工业革命与新兴材料公元1000年以后，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世纪末才被其他方法淘汰，直到这时才可以大量生产质量较高的铁。
18世纪是技术革新的世纪。对行将到来的基础材料工业发展来说，最重要的发明是我国掌握了用硬煤炼焦并用于为炼铁输入能量。后来很快就发明了搅炼法，这种炼钢法可使用硬煤而不使其接触铁。1856年，在把常压空气鼓进一个转炉内将铁变为钢的时候，引起了极大轰动。19世纪，西汀丁—马丁法和托马斯法标志着炼钢技术的完善。
18世纪中期，可以看出当时最进步的国家（如英国）的技术发展趋势，这种发展在数十年内即导致阶段结构发生了史无前例的变化，这就是18、19世纪的工业革命。当（1879年）革命的风暴席卷法国时，英国正在发生比较安静的、但同样是巨大的变革。蒸汽和新的工作母机把手工工场转变为现代化大工业，从而使市民社会的全部基础发生了革命性变化，手工工场的缓慢发展过程转变为一个真正暴风雨般、突飞猛进的生产阶段。
劳动手段的变化，即从工具到机器的飞跃，促使其他工业部门也不能停滞不前。机器在重工业和交通中的应用也具有同样重要意义。这种变化与材料有多大关系呢？
18世纪中期，由于生产金属所需的木炭不断增加，使英国的森林遭到严重砍伐。如果仍然不控制砍伐，便威胁到水土的保持，寻求新的冶炼方法迫在眉睫。利用硬煤炼钢方法，不但能使生产保持当时的水平，而且能加以提高，以适应国民经济增长的需要。经过许多试验终于达到目的，1759年卡龙制铁厂首次用煤代替木材。1759年一炉的产量约为300吨，而1800年之后已达到1500吨。1783年首次使用的炒钢法使钢铁生产发生了又一次革命，它提高了钢的产量，最后还成功地把蒸汽机用在钢铁的生产中。在此之前，蒸汽机已经用在深度日益增加的矿山，以解决排水问题。
随着纺织工业建设对机器需求的不断增长，出现了新的工业部门——机械制造工业。这个工业的劳动对象很久以来始终是木材，而且加工方式最初大多是木材加工，后来对铁、钢、黄铜和其他材料加工逐渐增多。在资本主义生产把国民经济立于新的基础上、将它所占领的市场统一为国内市场的情况下，必须用新的交通系统把生产与消费、原料与销售市场联系起来。因而，建造铁路就成为工业革命的巨大推动力，“钢铁时代”来临了。但这个时代几乎没能达到其骄傲的顶峰，因为新的材料已经问世了，那就是塑料。
天然产物的转换及合成材料的历史同焦油染料工业的历史有密切联系。焦油染料工业在19世纪末期是作为过去有机化学的工业结晶而形成的。随着硬煤炼焦的增多，焦油产量也增加了，因此人们普遍寻求利用这种废物的方法。1856年，英国人威廉·亨利·泊金找到了一种大规模生产有用染料苯胺紫的工艺。当科库勒斯于1865年发现苯的化学式——碳化物的关键，一个新的工业就诞生了，最初主要生产染料和药品。19世纪70年代至90年代是以电磁理论的建立及其在工业上的应用为主要标志的。法拉第发现了电磁感应现象以后，有实用价值的发电机已经制成。但是，电在工业上的应用，并不是从制造发电机开始的。也就是说，电不是首先作为能源使用，而是用于电报和电话等通信事业。因为那时候电灯、电动机等一类电器还未出现，发电机发出的电用不了，电没有多大销路，因此电力工业得不到大发展。自从1879年美国大发明家爱迪生发明了白炽电灯以后，每家每户都用电照明，用电量猛增，大规模工业发电才得以迅速发展，电力革命的曙光才照到人间。
白炽灯泡的发明，是与灯丝试验成功密切相关的。爱迪生花费了一年多时间，一共试验了1000多种灯丝材料，最后采用碳纤维才获得初步成功，以后又改用高熔点的钨作灯丝。大大小小的电灯泡推动了美国工业的发展，发电厂（站）像雨后春笋般建立起来。电力工业发展的需要，促进了发电机、电动机、变压器、电线和电缆工业的诞生和发展。同时，还推动了材料与工艺技术的发展。例如，各种导体、绝缘体以及后来半导体材料的发现，电镀、电解、电焊、电火花加工等新工艺的应用。
工业革命后，英国的钢铁产量大幅度上升，年产量从1万吨猛增到130万吨。钢铁、无机化工材料、机械等工业产品占世界总产量一半以上，获得了“世界工厂”的称号。这次工业革命，正如1848年《共产党宣言》中所说的：“资产阶级在它的不到100年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代创造的全部生产力还要多，还要大。”
20世纪前半期，则是以核能、飞机、汽车、化工和电子计算机的发明或发展作标志的。放射性材料镭和钋发现以后，核裂变原理取得重要成果，核能开始被利用；飞机的革新是与航空材料的进步密切相关的；1927～1931年是化工技术发生转折的时期，继塑料以后，合成橡胶和合成纤维材料相继问世，使有机合成材料工业进入了一个崭新阶段；20世纪初，内燃机技术取得突破，汽车开始大量生产；1945年世界上第一台电子计算机发明；1957年第一颗人造卫星上天等。
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。世界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。
材料的作用
近代科技和生产的发展，可以说是一日千里，人类从乘牛车、马车到乘宇宙飞船，从点油灯照明到用原子能发电，从使用大刀长矛到发射导弹核武器等等。科学技术能以惊人的速度发生巨大的变化，应首先归功于材料。如果没有钢铁，再高明的技术工人也造不出汽车；没有高强度、耐高温的材料，再聪明的科学家也无法把卫星送上天；没有耐腐蚀、耐高压的材料，再勇敢的探险者也不能开发富饶的海洋资源……
在科学技术史上，材料问题解决与否，往往成为创造发明成败的关键。新材料一旦应用，不仅大大提高了科学技术和生产力的发展，也使人类的活动方式发生翻天覆地的变化，而且给人类带来空前优厚的物质利益和精神上的享受，把千百年来梦寐以求的神话变成现实。
纵观近年来的成败得失，不少决策人逐渐意识到科技的进步，关键在于材料。为了说明这一观点，他们要求对一些重大科学和技术项目进行分析，现仅就一些材料在工业、农业、国防和科研等方面所起的作用及其建立的功绩，选数例做一简单介绍。
金属材料
金属材料是钢铁、有色金属和稀有金属的统称。
长期以来，金属中的钢铁一直是最基本的结构材料，它的产量标志着工业化的水平。1700年的世界钢铁产量为10万吨，1800年为80万吨，1900年猛增至4190万吨，1978年则在7亿吨以上。但在今天，现代化的大工业已不再单纯追求钢铁的产量，而对钢铁的性能、品种提出了许多更高的要求。例如发展空间技术，要求钢材重量轻、强度高和耐高温等，一般碳钢无法满足。
近几十年来，钢铁冶炼技术进展很快，先后研制出了各种合金钢。例如，含锰、硅的低合金强度钢的重量比普通碳钢轻20-30%，经适当处理后可使强度提高2-6倍。现在常用的不锈钢有铬13型（含铬13%），适用于制作一般医疗手术器械和需要耐大气腐蚀的器件。另有铬镍钛18-8-1型合金（含铬18%、镍8%、钛1%），抗腐蚀性强，工艺性能好，广泛用于化肥、化纤、石油化工、仪器仪表等生产领域。
除钢铁等黑色金属外，各种有色金属和稀有金属也是现代工业的重要材料。例如有色金属铝，可制造各种用具、电器用品、船舶、建材、电缆、管道以及飞机和人造卫星构件，它的年产量已超过铜，仅次于钢铁。用铝合金制成的舰艇，不仅速度快，不怕海水侵蚀，而且没有磁性，能防避磁性水雷的袭击。又如号称宇宙金属的钛，比重小，熔点高，所合成的合金不仅强度大，且能耐高温、低温和耐腐蚀，它在1668℃时才会熔化，比黄金的熔点高600℃。极细的钛粉是火箭的优良燃料，据统计，世界上每年用于宇宙航行的钛已超过1000吨。
稀有金属是指那些发现比较晚，形成独立矿物少，分散而不易提纯的一些金属。目前已开发使用的稀有金属有50多种，分成五类，即轻稀有金属、难熔稀有金属、放射性稀有金属、稀散金属和稀土金属。轻稀有金属中的锂的比重只有水的一半，放在油里也会浮起来，可用来制造氢弹，是热核反应的原料。稀土金属在冶金、电气、玻璃工业中广泛用来制造易燃合金，还可用于产生激光，制造彩色荧光材料和永磁材料。
合成高分子材料——分子界的巨人
人工合成有机高分子材料的成功，是材料发展史上的一次重大突破。多少世纪以来，人们使用的各种材料，如石器、陶瓷和金属等，都是直接取自大自然的天然物质，或者把一些天然物质进行冶炼、焙烧，加工后制成的。随着生产领域不断扩大，它们的品种和性能都受到很大限制。随着人类物质、文化生活需求不断增加，自然界的“恩赐”已经供不应求了。功能性高分子中空纤维具有非凡的过滤功能，被用来制造各种人工器官于是，各种人工合成高分子材料应运而生，把人类物质文明的发展又向前推进了一大步。
人工合成高分子材料弥补了大自然的不足，以崭新的姿态出现在各个工业部门，同时又迅速地打入民用市场，和人们日常生活产生了密切的联系，今天已是“天下无人不识君”了。人工合成有机高分子材料的品种很多，主要包括一般说的“三大材料”，即合成纤维、合成橡胶和合成塑料，此外还包括合成油漆、涂料、胶粘剂和一部分液晶。
一般的无机化合物和有机化合物，其分子只包含几个或几十个原子，最多也不超过二三百个原子，而高分子化合物却不同，每一个分子所含的原子数可达几千或几万，甚至几百、几千万。也就是说它们的分子量特别大，所以叫做高分子。
高分子化合物是通过化学方法以天然气或石油为原料，经过一系列反应得到的。它的分子链形状细长，或者首尾相连，或者含有小支链，相互交连，吸引力非常强，所组成的物质在强度、弹性等方面都比低分子物质优越许多。从结构上看，高分子化合物的分子是由许多相同的单体（链节）重复排列组成，所以又叫高聚物。例如，乙烯的分子量是28，而聚乙烯的分子量可达56万，也就是说，聚乙烯是由大约两万个乙烯链节组成的。乙烯、丙烯和丁二烯等单体都可以合成高分子材料。
合成纤维、橡胶和塑料都是高聚物，它们在形状和性能上有很大差异，但是，它们三者之间并没有严格的界限。同一种聚合物，由于合成方法和工艺不同，就可以分别制成纤维或塑料，如聚酰胺（尼龙）就有这种特点。又如聚氨酯弹性体，同时具有橡胶和塑料的双重性能。
无机材料
无机材料即无机非金属材料。
问世较早的无机材料主要有陶瓷、玻璃和水泥，后来又出现了耐火材料。现在，光学玻璃、工业陶瓷、石棉、云母、铸石、金刚石、石墨等无机材料已成为现代科学技术中不可缺少的重要材料。
无机材料有许多优点。首先，它的品种很多，约有100多种，工业上广为应用的就有30多种。其次，它的性能优异，既能耐高温，耐腐蚀，又具有坚硬，不怕氧化以及对光、电、声的转换功能。例如，制造磁流体发电机需要耐2000℃以上高温的材料，但一般金属只能耐1000℃左右的高温，连难熔金属也承受不了，而无机非金属材料却可以满足这一需要。又如石墨被大量用作原子能工业的减速剂；惟一的自然矿物纤维石棉，则具有较大的抗拉强度和弹性，可防火、隔音、隔热、耐酸碱、保温。
奇特的压电陶瓷
电子玩具小黄狗、小花猫的有趣叫声，是由安装在这些小动物肚子里的一只叫蜂鸣器的元件发出的。这蜂鸣器就是用压电陶瓷做的。
压电现象是1880年居里弟兄俩发现的。他们在天然的水晶片上放上重物施加拉力后，它的两个表面会出现不同的电荷，产生电势差；相反，当电荷作用到晶片上时，晶片就会发生伸缩形变。如果加的是交变电压，那就会引起机械振动。
为什么晶体会具有压电特性呢？原来晶体的分子结构是很规整的，就像小朋友手拉手排列起来一样，正负电荷作用力相等，晶体表面不带电。当晶体在某一方向受力时，排列的队形就受到冲击，一个方向压扁，另一方向拉长，就像有的小朋友一只手被拉过去，而另一只手就脱出了一样，这就使晶体两端表面带电，产生压电现象。
除了水晶能做压电材料以外，科学家还研究出压电石英、压电陶瓷，以及最新的压电塑料。以用压电陶瓷做蜂鸣器为例，先把陶瓷素坯轧成像纸一样的薄片，烧结后，在它的两面做上电极，通上强的直流电，使陶瓷片的无数微小晶粒在电场的“指挥”下整齐地排列起来，陶瓷就具有压电性了。然后再把它与金属片粘合在一起，便成了一个蜂鸣器。当蜂鸣器的电极通电时，因压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听到的声音。至于小狗叫、小猫“喵”，就是设计不同的电子线路，改变振动的次数，而发出各种不同的声音。
压电陶瓷变电为声的本领变化多端。电子手表里装上一薄片蜂鸣器，就能发出“嘟嘟”的报时声；电子计算器里装上它，可按预定要求提醒你。把它用作地震监测器，只要接收到大小仅几克力的作用，就会产生电信号，并能指出地震的方向。压电陶瓷还广泛应用于超声加工、探伤、军用声纳、鱼群探测、煤气点火、导弹引爆以及扬声器、防盗报警等。
金属基复合材料
与非金属基复合材料相比，金属基复合材料的潜力尚未充分发挥，应用面比较窄，成熟的品种很少。这种情况一直到20世纪70年代中期才略有好转。1974年，美国材料咨询局第一次肯定了研制和使用金属基复合材料的正确性，表示对这项工作要重视和支持。这主要是航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求，看来只有依赖金属基复合材料和精陶瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼（硼硅克）纤维外，还有高强度钢丝、高熔点合金丝（钨、钼）和晶须（氧化铝、碳化硅）等。这些纤维分别用来与铝、镁、钛、铜和镍钴基高温合金组成复合材料。
硼—铝复合材料的研制起步最早，取得了一定效果。这种材料用于航天飞机的中机身构架管，可减重80公斤。采用硼—铝复合材料的飞机为数不多，目前只有F-111、S-3A等，此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。
硼—铝复合材料最有希望的潜在用途是制造喷气发动机的压气机及风扇叶片，如用其代替钛合金可减重33%，节省成本45%左右。美国几家主要发动机公司如普拉特·惠特尼、通用电器、TRW等均进行过硼—铝复合材料风扇叶片的研究。JT8D发动机上试用硼—铝压气机叶片，工作温度达到300℃，此外，在TF-41—P3发动机上还试用了铍—铝压气机叶片。
石墨—铝复合材料也具有很高的比强度和比模量，适合直升机、导弹、坦克和突击浮桥使用。CH47直升机的传动机，采用了多层石墨—铝护板，大大减少了振动噪音，此外石墨—铝和石墨—镁将被用在人造卫星和大型空间结构上，如卫星支撑架、平面天线体、可折式抛物面天线助等。
镍基和钴基高温合金使用高熔点钼、钨丝式晶须增强后成为耐热复合材料。这项工作在许多国家开展多年，目的是为了满足工作温度和载荷日益提高的先进涡轮发动机的需要。利用这种耐热复合材料制成实心涡轮叶片，可以提高涡轮的温度和转数，减少涡轮级数和冷却气体的消耗，为改进发动机创造了条件。采用加有二氧化钍和碳化铪的钨丝增强复合材料，工作温度为1160～1200℃，至少比目前的涡轮工作温度提高100℃。
利用氧化铝晶须毡或单晶纤维增强熔点钼钨后，可以耐更高的温度，在1650℃时的强度为钨的两倍，作为火箭喷口材料已通过试验。
以钢板为基体的各种层压板也是一种通用的复合材料。例如波音767和757飞机上采用的一种包不锈钢铝板，可以代替钛合金作为发动机的防火材料，重量轻而价格低。
另一种是以钢板为基、多孔青铜的中间层、聚四氟乙烯塑料为表面层的三层复合材料，可用于制造载重汽车底盘衬套、机床导轨和在高温腐蚀介质中工作的轴承。
超导电缆也是一种复合材料，它是以铜—锡合金为基体，埋人295根铌线后组成，经过扩散处理在界面形成七微米厚的Nb2Sn金属化合物，它具有超导性，可以用于制造磁悬浮高速列车、核聚变反应堆电磁铁、储能超导感应器、超导发电机等新产品。
单向导电的半导体
19世纪70年代，英国物理学家布朗发现了一种有趣的晶体小石头，在它身上加上一根金属探针，竟有单向导电的本领。后来，人们将它装在收音机上，成了矿石收音机的检波器。那种小石头就是一种半导体。
当时人们对物质的认识，是两类“极端分子”各霸一方：一类是对电流大开绿灯的物质，如铜、银……叫导体；另一类是对电流拒不放行的物质，如橡胶、琥珀……称绝缘体。布朗的发现令人吃惊：为什么半导体能有导体和绝缘体没有的导电能力？
原来，半导体的原子核的最外层，有一部分负电荷的电子参加导电，又有一部分带正电荷的正电子，叫做空穴，也能参加导电。因此，它们既不像金属电子那样能自由活动，也不像绝缘体电子那样被禁锢。半导体的导电能力还与环境密切相关。高温时，它的电子、空穴，像金属电子一样活跃，变成了导体；而在零下上百度时，又像绝缘体一样“闭关自守”，成了绝缘体。
通常，人们总以为掺过杂质的东西不如纯的好，但半导体却不然。在一块纯净的半导体材料中掺入磷、锑等杂质，就成了以电子导电为主的半导体，又叫“N型”半导体。相反，掺入硼等杂质后，就成了以空穴为主的半导体，又叫“P型”半导体。半导体掺入微量杂质钛胸罩内的小金属部件，是一种“可记忆形状的”金属，它同样可以用来制造汽车发动机的部件，它的导电能力就会成千上万倍地增加。
1948年，美国科学家巴丁、肖克利等人发现：一块“N型”半导体和一块“P型”半导体结合成“PN”结，便会有单向导电的本领，它构成了二极管。两个“PN”结合，就有了放大的功能，构成了三极管。它能代替大个子的电子管。20世纪60年代以来，人们在三极管发展的基础上又不断发明了小规模、中规模乃至大规模集成电路，使半导体器件由小型化进入了集成化。现在已发展到可在几平方毫米的半导体材料上，制作成相当于二极管、三极管及电阻、电容等上万个元件组成的复杂电路。集成电路在电子计算机、电视、通信、导弹、人造卫星乃至家用电器中都有广泛的应用。由于半导体的迅速发展，今天它已能够和导体、绝缘体“三分天下”了。
锗和硅是最重要的半导体材料。硅发现较早，从鹅卵石到闪亮的海沙，到处都有它的踪迹，但制备比较复杂，而锗制备容易些。今天，锗和硅一道主宰着90%以上的电子工业。
形状记忆合金
金属在温度升高的时候能“记忆”起原来形状的现象称作“形状记忆效应”。具有形状记忆效应性能的一类合金称作“形状记忆合金”。
1961年，美国海军研究所的一个研究小组曾将一批弯弯曲曲的镍钛合金丝一根一根拉直。但当金属丝接近火的时候，笔直的金属丝全部恢复到原来的弯曲形状。经反复实验，证明镍钛合金在温度升高时具有“记忆”自己原来形状的性能。一类新的合金材料被发现了。以后，又发现金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金、铜锡合金等也是形状记忆合金。
形状记忆合金几乎可以百分之百地恢复原状，且可以反复变形和恢复500万次不产生疲劳断裂，是一种无疲劳材料。各种形状记忆合金的转变温度不同。例如镍钛合金的转变温度是40℃。
把月球上收集到的科研资料发回地面，必须在月面上架设一架像大伞似的天线。宇宙飞船的容积有限，又要携带许多精密仪器。科学家就用镍钛合金在40℃以上做成天线，然后冷却到40℃以下，将天线折叠成一个很小的球团，送到月面经太阳晒，天线温度很快升高到40℃以上，大伞似的月面天线就张起来了。这就是形状记忆合金的妙用。
此外，形状记忆合金还可作铆钉，连接紧固件很方便，效果很好。水压实验证明，即使不锈钢管部分已经损坏，合金接合部分仍安然无恙。以前，飞机液压系统的接头常有漏油损坏。美国自1970年以后，在F-14型战斗机上使用了十多万个形状记忆合金接头，至今没有发现有一个漏油或破损。
还有人设想，用形状记忆合金在冷水和40-50℃的热水里反复加热和冷却以产生形变而反复作功，藉此制造新型发电机。如果这种发电机制造成功，就可以大量利用工厂冷却水的余热来发电。
形状记忆合金是一种年轻的材料，在问世以后的20年间，已经发展到几十种之多。今后将有更多的形状记忆合金产生。
防振合金
防振合金最先出现在美国和英国，到现在只有几十年的发展历史。最初，它用在导弹控制板、飞行器陀螺仪和潜艇螺旋桨等先进武器上，以达到防振和消音的目的。后来它的使用范围迅速扩展，逐渐由军事转向民用，成为各种运输工具和家电防止噪音的一种有力手段。
过去工业上的防振，主要采用系统防振方式（如使用空气或油压减振装置）或结构防振方式（如两种金属间夹入粘弹性高分子材料，采用蜂窝夹层结构等）。这两种方式只不过部分吸收与缓和了振源的振动和噪音，且制造工艺复杂。
此外，夹有高分子材料的层板，由于不导电而引起点焊等工艺性恶化，且使用温度受限制，一般只能在室温至120℃范围内工作。
现在的材料防振系统，是利用本身衰减能很高的防振合金制造零件，直接削弱振源，所以是一种更加经济适用的高效防振方式。
使用较多的是一种复合型防振合金，它们同复合材料一样有两种不同的组织成分，一种是高韧性的基体；另一种是嵌在基体中的柔软颗粒。在两种不同成分的交界面上很容易产生变形，这就能像海绵吸水一样吸收和消耗外部的振动能，达到消除噪音的目的，对噪音一般能降低3～40分贝。
没有电阻的超导体
一个发电2万千瓦的电厂，如果把电压加高到6.3千伏，即使用三个指头粗的普通电缆，也不能把电送到30公里以外，因为电流全被导线的电阻消耗掉了。用超导体做导线输送直流电，不管千里万里，都能几乎没有损失地输送到。
1911年，荷兰一位科学家做了一个实验：他将水银冷却到零下40℃，使它凝固成一条线，再降温到零下269℃（绝对温度4.2度），这时在水银线上通上几毫安电流，竟测不到两端的电压。原来，在这个温度下，水银的电阻突然消失了。人们把这种电阻突然降为零的现象叫做超导现象，有超导性质的材料，叫做超导体。
如果用超导材料制作一个碟子，上面放一块体积小但磁性很强的永久磁铁，当温度降到超导起始温度时，小磁铁就会离开碟子的表面，飘然升起，悬空不动。这就是超导体材料的抗磁本领，或称磁悬浮性。
磁铁的吸引力大小，是以磁感应强度“高斯”来计量的。一般磁性材料做的永久磁铁，磁感应强度最高只能达到7000高斯左右。如果利用电磁体，可以通过增加电流来获得任意大小的磁场，但是用铜、铁要消耗巨大的能量。比如，一个10万高斯的常规磁体，本身供电量要1600千瓦，相当于一座10万人城市的全部照明用电，而且每分钟需要4500升冷却水。要是用超导材料作同样强的超导磁体，只要上千瓦的电源就够了，而且不用庞大的冷却设备。超导磁体不仅体积小，而且重量只有常规磁体的几千分之一。
利用超导体的磁悬浮特性，可以制造磁悬浮列车，使列车速度达到每小时550公里；可以避免火箭的导板和轨道之间的接触，使火箭发射速度提高到每秒5000米。
过去，由于超导电性要在非常低的温度下才出现，使它的应用受到限制。如今，科学家把超导转变温度翻了一番，实现了用液氮来作冷却剂，大大拓宽了这项技术的应用范围。现在，科学家正在研制室温超导体，并且已取得可喜进展，一旦成功，人们再也不用像存放冰棍那样把超导体放进“冰瓶”，而是在自然条件下，就能产生超导效应来为人类服务了。
液晶
液晶是一类兼具液体和晶体某些特性的物质。它既可以任意倾流，又有水晶那样从各个方向看去透光程度不一样的特性。液晶在施加电压时会变得不透明，而移去电压后又会恢复原来的透明度。某些液晶材料在不同湿度情况下还会显现出不同的颜色。
液晶电视液晶有三种类型：1.近晶型液晶，分子排列紧密，好像一块板刷，现在尚未发现有更多的用途。2.向列型液晶，分子排列像一束松散地缚在一起的铅笔头，主要用于电子显示元件。3.胆甾型液晶，分子排列像可以绕松绕紧的钢丝弹簧，对温度变化特别敏感，随冷热而改变颜色，主要用于金属无损探伤和医学临床检验。
利用液晶在施加电压后变得不透明的特性，可制成电控亮度玻璃，照相机上的自动光圈以及数码显示器、运动场上自动记分牌等。
近年来，日本一家电器公司研制成一种用液晶显示的袖珍型电视机，只有一个小笔记本那样大小。体积仅17×8×1.6立方厘米，重300克，可以放在口袋里。另据报道，日本还制成电视手表，大小相当于一块普通手表，重190克，也用液晶显示。
液晶作为一种新型电子显示材料，在电子工业中用途广泛，但尚有不足，主要表现在响应速度还不够快（毫秒级），工作寿命欠长，用于直流的一般寿命是3000-5000小时，用于交流的则为1万小时。
胜过金属的金属玻璃
一根含有少量铌的只有4毫米粗的铜合金丝，竟可以悬吊起3吨重的机器，连最好的钢丝也相形见绌。一种特制的铁基合金（其中含有少量的镍、铬、磷）与不锈钢一起浸在强酸中，当不锈钢变得“千疮百孔”时，它却完好无损。用一种铁硼碳合金的软磁材料，代替硅钢做成电源变压器，不仅性能好，而且电能损耗比硅钢低一半多。所有这些号称金属，实为普通玻璃结构，而具有奇异特性的材料，就叫做金属玻璃。
用什么方法能使金属变成金属玻璃呢？金属在高温下变成熔融状态，如果让它慢慢冷却，它就恢复为固体金属。如果将这些金属（或合金）液体通过一个喷嘴，喷到高速旋转的光滑钢质辊面上，急剧冷却，就可以变成金属玻璃。不过，冷却速度需要高达每秒100万摄氏度，才能发生类似玻璃的结构转变。
金属玻璃既保留了金属和玻璃的一些特色，又克服了它们各自的缺点。玻璃很脆，金属玻璃却具有一定的韧性和刚性，可以像铁皮一样弯曲造型。玻璃本身强度很低，而金属玻璃却比钢还强还硬。
金属材料的结构排列得很整齐，当材料发生缺陷时，就容易被拉断。好比搭积木一样，抽掉中间一块，就会倒塌。而金属玻璃，由于急剧冷却，内部结构来不及调整，在整体上排列混乱，而在局部上又是有序的。好比石头砌成的高台，挖掉一两块，也无关大局。因此，铁硼碳金属玻璃的断裂强度比钢大三倍；在腐蚀性很强的酸溶液中几乎不发生腐蚀。
影响深远的光电子材料
光导纤维是光通信的传输材料。这种通信线路不是用一般的金属导线和电缆，而采用像头发丝那样细的透明玻璃纤维制成的电缆。玻璃纤维传导的不是电信号，而是光信号，所以玻璃纤维又叫光导纤维。利用光导纤维进行远距离通信的效率非常惊人，要比电缆的通信效率高10亿倍以上。
光导纤维是怎样传输信息的呢？大家熟悉的无线电通信，是靠电磁波在空间传播的。光实质上是电磁波的一种，只不过它比无线电用的超短波和微波频率高得多。玻璃纤维就是用来传导光波的导体。但是，光在任何物质中传导都会不断地衰减。实验表明：通过长1公里用光刻技术做成的微米尺寸的微机械的光导纤维中的光束，至少要有30%在另一端出现才有实用价值，其中的关键问题是要有超纯的质量很高的玻璃纤维材料。人们用超纯石英或特种光学玻璃拉成极细的丝，直径和一根头发丝差不多。这种玻璃的纯度极高，杂质的含量不超过几亿分之一，它相当于在1000吨纯净物质中，落入一克的杂质。高纯纤维的出现，给光纤通信事业的发展提供了极有利的条件。
光纤通信的优点是很突出的，它和普遍电缆通信相比，通信容量大、重量轻、耐腐蚀、不怕电子对抗，而且保密性好、建设费用低、施工方便，还可节省大量的有色金属。例如，1000公里长的中同轴电缆，大约需铜五万吨，铅20万吨；采用光导纤维，只需几十公斤石英玻璃拉成1000公里的光导纤维即可。现在的光导纤维都是石英制成的，不仅加工较困难而且价格高。为此，科研人员正在设法减小有机玻璃的光衰。这样，廉价的有机玻璃就可代替石英用于光纤，这无疑有着革命性的意义。
光纤通信不仅可以广泛应用在邮电部门，还可应用在军事、经济、科学技术、文化和人民生活等各个方面。由于它的容量极大，利用它可进行超高速数据传输，建立起灵活高速的大规模计算机网、四通八达的电视网，并可远距离传送全息图像。由于它的抗干扰能力极强，可以解决超高压输电网的通信联络，使自动化遥控装置最终摆脱高压电干扰。它应用在计算机、自动化系统和飞机、船舶、导弹等狭小空间的复杂控制系统中，可以避免大量电路之间的互相干扰而产生错误动作。
光导纤维除用于通信外，另一个重要用途是传能，即传输高强度的激光。如在激光手术应用中，将激光器发射的光传输到需要手术的部位，尤其是内脏器官，与传统的手术相比，把病人的痛苦减小到极限程度。对这种传能应用来说，当激光波长在近紫外区到近红外区时，可以用熔石英为基的低损耗光纤；当激光波长在红外波段时，可采用重金属氟化物玻璃光纤，也可用硫化物或卤化物的单晶或多晶光纤。
光纤还有一个重要应用，就是制作光纤传感器。光纤传感器的原理是利用光纤材料的某些物理性能来探测外界物理量的变化。这类传感器在抗干扰和高灵敏方面有明显的优点，可用于遥感、遥测技术。所选用的材料有低损耗的熔石英玻璃和重金属氟化物玻璃，为使这类光纤传感器的灵敏度和选择性能更进一步提高，人们正在发展特种光纤。
光电子材料除光纤外，还有光学功能晶体材料、光电存储与显示材料等。本世纪，人类将从工业时代进入信息时代。信息时代到来的标志，是实现所谓“四A革命”，即实现办公室自动化、工厂自动化、实验室自动化和家庭自动化。四A革命将使过去由人来完成的许多工作越来越多地由电子和光电子材料所构成的系统来完成。光电子材料在光电子技术中起着基础和核心的作用，亦即光电子材料将使信息技术进入新纪元。
烧蚀材料
在群星闪烁的夜晚，我们常看到有些小星体带着耀眼的亮光划破夜空，如箭似地从天空掠过，然后消失，这就是我们常说的流星。它们是从星际空间闯入地球大气圈的小天体，速度达每秒12～80千米。大部分流星在离地面50～140千米处会因与大气层摩擦产生的高温而烧毁。
其实，发射人造卫星的火箭或洲际导弹，飞行速度也和流星接近。它们在穿越或返回大气层时，也会和大气摩擦而产生高温，火箭头部的温度有时竟高达8000℃～12000℃，这一温度可以熔化目前我们所知的一切材料。但载人宇宙飞船和返回式人造卫星为什么能在如此高的温度下安全穿越大气层进入太空轨道，又能顺利返回地面而不被烧毁呢？
这就要靠所谓的烧蚀材料。烧蚀材料是在火箭头部和航天器再入舱的外表面包敷的一种特殊的保护层。当火箭在高速飞行中与大气摩擦，使温度骤然上升到几千摄氏度时，烧蚀材料就以“自我牺牲”的精神一层一层熔化、气化成为气体，把摩擦产生的热量带走，因而火箭里头的温度不会升高。只要用烧蚀材料作的保护层有足够的厚度，就可以保证火箭在穿越大气层的短暂时间内安然无恙。
我们可以通过酒精的使用来理解这一原理，当将蘸有酒精的棉花点着时，火光熊熊。酒精烧完，火焰熄灭，而棉花球的损坏是很轻微的。这是由于酒精在燃烧气化过程中，带走了热量。同一个道理，医生常利用酒精易气化的特点，在发高烧的病人皮肤上擦拭酒精，进行物理降温。这一点也许人人都有体会：当你在打针前，护士用酒精给打针部位消毒时，只要一擦上酒精，就会有凉飕飕的感觉。为什么？是酒精气化时把你表皮的热量带走了。
烧蚀材料能保护火箭内部在穿越大气层时安然无恙，就是因为它自身的气化带走了大量的热量。
不过烧蚀材料按烧蚀的机理或形式不同，可分为升华型、熔化型和碳化型三类。升华是材料由固体直接变成了气体。聚四氟乙烯、石墨、碳-碳复合材料就属于升华型的烧蚀材料，其中碳-碳材料用得最多。碳-碳复合材料用碳纤维或织物作为增强材料（像水泥中的钢筋），再用沉积碳或浸渍碳作为基体。碳-碳复合材料在3400℃以下具有很高的强度，超过3400℃就会气化，吸收并带走大量的热量。
石英和玻璃类材料属于熔化型烧蚀材料，其主要成分是二氧化硅，它在高温下有很高的粘度，熔融的液膜具有抗高速气流冲刷的能力，并能在吸收摩擦热后熔化和蒸发。
纤维增强酚醛塑料则属于碳化型烧蚀材料。它以纤维或布作为增强材料，再浸渍酚醛树脂作为基体。这种烧蚀材料的优点是抗烧蚀性好，碳层强度高，碳含量高、工艺性能好。
在我国航空航天事业的发展过程中，我国自20世纪70年代至今发射的所有返回式卫星都能安全地返回地面，这当中就有烧蚀材料的功劳。
高分子纤维材料的优点
高分子纤维材料是继玻璃纤维和碳纤维增强复合材料之后，从20世纪60年代起发展起来的一种新型纤维复合材料。在说它的优点之前，先看一次现场表演。
有句成语叫“千钧一发”。比喻用一根头发系上千钧（一钧等于30斤）的重物，是极危险和玄乎的事。这个比喻非常形象。不过，假如有人用不到一根铅笔粗的绳子吊起一辆2000千克（两吨）的汽车，你觉得行不行呢？而且这根绳子不是钢丝绳，而是一种高分子纤维作成的绳子。
光导纤维电缆事实证明，有的高分子纤维如芳香族聚酰胺纤维制成的绳子就“力大无比”。工程师们为了证明这种纤维的威力，用一根仅6毫米粗的绳子，当场吊起了一辆两吨重的汽车。其实再重一点的汽车也能吊起来。因为这种高分子纤维的强度比钢丝绳要高得多。
大家知道，钢丝绳的强度也不低，但和这种国外称之为“开夫拉”的芳香族聚酰胺纤维比起来，可以说是“小巫见大巫”。据检测，“开夫拉”的强度是钢丝绳的6倍，而它的密度（或者说重量）却只有钢丝的五分之一。因此若用“开夫拉”和钢丝比赛，看1毫米粗的绳子谁吊起的重量大，那“开夫拉”肯定是“绝对冠军”。
“开夫拉”也可以说是冷战时期军备竞争的产物。20世纪60～70年代是美苏两国争夺海空优势、拼命发展高性能飞机和舰船的时代。而高性能飞机和舰艇的基础就是高性能材料。谁能研究出重量轻而又强度高的材料，谁的飞机就飞得快，跑得远，省燃料。于是双方都决定不惜重金地研究重量轻强度高的材料。当时已有的金属材料比重都比较大，即使是轻金属铝，比重也有2.7（密度为2.699克/立方厘米），而强度却不太高。因此，美国人决定另辟蹊径。
1968年，美国的杜邦公司发现聚对苯二甲酰对苯二胺一类的芳香族聚酰胺纤维具有极高的强度，且在-45℃～+200℃的温度范围内都能保持不变，并有极好的强韧性和尺寸稳定性。比如，用做结构材料的“开夫拉”-49强度高达280～370千克/平方毫米，比铝和钛等金属的强度高得多，其收缩率和抗蠕变性也相当好，可以说是理想的航空材料。
这样，杜邦公司在1972年就开始成批生产“开夫拉”，到20世纪80年代中期就生产了21000吨，并首先用于军用飞机，使这些飞机轻装，飞行速度加快。后来“开夫拉”的应用又扩大到民用飞机。例如，美国波音飞机公司的767型飞机使用“开夫拉”和碳纤维制成的机身，使整个机身的重量减轻了一吨。仅此一项就使燃料消耗比波音727型飞机节省了30%。所以，“开夫拉”目前是非常受欢迎的轻质高强度航空材料。
随着“开夫拉”产量的增加，成本逐渐降低，它的用途也日益扩大。现在有许多汽车的轮胎帘子线（布）也采用“开夫拉”，因为它强度高，可以减少帘子线（布）的层数，从而减少了轮胎的重量，节省车辆的燃料用量。“开夫拉”纤维也是作防弹衣的理想材料，因为它重量轻，防弹能力高。
现在，“开夫拉”这种高分子纤维材料已广泛用于缆绳、高压软管、运输带、空气支撑的顶蓬材料、高压容器、火箭发动机外壳、雷达天线罩，还在高层建筑物中代替钢筋等等，其用途不胜枚举。
玻璃钢
所谓玻璃钢，指的是用玻璃纤维增强的塑料复合材料。它是复合材料的第一代，现代复玻璃纤维增加塑料（玻璃钢）可用来制造轻巧的汽车外壳合材料可以说是从玻璃纤维增强塑料开始的。玻璃钢其实不是钢，只是由于它的强度可以和钢相比而得名，但现在的《材料百科全书》已不再叫玻璃钢这个名字。
玻璃纤维具有强度高、变形小、耐腐蚀、不燃烧、电绝缘性能好等许多优良性能，而树脂一类的塑料高聚物具有良好的塑性，用它作基体和玻璃纤维复合，就能获得全新的性能。
美国和日本在20世纪40年代就开始发展玻璃纤维增强复合材料。到20世纪60年代，就广泛用于航空、汽车、机械、造船和建筑。为什么这么多的部门都喜欢用玻璃纤维增强塑料复合材料呢？因为它的比重只有1.5～2.0，仅为钢材的1/4～1/5.按比强度（单位重量的强度）计算，它超过一般钢材、合金钢和铝合金，是一种轻质、高强、耐腐蚀、绝缘性能好的新型材料，因此倍受青睐。
比如，美国用于造船工业的玻璃纤维增强复合材料每年至少有20万吨以上，全美国至少有500多家玻璃纤维增强复合材料造船厂。在20世纪60年代，美国海军部门甚至硬性规定，凡16米长度以下的舰船船体需全部采用“玻璃钢”制作。英国曾制造出长68米的“玻璃钢”扫雷艇；日本的“玻璃钢”渔船占全国渔船的一半以上；美国的波音747型飞机上，采用“玻璃钢”制造的零部件就达一万多种。目前，全世界的汽车工业都把“玻璃钢”车身作为减轻自重，节约能源的一项措施。
由于“玻璃钢”的导热系数低，只有金属的百分之一至千分之一，是一种优良的绝热材料，具有良好的耐烧蚀性能，因此可以作火箭、导弹的耐烧蚀材料。当火箭穿过大气层时，就靠这种耐烧蚀材料的保护，才能不致被强烈的摩擦热产生的高温烧毁。
“玻璃钢”又是一种优良的电绝缘材料，可以制作电视机和电冰箱上的零件。“玻璃钢”也可用于制造体育器械、家具和卫生设备。另外，由于它的耐腐蚀性也很好，石油化工部门常常大量采用“玻璃钢”代替钢材制造各种管道、泵、阀门、贮藏罐等。20世纪70年代后，美国铺设了70多万公里的“玻璃钢”管道，成为美国第三的大型运输管道。
玻璃纤维增强复合材料中，纤维像“钢筋”，被它增强的基体材料像“混凝土”。钢筋混凝土综合了钢的优良塑性和混凝土坚固耐压的优点，成为性能全新的材料。“玻璃钢”也是用玻璃纤维增强了基体的性能，被增强的基体材料则包括各种塑料，如热固性树脂（酚醛、环氧、聚酯等）、热塑性树脂（如聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、热塑性聚酯等）、泡沫塑料、橡胶、沥青、水泥、石膏等……
多孔材料
一件东西如果是千疮百孔，人们一定以为是低劣产品。其实不然，有时人们还特意研究制造百孔千疮的材料！而且制造这种多孔材料的技术还挺保密。要想知道这种技术，还必须掏腰包花钱。
1993年，美国的一家世界有名的桑迪亚国家实验室，因为不会生产高质量的多孔材料，不得不从乌克兰第聂伯罗彼罗夫斯克冶金学院专门购买一种多孔金属的技术。乌克兰的这家冶金学院还提出了一个条件，这种技术只许美国使用五年，过期还得加钱。至于加多少，到时再议。
这是一种什么“宝贝技术”呢？为什么号称为世界科学技术最先进的美国还要向乌克兰购买？原来这种多孔金属有一个重要用途，这就是制作太空火箭煤油燃料的雾化器，以迫使煤油通过大量微孔由油滴变成油雾，使燃料达到最佳燃烧状态。
但美国的多孔金属是用粉末冶金方法生产的，其中的微孔是弯弯曲曲的，质量不过关。而乌克兰生产的多孔金属中的孔则可以定向，即可以让它们沿零件的长度方向排列，孔的径向或者像桔子状断面，或者像球形气泡。
乌克兰的科学家还有一手绝招，他们会通过控制各种工艺技术条件和控制金属从熔化到凝固的冷却时间，制造出各种孔径的优质多孔金属。零件中的孔径尺寸，小的可以达到5微米，也就是一个细菌那么大；大的可以达到10毫米。孔在零件中占的体积可以小到只占零件体积的5%；但也可以大到占零件体积的75%。也就是说，这种多孔金属不只是百孔千疮，简直是千孔万疮了。
乌克兰的冶金学家是怎样生产这种多孔金属的呢？因为它属于技术机密，生产工艺的各种技术细节是绝不透露的，人们只能从一些蛛丝马迹中了解其大概情况。据报道，乌克兰生产的这种多孔金属是用铜和铁一类金属制造的。他们先将金属在一台密封的炉子中熔化，然后在熔化的金属中充进高压氢气和其他气体。这样，金属在冷却凝固过程中就会存在大量气孔。
但对孔的大小和孔的排列方向的控制是生产多孔金属的关键。只有当气体的压力和成分控制在非常精确的范围内，才能获得符合要求的优质多孔材料。乌克兰的科学家经过了大量的实验研究，终于成功地掌握了生产多孔材料的工艺技术。用这种材料制成的雾化器，可以大大节省燃油，因为它能显著增加燃料的雾化程度，达到最完全燃烧的效果。
其实，多孔材料在日常生活中随处可见，当你给头发喷发胶或往身上洒香水时，你手上的喷壶嘴就是用多孔材料制成的，只是它不一定是金属，而可能是多孔的塑料而已。近年来，在科技界的一个热门课题是研究多孔硅材料。硅是一种半导体材料，而当硅中存在只有几个纳米大小的大量微孔时，在激光照射下它会发出可见光。多孔硅为何能发光，目前还不清楚，但它的应用前景十分吸引人，尤其是其在制造光电子元件方面的前景令人神往。
泡沫金属
美国杜克大学工程系有一位叫富兰克林·科克斯的工程学教授，是研究金属材料的行家。大多数人对金属的密度或比重的认识都比较肤浅，以为只不过是一种物理性能，也就表示谁轻谁重而已。密度大的就重，像铅；密度小的就轻，像铝。但科克斯对密度或比重的认识，却比别人深刻。
他对比了各种金属的密度和它们的化学性质后，意外地发现，金属的密度或比重和其化学活性有密切的关系。即金属的密度越小，它的化学活性就越大。比如锂，是金属中密度最小的，每立方厘米才0.534克，比水还轻，因此特别活泼，在室温下就能和空气中的氧、氮起剧烈反应，所以必须保存在凡士林或石蜡中。镁也是轻金属，镁粉用一根火柴就能点着。至于钠和钾，比镁还不安分，在空气中不点就能着火，因为钠的比重是0.971；钾的比重是0.86；平时必须保存在煤油中。而铂、金、铱、锇等贵金属的比重大（分别为21.45；19.3；22.42；22.25），因此在空气中非常稳定。像铂，在疏酸、盐酸、硝酸甚至在王水中都能“游泳”。
科克斯经过多年研究，在1963年宣布发现了这个并不深奥但却被许多人视而不见的规律。由于这个规律的确算不上重要和深奥，在当时也没发现有什么特殊的实用价值，没有受到人们的重视。但到了20世纪90年代，科克斯冒出了一个新思想：在航天领域中，人们为节省燃料和各种费用，总希望用质轻而结实的材料。像锂镁等金属在地面上不宜被用作结构材料，因为它们太活泼，易氧化着火。但它们在太空中却大有用武之地，因为在太空中没有地球上引起锈蚀和化学反应的空气，那里几乎是真空。
于是，科克斯决定对这些轻金属进行“改造”，他知道，塑料如果进行泡沫化，可以使密度成倍成倍地降低，变成很轻但很有用的泡沫塑料。如果把这些金属也变成泡沫金属，它们的密度也会变得更小，可以在水中浮起来。
1991年，科克斯利用“哥伦比亚”号航天飞机进行了一次在微重力条件（即失重状态）下制造泡沫金属的试验。他设计了一个石英瓶，把锂、镁、铝、钛等轻金属放在一个容器内，用太阳能将这些金属熔化成液体。然后在熔化的金属中充进氢气，产生大量气泡。这个过程有点像用小管往肥皂水中吹气（会产生大量泡沫）一样，金属冷凝后就形成到处是微孔的泡沫金属。
有人会问，这种泡沫金属能作结构材料吗？这一点用不着担心。实验证明，用泡沫金属做成的梁比同样重量的实心梁刚性高得多。因为泡沫使材料的体积大大扩张，获得了更大的横截面，因此用泡沫金属制造的飞行器，可以把总重量降低一半左右。
用泡沫金属建立太空站还有一个优点，即当空间站结束其使命时，可以让它们重返大气，在大气层中迅速彻底地燃烧，化成气体，减少空间垃圾。
先进陶瓷
陶瓷是人们最熟悉的无机材料之一，日常生活中应用陶瓷的品种多得不胜枚举。餐饮业中的碗、盘、碟、杯、壶、勺；建筑业中的洗手池、抽水马桶……等都是陶瓷的天地，但这些陶瓷都是用天然无机物烧结成的传统陶瓷。而所谓先进陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷，因此又称精细陶瓷或新型陶瓷。
先进陶瓷按照其性能的不同，又分成许多种。别看统称为先进陶瓷，但其中有的具有良好的绝缘性；有些先进陶瓷却具有半导体性能；而有些陶瓷却能导电；有些甚至在一些温度下具有超导电性，即完全没有电阻；有些陶瓷有一种奇特的性能，在它上面加上压力，它就能产生电压，这种陶瓷称为压电陶瓷。先进陶瓷也都具备一般陶瓷通常具有的耐热、耐磨、高硬度、抗氧化等性能。
尽管先进陶瓷有许多种，甚至难以统计，但材料学家还是按其功能和用途，大致将它们分成三类。
第一类叫电子陶瓷。电子陶瓷是指用来生产电子元器件和电子系统结构零部件的功能性陶瓷。电子陶瓷主要包括电介质陶瓷、电光陶瓷、半导体陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷等。这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外，对周围环境的变化能“无动于衷”，即具有极好的稳定性，这对电子元件是很重要的性能，另外就是能耐高温。
第二类先进陶瓷是结构陶瓷，它是用于作结构零件的。机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等，都是频繁经受摩擦而易磨损的零件，用金属和合金制造有时也使用不了多久就会损坏，这时，先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。因为它天生硬质，就是不怕磨。另外还有在高温下工作的结构零件，用一般金属和合金甚至耐热合金也“忍受”不了。如洲际导弹的端头，回收人造地球卫星的前缘，火箭尾喷管的内衬和航天飞机的外蒙皮等，在和空气摩擦时能产生几千度的高温，在这些地方，先进的结构陶瓷具有“非它莫属”的地位。
先进高温结构陶瓷按化学成分可分为：碳化硅陶瓷、碳陶瓷；氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化铝陶瓷；氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化钙陶瓷及增韧氧化物陶瓷。
第三类先进陶瓷是生物陶瓷，它是用于制造人体骨骼-肌肉系统、用于修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷材料。因为它关系到人的健康和生命，属于“人命关天”的材料，所以性能特别，首先是它必须和人体组织有相容性，即用生物陶瓷制成的人体代用“零件”，在植入体内后，绝不能引起人体组织的发炎和不适应。
生物陶瓷是使人延年益寿的材料，人体到了一定年龄，各种“零件”会老化甚至坏死。这时，只要把有病变的器官或组织去掉，用生物陶瓷器件取代，人又能恢复健康。例如人的牙齿和骨骼是经常受损的“零部件”。这时要恢复牙齿和骨骼的功能，往往要借助生物陶瓷的功能。据美国统计，有两千万人无牙或缺齿，其中至少有20%是满口假牙，这些假牙就是生物陶瓷制造的。
纳米材料和纳米技术
近年来在科技报刊上经常出现“纳米材料”和“纳米技术”这种名词。什么是纳米材料呢？说通俗一些，就是用尺寸只有几个纳米的极微小颗粒组成的材料。一个纳米是多大呢？只有一米的10亿分之一，用肉眼根本看不见。但用纳米颗粒组成的材料具有许多特异性能。因此，科学家们又把它们称为“超微粒”材料和“21世纪的新材料”。
但纳米材料并非完全是最近才出现的。最原始的纳米材料在我国公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之一：墨。据考古发现，中国的甲骨文就是先用墨写，然后雕刻成文的。墨中的重要成分是烟，实际上烟是由许多超微粒炭黑形成的。烟那么轻，那么细，能在空气中袅袅升起，又可以在空气中消散。古人就是用桐油或优质松油在密不透风的情况下使其不完全燃烧而气化，然后冷凝成烟，再伴以牛皮胶等粘结剂和其他添加物而制成墨。制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。
中国的墨虽然算不上现代所说的纯纳米材料，但的确开创了纳米材料的先河。现代的纳米材料是近一二十年才发展起来的，它的起源来自一个科学家在国外旅游中的联想。
那是1980年的一天，德国的物理学家格莱特到澳大利亚去旅游。当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料研究，知道晶体中的晶粒大小对材料性能有极大影响，晶粒越小材料的强度越高。格莱特想，如果组成材料的晶粒细到只有几个纳米那么大，材料的性能又会是怎样的呢？回国后，他立即开始实验。1984年，他终于得到了只有几个纳米大的超细粉末。而且他发现，任何金属和无机或有机材料都可以制成纳米大小的超细粉末。更有趣的是，一旦变成纳米大小的粉末，无论是金属还是陶瓷，从颜色上看都是黑的，其性能也发生了“天翻地覆”的变化。
从此，由德国到美国再到其他国家，有一大批科学家开始迷上纳米材料的研究。比如美国的阿贡国家实验室用纳米大小的超细粉末制成的金属材料，其硬度竟比普通粗晶粒金属的硬度高2～4倍。在低温下，纳米金属竟变成了绝缘体，不再导电。一般的陶瓷很脆，但用纳米陶瓷粉末制成的陶瓷制品，却有良好的韧性。
更有趣的是，纳米材料的熔点会随粉末的直径减少而大大降低。金的熔点本是1064℃，但制成10纳米左右的粉末后，熔点降至了940℃，2纳米的金粉末，熔点只有33℃。这一特点对人们大有用处。如许多高熔点陶瓷很难用一般方法加工成耐高温的发动机零件。但只要事先制成纳米大小的陶瓷粉末，就可以在较低温度烧结出耐高温的零件。
纳米粉末和材料是怎样制造出来的呢？一般是把材料（如金属或陶瓷）放在一个密封室内，然后充满惰性气体氦，再用激光或电子束将它们加热变成蒸气，于是材料的原子就在氦气中冷却成烟雾，烟雾粘附在一个冷却棒上就成了炭黑一样的纳米粉末，将这些粉末收积起来就能模压成零件，或者通过一道烧结工序制成纳米材料零件。
纳米材料的用处很多。如可制成高密度磁带；有些新药在制成纳米颗粒并注射到血管内可顺利进入微血管；纳米大小的催化剂分散在汽油中可提高内燃机的效率；把纳米大小的铅粉末加入到固体燃料中，可使固体火箭的速度增加（这是因为越细的粉末，表面积越大，能使表面活性增强）。总之，纳米材料前途无量，用途会越来越广。
纳米陶瓷
纳米陶瓷是纳米材料中的一大类别，它是由颗粒尺寸在100纳米以下的粉末制造烧结成的多晶陶瓷。纳米陶瓷有许多特点。一般的陶瓷很硬但也很脆，而纳米陶瓷有时具有超塑性，可以变形。
多晶陶瓷的晶粒尺寸逐渐减小时，晶界密度会不断增加，位于晶界处的原子数量也激剧增加。据计算，晶粒尺寸为5纳米的陶瓷体，其晶界密度达1019/厘米3.晶界上的原子数目占50%以上。
由于纳米陶瓷这种晶粒界面的特点，纳米粉末的活性特别高，可大大降低其烧结温度。纳米陶瓷的晶界纯度高，基本上没有晶界杂质存在，因此它的力学性能比粗晶粒陶瓷的性能高得多。在一定温度条件和缓慢的变形速度下，甚至有可能具有超塑性。
制造纳米陶瓷粉末可以采用物理方法、化学方法和物理化学综合法，主要有溶胶-凝胶法、化学共沉淀法，蒸发凝固法、借助激光或等离子体的高温分解法及水热法等。
制造纳米陶瓷材料的关键是在得到高致密的烧结体的同时，又能控制晶粒不过分长大，使陶瓷中的晶粒尺寸在100纳米以下。
纳米陶瓷可用作催化剂、制造传感器和高温结构陶瓷。例如，用Al2O3、Fe2O3纳米粉末作催化剂，可提高高分子高聚物在还原或合成反应中的反应效率，控制反应速度和温度。纳米ZnO2、NiO、LiN6O3、TiO2等超细粉末可制成传感器用材料。纳米SiC-Si3N4、SiC-SiC、SiC-Al2O3等纳米-微米复合陶瓷可以制成性能优良的高温耐热陶瓷。例如，SiC-Al2O3纳米-微米复合陶瓷比单相的Al2O3陶瓷的断裂强度高4倍，断裂韧性提高达37%，最高使用温度可从800℃提高到1200℃。
超导材料
在地球上，所有的元素和材料都有电阻，就是导电性最好的银、铜、铝也不例外，但有些种类的材料在一定条件下却没有电阻，这就是所谓超导材料。
超导材料最早是由荷兰的物理学家昂内斯在1911年发现的。那时，许多科学家发现，金属的电阻和它所处的温度条件有很大关系。温度高时，它的电阻就增加，温度低时，电阻就减小。并总结出一个金属电阻与温度之间关系的理论公式。当时，荷兰物理学家昂内斯为检验这个公式是否正确，就用汞（水银）作试验。他把水银冷却到-40℃，使它变成固体，然后把水银拉成细丝并继续降低温度，同时测量不同温度时固体水银的电阻。当温度降到4K时，一个奇怪的现象发生了，水银的电阻突然变为零。这一发现轰动了世界物理学界。后来科学家把这个现象叫作超导（电）现象，把电阻等于零的各种超导线材料可广泛用于输电材料称为超导（电）材料。
昂内斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物，但出现超导现象的温度大多接近绝对零度，因而这种超导材料没有什么经济价值，因为制造这种超低温本身就花钱很多而且相当困难。
为了寻找在比较高的温度下没有电阻的超导材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进展。直到1973年，英美一些科学家才找到一种在23K时出现超导现象的铌锗合金，此后这一记录又保持了10多年。
到1986年，在瑞士国际商用公司实验室工作的贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中吸取了经验，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，解放思想，终于发现一种镧铜钡氧陶瓷氯化物材料在43K这一较高温度出现了超导现象。这是一个了不起的突破，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
此后，美籍华人学者朱经武、中国物理学家赵忠贤等在1987年相继发现了在78.5K和98K时出现超导现象的超导材料。这样，超导材料就可以在液氮中工作了。
更令人振奋的是，1991年美国和日本的科学家又发现了球状碳分子C60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导现象。超导材料的出现有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和科技革命。因为没有电阻的材料用途极为广泛：用它输送电流不会损耗电力；用它做发电机可以做得很小，但发出的电流可以很大。例如，一台普通的大型发电机需要用15～20吨铜线绕成线圈，而如果用超导材料线圈，只要几百克就够了，而发出的电力却是一样的。
超导材料可以制作大型强磁体，未来的磁悬浮列车中超导磁体是磁悬浮列车中的关键性部件，用它产生的巨大磁力才能使列车悬浮起来。
超导材料还可以制成储电装置，把电流储存起来，供急需时使用。1987年，美国国防部为适应“星球大战”的需要，决定建立一个用超导材料储电的装置，在和平时期，可向居民供电，在导弹袭来时，可为激光武器供电，用激光摧毁导弹。
因为超导材料没有电阻，只要把电“注入”超导线圈，电流就可以无休止地在线圈中流动也不会有损耗。美国设计了一个可以储存500万千瓦小时的巨型超导储电装置，它像一个巨大的轮胎，深埋在地下的核心部分是用超导材料做成的储能线圈。它的直径就有1568米，储存的电力足以供几十万人口的城市照明用电。
超导材料也可以制作高灵敏度的测量仪器及逻辑元件和存储元件。这些元件以超导薄膜的形式应用，所用的超导薄膜的厚度只需不到1微米就够了。用超导材料制成的量子干涉器件可测量小到10-18伏特的电压差和10-18安培的电流，是磁脑照相术用仪器不可缺少的电子器件。
智能材料
智能材料也叫机敏材料，它是20世纪90年代迅速发展起来的一种全新的材料分支学科。这种材料常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得似乎有了“感觉”和“知觉”，并具有自我感知和自我修复的功能。
任何材料的发展都来源于实际的需要。例如，在社会的实际活动中经常发生飞机失事、桥梁断裂和房屋倒塌造成的灾难。这就促使科学家们希望找到失事之前能预警的材料，或预感到要失事时能自动加固或自行补助伤痕和裂纹的材料。比如，人的皮肤划伤后，过一段时间就会自然长好，且自我修补得天衣无缝；骨头折断后，只要对好骨缝，断骨就会自动长在一起。那么，飞机的机翼、桥梁的支架出现裂纹后能不能自我修补呢？如果可能，那就可以防止许多灾难性的事故。这就是目前世界上一大批科学家致力于研究和发展智能材料的原因。
制造智能材料的难度是很大的，因为它涉及的知识面太宽。因此，发展智能材料需要化学家、物理学家、材料学家、机器人专家、系统控制专家、计算机专家、建筑专家、航空航天领域的专家的合作才能取得成功。
发展智能材料尽管困难，但也已经取得可喜的成果。比如，美国多伦多大学光纤智能结构实验室的科学家们正在设计各种方案，试图使桥梁、机翼和其他关键结构具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”，使它们能感觉到即将出现的故障并能自行排除。如在飞机发生故障之前，向飞行员发出警报，或在桥梁出现裂痕时能自动修复。
他们研制机翼用智能材料的方法之一，是在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤材料。由于复合材料中布满了纵横交错的光纤，它们就能像“神经”那样感觉到机翼上受到的不同压力；通过测量光纤传输光时的各种变化，可以测出飞机机翼承受的不同压力；在极端条件下，光纤会断裂，光传输就会中断，于是就能发出即将出现事故的警告。
不过，仅能发现问题而不能自行排除故障的材料还不能算是理想的智能材料。美国伊利诺斯大学的建筑学专家卡罗琳·德赖正在研制一种能自行愈合的混凝土。他设想把大量的空心纤维埋入混凝土，当混凝土受压开裂时，事先装有“裂纹修补剂”的空心纤维也会裂开，并释放出粘结修补剂，把裂纹牢牢焊在一起，防止混凝土断裂。这种智能材料称为被动式智动材料。因为在这种材料中没有埋入传感器监测裂纹，也没有埋入电子芯片计算机来“指导”焊接裂开的裂纹，因此它要比埋有传感器和芯片的主动型智能材料价格便宜，且易于维修。
美国的一些桥梁专家也正在研究主动式智能材料，以便使桥梁出现问题时自动加固。他们设计出的一种方案是：如果桥梁某些局部出现问题时，桥梁的另一部分就自行加固予以弥补。这一设想在电脑技术高度发展的今天已没有不可克服的困难。现在已能造出极小的信号传感器及微电于计算机埋入桥梁材料中，桥梁材料可以应用各种神奇的材料（如形状记忆合金，电流变材料等），当出现问题时，计算机将发出指令，使形状记忆合金和电流变材料（一种通电时立即可以由液滴变成固体的材料）发生相变，自动加固。
智能材料也称仿生材料。日本、意大利、英国等先进工业国家在这方面都已取得了一定成果。日本人还在研究胆结石、指甲、毛发为何能生长，以便从中找到能为智能材料研究所借鉴的线索。
倾斜功能材料
乍一看题目，就会让人有些莫名其妙。什么叫倾斜功能材料？这不奇怪，因为这是近一二十年才出现的有“特异功能”的新材料。现有的大多数材料都害怕忽冷忽热，更害怕一边受热一边受冷。即使是坚硬的耐热钢，如果受到这种“打摆子”似的恶劣温度条件，就会因热胀冷缩得极不均匀而遭到破坏。
你也许会问，什么场合会有这样的恶劣条件？还真有！20世纪80年代，日本人设计了一种所谓的空天飞机。这种飞机在低空时可以水平起飞，并在低空充分利用大气中的氧助燃。而在无氧的太空时，能利用自身携带的液氢和液氧作燃料。这种空天飞机的发动机就遭受着比“早穿棉袄晚穿纱，围着火炉吃西瓜”更为恶劣的温度变化的折磨。它的发动机燃烧室温度高达3000℃～3500℃，在这一温度下，现有的任何一种材料都会熔化。因此燃烧室要用液氢进行冷却，这样燃烧室的内外温度就相差三四千摄氏度，即内壁要承3000℃～3500℃的烧烤，而外壁要承受零下200℃超低温的冷冻，再“健康”的材料也受不了。
因此日本的科学技术厅在1987年专门成立了一个科研小组，并制定了一个“开发倾斜功能材料的研究计划”。所谓倾斜功能材料，就是在温差极大时，既不怕热也不怕冷的材料。这个计划实现起来也不是轻而易举的，所以准备用五年时间完成。但日本人也大搞集中优势兵力，组织了20来个一流的企业、6个国家级研究所、9所大学和3个团体的科研成员进行攻关。结果在1988年就研制成功一种铜和二硼化钛“交错”而成的倾斜功能材料。这种材料在表里温度相差800℃、表面温度高达1500℃时能够顺利工作。不过离空天飞机发动机的要求还有一段距离。
为什么这种材料有如此性能呢？原来这种材料沿厚度方向的化学组成是逐渐变化的。即材料的一面是100%的铜，它能耐冻；而另一面是100%的二硼化钛，它非常耐热。但在两个表面之间，铜和二硼化钛交错地“倾斜”着减少。即铜由100%逐渐变化到0，而二硼化钛从铜的一面由0逐渐变化到100%，即“倾斜”地增加。由于冷热两边之间的材料成分是逐渐变化的，因此其热胀冷缩的变化很平缓，不会引起破裂。这种材料必须用特殊工艺才能生产出来。大致过程是：在计算机控制下，让一个圆盘中的铜、硼、钛和二硼化钛四种原材料粉末的比例逐渐变化，并在圆盘中一层一层地叠在一起，然后放在200℃的真空室中抽出其中的气体，再加压使其体积压缩到原来的60%～70%。这时把它放在一个密封的反应室内，用电加热圆盘的一面，这时在这些粉末之间立即发生化学反应而产生大量的热，并像点燃的导火线一样以每秒0.1～0.15厘米的速度，由圆盘的一面自动向另一面蔓延，化学反应产生的热使粉末烧结成密实的倾斜功能材料。
这种特殊的工艺方法叫自蔓延燃烧法，用它可以生产出各种需要和不同用途的倾斜功能材料。倾斜功能材料在核反应堆和医学中也大有用武之地，核反应堆的内侧要求耐辐射的陶瓷；而外侧要求导热性良好的高强度金属。牙科医生则用倾斜功能材料制造人工牙。如牙根用多孔磷灰石，牙外露部分用高强度陶瓷，牙中心部分用高韧性材料。镶入这种牙后，人体细胞可以长入有许多微孔的碳灰石牙根中，使牙齿牢牢地固定在牙床上。
电流变材料
我们通常看到的液体变为固体或固体变为液体，或者液体变为气体和气体变为液体，似乎都只和温度有关。比如水吧，冷却到0℃就变成固体的冰，加热到100℃就变成水蒸气。当然，这种变化也和压力有关，例如在西藏高原，水不到100℃就会沸腾变成蒸气，因为那儿的气压不到一个大气压。
但世界之大无奇不有。那是在1947年，有一个叫温斯洛的美国人，用石膏、石灰和碳粉加在橄榄油中，然后加水搅拌成一种悬浮液，他想看看这种悬浮液是不是能导电。在试验中，他意外地发现一个奇怪的现象。即这种悬浮液在没有加上电场时，可以像水或油一样自由流动；可是当一加上电场时，几毫秒内就立即由自由流动的液体变成固体。而且随电场强度即电压的增加，固体的强度也增加。并且这种现象也能“反过来”进行，即当撤消电场时，它又能立即由固体变回到液体。
因为这种悬浮液的状态可以用电场来控制，科学家也把它叫作“电流变体”，并把这种现象称为“温斯洛现象”或“电流变现象”。温斯洛还为此申请了专利。他的发现和试验在科学家中引起了极大的兴趣和热情。因为这种能用电场控制来改变物质状态的现象，有可能用来实现把高速计算机的电信号指令直接变成机械动作。
近几年科学界正在研究有“感觉”和有“知觉”的仿生智能材料，而电流变体正好适应这一要求，因为智能材料的显著特点之一就是能随外界环境的变化自动调节其功能。例如电流变体能随施加的电压不同而改变自身的强度，因而可以充当智能材料的“肌肉”。因为一使劲（加上电压）肌肉就变硬，肌肉一放松（撤掉电压）身子就变软。电流变体通过开闭电场也能变硬和变软，其作用就相当于“肌肉”。
1991年，美国科学家甘迪还用电流变体研制了一种能自动加固的直升机水平旋翼叶片。当叶片在飞行中突然遇到疾风而猛烈振动有可能断裂时，叶片中事先埋入的电流变体就可变成固体实现自动加固。总之，电流变体的应用有可能开辟一个新世界。
