重构世界

一人类文明发的里程碑

人类一直努力地创造新产品，并无休止地寻找所需要的材料。若干世纪以来，材料已从石头、骨头、木材扩大到粘土、钢和二十世纪的宠儿——塑料，等等。每一种新材料都使人们的日常生活发生巨大的变化。人类社会发展的历史证明，材料是人类赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础，是人类文明发展的里程碑。

材料分子工程学（或称材料分子设计）的倡导人 A. R.冯·希珀尔（A.R.Von Hippel）教授有一句名言：“人们可以按照材料的变革和用途谱写人类文明史。”美国国家科学院材料科学与工程综合调查研究执行委员会主席莫里斯·科恩（Morris Cohen）教授亦强调指出，人们可以把材料看成为人类赖以跨越时代的一种物质。由此可见材料在人类文明史上的举足轻重的地位。人类古代史是按生产工具的三个发展阶段划分的：石器时代、青铜器时

代、铁器时代。上述三个时代均以其当时的代表性材料而命名。

在遥远的原始人时代，以石器为主要工具，称为石器时代；公元前 5000 年，人类进入了青铜器时代，人类在寻找石器过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶金术，开创了冶金技术；公元前 1200 年左右，人类进入了铁

器时代，开始使用的是铸铁，嗣后制钢工业迅速发展，成为 18 世纪产业革命的重要内容和物质基础。随后有色金属开始大量生产，高锰钢（1882 年）、镍钢（1889 年）、钒钢（190 年）等现代合金钢便迎来了新纪元。

20 世纪中叶以来，科学技术突飞猛进、日新月异，作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为“高分子时代”、“半导体时代”、“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等种种提法。

新材料的发展历程中，有一个耐人寻味的循环。科学家将我们的当代社会称之为“先进陶瓷时代”，它的出现使材料的发展颇具有返老还童的诗意，即它起源于第一个石器时代，而将迎来第二个石器时代。

陶器时代人类发明摩擦生火后，便开始了陶器时代。如公元前 7000～ 5000 年（第一个石器时代），我国河南渑池县仰韶村居民以及西亚地区的居民都已经掌握了火烧粘土的制陶技术。后来巴比伦、秦代采用大量砖瓦筑城和修建长城、阿房宫，这就标志着制陶业派生了建筑材料行业，特别是埃及进入奴隶制国家后，制陶工艺进一步发展到彩陶，并且掌握了制造玻璃的技术。

瓷器时代瓷土（高岭土）的发现与利用，高温窑的创造成功，再加上釉的出现以及还原焰的运用，原始青瓷器就应时脱胎而出了。商、周时候的“青釉器”，学术界称为“原始瓷”或“原始青瓷”。瓷器的发明是我们民族对人类文明的又一项重大贡献。

陶瓷时代 “陶瓷”并不完全指的是土砂，而是指除金属、塑料外的几乎任何固体。先进的陶瓷甚至是由氧化金属制成，这种陶瓷是不会生锈的。1885 年，德国陶瓷学家 H.塞格（H. Seger）发明了窑炉用标准测温堆系列，标志着陶瓷时代的到来。特别是 19 世纪末，以硅酸盐工业为基础的工业之间，普遍建立了十分密切的联系。

先进陶瓷时代第二次世界大战后，一度掀起了高温高强材料和功能材料的热潮，各国不但开发氧化物特种陶瓷，而且还着手研究非氧化物特种陶瓷。有鉴于此，美国陶瓷工程师国家协会的政府术语委员会，曾对陶瓷下定义为：

“陶瓷是由无机非金属矿物质原料组成的和用任意种类方法制造的（通常经过高温处理）那些制品的通用术语。”特别是本世纪 70 年代以后，更加要求由“可用陶瓷阶段”推进到“可靠陶瓷阶段”，美国便将这些新型陶瓷材料称为“尖端陶瓷（Advanced Ceramic）”，而日本则将高技术陶瓷称为“精细陶瓷（Fine Ceramic）”。总之，我们的祖先从粘土瓦罐发展到青铜时代、铁器时代和钢器时代。现在金属时代正被日益取代，它激起了世界范围的竞争，谁获胜谁就将成为新石器时代的统治者。

所谓新材料，是指当今高技术时代发展起来的，具有传统材料无法比拟的完全新的各种功能，或具有明显优异性能的材料。

新材料发展十分迅速，其品种每年以 5％的速度增长，相当于每年有 1.25

万种新材料椎出。化学元素周期表中已有 90 多个元素在工业上全部被采

用，世界上现有 800 多万个化合物，还在以每年 25 万个的速度递增，其中相当一部分有发展为新材料的潜力。

新材料品种繁多，习惯上把已有的材料按物质的属性（或化学键的性质）分为金属、有机高分子、无机非金属（包括陶瓷、半导体以及不属于金属和有机高分子的其它材料）等三大门类以及它们的复合材料。如果按使用性能的侧重点分，则分为结构材料和功能材料两类。所谓结构材料，主要用于产品或工程的结构部件，着重于材料强度、韧性等力学性质的材料；所谓功能材料，则是利用材料所具有的电、磁、光、声、热等特性和效应以实现某种功能的材料。

在材料家族中，结构材料占有很重要的地位，它的用途广，用量大，钢铁和其它金属材料在最近几十年或更长一段时间内，仍将是结构材料的主体。但由于有机高分子材料和陶瓷材料的兴起，加之金属矿物资源的日益枯竭，金属材料所占的比重和重要性将逐渐有所下降。有机高分子材料以其原料丰富、成本低、加工方便等优点，发展极为迅速，其年产量按体积计，早已超过了金属材料。陶瓷材料的重要性也将越来越明显。

高性能结构材料对航空航天、海洋开发、交通运输、能源、化工、机械等许多工业部门起着重要作用。

高性能结构材料的研究，为航空航天等相关领域提供了高比强度、高比模量、耐高温、韧性好、抗腐蚀的支撑性关键新材料，并促进现代材料科学与技术的发展。

功能材料是材料家族中的后起之秀。功能材料往往用量少、但附加值高。除少数几种材料外，大多数是近几十年内伴随高技术的产生而发展起来的，今后在新材料中将占有更为重要的地位。

现代新材料的发展潮流以新型功能材料为主导，是由于信息技术、空间技术、能源技术和计算机技术等领域对材料提出的光、电、声、磁等特殊物理性能的要求。

人们普遍认为，21 世纪世界将进入信息时代，相应的光电信息材料将在信息的获取、传输、存储、显示和处理与计算等方面发挥重要的作用。因此光电信息材料是高技术功能材料研究的关键材料之一。在我国“863”计划中已重点安排了新型半导体光纤、特种功能薄膜（包括金刚石薄膜、特种陶瓷膜和 LB 薄膜）。新型非线性光学晶体与激光晶体、新型光存储与显示材料、精细陶瓷、精细复合光电功能材料和新型有机光电材料等专（课）题。

对一个国家而言，能否保持强大的综合国力，能否在现代科学技术上处

于领先地位，掌握一批新材料是十分关键的。因此，各发达国家都把新材料的研究、开发放在突出的地位。

1981 年日本科技厅制定的“创造科学技术推进制度”中共七个项目，与新材料有关的就有四个；日本通产省制定的“下世纪产业基础技术研究开发计划”中，共有 12 个项目，新材料即占了一半。

美国为保持军事上的优势，投入了巨额资金发展高技术，大大刺激了新材料的发展。1983 年美国提出的“星球大战”计划中把新材料放在更为突出的地位，所以目前美国材料研究的水平，在大多数领域内仍占有优势。原苏联为了与美国抗衡，十分重视与军事工业有关的高技术，所以对材料研究也相当重视。

以法、德为核心的欧洲各国，为摆脱高技术研究上起步晚、相对落后的局面，广泛开展了多国合作，以便与美、日抗衡。以“尤里卡”计划为代表的五个庞大的欧洲合作计划中，对新材料也给予了足够的重视。

据估计，美国、法国投入材料科学研究有关的人力和经费占整个科研人员和经费的一半左右，目前美国每年用于与材料有关的研究费用高达千亿美元。

我国的基础工业水平和经济实力还比较落后，高技术研究水平与先进国家相比还有相当大的差距，作为高技术基础的新材料研究与开发的水平差距则更大，许多关键性的材料还依赖于进口，为了缩小这一差距，加强新材料的研究与开发，除了在全国重大科技攻关计划中作出安排外，1986 年起国家又制定了“高技术研究发展计划纲要”（即“863”计划），新材料是纲要中所提七个优先发展领域之一；1988 年又制定了为促进高技术成果商品化、推动高技术产业发展的“火炬”计划，1991 年起制定了为推动重大基础研究的“攀登计划”。在这些计划中，对新材料的研究在各个层次上都给予了足够重视，为今后新材料的研究、开发和生产，创造了较为良好的条件。