化学材料的发展与展望

化学材料是人们用来制造工具和产品的物质, 是人类生活和生产的物质基础。材料科学技术, 就是研究开发材料品种、功能及其应用的技术体系。从材料对生产力的发展、对人类生产和生活所起的基础作用来说, 人类社会的历史就是一部材料发展史。

1 化学材料的发展历程

材料是一切社会人们生产和生活的物质基础, 故历史学家常用材料名称来作为划分时代的标志。在人类的童年时代, 生产力水平极其低下, 人们找寻天然石块以及磨制有一定棱角的石器与自然界作斗争, 这一时期被称之为“石器时代”;后来由于金属铜和铁的使用, 人类迎来了“铜器时代”和“铁器时代”;资本主义工业革命后, 大规模地使用机器, 人类又进入了“钢铁时代”;本世纪20年代以来, 化学合成工业迅速发展, 一大批自然界本来没有的高分子化合物被人工合成出来, 并很快普及到社会生产和人类社会各个角落, 人类进入了“高分子时代”。由于现代许多新兴的技术部门需要使用一些具有特殊性能的材料, 科学家们把人类在古代就使用过的陶瓷材料来一个根本性的变革, 研制出一大批具有优越性能的所谓“精密陶瓷”材料, 未来学家们又指出, 我们将面临一个新的“陶瓷时代”。

从人类社会开始到本世纪20年代以前, 人类对材料的认识基本停留在表面的观察和经验性的积累方面, 所能创造和利用的主要材料几乎都是单一的。近几十年来, 由于现代物理学和现代化学、特别是固体物理和固体化学理论的进展, 加上用电子技术和计算机技术武装起来的分析测试技术的进步, 使人们对材料的认识从宏观到微观, 从而有可能在晶粒、分子和原子的水平上深入了解各种材料的物质结构以及发现不同的物质结构与性能之间的关系。特别是现代尖端技术创造的超高温、超低温、高真空、超高压、强磁场等条件, 使人们能够从本质上去认识材料的各种物理和化学性能。

材料科学技术是一门综合性学科, 一方面它要利用多种学科的理论与实践成果解决材料研究中的科学问题;另一方面, 它所研究的问题本身带有综合性, 是从各种各样的材料制造和应用中综合起来的。材料科学技术与多种学科和技术相联系, 它是多种学科和技术互相沟通的产物。它广泛涉及到力学、物理学、化学等多种学科的基础理论。材料科学的发展, 又为这些基础学科提供了研究的课题和资料。总之, 材料科学技术与多种学科和技术互相联系, 互相渗透, 互相促进, 协同发展。

2 材料科学技术的发展趋势

世界正在面临着一场新的技术革命, 而新兴核技术的物质承担就是新材料。正是新技术的需要促进了新材料的不断发展, 而新材料的发展, 又反过来促进了新技术的飞跃。另外, 军事工业的国际竞争激烈, 促进了新材料的高速发展。现代战争实质上就是科学技术的对抗, 就是新材料的的战争。在经济实力和战斗意志相近的情况下, 谁在武器的材料和其他相应技术上占优势, 谁就可能支配未来的战争。

现代科学技术的进步为新型材料的发展提供了可能。材料的发展经历了由简单到复杂、由宏观到微观、由以经验为主到以知识为主的过程。特别是近二三十年来, 对材料内部结构及其功能有了更深入的了解, 可以利用一系列新技术成果控制材料中的杂质和缺陷, 完善制备工艺和检测手段。新技术革命的到来、新产业革命的兴起, 不断向材料科学技术提出了新的难题。空间技术、能源开发、电子技术、激光技术、光电子学技术、红外技术、环境保护等新的技术应用领域对材料的要求不断提高, 为了迎接这些挑战, 解决这些难题, 材料科学技术目前正在向分子设计、多质合成、超级工艺的方向发展。

分子设计主要是根据生产和生活的需要, 综合物理、化学、生物、数学等基础理论, 运用计算机、激光、超声、电子等尖端技术手段, 配合一系列先进测试仪器, 在分子水平上研究材料的性能, 或利用原子结构理论预测未知材料的性能, 并根据指定性能和要求, 重新设计分子和新材料。如果这项高难技术能够趋于完善, 将会根本改变目前研制材料的方法, 使材料科学技术来一个划时代的飞跃。

复合材料是结构材料发展的重点, 其中主要包括树脂基高强度、高模量纤维复合材料, 金属基复合材料, 陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料, 其量大面广、经济实用, 具有广阔的发展前景。多质复合材料是用有机合成, 特别是无机合成的方法, 制造质轻、高强、耐热、耐腐蚀、长寿命的材料, 代替钢铁等金属作为新型的结构材料。这些材料是多种不同质类的材料在微观结构上扬长避短地结合起来, 突破了单质材料的局限, 性能大大提高。

信息功能材料增加品种、提高性能。这里主要是指半导体、激光、红外、光电子、液晶、敏感及磁性材料等, 它们是发展信息产业的基础。生物材料将得到更多应用和发展, 一是生物医学材料, 可用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等;另一是生物模拟材料, 即模拟生物的机能, 如反渗透膜等。

开发低维材料, 低维材料具有体材料不具备的性质。例如零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体, 以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性纳米级金属铝的硬度为块体铝的8倍;作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维, 作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都已显示出广阔的应用前景。

材料科学技术发展的另一个方向就是利用一些最新科学技术来改变材料的制造工艺和使用方法, 对传统材料加以新的利用, 并使新型材料具有特异功能, 以满足宇航、生物、能源、通信等技术领域的需要。

目前在新材料领域中, 正在形成一门新的分支学科-高分子智能材料, 也有人称机敏材料, 高分子智能材料它是通过有机合成的方法, 使无生命的有机材料变得似乎有了“感觉”和“知觉”。这类材料在实际中已有了应用, 并正在成为各国科技工作者的崭新的研究课题, 预计不远的将来这些材料将进入到我们生活中。

另外, 建立材料社会系统工程, 抓好材料信息网的建设, 做到各种材料的合理使用。开展对材料——能源——环境三者之间的综合研究以节省能源、保护资源、减少污染等问题也是材料技术所面临的课题。

摘要：化学材料是人们用来制造工具和产品的物质, 是人类生活和生产的物质基础。用材料作为时代划分的标志, 有“石器时代”“铜器时代”和“铁器时代”“钢铁时代”“高分子时代”, 目前, 一大批新型材料相继问世, 材料科学技术目前正在向分子设计、多质合成、超级工艺的方向发展。

关键词：材料,发展,历程,特点,展望

参考文献

[1] 王德胜.现代科技精华[M].宁夏人民出版社, 1993, 1.

[2] 宋健.现代科学技术基础知识[M].科学出版社, 中共中央党校出版社, 1995, 4.