第 2 章第 3 节材料及其应用

制造不同的物品，对所用材料的性能有不同的要求。例如，桥梁要坚固，才能承载各种重物；衣服要柔软，才不会妨碍身体各部位的活动；窗户要透明，才能使室内有充足的阳光……材料对于人类社会的发展有着怎样的影响？本节我们将学习有关内容。

1．材料对人类社会的影响

从石器时代、青铜时代、铁器时代到信息时代，人类在不同时代对材料的开发与应用有所不同。每一种重要材料的开发和应用，都把人类文明推向一个新的阶段。

远古，人们选择石器作为工具，因为石头是当时人们所能找到的自然界中最硬的材料。然而，石器虽硬却容易断裂，不易加工。原始社会绵延了二三百万年，只能使用效率低下的以石器为主的生产工具，生产力发展极其缓慢。青铜是人类制造和应用最早的一种合金材料，青铜工具的出现与使用给农业和手工业生产以更强大的力量，为我国夏、商、西周时期的繁荣与发展注入了新的活力。然而，青铜器的制作成本较高，所以当时用它制作的工具，特别是农具的数量，远不如供贵族使用的礼乐用品多（图2-29）。到了战国晚期，铁制农具的出现为当时我国带来了相对发达的生产力，促进了中华文明的发展。

当历史进入 20 世纪下半叶，新材料已经成为各个高技术领域发展的突破口，并在很大程度上影响着新兴产业的发展进程。例如，半导体材料促进了计算机技术的发展；耐高温高强度的结构材料推动了航天技术的发展；低消耗的光导纤维引领了光纤通信技术的发展……材料已经与信息、能源一起，被当今国际社会公认为现代文明的三大支柱。

2．材料的种类

每一种材料都有自己的特性。按照材料的特性，可将材料分为结构材料和功能材料两类。结构材料主要利用材料的力学特性，功能材料主要利用材料的声、光、热、电、磁等特性。按照材料的应用领域，又可将材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。习惯上，人们把材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。

金属材料一般包括金属与合金。合金是由两种或两种以上的金属，或者金属与非金属结合而成的具有金属特性的材料。例如，钢是铁和碳的合金，再加上铬就成了不锈钢，不锈钢具有很强的耐腐蚀性，广泛用于制造餐具、外科手术器械及化工设备等。

无机非金属材料主要有陶瓷和玻璃等。传统的陶瓷材料主要用于制造碗、碟、卫生洁具等日常生活用品。如今，陶瓷新材料有惊人的耐腐蚀性能，能耐受强碱氢氧化钠、几乎所有的无机酸及有机酸的腐蚀，同时它又是一种高性能的电绝缘材料，在现代工业和航空航天领域得到了广泛的应用。

有机高分子材料是由含碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素的有机化合物构成的材料。塑料、合成纤维和合成橡胶这三大合成高分子材料，已经成为生产和生活中必不可少的重要材料。例如，人工合成的有机玻璃不但具有玻璃的各种优点，而且非常坚韧，即使受到猛烈撞击也不易破碎，可用于制造飞机的座舱盖及汽车的挡风玻璃，还可用于制造文具、乐器（图 2-30）和工艺品等。

复合材料是由以上几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能保留原组成材料的主要优点，又能通过复合效应获得原组合成分所不具备的性能，还可通过材料设计使各组合成分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。例如，玻璃钢、碳纤维和陶瓷复合材料等新型复合材料具有强度高、耐腐蚀、刚性好、质量轻等优良特性，在许多方面都得到了应用（图 2-31）。

3．材料的应用

随着材料科学与技术的飞速发展，各种具有独特性能的材料层出不穷，使人类生活和社会发展对材料的新需求不断得到满足。下面介绍三种典型材料的应用。

（1）半导体

半导体是具有优异特性的微电子材料。从导电性能上看，半导体的电阻率介于金属导体（电阻率＜ 10⁻³ Ω·m）和绝缘体（电阻率＞ 10¹² Ω·m）之间。微电子工业中使用的半导体材料主要是硅和砷化镓。硅的机械强度高，结晶性好，在自然界中储量丰富，成本低，是制造晶体管和集成电路的主要材料。在微电子工业中，集成块是利用集成工艺将晶体管、电阻、电容及它们之间的连线集成在一块半导体芯片上制成的（图 2-32）。集成电路是电子设备最重要的元件之一。

随着半导体器件的特性尺寸越来越接近原子极限，越来越多的新器件概念被提出，如自旋器件、铁磁存储器、量子晶体管等。

半导体是电子信息产业的基础，是许多工业整机设备的核心，作为芯片、存储器等应用在计算机、通信、军事、工业医疗等各个领域。半导体技术在各个领域的应用大大提高了生产效率，为人们带来各种便利，同时极大地推动着社会的文明和进步。

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发光二极管与 LED 灯

发光二极管，通常也简称为 LED，由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。发光二极管是半导体二极管的一种，可把电能转化成光能，发光效率高。与白炽灯泡和氖灯相比，由发光二极管组成的 LED 灯的工作电压低，工作电流小，抗震性能好，寿命长，使用方便，因此得到广泛应用（图 2-33）。随着LED 技术的发展、新型光学设计的突破、新灯种的开发等，LED 显示屏和 LED 照明将会更加广泛地应用于生产生活实际。

（2）纳米材料

纳米是长度单位，1 nm = 10⁻⁹ m。粒度在 1～100 nm 的材料称为纳米材料。人们发现，当材料小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的某些性能会突变。碳纳米管（图 2-34）是目前纳米材料研究领域的热点之一。碳纳米管是由碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米，五万根碳纳米管集中起来也只有人的一根头发丝粗。它的成分和石墨一样，但韧性很高，导电性极强，兼具金属和半导体的特性。

纳米材料在短短的十几年中发展十分迅速，填补了一个曾被忽略了的小尺度材料科学研究的空白，使人们对物质世界的认识又向前迈进了一大步；同时，它也为新型材料的发明开辟了一个崭新的天地，显示出强大的生命力。纳米材料的应用范围十分广泛，如在文物保护方面，利用溶胶与凝胶相结合的方法，把新研制的纳米材料制成一种透明的胶体，涂在文物表面，可形成一种“无机膜”，使文物完全与外界隔离，有利于文物的长期保护。

（3）石墨烯

石墨烯是人们发现的第一种由单层原子构成的材料，碳原子之间相互连接成六角网格（图 2-35）。石墨烯存在于自然界中，但难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起。2004 年，英国曼彻斯特大学的科学家盖姆（A. Geim）和诺沃肖洛夫（K. Novoselov）从石墨中剥离出仅由一层碳原子构成的薄片，即石墨烯。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，是已知强度最高的材料之一，并且能弯曲，有很好的韧性。石墨烯可制作传感器，其灵敏度可与单分子检测的极限相比拟；还可用来制作晶体管，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。作为柔性显示屏（图 2-36）的基础材料，石墨烯的发展前景备受瞩目。石墨烯的研究与应用在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。

素养提升

能从材料科学的发展中体会不同学科相互促进、共同发展的重要性；能主动了解材料科学的发展前沿；能体会材料科学的发展对人类生活和社会发展的影响，正确认识科技对社会进步的推动作用。

——科学态度与责任

节练习

1．谈谈纳米材料的研究和应用以及可能存在的问题。

【参考解答】略（谈体会）

2．查阅资料，谈谈发光二极管的工作原理。说明为什么 LED 灯的应用越来越广泛。

【参考解答】略（查阅资料）

3．查阅资料，了解历史悠久、驰名世界的古代“中国漆”的特点，并说明其有哪些应用。