一、人类与材料

什么叫材料？材料是指能为人类制造有用器件的物质。在原始社会时就是这样。但随着私有制的出现，资源和能源的减少，材料工业的发达，材料的定义必须考虑其经济和社会因素。因而材料的自然定义发展为：材料是人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。如现在有许多新材料，性能很好，但价格太高，严格地说，这些物质还不能称为材料。还有一些有害的材料如石棉，是一种致癌物质，从长远来说是人类社会所不能接受的，应该逐步淘汰。

历史学家曾用“材料”来划分时代，例如石器时代、陶器时代、铜器时代等等。材料的概念最早出现在石器时代，那时以天然的石、木、皮材料做器件。后来陆续出现了陶器，随着冶炼技术的发展，人们又进入了铜器时代。当进入铁器时代时，对技术的要求就更高了，因氧与铁的结合要比氧与铜的结合强得多，还原铁更围困难。现代科学技术的发展更离不开材料，因此可以说，材料是人类物质文明的基础和支柱。 二、新技术革命与材料

人类改造物质世界的飞跃称技术革命。现代新技术革命是由一群新技术所引起的改造物质世界的革命。支撑人类生存大厦的主要有材料科学技术、生物科学技术、能源科学技术、信息科学技术。这些技术支持着上到航天技术、下到海洋技术。而这些技术无一不是以材料物质为基础的。如能源开发所用的合金钻头、输油和输气管道、运输传送带；信息科学技术中的锗、硅半导体材料及光导纤维；生物技术工程中人造人体器官所用的不锈钢、钛镍合金和高分子材料。材料科学的发展也需要其他科学技术发展的支持，如化学、物理、信息科学等。另外，材料科学的发展还要适应市场的需要，而其他学科的发展，对材料科学也提出了更高的要求。据统计，一个新材料的诞生，从实验室研制出样品到工业上的大规模实际使用，大概需要15～20年时间。

材料按实用性大致可分为金属材料、陶器材料、高分子材料及它们构成的复合材料。金属材料包括常用的铁、铜、铝及其合金等；陶器材料包括氧化物、碳化物及氮化物等；高分子材料指化学聚合物。它们的原子结合形式各不相同。金属材料中原子间结合以金属键为主；陶器中原子间则主要为离子键结合；高分子材料中原子间结合以共价键为主。

按使用性能，材料又可分为结构材料和功能材料两类。对结构材料则主要要求其力学性能。结构材料用量大，经济效益高。钢是用途最广和用量最大的金属结构材料。对功能材料则主要利用它们的物理性能，如它们的热学、声学、光学、电学和磁学性能。要把玻璃和金属溶合在一起，就必须采用低热膨胀系数的金属材料，才能保证两种材料的联结处在温度变化时不致开裂，这就要求控制金属材料的热学性能。发展吸收声音的材料对于控制噪声污染及潜艇消音等十分重要。光导纤维对彩色电视机荧光屏中所加入的稀土材料都是利用材料的光学性能。半导体材料和磁性材料则主要利用它们的电学和磁学性能。航天航空技术要求发展各类耐高温的合金。如宇航飞机进入大气层时，空气的摩擦会使飞机表面温度升高到1700℃以上，而推进器的喷嘴温度则达到1800℃。前苏联于1957年先于美国发射了人造卫星，就是因为他们领先解决了卫星所用的各种材料问题。

二、材料科学与工程

大学里的材料科学与工程系、部分固体物理专业及高分子专业等，都从事材料科学与工程的研究。美国在材料方面的人员有180万，我国则有上千万。

材料科学与工程主要研究以下四个方面以及它们之间的相互关系：

1.研究材料的结构与成分，即研究材料由哪些种类的原子构成的，以及这些原子的排列方式。

2.研究材料的各种性能，这些性能一般是在实验室中测量的。

3.材料的加工与合成，即材料的制备科学与工艺，包括传统材料制备工艺的改进和新材料制备工艺的研究。

4.材料在服役条件下的行为，此时材料经受综合性能的考验。例如制作桥梁的钢铁材料，不但承受一定的应力，还受到日晒雨淋以及各种气体的腐蚀。材料在服役条件下的行为显然不同于上面第二点所说的材料在实验室中表现出来的性能。

因此，材料科学与工程就是研究材料的结构和成分、性能、加工工艺、服役行为和它们相互间的密切关系。目前，世界上应用扫描隧道显微镜可以看到硅表面原子的排列，用高分辨电子显微镜可以看到金属原子的排列。利用原子探针可以分辨金属表面单个原子的种类。因此，利用科学仪器可以研究晶体中原子是如何分布、排列、转换及运动的。现在的科学技术已达到能将原子拿出来，并进行重新排列的水平，为材料科学的发展提供了广阔前景。

三、材料的应用与失效

材料的应用在给人类带来财富与文明的同时，也给人类带来了许多灾难。如1986年美国挑战者号航天飞机的爆炸，就是由于一个密封圈的老化，造成燃料氢的泄露而引起的。许多国内外飞机失事，也是由于材料的质量问题所致。据1982年的统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接经济损失约占国民经济年总产值的左右，为1260亿美元。材料断裂和磨损造成的损失分别为1190亿和1000亿美元。我国虽然没有这方面的统计数据，但情况应该差不多，甚至更严重一些。因此，看到材料作用的同时，还应认识到材料会逐渐失效的必然性。

所谓失效是指工程结构的部件在服役过程伤亡，使工程结构低效工作或提前退役的现象。由于材料失效所导致的经济损失十分严重，因此各国的材料界都十分注意材料的失效分析。

失效的原因总的来说是由于材料的性能满足不了服役（或制造、试车、贮运）时的力学、化学、热学等外界条件。因此按机理把失效分为：变形、断裂、腐蚀、磨损、烧损即断裂是三种主要失效方式。前两种是“慢性病”，而断裂是“爆发性疾病”，最受人们重视，研究的也最多。对其他结构材料来说，断裂也是陶瓷材料最主要的失效方式，高分子材料由于老化，也易脆断。对于功能材料，则物理性能的降级会引起失效，对功能材料也有断裂和腐蚀问题。

四、材料的展望

每种材料都有其生命曲线，包括发生、发展、成熟及衰退四个阶段。而衰退主要是因为新材料的竞争。资源、能源、经济、环保等有利因素使新材料、新工艺代替旧材料、旧工艺。各种材料位于生命曲的不同阶段。但作为材料总体，只要人类存在，人类赖以生存的大厦仍然需要“材料”这根支柱。如钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段，原因就是有许多新材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染环境，他们往往把这些企业放在第三世界国家。而钢铁在我国还在成熟阶段，钢铁的需求量很大，不但每年产量有所增加,每年还需进口2000万吨。据专家估计,我国的钢产量达到12000万～15000万吨，才能满足国内市场需要。高分子材料目前处于发展阶段，只有当高分子材料工业有了大的发展后，我国的钢铁需求量才可能有所减少，高分子材料前景广阔。处于发展阶段的还有各种复合材料。复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它即能保留原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组成材料所不具备的性能。常用复合材料如玻璃钢便是用玻璃纤维增强体与树脂构成。其价格低廉，已广泛应用于船舶、车辆、化工管道、建筑结构等方面。先进复合材料指用高性能增强体和碳纤维、芳纶等与高性能耐热高聚物构成的复合材料，其价格较高，主要用于国防工业、航空航天、机器人结构和高档体育用品等。如前所述，石棉材料则处于衰退阶段。不少国家已禁止使用石棉。

人类的发展离不开材料，但需要什么材料，人们可以去选择。一种材料如果能满足资源、能源、环保、经济和质量这五个判据，它就能生存下来。否则就有被淘汰的可能。例如，战争时期各国资源政策的指令式规定，可以使某些合金钢停止生产。面对人类社会的选择，材料的竞争和斗争方式主要有两个：一是材料与环境的斗争。材料是一个开放系统，它在使用时面临着大自然风雨和温度变化以及人为的力学、电学等环境的侵蚀和损伤，导致材料的失效；一是材料之间的竞争。社会总是选用“物美价廉”的商品。对材料来说，“物美”是材料具备人类需要的使用性能和工艺性能，“价廉”是可以满足人类愿意付出的费用。这是商品经济的基本原则。

（中国科技公众网）