新材料技术发展及影响

新材料技术发展及影响

摘要：概述了材料技术发展的特点和影响。概述了材料科学技术的发展史，分

析了新材料产业的特点和新材料技术的特点。并以世博会上不同国家场馆使用的新材料为例，说明了新材料的发展趋势。最后从不同角度分析了，新材料技术的影响。

关键词：新材料 材料技术

Abstract：

This article mainly introduces the influence and development of the materials technology. Summarizes the materials science and technology development, and Analyses the characteristics of new material industry and new materials technology characteristic. And take the new materials using in the word expo venue for example to describe The trend of the development of new materials. Finally from different angles, analyzes the influence of new materials technology.

Key words: New materials, Materials Technology

1 材料技术发展概况

1．1 材料技术概况

材料技术也称为材料工程，指人类从现有的原始材料出发经过各种加工手段制造出来的产品材料，包括人类在动物、植物、矿物原料或已有原料上生产出来的所有物质。材料科学能为人类制造出形形色色的有用器件。材料也是人类发展进步的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造，一种新材料的出现，必将支持和促进当时文明的发展与技术进步。18世纪之前人们对材料的认识处于初级阶段，对已有的原料如石头、陨石、粘土等进行简单的打、磨、冶炼、烧结等。18世纪60年代，英国工业革命之后，蒸汽时代的到来标志着自然科学进入了一个飞速发展的时代。材料科学作为自然科学的重要分支，在这一时期得到了迅猛的发展。可以说材料科学的发展与人类社会的发展进步息息相关，不同用途材料的制备与产生为各行各业的发展提供了物质保证。

特别是上个世纪后期，琳琅满目的新型材料的出现，包括纳米材料、智能材料等等，这就愈来愈需要人们去研究和探索。材料科学与工程[1](Materials Science and Engineer)顺应潮流而诞生。材料科学与工程就是关于材料成分、结构、工艺，、材料组织与结构、材料的性能及测试技术、材料用途之间相关知识与应用的一门学科。它涉及面十分广泛，包括材料及材料工程、表面工程、材料科学基础、材料组织与结构、测试技术等等。

能源、材料、信息是现代科学技术的三大支柱。我国也形成了相应的三大支柱产业，能源与信息产业的发展在很大的程度上要依赖于材料的发展。所以，工业技术先进的国家都十分重视新材料的研究与开发。而各种新型材料的涌现，导致某些产业部门的变革，对世界经济和社会结构产生重大影响。下图粗略描述了材料技术的发展史

21世纪 增长速度19、20世纪 19世纪之前 时间（年代）

图1 材料技术发展史

1.2 材料技术发展史

总的来说，从人类的出现到20世纪的今天，材料技术大致经历了以下五个阶段。

1.2.1 使用纯天然材料的初级阶段

远古时代，就是人们通常所说的旧石器时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等）来生产工具，这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的。这一阶段的后期新石器时代初始阶段，虽然人类文明程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，也制造出许多新型工具，但是都只是纯天然材料的简单加工，并没有实质性的突破。 1.2.2 人类单纯利用火制造材料的阶段

这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、青铜器时代和铁器时代，也就是距今约5000年前到20世纪初的一个漫长时期，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的粘土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。 1.2.3 利用物理与化学原理合成材料的阶段

20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法[2]。另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用的有关问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料化学、材料物理等交叉学科。

自此，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。

从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而是利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料，而材料合成及制造方法更是多种多样。 1.2.4 不同材料复合阶段

20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来[3]。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料，都是复合材料的典

型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。

现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能加和，而是要想办法使它们性能更优越。 严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。 1.2.5 材料的智能化阶段

自然界中的材料都具有自适应、自诊断和自修复的功能。像所有的动、植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和自修复。人工材料目前还不能做到这一点，但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能，这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等[4]。尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。 由上可见，20世纪，材料技术的发展速度是前所未有的。 1.3 现代材料的新要求

现代社会对新一代材料的要求大致有以下几点：① 结构与性能相结合，要求材料不仅能作为结构材料使用，而且能具有特定的功能或多种功能；② 智能型，要求材料本身具有感知、自我调节和反馈的能力，具有敏感和驱动的双重功能；③污染少，为了人类的健康，要求材料的制作和废弃过程尽可能不污染环境；④节约能源，要求制作时能耗尽可能少，同时又能利用和开发新的能源；⑤可再生性，一方面可保护和充分利用自然资源，另一方面又不为地球囤积太多废料。

2 材料科学发展特点

2.1我国新材料科技产业发展特点

新材料是新兴工业的基础。我国大力发展对国民经济有重要支撑作用的新材料，特别是发展具有自主知识产权 、和受西方制约并对我国实行技术、产品封锁的新材料，使在一些重点、关键新材料的制备技术、工艺技术、新品种开发技术及节能、环保和资源综合利用技术上，有突破性的进展。“十一五”期间，国家规划，新材料产业要围绕信息、生物、航空航天、重大装备、新能源等产业发展的需求，大力提升电子信息材料水平，加快航空航天材料的研制，扩大新能源材料生产能力[5]。

目前，许多省市政府把新材料产业作为新的经济增长点列入发展规划中，并将出台配套的产业政策给予重点支持。其中以北京、上海、西安、深圳、山东、重庆、武汉、江苏最为突出。下表给出了我国各个区域重点发展的新材料领域概况[6]、[7]。

表1 中国各区域新材料发展重点领域概况

分区 省市

华东 上海 江苏

浙江

重点发展区域

特种钢材料、化工新材料（北钢南化）

复合材料、有机高分子材料、稀土材料、仿生与生物医用材料、生态环境材料、新型高性能钢铁材料、有色金属及微晶合金材料

磁性材料、光电信息材料、有机硅材料、高性能无机材料、医药中间体、精细化工材料、新型建材、纺织材料、功能高分子材料、氟材料等 化工新材料、复合材料、电子材料、纺织材料等

建筑卫生陶瓷、高性能涂料、改型塑料、新型电池、汽车材料、黏胶材料、铝型材等

电子材料及元件、钨制品、粉末冶金、硬质合金、磁性材料和半导体等 电子信息材料、磁性材料、新能源材料、超导材料、生物医用材料、纳米材料等

化工新材料、金属新材料、新能源材料、区熔单晶硅材料、化合物半导体材料、锂离子电池材料、太阳能电池材料、纳米材料及超导滤波器等 半导体材料、特种钢、特种陶瓷、化工新材料和太阳能电池材料等 金属材料、化工新材料、镁质材料 汽车材料、化工新材料和光电子材料 石化新材料、特种陶瓷材料

超硬材料、耐火材料、有色金属材料、电子材料和建筑材料等 电子信息材料、生物医用材料、纳米材料、节能环保材料等

能源材料、复合材料、硬质合金和有色金属材料、有机高分子材料等 有机高分子材料、纺织新材料、非金属新材料、金属新材料等 有色金属材料、黑色金属材料、建筑材料和煤基材料等

有色金属材料(铝、铜等)、黑色金属材料、生态环境保护及修复材料等 有色金属材料(铝)、无机非金属材料(磷) 纳米二氧化钛材料

山东 东南 广东 福建 华北 北京 东北 中部 西部

天津 河北 辽宁 吉林 黑龙江 河南 湖北 湖南 陕西 宁夏 甘肃 贵州 西藏

2.2 不同类型的新材料发展特点

根据我国当前及未来发展的实际情况，新材料领域主要有半导体材料、结构材料、有机／高分子材料、敏感与传感转换材料、纳米材料、生物材料及复合材料。下面分别介绍它们各自的特点和发展趋势。 2.2.21 .结构材料[8]

Fe基、Al基、Ti基以及Mg基合金作为力学材料的主体，构成了一系列结构材料，其主要功能是承担负载（如火车、汽车、飞机用板材）。汽车用钢材近年来已从一般钢铁发展为使用合金或特殊高强Mg基合金。高强Ti合金在高强钢中占有重要地位，不锈钢则有取代碳钢的趋势。用于军用飞机的Al合金及一般钢材则被先进的Ti合金及高分子基复合材料所取代。进一步还需要发展碳纤维增强复合材料或Al基复合材料。 2.2.2 半导体材料

随着高科技发展的需要，半导体及其应用研究中心正向微型或低维量子器

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