劉媛媛 劉文超 葛彩霞 竇肇然

（山東化工職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊266100）

1 引言

人類在物質(zhì)世界中生活，室內(nèi)的木質(zhì)地板、玻璃窗戶、亞麻沙發(fā)；室外的柏油馬路、混凝土建筑、行走車輛等，從一針一線，到高樓大廈，無一不是由材料組成的。人類文明的進(jìn)步離不開豐富的材料。正是豐富的物質(zhì)材料，使人類的生存狀態(tài)有別于其他動物，是衣服、房子、城市、車輛這些物質(zhì)材料讓我們愜意地棲居、優(yōu)雅地生活。材料不僅是人類科技文化的展現(xiàn)，也是人類社會生活中不可或缺的一部分。

2 材料的發(fā)展

回溯人類文明的歷史，往往就是因為一種具有標(biāo)志性的新材料的廣泛運(yùn)用而得到時代的命名。材料及器具的發(fā)現(xiàn)、制造、使用，促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高，改變了人們的衣食住行方式，給人類創(chuàng)造了新的生活形態(tài)。因此說，材料是人類社會進(jìn)步的里程碑。

人類的文明的進(jìn)步大致可劃分為石器時代、青銅時代、鐵器時代、硅時代。

在原始社會，人類需要和其它動物一樣進(jìn)行捕獵獲取生存必需的食物，工具是人類“爪與牙”的延伸，主要用于戰(zhàn)勝對手，獲取食物，所以硬度是第一重要的，因此，一開始就出現(xiàn)了石器。

而人類從低級階段向高級階段發(fā)展，是從制陶開始的。公元前8000年，人類發(fā)明了陶器，人類第一次有意識的創(chuàng)造了自然界沒有的新材料——陶。陶器的發(fā)明是人類對火的使用和控制能力的體現(xiàn)，在陶器的基礎(chǔ)上，人類學(xué)會了燒制磚瓦，從而開始走向定居生活。陶器不僅改善了人類的生活質(zhì)量，而且制陶直接引發(fā)了冶銅業(yè)。甚至也是冶煉鋼鐵的起源。到公元前4000年，人類對火的掌控能力達(dá)到一定水平，從而進(jìn)入青銅器時代。

青銅器的使用，標(biāo)志著人類進(jìn)入一個新的時代，金屬時代。青銅器極大地發(fā)展了農(nóng)業(yè)和手工業(yè)，但古代統(tǒng)治階級認(rèn)為“國之大事，在祀與戎”，所以目前出土的青銅器大多是祭祀用的鼎和征戰(zhàn)用的兵刃。

隨著人類對金屬冶煉技術(shù)的掌握，出現(xiàn)了新材料——鐵。鐵的使用把人類帶入了農(nóng)業(yè)文明。鐵，成為18 世紀(jì)工業(yè)革命以來所有產(chǎn)業(yè)的支柱。人們至今仍記憶猶新的是近代的兩次工業(yè)革命，第一次工業(yè)革命的突破口是蒸汽機(jī)的應(yīng)用。正是由于鋼鐵材料的大規(guī)模發(fā)展，人類能夠制造出無數(shù)的蒸汽機(jī)和紡織機(jī)械，機(jī)械代替人力，給社會創(chuàng)造出巨大的財富。鐵路、機(jī)床和建筑，都說明鋼鐵是締造工業(yè)財富和社會結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。第二次工業(yè)革命一項重大成就是內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，推動了石油開采業(yè)和石油化工業(yè)的發(fā)展，以石油為原料生產(chǎn)的合成樹脂、合成纖維、合成橡膠等高分子材料廣泛應(yīng)用于日常生活中，最典型的酚醛塑料被廣泛應(yīng)用于汽車等工業(yè)行業(yè)。

20 世紀(jì)被稱為硅時代，因為材料學(xué)科的突破帶來了硅芯片和信息革命。作為信息時代的核心元素——硅，是地球上儲藏最豐富的元素之一、從19 世紀(jì)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了硅的半導(dǎo)體材料及其特性以后，它幾乎改變了一切，甚至是人類的思維方式。

3 傳統(tǒng)材料與新型材料

3.1 陶瓷材料

陶瓷是人類文明史上的一朵奇葩，也是人類不可磨滅的共同記憶。千百年來，陶瓷一直與人類親密相伴。中國是瓷器的故鄉(xiāng)，陶瓷即是人們生活中的一種器具，也代表一種情懷。傳統(tǒng)陶瓷是直接用水、火與土加工而成，它給人的印象往往是“一碰即碎”，如廚房用的各類陶瓷器具。而新型陶瓷不再是一副只要落地就會粉身碎骨的脆弱模樣，它們可以堅硬如鋼，可以具有各種“味覺”。新型陶瓷材料以人工合成的材料代替天然材料，同時對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了科學(xué)改良，克服了傳統(tǒng)陶瓷的易碎性。因為新型陶瓷材料的各種優(yōu)越功能，使它從廚房客廳走向交通、化工、航空、醫(yī)藥等各領(lǐng)域，以高大上的面孔出現(xiàn)在各種重要場合（圖1）。

新型陶瓷中的一支新秀是壓電陶瓷。壓電陶瓷的工作原理是施加力在壓電陶瓷上時，由于壓電效應(yīng)，就產(chǎn)生電荷，形成的瞬間高電壓發(fā)生電火花。壓電陶瓷應(yīng)用廣泛，如打火灶、打火機(jī)上，打火機(jī)中的壓電陶瓷可以使用30 萬次以上，以每年使用3000 計算，在不考慮油氣等其他因素的情況下，打火機(jī)大約可以使用100年。壓電陶瓷還可用于反坦克火箭、壓電地震儀等高端領(lǐng)域。第一次世界大戰(zhàn)中，英軍發(fā)明了坦克，在戰(zhàn)斗中大顯身手，反坦克武器的發(fā)明，使坦克失去了昔日的輝煌，在戰(zhàn)斗中，最好是反坦克火箭的彈頭碰到坦克的鋼板就立刻爆炸，而壓電陶瓷可很好的完成這一任務(wù)，在反坦克火箭的彈頭上裝備壓電陶瓷，能夠把碰撞時產(chǎn)生的強(qiáng)大機(jī)械力轉(zhuǎn)化成瞬間高電壓，爆發(fā)火花而引爆炸藥。大地震，對人類而言是毀滅性的災(zāi)難，因此，地震預(yù)報十分重要。壓電地震儀的應(yīng)用也主要?dú)w功于壓電陶瓷，由于壓電陶瓷能測定聲波的傳播方向，因此，壓電地震儀能告訴人們地震的方位和距離。采用壓電地震儀來預(yù)報地震，人們便可以安心地生活和學(xué)習(xí)了。

圖1 陶瓷材料的應(yīng)用

新型陶瓷還可用作移植材料幫助人類殺滅細(xì)菌。俄羅斯國家研究型工藝技術(shù)大學(xué)與捷克、美國科研人員合作，開發(fā)出一種防止外科手術(shù)后細(xì)菌感染的移植體新材料，這種材料是TiCaPCON（鈦-鈣-磷-碳-氧-氮）、鉑離子和鐵離子組成的生物兼容陶瓷涂層，在涂層表面形成了幾納米大小的金屬納米粒子，在與該材料表面接觸時，細(xì)菌膜可被毀，據(jù)研究員實驗證明，這種陶瓷新材料在8～12 小時內(nèi)滅殺了98%的細(xì)菌，其中包括金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大腸桿菌、克雷伯式肺炎菌。這種新材料不僅可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也可能被應(yīng)用于制造凈水過濾器[1]。

3.2 金屬材料

公元前4000年，人類發(fā)明金屬材料。金屬給人的印象往往是堅硬有光澤。而在1932年，瑞典人奧蘭德發(fā)現(xiàn)了一種帶記憶功能的合金材料，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀。1963年，美國海軍軍械研究所的比勒在實驗中想使用金屬絲，隨后拿起一根彎折的金屬絲拉直后，偶然情況下靠近高溫火源，被拉直的金屬絲馬上變成跟原來一模一樣的彎曲形態(tài)，比勒很好奇，于是重復(fù)試驗了好幾次，最后發(fā)現(xiàn)這種鎳-鈦合金絲具有形狀記憶功能，遇高溫后會馬上恢復(fù)原始形態(tài)。后來其他科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，某些其他合金也有類似的功能。于是這一類合金被定義為形狀記憶合金（圖2）。

圖2 形狀記憶合金

1969年，鎳-鈦合金的“形狀記憶效應(yīng)”首次在工業(yè)上應(yīng)用，隨后記憶合金在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，使其備受世人矚目，被譽(yù)為“神奇的功能材料”（圖3）。如1969年，人類通過阿波羅11 號首次登月，在月球上與地球進(jìn)行信號傳輸?shù)氖且粋€巨大的半球形天線，如此龐大的天線如果一開始就存在于阿波羅11 號外側(cè)，在升空過程中肯定會被巨大的沖擊力破壞得粉碎，那它是怎么被帶上太空的呢？依靠的就是形狀記憶合金，在升空前，通過外力作用將天線壓縮，保存在登月艙內(nèi)部，到達(dá)月球后，通過升高溫度的方式，讓被壓縮的天線恢復(fù)成原本的性狀，傳遞信號。美國宇航局還把它用于制作空間探測車的車胎，既防止下沉又承重，可以幫助探測車前往更復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行探索。比較貼近生活的應(yīng)用也有很多，例如消防警報系統(tǒng)和水溫控制系統(tǒng)，能讓你邊吃飯邊玩魔術(shù)的“記憶”餐具等。它也可以貼到你身體里面去，用記憶合金制作的接骨板，不僅固定斷骨，還能自動接骨。也可作為血管擴(kuò)張支架，幫你“延年益壽”。

圖3 形狀記憶合金的應(yīng)用

3.3 碳材料

碳對于現(xiàn)有已知的所有生命系統(tǒng)都是不可或缺的，沒有它，生命不可能存在。碳在史前就已被發(fā)現(xiàn)，炭黑和煤是人類最早使用碳的形式。而現(xiàn)在被視為“永恒”象征的鉆石約在公元前2500年就已經(jīng)被中國所熟知。

到現(xiàn)在，碳材料不斷變化發(fā)展，以各種嶄新的面貌出現(xiàn)于各類領(lǐng)域中。動畫電影《超能陸戰(zhàn)隊》里，給大家呈現(xiàn)了一個溫暖又硬氣的大白，這個暖暖的醫(yī)療機(jī)器人，骨骼正是由碳纖維材料打造，這才讓外形軟綿綿的他能經(jīng)受住碾壓摔打[2]。碳纖維，因為其優(yōu)異的性能，被譽(yù)為“黑色黃金”，既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

碳纖維是含碳量在95%以上的新型高性能纖維，可用“堅如磐石、韌如發(fā)絲”來形容。韌如發(fā)絲是因為它像紡織纖維一樣柔軟可加工，堅如磐石是因為它的抗拉強(qiáng)度是鋼的7～9 倍，但碳纖維通?？v向強(qiáng)度大，橫向上易撕裂，所以用環(huán)氧樹脂來增強(qiáng)橫向受力。碳纖維的發(fā)現(xiàn)始于1860年，英國人瑟夫·斯旺在制作電燈燈絲時發(fā)明了碳纖維并獲得了專利。20 世紀(jì)50年代后，各國研究員才開始廣泛進(jìn)行碳纖維材料的研究應(yīng)用。1958年，美國研究人員首次發(fā)現(xiàn)了高性能碳纖維，日本和英國研究人員緊隨其后，對碳纖維的性能進(jìn)行改進(jìn)升級[2]。中國碳纖維研究始于60年代初，到1975年，技術(shù)人員攻關(guān)下碳纖維技術(shù)難題，為國內(nèi)碳纖維量產(chǎn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。到20 世紀(jì)70年代，碳纖維材料開始在戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)件上嶄露頭角。到現(xiàn)在，碳纖維材料開始用于日常生活中，如碳纖維自行車、碳纖維球拍等（圖4）。

圖4 碳纖維及其應(yīng)用

碳材料制成的另一種新型材料是碳納米管。碳納米管是一種管狀結(jié)構(gòu)的碳原子簇，是目前地球上強(qiáng)度重量比最高的物質(zhì)，強(qiáng)度是鋼的100 倍，而質(zhì)量僅為鋼的1/7。目前，各國都針對碳納米管的應(yīng)用進(jìn)行了較深入的研究。如在2012年，利用碳納米管的高強(qiáng)度性能，美國電梯港集團(tuán)開始投入太空電梯的研究，日本和俄羅斯的科學(xué)家也曾就如何設(shè)計“太空電梯”提出了初步方案。目前，美國麻省理工學(xué)院研究人員利用碳納米管研制出世界上最黑的材料，如將這種材料涂在一枚16.78 克拉的黃鉆上時，原來閃閃發(fā)光的鉆石會變得瞬間無光。研究人員稱，這種納米管結(jié)構(gòu)是迄今人類制造的最黑材料，可以吸收3D 物體表面99.996%的光線[3]。如圖5 中看到的被黑暗吞噬的黃鉆那樣，一旦物質(zhì)表面涂上該材料，原本閃亮的鉆石瞬間失去所有表面光澤，變成一種“黑洞”-沒有光線或者陰影可以逃脫。

圖5 最黑材料-碳納米管涂層

3.4 高聚物材料

高分子聚合物簡稱高聚物，是指相對分子質(zhì)量高達(dá)幾千到幾百萬的化合物。19 世紀(jì)前，人類對高聚物的應(yīng)用僅局限于天然高分子材料的加工應(yīng)用，如對食品淀粉和蛋白質(zhì)的加工，對棉、麻、絲、毛、皮革、木材和天然橡膠的加工利用等。19 世紀(jì)中葉，人類開始對天然高分子化合物進(jìn)行化學(xué)改性，如天然橡膠的硫化、纖維素硝化、人造絲工廠等，與此同時，有多種縮聚高聚物和加聚高聚物的初步合成。20 世紀(jì)初期，多種塑料、合成纖維和合成橡膠得到開發(fā)，開始形成較完整的高分子工業(yè)體系。到現(xiàn)在，高聚物材料遍布于我們的生活之中，極大地豐富了我們的物質(zhì)生活。

高聚物材料替代了我們生活中的很多普通材料。足球，是世界上最受歡迎的運(yùn)動之一，人類最早關(guān)于足球的記載，源于中國的《戰(zhàn)國策》和《史記》，在春秋戰(zhàn)國時期，古代足球以皮革制成，內(nèi)部是動物毛發(fā)，那時的人們把足球運(yùn)動稱為“蹴鞠”，是一種訓(xùn)練士兵的方式，到了唐代，足球的內(nèi)部填充材料變成了動物的尿泡。隨著高聚物材料的發(fā)展，足球制造史上發(fā)生了一次重大變革，1986年的墨西哥世界杯，足球制作材料由皮革變成了聚氨酯，從而讓足球表現(xiàn)出了非凡的操控性。如今，最新一代的聚氨酯材料，在2018年世界杯足球賽上大放異彩。聚氨酯是世界六大合成材料之一，被人們譽(yù)為“第五大塑料”（圖6）。聚氨酯泡沫是聚氨酯材料中應(yīng)用最廣泛的一種，聚氨酯泡沫的生產(chǎn)是通過加入聚氨酯發(fā)泡劑反應(yīng)加熱形成泡沫材料，目前，山東理工大學(xué)畢玉遂教授研制出無氯無氟的綠色化學(xué)發(fā)泡劑[4]，徹底改變了發(fā)泡劑會產(chǎn)生氯氟烴的現(xiàn)象，對保護(hù)地球環(huán)境產(chǎn)生積極影響。通過新型綠色化學(xué)發(fā)泡劑制作出來的聚氨酯泡沫被譽(yù)為可以“補(bǔ)天”的泡沫材料。

圖6 聚氨酯材料的應(yīng)用

高聚物材料在被廣泛應(yīng)用的同時，弊端也逐漸體現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計，海洋垃圾中，報紙、蘋果核、塑料瓶、一次性尿布等廢棄物的生物降解分別需要6 周、7 周、450年、475年。全球越來越多的哺乳動物、爬行動物和鳥類通過誤食塑料制品或者被他們纏繞受到傷害甚至死亡，同時廢棄塑料導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降、河床破壞以及通道堵塞等影響日益嚴(yán)重，所以塑料垃圾已被分類為危險物（圖7）。為了解決“白色污染”問題，一方面要做好塑料的回收和循環(huán)利用，另一方面需加大可持續(xù)的高分子新材料研究與開發(fā)[5]。

圖7 塑料造成的海洋污染

3.5 氣凝膠材料

質(zhì)地輕薄、干脆、微透，用力按壓甚至可以將它壓碎，這就是未來十大新材料之一——?dú)饽z（圖8）。氣凝膠材料是一類以固體為骨架、氣體為分散介質(zhì)的具有三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型材料，與其他化學(xué)物質(zhì)結(jié)合，還可以形成以玻璃纖維、發(fā)泡體、碳纖維等為增強(qiáng)體的多種氣凝膠產(chǎn)品，氣凝膠看似“身輕如燕”，其實非常堅固耐用。據(jù)力學(xué)家測定，一只螞蟻能夠舉起超過自身體重400 倍的東西，還能夠拖運(yùn)超過自身體重1 700 倍的物體，而氣凝膠可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在氣凝膠上放置一朵嬌嫩的花朵，花朵可從容面對1 000℃的高溫火焰，氣凝膠還能消解爆炸的威力于無形，并能像海綿寶寶一樣，吸附海上的漏油，穿上這個材料的衣服，可以闖入火海。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進(jìn)行熱絕緣。

氣凝膠發(fā)明于1931年，源于美國斯坦福大學(xué)契史特勒教授對果凍的興趣。果凍是明膠分子形成網(wǎng)格，把液體鎖住，使果凍呈現(xiàn)柔軟和彈性，如果把液體去除，網(wǎng)格是不是依然存在？明膠中看不見的網(wǎng)格是不是一個整體？契史特勒教授做了一系列實驗研究，最后發(fā)現(xiàn)壓力足夠大時，液體和氣體的密度及結(jié)構(gòu)相同液體會悄悄地變成氣體，剩下明膠網(wǎng)格，即最原始的氣凝膠。

圖8 氣凝膠材料

隨后，各國研究者開始對氣凝膠材料進(jìn)行研究，用其他材料替代明膠作為網(wǎng)格。如中科院蘇州納米所的科研人員最近研制出一種“超級保溫材料”。這種保溫材料的發(fā)現(xiàn)是受北極熊毛結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，北極熊的毛是中空結(jié)構(gòu)，能像隔熱玻璃一樣隔絕外界冷空氣[6]。這種新型“超級保溫材料”，是利用美國杜邦公司凱夫拉纖維制成的氣凝膠，將凱夫拉纖維制成納米纖維分散液，再用濕法紡絲將分散液制成水凝膠纖維，最后采用特種干燥技術(shù)脫水，制備出凱夫拉氣凝膠[7]。實驗證明，新材料能在-196～300℃的范圍內(nèi)發(fā)揮防寒隔熱作用，在-60℃環(huán)境中，其保溫能力是棉纖維的2.8 倍。

4 結(jié)語

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20 世紀(jì)70年代人們把信息、材料和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱，就是因為材料與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和人民生活密切相關(guān)。材料世界千變?nèi)f化，材料發(fā)展推動科技進(jìn)步，科技進(jìn)步推動國家發(fā)展。