新材料是一個相對的概念，是相對於那些已廣泛應用的傳統材料而言的。目前，世界上的材料有成千上萬種，根據它們的特性大致可分為金屬材料、合成高分子材料和無機非金屬材料三大類。其中，金屬材料包括金、銀、銅、鐵、錫及其合金等；合成高分子材料包括塑料、合成橡膠、纖維等；無機非金屬材料包括單晶硅、玻璃、陶瓷等。這些傳統材料對當時發生的科技革命和工業革命都產生了極其重要的影響，至今仍然煥發著新的生機。
鋼鐵
鋼鐵曾是一國工業化的代名詞，世界發達國家都曾經歷鋼鐵時代。以鋼鐵為代表的金屬材料是國民經濟的重要物質基礎。有了鋼鐵的大發展，才使得蒸汽機、紡織機械、火車、輪船批量生產，才使得工業革命的發生成為可能。19世紀中葉以前，金屬材料主要是鑄鐵、鍛鐵，鋼的產量還不到鐵的產量的1/40。1855年，英國人貝西默發明了從爐底吹送空氣的“轉爐”，只需十幾分鍾就可以生產大量的鋼，首次解決了大規模生產液態鋼的問題。1864年，法國人馬丁發展了西門子平爐鍊鋼法，可大量利用廢鋼、生鐵進行鍊鋼，能生產出更多品種、更好質量的鋼。1878年，英國人托馬斯發明了鹼性底吹空氣轉爐鍊鋼法，解決了高磷鐵鍊鋼問題。
20世紀上半葉，酸性轉爐、平爐、鹼性轉爐的發明與推廣使大規模生產的鋼材迅速取代了鐵，成為第一次工業革命的重要支柱。第二次世界大戰以後，高爐鍊鐵技術又有了重大進展。1952年，奧地利的林茨廠發明了鹼性頂吹氧氣轉爐，由於具有時間短、佔地少、節省人力物力等優點，該技術得到迅速推廣。在此後的二三十年內，該技術不僅全部淘汰了托馬斯轉爐，也使平爐日漸受到冷落，使鍊鋼技術跨入一個新的時代。1970年，人們開發出頂底複合吹煉轉爐，300噸級頂底複合吹煉轉爐只需20分鐘左右便可完成冶煉，其後該項技術在世界各國鋼鐵企業獲得了廣泛採用，轉爐徹底替代平爐成為主要鍊鋼方式。
隨著各種工業技術的發展，各種特殊性能的高質量的合金鋼也大量問世。目前，合金鋼已達數千種，幾乎囊括了所有的金屬元素，此外還包含了碳、氮、硼等少量非金屬元素。1882年，英國人哈德菲爾德研製出錳鋼，被認為是合金鋼發展史上的里程碑。此後，各種有特殊性能的合金鋼不斷出現，如鎳鋼、不鏽鋼、透磁鋼、氮化鋼、鎳鉻合金、銅鎳合金等。1995年，日本發生的阪神大地震使許多鋼結構建築毀於一旦，引發了人們對鋼鐵材料的再思考。1997年，日本提出為期10年的“超級鋼”研究計劃。1998年，中國啟動了新一代超細晶粒鋼研究。2002年，美國啟動了“超細晶粒鋼開發”計劃。這些研究均旨在通過形變細化、相變細化和第二相析出來大幅提高鋼的強度、抗疲勞性能和低溫韌性，並均已取得了可喜的成果。
超細晶粒鋼是當前汽車用鋼鐵材料的研究熱點，是21世紀先進高性能結構材料的代表。近年來，3D打印技術逐漸應用於實際產品的製造，使用金屬材料的3D打印技術的發展尤為迅速。目前，應用於3D打印的金屬粉末材料主要有欽合金、鑽鉻合金、不鏽鋼和鋁合金材料等，鋼鐵合金粉末材料現已成為打印製造質量的基礎和關鍵。因此，以鋼鐵材料為代表的金屬材料仍有著不可替代的戰略地位。此外，鋁、鎂、鈦及其合金，稀有金屬、稀土元素等金屬材料也佔據著重要地位，在我們的社會生活中發揮著重要作用。
高分子合成材料
高分子合成材料是20世紀材料領域的新秀，給人類生活方式帶來了革命性的影響。與絲、棉、毛紡織、皮革等天然高分子材料不同，高分子合成材料主要指橡膠、塑料、纖維、薄膜、塗料等。高分子合成材料及其應用技術發端於20世紀20年代，成熟於70年代，在不到50年的發展過程中在許多領域取代了鋼材、木材和棉花。據不完全統計，至70年代末，合成橡膠的產量已經達到天然橡膠產量的2倍，塑料在結構材料中佔到了22%，工程塑料已有取代鋼鐵之勢。
高分子合成材料的發展可以說是科研與生產密切結合的典範。高分子科學的建立和發展為高分子合成材料的發展奠定了理論基礎。1920年，德國化學家施陶丁格在《德國化學會會志》上發表了關於聚合反應的論文，首次提出聚苯乙烯、聚甲醛、天然橡膠上有線性長鏈的價鍵結構式。兩年後，他明確提出了高聚物是長鏈大分子結構的概念。1926年，在德國化學年會上，施陶丁格的高分子理論得到了與會者認同。1932年，施陶丁格出版了劃時代鉅著《高分子有機化合物》，標誌著高分子合成化學正式創立。在施陶丁格理論的影響下，高分子合成材料的研發得到迅速發展，1927年有機玻璃研製成功，1928年合成聚氯乙烯塑料，1930年研製出聚苯乙烯塑料。此後，塑料被廣泛應用到人類生活的方方面面，可以稱得上是20世紀人類最為重要的發明。1935年，美國化學家卡羅瑟斯發現了縮合聚合規律，直接促使他發明了尼龍。1939年，德國研製出錦綸。1940年，英國合成了滌綸。第二次世界大戰期間，橡膠、尼龍等合成高分子材料作為軍用物資，備受重視。1942年，德國人萊因與美國人萊瑟姆幾乎同時發現了二甲基甲酰胺溶劑，併成功地得到了聚丙烯腈纖維，即腈綸。1953年，德國化學家齊格勒發明了四氯化鈦—二乙基鋁催化體系，併合成了聚乙烯和聚丙烯，使高分子合成工業的發展又邁向了一個新的階段。1955年，美國人合成了結構與天然橡膠一致的聚異戊二烯，同年合成順丁橡膠並投產。1960年，美國科學家貝肯在《應用物理雜誌》（Journal of Applied Physics）上發表了關於石墨晶須的文章，成為高性能碳纖維技術基礎研究史上的一個里程碑。他認為，石墨晶須是石墨聚合物，是一種純粹的碳形式，原子被排列在六角形的片體中，是捲起來的石墨片層。
總之，20世紀五六十年代，高分子科學已相當成熟，極大地促進了橡膠、塑料、纖維的工業發展，改變了人們的衣食住行。70年代後，高分子科學進入一個新的發展時期，出現一些具有特殊功能的高分子材料，如用於集成電路光刻工藝的高分子感光膠，以及高分子導電、半導體、發光、壓電、熱電、功能膜、生物醫學材料等。值得一提的是，在這個時期，美國人辛格獲得了石墨纖維及其製造工藝的專利，日本東麗工業公司開發了性能極優異的聚丙烯腈基碳纖維，佔據了碳纖維技術的領導地位。由於碳纖維質量小，動力消耗少，可節約大量燃料而被應用在火箭、導彈和高速飛行器等航空航天領域。目前，碳纖維作為新興材料正由成長期進入快速應用期，預計在工業領域應用將佔70%，在休閒娛樂等領域應用將佔15%～30%。
半導體材料
半導體材料的出現開啟了第三次科技革命的浪潮，使人類社會邁進了電子信息時代。半導體是20世紀40年代發現的新型無機非金屬材料。第一代半導體材料為元素半導體，鍺和硅鍺是最早用來製造晶體管的半導體材料。由於硅材料具有優良的半導體電學性能，因此，絕大多數半導體器件都是在單晶片或在硅襯底的外延片上製作的，在半導體工業發展初期其他材料就逐漸為硅材料所取代。到目前為止，硅仍是製造二極管、晶體管和集成電路等這些器件的最主要材料。1947年，美國貝爾實驗室的肖克利研製成功了第一隻點接觸晶體管。1954年，貝爾實驗室使用800支晶體管組裝成功人類有史以來第一臺晶體管計算機TRADIC，使晶體管步入集成電路時代。可以說，硅材料的發現和使用使計算機發生了一場“革命”，極大地促進了計算機的更新換代。迄今，以硅為基質的半導體集成電路已經發展到超大規模集成和超高速集成以及三維多層集成的新階段。
第二代半導體材料是化合物半導體，主要有砷化鎵和磷化鎵等。由於砷化鎵具有電子遷移率高等優異的物理性質，目前被廣泛應用於軍事設施、激光器探測器、高速器件、微波二極管中。
第三代半導體材料為寬禁帶半導體材料，主要有碳化硅、金剛石和氮化鎵等。由於碳化硅禁帶寬度在3 eV以上，工作溫度可以很高，可以在600℃下工作，常用於製作耐高溫、抗輻射的半導體和高密度集成的電子器件，被廣泛用在石油鑽探、航空航天等領域。20世紀70年代初，石英光導纖維材料和砷化鎵激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展並逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。70年代初期，美國IBM實驗室的著名物理學家江崎與華裔科學家朱兆祥，基於試圖人為地控制半導體中電子的勢分佈與波函數的設想，首次提出半導體超晶格的新概念。與此同時，美國貝爾實驗室和IBM公司製成了第一類晶格匹配的組分型超晶格，開創了具有一維量子封閉性的半導體超晶格與量子阱研究的新局面，標誌著半導體材料的發展開始進入人工設計的新時代。這個階段的突出特點是低維化，即當材料特徵尺寸在某一維度小於電子平均自由程時，電子能量將不再是連續的而是量子化的，如超晶格、量子阱、量子線、量子點與納米晶粒等低維半導體材料。用低維材料製作的納米器件可實現單電子或數個電子的量子調控，將大幅提升集成度，降低功耗。
低維半導體材料的出現，使半導體器件的設計與製備從“雜質工程”跨越到“能帶工程”，現在這些低維半導體材料已被廣泛應用於光通信、移動通信、微波通信中而成為新的發展方向。1986年，德國科學家柏諾茲和瑞士科學家穆勒發現了新的金屬氧化物超導材料即鋇鑭銅氧化物。銅酸鹽高溫超導體的發現是自1911年荷蘭物理學家昂尼斯發現汞的超導材性以來的一次重大突破，打開了混合金屬氧化物超導體的研究方向，促使了一系列新型奇異超導體的發現。目前，超導成為世界材料科技研究的前沿領域，市場前景廣闊。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家傑姆、諾沃消洛夫從石墨中分離出由碳原子構成的單層片狀結構新材料——石墨烯，其具有非同尋常的導電性、導熱性、高電子遷移率、超出鋼鐵數十倍的強度、極好的透光性和捲曲柔性。在不遠的將來，石墨烯器件有望替代互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件，被廣泛應用在納電子器件、光電化學電池、超輕型飛機材料等領域，可能會給半導體材料與器件帶來一場新的革命。
王國強：中國科協創新戰略研究院研究員
本文摘編自王國強.《材料科技的發展歷程》[J].張江科技評論，2017（3）
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