一、材料在人类社会发展进程中的作用

2019-11-24 作者:现代文学   |   浏览(168)

选读材料科学基础论文材料与生活

时间:2017-10-27 02:01点击: 次来源:好文学作者:编辑评论:- 小 + 大

随着社会的发展,材料在人类生活中的应用极为普遍。大到航天科技,小到衣食住行,在现实生活中无一处与材料科学无关。可以说材料科学每进步一小步,人类文明就进步一大步。

一、材料在人类社会发展进程中的作用

所谓材料,是指经过某种加工,具有一定结构、组分和性能,并可应用于一定用途的物质。在实践中,人们按用途把材料分成结构材料和功能材料。结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。功能材料则主要利用其声、光、电、磁、热等性能。按化学成分分类,则可把材料分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料及复合材料等。

某一种新材料的问世及其应用,往往会引起人类社会的重大变革。人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代,通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存,随着对石器加工制作水平的提高 ,出现了原始手工业如制陶和纺织,人们称之为新石器时代。青铜是铜锡铝等元素组成的合金,与纯铜相比,青铜熔点低,硬度高,比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代则被认为是始于2000多年前,春秋战国时代,由铁制作的农具、手工工具及各种兵器,得以广泛应用,大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用,人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用,则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。基于材料对社会发展的作用,人们已提出信息。能源和材料并列为现代文明和生活的三大支柱。在三大支柱中,材料又是能源和信息的基础。

二、新材料在高技术中的作用

新材料既是当代高新技术的重要组成部分,又是发展高新技术的重要支柱和突破口。正是因为有了高强度的合金,新的能源材料及各种非金属材料,才会有航空和汽车工业;正是因为有了光纤,才会有今天的光纤通讯;正是因为有了半导体工业化生产,才有今天高速发展计算机技术和信息技术。当今世界各 国在高技术领域的竞争,在很大程度上是新材料水平的较量。50年代末,美国政府

就制定了全国材料发展规划,70~80年代又进行了多次的补充和修正,把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本在1980年开展了为期10年、耗资4亿美元的新材料发展规划,重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。某些具有特殊性能的新材料的出现,引起了今天的高技术突飞猛进的发展。

三、材料科学与经济发展

由于材料科学的发展水平与高新技术的发展是相互依存的,因此新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。有人曾作过粗略计算,以每公斤产品的出厂价格计算,把原材料比作1,那么小轿车为5,家电为30,飞机为200,计算机为1000,集成电路芯片则为10000 。由此可见,产品中的技术含量越高,收益就越高。在从工业社会向知识经济社会的过渡过程中,工业产品结构中传统的金属材料比重降低了,无机非金属材料、有机合成材料的比重越来越大,产业结构也从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密集型方向发展。新材料新技术的发展使美国经济繁荣不衰,已连续9年保持高增长。总之,以新材料为基础的一批新兴产业正在迅速兴起,并成为许多国家新的经济增长点。

四、当前新材料的发展方向

1.高性能化、高功能化、高智能化

随着人类对材料的性能与微观结构的研究与认识,决定材料性能的本质已被或正在被人们揭示和掌握,并通过新工艺、新技术、新设备,在日益成熟的现代材料设计理论的指导下,创造出各种性能更好的新型材料。结构材料在向强度、刚度、韧性、耐高温、耐腐蚀、高弹、高阻尼大幅度提高的方向发展。高性能结构材料不断出现和广泛应用,促进新产品向体积小、重量轻、资源省、 能耗低、成本低、利润高的方向发展。功能材料也在由单一功能向多种功能开发方向发展,并把功能材料与元器件结合起来,实现一体化,即材料本身就具有元器件的功能,这样就促进了元器件的小型化和多功能化。智能材料是近年来与信息科学紧密结合而产生的,它同时具有感知和激励双重功能。如形状记忆合金,压电陶瓷,光导纤维,磁致伸缩材料等。智能材料是一种超功能材料,这些功能往往能够解决传统材料难以解决的技术难题。在重要工程和尖端技术领域具有重大的应用前景。

由于单一材料,如金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料都有各自的优缺点,难以满足当代高技术中综合性能的要求,因此现代材料科学正朝着复合材料方向发展。把不同种类和不同性能的材料通过一定的途径和技术复合为一体,扬长避短,取长补短,可获得比单一材料性能更好或具有某种特殊性能的复合体材料。例如,由碳纤维增强的陶瓷基复合材料,其抗冲击强度比普通陶瓷高40倍,能经受数千度高温,已成为航空工业的重要结构材料。材料的复合化是改进和提高材料性能的一条很好途径,是当前新材料研究的重要发展方向。

极限化的含义是指在尺寸、压力、温度、纯度各种量纲范围内追求极限,而使材料的性能产生根本性的飞跃。例如,在超高温、超高压条件下用石墨可合成金刚石,在超高真空中、制备新型的半导体器件和高度集成的芯片。利用宇宙空间实验室内的微重力、高真空、超低温、无菌等特殊环境制备在地面无法制备的具有特殊性能的新材料,如合成新医药制品、冶炼高纯金属等。

通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能,获得一种制备新材料的思路和途径,并在某些材料的设计和制造中加以模仿。用现有简单而丰富的原料,通过错综复杂的生物过程制得高强度和多功能的新材料。例如,人们对蜘蛛丝的研究发现,蛛丝比钢丝更硬更富有弹性,具有很强缓冲外力冲击能力,而且低温性能良好,是制造防弹服装和降落伞的理想材料,于是人们得到启示,通过把水溶性的蛋白质分子纺织成既坚韧又不溶解的人造蛛丝,用来制作军用品。某些仿生材料以生物体合成的蛋白质为基础,用它取代以矿石为原料的金属材料和以石油为原料的工程塑料高分子材料,既能解决资源能源枯竭问题,又对环境没有任何危害,从而开创材料科学技术的新纪元。

在资源不断枯竭、环境不断恶化的情况下,为确保人类社会文明可保持发展,材料科学家提出了绿色材料或环境友好材料的概念。它是一种资源和能源消耗少、再生循环利用率高,或可降解使用的具有优异适用性能的新型材料。与传统材料相比,环境友好材料充分注意到人类发展的长远利益,以满足人类社会可持

续发展的目标。例如,废弃的普通塑料越来越多,并因其耐久性而长久存留自然界已经成为公害。目前研制出的可降解塑料,如生物降解塑料、化学 降解塑料、光降解塑料,就是利用微生物、化学或光照的作用把塑料降解掉,变成无害物质回归自然。

21世纪将是以新材料为重要基础的知识经济时代,对于我国来说,既是一场挑战,又是一次机遇,谁掌握了先进的材料,谁就能在高技术及其产业的发展上占有主动权。作为我们跨世纪的青年一代,应当努力汲取前人在材料科学领域积累的智慧和经验,开拓创新,积极参与新材料领域的国际竞争,为我国经济的“两个根本性转变”和可持续发展作出贡献。人类的生活演变,除了思想观念之外,物质的发明扮演着相当重要的角色。人们也因为材料的进步而改善了生活的壮况。

大致而言,材料的发展可分为三个时期:分离型:材料单纯而简单,可直接视为单一材料,只对本身的特性加以应用,而材料的组成只有一种,不掺杂任何材料,即金属是金属,陶瓷就是陶瓷。混合型:是由二种或二种以上的材料所组成,应用彼此间特性的相结合而发展出的新产品。融合型:是由多种材料合成在一起,已经不能分辨各种物质的材料,是一创造发明出的新材料。 由于材料发展不断推陈出新,各种应用更是处处可见材料的身影,而且对人类生活的影响更是深远。所以,材料科学不仅仅是一门学问而已,它的发展与我们的生活息息相关且密不可分。材料的应用非常广泛,且对于人类的生活影响也非常深远。关系到日常生活的食、衣、住、行、通讯以至军事国防及太空发展等等,无一不与材料有关。

总之,材料科学应用的范围实在太多了,从日常生活的食、衣、住、行到军事国防,无不与材料发生关系。而除了上述的应用之外,目前更值得研发的新材料,如高温超导材料、石膜材料以及附有人工智慧的材料,而新材料势必将主导未来的世界。材料是工业的基础,材料科学的发展是具前瞻性的,是走在时代的尖端,它决定了人类的生活方式,为人类的未来生活画出蓝图,使人类的生活品质不断地提升。所以说材料科学对人类生活的影响甚大,以前如此,未来更是如此。

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