第1章　材料与高分子材料

1.1　材料与材料科学

材料是人类社会发展的重要物质基础，是人类文明的基石。材料的发现和使用使人类在与自然界的斗争中，从愚昧走向文明。在很大程度上，人类社会的发展史就是一部材料的发展史，先后经历了石器、青铜器、铁器等不同时代。当今，材料在人类社会发展中起到基础性和战略性的作用。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。例如，半导体硅材料、光纤的大量应用和发展使得计算机得到广泛应用，从而使人类进入了信息社会。信息、能源和材料是现代文明和生活的三大支柱，其中材料又是信息和能源的基础。

1.1.1　材料的定义

能够满足指定工作条件下使用要求的具有一定形态和物理性状的物质称为材料。具有如下特点：一定的组成和配比；成型加工性；一定的物理形状，且能够保持；回收和再生性；具有经济价值。木材、陶瓷、棉、毛、丝、麻、皮革、纸张、天然橡胶、金属、玻璃、砖瓦、水泥等都是常见的材料。还有一些具有特殊性质和功能的材料，如高强度复合材料、高绝缘材料、导电材料、耐辐射材料、耐低温与耐高温材料、感光材料、生物材料等。

人们在日常生活中所见即材料。同时，材料还可以在某些极端条件下使用，如高速飞行、宇航、深海、电子技术、原子能工业等。

1.1.2　材料的利用与发展

材料是人类生存和生活必不可少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是社会发展的动力。通过对新材料的发现、发明和利用，人类使用材料的能力不断提升。

在人类漫长的历史发展中，经历了诸如石器时代、青铜器时代、铁器时代等。原始人使用天然材料如石头、骨骼、木材、兽皮等来制造工具、武器、住所、衣服、用品等，这个时代叫做旧石器时代。随着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，标志着人类进入了新石器时代。在人类的进化史上，这是一个里程碑，因为这标志着人类的智慧发展到将天然材料改造为人工材料。之后的青铜器时代是以使用青铜器为标志的人类物质文化发展阶段。青铜器时代源于4000～5000年前，青铜是铜、锡、铅等元素组成的合金，熔点低、硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器的应用大大促进了农业和手工业的出现。而铁器时代始于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，极大促进了当时社会的发展。

经过数千年的发展，现代材料主要包括金属与合金、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，使得人类社会开始从农业和手工业社会进入工业社会；而新材料如高分子材料、半导体硅、高集成芯片的普及应用，使得人类社会向信息和知识经济社会过渡。在当代信息社会中，具有代表性的材料主要有纳米材料、生物材料、信息材料等。

1.1.3　材料的作用

1.1.3.1　材料科学在经济发展中的作用

在经济和社会的发展过程中，某种新材料的发展和应用往往会推动经济的发展；一般来说，产品技术含量越高，收益越高。

例如，作为3D打印（3D printing）技术的关键因素，3D打印材料近年来发展迅速，促进了相关领域的经济发展。全球3D打印塑性材料收入达到1.83亿美元，并将以23.4%的年均复合增长率继续增长，至2018年将达到5.83亿美元。2012年北美和亚太地区占了3D打印材料销售收益的68.0%；北美地区的3D打印材料市场收入最高，亚太地区第二。从全球来看，美国、日本、中国、英国和德国的3D打印材料需求巨大。

工业社会向知识经济社会过渡的重要标志是工业产品中传统的金属材料比重降低，无机非金属材料、有机合成材料的比重越来越大；产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密集型方向发展。1980年，美国的电子工业产值超过了钢铁和纺织工业，仅次于化工和汽车工业。而日本所谓的“超级钢计划”，则是通过冶炼等技术的改进来大幅度提高传统金属材料的性能，如将钢的性能提高一倍，实质上就是节约了一倍的资源，使得产品更具竞争力。在新材料产业领域中，2000年的世界新材料市场销售额4000亿美元，美国40%，日本20%，而我国差距较大。

1.1.3.2　新材料的应用

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。高强度的合金、新的能源材料及各种非金属材料在航空和汽车工业领域应用广泛。例如光纤用于光纤通讯领域，而半导体材料在计算机技术和信息技术的应用较广。与此同时，新技术的发展为材料科学研究提供了更先进的手段。较为先进的技术有精密测试技术、电子显微技术、高速、大容量计算技术等。高技术的发展对材料提出了更高的要求。

新材料产业是构筑现代产业共性关键技术的基础性产业，它的下游产业几乎包括了所有的制造业，包括能源、计算机、交通运输、航空航天、电子信息、汽车、建筑等各种行业。可以说，现代产业包括工业、农业、军事等一切领域，都离不开新材料产业。新材料产业中所采用的技术已经成为构筑现代产业的共性技术，对新材料是否使用已经成为现代产业能否具有领先性的基础性条件之一。例如，大飞机制造是一个国家综合实力和航空工业水平的体现，代表了科技和工业基础的制高点。

“一代材料，一代飞机”是航空工业发展的生动写照。飞机性能的改进有2/3靠材料，因此，材料的先进性在相当程度上决定了飞机的性能。大飞机项目大规模集成了现代高新技术，对材料提出了更高的要求。目前，大型客机机体材料主要包括铝合金（aluminum alloy）、钛合金（titanium alloy）和树脂基复合材料（resin matrix composite）等，而发展重点则集中在低成本、高性能的树脂基复合材料技术。例如，我国具有自主知识产权的C919大型客机，于2017年5月5日首飞成功。C919在材料使用上，采用了大量的先进复合材料（composite material）和先进的第三代铝锂合金（aluminum lithium alloy）等，其中复合材料使用量达到20%，使得飞机在保证设计强度的前提下大大减小了结构重量。世界先进的第三代铝锂合金在国内民机上使用尚属首次，铝锂合金的使用比例甚至超过了空客A380。另外，C919使用了占全机结构重量20%～30%的国产铝合金、钛合金以及钢（steel）等材料。

近年来，在航空领域，碳纤维复合材料（carbon fiber composite）是实现航空武器装备及民用航空装备轻量化、低成本、高性能的关键性材料。尽管复合材料较铝合金昂贵，但是可以使飞机减重10%～30%，所带来的经济效益远远抵偿了其成本高的负面影响。当前，民机50%以上的结构使用的都是复合材料，像空客A350、波音787，我们所能看到的外部结构，除了起落架，其他使用的几乎都是复合材料。

高铁的建设也促进了新材料行业的发展。车体材料方面，目前使用的是不锈钢和铝合金；由于车辆轻量化的要求越来越高，复合材料日渐受到关注。例如，意大利ETRS00高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂（epoxy resin，EP）；法国国营铁路公司（SNCF）的TGV高速列车采用碳和玻璃纤维强化环氧树脂包覆发泡蜂窝材料芯。而高铁铁轨所用的高分子减振、降噪材料多达十几种：聚氨酯（polyurethane，PU）、碳纤维复合材料、热塑性弹性体（thermoplastic elastomer，TPE）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）、硅橡胶（silicone rubber）、环氧树脂、丁基橡胶（isobutylene isoprene rubber，IIR）、丁苯橡胶（butadiene styrene rubber，SBR）、三元乙丙橡胶（ethylene-propylene-diene terpolymer rubber，EPDM）等。其中，用于高速铁路路基和轨道之间的减振材料主要从国外进口。美国杜邦公司的售价在10万元/吨左右甚至更高。如果该材料实现国产化，价格可以降低一半。

1.1.4　新材料的发展方向

目前应用和发展的新材料正在朝着以下的几个方向发展。

1.1.4.1　高性能化、高功能化、高智能化

高性能材料：掌握原理，采用新工艺、新技术、新设备，创造出性能更好的新型材料。对于结构材料来说，旨在改善材料的强度、刚度、韧性、耐高温、耐腐蚀、高弹、高阻尼等性能。通过新工艺生产的新产品体积小、重量轻、资源省、能耗低、成本低、利润高。

功能材料：单一功能向多种功能发展，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。

智能材料：具有感知和响应双重功能，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，能够解决传统材料难以解决的技术难题。例如美国空军采用智能材料制造飞机机翼，可随工作状态的不同自动调节形状，改变升力和阻力，以适应飞机的起降，使飞机更加安全，降低油耗。

1.1.4.2　复合化

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对材料综合性能的要求。

不同种类、不同性能材料复合，可获得比单一材料性能更好或具有某种特殊性能的复合材料。例如，碳纤维增强的陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite），其抗冲击强度比普通陶瓷高40倍，能经受数千摄氏度高温，是航空工业的重要结构材料。

1.1.4.3　极限化

在尺寸、压力、温度、纯度各种量纲范围内追求极限，使材料的性能产生根本性的飞跃。例如，在超高温、超高压下用石墨合成金刚石；在超高真空环境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，如冶炼高纯金属等。

1.1.4.4　仿生化

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。

蜘蛛丝比钢丝更强、更富有弹性，具有很强缓冲外力冲击的能力，且低温性能良好，是制造防弹服装和降落伞的理想材料。因此，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，可以用来制作军用品。

生物医用材料仿造人体的细胞外基质结构与成分，有良好的生物相容性能，可以用于人体组织和器官的矫形、修补和再造。

某些仿生材料以生物体合成的蛋白质为基础，取代合成人工材料，有利于解决资源、能源枯竭问题，并且对环境没有危害。

1.1.4.5　绿色化

绿色材料或环境友好材料是指资源和能源消耗少、再生循环利用率高，或可降解使用的材料。

废弃的普通塑料越来越多，并因其耐久性好而长久存留自然界已经成为公害。我国于2008年6月1日开始实行“限塑令”。

可降解塑料则能够实现绿色循环。通过乳酸（lactic acid）聚合可合成聚乳酸（polylactic acid，PLA）。细菌合成可降解塑料如聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate，PHB）、聚羟基戊酸酯（polyhydroxyvalerate，PHV）及其共聚物（copolymer）PHBV［poly（hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate）］等。用二氧化碳可合成降解塑料包括聚碳酸酯（polycarbonate，PC）等。这些生物可降解材料已在日常生活（如包装、牙刷、杯子）、医疗（如骨钉、骨板、缝合线）等多个领域得到了应用。