材料：人类社会发展的基石

供稿|毛卫民，王开平

材料是什么？在这里，材料不是指人们日常学习或从事文案工作所涉及的书面文字材料，而是工程领域中一个极为重要的学科，且与人类社会发展和人们日常生活密不可分。

材料与日常生活

清晨起床我们会看到房间里的桌椅门窗；起身穿衣、整理床铺，会看到内衣外衣、床单被褥；洗漱清理、准备早餐会接触到卫生洁具、锅灶碗筷；走出家门，可看到我们赖以生活的居所；上学或上班，会用到自行车、公交车、轨道交通等出行工具；外出旅行，会乘坐汽车、火车、轮船、飞机以便迅速到达世界各个角落。打开电视机可以掌握全世界的新闻资讯、欣赏娱乐节目；拿出手提电话，可以随时随地与亲友通话；打开计算机我们可以借助互联网与世界各地取得联系。观察日常的衣食住行等社会生活会发现，我们生活在一个极为丰富多彩的物质环境里(图1)，这个环境与野生动植物生存的自然环境有本质的不同，它是由人类自己创造出来的。我们所接触到的这些物质并不是以简朴的原生态形式存在，而是人们按照一定的思想设计，并借助繁杂的加工、处理、组合、安装等过程而制作出来的设施、工具、器具等对人类非常有用的物件。我们通常把制成特定有用物件的物质称为某种材料，材料显然归属于物质的范畴，但并不是所有物质都是材料。从上述的日常生活和工程实践中我们可以简单地归纳出材料的概念：用于制造有用物件的物质[1]。

图1 人们赖以生存的物质环境

从工程角度观察，在采矿、地质、机械、建筑、车辆、仪器、冶金、电工、电子、计算机、自动化、信息、网络、通讯、军工、化工、生物、制药、医学、农业、交通、装备、核能、轻工、航空、航天……等等一切工程领域中都涉及到研究、设计、生产、制造、选择和应用各种类型的、对于相关领域非常有用的不同物件，即各种仪器、设施、机器、工具……等等；因此不仅是日常生活，一切工程领域都与材料密切相关。

材料与人类社会进步

考古发现，在距今300至350万年前的漫长年代，地球上的古猿开始逐渐向人类演变；至约1万年前古猿经历能人、直立人、智人等阶段完成了向现代人的转变。其间，进化中的人类会抓取天然石块作为工具以帮助采集和捕猎。借助长期的经验积累人类学会了借助摔碎、敲打、研磨等加工过程以初始形态的劳动行为制造出适于使用的工具(图2(a))。相应的劳动行为推动了由猿向人的转变，即劳动创造了人；而制造工具涉及了以天然石料为材料。由此可见，材料与人类同时出现，与人类社会共生；没有人及与之相伴的劳动也就没有材料[2]。向现代人进化时因所使用材料的特征，人类社会的早期也被称为旧石器时代。自约1万年前，世界各地已实现进化的现代人类能够借助精心磨制而制作出特别适合农耕生产的磨光石器(图2(b)) ，并发明了以泥土为材料来烧制陶器的技术(图2(c))。自然界并不存在陶器，人类的这一创造极大地推动了农业的发展和人们生活水平的提高。人类以使用陶器和磨光石器为主的时期被称为新石器时代。自约公元前5000以来，西亚、欧洲、中国各地先后出现了人工冶铜技术，随之人类也逐渐进入了文明时代。铜质工具(图2(d))的性质明显优越于石质工具，铜器的广泛使用极大地推动了社会生产力的提高，因此初期的文明时代也称为铜器时代。

自约公元前十几世纪以来，在人工冶铜的基础上世界各地又出现了人工冶铁技术。与铜器相比，铁器更加轻便、坚硬、强韧、锋利、耐久，铁质工具(图2(e))的推广使用使人类进入了铁器时代。18世纪中期英国发明了纺织机械及蒸汽机等一系列机械装置，引发了英国工业革命；19世纪中期欧美借助发明石化动力和电动力等一系列新动力机器，引发了第二次工业革命。工业革命在于用机器大规模取代人的劳动，人类进入了近现代时期。工业革命的浪潮中需要大量制造各种新型机器，大型建筑设施，以及汽车、火车、轮船等现代交通工具；而传统低效的铁器生产技术无法实现工业革命对生产铁器的要求。由此19世纪中期诱发铁器生产技术的革命，出现了以大批量、高效率、低成本、优品质的方式生产铁器的技术，即现代钢铁生产技术，由此人类的近现代发展时期也称为钢铁时代。近现代社会中钢铁材料被广泛用于机器设备、市政建设(图3(a))、桥梁铁路(图3(b))、交通车辆、军事装备、等等，涉及一切工业领域，各国的钢铁产量也成为了其工业水平乃至战争能力的硬性指标，是支撑近现代社会发展的关键材料，且在两次世界大战中也发挥了极为重要的作用。新中国成立之初，中国的年钢产量约占世界产量的0.1%，自2013年起中国的年钢产总量达到8亿t以上，超过全球产量的50%，充分支撑了中国后发的工业革命进程。

图2 不同历史时期以特定材料制作的工具[国家博物馆]：(a) 旧石器时代约10万年前山西襄汾尖状石器；(b) 新石器时代约7500年前河南郏县磨光石镰；(c) 新石器时代约7000年前辽宁新乐陶罐；(d) 铜器时代约公元前3000年甘肃东乡青铜刀；(e) 铁器时代约公元前300年河南辉县战国铁犁铧

人类社会发展的不同阶段分别被冠名以旧石器、新石器、铜器、铁器、钢铁等不同的材料时代，可见材料技术与人类社会密不可分的联系。旧石器时代，世界各地的人类族群经常是饥肠辘辘的，他们对抗恶劣自然环境的能力也比较低；只有那些较好地掌握了制作和运用旧石器工具的族群才能避免灭绝而生存下来，因此旧石器时代人类的奋斗目标是能够生存下来。在新石器时代，随着劳动能力的提高，人类的生存已逐渐不再是主要问题，人类转而为获得温饱的生活而奋斗，只有那些较好地掌握了制作和运用新石器工具和器具的族群才能率先获得稳定的温饱生活。进入铜器时代，铜器的推广使得生产力大幅提升，人类在保证温饱的基础上得以迅速实现富足有余，从而进入文明时代。当多余财富积累到特定显著程度后会引发阶级的划分和战争；在世界范围内中国具有最为发达的铜器时代，致使约公元前2世纪中华文明达到了第一个鼎盛时代，形成了强大的秦汉帝国。铁器的推广使用可进一步提高人类的生产力，西方文明在率先掌握发达铁器技术的南欧兴起，并在2世纪达到了历史上的鼎盛时期，形成了强大的古罗马帝国。

图3 进入钢铁时代的标志[2]：(a) 1889年法国用7000 t钢建造的324 m高的埃菲尔铁塔；(b) 1937年美国用10多万t钢建造的2737 m长的旧金山金门大桥

材料与现代信息社会

20世纪70年代西方进入信息时代，90年代中国也开始进入信息时代；其间大量的信息被数字化，且在计算机及网络系统内海量存储、高速传输、广泛共享、经计算机处理和运算后可转换或衍生出大量新信息，进而极大地促进知识更新和实体经济发展。信息的数字化即为把一切相关的信息都转换成以0、1为基础的二进制码，以便在信息设备中以二进制的形式进行存储、传输、共享、处理、运算。一位0、1二进制码即为一个比特(bit)，在电子电路中只能用一个电路的断、通来表示，即为一个比特电路。可以想象出诸如计算机之类的信息设备内需要安装大量而密集的比特电路。最早的比特电路用十几厘米高的真空二极管实现(图4(a))，后改进为毫米尺寸的晶体二极管(图4(b))；如今已经改进为极大批量比特电路集成在一起所构成的复杂材料体系，称为大规模集成电路(图4(c))，且其集成度取决于其内每个比特电路的尺寸。例如在1 cm2面积集成电路内，若比特电路的尺寸为1 μm2，则其内可制作出1亿个比特电路；如果比特电路的尺寸为0.01 μm =10 nm见方，则可集成到1万亿个比特电路。信息设备还需要低衰减、大容量的信息传输线路，需借助激光在光纤材料内的全反射传输实现。经过几十年的努力，激光在光纤材料内的衰减水平早已降低到足以制作出高效的光纤，传输容量也得以成万倍地提高，支撑了现代信息技术的发展。除此之外，打开任何计算机或网络设备，可看到密密麻麻地排列着各种电子元器件；它们由不同材料制成，其性能水平、微型化程度和可靠性都会决定信息设备软件的运行是否准确、安全、可靠。由此可见，包括大规模集成电路复杂材料体系、光纤材料等在内，每个元器件所使用的各种材料的制作技术能否同时支撑电子设备中所有器具向小尺寸化和高性能化不断发展，往往是信息设备进步，乃至信息时代发展的制约因素。

材料的广泛使用与社会安全

图4 实现比特电路的材料技术[2]：(a) 真空二极管；(b) 晶体二极管；(c) 大规模集成电路

根据物质的化学组成，可以把材料大致划分为以金属为主的金属材料、以各种无机化合物为主的无机非金属材料、以及以有机高分子物质为基础的高分子材料；它们各具特色、随处可见，组成了现代社会的物质基础，并扮演着不同的角色。常见的金属材料包括：铁、钢、铝、铜、钛、镁等；例如深海潜水器外壳需要用每平方米能承受万吨以上载荷的钢板制作(图5(a))，超音速战斗机外壳需承受近千摄氏度的高温、很高的载荷、且质量须较低，需用钛来制作(图5(b))。常见的无机非金属材料包括：水泥、陶器、瓷器、玻璃、耐火材料、特种陶瓷等；例如高速公路和桥梁(图5(c))等大量使用的水泥和混凝土。常见的有机高分子材料包括：塑料、橡胶、有机纤维、生物医学材料等；例如国家游泳中心用优质共聚物气枕制成的具备轻质、抗撕裂、不导电、不易燃、抗风、隔热、透光、耐紫外辐照等特点的外墙(图5(d))，生物医学上用于修复心脏的人工心脏瓣膜等(图5(e))。

图5 现代社会中材料的重要应用：(a) 蛟龙号深海潜水器(人民画报2012年10月)；(b) J15超音速舰载机(解放军画报2012年12月)；(c) 新疆山区高速公路(人民画报2012年10月)；(d) 国家游泳中心(水立方)[2]；(e) 人工心脏瓣膜[3]

把材料制成有用物件后并不能无限期地使用，除了正常的磨损、消耗、腐蚀、老化、过时等常规因素外，人为失误、极端服役条件、突发自然灾害等也会造成材料的失效，且后者在失效的同时还可能引发灾难和人员伤亡；因此使用材料也会涉及到材料的安全和可靠问题。最常见的一种人为失误即是发生交通事故，不仅车辆毁坏，也会导致伤亡。南北极的极寒、热带海洋地区的极度湿热、核能和深海等领域极高的载荷、航天飞行的极高速度、飞机加快到超音速状态而引发极强震动等条件下，相应材料技术在设计、制造和使用时的任何微小疏漏或不足都可能造成严重的后果。1986年1月28日美国挑战者号航天飞机升空，其右侧固体火箭发动机尾部的一个橡胶密封圈过早地老化失效而导致液氢燃料大量外泄，发射73 s后在空中爆炸，7名机组人员全部遇难，造成20亿美元经济损失。2003年1月美国哥伦比亚号航天飞机升空时其燃料箱外表面一块泡沫材料失效脱落，并撞伤航天飞机左翼前缘的热保护系统。2月1日哥伦比亚号重返大气层时，超高温气体从损伤处进入机体，导致着陆前几分钟航天飞机解体(图6(a))，7名宇航员全部丧生，同样造成20亿美元经济损失。

图6 灾难与材料失效：(a) 美国哥伦比亚号航天飞机解体(维基百科网)；(b) 汶川地震(解放军画报2008年6月)

飓风、海啸、地震、洪水、山体滑坡等自然灾害同样会导致材料意外失效和严重的后果。2009年9月17日四川达州宣汉县山体滑坡，大量山石扑向村庄、损毁房屋。2011年3月11日日本本州岛发生特大地震、引发海啸并冲击到临海的福岛核电站，造成了大量核泄漏。2012年9月1日飓风吹袭美国中部，房屋倒塌、多个地区被淹，造成人员伤亡和财产损失。2008年5月12日汶川地区发生强烈地震，公路损毁、房屋倒塌；观察发现，在地震严重区域虽然大量房屋被夷为平地，但仍有楼房挺过了劫难仍颤巍地竖立着(图6(b))，这显然为房屋内人群的逃生提供了基本的保证。由此可以寻找出正确使用建筑材料的方法，以便在灾难面前获得良好的防灾、减灾效果。

在发生交通事故，或突发地震类地质灾害时都涉及大量动能骤然而急速地消耗过程，包括高速运行车辆的动能或灾害突发产生的动能；这种需即刻消耗的动能如果转移到人身上，就导致人员伤亡。如果在运行的车辆或抗震建筑结构中使用一种可在突发事故中把大量动能转换成主要消耗于自身延展变形的钢材，则可大幅度减少对人员的伤害。以消耗灾害动能的理念为基础，人们开发出了防灾、减灾的安全用钢，并已广泛应用于汽车工业和建筑工程。以汽车工业为例，大量使用安全用钢后中国在民用汽车保有总量从2002年的0.2亿辆攀升到2015年1.6亿辆的情况下，交通事故伤、亡人数却分别从2002年的56.2万和10.9万下降到2015年的19.9万和5.8万[1，4]。

高技术新材料与未来社会

材料及相关技术的发展不仅在人类社会的各个历史阶段发挥着重要的基础作用，而且未来的人类社会仍需要依靠各种新型材料技术持续的推动和促进；因此，名目繁多的各种高技术新材料在当今社会中不断涌现。观察发现，不同类型的客观物质具备各种物理效应、化学特性，并可制成不同维度的几何形状，以此为基础可以开发出具备各种优异性能的新材料。

研究发现，当所制成三维有用物件的某一维尺寸、或材料内部微观结构的尺寸低于100 nm时，一些材料会显现出某些之前不存在的优异特性，称为纳米效应；具备纳米效应的材料称为纳米材料。例如，碳纳米管材料能够承受的载荷强度可达到高强度钢的100倍，但其密度只是钢的1/6；纳米石墨烯可承受的载荷甚至可达到高强钢的200倍，且具备极高的导电、导热、透光等特性[1]。再如，将氧化锌纳米丝编入织物纤维，制成服装穿在身上，纳米丝所具备的特殊电性质可在服装各部位相互摩擦时生电，因而人在行走过程中就可以自然发电，驱动随身的电器，或把电能储存起来[2]。

随着石油资源的逐渐枯竭，可开发出把氢气储存起来，逐步释放氢气以驱动发动机的储氢材料。利用物质的热电效应，可开发出利用热能发电的热电材料，在日照生热、辐照生热、工业余热、车辆余热的环境下都可以发电。利用物质的磁热效应，可开发出借助磁场控制制冷的环保磁热材料，这种制冷技术不产生任何有害物质。利用交变磁场下物质的磁伸缩特性可制成信息传递和转换的磁致伸缩材料，且可用于制作水下声呐系统；利用物质对微磁场敏感的特性可开发出磁电阻材料，用于电子信息器件的信息灵敏控制及航海精确导航等[1，2]。

通常，一切物质均有一定电阻；当物质电阻为0时就成为了超导材料，具有重要的工程应用价值。多数物质只有在接近绝对0度(零下273℃)时才能实现超导状态，相应的制冷过程极为耗能。当物质达到其超导状态所需的温度高于液氮温度，即高于零下190℃时，可制成高温超导材料，极具实用价值。磁悬浮技术、高速计算机、核聚变反应、高能物理加速器、医用核磁共振设备等都需要使用高温超导材料。尤其外太空(图7)的温度环境刚好高于液氮温度，因此在航天设备上甚至不需制冷就可以直接大量使用高温超导材料[2]。

图7 航天空间站(解放军画报2011年10月)

金刚石是自然界中最硬的物质，且具备多种优异的光学性质以及其它种种物理特性和化学特性，是极为重要的工程材料，在多种工业部门和军事工业，尤其是超高音速飞行器领域有广泛而重要的应用。天然金刚石的形成需要在高温、超高压的环境下经历漫长的岁月。传统的人造金刚石技术是模拟天然金刚石的形成流程，技术复杂、极为耗时、价格昂贵，且所制造金刚石的尺寸都非常有限，无法满足工业需求。然而，材料技术的进步使得在低温、低压、低成本的前提下制造大尺寸的金刚石成为可能(图8)，为相关工业的发展提供了坚实的支撑。

图8 北京科技大学研制的低成本大尺寸人造金刚石[2]

1991年1月17日凌晨以美国为首的北约军队首先出动空军发动了针对伊拉克的海湾战争，导致伊拉克军队溃败。这是一场完全不对等的战争，美军伤亡三千余人，伊拉克军伤亡约十万人。战争中美军使用了具有隐身特性的F117担负攻击和轰炸任务，其隐身技术包括机身表面附着一层隐身材料，以致照射过来的雷达电磁波被隐身材料吸收，基本不反射。伊拉克军队的雷达无法发现F117，只能向空中盲目地倾泻大量弹药，收效甚微。1999年3月24日以美国为首的北约军队又发动针对前南斯拉夫的大规模空袭作战，但一架F117被击落，导致美国停止生产F117；说明适当的反隐身技术可以克服飞机的隐身特性。目前中国空军已经开发出隐身战机，并装备部队；另也有报道称中国的雷达系统可以探测到美军的隐身飞机。由此可见，类似于盾和矛的关系，隐身材料与反隐身技术仍会有长期的博弈过程。

结束语

综上所述，材料不仅在人类社会历史上发挥了极为重要的基石作用，而且未来社会的发展仍然需要依赖于高技术新材料的不断涌现。以上仅列举了若干新材料的实例，实际上新材料的研究开发会涉及到未来人类社会生活和工业发展的方方面面。因此，学习、研究、探索材料及相关技术具有广阔的前景。高等学校材料专业的名称为“材料科学与工程”，属于工程学科；其知识面涉及几乎所有工程专业及自然科学领域，因此掌握了该学科的专业知识可以在非常宽的领域范围工作。北京科技大学的材料科学与工程学科在国内外享有盛名，在1987年材料学科首次评估时排名全国第一，至今始终稳居全国前三名的地位。从北京科技大学该专业毕业的学生约有2/3继续读研深造，约有1/5直接出国深造，受到欧美国家高等学校的普遍欢迎。

摄影 侯宪达