论材料与人类生活

第一篇：论材料与人类生活

论材料与人类生活

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材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。通过对材料与生活这门课的学习，我了解到了很多关于材料的知识，也学会了从科学的角度看待我们生活中的各种材料。

从历史上的旧石器演进到新石器，再由新石器进步到现今高度科技发达的世界，材料一直在不断地进步发明中，亦可以说是人类文明的代表。所以，可借由某一时期所用的材料去判断那时期的科技发展情形或者是人类生活的状况。而在今日的社会，材料科学的发展更显出其重要性。例如现今大楼中，纷纷要求防火建材，可知材料科学亦在人类生活的安全上占有不可忽视的地位。又如电子设备的演进，从体积非常大的真空管、晶体管进步到集成电路，不仅为现代的科技另造高峰，同时也使得电器用品趋于小型化、轻巧化、功能强、易于携带等种种好处。所以说人类的生活确实是与材料科学有关。

随着科技日新月异，许多新科技发展的材料愈来愈常应用于人类日常生活之中。因为人们日常生活中所需用到的种种物品皆是由许多不同材料所组成，可能是传统的，也可能是新研发出来的。但不论是何种材料，其优缺点、好与坏，都直接或间接地影响到我们的生活。而除了日常生活，在国防或科技方面，材料科学亦为一不可忽视的重要课题。另外在医学工程及环境保护上，材料科学的发展亦对其有极大的助益。至于在航天科技及信息网络的应用上，材料科学的发展更是占有举足轻重的地位。50年代末，美国政府就制定了全国材料发展规划，70～80年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本在1980年开展了为期10年、耗资4亿美元的新材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。接着欧洲与前苏联也 制订了类似的规划，竞争的项目也集中在这些领域。某些具有特殊性能的新材料的出现，引 起了今天的高技术突飞猛进的发展。

1982年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车，引起了世界性轰动。因为它的出现将使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。1988年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功，象征人类在航空领域中启 用了无污染的新能源--液氢。液氢的沸点为－253℃，携储液氢需要高效率的绝热材料。液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程度。1989年3 月，日本的一艘6500号潜水调查船下潜到6500米的深海区，打破了美国、前苏 联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱使用的正是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。有了深海探测技术，人们才可实现对人类资源 开发有不可估量的意义的深海资源的开发。美国在1989年12月入侵巴拿马，1991年1月人侵海湾以及此刻正在空袭南联 盟的战争中，使用的F-ll7隐身战斗机世人皆知。这种武器之所以能隐身，就是 使用了一种吸波材料和吸波涂层。由此可见，材料的发展已成为战争胜负的一个方面。

新材料与现代科学技术特别是高技术是互相依存、互相促进的，高技术的 飞速发展对新材料提出了更高的要求。精密测试技术，电子显微技术，高速大容量计算技术等的发展，为材料科学工作者提供了更有力的研究工具。

大致而言，材料的发展可分为三个时期：

（一）分离型：材料单纯而简单，可直接视为单一材料，只对本身的特性加以应用，而材料的组成只有一种，不掺杂任何材料，即金属是金属，陶瓷就是陶瓷。

（二）混合型：是由二种或二种以上的材料所组成，应用彼此间特性的相结合而发展出的新产品。

（三）融合型：是由多种材质合成在一起，已经不能分辨异种物质的材料，是一创造发明出的新材料。

由于材料发展不断推陈出新，各种应用更是处处可见材料的踪影，而且对人类生活的影响更是深远。所以，材料科学不仅仅是一门学问而已，它的发展与我们的生活息息相关且密不可分。

材料的应用非常广泛，且对于人类的生活影响也非常深远。举凡日常生活的食、衣、住、行、育、乐、医疗、通讯以至军事国防及太空发展等等，无一不与材料有关。以下便逐一分类说明材料对人们生活的影响及其应用的层面：

（一）在日常生活方面：

生活中食、衣、住、行、育、乐等用品和我们所使用的材料有着很大的关系；如衣服的制造原料原本是取之于天然的丝棉，但是由于耐龙、特多龙及人造纤维的发明使得衣服的质料愈加地舒适与保暖。在房屋建筑上，防火建材的研发使得我们住得更安心，另外建筑物的防震设计越来越坚固，使得我们生命获得更好的保障。碳纤维材质应用于制造脚踏车，使原本已趋向夕阳工业的脚踏车工业又变得缤纷灿烂；而未来磁浮列车的开发可让我们的交通更安全与快速。在娱乐方面，视听产品光盘CD、影碟LD等不断地发展，使得我们的生活更享受。

（二）在家电用品方面：

由于半导体工业的发展，使电子材料从原本体积大的真空管时代经过了晶体管到现在的集成电路时代，不但使体积大大地缩小，附加的功能也跟随之提高。轻薄化、小型化、速度快及易于携带等功能，改善了以前笨重、功能少且不易搬运等问题。如计算机的发展过程中由原本体积庞大到要一个房子才容纳得下，进展到可放置于桌上的个人计算机或笔记型计算机，且功能更强，执行速度更快。又如电饭锅、洗衣机都有Fuzzy的功能，使用的过程更加人性化。音响设备，如收音机、随身听的发明，使得我们易于携带且不再局限于只能在室内使用。液晶显示材料的发展增加了视觉的效果。而可录式CD材料的研发，因其具有高密度、低损耗等优点，所以广受开发制造。

（三）在通讯方面：

由于科技及信息快速地进步发展，信息的获得可藉各种通讯设备来传达，如卫星通讯、网络联机、无线与有线通讯及光纤通讯的开发应用皆使信息传播得更快速、更精确。而这些皆有赖于材料适当地开发及运用。

（四）在医疗方面：

人类生、老、病、死少不了就医及身体健康的维护，因此各种生化、生医仪器及传感器便因应而生，如检测人体内之血液，血压，pH值……等。另外激光技术应用于医学上的切割、开刀手术；陶瓷做的假牙、人工骨、人工关节及齿列矫正的材料皆有进展。而由于传感器应用于医学上的侦测，能使病人的检测更便捷、更精准以提高医疗效果，另外也由于材料的改进发明使得人工义肢、器官等更能与人体适应使病人感到更舒适，同时也延长了人类的寿命。

（五）在环境保护方面：

由于人口与日俱增，可用的土地及资源有限，为了要让地球生生不息，就必须发展环境材料及污染传感器以维护环境品质。环境材料是指对资源和能源消耗最少、生态环境影响最小、再生循环利用率最高、或可分解使用的具有优异使用性能的新型材料。所以废弃物的回收再利用更是值得开发，如再生纸，铝制汽车……等。至于环境品质检测上，如气体传感器可用来测定有毒气体和汽机车废气排放量及工厂的排气，另外水质污染传感器及噪音分贝机的发明，都能使我们迅速得知周遭环境的品质。如去年日本地铁的毒气事件中，若事先有装设气体传感器就不会造成如此大的伤亡了。

（六）在能源方面：

由于煤、石油、天然气的发现，使得人类的能源问题暂时获得解决。但许多发展中国家正相继进入经济高速增长期，对资源、能源的需求将进一步遽增，由此造成的资源能源短缺问题会日益严重。预计到二十一世纪末，将会出现石油、天然气等石化燃料的枯竭。而如何

去找寻一个替代品是目前相当重要的课题，所以现在正极力开发运用太阳能、水力、风力来发电以获得能源。而太阳电池便是利用非晶硅之类的材料做成的，太阳光电能所提供的不仅是能源，并且对环保颇有贡献，在有限的传统能源及环境污染问题日趋严重的情况下，开发并使用无污染的太阳光电能乃势在必行。

（七）在军事国防方面：

军事武器日新月异不断进步，如何发展出更安全、更快速、更精确的武器，是国防科技的重点。而国防利技的发展已使得战争不再像以前的肉搏战了。如红外线光罩的发明，因其能避免受空气中水分子、一氧化碳的吸附，以及受悬浮粒子的撞击而损耗，所以更能精准侦测以防卫国家。而在雷达侦测方面，更为国家安全提供很好的预警。

（八）在太空发展方面：

飞机的发明使得我们往来各地更加便捷，而航天飞机的发明使我们能对外层空间加以探测，卫星的发展更为地球表面的探测以及信息的传递提供了很好的中继站。而这些都是由于材料发展的结果，如铝合金、钛合金的轻巧耐高温等优良特性，已都应用于航天工业上。

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。人们把 人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对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，人们称之为新石器时代。青铜时代大约源 于4000-5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬 度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时 代则被认为是始于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，大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和 广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体 硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。

材料是工业的基础，材料科学的发展是具前瞻性的，是走在时代的尖端，它决定了人类的生活方式，为人类的未来生活画出蓝图，使人类的生活品质不断地提升。所以说材料科学对人类生活的影响甚巨，以前如此，未来更是如此。

正因为材料与人类生活息息相关,人类生活得进步，人类社会的发展都是以材料的发展为前提的，因此性能不断提高、来源愈来愈广泛、能满足人类生活和社会日益增加的需要的先进材料，将会以更快的速度、更高的质量和性能而获得发展。我们有理由相信，在人类科技将会取得辉煌进步的21实际，一系列高性能、有广泛用途的各种

先进材料，将会层出不穷的出现，渗透到我们生活中的每一个角落、每一个领域，明天的生活将更加多姿多彩，灿烂而又辉煌！

第二篇：动物与人类生活

我最喜欢的动物及其与人类关系

引言：世界上动物千千万，而我最喜欢的动物是狗。狗凭借其善解人意，友善忠诚的性格成为陪伴人们一起长期生活的动物之一。常言到：狗是人类的好朋友，狗与人的关系是很亲密的。而在当代人类生活、工作中狗扮演着越来越重要而且是不可或缺的角色主要内容：

一、我喜欢狗的原因。

从小我就对狗狗特别特别感兴趣。我觉得这应该和我们家养的第一只狗—哈巴狗“豆豆”有关。从我能记事起，豆豆就一直陪伴着我和哥哥，我们带着它一块散步，给它洗澡，看它洗完澡后乱甩身上的水和不经意间滑倒时的滑稽表情，牵着它的爪子一起跳舞„„直到我上了一年级，某天回家发现豆豆不见了，原来它被外公送给了别人。那时候我特别伤心，在路上看到哈巴狗都会瞧一瞧是不是我家豆豆„„从那时起，我就觉得我的生活中不能缺了狗狗。长大后，我渐渐的发现了狗的很多优点：

（一）忠诚，看电影看小说都能看到很多关于狗狗的故事：《忠犬八公》《我和狗狗的十个约会《导盲犬小Q》等，每看一部都是泪流满面。其实人与狗的故事从很早以前就一直延续至今，而狗的忠诚是人们共同认可的；

（二）友善，我认为狗是天生友善的动物，尤其是对小朋友而言。也正因为如此，很多人都愿意让狗狗做他们的宠物，陪他们的小孩子玩耍；

（三）善解人意，狗是一种通人性的动物，它们很聪明，也知道主人何时生气，何时开心。当你生气时它会蹲在一旁偷偷拿眼瞄你，不敢妄自上来缠你，而当你开心时，它会陪你开心，和你一块玩耍„„总而言之，狗狗就是这么惹人爱的动物，二、狗与人类的关系狗和人类之间的感情可以追溯到几千年前，而我也相信，在今后的日子里人和狗之间的感情还会一直延续下去。而在现代社会中，狗扮演越来越多也是越来越重要的角色，主要归结为两种，服务犬类和宠物犬类。服务犬类主要作为看门犬，警犬，缉毒犬，搜救犬，猎犬牧羊犬，军犬等。而人们最为了解的莫过于警犬和导盲犬。在2008年的汶川大地震中警犬凭借其 灵敏的嗅觉跟随着解放军救了很多人，同时也有很多警犬由于身体负荷过重而牺牲在救灾现场„„而关于导盲犬，它们经过专业的训练，也已经成为了残疾人离不开的好伙伴了。除此之外，现在我们最常见到的是狗作为宠物来陪伴人们。有小孩的家庭中是最有可能养狗。

父母通常将狗作为儿童淘气时的玩具，而狗更应该是一本教科书，教育儿童基本的生物常识以及关于生命与死亡的知识。儿童通过关心宠物知道了什么是责任，此外狗狗作为宠物还可以帮助儿童更好的应对生活的压力，现代社会离婚率居高不下，宠物有助于减轻孩子由于父母离异和兄弟离散而带来的孤独感，同样宠物还可以成为孩子们乐意的玩伴。另外，狗还使得老年人得到了驯养宠物的经历，抚摸和被抚摸的机会并且有一种安全稳定的感觉。动物还可以用于改善老年人的身体和心理健康，研究表明在护理院和退休社区，有狗等宠物始终陪伴着主人能使老人更少出现意外。结束语：

总而言之，狗是对我们人类最忠诚的动物之一，它们用它们短暂的一生来尽心尽力地陪伴我们。而我们能做的不多，就只有好好关爱它，陪它们一起玩耍，给它们安全感，真心待它。让我们保持人与动物之间的那种美好、自然与和谐。

参考文献：

赵建成，生物资源学科学出版社，2002.[日]川口 晴，与狗狗的十个约定.中信出版社，2008.[美] stein Garth，我在雨中等你.圆神出版社，2008.

第三篇：浅谈材料科学与人类生活

浅谈材料科学与人类生活

通过对《材料科学与工程概论》的学习，我了解到了很多关于材料的知识，也学会了从科学的角度看待我们生活中的各种材料。

人类的生活演进，除了思想观念之外，物质的发明扮演着相当重要的角色。自从远古时代人们使用石器开始，材料就和人类生活结下不解之缘。再经过青铜器时代，铁器时代而到高温超导体出现的今日，材料无不日新月异地被发明与改革。人们也因为材料的进步而改善了生活的状况。

农业时期，科技不发达，一切以手工做事。渐渐地，机械的发展使人类有更快速、简便的制造工具。工业时期，机械取代了手工，劳力需求也减少；到了现在，劳力密集转换成技术密集，民生消费产品，尤其在娱乐生活方面更为人们所重视。因此，在这一连串产业型态的转变下，材料的发展便扮演了极重要的角色，同时也显示出材料与人类生活的密切关系。

材料的沿革与发展

从历史上的旧石器演进到新石器，再由新石器进步到现今高度科技发达的世界，材料一直在不断地进步发明中，亦可以说是人类文明的代表。所以，可藉由某一时期所用的材料去判断那时期的科技发展情形或者是人类生活的状况。而在今日的社会，材料科学的发展更显出其重要性。例如现今大楼中，纷纷要求「防火」建材，可知材料科学亦在人类生活的安全上占有不可忽视的地位。又如电子组件的演进，从体积非常大的真空管、晶体管进步到集成电路（IC化），不仅为现代的科技另造高峰，同时也使得电器用品趋于小型化、轻巧化、功能强、易于携带等种种好处。所以说人类的生活确实是与材料科学有关。

随着科技日新月异，许多新科技发展的材料愈来愈常应用于人类日常生活之中。因为人们日常生活中所需用到的种种物品皆是由许多不同材料所组成，可能是传统的，也可能是新研发出来的。但不论是何种材料，其优缺点、好与坏，都直接或间接地影响到我们的生活。而除了日常生活，在国防或科技方面，材料科学亦为一不可忽视的重要课题。另外在医学工程及环境保护上，材料科学的发展亦对其有极大的助益。至于在航天科技及信息网络的应用上，材料科学的发展更是占有举足轻重的地位。

大致而言，材料的发展可分为三个时期：

（一）分离型：材料单纯而简单，可直接视为单一材料，只对本身的特性加以应用，而材料的组成只有一种，不掺杂任何材料，即金属是金属，陶瓷就是陶瓷。

（二）混合型：是由二种或二种以上的材料所组成，应用彼此间特性的相结合而发展出的新产品。

（三）融合型：是由多种材质合成在一起，已经不能分辨异种物质的材料，是一创造发明出的新材料。

由于材料发展不断推陈出新，各种应用更是处处可见材料的踪影，而且对人类生活的影响更是深远。所以，材料科学不仅仅是一门学问而已，它的发展与我们的生活息息相关且密不可分。

应用方面

材料的应用非常广泛，且对于人类的生活影响也非常深远。举凡日常生活的食、衣、住、行、育、乐、医疗、通讯以至军事国防及太空发展……等等，无一不与材料有关。以下便逐一分类说明材料对人们生活的影响及其应用的层面：

（一）在日常生活方面：

生活中食、衣、住、行、育、乐等用品和我们所使用的材料有着很大的关系；如衣服的制造原料原本是取之于天然的丝棉，但是由于耐龙、特多龙及人造纤维的发明使得衣服的质料愈加地舒适与保暖。在房屋建筑上，防火建材的研发使得我们住得更安心，另外建筑物的防震设计越来越坚固，使得我们生命获得更好的保障。碳纤维材质应用于制造脚踏车，使原本已趋向夕阳工业的脚踏车工业又变得缤纷灿烂；而未来磁浮列车的开发可让我们的交通更安全与快速。在娱乐方面，视听产品光盘CD（Compact Disc）、影碟LD（Laser Disc）等不断地发展，使得我们的生活更享受。

（二）在家电用品方面：

由于半导体工业的发展，使电子材料从原本体积大的真空管时代经过了晶体管到现在的集成电路（IC化）时代，不但使体积大大地缩小，附加的功能也跟随之提高。轻薄化、小型化、速度快及易于携带等功能，改善了以前笨重、功能少且不易搬运等问题。如计算机的发展过程中由原本体积庞大到要一个房子才容纳得下，进展到可放置于桌上的个人计算机或笔记型计算机，且功能更强，执行速度更快。又如电饭锅、洗衣机都有Fuzzy的功能，使用的过程更加人性化。音响设备，如收音机、随身听的发明，使得我们易于携带且不再局限于只能在室内使用。液晶显示材料的发展增加了视觉的效果。而可录式CD材料的研发，因其具有高密度、低损耗等优点，所以广受开发制造。

（三）在通讯方面：

由于科技及信息快速地进步发展，信息的获得可藉各种通讯设备来传达，如卫星通讯、网络联机、无线与有线通讯及光纤通讯的开发应用皆使信息传播得更快速、更精确。而这些皆有赖于材料适当地开发及运用。

（四）在医疗方面：

人类生、老、病、死少不了就医及身体健康的维护，因此各种生化、生医仪器及传感器便因应而生，如检测人体内之血液，血压，pH值……等。另外激光技术应用于医学上的切割、开刀手术；陶瓷做的假牙、人工骨、人工关节及齿列矫正的材料皆有进展。而由于传感器应用于医学上的侦测，能使病人的检测更便捷、更精准以提高医疗效果，另外也由于材料的改进发明使得人工义肢、器官等更能与人体适应使病人感到更舒适，同时也延长了人类的寿命。

（五）在环境保护方面：

由于人口与日俱增，可用的土地及资源有限，为了要让地球生生不息，就必须发展环境材料及污染传感器以维护环境品质。环境材料是指对资源和能源消耗最少、生态环境影响最小、再生循环利用率最高、或可分解使用的具有优异使用性能的新型材料。所以废弃物的回收再利用更是值得开发，如再生纸，铝制汽车……等。至于环境品质检测上，如气体传感器可用来测定有毒气体和汽机车废气排放量及工厂的排气，另外水质污染传感器及噪音分贝机的发明，都能使我们迅速得知周遭环境的品质。如去年日本地铁的毒气事件中，若事先有装设气体传感器就不会造成如此大的伤亡了。

（六）在能源方面：

由于煤、石油、天然气的发现，使得人类的能源问题暂时获得解决。但许多发展中国家正相继进入经济高速增长期，对资源、能源的需求将进一步遽增，由此造成的资源能源短缺问题会日益严重。预计到二十一世纪末，将会出现石油、天然气等石化燃料的枯竭。而如何去找寻一个替代品是目前相当重要的课题，所以现在正极力开发运用太阳能、水力、风力来发电以获得能源。而太阳电池便是利用非晶硅之类的材料做成的，太阳光电能所提供的不仅是能源，并且对环保颇有贡献，在有限的传统能源及环境污染问题日趋严重的情况下，开发并使用无污染的太阳光电能乃势在必行。

（七）在军事国防方面：

军事武器日新月异不断进步，如何发展出更安全、更快速、更精确的武器，是国防科技的重点。而国防利技的发展已使得战争不再像以前的肉搏战了。如红外线光罩的发明，因其能避免受空气中水分子、一氧化碳的吸附，以及受悬浮粒子的撞击而损耗，所以更能精准侦测以防卫国家。而在雷达侦测方面，更为国家安全提供很好的预警。

（八）在太空发展方面：

飞机的发明使得我们往来各地更加便捷，而航天飞机的发明使我们能对外层空间加以探测，卫星的发展更为地球表面的探测以及信息的传递提供了很好的中继站。而这些都是由于材料发展的结果，如铝合金、钛合金的轻巧耐高温等优良特性，已都应用于航天工业上。

结语

总之，材料科学应用的范围实在太多了，从日常生活的食、衣、住、行到军事国防，无不与材料发生关系。而除了上述的应用之外，目前更积极研发新材料，如高温超导材料、钻石膜材料以及附有人工智能的材料，而新材料势必将主导未来的世界。

材料是工业的基础，材料科学的发展是具前瞻性的，是走在时代的尖端，它决定了人类的生活方式，为人类的未来生活画出蓝图，使人类的生活品质不断地提升。所以说材料科学对人类生活的影响甚巨，以前如此，未来更是如此。

正因为材料与人类生活息息相关,人类生活得进步，人类社会的发展都是以材料的发展为前提的，因此性能不断提高、来源愈来愈广泛、能满足人类生活和社会日益增加的需要的先进材料，将会以更快的速度、更高的质量和性能而获得发展。我们有理由相信，在人类科技将会取得辉煌进步的21实际，一系列高性能、有广泛用途的各种先进材料，将会层出不穷的出现，渗透到我们生活中的每一个角落、每一个领域，明天的生活将更加多姿多彩，灿烂而又辉煌！

第四篇：化学与人类生活

化学与人类生活课程论文

化学对人类生存环境的影响

-------学院------系-----专业 姓名-----学号--------摘要：1.化学改善了人类生存环境；

2.化学也对环境造成了破坏。

关键词：化学，酸雨，化学烟雾，温室效应。

化学使人类开始自己创造新物质，而同时又对环境造成了前所未有的恶劣影响。

1.化学改善了人类生存环境

1.1 化工厂产出各种各样的化肥，能较好改善土壤，提高生产力；

1.2 石油可以提炼出沥青，燃油，生产各种各样的塑料，大大满足了人类部分需求；

1.3 含硅酸盐的水泥浇筑了一条条通往四面八方的大道，一块块拼成桥梁的路板，一座座高耸入云的大厦。

2.化学也对环境造成了破坏

2.1含硫的矿石燃料的燃烧，如煤炭，释放了含硫氧化物，引发了酸雨。酸雨腐蚀了珍贵的文物和建筑，造成了大片绿色植物和河里的鱼类死亡;

2.2 燃料燃烧不充分产生的废气含有毒物质，在空气不通风和阳光照射等条件下发生化学反应，产生化学烟雾，严重威胁人们的生命。

2.3 大量矿石燃料的燃烧释放了热量，超出环境的承受范围，严重影响全球的气候，造成温室效应。

总而言之，化学是一把双刃剑，我们应该利用化学创造新物质，服务社会，造福人类。同时我们也要尽量避免化学对环境造成的恶劣影响，合理利用化学治理环境污染，发展绿色化学技术，促进人类和社会的进步。

第五篇：论金属材料与人类发展

论金属材料与人类发展

沈凤

摘要：介绍了金属材料在人类社会进步中的重要性，突出介绍了合金钢及其发展，又着重介绍属于合金钢的新型金属材料目前的战略性研究，不同分类属性以及在生活中的重要应用。参考文献：材料科学概论

材料与人类文明

合金钢的现状与未来

新型金属材料及其应用研究

金属材料科学的发展历程与人类思维方式的演变

我国低合金钢及微合金钢的发展、问题和方向

众所周知，材料既是运用于人类社会，能经济地制造有用器件的实体物质。材料的范围非常广阔，其中包括：钢铁，土石，陶瓷，纤维，橡胶等众多千变万化的物质。随着人类科技文明的不断发展，材料的不同属性也被不断创新地结合起来形成越来越广泛使用的先进复合材料。

毫无疑问人类社会的历史就是一部利用材料为文明进步铺垫的历史，人类使用材料的历史已有7个时代，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；而从中我们不得不承认，在千变万化的材料的世界，金属材料无论在过去还是现在，始终占有及其重要的地位。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

从金属材料的定义来看，金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳 2％～4％的铸铁，含碳小于 2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。

历史上来看公元1000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18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。因此，可以说正式炼铁技术的大力发展催动了西方伟大的工业革命，从此，西方世界整整强大起来。

在目前和可预见的未来, 合金钢仍然是社会和经济发展所需要的重要材料。新型合金钢 必须满足社会发展对钢铁生产、加工、使用和回收等环节提出的节约能源、节省资源、保护环境的要求为此, 合金钢将向高性能和多品种方向发展。概述了高强度低合金钢、合金结构钢、超高强度钢、不锈耐蚀钢、耐热钢、工具钢、模具钢、轴承钢等合金钢的现状和发展趋势。钢铁材料以其资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样、价格低廉、使用方便 和便于回收等特征成为工业生产和人民生活中广泛使用的材料。

合金钢的开发现状可以描述为高性能化和多品种化。由于采用新技术、新装备、新工艺和新的检测技术如精料、高洁净度冶炼、连铸、高精度轧制、控轧控冷、可控气氛热处理、在线检测和精整等, 合金钢的洁净度、均匀度、组织细化度和尺寸精度等得到了提高。合金

钢的洁净度提高到一定程度后, 不但原有性能大幅度改善, 而且还能赋予合金钢新的特性，例如轴承钢的氧含量降低后，轴承寿命的提高幅度超过一个数量级，磷含量降低到3×10的-6次方后奥氏体不锈钢则对应力腐蚀免疫，通过控制齿轮钢中的元素含量, 可将淬透性带波动控制在4HRC范围内, 从而提高齿轮的精度和寿命，大型模具钢需要三向力学性能 相当, 特别是三向塑性基本相当。组织的超细化可以在提高强度的同时改善韧性。

合金钢除了种类繁多之外, 在规格上也表现出与众不同的特点。除了板、管、丝、带、棒和异型材之外, 还有复合材、表面合金化材、表面处理材、静锻材、精密铸件、粉末冶金制品。进人21世纪后, 高层建筑、深层地下和海洋设施、大跨度重载桥梁、轻型节能汽车、石油开采和长距离油气输送管线、大型储存容器、工程机械、精密仪器、大型民 用船舶、军用舰艇、航空航天器、高速铁路设施、能源设施等国民经济的各个部门都需 要性能高、使用寿命长且成本低的新型合金钢, 新型合金钢必须同时满足社会发展对钢 铁生产、加工、使用和回收等环节提出的节约能源、节省资源、保护环境的要求。

近年来我国低合金钢及微合金钢的科研、生产和应用领域在国家“九五”攻关期间有了突飞猛进的变化:我国钢产量突破1 亿t, 新型的低合金钢开发在我国已形成一个自成体系的微合金钢门类。形成了一批微合金钢开发和生产的基地。它们从合金设计抓起,着力于装备的改造和工艺优化, 取得了各有侧重的成就，但是我国的低合金钢和微合金钢的生产和质量还远落后于各工业发达国家, 我国低合金钢的研究和生产有3 个明显的缺陷: ① 处于模仿开发阶段, 自主创新少;② 控轧控冷技术受制于现有的装备;③ 合金设计理论指导与生产水平的脱节, 宏观的合金设计尚处于基础研究阶段, 而微观层次上的合金设计过于超前。因此未来的发展, 将致力突出的缺点来寻求技术上的巨大进步。

其次，进入新世纪，新型技术材料的的发展也不容忽视，新型金属材料种类繁多，它们都属合金。从宏观上可以分为：金属基梯度复合材料，金属间化合物材料，金属功能材料，金属环境材料。梯度复合材料是指沿着某一方向其物理、化学、生物、力学等单一或复合性能发生连续变化，以适应不同环境，实现某种特殊功能的先进材料。构成梯度复合材料的组成及显微组织（陶瓷、金属或合金、有机物、纤维等）不仅是连续分布，适应环境，而且是可以控制的；具有普通金属基复合材料没有的性能特点，其应用领域不断扩大，对国民济的发展起到更大的推动作用。金属间化合物是指金属与金属，金属与类金属间形成的化合物。金属间化合物可以具有特定的组成成分，也可在一定范围内变化，从而形成以化合物为基体的固溶体。金属间化合物是长程有序的，具有特殊的晶体结构、电子结构与能带结构。在新型金属材料中金属间化合物具有高的比强度、耐高温、抗腐蚀、抗氧化、耐磨损等优点，是一类极具发展潜力的高温结构材料，在航空、航天、汽车、化工、机械等许多工业领域有着广阔的应用前景。金属功能材料在能量与信息的显示、转换、传输、存储等方面具有独特的功能，这些特殊功能是以它们所具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能为基础的。金属功能材料往往在能量与信息的功能方面，具有导电性、磁性、导热性、热膨胀特性、弹性等一些特殊的物理性能，如形状记忆特性、储氢特性等，成为一类极为重要的功能材料。金属环境材料指从生产到使用及回收的整个过程中，性能优良、功能良好、对资源和能源消耗少、对环境污染小、循环再生利用率高的材料。用金属环境材料制造的产品具有以下基本特性：一是优良的环境友好性，即产品从生产到使用乃至废弃、回收处理的各个环节对环境无害或对环境危害甚小；用户在使用环境材料产品时不产生环境污染或只有微小的污染； 报废产品在回收处理过程中产生的废弃物很少。二是最大限度地利用材料资源，即产品应尽量减少材料的使用，减少使用材料的种类，特别是高温环境下的稳定性能好[6]。三是最大限度地节约能源，即产品在生命周期的各个环节所消耗能源应最少。

现今世界上具有战略意义的研究项目有：

一.金属基复合材料是一种新型材料，其研发历史虽仅有三十几年，但一些发达国家已把

这种材料的基础理论和开发应用研究作为其高新技术发展战略的重要组成部分。其中，铝基复合材料，比重小，比刚度、比强度高，耐磨性能好，热膨胀系数低，在金属基复合材料中始终占主导地位。目前，美国、日本和德国的一些公司已将铝基复材料成功地应用于活塞、连杆、缸套等内燃机零部件及传动轴、刹车制动盘等汽车零部件的制造上，不仅减轻了这些构件的重量、延长了寿命，而且还提高了内燃机、汽车的整体性能。二.形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金能具有这种不可思议的“记忆力”目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。

三.其他重要的战略研究还有：高温合金，贮氢合金，非晶态合金等等。其中贮氢合金 氢是21世纪要开发的新能源之一。氢能源的优点是发热值高、没有污染和资源丰富。贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。随着石油资源逐渐枯竭，氢能源终将代替汽油、柴油驱动汽车，并一劳永逸消除燃烧汽油、柴油产生的污染。

综上所述我们不难发现金属材料在工程中一直是最重要的工程材料。随着科学技术的进步，从资源、能源和环境方面对金属材料提出了新的要求：一是对已有的金属材料要最大限度地提高它的质量，挖掘它的潜力，使其产生最大的效益；二是开拓金属材料新的功能，以适应更高的使用要求。

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。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。如何才能在这次革命中占有先机呢？我们发现在所有国家，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，1955年约为94％，1960年约为90％，而1966年已下降到88 ％。各国都将材料的研究探索置于国家的首要地位。走在材料科学的最前沿，特别是对新型金属材料的探索研究将对社会进步，综合国力的增强，环境保护有着举足轻重的战略性意义。

在对材料科学的研究过程中，我们不能再将目光短浅地放在不同类别的材料上，金属材料的进一步发展也越来越依赖于与非金属材料，高分子材料等不同材料的合理结合，材料科学家们将开创一个合作研究的新局面，即在“系统论”的新时代，要求梭此分割的各专门学 科结合起来，要求被隔绝于各专门学科的科学工作者们认识到所肩负的共同使命，协同工作，高效地创造价廉、优质和低消耗的新材料。金属材料、无机非金属材料、有机高分子材 料和复合材料的界线将逐渐模糊，四类材料的统一性将会逐渐增加，包容这四类材料理论的“材料科学”将成为名副其实。

金属材料的新发展发展就是不断探索新材料，何为“新材料”？它包含着两个层面的含义，一是对传统材料的再开发，使其在性能上获得重大突破的材料；二是采用新工艺和新技术合成，开发出具有各种拥有不同金属材料亦或是非金属材料特性优点的材料。由此可以看出，新材料与新工艺、新技术有着密切的关系。一方面，新工艺与新技术的使用不断地扩展了人类的技术手段，从而使人类更加充分地开发传统材料中的各种新的性能或功能，更重要的是，通过新的合成工艺与技术，使人类获得种类更多、性能更佳的新型材料。

新型材料，新型工艺，新型技术需要一个对已有知识体系的熟练运用，去掌握材料科学发展的进程，使原有各理论相互结合的艰难创新的过程。