢不断出现，如镍钢、不锈钢、透磁钢、氮化钢、镍铬合金、铜镍合金等。1995年，日本发生的阪神大地震使许多钢结构建筑毁于一旦，引发了人们对钢铁材料的再思考。1997年，日本提出为期10年的“超级钢”研究计划。1998年，中国启动了新一代超细晶粒钢研究。2002年，美国启动了“超细晶粒钢开发”计划。这些研究均旨在通过形变细化、相变细化和第二相析出来大幅提高钢的强度、抗疲劳性能和低温韧性，并均已取得了可喜的成果。

超细晶粒钢是当前汽车用钢铁材料的研究热点，是21世纪先进高性能结构材料的代表。近年来，3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造，使用金属材料的3D打印技术的发展尤为迅速。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钦合金、钻铬合金、不锈钢和铝合金材料等，钢铁合金粉末材料现已成为打印制造质量的基础和关键。因此，以钢铁材料为代表的金属材料仍有着不可替代的战略地位。此外，铝、镁、钛及其合金，稀有金属、稀土元素等金属材料也占据着重要地位，在我们的社会生活中发挥着重要作用。

●高分子合成材料

高分子合成材料是20世纪材料领域的新秀，给人类生活方式带来了革命性的影响。与丝、棉、毛纺织、皮革等天然高分子材料不同，高分子合成材料主要指橡胶、塑料、纤维、薄膜、涂料等。高分子合成材料及其应用技术发端于20世纪20年代，成熟于70年代，在不到50年的发展过程中在许多领域取代了钢材、木材和棉花。据不完全统计，至70年代末，合成橡胶的产量已经达到天然橡胶产量的2倍，塑料在结构材料中占到了22%，工程塑料已有取代钢铁之势。

高分子合成材料的发展可以说是科研与生产密切结合的典范。高分子科学的建立和发展为高分子合成材料的发展奠定了理论基础。1920年，德国化学家施陶丁格在《德国化学会会志》上发表了关于聚合反应的论文，首次提出聚苯乙烯、聚甲醛、天然橡胶上有线性长链的价键结构式。两年后，他明确提出了高聚物是长链大分子结构的概念。1926年，在德国化学年会上，施陶丁格的高分子理论得到了与会者认同。1932年，施陶丁格出版了划时代巨著《高分子有机化合物》，标志着高分子合成化学正式创立。在施陶丁格理论的影响下，高分子合成材料的研发得到迅速发展，1927年有机玻璃研制成功，1928年合成聚氯乙烯塑料，1930年研制出聚苯乙烯塑料。此后，塑料被广泛应用到人类生活的方方面面，可以称得上是20世纪人类最为重要的发明。1935年，美国化学家卡罗瑟斯发现了缩合聚合规律，直接促使他发明了尼龙。1939年，德国研制出锦纶。1940年，英国合成了涤纶。第二次世界大战期间，橡胶、尼龙等合成高分子材料作为军用物资，备受重视。1942年，德国人莱因与美国人莱瑟姆几乎同时发现了二甲基甲酰胺溶剂，并成功地得到了聚丙烯腈纤维，即腈纶。1953年，德国化学家齐格勒发明了四氯化钛—二乙基铝催化体系，并合成了聚乙烯和聚丙烯，使高分子合成工业的发展又迈向了一个新的阶段。1955年，美国人合成了结构与天然橡胶一致的聚异戊二烯，同年合成顺丁橡胶并投产。1960年，美国科学家贝肯在《应用物理杂志》（Journal of Applied Physics）上发表了关于石墨晶须的文章，成为高性能碳纤维技术基础研究史上的一个里程碑。他认为，石墨晶须是石墨聚合物，是一种纯粹的碳形式，原子被排列在六角形的片体中，是卷起来的石墨片层。

总之，20世纪五六十年代，高分子科学已相当成熟，极大地促进了橡胶、塑料、纤维的工业发展，改变了人们的衣食住行。70年代后，高分子科学进入一个新的发展时期，出现一些具有特殊功能的高分子材料，如用于集成电路光刻工艺的高分子感光胶，以及高分子导电、半导体、发光、压电、热电、功能膜、生物医学材料等。值得一提的是，在这个时期，美国人辛格获得了石墨纤维及其制造工艺的专利，日本东丽工业公司开发了性能极优异的聚丙烯腈基碳纤维，占据了碳纤维技术的领导地位。由于碳纤维质量小，动力消耗少，可节约大量燃料而被应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。目前，碳纤维作为新兴材料正由成长期进入快速应用期，预计在工业领域应用将占70%，在休闲娱乐等领域应用将占15%～30%。

●半导体材料

半导体材料的出现开启了第三次科技革命的浪潮，使人类社会迈进了电子信息时代。半导体是20世纪40年代发现的新型无机非金属材料。第一代半导体材料为元素半导体，锗和硅锗是最早用来制造晶体管的半导体材料。由于硅材料具有优良的半导体电学性能，因此，绝大多数半导体器件都是在单晶片或在硅衬底的外延片上制作的，在半导体工业发展初期其他材料就逐渐为硅材料所取代。到目前为止，硅仍是制造二极管、晶体管和集成电路等这些器件的最主要材料。1947年，美国贝尔实验室的肖克利研制成功了第一只点接触晶体管。1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机TRADIC，使晶体管步入集成电路时代。可以说，硅材料的发现和使用使计算机发生了一场“革命”，极大地促进了计算机的更新换代。迄今，以硅为基质的半导体集成电路已经发展到超大规模集成和超高速集成以及三维多层集成的新阶段。

第二代半导体材料是化合物半导体，主要有砷化镓和磷化镓等。由于砷化镓具有电子迁移率高等优异的物理性质，目前被广泛应用于军事设施、激光器探测器、高速器件、微波二极管中。

第三代半导体材料为宽禁带半导体材料，主要有碳化硅、金刚石和氮化镓等。由于碳化硅禁带宽度在3 eV以上，工作温度可以很高，可以在600℃下工作，常用于制作耐高温、抗辐射的半导体和高密度集成的电子器件，被广泛用在石油钻探、航空航天等领域。20世纪70年代初，石英光导纤维材料和砷化镓激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。70年代初期，美国IBM实验室的著名物理学家江崎与华裔科学家朱兆祥，基于试图人为地控制半导体中电子的势分布与波函数的设想，首次提出半导体超晶格的新概念。与此同时，美国贝尔实验室和IBM公司制成了第一类晶格匹配的组分型超晶格，开创了具有一维量子封闭性的半导体超晶格与量子阱研究的新局面，标志着半导体材料的发展开始进入人工设计的新时代。这个阶段的突出特点是低维化，即当材料特征尺寸在某一维度小于电子平均自由程时，电子能量将不再是连续的而是量子化的，如超晶格、量子阱、量子线、量子点与纳米晶粒等低维半导体材料。用低维材料制作的纳米器件可实现单电子或数个电子的量子调控，将大幅提升集成度，降低功耗。

低维半导体材料的出现，使半导体器件的设计与制备从“杂质工程”跨越到“能带工程”，现在这些低维半导体材料已被广泛应用于光通信、移动通信、微波通信中而成为新的发展方向。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物。铜酸盐高温超导体的发现是自1911年荷兰物理学家昂尼斯发现汞的超导材性以来的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向，促使了一系列新型奇异超导体的发现。目前，超导成为世界材料科技研究的前沿领域，市场前景广阔。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家杰姆、诺沃消洛夫从石墨中分离出由碳原子构成的单层片状结构新材料——石墨烯，其具有非同寻常的导电性、导热性、高电子迁移率、超出钢铁数十倍的强度、极好的透光性和卷曲柔性。在不远的将来，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，被广泛应用在纳电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等领域，可能会给半导体材料与器件带来一场新的革命。

材料科学的融合发展

各种分门别类材料学的发展，如涓涓细流，终汇成以现代科学为基础的全材料学科——材料科学与工程学科。一门学科的建立或形成并不取决于某些学者的意志与爱好，而是取决于生产生活的需要。一般来说，随着专业人才的不断增多和人类认识的不断深化，专业化研究机构的出现，交流机制的形成，一门学科才算真正地建立起来。材料科学与工程学科的建立结束了材料发展的混沌状态，使科学、技术与工程彻底结合起来。

●材料加工技术的发展

材料加工技术的发展加深了人们对材料宏观性能的认识。人类最早使用的是天然材料，利用木材、石头、泥土、矿石及家畜产品以应对当时一般的生产和低水平生活的需要。在生产实践中，人们逐步积累了一些材料加工技术。大约从公元前4000年开始，人类从漫长的石器时代进入青铜器时代，出现了铜的熔炼技术和铸造技术，人类开始掌握对自然资源进行加工的技术。公元前1400年至公元前1350年，开始出现以大规模炼铁技术和锻造技术为代表的材料加工技术，人类进入铁器时代。从公元1500年到20世纪初，随着科学技术的进步，人们对多数材料的强度、硬度、传热性、导电性、透光性、耐腐蚀性等宏观性能有了较多的知识，积累了更多的材料加工方法。受产业革命的影响，以钢铁为代表的金属材料的社会需求骤增，同时对钢材的抗压、高强度、高韧性和抗腐蚀性的要求也日益提高，使冶金技术在19世纪下半叶发生了重大变革，高炉技术和金属精炼日渐成熟，具有各种特殊性能和功能的合金钢也应运而生。水泥生产是19世纪开创的又一重要的材料工业，它以石头、煤炭为基本原料，与钢材、玻璃相配合，使建筑技术发生了大变革。从20世纪初到20世纪后期，有机高分子材料的出现与发展，使材料的品种面貌发生了很大的改观，半导体材料和多种功能性材料的发现和研制促进了许多新兴工业的发展，陶瓷制品生产的机械化大大提高人类的生产能力。

总之，材料合成技术的发展使材料的应用领域变得更加广泛。据统计，截至1976年，全世界的材料品种有25万种，年增长率为5%。从20世纪后期至今，材料加工技术呈现出两个特征：一是按照使用要求来设计材料的性能，实现性能设计与制备加工工艺设计的一体化；二是在材料设计、制备、成型与加工处理的全过程中，对材料的组织性能和形状尺寸实行精确控制。而实现第二个特征则要求计算机模拟与仿真技术的高度发展和材料数据库的高度完备，这也是当前材料加工技术的重要发展方向。

●基础科学的发展

基础科学的发展加深了人们对材料微观结构的认识。化学家很早就建立起由于所含元素不同而性能各异的概念。1863年，英国地质矿物学家索比在显微镜下观察金属表面，发现了金属的显微结构，开启了金属结构同金属拉力、延展性及其他性能的关系研究。1887年，荷兰化学家罗泽布姆开始用相律研究合金的性质。1903年，德国物理化学家塔曼开始研究冶炼中的物质平衡、热平衡及炉内气体运动规律。1911年，丹麦物理学家玻尔建立了原子结构理论。1916年，美国化学家路易斯建立化学键的电子理论。量子力学、电子衍射、中子衍射、光谱理论、电子成像理论、X射线成像理论等的发展，使材料微观分析技术逐步完善，成为一个相互交错、相辅相成的体系。

20世纪，物理学、化学的发展使研究深入到材料的晶体结构、分子结构、原子结构等微观的基本结构中。人们除了研究材料的强度、硬度、弹性、疲劳、蠕变等力学性能为主的材料力学之外，也对各种材料的结构与性能之间的关系进行深入研究，并取得许多重要成果。例如，1912年通过X射线衍射法，人们获知了金刚石是正四面体晶体结构，而石墨是平面的六边形晶体结构。在这种认识的基础上，1955年美国通用电气公司实验室终于将石墨变成了金刚石。各类材料的本质揭示，有效指导了改善材料性能的途径、研制方法及其加工技术。此外，杂质对材料性能的影响也越来越受到人们的重视，从而使各种材料生产工艺得到很大的改进。

因此，从19世纪后半叶到20世纪，由于人类对材料宏观性能、微观结构及其关系研究的加深，所以各种分门别类的材料学先后建立起来，例如以材料化学成分划分的金属材料、陶瓷材料、高分子合成材料等，以材料功能划分的建筑材料、汽车工业材料、电力工业材料、电子工业材料、航空工业材料、半导体材料、原子反应堆材料、计算机材料、超导材料等。其中，最早独立成为一门学科的是金相学。1863年，英国地质矿物学家索比首次用显微镜观察经抛光并蚀刻的钢铁试片，从而揭开了金相学的序幕。1903年，专业的金相学家开始出现。1910年，德国柏林工业大学开始开设金相学讲座。1911年，《国际金相学杂志》诞生，其后一些专著陆续出版，标志着金相学的正式形成。其他材料学科建立亦大致如此。

●全材料科学

各门材料学科逐步走向具有共同理论技术基础的全材料科学。20世纪40年代，固体物理与工程两学科联系并不紧密，之后，两学科才开始有交叉。1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造卫星，这使得美国朝野震惊，认为美国落后的主要原因之一是先进材料的研究应用不够。于是，美国在50年代末、60年代初兴起了材料科学研究热，并陆续提出“材料科学”“材料科学与工程”等概念。这时，以材料科学命名的期刊和专著也逐渐出现，许多大学开始设立材料科学的课程，甚至直接建立材料科学系，人们开始从总体上研究材料的种类、功能、基本结构和性能之间的关系，以及研制新材料的共同理论基础。

研究表明，尽管材料的种类繁多，但是材料的性能则是由其原子结构、分子结构、晶体结构等微观结构决定的，存在着统一性和一定的规律性。因此，研究各种不同性能的材料学、材料力学和研究材料基本结构与理论就统一起来，形成了全材料科学，这标志着各种分门别类材料学已进入以现代科学为基础的材料科学新阶段。70年代，材料科学与工程作为大学学科已逐步为科技界和教育界所接受。欧美等国家的许多大学开始把冶金、机械或化工等与材料有关的系或相关专业改设为“材料科学与工程系”“材料科学系”“材料工学系”，甚至直接建立材料科学系。可以说，到了80年代，材料科学与工程作为一级学科已经形成。

国内外新材料的发展方向

历史表明，材料研究与应用水平已成为人类文明进步和国家竞争力的基础，材料的创新始终支撑、引领着技术发展与产业变革。因此，基于材料科技和产业的基础性和战略性，美国、欧盟、日本和中国都把材料发展上升为国家战略。2011年，美国总统奥巴马提出了“材料基因组计划”，其核心内容是构建高通量材料计算平台、高通量材料制备与检测平台、材料数据库等新材料创新基础设施，试图改变多年来材料界形成的一家一户式的封闭型工作方式，培育开放、协作的新型合作模式，以达到通过理论模拟和计算完成先进材料的“按需设计”和实现全程数字化制造的目的。同年，欧盟启动了第7框架项目“加速冶金学”，目标对准了轻量、高温、高温超导、热电、磁性及热磁、相变记忆存储6类高性能合金材料。2014年，欧洲科学基金会启动了一项为期7年的“冶金欧洲”项目，主要内容包括超导合金、高效率电源线、新型热电材料，用于生产塑料和药物的新催化剂，生物兼容金属及高强度的磁系统。日本在国际竞争中能够长期处于领先地位，也得益于其强大的材料科技，特别是在半导体材料、电子材料、碳纤维复合材料及特种钢等领域取得的成就。2010年，日本政府发布的《日本产业结构展望2010》将高温超导、纳米技术、功能化学、碳纤维、信息技术等在内的10大尖端新材料技术及产业作为新材料产业未来发展的主要领域。2016年，日本“第五期科学技术基本计划”把纳米技术与材料作为技术创新的核心，并注重对已有材料的性能提高、合理利用及回收再生。中国在“十二五”期间把特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料和前沿新材料等这6大领域确定为发展重点。“十三五”期间在前沿新材料中把石墨烯、金属及高分子增材制造材料，形状记忆合金、自修复材料、智能仿生与超材料，液态金属、新型低温超导及低成本高温超导材料作为重点。