世界当代科技史-第20章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
先进功能陶瓷与电子技术密切相关，又称为信息陶磁。这类陶瓷具有特
殊的物理性能，如绝缘性、电感性、压电性、热电性、磁性、半导体性、超
导性、光学性能等。电容器陶瓷从50—60年代开始发展起来，现已成为电容
器中最重要的一类，约占各类电容器总和的一半以上。铁电陶瓷中最早发现
的是钛酸钡，已被主要用于制造陶瓷电容器。1988年，非挥发性的铁电随机
存贮器问世。它的出现给计算机技术以很大的冲击，引起科学界和工业界的
注意。压电陶瓷最早用的也是钛酸钡。60年代初，锆钛酸铅压电陶瓷的出现，
为压电陶瓷未来的发展打下了坚实的基础。压电陶瓷主要用来进行换能、传
感、驱动和频率控制，可用于许多先进技术领域。电致伸缩陶瓷是70年代后
期发展起来的一种新型功能陶瓷。10多年来，关于它的研究取得很大进展。
多层结构的电致伸缩位移器可以在低电压下工作，大有取代压电微位移器的
趋势。磁性陶瓷在40年代末50年代初萌芽。经过长期反复的探索，人们发
现，与磁铁矿具有相同尖晶石结构的锰铁尖晶石、锌铁尖晶石及其固溶体既
有很高的导磁率，又有很高的电阻率，可以烧结成瓷质很好的磁性陶瓷。这
类陶瓷为高频电感器件的发展开辟了道路。半导电陶瓷主要用来制造各种陶
瓷敏感器件和传感器件，如陶瓷变阻器、热敏电阻器、湿敏电阻器、气敏电
阻器、生物敏感电阻器等。60年代后期，发现了掺杂氧化锌陶瓷的非线性变
阻特性。这种电流电压非线性，或者电阻值的电压敏感特性可用来吸收供电
系统经常产生的过电压、过电流脉冲，保护用电设备和器件免遭破坏。20多
年来，对氧化锌变阻器进行了广泛的研究，但许多问题尚未弄清楚。其他几
种半导电陶瓷正处于研究开发阶段。超导电陶瓷的出现是近年来物理学和陶
瓷学取得的最重要进展之一。光学陶瓷的研究和应用目前也取得了可喜的成
绩。由于先进功能陶瓷具有许多独特的优良性能，所以近二三十年来发展很
快。有人预计未来将是先进功能陶瓷的黄金时代。
目前绝大部分先进陶瓷的晶粒大小约为1—10mm。如果晶粒的线度降到
0。01—0。1mm，那么它就变成一种新的纳米陶瓷。这将是陶瓷发展进程中的第
三次飞跃。我国在先进陶瓷材料的研究方面有较好的基础，但在应用方面还
比较落后。开发推广先进陶瓷材料是我国材料科学技术的重要任务之一。
无机非金属材料中的玻璃在第二次世界大战后也有很大发展。40年代后
期开始了对低折射率的氟化物、氟磷酸盐玻璃的研究，于60年代初获得了产
品。70年代又开始了向高折射率的玻璃中引入氧化锗和氧化碲的研究，着重
发展具有特殊色散的光学玻璃，以满足新兴技术的需求。此外，有色玻璃、
变色玻璃也发展很快，它广泛用于生产和生活的许多方面。
（3）有机高分子材料
高分子合成材料是20世纪用化学方法制造的一种新型材料。它具有不同
… Page 81…
于低分子的独特的物理、化学和力学性能。在短短的几十年内，高分子材料
迅速发展，已与有几百上千年历史的传统材料并驾齐驱，在相当程度上取代
了钢材、本材和棉花等材料。合成高分子材料的原料来自石油、天然气和煤，
其资源比金属矿藏丰富得多。有机高分子材料主要有合成橡胶、塑料和合成
纤维。
合成橡胶最早出现在1912年。德国采用二甲基丁二烯为单体合成了甲基
橡胶。在第二次世界大战中，由于战争的需要，美国与德国展开了竞争，大
力发展合成橡胶。面对德国的优势，美国奋起直追。1940年，杜邦公司的化
学家卡罗瑟斯研制生产出以氯丁二烯为单体的氯丁橡胶。美国迅速建立起50
多座合成橡胶工厂，到1944年产量已达63万吨。合成橡胶在第二次世界大
战中为美军的运输建立了“功勋”。50—60年代，丁苯橡胶生产工艺不断改
进，产量居合成橡胶之首。50年代，出现新品种——顺丁橡胶，60年代，在
美国发展很快。异戊橡胶是人工合成的天然橡胶，于1962年研制成功。乙丙
橡胶也由意大利、美国研制出来。60年代以来，一些特殊性能的橡胶如丁腈
橡胶、硅橡胶、氟橡胶等也陆续发展起来。硅橡胶用于耐高温达 300℃、耐
低温－100℃的憎水性橡胶垫圈、胶管、绝缘材料和密封垫等，还可以用于人
造心脏和血管。特种橡胶目前已有200多种。它们在许多技术领域中各显神
通。
第二次世界大战以前和战争期间，通用塑料已有很大发展。从50—60
年代起，第二代塑料即工程塑料异军突起。工程塑料在一定高温（100℃以上）
具有一定强度（＞50MPa）和刚度；比强度（即强度／比重）、比模量（模量
／比重）均超过钢铁，耐磨、耐腐蚀、吸震、具有优良的绝缘和自润滑性。
工程塑料主要有ABS（丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物）、聚碳酸酯、聚酰
胺 （尼龙）、聚酯、聚甲醛及聚砜。ABS出现在50年代。美国将其用于汽车
工业及管材，日本多用于家用电器。聚碳酸酯是高抗冲击透明塑料，可用作
2倍音速飞机的风挡夹层和天窗盖，还可用作计算机齿轮、电动工具壳、安
全防护用具。美国波音 747客机有 2500个部件用聚碳酸酯制造，每架飞机
用量近2吨。特种工程塑料是指抗张强度大于45MPa，连续使用温度高于150
℃的工程塑料，如聚芳砜、聚芳酯、聚醚砜、聚苯酯等。这类耐高温的特殊
工程塑料主要作为功能材料用于飞机、汽车的轻量化及家用电器。近年来高
分子合金引起各国重视，出现高分子合金研究开发热，也获得了大量成果。
高分子合金是像制造合金那样，把两种聚合物混合，以得到比单独组分性能
更好或兼备二者优点的高分子材料。导电塑料是塑料园圃中的一朵奇葩。1977
年，日本的白川与另外两个美国人发现一种塑料薄膜掺入碘后能导电。从80
年代初，导电聚合物很快发展起来，已在许多工业领域内应用。此外，高吸
水性塑料、高效分离膜塑料、隐形飞机使用的隐形材料等也已开发出来并获
得应用。近10年来，为减少废弃塑料对环境的污染，可降解塑料的开发日益
升温。美国、日本、英国已在这方面领先。70年代，DNA重组技术和细胞融
合技术，为可降解塑料发展提供了技术保障。在资源、能源、农业、人口、
环境五大危机威胁下，利用生物技术制造新型材料已成必然。直接以发酵技
术生产的结构材料微生物聚酯已步入了高分子材料行列。微生物聚酯是一种
具有热塑性、生物降解性且耐紫外线辐射的生物高分子。由于具有良好的生
物降解性并与生物组织相容，此类高分子材料可用于医药卫生领域及做一次
使用的各种包装材料。由于其原料主要为农产品，因而还为从非化石资源生
… Page 82…
产材料指出了一个方向。英国ICI公司在80年代实现了中等规模的3—羟基
丁酸均聚物及其与3—羟基戊酸共聚物的工业化生产。其产品不仅引起材料
科学家的重视，而且获得了商业上的巨大成功。美国1970年开始光降解塑料
的研究，到1990年降解塑料总销售量已达55万吨。80年代欧洲许多国家把
光降解、淀粉添加剂型塑料购物袋、垃圾袋推上市场。日本80年代末几十家
公司成立了生物降解研究会，研究微生物合成和天然高分子生物降解塑料。
合成纤维出现在本世纪30年代末40年代初。美国的卡罗瑟斯1939年生
产出尼龙66，德国研制出了锦纶。聚酯纤维是英国1940年合成的，1946年
实现工业生产。聚酯纤维中的涤纶制品深受欢迎，70年代已成为合成纤维中
发展最快产量最大的品种。被人称为人造羊毛的聚丙烯腈纤维是1950年问世
的。它的保温性、弹性都很好，强度比羊毛高，价格却比羊毛低，近30年来
发展较快。这些种类繁多的合成纤维已成为人们主要的衣着材料。40年代
初，尼龙丝袜近千元一双，只有少数名星才穿得起，在美国批量上市时人们
排队购买。现在合成纤维制品已从奢侈品、代用品变为普及品，使人们的服
装更加缤纷多彩。1970年合成纤维世界总产量为490万吨，1980年达1200
万吨，预计2000年将达3500万吨。这不仅解决人们的穿衣问题，而且可节
省大量棉田改种粮食，有利于解决世界粮食短缺问题。
80年代以来，高分子材料研究异常活跃，其性能也有很大提高。目前耐
高温聚合物可在400℃条件下连续工作1万小时，在800℃条件下工作数小
时，甚至在比太阳表面温度高一倍的9000℃高温下，短时间内也不致毁坏。
自润滑聚合物可以作为轴承在…200℃至300℃的环境中工作。导电和压电高
分子、感光和透光高分子、生物高分子、智能高分子等已在科研、生产和日
常生活中广泛应用。人类已进入了高分子时代。未来的高分子材料正大力朝
着第三代特种工程塑料、特种合成纤维、特种合成橡胶、特种粘合剂和涂料
等发展，并将向第四代微观结构及微观性能控制的新型塑料进军。
（4）先进复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同材料制成的。单一材料都有一定弱
点，如金属材料不耐腐蚀，有机高分子材料不耐高温，无机非金属材料较脆。
因此复合材料近年来倍受重视。
本世纪40年代出现了玻璃钢。它以玻璃纤维作骨料，以合成树酯作粘结
剂和基体，是一种轻质、高强、耐腐蚀、绝缘性能好的复合材料。40年代中
期以后，玻璃钢被广泛应用于飞机、火箭、舰艇、导弹等作为结构材料。
60年代以来，当代航空航天事业的迅猛发展，需要高强度、高模量、高
耐温、低比重的复合材料。许多高性能的纤维增强材料应运而生，主要有碳
纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。它们的比强度和比
6 8
模量都分别在 6。5×10cm和6。5×10cm以上，属于先进复合材料。它们与
玻璃钢等近现代复合材料不同，具有低比重、高强度、高刚度、耐磨、导热、
导电、膨胀系数小、抗疲劳性能好、阻尼性能好、耐烧蚀、耐冲刷、抗辐射、
吸波、换能等众多优良性能，可以满足高技术对材料的苛刻要求。先进复合
材料既可以做结构材料又可做功能材料及结构功能一体化材料，不仅应用于
航空航天，在民用工业、能源技术、信息技术等方面也大有用武之地。
高性能增强材料是先进复合材料的关键组成部分。60年代，美国和日本
开发出碳纤维，但其强度和弹性模量都不高。70年代以来，由于采用了热牵
引碳化技术，强度大幅度提高；并采用其他工艺，使弹性模量进一步提高。
… Page 83…
80年代以来，人们合理选择原料和工艺条件，有效改善和控制碳纤维的结
构，使碳纤维性能朝高强度、高模量发展。1986年，日本东丽公司开发出高
性能T1000碳纤维，实现了高强度、高模量、高延伸率这一目标。碳纤维增
强塑料在先进飞机结构中所占比例越来越高，全碳纤维复合材料小汽车与壳
体已经出现。在运动器材，如羽毛球拍、网球拍、撑杆、弓箭等制造中，碳
纤维增强塑料已成为主角。
芳纶具有优异的力学性能。它的拉伸强度与石墨纤维相同而高于不锈钢
丝，但它的抗冲击强度却为石墨纤维的6倍。它具有良好的耐热性、耐火性、
不熔，使用温度很宽，在增强纤维中它的密度最低。由芳纶与高性能树脂基
复合而成的有机纤维复合材料，除具有优异的力学性能外，最大优点是重量
轻。这种复合材料已被广泛应用于航空航天和国防军工领域，如做火箭固体
燃料发动机壳体、飞机机头雷达天线罩、波音757的机翼和机身的整流包皮
等。
硼纤维是1958年美国发明的。实际上它是由钨丝包裹一层硼形成的复合
材料。而在钨芯上直接沉淀碳化碴形成碳化硅纤维。硼纤维和碳化硅纤维的
强度和弹性模量为纯铝的20—30倍，高强度铝合金的7—10倍，因此可用它
们增强金属。目前，以碳化硅纤维增强铝合金发展最快，已获得商业规模应
用。它的重量只有钢的1／3，强度比中碳钢好，模量高于钛合金。1983年，
日本丰田汽车公司首先研制成功碳化硅纤维增强铝柴油机活塞。美国在战斗
机的垂尾、机身、大梁蒙皮上选用了碳化硅纤维增强铝。碳化硼纤维增强铁
基高温合金的性能超过目前使用的强度最高的铸造高温合金，其强度比目前
最好的单晶合金高30％，可减重40％。碳化硅纤维增强钛已广泛用于板材和
管材，但其横向强度低，会引起芯材开裂。现在采用不对称排列增强纤维和
真空扩散连接工艺，解决了开裂问题。这种全碳化硅纤维增强钛壁板将用于
飞机重尾、导弹壳体和空间飞行器部件。目前金属基复合材料多用于航空航
天技术，小批量用于汽车工业和机械工业。随着制造工艺的不断完善、纤维
类增强材料成本的下降，它们将在民用方面大显身手。预计到2000年，铝基
金属复合材料的销售量仍居首位，而铜基、镁基的金属复合材料增长率将超
过20％。
陶瓷基复合材料可以克服单一陶瓷材料脆性大的弱点。它使用的增强体
有多种陶瓷纤维、晶须、颗粒等。目前，陶瓷基复合材料已实用化或即将实
用化的领域有刀具、滑动构件、航空航天部件、发动机制件、能源构件等。
法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造超高速列车的制动件，显示
出优异的摩擦磨损性能。碳一碳复合材料是广义的陶瓷基复合材料。它具有
比强度高、耐高温、抗烧蚀、抗磨损和抗热震性能好等优点，在航空航天领
域已被广泛应用，如导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件。碳…碳刹
车片用于飞机起落架的刹车构件。首先采用碳…碳刹车装置的民航机是欧洲的
A310“空中客车”，减重400公斤以上。波音757和767也使用了这种材料。
在为下一世纪设计的航空航天飞机上，碳…碳复合材料占有重要位置。这种可
作高超音速旅客机的第二代航天飞机，最高温度可达 2760℃。在此条件下，
唯一能够胜任的就是碳…碳复合材料。
先进复合材料问世只有20多年，现已成为当代高技术的重要组成部分。
预计今后其发展将更迅猛。据美国预测，估计到2000年，聚合物基复合材料
