本文對(duì)材料的發(fā)展現(xiàn)狀作了詳盡綜述，展望了先進(jìn)材料的開(kāi)發(fā)使用和材料科學(xué)的發(fā)展前景。由于材料特別是高性能、多用途先進(jìn)材料是人類社會(huì)發(fā)展的重要推力，先進(jìn)材料將繼續(xù)成為科學(xué)和工程研究的重點(diǎn)。在眾多新材料中，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料，和硅基電子材料是當(dāng)今工業(yè)中*重要的材料，而智能材料、納米材料、光電材料、生物材料、和高溫陶瓷材料將是21世紀(jì)的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，將發(fā)揮愈來(lái)愈大的作用。在這些*有前途的發(fā)展方向上，將可發(fā)掘出龐大的商業(yè)機(jī)會(huì)。
一、先進(jìn)材料的歷史地位
人們通常把材料、信息和能源并列為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，這三大支柱是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基本條件之一，而材料科學(xué)顯得尤為重要。從古至今，材料一直在扮演著劃分時(shí)代的主角，可以說(shuō)，材料是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑，整個(gè)人類社會(huì)的物質(zhì)文明史也就是一部材料發(fā)展的歷史，從石器時(shí)代、青銅器時(shí)代到鐵器時(shí)間，就是以每個(gè)時(shí)代出現(xiàn)的代表性材料而命名的。人類利用的材料的歷史，溯來(lái)源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。人類*早使用的工具--石器，就是一種*早的天然陶瓷材料，大約在公元前5000年，人類發(fā)明用粘土燒成陶器，同時(shí)在燒陶過(guò)程中又還原出金屬銅和錫，創(chuàng)造了煉銅技術(shù)，從而進(jìn)入青銅器時(shí)代，5000年前發(fā)明煉銅技術(shù)。而現(xiàn)在被認(rèn)為是材料的一重要發(fā)展方展方向的復(fù)合材料，其實(shí)在很久以前就已再出現(xiàn)，人類在6000年前就知道用稻草和泥巴混合壘墻，這是早期人工制備的復(fù)合材料；5000年前中東地區(qū)曾用蘆葦增強(qiáng)瀝青造船；我國(guó)越王劍是古老金屬基復(fù)合材料的代表，它采用金屬包層復(fù)合材料，不僅光亮鋒利，且韌性和耐蝕性優(yōu)異，在地下埋藏幾千年，出土?xí)r仍然寒光奪目，鋒利無(wú)比。如果說(shuō)19世紀(jì)是機(jī)械世紀(jì)，20世紀(jì)是電子時(shí)代，那么21世紀(jì)將是光子時(shí)代。也有人認(rèn)為21世紀(jì)將是生物、信息和材料的世紀(jì)，不管怎樣，材料工業(yè)都將成為未來(lái)社會(huì)發(fā)展的重要組成部分。 現(xiàn)代的材料按化學(xué)組成可分為金屬材料、有機(jī)材料和無(wú)機(jī)非金屬材料，也即金屬材料、高分子材料和無(wú)機(jī)材料。一般而言，材料可分為傳統(tǒng)材料和先進(jìn)材料兩大類，先進(jìn)材料是指那些新近開(kāi)發(fā)或正在開(kāi)發(fā)的、具有優(yōu)異性能的材料，先進(jìn)材料對(duì)高科技和技術(shù)具有非常并鍵的作用，沒(méi)有先進(jìn)材料就沒(méi)有發(fā)展高科技的物質(zhì)基礎(chǔ)，掌握先進(jìn)材料是一國(guó)在科技上處于*地位的標(biāo)志之一。
二、先進(jìn)材料研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展具有學(xué)科之間相互滲透、綜合交叉的特點(diǎn)，科學(xué)和經(jīng)濟(jì)之間的相互作用，推動(dòng)了當(dāng)前*活躍的信息和材料科學(xué)的發(fā)展，又導(dǎo)致了一系列高新技術(shù)和高性能材料的誕生。信息功能材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料、生物材料、智能材料、納米材料等取得了較大的發(fā)展，它們正成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。 信息功能材料。功能材料是指凡具有優(yōu)良的電、磁、聲、光、熱、化學(xué)和生物功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。功能材料與結(jié)構(gòu)材料相比較，其*大特點(diǎn)是兩者性能上的差異。功能材料是當(dāng)代新技術(shù)如能源技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、空間技術(shù)、海洋工程技術(shù)、生物工程技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是新技術(shù)革命的先導(dǎo)。
信息功能材料的發(fā)展對(duì)信息技術(shù)的進(jìn)步起到了至關(guān)重要的作用。眾所周知，集成電路的關(guān)鍵在于半導(dǎo)體材料和封裝材料與技術(shù)。目前，硅是*重要的半導(dǎo)體材料，今后二、三十年也可能如此，但對(duì)硅材料的要求卻愈來(lái)愈高，晶片尺寸愈大，質(zhì)量要求越高，這是因?yàn)榫�寬趙來(lái)越細(xì)，IBM預(yù)測(cè)到2007年線寬將達(dá)到0.10微米，而現(xiàn)在的為0.25微米左右，那時(shí)所發(fā)的熱量足以使基片熔化。于是隨著電子工業(yè)的發(fā)展，集成電路、大規(guī)格集成電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問(wèn)世，這類電路需要絕緣性能、導(dǎo)熱性能、熱膨脹匹配性能、高頻性能及快速響應(yīng)性能等一系列性能優(yōu)良的絕緣陶瓷作為電路的基片與封裝材料。特別是近10年來(lái)，由于高集成度、高信號(hào)速度電路的出現(xiàn)，在一塊小小的硅片上安放37 000 000個(gè)晶體管，如此高密度的集成電路需要散熱和熱控制措施到位，于是高絕緣高熱導(dǎo)的SiC 瓷與AlN 瓷被研究與開(kāi)發(fā)并得到廣泛的應(yīng)用，它們不但絕緣電阻和熱導(dǎo)率令人滿意，而且熱膨脹系數(shù)與單晶硅也匹配得相當(dāng)好。當(dāng)今，全世界每年要制造數(shù)百億件質(zhì)量相當(dāng)高的集成電路，其中大約有20%要采用精密絕緣陶瓷基片。如果在計(jì)算機(jī)的集成電路中采用多層絕緣陶瓷基片與封裝材料，可以使高速計(jì)算機(jī)的工作效率提高一倍，這已遠(yuǎn)超出陶瓷自身價(jià)值上千萬(wàn)倍。
光通信代替微波、電纜來(lái)傳輸信號(hào)，具有傳輸信號(hào)容量大造價(jià)低、中斷站少、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也是由于光導(dǎo)纖維材料的迅速發(fā)展才得以實(shí)現(xiàn)的。1970年美國(guó)康寧公司用氣相沉積法拉制出世界上*根石英光纖，自1975年又建成世界上*個(gè)正式生產(chǎn)光纖的工廠后，光纖得到了迅速發(fā)展，各國(guó)相繼建成了大規(guī)模的光纖電話網(wǎng)和長(zhǎng)途干線。當(dāng)然，光纖的應(yīng)用不僅在于通信方面，它還可以做成各種傳感器，用來(lái)測(cè)量溫度、壓力、位移、速度和聲音等。光導(dǎo)纖維有氧化物玻璃、非氧化物玻璃、鹵化物晶體與塑料光纖等，其中石英的性能是**的，具有透光度好、光損耗小、化學(xué)性能極為穩(wěn)定的特點(diǎn)，可用來(lái)制造100千米以上的光纖，這已在長(zhǎng)距離海底通信光纜中得到應(yīng)用。激光材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。以前有人提出利用激光來(lái)測(cè)量地球與月球隊(duì)之間的距離，即通過(guò)記錄激光從地球反射到月球然后又反射返回到地球隊(duì)的時(shí)間再乘以光速求得距離，就是利用了激光的方向性好發(fā)散角度小的特點(diǎn)；電影"珊瑚島上的死光"中所說(shuō)的"死光"，能瞬間把攻擊目標(biāo)化為灰燼，即利用了激光的亮度高，能量集中的特點(diǎn)，可以在微米級(jí)的斑點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生幾萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)度的高溫。這種神奇的激光就是由激光材料制成的激光器產(chǎn)生的，如在光通信中用釹-釔鋁石榴石晶體制作連續(xù)波激光器，可產(chǎn)生很大的輸出功率，超過(guò)了1kw，釹-釔鋁石榴石晶體是目前激光工作物質(zhì)中**的材料之一。Alpha-氧化鋁也應(yīng)用得極為普遍，是現(xiàn)在大功率激光器的良好材料，特別是它能產(chǎn)生可見(jiàn)光區(qū)的激光。信息記錄材料正由磁記錄向光記錄發(fā)展，光記錄也是以激光為光源，以薄膜作為光信息存儲(chǔ)材料，光記錄具有密度高、壽命長(zhǎng)、保真度好、無(wú)噪聲和可反復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。
復(fù)合材料。復(fù)合材料因?yàn)榫哂懈邚?qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、耐磨、耐高溫、韌性好、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好和自重小等性能，在許多工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)械工業(yè)、汽車工業(yè)、化學(xué)工業(yè)建筑領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域等得到了廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用主要有閥、泵、齒輪、風(fēng)機(jī)、葉片和軸承等，如用酚醛玻璃鋼和纖維增強(qiáng)聚丙烯制成的閥門使用奉命比不銹鋼閥門的長(zhǎng)，且價(jià)格便宜；鑄鐵泵一般重幾十公斤，而玻璃鋼泵重僅幾公斤。在汽車工業(yè)聚合物基復(fù)合材料可用作車身驅(qū)動(dòng)軸、操縱桿底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等部件，近兩年北京街頭出現(xiàn)的火箭頭出租車的外殼和看似笨重的黑色車輪自行車均為聚合物基復(fù)合材料所制。航空航天工業(yè)則普遍利用了復(fù)合材料的重量輕、耐腐蝕、耐高溫和耐摩擦性好等特點(diǎn)，大量用于飛機(jī)的減速板和剎車裝置、宇宙飛船控制艙的光學(xué)儀器熱防護(hù)罩、內(nèi)燃機(jī)活塞，X-20飛行器的鼻錐、噴嘴材料和機(jī)翼等，如飛機(jī)采用碳-碳復(fù)合材料剎車片，可減重600 kg。復(fù)合材料在現(xiàn)代飛行器的材料中占了較大的比重，1997年7月1日香港回歸時(shí)，中國(guó)駐港空軍駕駛的直-9型直升飛機(jī)，其使用的復(fù)合材料超過(guò)了60%。碳-碳復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)2200℃，是火箭基體的理想材料，現(xiàn)已用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和燒蝕層。利用復(fù)合材料的比高強(qiáng)度和比高模量，復(fù)合材料還可廣泛用于制造網(wǎng)球拍、高爾夫球棒、釣魚(yú)桿、滑雪板和樂(lè)器等。功能復(fù)合材料的應(yīng)用更加引人注目，樹(shù)脂基隱身復(fù)合材料在美國(guó)B2及F14、F19等飛機(jī)上均有應(yīng)用。陶瓷基的耐熱抗激光輻照復(fù)合材料，如碳化硅增強(qiáng)玻璃陶瓷基復(fù)合材料在氧化環(huán)境中能耐1300℃高溫，氧化鋁纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有抗激光破壞的能力，特別適合于用作天線罩的結(jié)構(gòu)材料。
智能材料。智能材料是高技術(shù)新材料發(fā)展的一個(gè)重要方向，有人認(rèn)為它是繼天然材料、人造材料和精細(xì)材料之后的第四代材料。如果將仿生功能引入材料，智能材料就能適時(shí)地感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化，具有自檢測(cè)、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)、自指令等功能。如在復(fù)合材料中埋入形狀記憶合金絲，可以改變內(nèi)部應(yīng)力情況，提高結(jié)構(gòu)件的承載能力，與傳感器配合，可以進(jìn)行自適應(yīng)控制。有人就曾設(shè)想過(guò)在球拍中安置微型的智能材料和傳感受器，使之能根據(jù)來(lái)球的方面及力度而自動(dòng)調(diào)整，并使打出去的球在方向和力度上變幻莫測(cè)，令對(duì)手無(wú)所適從。將傳感元件埋入基體材料中，采集結(jié)構(gòu)中的信息（應(yīng)變、振動(dòng)等），利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理方法，自行診斷損傷的位置、類型、程度，這就是智能材料的自診斷功能。橋梁、壩體等結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)期承載的，應(yīng)用強(qiáng)度自診斷進(jìn)行檢測(cè)很有實(shí)際意義，能監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的裂紋及損傷，當(dāng)承受特殊事故如地震時(shí)，能測(cè)得結(jié)構(gòu)損傷的地點(diǎn)和程度等。目前一種稱為機(jī)敏蒙皮（Smart Skin）的機(jī)敏陶瓷可以降低飛行器和潛水器高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的流動(dòng)噪聲，防止發(fā)生紊流，從而可以提高速度，減少紅外輻射和聲輻射，達(dá)到吸波隱身的目的。又如在飛機(jī)的機(jī)翼引入智能系統(tǒng)，它便能響應(yīng)空氣壓力和飛行速度的變化而自動(dòng)改變其形狀，從而改變升力和阻力，這能提高飛機(jī)（特別是戰(zhàn)斗機(jī)）的安全性和存活率。在醫(yī)學(xué)方面，智能藥物釋放體系能響應(yīng)血糖濃度、釋放胰島素，維持血糖濃度在正常水平。智能材料的研究極大地推動(dòng)著材料科學(xué)技術(shù)與信息科學(xué)技術(shù)之間的交叉滲透，推動(dòng)著材料加工技術(shù)與信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及控制技術(shù)的緊密結(jié)合，甚至可以萌發(fā)劃時(shí)代的技術(shù)革命。
納米材料。八十年代以來(lái)，一個(gè)新型的納米材料科學(xué)領(lǐng)域，越來(lái)越引起人們的興趣。由于納米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸均處在100nm以下，且晶界數(shù)量大幅度增加，使得材料的強(qiáng)度和韌性、超塑性大為提高，對(duì)材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響。
納米材料有四個(gè)基本的效應(yīng)，即小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺
