经典好看的世界当代科技史在线阅读-第21部分-破晓小说

　　　　　材料的发展是人类文明的重要标志。随着本世纪物理学、化学的进展，　

对材料微观结构及其与材料性能之间关系的研究也逐渐深入，大大开拓了材　

料科学的研究领域，扩展了材料的种类、功能和应用范围。当代尖端技术创　

造的超高温、超低温、超高压等条件，不仅使人们能从本质上认识材料的各　

种理化性能，而且能利用“极限技术”的材料工艺制备各种具有超级性能的　

新材料。50年代末60年代初，材料科学技术逐渐形成。它是一门技术科学，　

也是一门综合性学科，30多年来发展迅猛。材料与能源、信息已成为当代社　

会的三大支柱。　

　　　　　第二次世界大战以来，建筑业发展的需要，力学、物理学、材料科学、　

数学和计算技术及测试手段的进步，促进了建筑科学技术的发展。建筑机械　

从手工操作、半机械化、机械化向自动化和计算机控制迈进，建筑材料、建　

筑结构、建筑工艺等方面都发生了巨大的变化。一座座具有时代特征的建筑　

物拔地而起，为人类生活提供了更加优越的生存条件。　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1。材料科学技术的进展　

　　　　　按其化学成分，材料可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材　

料和复合材料四大类。本节将分述各类材料在当代的发展。　

　　　　　　（1）金属材料　

　　　　　作为黑色金属之一的钢铁是最基本的结构材料。50年代初，使用氧气的　

炼钢法相继出现。其中纯氧顶吹的转炉炼钢法，于　1952年在奥地利的林茨厂　

实现工业生产。这种方法比通用的平炉投资少40—50％，效率提高3—5倍。　

它被很快推广，同时还出现了可以生产优质的不同钢种的全部工艺，使炼钢　

生产跨入了一个新时代，钢产量急剧增长。第二次世界大战以后特别是　60　

年代初，电炉炼钢也发展很快。由于供能、电路、耐火材料和电极的重大进　

步，电炉变压器容量由原来每吨为200—300千伏安迅速提高到500—600千　

伏安以上，提高了功率，缩短了冶炼时间，降低了电炉钢的成本。到70年代　

末，世界电炉炼钢产量已超过1亿吨。近年来，钢铁工业朝集中化、联合化、　

专业化方向发展，并出现了连续化和高速度的特点。1950年，连续铸钢开始　

出现，60年代后又有许多新进展。此外，连续式带钢冷轧被大力采用，并应　

用电子计算机进行自动化控制。生产某些特种钢的特殊熔炼法，如真空脱氧　

法、电渣重熔法等也在70年代发展起来。　

　　　　　有色金属，特别是一些稀有金属的发展也令人注目。铝的冶炼技术近40　

年来不断改进和提高，耗电量下降约40％。40年代初，美国第一次从海水中　

提炼出镁，开创了镁的工业生产的重要途径。60—70年代，用作结构材料的　

镁合金大幅度增加，新型镁合金成为制造直升飞机某些零件的重要材料。由　

于钛的冶炼技术困难，第二次世界大战后才实现工业生产。1947年，钛的世　

界产量只有2吨；1962年达10万吨；70年代后，以每年15％的速度增长。　

钛合金在航空、航天以及电化学工业、电力工业方面已广泛应用。一些稀有　

金属的冶炼和应用近些年也进展迅速。锂被用于制造氢弹和进行热核反应。　

铍被用于原子反应堆的中子减速剂。铷、铯则做为电子技术和自动化仪器方　

面的功能材料。铀、钍等放射性金属，用做原子反应堆和原子武器的主要材　

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料。钨、钽、锆、锗、镓、铟等被用于电子工业和半导体工业。　

　　　　　当代金属材料发展中最引人注目的是各种新型金属。铝锂合金最早出现　

于20年代，但未得到发展。50年代中期，美国研制成功可供商品化的铝锂　

合金，并用于飞机制造。1971年，英国富尔门公司发明了新的铝锂合金。同　

年，美国也开发了铝—镁—锂合金。到目前为止，国际上已研制成铝—铜—　

锂、铝—镁—锂、铝—锂—铜—镁3个系列的铝锂合金。铝锂合金是航空、　

航天工业的理想结构材料。它可使民航飞机减轻8—16％。铝锂合金具有良　

好的抗辐照特性和低温特性。可用作核聚变装置的真空容器，以及用作低温　

容器。　

　　　　　本世纪中期以来，在金属材料制备中采用了具有突破意义的快速冷凝技　

术，由此产生了一系列新型非平衡态的金属及合金，即非晶、微晶、纳米晶　

和准晶。1960年，美国的达沃等首先发现，某些液态贵金属合金如金硅合金　

通过急冷可以获得非晶态结构，从而开创了一系列非晶态材料的制备途径。　

这些非晶态材料具有类似玻璃的某些结构特征，因此被称为“金属玻璃”。　

它具有超耐蚀性、高磁导率、恒弹性、高强韧性、低热膨胀系数和高磁致伸　

缩等许多优异特性。美国、日本、原西德等国相继投入力量进行研究。70年　

代末，非晶态合金开始步入实用化阶段。80年代初，非晶态合金以电磁材料　

为中心获得推广应用。美国、日本、原西德已具有万砘级的生产规模。中国　

80年代末也建成了年产百吨级的中试线。金属微晶材料的快速冷凝技术发展　

也很快。80年代，英国开发了快速冷凝粉末冶金技术。目前占领市场的是铁　

基和镍基粉末高温合金，正处于开发和应用初期的快速冷凝材料有粉末铝锂　

合金、粉末热强铝合金。　

　　　　　金属磁性材料是当代工业不可缺少的重要基础材料。50年代，铁氧体的　

应用，使可提供的磁能积明显增加。60年代，开发了第一代稀土永磁合金。　

70年代，开发了第二代稀土永磁合金。80年代，开发了钕铁硼第三代稀土永　

磁合金。钕铁硼永磁材料具有突出的明显优势：体积小、重量轻、比功率大、　

效率高。它在汽车工业、电声器件、医疗、磁流体密封器、磁力器等方面都　

有广泛的应用。目前，国内外正在进行第四代稀土永磁材料的研究开发。　

　　　　　形状记忆合金是金属材料中的一朵奇葩。1951年，美国人发现金—镉合　

金有记忆形状的特性。1953年，又发现铟—铊合金有形状记忆效应。但真正　

实用化开始于1963年发现镍—钛合金的形状记忆效应以后。70年代初，镍　

—钛合金管接头在美国F14飞机油路连接系统上得到大量应用。近年来，在　

镍—钛合金中加铌、铜、铁、铝、硅、钼、钒、铬、锰、钴、锆、钯等元素，　

陆续发展了一系列改良型的镍—钛合金。此外，铜系、铁系形状记忆合金也　

处于研究开发阶段。　

　　　　　贮氢合金是一种性能奇特的新型贮能材料。1968年，美国首先发现镁—　

镍合金具有吸氢特性。1969年，荷兰菲利浦实验室发现钐—钴合金能大量吸　

氢，随后又发现镧—镍合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能。从此贮氢　

材料引起了人们极大关注。目前已开发的有镁系贮氢合金、稀土系贮氢合金　

和钛系贮氢合金等。钛系贮氢合金已经在氢的存贮、运输和氢的提纯精制等　

方面得到了较广泛的应用。锆系贮氢合金是80年代崛起的新秀，其特点是在　

100℃以上的高温下也具有很好的贮氢功能。　

　　　　　在新型金属材料中，金属间化合物是最重要的一类。70年代末以来，采　

用加硼的微合金化和加铌的宏合金化，分别提高了钛—铝和镍—铝这两种最　

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主要的金属间化合物的塑性，从而使金属间化合物的研究取得突破性进展。　

金属间化合物是很好的新型高温结构材料，在航空、航天工业中可以大有作　

为。　

　　　　　对超细颗粒金属材料的研究，在80年代也成为一个非常活跃的领域。超　

细金属具有许多奇异性能，如高强度、低温下无热阻、有超导性、有较大表　

面能、容易进行各种活化反应等。目前，超细颗粒金属尚处于研究开发阶段。　

　　　　　虽然近年来其他新材料发展迅速，但金属材料特别是新型金属材料仍具　

有旺盛的生命力。在未来相当长时期内，金属材料仍将占据材料工业的主导　

地位，其独特的性质和使用性能是不可能完全被其他材料替代的。因此，发　

展金属材料尤其是新型金属仍是材料科学技术面临的重要课题。　

　　　　　　（2）无机非金属材料　

　　　　　无机非金属材料一般指不含碳的非金属材料，如陶瓷、玻璃、水泥、耐　

火材料等。　

　　　　　从本世纪40年代，陶瓷生产逐步实现了机械化。50年代，建立起能连　

续烧成的隧道窑，取代了过去烧一窑就得停下来卸装的落后方式。这些工艺　

的改革提高了生产能力，降低了成本。　

　　　　　科学技术的高速进步，对陶瓷提出了新的挑战。电力技术、电子通信技　

术的发展，需要强度高、性能好的陶瓷。这大大推动了对陶瓷材料广泛而深　

入的研究。40—50年代，实现了传统陶瓷向先进陶瓷的转变。60年代以来，　

先进陶瓷的材料和制备技术两方面的研究都取得了很大进展。科学家们认识　

到，陶瓷的显微结构有举足轻重的作用，只要减少陶瓷中的玻璃相，就可能　

制造出结晶态陶瓷。　

　　　　　先进陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。陶瓷最突出的优点是坚硬耐　

磨、耐高温、耐腐蚀、不老化。先进结构陶瓷是在高温和苛刻的工作环境下　

能够长期可靠地工作的材料。比较重要的先进结构陶瓷有莫来石陶瓷、氧化　

铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复相陶瓷等。1957年，美　

国通用电气公司工程师根据陶瓷的烧结机理，选择了强度达99。99％、颗粒　

直径平均为0。3微米的氧化铝细粉作原料，搀和不到3％的氧化镁，在通氢　

气的高温电炉里烧制，获得了半透明的氧化铝陶瓷。氧化铝陶瓷的研制成功，　

在陶瓷发展史上有重要意义。人们认识到，只要把内部气孔和杂质尽可能除　

净，陶瓷也可以与玻璃一样透明。这类透明陶瓷的优良性能是玻璃无法比拟　

的。它是当代尖端技术的重要材料。红外线制导导弹的整流罩、防止核爆炸　

闪光盲害的眼镜，立体工业电视的观察镜等都必须用透明陶瓷；超音速飞机　

的风挡、高级轿车的防弹窗、坦克的观察窗等也多用透明陶瓷。氧化锆陶瓷　

是60年代发展起来的用途广泛的先进结构陶瓷。它的出现，改变了人们对陶　

瓷力学性质的传统看法，促进了先进结构陶瓷的发展。氧化锆陶瓷强度高、　

韧性好。氧化锆相变增韧现象的发现，是近年来在先进结构陶瓷方面最重要　

的研究成果之一。氮化物陶瓷的优良性能，人们在50年代已有所认识。随着　

烧结设备的不断改进，近年来氮化物陶瓷有很大发展。氮化硅陶瓷作为一种　

高强度、高硬度的高温陶瓷，已用于制造陶瓷刀具，并试制出在1200℃以上　

高温下工作的陶瓷涡轮转子。氮化铝陶瓷是以其特别高的热导率、优异的电　

气绝缘性质用于大规模集成电路和混合集成电路的基片。立方氮化硼陶瓷则　

作为一种硬度接近金刚石的超硬材料受到重视。碳化硅陶瓷在近30年发展起　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　

来。它的抗弯强度在1400℃高温下仍保持在5000—6000公斤／厘米　以上，　

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是非常好的高温结构材料。复相陶瓷是近几年来出现的先进结构陶瓷。它是　

性能更加理想、更全面的陶瓷材料。目前，先进结构陶瓷的生产和市场容量　

以每年15—18％的速度增长。在少冷和绝热发动机、燃气涡轮的叶片和转子　

等制造方面，它是非常理想的材料。中国在“七五”期间研制成一系列陶瓷　

发动机的关键陶瓷部件，装配成发动机，并完成了在大型公共汽车上从上海　

往返北京的装车路试。由陶瓷部件装成的发动机，不仅能提高燃油效率，而　

且无需专门的冷却系统，特别适用于沙漠地区等恶劣环境。陶瓷刀具不仅具　

有高硬度、高耐磨性，同时在高温下的力学性质也很好，仍然和低温时一样　

坚硬锋利。　

　　　　　先进功能陶瓷与电子技术密切相关，又称为信息陶磁。这类陶瓷具有特　

殊的物理性能，如绝缘性、电感性、压电性、热电性、磁性、半导体性、超　

导性、光学性能等。电容器陶瓷从50—60年代开始发展起来，现已成为电容　

器中最重要的一类，约占各类电容器总和的一半以上。铁电陶瓷中最早发现　

的是钛酸钡，已被主要用于制造陶瓷电容器。1988年，非挥发性的铁电随机　

存贮器问世。它的出现给计算机技术以很大的冲击，引起科学界和工业界的　

注意。压电陶瓷最早用的也是钛酸钡。60年代初，锆钛酸铅压电陶瓷的出现，　

为压电陶瓷未来的发展打下了坚实的基础。压电陶瓷主要用来进行换能、传　

感、驱动和频率控制，可用于许多先进技术领域。电致伸缩陶瓷是70年代后　

期发展起来的一种新型功能陶瓷。10多年来，关于它的研究取得很大进展。　

多层结构的电致伸缩位移器可以在低电压下工作，大有取代压电微位移器的　

趋势。磁性陶瓷在40年代末50年代初萌芽。经过长期反复的探索，人们发　

现，与磁铁矿具有相同尖晶石结构的锰铁尖晶石、锌铁尖晶石及其固溶体既　

有很高的导磁率，又有很高的电阻率，可以烧结成瓷质很好的磁性陶瓷。这　

类陶瓷为高频电感器件的发展开辟了道路。半导电陶瓷主要用来制造各种陶　

瓷敏感器件和传感器件，如陶瓷变阻器、热敏电阻器、湿敏电阻器、气敏电　

阻�

《世界当代科技史》

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