中华学生百科全书——新材料工程(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：读书堂

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中华学生百科全书——新材料工程试读：

材料工程的历史意义

材料是从原料中取得的生产产品的原始物料，包括人类在动物、植物或矿物原料上转化出来的所有物质。材料不仅是劳动的对象，同时又是人类在生产过程中创造人类物质文明和精神文明的支柱。材料的发展史过去是、现在是、将来也永远是与人类的进化史紧密相连的。目前人类正处在跨出地球之路的起点，不难想象：制造火箭、宇宙站、控测仪器等对材料的要求将会达到何等高的程度……

材料能为人类制造形形色色的有用器件。历史学家曾用材料来划分人类进化史的时代，石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代……因而得名。人类的祖先告诉我们：他们用石头、骨骼、木材、兽皮等原料来制造工具和武器、建造住所、缝制衣服、加工用品的时代叫做石器时代。后来，他们发现容易塑造的粘土加热变硬，可制造陶器而进入了陶器时代。可见，人类凭借自己的智慧发展到能将天然材料改造加工为人工材料，恰恰是人类从一个时代进入另一个时代的里程碑。

人类的进化史与材料科学的发展息息相关，以材料科学为基础的科学技术都已成为人类进化史上各个阶段的重要标志。从“钻木取火”到“炼金术”，从“蒸汽机”到“电子技术”，从“计算机”到“宇航登月”，这些在人类进化史上各个阶段的标志，已经载入了史册。现阶段的人类历史发展证明，材料是实现工业、农业、国防和科学技术现代化的重要物质基础。材料科学与信息科学、能源科学并列为现代人类文明的三大基础和支柱。而信息、能源却又依赖着材料而发展。信息、能源的创新又使材料的生产和利用达到更高的水平。各种新型材料伴随着高科技的涌现，导致某些产业部门的变革，对世界经济和社会结构产生重大影响，从而使人类社会从低级向高级阶段推进！

然而，材料科学的发展经历了非常艰难的年代。一代代的科学家们前赴后继，谱写了改造大自然的伟大篇章。举例来说，从人类学会“钻木取火”的那一天起，就梦想用一开就亮的方法照明。这个美梦却困扰了人类几百万年。直到1821年，英国科学家戴维（H.Davy1778～1829）和他的助手法拉第，根据弧光放电原理制成了电弧灯。又经过美国的斯达尔、俄国的罗德金、英国的斯万等为电灯实用化提出各种实验方案，最后，在1881年由爱迪生在进行了7895次实验，试用了1600多种矿物和

金属材料

金属材料是人类较早就开发利用，而且目前仍居世界主流的一类材料。金属材料一般分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。半导体材料和超导材料也归入金属材料范畴。

钢铁

钢铁可以说是目前应用最广泛的材料。目前全球每年钢产量超过4亿吨。修房造屋，铺路架桥，要用钢铁；制造机器、设备要用钢铁；制造飞机、轮船、大炮要用钢铁。在战争期间，钢铁的消耗量更为惊人。1973年埃及和以色列之间爆发战争，双方18天内损失坦克达2000多辆，消耗钢铁约10万吨。

钢铁是从哪儿来的呢？

自然界存在有陨铁，是小行星进入大气层燃烧冶炼后得到的。我们用的钢铁都是用铁矿石冶炼而来，其方法是：把铁矿石和还原剂（一般用焦炭）加入高炉，从炉腰鼓入大量空气（或者是富氧空气），点火使焦炭燃烧，产生高温的二氧化碳（CO）气体，再与焦2炭发生反应，得到还原剂一氧化碳（CO）。在高温下，一氧化碳与铁矿石发生反应，还原出铁来成为铁水，而其他杂质与造渣剂反应生成比铁水轻的渣浮在上面，除去渣就得到铁水。这就是高炉炼铁。生成的铁水经过炉外精炼，就可得到铸造生铁。其余铁水装入炼钢用的平炉、转炉或电炉中，在高温下通入氧气，使铁中的碳与氧气发生反应，生成气体跑出来，再加入其他物质以控制其中氮、硫、磷等元素的含量，就得到钢水。这就是炼钢。

铁按其中碳的含量来分类：

纯铁：纯度在99.9%以上，是和锡类似的白色固体。它性能差，几乎没有什么用途。

熟铁：含碳量低于0.4%，韧性较好。

生铁：含碳量高于1.7%，质地硬而脆，强度较高。

钢：含碳量介于0.4%～1.7%之间。它性能良好，种类繁多，应用广。

生铁分为普通生铁和铸造生铁两类。普通生铁又叫炼钢生铁，仅用作炼钢的原料。铸造生铁用于铸造各种零部件，以前多用灰口铁，其中的碳呈片状分布在铁原子中。灰口铁熔点低，熔液的流动性好，适用于生产机床底盘、农具、铁锅等强度高而不要求韧性好的用具。近年来人们又开发了一种新的球墨铸铁，其中的碳呈球形分布在铁中。球墨铸铁机械强度高，加工性能好，韧性有所提高，可以部分代替钢。

生铁中由于碳的含量高，使铁的脆性增加，韧性降低，而钢则由于含碳量适宜，强度高又韧性好，因而应用广泛。钢主要分为两大类：碳素钢和合金钢。

碳素钢又叫普通钢，其主要成分是铁和碳，其余元素含量虽然很少，但也能影响其性质。例如，硅能增加钢的强度和硬度，但降低其韧性。锰能增加钢的强度、硬度和韧性，提高耐磨性。磷和硫都是有害杂质，它们使钢在高温下或低温下脆性增加，易破坏断裂。

碳素钢主要用作结构钢和工具钢。目前美国有90%的建筑采用钢结构而不用钢筋混凝土，高耸入云的摩天大楼几乎都是钢结构，日本也有81.4%的建筑采用钢结构。

在普通钢中掺入镍、钨、钼、钒、铜、钛、铝、钴、硅等元素，就可以获得性质不同的合金钢。合金元素的加入使钢的性质发生了质的飞跃，获得了许多优异性能。

第一个被认真研究的合金钢是锰钢，1882年由英国的哈德苏尔德首先研制成功。锰钢具有优良的耐磨性和抗震性，适用于制造碎石机和钢轨。后来研制成功的高锰钢，含锰量达80%，性极坚韧，是制造舰艇和坦克装甲的好材料。

1912年，英国人布里尔利把一定比例的镍、铬加入钢中，研制成功了不锈钢。它具有极高的耐腐蚀性，在高温下也不会氧化。制造汽轮机叶片、耐酸器件、飞机零件等都要用到它。我们日常生活中所用的不锈钢刀、叉、盘等也是用这种合金钢生产的。

以铁、钴、镍为主要成分的耐热钢，可以在800℃以上的高温环境中正常工作。美国宇航局研制的钴基合金，工作环境温度可达1150℃。而在钢中加入锯，其工作温度可达1300～1600℃。在美国“阿波罗”飞船上所用的一种涂有钼的化合物，能在2760℃的高温下工作。人们为什么对耐热钢如此感兴趣呢？这是因为：有了高性能的耐热钢，可以提高火力发电站的蒸汽温度，从而提高发电厂的热效率（目前发电厂的最高热效率仅为40%）。而火箭喷气发动机喷口的工作温度约1380℃，没有耐高温的喷口，就难以提高火箭的速度。人们在这方面的研究正逐步深入。

在古典小说中常写到削铁如泥的宝刀，而真正称得上削铁如泥的是硬质合金钢，它是采用粉末冶金工艺制成的：把难熔的钨、钽、钛、钼等元素的碳化物的硬质颗粒，与铁合金的粉末混合后压制成型，经高温烧结而成。硬质合金钢的抗压强度极高，含钴10%的碳化钨基合金，其强度可达350～370kg/mm2（kg为千克，mm为毫米），是世界上强度最高的合金。有的硬质合金钢做成的刀具，在1400～1500℃下仍然可以高速切削金属。

铝和铝合金

铝在地壳中含量为7.45%，比铁（5%）还多，是一种资源十分丰富的金属。但由于它化学性质活泼，与氧结合紧密，因此自然界中不存在天然铝。铝的冶炼十分困难，人们直到1854年才用比氧更活泼的钠把铝从其氧化物中还原出来，铝因而身价倍增。那时在皇宫中最为珍贵的不是金银钻石而是铝制的工艺品和餐具。法国统帅拿破仑三世为了炫耀自己的财富，曾花重金为自己制了一顶铝盔。后来人们发明了电解冶炼铝的方法，铝才得到了广泛应用。

铝比重小，重量轻，可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多，而且强度高，不怕腐蚀，因而用途广泛。一架现代化的超音速飞机，铝和铝合金占总重量的70%；导弹上用铝达10%～50%；美国“阿波罗”飞船上，铝占金属总重的75%；我国第一颗人造卫星“东方红”的外壳也是铝合金。

铝的强度不算低，当加入少量铜、锰、硅、镁等元素形成合金后，其强度又显著提高，经过一定的处理，甚至会超过一些钢的强度，但重量却比钢轻很多。有人估算，如果每辆汽车用300公斤铝代替钢，光美国一年就可节省29亿加仑的汽油。

铝的导电性能也很好，虽比铜低却高于铁，但它比铜轻2/3，并且铝导线散热快，能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。因此近年来铝导线数量显著增加。在现代集成电路生产中，人们也用真空刻蚀铝膜来联接各元件。

铝的导热性能好，几乎是铁的4倍，因此在工业上多被用于生产热交换器和散热器，铝制餐具也大量面市。你天天都在用铝，对吗？

铝容易加工成型，可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表面生成一层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定，有较强的抗腐蚀能力，因而适用于制造防腐设备。

铝反光能力强，可制作反射镜。

铝是非磁性金属，可作为防磁的罗盘盒。

铝没有毒性，是良好的食品包装材料。

铝和铝合金用途很广泛，是一种神通广大的材料，随着科学的发展，铝的家族还会不断增加新成员。不信，咱们走着瞧！

钛

钛在地壳中含量约为0.6%，仅次于铝、铁、镁，居金属含量的第四位。1791年英国化学家格雷戈尔就发现了钛元素，但直到1910年，英国人亨特才第一次在爆炸器中用钠还原四氧化钛，制得不到1克的纯金属钛。因为钛的高温化学性质活泼，所以必须在与空气和水相隔绝的环境中进行冶炼，在真空或惰性气体中提纯。因为冶炼技术困难，所以直到1947年，全世界才生产出2吨钛。

钛比重小，仅为钢的一半，但强度比钢高。它抗腐蚀性强，甚至能抗王水的腐蚀。它熔点高，比黄金还高600℃左右。如此优异的综合性能在金属中少见，因此钛受到重视。

钛是属于太空时代的金属。它的高强度、小比重的性能，特别适用于生产超音速飞机和航天器。美国70%的钛用于航空航天，美国YF——12A型战斗机，用钛量达93%。

钛的耐高温性能好，是制造涡轮喷气发动机的理想材料，它几乎可以取代不锈钢和铝合金。利用钛合金代替不锈钢，可使发动机的重量减轻40%～50%。

由于钛的抗腐蚀性能好，可用它制造深海潜艇，去探索海底的秘密。钛也可用于生产化工行业的反应器等设备。

钛目前存在的问题是冶炼困难，产量低。如果在冶炼技术上取得突破，钛就有可能代替钢铁。因而它被称为“21世纪的金属”。

形状记忆合金

1961年，美国海军研究所的一个研究小组领取了一批弯弯曲曲的镍钛合金丝，人们把它们一根根拉直以便使用。但当它们偶然接近火时，又恢复了原来的弯曲状态。人们经过研究，搞清了这是材料的一种新效应——形状记忆效应。后来人们又发现了金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金、铜锡合金等都具有记忆效应。

为什么会出现形状记忆效应呢？原来每种形状记忆合金都具有一定的转变温度。在转变温度以上，金属晶体结构是稳定的；在转变温度以下，晶体处于不稳定结构状态，一旦加热升温到转变温度以上，金属晶体就会回到稳定结构状态时的形状。

形状记忆合金可以100%恢复形状，并且反复变形500万次，也不会产生疲劳断裂，因而具有许多奇妙的用途。

为了在月球上收集资料，人们需要有一架像大伞似的天线。而宇宙飞船的空间有限，怎样才能把它带上天呢？可以用形状记忆合金做成天线，然后在其转变温度以下叠成一个小球团，带到月球上后，经太阳光加热升温，它就会像荷花一样徐徐展开成天线。多棒呀！

用形状记忆合金的制成玩具，即使不小心弄变形了，只要用火一烤，它就会恢复原状。如果用形状记忆合金制造人造关节、人造骨骼等，即使发生了变形，只要用火一烤就能恢复原状，而不用去找医生了。

还有一种设想是用形状记忆合金制造新型发动机：先让合金记住线圈的形状，在常温下把它制成电线，把这条电线接在大小不同的两个圆盘上，在圆盘的一侧加热水，另一侧加冷水。浸在热水中的合金要恢复线圈状，就要收缩，于是带动圆盘旋转，把热能直接变成机械能，并且水越热，旋转的次数就越多。用这种方法可以利用工厂、发电厂的废热水来做功，因而前景广阔。

形状记忆合金开发利用面临的难题是：价格高，加工难。如果未来的研究解决了这些问题，许多奇妙的产品就会出现在我们面前。

非晶态合金

把粘浆状的熔融金属高速冷却，就可得到性能与一般金属大相径庭的非晶态合金。普通金属是原子排列很规则的晶体结构，而非晶态合金由于快速冷凝，原子排列很不规则，不能形成晶体结构，因此它具有奇妙的特性。它有良好的耐腐蚀性和电磁特性，并且是很好的超导材料和贮氢材料，因而被称为“梦幻般的金属”。

由于非晶态合金具有优秀的电磁特性而又十分坚硬的特点，特别适于生产现代化磁头，以便利用高性能的合金磁带。它比一般结晶磁头的耐磨性高20%，日本TDK公司已开始生产这种磁头。

另一个利用方法是用非晶态合金制造变压器的铁芯。普通硅钢铁芯因发热造成的铁损约每公斤铁芯1.1瓦，而非晶态合金仅为0.4瓦。但非晶态合金怕高温，一发热就会变成晶态，影响变压器的性能，各国对此正在研究解决办法。

氢是最佳的二次能源，广泛使用氢能的一个难题是氢的贮存，而非晶态合金恰是一种良好的贮氢材料，它吸收和释放氢的速度很快，因而受到重视，但贮氢量较小，有待进一步改善其性能。

一般材料做成的超导合金，在低温下质地较脆，难以加工，而非晶态合金却具有适当的韧性和弹性，是一种优异的超导材料。

超导材料

我们日常生活中使用的一切物质都具有电阻，这是一般的常识。但是，当物体的温度逐渐降低到绝对零度（零下273.15℃）附近时，其电阻会变成零。这就是超导现象。

超导现象是1911年荷兰科学家温奈斯发现的，他用液氦在零下269.03℃下（即绝对温度4.12K，摄氏0度相当于绝对温度273.15K）冷却水银时，发现水银电阻完全消失。此时如果在水银中有感应电流，就会一直保持下去。他还制成了超导磁铁，想产生强磁场。但当电流增加到一定程度时，就破坏了超导状态。此时的磁场叫临界磁场。此外，超导还有临界温度，临界电流密度共三个临界约束值。在不超过这三个临界值的状态下，超导现象才会发生。

由于超导体具有的奇妙特征，人们立即对它产生了浓厚兴趣，发现高临界转变温度的超导材料的竞赛在各国之间展开。1954年制成的铌锡合金转变温度为零下252.7℃，1975年制成的铌锗合金转变温度为零下249.75℃，到了80年代末更是掀起一股超导热潮，超导转变温度的纪录不断被打破。1990年9月中国超导研究中心制成的锑铋系材料的临界温度为零下151.15℃，为目前国际最高纪录。在提高转变温度的同时，人们也在研究提高另外两个临界值。美国阿尔贡国家实验室已使超导体的电流密度提高到105A/cm2（A为安培，cm为厘米），并且在30TC（特斯拉）的强磁场中仍具有超导性质（1特斯拉等于1万高斯）。

超导材料具有引人注目的用途。

因为超导体没有电阻，在电流流过时就不会因为发热而损失电能，因此采用超导电线可以实现远距离无损耗输电，这样电站就可以远离居住区，使我们的生活区更加洁净。

超导体中每平方厘米可以流过几十万安培的强大电流，因而可产生很强的磁场而且消耗的电能很少。日本用超导体产生17.5万高斯的强磁场，加上冷却用电也仅为15KW。这种强磁场是实现受控热核反应的关键之一。

用超导体制成的超导发电机的功率可比目前发电机高100倍以上；超导磁悬浮列车的时速每小时已达550公里；高速超导电子计算机的计算速度每秒可达几百亿次以上。

超导体有可能为我们这个世界带来新的技术革命，所以目前世界各国都把超导研究列为重点攻关项目，以期早日迈入超导时代。迄今为止，已有8位科学家因为研究超导体而获得了诺贝尔奖。

半导体材料

我们日常用的铜、铁、铝等，都很容易导电，因而叫做导体；而橡胶、塑料等几乎不导电，因而叫做绝缘体。如果某物质不是导体，那它就一定是绝缘体吗？答案是否定的。在导体和绝缘体之间还存在大量半导体，其导电能力居中，并且随温度升高而增大，随温度下降而减小。

半导体分三种：本征半导体、p型半导体和n型半导体。

不含杂质的纯净半导体叫本征半导体，它的导电能力很差。为了提高纯质半导体的导电能力，常常在本征半导体中掺入少量杂质。如在硅中掺入硼，硅原子周围就形成可移动的空穴，这就是P型半导体；如果在硅中掺入磷，材料中就会出现多余电子，这就是n型半导体。它们各有自己的特性，常常联合使用。人们为了获得所需要的半导体，就必须制得纯净的本征半导体。目前，人们所获得硅的纯度已达14个9，即99.999999999999%。这是人类材料史上的一个奇迹。

半导体材料有许多奇妙用途，在各个领域发挥重要的作用，无论是收音机、电视机，还是大型计算机、工业电气化系统，都离不开半导体材料。

半导体材料是制造电子元件的主要材料，而我们用的收音机、电视机、电子游戏机以及工业用的电子计算机、机器人等，都是由无数的电子元件构成的。半导体材料制成的电子元件不仅功能强、效果好，而且重量轻、寿命长、耗电省。1946年，美国研制出世界上第一台电子计算机，使用了18000个真空电子管，1500个继电器，重量达30吨，占地面积170平方米，真是一个庞然大物。而现在运算速度比它快得多的微型计算机，还没有一张书桌大。

电子元件的发展已经历了四个时代，1947年美国的布拉坦和同事制成了晶体管，这是第一代。晶体管因性能优于电子管而被广泛使用。1962年，在一小块硅片上制成了几个元件组成一个小型电路，这就是小型集成电路。集成电路体积小而功能大，因而迅速发展起来。1965年发展到中规模集成电路，指甲大的一块硅片上可制作上百个元件。1968年出现了大规模集成电路，在5～7平方毫米的硅片上制成了上万个元件。1979年日本在6平方毫米的硅片上制成了15万个元件，这就是超大规模集成电路。目前人们正在研制三维集成电路。前几代集成电路都是平面式的，像一排排的平房。而三维集成电路则像高楼大厦，在一层元件上再重叠一层元件，这样，每个元件与周围元件的联络构成一个空间网络，便于信息的传递和处理。用这种三维集成电路也许可以模拟人脑的思维，如果是这样，那么我们就可以制造出会思考、会自行解决问题的机器人了。

半导体材料具有良好的光电转换效应，是制造光电电池的好材料。有了廉价高效的光电电池，我们才能充分利用清洁的太阳能。有些半导体材料的温差电动势很大，能直接把热能转换为电能。这种温差发电机适用于缺电的边远地区。在宇宙飞行器、导航设备上也用到它。

半导体材料还用于制造激光器。激光方向性好，能量集中，在现代各个行业都得到广泛应用。大功率的激光武器为各国所重视。用半导体制成的发光二极管，在光纤通讯方面有重要用途。光纤通讯比微波通讯效果更好，一条光缆可载上亿门电话。人们预计，光计算机将比电子计算机运算速度快几十倍。

半导体材料经过几十年的发展，已历经三代，最早人们用锗，但锗元件的寿命和效果都不大理想，人们转而重视开发硅，目前硅已成为应用最广泛的半导体材料。为了在高温、高频领域取得进展，人们又看重砷化镓。它是砷在高温下和镓结合生成的化合物，是高频、高温电子元件的理想材料，它必将在巨型计算机、高效机器人、激光、光纤通讯等方面发挥重要作用。

无机非金属材料

无机非金属材料以前主要指含有二氧化硅酸性氧化物的硅酸盐材料。陶瓷、玻璃、砖瓦、耐火材料、水泥等都是人们所熟悉的硅酸盐材料。经过几十年的发展，无机非金属材料早已超出硅酸盐的范围而日趋多样化。

无机非金属材料有广泛的用途：

化学工业需要不怕腐蚀、耐高温的陶瓷、玻璃设备；电力工业需要绝缘材料，而不导电的陶瓷是理想的绝缘材料；照明器具需要大量的玻璃；建筑行业需要大量的砖瓦水泥；而冶金工业则离不开耐火材料。虽然金属材料和有机材料发展迅速，但却取代不了无机材料，因为在耐高温性能上，无机材料几乎是不可替代的。

硅酸盐材料本身存在不少缺点。如陶瓷、玻璃都易碎，高温下会软化等，使它的应用受到限制。近十几年来，人们对硅酸盐材料进行了深入细致的研究，采用新技术新方法制成的硅酸盐材料与往日已不可同日而语。它们性能不同，异彩纷呈，为无机非金属材料带来了革命性的变化。下面我们就分别介绍这些材料。

陶瓷

在远古时代，我们的祖先就开始用粘土作成器皿盛装食物，后来人们发现这些器皿经火烧后，更加坚固耐用，这就是最初的陶瓷。在我国的半坡村氏族遗址中已有了精美的彩陶盆。我们的祖先对制陶技术不断加以完善，生产出图案精美、色泽鲜艳的陶器，出口世界，深受各国人民喜爱。我们中国的英文名字China，就是瓷器的意思。

陶瓷的主要原料是粘土、长石、石英石等。先把它们磨成粉，再按一定配方混匀，加工成型，然后送入窑内高温烧结即可得到陶瓷。如果在毛坯上涂上各种釉质，刻上花纹，就可烧得精美的花瓶、盆、碗等日用品。

陶瓷硬度高、耐高温、抗腐蚀，因而在工业上有广泛用途。1924年德国科学家以纯氧化铝为原料烧结出坚硬非凡的氧化铝陶瓷。这种陶瓷作成的刀具，甚至能切削硬度较高的合金钢。第二次世界大战以来，人们普遍用氧化铝陶瓷做火花塞。发动机的火花塞每秒引爆20～30次，瞬时温度高达2500℃，最大工作压力达100个大气压。在如此恶劣的条件下，氧化铝陶瓷仍能正常地长期工作。1957年，美国通用电气公司的工程师选用纯度达99.99%的氧化铝细粉作原料，烧制出半透明的陶瓷。用它制成的高压钠灯，亮度高、寿命长、清晰度高，能透过浓雾。

导弹飞行的速度是声速的5～6倍，由于空气摩擦会使导弹头部温度高达1000℃。为了准确命中目标，导弹头部装有自动跟踪系统，能根据目标所发出的红外射线而自动调整飞行方向。什么材料既能耐1000℃以上的高温，又能透射红外射线呢？这就是著名的红外陶瓷。用纯净的原料通过真空热压或高温烧结，使陶瓷小晶粒迅速扩散而融合成晶莹透明的整体，就可得到能透射红外射线的透明陶瓷。

氮化硅新型陶瓷是近十几年来发展起来的一种精密陶瓷。其制作方法是：把硅粉在1200℃高温的环境中氮化，使氮钻入硅粉坯体中，然后加工成型，再在1400℃高温下第二次氮化，即得氮化硅陶瓷。这种陶瓷具有足够高的强度和硬度，又有惊人的耐高温、耐腐蚀性能和抗急冷急热性能，是一种用途广泛的工程陶瓷。

碳化硅陶瓷是另一种新型精密陶瓷。它质地坚硬，可作金刚石的代用品。人们采用热压烧结法得到的碳化硅陶瓷，在1400℃的高温下，其抗弯强度每平方厘米仍达5000～6000公斤以上，是制造高温燃气涡轮发动机的理想材料。

1880年，法国科学家发现了某些晶体的压电效应，即沿晶体的某一方向施加压力，晶体表面会出现电荷，电荷大小与压力成正比。1944年，人们首次制得钛酸钡压电陶瓷，但性能不太理想。1955年，人们制得了性能较高的锆钛酸铅压电陶瓷。用这种压电陶瓷可生产大功率的超声和水声的换能器，也可作为高灵敏度的压电测量装置，在高频通讯技术、导弹技术、地震预报和医疗上都有广泛用途。这种陶瓷也是一种透明陶瓷，加上电场后具有双折射效应，去掉电场后又变成各向同性。用它可制成立体电视眼镜，戴上这种眼镜，你就可以看到立体电视或电影，医生用这种眼镜可以通过电视看到病人体内的立体图像，便于诊断治疗。

目前陶瓷研究的方向是研制高温陶瓷，以便它能在1500℃以上的条件下工作，这在空间技术和军事技术上都有广泛用途。陶瓷研究的另一个方向是提高陶瓷的韧性，主要是陶瓷基复合材料。在现代科技的催化下，古老的陶瓷技术又开新花。

玻璃

一队远行的商人在野外露宿，他们用几块石头垒成灶，生火做饭。在烈焰的烧烤下石头熔化了，锅里的水倒下来浇灭了火，人们只好重新生火做饭。第二天早晨，有人在浇灭的火堆里发现了透明的小球，这就是第一颗玻璃球。原来那些石头的主要成分是硅酸钠和硅酸钙，在高温下熔化后又被迅速冷却，原子还来不及结晶处于液体状态就凝固，形成了一种新的材料——玻璃。

人类认识玻璃、制造玻璃已有5000多年的历史，但要生产精美的玻璃制品很困难，因此几千年来，它一直是一种奢侈品，供少数人作为炫耀的资本。

玻璃真正成为大众化的材料是从本世纪初开始的。1908年，美国人发明了平拉法，1910年，比利时人发明了有槽垂直上拉法，才使平板玻璃的生产摆脱了手工的吹制法而迅速发展。1959年，英国的皮尔金格兄弟公司花了7年时间，耗资400万英镑，终于研制出浮法玻璃生产工艺，大大提高了生产率并且降低了生产成本。1971年，日本人研制出对辊法，又使玻璃生产大大前进了一步。

早期生产的玻璃主要是钠钙玻璃，常用作窗玻璃。这种玻璃受热不均时易破裂，不能作化学仪器。1915年美国研制出硼玻璃，把它加热到200℃后立即投入20℃的冷水中也不会破裂。因此它很快成为一种重要的化学用玻璃。用碳酸钾代替纯碱作原料生产出来的钾玻璃，熔点高，也是一种优秀的化学玻璃。

玻璃易碎，但如果在玻璃型材制成后进行特殊的淬火处理：即把玻璃加热到600～650℃以上，用油或其他介质使玻璃骤冷，就可使玻璃的抗弯强度提高7～8倍，这种玻璃打碎后成为小钝角形的碎粒，没有刺伤人的危验，这就是钢化玻璃，很适合作汽车等的车窗。

在一般玻璃中加入少量的澄清剂，如硝酸钠、氧化砷等，就可使玻璃更加晶莹透明，这种玻璃又叫玻晶。用它作成的器皿精美华丽，深受人们喜爱。

如果在玻璃配料中加入少量金、银、铜等金属盐类作晶核，诱使玻璃形成很小的晶胞，就可获得晶体颗粒在0.05～1微米（1微米=1×10-6米）的微晶玻璃。它晶格致密，强度高，抗弯强度是普通玻璃的7～12倍。微晶玻璃耐高温性能好，在1300℃时才会软化；耐热冲击，在900℃时投入冷水中也不会破裂；耐磨、耐腐蚀并且能透过微波用作导弹的雷达罩，也可用于生产特殊轴承。

在微晶玻璃中加入感光金属盐类，就制成光敏微晶玻璃。它具有跟照相底片一样的功能，一经加热就会显示出图像来。这种玻璃在光刻、光蚀技术以及集成电路生产中非常有用。

玻璃晶莹透明，是生产光学仪器的重要材料。13世纪时，威尼斯人用玻璃制成了眼镜，16世纪时，人们又发明了望远镜和显微镜，光学玻璃的高性能是这些仪器发挥作用的关键。1886年，德国科学家阿贝和肖特系统地研究了氧化钡、硼酸盐等对玻璃性能的影响，研制出高性能的光学玻璃，在生产和生活中得到了广泛应用。随着光学和化学的发展，人们又研制出性能更高，用途更广的光学玻璃。如在原子能工业中，在作为观察窗和观察镜的玻璃中就加入硼和镉的氧化物以吸收中子流，加入氧化钡、氧化铝以吸收γ射线。

有色玻璃是一种常见的光学玻璃。古代人凭经验开始少量研制，到了20世纪，光学的发展揭开了有色玻璃滤色的机理，人们据此制成了各种光色玻璃，具有选择某些特定光线的能力。例如：为了保护珍贵书籍，应当避免紫外线的长期照射，人们采用含有氧化铬、氧化钒的玻璃作图书馆的窗玻璃，就可阻止紫外线进入书库。近年来人们根据光色互变原理制成了变色玻璃，它是在玻璃中加入卤化银并经适当热处理，使卤化银部分沉淀为微晶，当强光照射时，卤化银分解为卤素和银，使玻璃变暗，减少光线透过；当无光照时，卤素与银又结合为卤化银，形成无色晶体。这种变色玻璃作成变色眼镜和汽车前窗玻璃，对保护视力很有好处。最近人们又研制成功了单透玻璃，它只允许光线单向通过，从玻璃一侧看过去，一切清晰；而从另一侧看过来，则什么也看不见，这种玻璃作汽车车窗和办公楼窗户都很棒。

玻璃纤维是20世纪30年代问世的新产品。用先进的技术把熔化的玻璃拉成细丝，就成为玻璃纤维。随着技术水平的提高，玻璃丝越拉越细，已超过羊毛和棉纱，从此玻璃制品告别了脆性而成为抗拉强度很高的纤维。用玻璃纤维制成的绳子、缆等比钢绳轻，在建筑、航海上有广泛用途；用玻璃纤维制成的布，既耐高温又不怕腐蚀，并且具有绝缘隔热性能，因而在电机、化工、冶金、交通、国防等部门都受到青睐。

光导纤维也是一种玻璃纤维，它用一种折射率较高的玻璃作芯子，用另一种折射率较低的玻璃作包皮，套制而成。由于玻璃的光学特性，光可以通过光导纤维向远方传递，就像电线传递电信号一样。光导纤维愈细愈纯，在传输中光能的损耗就愈少。光导纤维传递信号的能力很大，一根比头发丝还细的光导纤维能传递上千路电话；光缆根本不受电杂音干扰，可以和电线捆在一起而不失真，并且重量轻，占地少，特别适合作高效的通讯交流使用。光纤通讯技术将是通讯史上的一次重大变革，目前各国都在努力研究。

水泥

水泥是一种水硬性材料，普通建筑材料遇水会松垮，而水泥着水后却逐渐结硬而生成坚硬的人造石，在水泥中掺入沙子后用水调成砂浆，对砖瓦、石头等有良好的粘着力，用来砌墙，是一种很好的粘合剂。水泥和沙子、碎石掺在一起加水搅拌就成为混凝土，它具有很好的抗压性能，但抗拉强度差。用水泥包着钢筋后生成的钢筋混凝土，则具有优异的性能，它开辟了建筑史上的一个新纪元。多少巍峨矗立的高楼，多少凌空飞架的桥梁，都是钢筋混凝土结构。

普通水泥的主要成分是硅酸盐，是用粘土和石灰石在回转窑内烧制成的，是普通建筑的常用材料。按国家标准，普通水泥分六个标号，即200，250，300，400，500，600。水泥标号越高，强度越高，可根据需要选用。

普通水泥的耐磨和耐高温性能尚不能令人满意，于是人们又开发了各种高性能水泥。在普通水泥中掺入20%～50%的火山灰，得到的火山灰水泥非常耐冲刷，是建筑水库、水电站的好材料；在普通水泥中掺入20%～85%的高炉矿渣，制得的矿渣水泥可耐高温；在普通水泥中加入石膏和膨胀剂，可制得膨胀水泥，在隧道、涵洞修补上极为有用。

目前每年全世界水泥的产量已超过8亿吨，可见水泥之重要。人们正在开发各种特殊水泥，如耐油防水的抗渗水泥，抗酸碱腐蚀的耐酸碱水泥，能阻止放射线渗透的放射物的包封用水泥等等。

耐火材料

耐火材料是指能耐1580℃以上高温的材料，钢铁工业、有色金属工业的冶炼炉，发电厂和铁路机车的锅炉，炼焦工业的炼焦炉，制造水泥、玻璃、陶瓷、砖瓦的窑炉，都少不了耐火材料。

耐火材料种类繁多：

耐火砖是最常用的一种，它的化学成分主要是氧化铝和氧化硅，它可耐170O℃的高温，广泛用作锅炉的内衬砖。

高铝砖可耐1800～2000℃的高温，抗化学侵蚀和抗磨蚀能力都大大超过粘土砖，可作高炉和加热炉的炉底材料。

镁砖含85%以上的氧化镁，耐碱性腐蚀能力强，但抗急冷急热性差。

铬砖耐高温，抗碱性化学侵蚀能力强。

硅砖主要用在炼钢炉、炼焦炉和玻璃窑上。

碳砖则大量用于高炉炼铁。

除了成型的耐火材料外，还有不定性耐火材料，作为补炉时的修补胶合剂。另一种是耐火纤维制品，它重量轻，耐高温抗腐蚀，因而在电炉、铝电解槽、熔炼炉上广泛应用。

随着高温工业的发展，过去的一些耐火材料逐渐被淘汰，人们预计，未来二三十年内，会出现有机物、金属和无机陶瓷的复合耐火材料。

发光材料

无机材料中有一类非常重要的材料叫发光材料，日光灯、夜光表、电视机中都有发光材料的身影。

发光材料可分三类：（1）仪器用发光材料

夜光表上的夜光粉就属于这类材料，它以硫化锌为基质，加入激活剂、助熔剂，在700～1000℃烧结成块，粉碎到一定细度后再加入1/10000的放射性物质（如镭盐或钍盐），再加上粘合剂就可以使用。它是靠放射性元素蜕变时发出α射线而激活发光材料，产生永久性荧光。（2）灯用发光材料

最常见的是日光灯中的发光粉，这是一类以碱土金属（钙、锶、钡、镁）的硫化物或氧化物按各种配方制得的暂时性发光材料，在高压电流的激活下发出荧光，目前几乎已研制出所有色彩的荧光粉，并且发光效率非常高，现在各国都在竞相研究高级发光材料。（3）阴极射线发光材料

这种材料主要是电视荧光屏上所用的黑白电视荧光粉和彩色电视荧光粉，它们也多以碱土金属的硫化物作基质，加入不同的激活剂而制成。

彩色电视机为什么能显示天然色调呢？原来任何色彩都可分解为不同比例的红、绿、蓝三种原色。在拍电视时，彩色摄像机把彩色图像分成红、绿、蓝三幅单色图像，由电视塔系统把三幅图像变成单一的电讯号发出去。当我们在家里看电视时，彩色电视接收机把这种电讯号变成代表三种色调的电子束，电子束投射到荧光屏上，激活荧光屏上相应颜色的发光材料，于是又组合为拍摄时的天然色彩，我们就见到了原来的彩色世界。彩色电视机的荧光屏上每1毫米的距离上要刻三条沟痕，每条沟痕上涂不同的发光材料，制作工艺复杂，所以彩

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