本节从新材料的基本组分和物理化学属性角度，重点介绍金属材料、无机非金属材料和复合材料的发展、细分类别及用途等。

1.金属材料

金属材料是由金属元素或以金属元素为主形成的具有金属特性的材料的统称。包括金属、金属合金、金属间化合物以及金属基复合材料等。通常分为黑色金属和有色金属材料两大类。按用途可分为结构金属材料和功能金属材料。按生产工艺还可分为铸造金属、变形金属、粉末冶金材料和喷射成型金属。

由于有机高分子材料、陶瓷材料与复合材料的高速发展，金属材料今后虽然部分被高分子材料、陶瓷材料及复合材料所代替，但从总体来说，在相当长的时期内改变不了它在材料中的主导地位，即使在高技术产业中，也不例外。金属材料，如钢铁材料和有色金属材料，仍将具有强大的生命力，其主要理由有如下几点：

①金属材料已有成熟的生产工艺，相当齐备的生产设施及很大的生产规模，已成为日常消费的基础材料，具有价格低廉，性能可靠，供应稳定，使用方便等优点。

②金属材料有优越的综合性能。金属有比高分子材料高得多的弹性模量，有比陶瓷优越的韧性，金属材料的某些物性，如磁性和导电性能，也非其它材料所能比拟。

③相当长时期内金属资源不致枯竭。据目前的地质资料，多数金属矿物尚能满足100年到几百年的需要，如铁矿有人估计仍可维持300年；有些金属矿物虽然较少，但随着科学技术的发展，低品位矿石也有开采价值。而且，在海水和地壳深处赋存的大量金属矿物，也可能成为金属材料的重要原料来源。

④从价格性能比来说，许多金属材料也很有优势，如钢铁。有些虽然处于劣势，但因他们具有优异的综合性能而仍不断发展，钛便是其中一例。表1.1给出了一些材料的价格性能比（即价格/比强度），如以钢为1时，钛为16.7，但钛耐腐蚀、可焊、高比强度、无磁性，是良好的航空航天材料和潜艇材料。

表1.1　一些材料的价格与比强度比值（比强度为断裂强度/密度）

除了上述四个原因外，更重要的就是金属材料也在不断发展，这表现在金属材料的新技术和新品种不断增加，材料质量不断提高。以下就金属新材料的研究发展作一个简要描述。

非平衡态（亚稳态）合金具有广阔前景。非平衡态合金主要是非晶、微晶、纳米级超细微晶以及准晶。1958年Duwez等首先发现某些液态金属通过急冷（～106K/s）可以形成非晶态。非晶态材料硬度和强度高，磁导率高，矫顽力低，是良好的磁头材料。非晶态磁性合金（如Fe78B13Si9、Fe78B13.5Si3.5C2）作为变压器材料，铁损为取向硅钢片的1/3左右。Fe80B20非晶态合金的断裂强度高达3700MPa，比一般超高强度钢高出50%，为一般高强结构钢的7倍，这类钢弹性模量的温度系数和膨胀系数都小，是优良的低膨胀系数和恒弹性材料。非晶态材料有良好的耐磨性能和抗腐蚀能力，如Fe—Cr—P—B系非晶态合金的抗蚀性能比不锈钢还高，所以对某些块状金属材料实现表面非晶态化如利用激光扫描是提高材料耐磨或抗腐蚀性能的有效途径。非晶态合金还有良好的抗中子辐射能力，可用于核技术中。微晶材料是液态金属在快冷条件下的另一类产物，其晶粒尺度为1～1000μm。纳米级超细微晶是指几个原子到几百原子大小（1～100nm）的结晶集团。由于纳米级微晶材料具有优异性能，为发展新材料开拓了新的途径，不但在金属材料方面有广阔的前景，对陶瓷材料来说，采用纳米级粉末做原料可能成为解决其脆性的重要途径。

高比强、高比模金属基复合材料以及铝锂合金仍在快速发展。在工作温度不太高的情况下，复合材料比任何金属材料有更高的比强度，而金属基复合材料的比刚度比树脂基复合材料更高。金属基复合材料是金属材料应用发展的一个重要方面。铝合金的研究工作发展最快的是铝锂合金。加锂的铝合金，比重降低而强度和弹性模量提高，可超塑性成型。另外，含稀土的铝合金，既提高强度，又提高使用温度和抗氧化与耐蚀能力。高强轻金属的另一重要方向就是钛合金。

一些在特殊条件下使用的金属材料日趋重要。这里所指的特殊条件是指包括腐蚀介质、磨损、辐射、高温与低温等环境条件，这些条件对金属材料来说，都会加速其破坏，必须采取多种措施，才能满足使用要求。铁基高温合金和稀土合金是高温材料的热点。在耐蚀、耐磨与抗氧化的金属材料方面，除了合金化手段外，更有发展前途的是表面防护涂层与包覆，它同时具有考虑经济与资源的优点。

新工艺和新技术是发展新型金属材料的动力。超塑性成型已广泛应用于金属成型，它具有节约模具投资和节省金属材料的特点。高形变速率的爆炸成型与爆炸焊接也是颇有前途的成型工艺。由于材料的失效往往从表面开始，如腐蚀、磨损与辐射损伤及材料的疲劳破坏等，因此，表面改性、涂层和包覆技术是提高金属材料性能的有效手段。

金属功能材料将会有很大发展。这些金属功能材料包括金属磁性材料、形状记忆合金及超弹性合金、储氢材料和生物医学材料等。

随着固体物理、固体化学、材料科学及相关学科的发展，对材料结构与性能关系的研究日益深入，对材料的了解不断加深，使材料的发展逐步摆脱根据经验为主进行探索的模式，步入根据理论按要求进行设计的阶段。基于金属材料基础理论，借助计算技术和实验技术，不同层次的合金设计都在逐步实现。如利用宏观热力学数据，可以比较准确地计算出合金相图；利用分子束外延技术可以加入所需要的元素，其精度可以达到一两个原子层的厚度。利用纳米级金属颗粒可以形成浓度不同的合金层，即所谓“梯度材料”；这些都为材料设计的实现提供了有效途径。在常见的基础材料方面，合金设计也愈来愈发挥它的作用。计算机模拟不但能加速设计过程，而且有助于减少实验量，是实现合金设计所不可缺少的手段。需指出的是，目前还难以实现准确的材料设计，材料设计必须与实验相结合，设计—实验验证—再设计—再验证，循还进行，最终设计研究出满意产品。

2.无机非金属材料

无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料，简称无机材料。是除高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。传统的无机材料是指由硅酸盐化合物（粘土、石英、长石等）为主要组分经高温窑烧而制成的一大类材料，包括日用陶瓷、普通工业用陶瓷、一般玻璃、水泥、耐火材料等。所谓先进无机材料，则泛指用氧化物、氮化物、碳化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。从结晶程度上来区分，无机材料可以是多晶体，也可以是单晶体，还可以是无定形体或玻璃体；从形态上来说，不仅包含块体材料，还有纤维材料和薄膜材料；从应用方面看，不仅深入到人们日常生活和各个工业领域，而且也与高技术的发展紧密相联。

陶瓷一词的传统含意是指将粘土一类的物料经过高温处理变成坚硬有用的多晶材料。然而，现代陶瓷的广泛含义则还包括玻璃、人工晶体、无机涂层和薄膜等。

（1）陶瓷材料的发展

从历史进程来看，陶瓷的发展可以分成三个阶段（如图1.1所示）。

第一阶段是传统陶瓷。在8000年前祖先就用泥土塑造成器皿的形状，再在火堆中烧制成坚硬的陶器，其特点是具有一定的强度，但烧结不充分，气孔较多。由于高氧化铝含量的瓷土的采用、釉的发明及高温技术的改进，促使陶器发展到瓷器，这是陶瓷史上的一个很重要的进程。从原始瓷的出现到现代的传统陶瓷，时间上持续了4000年。

图1.1　陶瓷研究发展的三个阶段

第二阶段是先进陶瓷。从20世纪以来，特别是第二次世界大战之后，陶瓷研究的发展才步入了一个新的台阶。这是由于以下七个因素所促成的：①在原料上，从传统陶瓷以天然矿物原料为主体发展到用高纯的合成化合物。②陶瓷工艺技术上的进步。如成型上的等静压成型、热压注成型、注射成型离心注浆、压力注浆成型和流涎成膜等成型方法；在烧成上则有热压烧结，热等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结，等离子体烧结、自蔓燃烧结等。③陶瓷科学理论上的发展。陶瓷工艺从经验操作发展到科学控制，以至发展到在一定程度上可根据实际使用的要求进行特定的材料设计。④显微结构分析上的进步。人们能够更精细地了解陶瓷材料的结构及其组成，从而可控制地做到工艺—显微结构—性能关系的统一。⑤陶瓷材料性能的研究使新的性能不断出现，大大开拓了陶瓷材料的应用范围。⑥陶瓷材料无损评估技术的发展，加强了使用上的可靠性。⑦相邻学科的发展对材料科学的进步起到了推动作用。

陶瓷研究发展的第三个阶段从90年代开始，即发展到纳米陶瓷。所谓纳米陶瓷，首先是所用原料的粒度是纳米数量级的粉体，其次是在显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔和缺陷分布也都处在纳米级的水平。

先进陶瓷是为有别于传统陶瓷而言的。先进陶瓷也被称为精细陶瓷、新型陶瓷、高技术陶瓷。先进陶瓷按用途分类如表1.2。

表1.2　先进陶瓷按用途分类一览

续表1.2

先进陶瓷从性能上可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷是以力学机械性能的利用为主的一大类陶瓷。特别适用于高温下应用的结构陶瓷则称之为高温结构陶瓷。功能陶瓷则主要利用材料的电、磁、光、声、热和力等性能及其耦合效应，如铁电、压电陶瓷、正（或负）温度系数陶瓷（PTC或NTC）、敏感陶瓷、快离子导体陶瓷等等。另外，主要从电性能方面分类则有绝缘陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、导体陶瓷以及高临界温度（Tc）的超导陶瓷。此外，由于某些陶瓷材料的强度、耐磨性，特别是对生物体的相容性和活性，使它们非常适合于用作人工牙齿、牙根、人工骨等而被称之为生物陶瓷。

纳米陶瓷的出现引起陶瓷工艺、陶瓷科学、陶瓷材料的性能和应用的变革性发展。颗粒和晶粒降到纳米级的水平时，由于表面与界面非常大，陶瓷中的晶粒相与界界相在量的方面几乎处于同等的水平，晶界对材料性能的影响相对成为主导的因素。纳米陶瓷的发展是当前陶瓷研究的一个重要趋向，它将促使陶瓷材料的研究从工艺到理论，从性能到应用都提高到一个崭新的阶段。

陶瓷材料研究的第二个趋向是向多相复合陶瓷方向发展。陶瓷材料本质上是一个多相结构。传统陶瓷是以多组分的晶粒相和晶界相为主的复相结构。到先进陶瓷阶段，则趋向于单组分的晶粒相和细微的晶界相组成。而当前的研究趋向则又回复到多相复合结构。多相复合陶瓷的类型有纤维或晶须补强陶瓷复合材料、颗粒弥散型复合材料，两种晶型复合的复相陶瓷、有机和无机复合的复相陶瓷，以及60年代曾经兴盛一时的金属陶瓷。

陶瓷研究的第三个趋向是陶瓷材料的设计正在稳步取得进展。陶瓷相图研究的逐步完善，陶瓷材料的组成—显微结构—性能之间关系知识的积累，陶瓷材料致密化过程理论的发展以及陶瓷工艺学上的进程为优化工艺设计提供了可能，这些进步均为陶瓷材料的剪裁与设计提供了科学上的依据。(www.daowen.com)

（2）新型玻璃

玻璃材料的发展经历了类似于陶瓷材料发展的历程。传统玻璃的结构是以硅氧四面体空间网架为主体，再加碱金属离子等作为修饰体和其它金属离子为中间体而形成的疏松无序结构，以石英玻璃和硅酸盐玻璃为代表。以后又发展了硼酸盐、磷酸盐和铝硅酸盐玻璃等。随着研究的深入，通过控制玻璃析晶，得到了所谓的微晶玻璃或称玻璃陶瓷，大大提高了它们的力学性能和其它性能。实际上这是用玻璃工艺制成的陶瓷材料。除以上氧化物玻璃外，还发展了很多非氧化物玻璃，如卤化物玻璃、氟化物玻璃和氟磷酸盐玻璃等。卤化物玻璃对红外光的超低传输损耗特性，尤为人们重视。还有所谓金属玻璃，即含有大量过渡金属元素和贵金属元素的玻璃材料，具有卓越的磁学性能。此外，还有光致变色玻璃，利用银或其它金属离子在光的作用下发生价态的变化而引起玻璃本身颜色的可逆变化。利用玻璃分配原理还可以制得微孔玻璃，其微孔的尺寸可以控制。微孔玻璃在固相酶载体、催化剂载体和高温过滤等方面的应用日益广泛。高反射率的玻璃微珠，在全反射的交通标志的应用中极受欢迎。

新型玻璃的分类及用途列于表1.3中。

表1.3　新型玻璃的分类及用途

续表1.3

玻璃材料现已经从体材料发展到纤维材料和薄膜材料。除人们熟知的玻璃纤维增强塑料—玻璃钢外；以超纯石英为主的光学纤维的研究成功，使光纤通讯成为现实。非晶态薄膜材料独特的记忆、存储功能在光电子领域中受到人们重视，利用相变的可逆性，使其成为可擦除重写的光盘材料。

以微晶玻璃为基体，用碳纤维或其它无机纤维或晶须作为增强剂，形成了一类纤维或晶须补强玻璃复合材料。利用微晶玻璃较高的强度和断裂韧性，可以在较高温度下用作结构材料。又由于微晶玻璃热膨胀系数的可调节特性，为这类复合材料的研究，无论从学科上还是实际应用方面均具有宽广前景。

在玻璃的形成技术方面，已突破传统的熔制技术。利用金属醇盐水解，经聚合成三维网络的凝胶，最后通过热处理形成玻璃。该法可大大降低玻璃的制备温度，扩大玻璃的形成范围，获得高纯度和高度均匀的材料。

（3）人工晶体

自然界有很多天然单晶，如金刚石、红蓝宝石、翡翠、猫眼石、水晶等。它们的硬度高，耐磨损，经琢磨后光彩夺目。但是，仅仅用天然晶体远远不能满足数量和性能上的需要，用人工方法来合成各种技术晶体是高技术材料中又一个重要内容。近代在模仿天然产物制造人工宝石晶体方面取得了很大进展。另一方面，人们发现这些晶体还有特异的技术性能诸如压电、电光、声光等效应。因此，天然晶体不仅用作装饰品，而且在技术进步上产生了巨大作用。合成晶体因其化学组成及物理、化学性质不同可从熔体、溶液或气相中生长，其生长方法也因物而异。人工晶体的分类和用途举例列于表1.4。

人工晶体在技术上的应用主要取决于晶体本身的物理性质以及晶体在外场的作用下的激励和耦合效应，如压电、热释电、电光、声光受激辐射、闪烁效应以及非线性光学效应和光折变效应等。人工晶体的这些独特的物理性质在激光技术、光电子技术、电子技术、超导技术、计算机技术以及医疗技术上都有着极其广泛的应用，即使在日常生活中，如电视机、电子手表、音响设备中都可找到人工晶体应用的例子。

（4）无机涂层

涂层是在某种底材的表面加涂一层物质以抵御外部环境对底材的伤害而提高它的使用效能或延长它的使用寿命。无机涂层则是用陶瓷（或玻璃态物质以至部分金属）加涂在金属或陶瓷的底材表面以达到增效和延寿的。

表1.4　人工晶体的分类和用途

陶器和瓷器表面上釉是早为人们熟知的涂层，如驰名中外的“景泰蓝”；日常生活及工业中应用的日用搪瓷、化工搪瓷；航空和航天技术上应用的耐热、抗氧化涂层；卫星上应用的温控涂层；机械工业上应用的耐磨涂层；人工机体上应用的生物涂层等都属于无机涂层。根据不同的用途和使用环境，无机涂层的工艺可分为：涂覆法、喷涂法、蒸馏法、高温渗透法和阳极氧化法等。

涂层与块体材料相比，无论是性能和结构上都有其独特之处。首先是界面研究。两种不同材料的结合必然存在界面。涂层与底材在化学上的相容性；热膨胀系数的匹配；界面的应力；两者的结合强度；结合机理；涂层形成的热力学和动力学等都是界面研究的重要课题。此外涂层作用机制的研究，如涂层的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、抗辐射、耐光谱的吸收和反射、绝缘性能等为涂层配方的选择、工艺的确定提供科学评价的标准。涂层的性能取决于涂层的化学组成，显微结构以及它对底材的界面结合。

由于无机涂层可以在较宽范围内进行组成和性能的调节，使它在国民经济的各个领域中都得到了应用。如在航天工业中，卫星用温控涂层即无机涂层涂覆于卫星表面或体内，以有效地控制卫星在太空中运行时的体温；含镉、硒或硫等化合物的涂层，加涂在发动机内一些用一般方法难以测温的部位，涂层的变色能指示发动机运转时该部位的最高温度，这类涂层称之为示温涂层。在冶金、化工和机械工业中应用最多的是热处理保护涂层。在节能技术中，用对阳光选择吸收率高的涂层和黑色陶瓷作太阳能的光热转换涂层已在太阳能热水器中应用。用红外发射率很高的涂层用于电热器件表面，可大大提高热效率。等离子喷涂氧化物涂层加涂在钛合金人工骨中，由于涂层对人体机体组织的相溶性，防止了钛合金的被腐蚀，并具有优良的多孔粘附作用。在军事上，利用对雷达波吸收率很高的涂层和有各种红外发射性能的涂料组成的红外迷彩能力装涂层也在隐身技术中得到应用。此外，陶瓷薄膜已在微电子学和光电子学中崭露头角，日益显示其重要作用。

3.复合材料

先进复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种或两种以上的有机高泵物材料、或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。复合材料一般由基体组元与增强体或功能体组元所组成。包括用各种高性能增强剂（纤维等）与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、碳基复合材料，从性质上分有使用其力学性能的结构复合材料和使用其它性能的功能复合材料。

国际上的材料专家普遍认为当前人类已经从合成材料的时代进入复合材料时代。因为想要合成一种新的单一材料使之满足各种高要求的综合指标是非常困难的。即使能研制出某种满意的单一材料，则从实验室到生产的周期也很长。如果把现有的有机高分子、无机非金属和金属材料通过复合工艺组成复合材料，则可以利用它们所特有的复合效应使之产生原组成材料不具备的性能，而且还可以通过材料设计以达到预期的性能指标，并起到节约材料的作用。

60年代的中后期由于出现了碳纤维和芳酰胺纤维等高性能增强剂和一些耐高温树脂基体，从而构成了性能更高的复合材料。虽然由于技术难度大，造价高因而产量小，但是它们能满足当时高技术进展的需要，所以仍能迅速发展起来。为了与一般通用复合材料（指玻璃纤维增强塑料）有所区别，而获得先进复合材料的名称。随后又把金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料以及功能复合材料等充实到先进复合材料的范畴里来，充分体现出先进复合材料量小但性能特殊且优异的特点。虽然它所包括的各种基体的复合增强功能复合材料各有特点和缺陷，但综合起来看，先进复合材料可以通过选择使之具备密度、强度和刚度高、耐温、耐磨、导热、导电、膨胀系数小、抗疲劳性好、阻尼性能好、耐烧蚀、耐冲击、抗辐射、吸波、换能以及其它物理功能等特点，这些正是推动高技术发展中迫切需要解决的问题，因此，可以说先进复合材料的发展有力地促进了高技术的进步，同时高技术的进展也带动和加速了先进复合材料的不断更新。复合材料已在建筑、交通运输、化工、船舶、航空航天和通用机械等领域广泛应用。

图1.2　一些结构材料在不同温度下的比强度

高技术对材料的选用是非常严格和苛刻的，先进复合材料的优越性能比一般材料更能适合各种高技术发展的需要。

复合材料与其它金属结构材料的比强度对比如图1.2所示。

表1.5　在能源技术中先进复合材料的应用范例

开发空间是人类进步的重要标志，它所需要的各种结构材料如运载火箭的壳体，航天飞机的支架、桁条、蒙皮，卫星的支架、蒙皮、天线，空间站的各种结构件，都要求用轻质高强和高刚度材料以节约推动所需的燃料，先进复合材料能满足这些要求。特别是像导弹的头部防热材料、航天飞机的防热前缘和火箭发动机的喷管等需要耐高温、抗烧蚀材料，更是非先进复合材料莫属。其他如抗粒子、隐身功能等方面，先进复合材料也是候选的优先对象。先进复合材料在航天技术的建立方面已经起到不可磨灭的贡献，而且在未来的发展中还将继续起关键作用。开发新能源和节能储能等能源新技术是高技术的重要组成部分。能源技术同样也需要轻质高强、耐温耐腐蚀的材料，先进复合材料也是理想的选用对象（如表1·5所列）。

信息技术是现代发展最迅速的高技术。在信息技术中包括信息的检测、传输、贮存、处理运算和执行等方面，先进复合材料也起到重要的作用（如表1·6所列）。

表1.6　先进复合材料在信息技术中的应用情况

在高技术的生物工程方面，先进复合材料不仅在力学性能上能满足各种生物工程用容器的要求，同时还能满足耐腐蚀、抗生物破坏以及生物相容性的要求。此外，功能复合材料还可以制造用于生物工程的物质分离的各种膜材料。