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材料科学 材料的历史 材料与人类文明 简单回顾一下历史便可知晓，正是在历史发展过程中以及与此相联系的 人类知识和经验的增长过程中，材料的使用才得以发展。我们可从中得知 是哪些或哪类材料在一定的历史条件下最能满足技术和经济的需要；同时还 可看到，材料的发展与社会的发展以及人类文明之间贯穿着一条辩证的线 索。 在人类发展史的早期阶段，直接获取的自然财富被用于满足最简单的需 要。自然财富、原料、材料、产品阶段几乎是协调一致的。由于没有分工， 并且只不过是满足自身的直接需要，所以精加工的劳动比重很小。随着分工 程度的深化，对在自然界寻觅到的原始材料进行加工的兴趣提高了。此后， 长期以来所形成的社会关系，不断提供新的途径来更多地生产消费品和改善 居住条件。如果人类想要改善生活条件，那么无论在哪个社会阶段，都必须 发展技术及与此相联系的材料使用为前提。人身体上的“工具”、“发动设 备”和感官均有局限性。如果没有具备相应数量、质量、形式和布局的一定 材料，没有必要的知识和技能，人类便会停留在原始阶段。 数百万年前，人类摆脱了动物界，开始有意识地使用石头。除了骨头之 外，石头是人类最早使用的材料之一。起初这种材料造型粗糙，但后来经过 加工，使人类得以掌握多倍于体力的力量，人类被迫发展那些在与环境斗争 中取胜的能力。人类先是用石头和骨头制成简单、基本的工具来补充手掌、 手指、指甲和牙齿的功能。这些工具是手握的。当他们获得了不仅使用原始 石头，而且进行加工的能力后，几乎等于完成了一次革命。当人类约在 5 0 万年前使用火时，石料的价值就更大了。人类是由劳动创造的，劳动又是从 制造工具开始的。在已经发现的旧石器时代的人类遗址里，可以看到我们的 祖先用石头打磨制成的石刀、石斧、刮削器等，这些就是人类早期曾经用过 的工具。劳动工具的出现，也带来了社会物质和人类文明的进步。 四、五十万年前北京猿人群居洞穴，狩猎为生，使用的工具主要源于石 头和骨头，制作粗糙，用途尚未分化。他们的生产力水平低下，生活维艰， 甚至弱肉强食。考古学家还发现猿人有食人之风，也许猿人根本没有意识到 这样做是否道德。至于打扮自己美的概念，他们连想也不会想。 在 1 8 ，0 0 0 年前山顶洞人的洞穴里，曾发现七件穿孔的石珠，五件穿孔 的海蚶壳和一百多只穿孔的象牙。这说明了比较温饱的人类萌发了爱美之 心。山顶洞人掌握了磨制和钻孔技术，能制造比较精致的石器和骨器，用骨 针把兽皮缝制成衣服。 古生物学研究证明在这个时期，除了能加工粗糙的石器外，还能制造 工具。除了拳状锲之外，还有刮刀和刮板。骨头、象牙、石头和植物编织物 被用来制造鱼叉、鱼钩和鱼网等。原始时代和史前时期用“划时代材料”来 命名历史阶段，形象地说明了材料在人类历史上的重要性。 公元前 1 5 ，0 0 0 到 1 0 ，0 0 0 年之间，形成了早期的农业。此间产生的初 期劳动生产力革命农业革命的必然结果，是原始社会的解体。虽然材料 仍局限在传统原料之内，但人的能力提高了。他们可以把材料加工得更加精 细，而且富有艺术性。 约在公元前 7 0 0 0 年，开始了最早的社会分工，形成了游牧部落和农耕。 同时，材料及其产品有了进一步的发展，如罐壶、纺织和编织产品。至此， 人类活动的产物主要来自直接支出的劳动，即活劳动。直到劳动分工和出现 专式的制作时，劳动过程的组成部分才被加以区别。这就是劳动力、劳动工 具和劳动对象。这个时期（其演变过程长达数千年）可看作是材料诞生的时 期，劳动是慢慢地被物化了。 六千多年前的西安半坡遗址为我们提供了丰富的文物和史料。出土的汲 水用尖底陶罐、鱼纹彩陶盆、口沿有几十种符号的陶钵都十分精美。半坡人 普遍使用磨制的石铲、石刀等石器。他们还把骨、角制成针、锥、鱼钩、鱼 叉和弓箭。岩石、兽骨和陶土成为他们熟悉的材料。 石器的使用历史最为漫长，达二、三百万年之久。后来由于生产力的发 展，我们的祖先在不断改进石器和寻找石料的劳动中，发现了天然铜块（自 然铜），把它加热锻打，加工成各种器物，铜首次被有意识地用来作为材料。 后来又发现把锡矿石加到铜里一起熔炼，制成的物品更加坚韧耐磨，这就是 青铜。一般来说，原始的农业、手工业和文字是青铜时代的特征。 公元前 5 5 0 0 到 4 0 0 0 年之间，随着灌溉技术的出现以及顺乎自然而形成 的手工业，人类进入其生存的一个新的历史阶段。早期东方人在河谷地区居 住，使农业和手工业分开。这是第二次大的社会分工，它使劳动生产率急剧 增长，从而使少数人能够占有剩余产品和行使他们的权力。可以想像，一个 古代狩猎者为保障其生存基础，需要有 2 0 平方公里的猎区；而以农田为生存 基础的耕农，则可在相同的面积上养活 9 0 0 0 人。显然，这个时期的初期已取 得了巨大的进步，而后来的自然手工业和灌溉技术更使其大大向前迈进，彩 陶是这个时期引人注目的改进。考古人员除发现了简单的用品外，还发现大 量的容器，尤其是有相当艺术价值的绘画的容器。金属铜比石头具有更广泛 的用途，这使它更广泛被采用，而石头作为材料已退居第二位。更主要的发 展成果是青铜，铜具有这种形式后，才大大优于石器。起初，人们只是无意 识地在铜内加入其它金属，如铅、锌、银和锡而得到合金。但不久便认识到， 这些真铜和假铜具有比纯铜更好的性质，而用 6 ～2 0 ％的锌制成铜合金的效 果最佳。 在青铜时代早期，就发明了金属浇铸这一重要工艺技术。它主要用于合 金成分大于 1 0 ％的合金，因为这时已经不能再用锤打的方式进行加工。青铜 熔炼是个突破，此后便能生产成分不同的新材料，冶金迈入技术历史的前列。 随之而来的是金属分割、成型、焊接等不同的金属加工技术，同时，也使社 会物质水平和人类文明得到不同程度的提高。 在五千多年前的仰韶文化遗址中，发现了陶制纺轮和骨针，有的陶器上 留有麻布纹的痕迹，说明人们已懂得纺织。在 3 5 0 0 ～3 0 0 0年前的商代遗址 中，出土了大量青铜器，包括青铜乐器铜铙。河南安阳出土的商代晚期大司 母戊鼎重达 8 7 5 千克，以其精美壮丽闻名中外。商代的墓葬物中已经有镀锡 的铜器和锡、铅、金器，商代的甲骨文字中，有不少“车”、“舟”、”帆” 字，反映出当时的交通已有相当高的水平。 我国的青铜冶炼始于夏代（公元前 2 1 4 0 ～公元前 1 7 1 1年）。进入奴隶 社会以后，炼钢技术发展很快。所使用的劳动工具、武器、食具、货币、日 用品和车马装饰，都是用青铜制造的，显示出我们祖先精湛的艺术才能。更 主要的是青铜材料代表一种新的生产力登上了历史舞台，有力地促进了生产 的发展和人类文明的进步。 铁的出现，在很大程度上与陨铁的发现有关，但铁矿开采可能与铜矿开 采有关。铁加工曾有两个技术中心，一个中心是西亚，另一个中心是中国。 在那里，当时正向最早期的机械过渡（使用动物和水轮作动力的最老的机 器），直到 1 8 、1 9 世纪的工业革命才从数量和规模上超越了这个阶段。越来 越多的手工业者能自力开采和加工金属。少数锻工场掌握了加工和制作最精 良铜材的技术。淬火钢获得了声誉，古代称之为塞乐铁。为获得熔化金属矿 石达到的温度，使用了木炭。但如果没有充分的氧气，木炭最高只能达到 9 0 0 ℃，被熔碴污染的初级产品在炽热状态下加以锤打，使其净化，从而可得到 可锻铁。根据考古挖掘和现有的文献来判断，铁在公元前 1 2 世纪最终占据了 统治地位。 2 7 0 0 ～2 4 0 0 年前的春秋时代，我国人民已经掌握了冶铁技术，比欧洲早 1 8 0 0 年左右。那时是战国时代，铸铁的生产和应用显著扩大，已经使用铁模 铸造农具，白口铁、展性铸铁、麻口铁等品种相继出现，进而由铸铁发展到 炼钢，并且发展了三种不同的炼钢方法。 我国的传统冶炼和浇铸技术，包括精密浇铸技术延续发展了一千多年， 直到六百多年前的明朝还在世界上处于遥遥领先地位，这也是我国灿烂的古 代文化繁荣的基础，我国劳动人民对人类文明作出了巨大贡献。 在公元一世纪来临时，技术发展达到了第一个高潮。罗马帝国的崩溃和 此后许多世纪许多社会生活领域的停滞不前，禁锢了技术的进步。 工业革命与新兴材料 公元 1 0 0 0 年以后，技术领域才开始了一个新时代。原料的开采和加工技 术经历了重要的繁荣阶段，当时以水力为驱动能代替以往动物和人的力量。 利用水力驱动的鼓风机使冶炼达到的温度，可将铁化为液体，铁在炉火中被 加工成可锻铁，从而发明了精炼法。此法直到 1 8 世纪末才被其它方法淘汰， 直到这时才可以大量生产质量较高的铁。 1 8 世纪是技术革新的世纪。对行将到来的基础材料工业发展来说，最重 要的发明是人们掌握了用硬煤炼焦并用于为炼铁输入能量。后来很快就发明 了搅炼法，这种炼钢法可使用硬煤而不使其接触铁。1 8 5 6 年，在把常压空气 鼓进一个转炉内将铁变为钢的时候，引起了极大轰动。1 9 世纪，西汀丁 马丁法和托马斯法标志着炼钢技术的完善。 在此，涉及到材料史上一个新的历史阶段。因为它是科学技术革命以前 人类历史上整个生产力系统第一次革命性转变的标志，故对其作几点重要说 明。 1 8世纪中期，可以看出当时最进步的国家（如英国）的技术发展趋势， 这种发展在数十年内即导致阶级结构发生史无前例的变化，这就是 1 8 、1 9 世纪的工业革命。当（1 8 7 9 年）革命的风暴席卷法国时，英国正在发生比较 安静的、但同样是巨大的变革。蒸汽和新的工作母机把手工工场转变为现代 化大工业，从而使市民社会的全部基础发生了革命性变化。手工工场的缓慢 发展过程转变为一个真正暴风雨般、突飞猛进的生产阶段。 劳动手段的变化，即从工具到机器的飞跃，促使其它工业部门也不能停 滞不前。机器在重工业和交通中的应用也具有同样重要意义。这种变化与材 料有多大关系呢 1 8 世纪中期，由于生产金属所需的木炭不断增加，使英国的森林遭到严 重砍伐。如果仍然不控制砍伐，便威胁到水土的保持。寻求新的、利用硬煤 炼钢方法，不但能使生产保持当时的水平，而且能加以提高，以适应国民经 济增长的需要。经过许多试验终于达到目的，1 7 5 9 年卡龙制铁厂首次用煤代 替木材。 1 7 5 0 年一炉的产量约为 3 0 0 吨， 而 1 8 0 0 年之后已达到 1 5 0 0 吨， 1 7 8 3 年首次使用的炒钢法使钢铁生产发生了一次革命，它提高了钢的产量，最后 还成功地把蒸汽机用在钢铁的生产中。在此之前，蒸汽机已经用在深度日益 增加的矿山，以解决排水问题。 随着纺织工业建设对机器需求的不断增长，出现了新的工业部门机 械制造工业。这个工业的劳动对象很久以来始终是木材，而且动工方式最初 大多是木材加工，后来对铁、钢、黄铜和其它材料逐渐增多加工。在资本主 义生产把国民经济立于新的基础上、将它所占领的市场统一为国内市场的情 况下，必须用新的交通系统把生产与消费、原料与销售市场联系起来。因而， 建造铁路就成为工业革命的巨大推动力，“钢铁时代”来临了。但这个时代 几乎没能达到其骄傲的顶峰，因为新的材料已经问世了，那就是塑料。 天然产物的转换及合成材料的历史同焦油染料工业的历史有密切联系。 焦油染料工业在 1 9 世纪末期是作为过去有机化学的工业结晶而形成的。 随着 硬煤炼焦的增多，焦油产量也增加了，因此人们普遍寻求利用这种废物的方 法。1 8 5 6 年，英国人威廉亨利泊金找到了一种大规模生产有用染料苯胺 紫的工艺。当科库勒斯于 1 8 6 5 年发现苯的化学式碳化物的关键，一个新 的工业就诞生了，最初主要生产染料和药品。1 9 世纪 7 0 年代至 9 0 年代是以 电磁理论的建立及其在工业上的应用为主要标志的。法拉第发现了电磁感应 现象以后，有实用价值的发电机已经制成。但是，电在工业上的应用，并不 是从制造发电机开始的。也就是说，电不是首先作为能源使用，而是用于电 报和电话等通信事业。因为那时候电灯、电动机等一类电器还未出现，发电 机发出的电用不了， 电没有多大销路， 因此电力工业得不到大发展。 自从 1 8 7 9 年美国大发明家爱迪生发明了白炽电灯以后，每家每户都用电照明，用电量 猛增，大规模工业发电才迅速发展，电力革命的曙光才照到人间。 白炽灯泡的发明，是与灯丝试验成功密切相关的。爱迪生花费了一年多 时间，一共试验了一千多种灯丝材料，最后采用碳纤维才获得初步成功，以 后又改用高熔点的钨作灯丝。大大小小的电灯泡推动了美国工业发展，发电 厂（站）像雨后春笋般建立起来。电力工业发展的需要，促进了发电机、电 动机、变压器、电线和电缆工业的诞生和发展。同时，还推动了材料与工艺 技术的发展。例如，各种导体、绝缘体以及后来半导体材料的发现；电镀、 电解、电焊、电火花加工等新工艺的应用。 工业革命后英国的钢铁产量大幅度上升，年产量从一万吨猛增到 1 3 0 万 吨。钢铁、无机化工材料、机械等工业产品占世界总产量一半以上，获得了 “世界工厂”的称号。这次工业革命，正如 1 8 4 8 年共产党宣言中所说的 “资产阶级在它的不到 1 0 0 年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时 代创造的全部生产力还要多，还要大。” 本世纪前半期，则以核能、飞机、汽车、化工和电子计算机的发明或发 展作标志的。放射性材料镭和钋发现以后，核裂变原理取得重要成果，核能 开始被利用。飞机的革新是与航空材料的进步密切相关的；1 9 2 7 ～1 9 3 1 年是 化工技术发生转折的时期，继塑料以后，合成橡胶和合成纤维材料相继问世， 使有机合成材料工业进入一个崭新阶段；本世纪初，内燃机技术取得突破， 汽车开始大量生产；还有 1 9 4 5年世界上第一台电子计算机的发明；1 9 5 7年 第一颗人造卫星上天等。 当今世界，我们正面临着又一场新的技术革命有人称之为第四次工 业革命。这次革命是以信息科学、材料科学和生物科学为前沿的。世界科技 界权威人士认为，这场工业技术革命所带来的影响和创造的社会财富，将远 远超过历次工业革命。 在回顾历史时，不仅要看到质的问题，也要看到量的问题。从时代上看， 材料的发展是相当缓慢的。用于材料的原料长期以来是有限的，只是随着工 业革命及其产生的社会效果，才发生了变化。不同材料领域的科技迅速进步， 在很大程度上标志并丰富了我们的时代。 原料能提供无穷财富吗 原料的基础包含于物质世界之内。人类通过劳动，将天然状态下的物料 （其中有 7 5 ％属于天然宝藏，2 5 ％来自农业、林业和海洋经济）略加处理， 便取得原料。实践中还分为一次原料和二次原料。前者从自然界中分化出来， 并只经过一个阶段的加工；后者是在生产消费或个人消费的一定阶段上分出 并返回生产过程。物料（天然资源）经过人类的劳动转变为原料。人类把原 始的、天然的物料从其自然结构中分化出来，在这个阶段，原料成为社会上 的消费对象或生产资料。由此可以得出结论要满足人类的任何物质需要， 都要有原料。因此，对原料的需要将经历长期的、然而却是根本的转变。动、 植物产物用来维持生命，这是原料的第一个和最低级（然而也是最必要的） 形式。人类当时对于物料变化的过程认识很有限，千万年来，寻找到的天然 宝藏和财富很少得到精加工。随着手工工场的出现，劳动分工和专业化的进 一步发展；随着生产率的提高，人们曾努力深入认识生产所用原料的奥秘。 开始时根据经验成功发现的方法，可以反复出现，这就促使人们更深入地认 识物质，寻找规律。人们开始掌握了这方面的必要知识，出现了关于物质内 在联系的最早的科学研究。有趣的是，其起源是地质学。起初地质学的研究 方向只是天然宝藏，探明矿床和开采方法。后来，社会需要要求地质学从一 种寻找和发现的学说向着原料方法方面进一步发展并实现专门化。这个时期 的特点是人类利用附近环境的资源可以满足他们对原料的需要，而且用这 种形式也可以满足在数量和质量上更高的要求。 最近 2 5 年，全世界生产了约 4 0 0 亿吨石油，这相当有史以来全部产量的 8 0 ％；同样，煤产量约为 6 0 0 亿吨，铁矿约为 1 2 0 亿吨，分别相当于有史以 来产量的 4 0 ％和 6 0 ％。过去的 2 5 年，世界人口增长到原来的 1 . 6 倍，煤和 铁矿等重要原料的产量增加到原来的二倍，石油增加到五倍，天然气增加到 四倍。为了扩大生产，要求探明更多、更好的矿床。一方面要勘查新的矿床， 另一方面也要采用新的开采和选矿工艺，以利用品位低的原料。 地球上的五十多亿居民的原料需要取决于以下两个重要因素用作能源 和主要材料的原料的人均消耗量以及用于个人消费的原料的人均消耗量；工 业国家居民所占的百分比。 2 0 ％的世界居民消耗 8 0 ％的原料，而其余的 8 0 ％居民则仅用 2 0 ％的原 料以满足其基本的生活需要。工业发达国家所消耗的原料，超过世界水平的 2 ～3 倍，而发展中国家的人均消耗量仅为世界平均水平的 1 0 ％。一方面，为 了满足工业国家不断增长的需要而要求更多的原料；另一方面，发展中国家 为补足自己也要巨量材料。因此，为满足对原料日益增长的需要，开发新原 料，研究利用现有原料或开发已查明储备原料等，都具有世界性的社会意义。 社会的需要决定了对原料的需求。 在所有国家，有效开发和利用原料，尤其是国内原料，是发展经济的重 要前提。在其他工业高度发达的国家里，各种原料供应也很紧张。发达国家 的原料出口，1 9 5 5 年约为 9 4 ％，1 9 6 0 年约为 9 0 ％，而 1 9 6 6年已下降到 8 8 ％，这种每隔十年下降 6 ％的趋势将持续下去，而就地加工原料的趋势正在 增加。有些原料的世界需求增加速度超出其生产增长速度，例如有色金属， 在这种情况下，提高原料生产回收率具有重要意义。较合理的工艺和能源消 耗相结合，对材料经济具有决定性的意义。 材料的业绩 近代科技和生产的发展，可以说是一日千里，人类从乘牛车、马车到乘 宇宙飞船；从点油灯照明到用原子能发电；从使用大刀长矛到发射导弹核武 器，等等。科学技术能以惊人的速度发生巨大的变化，应首先归功于材料。 如果没有钢铁，再高明的技术工人也造不出汽车；没有高强度、耐高温的材 料，再聪明的科学家也无法把卫星送上天；没有耐腐蚀、耐高压的材料，再 勇敢的探险者也不能开发富饶的海洋资源⋯⋯。在科学技术史上，材料问题 解决与否，往往成为创造发明成败的关键。新材料一旦应用，不仅大大提高 了科学技术和生产力的发展，也使人类的活动方式发生翻天覆地的变化，而 且给人类带来空前优厚的物质利益和精神上的享受，把千百年来梦寐以求的 神话变成现实。 纵观近年来的成败得失，不少决策人逐渐意识到科技的进步，关键在于 材料。为了说明这一观点，他们要求对一些重大科学和技术项目进行分析， 现仅就一些材料在工业、农业、国防和科研等方面所起的作用及其建立的功 绩，选数例做一简单介绍。 飞机发展的关键 1 9 0 3 年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，所用原料是木材和帆 布。飞行速度每小时只有 1 6公里，和骑自行车的速度差不多。1 9 1 1年，铝 合金研制成功，很快取代了木材和帆布，到第一次世界大战期间，全金属结 构的飞机已很普遍了。从木布结构过渡到金属结构，使飞机的性能和速度获 得一个飞跃。例如到 1 9 3 9年螺旋桨飞机创造的最高时速已达 7 5 5公里，仅 3 6 年的时间，飞行速度提高了 4 7 倍。声音在空气中的传播速度为 1 2 0 0 公里 / 小时，有些人试图用螺旋桨飞机超过音速，但都没有成功。失败和挫折使人 们把音速看成是飞机速度无法逾越的障碍，简称“音障”。后来找到了失败 的原因原来空气是有压缩性的，螺旋桨飞机在高速飞行时，由于压缩空气 的影响，机翼或其它部位的表面会出现“激波”，造成升力下降，阻力增加， 阻碍了飞行速度进一步提高。于是人们寻求新的动力，造出了喷气式飞机。 但是，初期的喷气式飞机仍然没有超过音速，因为喷气发动机的进口温度很 高，需要耐高温的合金材料，而英国研制出的镍基合金只能承受 7 0 0 ℃，使 发动机推力和飞行速度受到影响。到了 5 0 年代，高温合金有了进一步发展， 已经能够制造耐 8 0 0 ℃以上的高温合金，再加上采用了后掠角更大的机翼和 其它减少阻力的措施，终于研制出一种飞行速度超过音速的喷气式飞机，突 破了以前不可逾越的“音障”。这里，喷气发动机立了一大功，而耐高温合 金材料则起了关键性的作用。 可是，在提高飞行速度的征途上，又出现了新的问题。这就是飞机以超 音速飞行时，其表面因受到空气强烈摩擦而发热，使温度急剧升高。这种现 象叫做空气动力加热。飞机的速度越快，温度也愈高。以飞机在同温层边界 飞行（那里的温度是- 5 6 ℃）为例，当飞行速度等于音速时，飞机的表面温度 为- 1 8 ℃；两倍音速时，温度为 9 8 ℃；当达到三倍音速时，飞机表面温度会 升至 3 0 0 ℃。从铝合金的耐热性来讲，当飞机速度达到两倍音速时，铝的强 度会显著降低；三倍音速时，就会发生空中解体。通常认为，飞机速度应在 二到三倍音速范围内，这种空气动力加热又是一堵新的障壁，称为“热障”。 它对飞机的结构、飞行员工作环境和各种设备均带来不利影响，甚至危害。 因此，要制造表面耐温超过 1 8 0 ℃，即飞行速度为音速 2 . 5倍的飞机，需要 用钛合金（可承受 5 5 0 ℃温度）代替铝合金。飞机是一种更新非常快的产品， 它不断追求的目标是安全、迅速、舒适和经济。8 0 年代制造成功的新一代中 短程飞机波音 7 5 7 和波音 7 6 7 ，能满足低油耗和低噪音的要求，与 6 0 年代的 波音 7 2 7 比较，燃油消耗降低了 3 5 ％。 近十年来，由于石油价格连续上涨，使民用飞机的燃油费用由 1 9 7 3 年占 航线直接使用费用的 1 8 ％，上升到 1 9 8 2 年的 5 0 ％，从而迫使各飞机公司积 极从飞机的减重入手，采用新的替换材料。 波音 7 5 7 是一种窄机身短程旅客机，载客 1 9 0 人；波音 7 6 7 是一种半宽 机身中程旅客机，载客 2 5 0 人。新飞机的机身和机翼上，大量使用了改进的 铝合金和复合材料。水平尾翼和垂直尾翼由于采用聚芳酚胺（凯芙拉）纤维 和碳纤维复合材料，使重量比用铝减少了 2 0 ～4 0 ％。波音 7 6 7飞机上有 2 4 个零部件共使用了三吨碳纤维与凯芙拉4 9 混纤复合材料，比早期采用的玻 璃纤维环氧复合材料还要轻。波音 7 6 7 还是第一种使用铝合金主起落架梁 的民用飞机，而波音 7 5 7 飞机由于空间的限制，选用了钛合金主起落架。此 外，两种飞机都增加了超高强度钢的品种和用量。 这样一来，一架波音 7 6 7 飞机由于采用复合材料减重 4 5 0 公斤，采用超 高强度钢减重 9 0 0 公斤，采用改进铝合金减重 3 6 3 公斤，三项总计共 1 . 7 吨。 据统计，飞机结构如减轻一公斤，每年可节省燃料 2 9 0 0 公斤，可见其经济效 益有多大。波音公司已在 9 0 年代的波音旅客机上，进一步扩大使用了复合材 料。据称，除发动机和起落架外，大部分结构材料都能采用碳纤维和聚芳酚 胺纤维，那么这架乘坐 2 5 0 人的飞机可减轻重量六吨 航空发动机的改进是从两个方面进行的，一是更多地使用比重小的钛合 金和复合材料，以减轻自重；二是更多地使用工作温度高的新型高温合金， 以加大推力和提高热效率。 1 9 8 2 年波音 7 6 7 飞机的发动机上开始使用单晶涡 轮叶片。单晶合金的强度、疲劳寿命、耐腐蚀性和抗氧化性都比普通合金高， 使整个热效应提高 3 0 ％。 至于高超音速的航天飞机，其表面温度可达到 1 0 0 0 ℃以上，这时任何合 金都无能为力了，只有采用特种复合陶瓷材料才行。 1 9 8 1 年 4月 1 2日，美国“哥伦比亚”号航天飞机发射成功，引起了世 界的瞩目。航天飞机机身长 3 7 . 2 米，翼展 2 3 . 8 米，重量为 6 8 . 8 吨，大大超 过了 1 9 6 9 年登月的“阿波罗”飞船。它的主发动机使用液氢和液氧作燃料， 加上外部燃料箱和两台固体燃料助飞火箭，发射时的全长达 5 6 米，实际重量 2 0 2 0 吨。 航天飞机同时具有火箭和飞机两方面的特性，是一项极为复杂的综合技 术成果，涉及空气动力学、气动加热、设计、制造、试验和计算机控制等技 术。据美国宇航局称，航天飞机的关键技术有两项重返大气层的热防护和 长寿命火箭发动机。机身防热材料要求重复使用 1 0 0 次，火箭发动机要求连 续飞行 5 5 次无大修。对于习惯于一次使用观念的火箭设计师，无疑是一次相 当苛刻的要求。 航天飞机在空间执行考察任务后，由 1 2 0 公里轨道再入大气层时，表面 最高温度可达 1 5 0 0 ℃。根据不同部位的工作条件，航天飞机使用四种防热材 料头锥和机翼前缘受气动摩擦最大，温度最高，超过 1 2 6 0 ℃，使用表面涂 硅的碳碳复合材料。这是一种以热分解石墨纤维布作为增强剂、碳化树脂 为基体的复合材料；机身和机翼下表面需耐热 6 5 0 ～1 2 6 0 ℃，由两万四千多 片高温陶瓷瓦组成；机身侧面和机翼上表面耐热 3 7 0 ～6 5 0 ℃，由七千多片低 温陶瓷瓦组成；货舱门、尾段、机身等部分温度不超过 3 9 8 ℃，防热较为容 易，采用聚芳酰胺纤维制造的毡瓦，是一种柔性重复使用材料。 可以看出，航天飞机的热防护系统主要是由防热陶瓷瓦组成，防护面积 占全机面积的 7 0 ％，几乎可以说全身披挂陶瓷盔甲。高温陶瓷瓦和低温陶瓷 瓦的尺寸分别是 1 5 1 5 1 . 3 ～8 . 9 厘米和 2 0 2 0 0 . 5 ～2 . 5 厘米，都是由 直径 1 . 5 微米、纯度 9 9 . 7 ％的氧化硅短纤维加入胶状氧化硅热压制成。 陶瓷瓦的特点是重量轻（密度 0 . 1 4克/ 厘米 3 ），耐热性和隔热性好。 缺点是具有一定的脆性，并且根据不同的位置来变化形状和厚度，所以粘贴 技术相当复杂，全靠人工来一片片粘贴。美国第一架航天飞机“哥伦比亚号” 原订 1 9 7 9 年 1 1 月上天，可是后来多次延期，都是因为防热陶瓷瓦出的毛病。 原来临发射前在地面试车时，贴在航天飞机机体上的陶瓷瓦在 5 3 8 ～6 4 9 ℃已 大片剥落。官员们大吃一惊，紧急召集了一个五人专家小组商讨对策。经过 扫描电子显微镜观察后发现，这些剥落的陶瓷瓦中的纤维分布不均匀，导致 了传热不良、局部过热。后来在一名美籍华裔科学家的建议下，提高了陶瓷 纤维喷硼化硅后的凝固速度，使纤维排列的均匀性不受干扰，才解决了问题。 航天飞机第一次飞行结束，经检查机表面各部分的温度未超过计算值，令人 担心的陶瓷瓦损坏意外地少，仅剥落 7 0 0 片左右，加上厚度减少需更换者， 仅一千三百余片，占陶瓷瓦总数的 4 . 5 ％，基本上满足了设计要求。 1 9 8 2 年 7 月发射的 “挑战者号”航天飞机的部分防热陶瓷瓦改用 8 0 ％氧 化硅纤维和 2 0 ％含硼纤维混合制成的陶瓷瓦代替，效果更好，今后航天飞机 的热防护系统仍是有待改进的项目之一。 关于航天飞机发动机所用材料不多，已知高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵 采用的叶片，都是用最新的高铬钴钨镍基高温合金 M a r M 2 4 6 ，按定向凝 固精密铸造工艺制成，提高了抗热冲击性能。航天飞机主发动机的导向叶片， 也采用 M a r M 2 4 6 合金，但按更先进的单晶精密铸造工艺制成，这种导向叶片 是空心的，用液态氢进行冷却，更进一步提高了抗热冲击性能，从而保证了 发动机低重量、长寿命的要求。 航天飞机的研制成功，是人类征服太空的又一次胜利，也显示出在现代 技术革命中材料举足轻重的地位。 农业现化的的坚强后盾 农业现代化是一场伟大的技术革命，它的核心是工具和其他技术手段的 变革。农业现代化最显著的特征是要在生产中大量采用各种先进的工业技术 和新材料，换句话说，现代化农业要由工业部门投入大量物资，用现代工业 的装备武装农业。 农业现代化包括的内容很多，大体可归纳为农业机械化、农业工厂化、 农业电气化以及农业和技术装备的一体化。不言而喻，材料都是它们当中当 然的“主角”。拿农业机械来说，它包括农田基本建设机械、耕作机械、排 灌机械、植物保护机械、收获机械、农业运输机械、农副产品加工机械以及 畜牧机械等等。 拖拉机是应用最广泛的一种农业机械。制造拖拉机不仅消耗材料多，而 且要求零部件质量好、寿命长，这些零部件都要用性能优越的材料来制造。 例如，生产一台自动联合收割机，仅钢材就需要两千多种不同规格的品种， 其中优质钢材用得最多，约占整个钢材品种的 2 5 ％。由于材料质量和设计制 造水平的提高，使得拖拉机的结构和性能也得到不断改进。不但向大型化、 大马力、高速度和高效率方向发展，还可对配套农具实现自动调节和控制。 它除了能耕地、整地、播种外，根据需要，交换不同的农具，还能干推土、 铲运、开沟、施肥、收获、割草等几十种工作。人们可能会问这种拖拉机 一定是几百马力的大家伙，行动都很笨拙吧不，由于配有液压的自动伸缩、 折叠机构，即便是碗口粗的农具，也能乖乖地折起三、五折，便于路上行驶。 作物成熟后，用自动联合收割机收割。这些收割机是由电子计算机控制 的，不需要驾驶员操作，能完成前进方向的调整、割头高低的升降，到了地 头还能自动转向。它的收割头，像一把大的理发轧刀，随着机器的运转，一 割就是一大片。操作台上装有割脱监视器，收割机前进速度和脱粒部分能很 好配合。装上不同的收割头，可以收割水稻、麦子、玉米、油菜、大豆、高 粱等庄稼。这种收割机工作效率很高，每天能收割水稻几万斤，并能同时完 成脱粒、清场、装包等工作，相当于一、二百个强壮劳动力的工作量。 新能源中的老问题 从 7 0 年代的能源危机以来，新能源的开发和节能技术引起了普遍重视。 这些技术中除核反应堆已经进入实用阶段，其他都比较年轻。例如，太阳能、 深层地热和氢能等还存在各种各样的问题。一些过去进展缓慢的领域，如煤 的气化和液化，重新成为研究的重点。从目前的情况看，这些技术的突破， 在很大程度上将依赖于新材料的进展，目前使用的材料大多不能满足苛刻的 工作环境要求。 自从1 9 5 7 年第一座核电站运转以来， 世界上已建成约3 0 0 座核电站， 1 9 9 0 年其发电量占总电量的 1 0 ％。第一代核反应堆为重水堆、石墨气冷堆和轻水 堆；第二代为高温气冷堆；第三代为快中子增殖堆。目前 8 0 ％反应堆为轻水 堆，而所用材料的要求一代比一代严格。 核反应堆材料涉及到核燃料、中子减速材料、中子反射材料、屏蔽材料 和结构材料等，要求都很严格。对于高速增殖反应堆来说，未解决的问题更 多。例如，装铀材料的细管使用有钼 3 1 6 的不锈钢制造，它遭受大量中子辐 射，并与高化学活性的钠接触，环境极端恶劣，其寿命期使人担心。今后十 年左右，初期建造的反应堆已面临分解处理复杂等问题，如何延长未来反应 堆的寿命，是一项重点研究课题。1 9 7 9 年，美国三里岛核电站发生事故，舆 论哗然。最后调查表明，是由于控制人员操纵错误而使含放射性的冷却水泄 漏，与材料无直接关系，才平息了人们的议论。反之，如果材料上出现漏洞， 核反应堆会被取缔。 太阳能利用是一项正在发展中的技术。日本已在春川县建成一座 1 0 0 0 千瓦的实验发电装置。太阳能是一种稀薄的能源，每平方米最多为一千瓦， 而按目前太阳能装置的转换效率（约为 1 0 ％），则只能获得 0 . 1 千瓦。唯一 可行的办法是改进材料，提高反射镜的反射效率和集热效率。现在太阳能电 池的转换效率有所提高，为约 1 3 ％左右，但硅、镓半导体的价格很高，很难 大规模使用。此外太阳能电站多位于沙漠和偏僻地区，输电材料也待改进。 由此可见，太阳能的利用是否能够普及，有赖于材料科学家的努力。 地热发电始于意大利，至今已有一个多世纪的历史。今天地热电站已遍 及新西兰、美国、日本和菲律宾等国。地热发电站的关键问题是耐腐蚀材料 和高效率的热交换器。一般地热发电站利用的热源温度在 1 0 0 ℃以下，要通 过低沸点的工质（如氟利昂）蒸汽才能带动汽轮机工作。近年来，美国在新 墨西哥洲芬顿山开凿深井，利用热干岩的热量发电，引起了人们的注意。 热干岩发电工程分为两期，第一期 1 9 7 8 年完成，由注水井和采热井组成 的竖井对深度为 3 0 0 0 米、底部有一块有效直径约 6 0 米的人工破碎岩石区， 有效传热面积约 8 0 0 0平方米，当注入冷水后，可以采出温度 2 0 0 ℃的热水， 相当于每天 4 5 0 0 千瓦的热能。 随后又开始规模更大的第二期计划，将井深由 3 0 0 0 米增加到 4 0 0 0 米。 经过多次人工破碎作业，使总传热面积扩大到 1 0 0 ～2 0 0 万平方米，井底水温 相应提高到 2 5 0 ～2 7 5 ℃，这样竖井对提供的热量达到 2 ～5万千瓦。竖井穿 过层层的花岗岩达到了 6 0 0 0 米的深度，注水井弯入采热井的底部，中间为相 距 3 3 0米高的人工破碎区。即使估计低一些，水温为 1 6 0 ℃，所采的热量仍 足以带动一台五万千瓦的发电机组，而发电余热还可供温室和取暖使用。 地下热水中经常含有硫酸钾、硫化氢等硫腐蚀物质，温度越高腐蚀越严 重。竖井的使用寿命估计为 2 5 年，但目前的耐硫化钢可能维持不了如此长的 使用期，这样将给维修带来很大的困难。现正在发展更好的耐硫化钢和寻找 代用材料，可能陶瓷涂层有助于延长寿命。 氢作为一种新型能源也引起了人们重视。氢是一种无色、无嗅的可燃性 气体，因此可做燃料使用。氢气一般用高压钢瓶储存，即使加压到 1 5 0 个大 气压，所装氢气重量还不到钢瓶重量的百分之一，显然这种方法不适于工业 上和生活上大量用氢的场合。 近年来普遍认为液氢是一种更理想的燃料，将氢气经 1 4 0个大气压压 缩，同时用液氨或液态空气冷却，即可获得液氢。液氢是一种清洁的燃料， 它的燃烧过程只产生水蒸汽及少量氧化氮，不会污染环境。航天飞机的主发 动机使用的燃料为液氧和液氢，以液氢为燃料的汽车和飞机正在设计中。液 氢使用中最大的问题是运输和储存，液氢必须储存在与空气隔绝的高压容器 内，加以它的沸点在常压下为- 2 5 3 ℃，许多金属在这样低的温度下都会发生 脆化，所以必须采用超低温钢制造。同时为了隔热保冷，储箱外面包覆一层 聚苯撑氧泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料或玻璃纤维套等，比普遍用的油箱复杂 得多。 现在有一种新的储氢方法，就是利用某些合金与氢反应吸收大量氢气， 吸氢量高达体积的数十倍或上千倍，而加热以后又很容易使氢气再释放出 来，这些合金为钛合金、镧镍合金和镁镍合金等，所形成的金属氢化物是固 体，因此储存时不需要高压和低温。这些合金材料对于氢的利用将起到重要 的作用。 国防军事的当务之急 实现国防现代化，一个重要的标志是要使武器和装备现代化。具体地说， 就是要有现代化的战略战术武器和先进的兵器；要有高度可靠的现代化指挥 通信工具和情报侦察手段；还要有适应于现代化战争的后勤和工程支援。显 然这一切都与材料结下了不解之缘。 因为单就武器来讲， 不论是常规武器 （如 弹药和坦克、军用飞机），还是现代化武器如原子弹、氢弹、中子弹、核潜 艇等，哪一样都离不开材料，尤其是性能优异的新型材料。 让我们回顾一下，材料是怎样为坦克的“成长”创造条件的 1 9 1 6 年，第一次世界大战期间，法国索玛河畔的战场上，英德两军用猛 烈的炮火互相攻击，双方的士兵都隐蔽在战壕里，谁也不敢“越雷池一步”。 9 月 1 5 日黎明，英军又开始炮击，德军照常还击。突然，从英军阵地发出一 阵阵的怪声。不一会，许多像大铁盒似的庞然大物向德军阵地直冲过来。这 些大家伙没有轮子却能跑，炮弹不断从它的两侧飞出来。德军慌忙向它射击， 可是子弹一碰上去就被反弹回来。这种能攻能防又能跑的怪物就是坦克。它 一出现就在战场上显示出巨大的威力。 可是