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高新金属材料(1) 材料:人类社会前进的物质基础你的位置:首页>行业新闻
材料是人类社会前进的物质基础,是人类进步的标志,是人们用于制造物品、器械、机械或其他物品的那些物质,是物质的一大类,并不是所有物质都可以称为材料,如燃料、化学原料、工业化学品、食物、药品等等,一般都不算材料。材料总是和一定用途紧密相联。材料可由一种或几种物质组成,同一种物质,由于加工制造方法的不同,可成为用途截然不同类型和性能的材料。
材料分类
材料是人类生存和发展的物质质基础,与经济发展、国防建设和人们生活水平休戚相关。20世纪70年代把信息、材料和能源称为当代文明的三大支柱,80年代以高技术为代表的新技术革命,又把新材料、信息技术和生物技术誉称为新技术革命的标志和风向标。
材料除了具有重要和普遍性外,还具有多样性。由于种类的多样性,所以没有一个统一的分类标准。按照材料的物理化学性能不同,可把它们分为属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和由不同类型材料组成的复合材料。按照材料的用途,可以为分:电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材能、生物材料等等。更常见的分类法是把材料分为结构材料和功能材料、传统材料与高新材料。
结构材料是以力学性能为基础,用于制造受力结构件的一类材料。功能材料则主要是利用物质的独特物理、化学性能或生物功能特性等而形成的一类材料。一种材料往往既是结构材料又是功能材料,如等。结构材料对物理、化学性能也有一定的要求,如光泽、热导率、抗辐射、抗腐蚀、抗氧化等。
功能材料可分为无机功能材料与有机功能和复合功能材料,前两类还可以分为:磁功能材料、电功能材料、热功能材料、力功能材料、化学功能材料、光功能材料;复化功能材料可分为高分子系、金属系、陶瓷系复合材料。
传统材料是指那些成熟且可以商业化、批量生产与大量应用的材料,如钢铁、水泥、塑料等。这类材料由于用量大、产值高、涉及面广,又是不少支柱产业的基础,所以又被称为基础材料。新型(先进)材料,是指那些具有优秀性能和应用前景广阔、且在发展着的一类材料。传统材料与新材料之间并无鲜明界限。采用新技术可提高传统材料的性能,增加附加值便成为新型材料;新型材料发展成熟且在工业中批量生产并大量应用之后也就成为传统材料了。传统材料是发展新材料的基础,而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。
材料发展与进化的重要阶段
大家知道,人类社会发展与进化可分为几个阶段:旧石器时代;100万年以前至1万年前为新石器时代;1万年以前至5000年为青铜器时代;3000年以前进入铁器时代,中国的铁器时代始于公元前9世纪至公元前8世纪的西周晚期。实际上,人类从猿人进化为现代人、发展到有文字记载的文明人的历史,就是一部材料和技术演变史。中国是一个相传5000年的文明古国,在材料开发应用方面也有着光辉灿烂的华章,从古丝绸之路,到今天“一带一路”,一脉相承,它就是中华民族发现、发展的丝绸材料和其制品推向世界的见证。相传约5000年前黄帝时便发明了养蚕造丝。比丝绸更早,在史前文化中便有陶器的制作,并逐渐发展为世界闻名的中国瓷器文化。中国的铜器文化也赫赫有名,相传蚩尤就曾炼铜制剑。
人类繁衍增长、材料技术进步和人类文明发展之间有着密切的关系,从利用自然界石块,经过炼铜制铁,发展到制作合金材料、半导体材料和高分子材料等;技术上从用手、骨工具、陶器,到利用蒸汽机、计算机等;知识上从各种直观认识发展到自然科学和社会科学的各门学科。
纵观人类发现材料和使用材料历史,每一种重要材料的发现和广为利用都把人类支配和改造自然的能力提升到一个新高度,给社会生产能力和人们生活水平带来巨大变迁,把人类物质文明和精神文明向前推进一大步,进入一个新时代。如飞机性能的改善有2/3依赖于材料。
中国在西汉初期(公元前2世纪中叶)发明了生铁炼钢技术——炒钢技术。炒钢是两步法炼钢的萌芽,是具有划时代意义的重大发明。18世纪中叶,英国人发明了炒钢法,在产业革命中发挥了很大作用。马克思给予了高度评价,说不管怎样点赞也不会夸大这一创新的重要意义。
由于铸铁和生铁炼钢法的发明和发展,中国冶金技术在明代中叶以前一直居世界领先水平。公元一世纪时,古罗马博物学家普林尼在其《自然史》中说:“虽然铁的种类很多,但没有一种可与中国钢媲美。”中国钢铁产量在唐朝已达到1200t/a,宋朝为4700t/a,明朝最多达40kt/a多。在13世纪,中国是世界上最大的钢铁生产国和消费国,直到18世纪中期工业革命之前,中国钢铁工业一直是世界领跑者。
随着世界文明的向前推进,18世纪发明了蒸汽机,19世纪电动机面世,对金属材料提出了更高要求,同时对钢铁冶金技术产生了巨大的推动作用。1854年和1864年先后发明了转炉和平炉炼钢,世界钢产量飞速发展,1850年产量60kt,1890年达到2.8万kt,促进了机械制造、轨道交通与纺织工业的发展。
由于钢产量迅速增长与广泛应用,逐渐代替一部分铸铁作为机械制造、轨道交通、建筑与结构、桥梁、军工装备等的材料。钢铁工业的发展导致了重工业在工业中的比重飞速上升。从此,人类由“纺织时代”迈进了“钢铁时代”,开始了以电与钢为物质技术基础的第二次工业革命。
伴随着炉冶炼开始,不同类型的特殊钢先后面世,如1887年高钢、1900年18-4-1(W18Cr4V)高速钢、1903年硅钢及1940年奥氏体不锈钢(Cr18Ni8)。与此同时,1886年发明了铝的电解法,1888年世界第一家铝电解厂投产,镁、和一批稀有金属也先后面世,从而金属材料在整个20世纪占据了结构材料的主导地位。
世界近代史上,钢铁是国力最重要的标志之一,1949年新中国成立,钢产量只有15万t,1996年突破1亿t,跃居世界第一,2018年产量约8亿t。中国从1996年起是世界产钢大国,但还不是强国,在品种、质量方面还有一些差距,由大国变为强国需要一段较长时间,不是一蹴而就的。国家工业化、信息化、国防现代化对航空、航天、航海、轨道交通、电力、军工武器、装备制造等特种钢、高性能有色合金、新型金属材料与非金属都有大量迫切需求,中国已将包括新材料在内的高性能材料列为战略性新型产业,为国家经济转型、为中国能尽快成为材料强国而砥砺前行是我们当代材料人光荣而神圣的历史使命。
随着有机化学的发展,19世纪末,西方科学家仿制中国丝绸发明了人造丝,这是人类改造自然材料的又一里程碑,以后人工合成有机高分子材料相继问世,如1909年的酚醛树脂(电木)、1920年的聚苯乙烯、1931年的聚氯乙烯及1941年的尼龙等,以其性能优秀、资源丰富、建设投资少、收效快而得飞速发展。世界三大有机合成材料(树脂、纤维和橡胶)2018年已超过1.4亿t。
陶瓷本来早已用作建筑材料,由于其资源丰富、密度小、模量高、硬度大、膨胀系数小、耐高温、耐磨、耐腐蚀等特点,到20世纪中期,通过合成及其他制造方法,制出各种类型的先进陶瓷如Si3N4、SiC、ZrO2等。
复合材料是20世纪后期发展起来的另一类材料,人类很早就使用复合材料,如泥土中混入碎麻或麦杆用于建筑房屋,钢筋水泥是脆性材料和韧性材料的复合。近几十年来,利用树脂的易成形性和金属的高韧性,无机非金属的高模量、高强度、耐高温,制成了树脂基复合材料和金属复合材料,前者已得到广泛应用,后者因其制备困难、价格高而受到一定限制。为了改善陶瓷的性能制成了陶瓷基复合材料。碳使用温度最高,可达2500℃,为了克服其抗热震性差缺点,并提高其力学性能,制成了碳-碳复合材料,在各个部门都得到了卓有成效的应用。
功能材料自古就受到重视,今天是信息技术及自动化基础,特别是半导体材料出现后,加速了现代文明的发展,激光材料与光导纤维的问世,使人类社会进入了信息时代。硅是微电子技术关键材料。
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