材料科学发展概况

材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史，因此历史学家往往根据当时有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。旧石器时代可追溯到公元前 10 万年左右。原始人采用天

然的石、木、竹、骨等材料作为狩猎工具，但是生产效率非常低。公元前 6000 年，人类发明了火，掌握了钻木取火的技术。有了火，不仅可以熟食、取暖、照明和驱兽，还可以烧制陶器。陶瓷材料的发明和应用，创造了新石器时代的仰韶文化，后来在制陶技术的基础上又发明了瓷器。这是陶瓷材料发展的一次飞跃，瓷器（英译名为 China）的出现已成为中华民族文化的象征之一，对世界文化产生过深远的影响。

人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术来烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜。可以说这是人类社会最早出现的金属材料，它使人类社会从新石器时代转入到青铜器时代。我国出土的大量古代青铜器表明，中国历史上曾有过灿烂的青铜文化，仅由 1965 年在

湖北望山一号楚墓中出土的 2500 年前越王勾践的宝剑和青铜编钟来看，当时青铜器生产工艺已达到了很高的水平。

炼铜技术发展为炼铁应是顺理成章的事。用铁作为材料来制造农具，使农业生产力得到空前的提高，并促使奴隶社会解体和封建社会兴起。铁在农业上的广泛应用，推动了以农业为中心的科学技术日益进步。我国从公元前3 世纪起，即秦汉时代起就进入农业经济发达社会，到了唐宋时代，经济繁荣，科学文化发达，社会安定，国泰民安，处于盛世，形成了我国封建社会的科学文化高峰。正如英国李约瑟博士所说的：“在 3～13 世纪，中国保持一个让西方人望尘莫及的科学知识水平”。

18 世纪发明了蒸汽机，爆发了产业革命，小作坊式的手工操作被工厂的机械操作所代替。工业迅猛发展，生产力空前提高，迫切要求发展铁路、航运，使生产出来的产品远销他国，占据国际市场。社会经济的发展推动和促进了以钢铁为中心的金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会的生产方式，萌发了资本主义社会。

第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破，从此以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。

进入 20 世纪 80 年代以来，在世界范围内高新技术迅猛发展，国际上展开激烈的竞争，各国都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等领域占有一席之地。发展高新技术的关键往往与材料有关，因此新型材料的开发本身就成为一种高新技术，可称为新材料技术，其标志技术是材料设计或分子设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。材料的重要性已被人们充分地认识，能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱。

科学技术的发展对材料不断提出新的要求。以计算机技术为例，1946 年世界上第一台电子数字计算机 ENIAC 问世时，它是用 18000 只电子管组装而

成的，计算机总质量达 30 多吨，占地 150m2，耗电几百千瓦，但它所完成计算的速度还不如今天的一台微型计算器。因为那时用的是电子管，后来发展了半导体材料，并制成了晶体管。用半导体晶体管代替电子管，使计算机技术跨进了一大步。为了使计算机体积小、质量轻，人们把许多晶体管和连线集成在硅基片上，出现了所谓集成电路。集成电路不仅是计算机技术的基础，也是现代社会中通讯、电视、遥控等微电子技术的基础。

集成电路技术发展很快，标志集成电路水平的指标之一是集成度，它表明在硅基片（也称芯片）上容纳的晶体管的数目。现在最大规模的集成电路，每个芯片上的晶体管数目已达到 550 万个（Pentium PRO 1995），因而对单晶硅材料的纯度要求日益提高。集成电路的集成度规模直接影响计算机运算速度和内存容量，例如计算机内存容量为 64K，则要求集成电路在 7mm2 大小的芯片上连接 10 万个晶体管，晶体管之间用线宽为 3μm 的布线互相连接起来。在制作这么微小的电路时，即使有一粒尘埃落到芯片上，也可能引起断路，因此要求作为集成电路的硅芯片材料应是超高纯的，这就促使人们去研制超高纯半导体材料。没有超高纯半导体材料，大规模集成电路及相应的计算机技术难以实现。

目前人们正在探索实现三维集成电路的可能性，设想在硅芯片上的二维集成电路向空间发展，成为三维立体结构，期望集成度可能有新的突破，但对半导体材料的要求也越来越苛刻。

化学是材料发展的源泉 化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性能、变化及应用的学科。经过数百年的努力，化学家开发出许多存在于自然界中的人工天然化合物和合成了大量自然界中不存在的合成化合物，两者的总和已超过一千万种，1991 年已达到 1200 万种，而且还在以平均每天增加 7000 多种的速度递增着。这 1000 多万种天然和合成化合物构成了当今五彩缤纷物质世界的物质基础。人类的衣、食、住、行以及工业、农业、医药、卫生、环境等各行各业都需要化学物质的支持，因此人们称化学是一门中心科学，它与社会各方面的物质需要密切相关。

所谓材料是指人类利用化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。目前传统材料有几十万种，而新合成的材料每年大约以 5%的速度在增加。因此可以毫不夸张地说，化学是材料发展的源泉，也可以说，材料科学的发展为化学研究开辟了一个新的领域。高分子化学与高分子材料的发展是最明显不过的例子。二次大战后高分子化学蓬勃发展为高分子材料的发展打下了基础，合成出各种工程塑料、合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等。为了适应社会经济和高技术发展的需要，对研制具有特殊性能的功能高分子材料甚为迫切，这对高分子化学提出了新的要求，促进了高分子化学的发展。化学与材料科学保持着相互依存、相互促进的关系。