那些从前的新资料:不是石墨烯、碳纤维，而是你身边熟悉的东西

新资料是一个相对的概念，是相对于那些已广泛运用的传统资料而言的。现在，国际上的资料有不计其数种，依据它们的特性大致可分为金属资料、组成高分子资料和无机非金属资料三大类。其间，金属资料包含金、银、铜、铁、锡及其合金等;组成高分子资料包含塑料、组成橡胶、纤维等;无机非金属资料包含单晶硅、玻璃、陶瓷等。这些传统资料对当时发作的科技革新和工业革新都产生了极其重要的影响，至今依然焕发着新的活力。

钢铁

钢铁曾是一国工业化的代名词，国际发达国家都从前历钢铁年代。以钢铁为代表的金属资料是国民经济的重要物质根底。有了钢铁的大开展，才使得蒸汽机、纺织机械、火车、轮船批量出产，才使得工业革新的发作成为可能。19世纪中叶曾经，金属资料首要是铸铁、锻铁，钢的产值还不到铁的产值的1/40。1855年，英国人贝西默创造晰从炉底吹送空气的“转炉”，只需十几分钟就能够出产很多的钢，初次处理了大规模出产液态钢的问题。1864年，法国人马丁开展了西门子平炉炼钢法，可很多运用废钢、生铁进行炼钢，能出产出更多品种、更好质量的钢。1878年，英国人托马斯创造晰碱性底吹空气转炉炼钢法，处理了高磷铁炼钢问题。

20世纪上半叶，酸性转炉、平炉、碱性转炉的创造与推行使大规模出产的钢材敏捷代替了铁，成为第一次工业革新的重要支柱。第二次国际大战今后，高炉炼铁技能又有了重大进展。1952年，奥地利的林茨厂创造晰碱性顶吹氧气转炉，因为具有时间短、占地少、节省人力物力等长处，该技能得到敏捷推行。在尔后的二三十年内，该技能不仅悉数筛选了托马斯转炉，也使平炉日渐遭到萧瑟，使炼钢技能跨入一个新的年代。1970年，人们开宣布顶底复合吹炼转炉，300吨级顶底复合吹炼转炉只需20分钟左右便可完结锻炼，其后该项技能在国际各国钢铁企业获得了广泛选用，转炉完全代替平炉成为首要炼钢方法。

跟着各种工业技能的开展，各种特别功用的高质量的合金钢也很多面世。现在，合金钢已达数千种，简直囊括了一切的金属元素，此外还包含了碳、氮、硼等少数非金属元素。1882年，英国人哈德菲尔德研制出锰钢，被以为是合金钢开展史上的里程碑。尔后，各种有特别功用的合金钢不断呈现，如镍钢、不锈钢、透磁钢、氮化钢、镍铬合金、铜镍合金等。1995年，日本发作的阪神大地震使许多钢结构修建毁于一旦，引发了人们对钢铁资料的再思考。1997年，日本提出为期10年的“超级钢”研讨方案。1998年，中国启动了新一代超细晶粒钢研讨。2002年，美国启动了“超细晶粒钢开发”方案。这些研讨均旨在通过形变细化、相变细化和第二相析出来大幅进步钢的强度、抗疲劳功用和低温耐性，并均已取得了可喜的效果。

超细晶粒钢是当时汽车用钢铁资料的研讨热点，是21世纪先进高功用结构资料的代表。近年来，3D打印技能逐步运用于实践产品的制造，运用金属资料的3D打印技能的开展尤为敏捷。现在，运用于3D打印的金属粉末资料首要有钦合金、钻铬合金、不锈钢和铝合金资料等，钢铁合金粉末资料现已成为打印制造质量的根底和关键。因而，以钢铁资料为代表的金属资料仍有着不行代替的战略位置。此外，铝、镁、钛及其合金，稀有金属、稀土元素等金属资料也占有侧重要位置，在咱们的社会生活中发挥侧重要作用。

高分子组成资料

高分子组成资料是20世纪资料范畴的新秀，给人类生活方法带来了革新性的影响。与丝、棉、毛纺织、皮革等天然高分子资料不同，高分子组成资料首要指橡胶、塑料、纤维、薄膜、涂料等。高分子组成资料及其运用技能发端于20世纪20年代，老练于70年代，在不到50年的开展过程中在许多范畴代替了钢材、木材和棉花。据不完全统计，至70年代末，组成橡胶的产值现已到达天然橡胶产值的2倍，塑料在结构资猜中占到了22%，工程塑料已有代替钢铁之势。

高分子组成资料的开展能够说是科研与出产亲近结合的模范。高分子科学的树立和开展为高分子组成资料的开展奠定了理论根底。1920年，德国化学家施陶丁格在《德国化学会会志》上宣布了关于聚合反应的论文，初次提出聚苯乙烯、聚甲醛、天然橡胶上有线性长链的价键结构式。两年后，他明确提出了高聚物是长链大分子结构的概念。1926年，在德国化学年会上，施陶丁格的高分子理论得到了与会者认同。1932年，施陶丁格出版了划年代巨作《高分子有机化合物》，标志着高分子组成化学正式创立。在施陶丁格理论的影响下，高分子组成资料的研制得到敏捷开展，1927年有机玻璃研制成功，1928年组成聚氯乙烯塑料，1930年研制出聚苯乙烯塑料。尔后，塑料被广泛运用到人类生活的方方面面，能够称得上是20世纪人类最为重要的创造。1935年，美国化学家卡罗瑟斯发现了缩合聚合规则，直接促进他创造晰尼龙。1939年，德国研制出锦纶。1940年，英国组成了涤纶。第二次国际大战期间，橡胶、尼龙等组成高分子资料作为军用物资，备受重视。1942年，德国人莱因与美国人莱瑟姆简直一起发现了二甲基甲酰胺溶剂，并成功地得到了聚丙烯腈纤维，即腈纶。1953年，德国化学家齐格勒创造晰四氯化钛-二乙基铝催化系统，并组成了聚乙烯和聚丙烯，使高分子组成工业的开展又迈向了一个新的阶段。1955年，美国人组成了结构与天然橡胶一致的聚异戊二烯，同年组成顺丁橡胶并投产。1960年，美国科学家贝肯在《运用物理杂志》(Journal of Applied Physics)上宣布了关于石墨晶须的文章，成为高功用碳纤维技能根底研讨史上的一个里程碑。他以为，石墨晶须是石墨聚合物，是一种朴实的碳方式，原子被摆放在六角形的片体中，是卷起来的石墨片层。

总归，20世纪五六十年代，高分子科学已适当老练，极大地促进了橡胶、塑料、纤维的工业开展，改变了人们的衣食住行。70年代后，高分子科学进入一个新的开展时期，呈现一些具有特别功用的高分子资料，如用于集成电路光刻工艺的高分子感光胶，以及高分子导电、半导体、发光、压电、热电、功用膜、生物医学资料等。值得一提的是，在这个时期，美国人辛格获得了石墨纤维及其制造工艺的专利，日本东丽工业公司开发了功用极优异的聚丙烯腈基碳纤维，占有了碳纤维技能的领导位置。因为碳纤维质量小，动力耗费少，可节省很多燃料而被运用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天范畴。现在，碳纤维作为新兴资料正由成长期进入快速运用期，估计在工业范畴运用将占70%，在休闲文娱等范畴运用将占15%~30%。

半导体资料

半导体资料的呈现开启了第三次科技革新的浪潮，使人类社会迈进了电子信息年代。半导体是20世纪40年代发现的新式无机非金属资料。第一代半导体资料为元素半导体，锗和硅锗是最早用来制造晶体管的半导体资料。因为硅资料具有优秀的半导体电学功用，因而，绝大多数半导体器材都是在单晶片或在硅衬底的外延片上制造的，在半导体工业开展初期其他资料就逐步为硅资料所代替。到现在为止，硅仍是制造二极管、晶体管和集成电路等这些器材的最首要资料。1947年，美国贝尔实验室的肖克利研制成功了第一只点接触晶体管。1954年，贝尔实验室运用800支晶体管拼装成功人类有史以来第一台晶体管计算机TRADIC，使晶体管步入集成电路年代。能够说，硅资料的发现和运用使计算机发作了一场“革新”，极大地促进了计算机的更新换代。迄今，以硅为基质的半导体集成电路现已开展到超大规模集成和超高速集成以及三维多层集成的新阶段。

第二代半导体资料是化合物半导体，首要有砷化镓和磷化镓等。因为砷化镓具有电子迁移率高级优异的物理性质，现在被广泛运用于军事设施、激光器探测器、高速器材、微波二极管中。

第三代半导体资料为宽禁带半导体资料，首要有碳化硅、金刚石和氮化镓等。因为碳化硅禁带宽度在3 eV以上，作业温度能够很高，能够在600℃下作业，常用于制造耐高温、抗辐射的半导体和高密度集成的电子器材，被广泛用在石油钻探、航空航天等范畴。20世纪70年代初，石英光导纤维资料和砷化镓激光器的创造，促进了光纤通讯技能敏捷开展并逐步形成了高新技能产业，使人类进入了信息年代。70年代初期，美国IBM实验室的闻名物理学家江崎与华裔科学家朱兆祥，根据企图人为地操控半导体中电子的势散布与波函数的想象，初次提出半导体超晶格的新概念。与此一起，美国贝尔实验室和IBM公司制成了第一类晶格匹配的组分型超晶格，创始了具有一维量子封闭性的半导体超晶格与量子阱研讨的新局面，标志着半导体资料的开展开端进入人工规划的新年代。这个阶段的突出特点是低维化，即当资料特征尺度在某一维度小于电子平均自由程时，电子能量将不再是连续的而是量子化的，如超晶格、量子阱、量子线、量子点与纳米晶粒等低维半导体资料。用低维资料制造的纳米器材可完成单电子或数个电子的量子调控，将大幅提升集成度，降低功耗。

低维半导体资料的呈现，使半导体器材的规划与制备从“杂质工程”跨越到“能带工程”，现在这些低维半导体资料已被广泛运用于光通讯、移动通讯、微波通讯中而成为新的开展方向。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导资料即钡镧铜氧化物。铜酸盐高温超导体的发现是自1911年荷兰物理学家昂尼斯发现汞的超导材性以来的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研讨方向，促进了一系列新式奇特超导体的发现。现在，超导成为国际资料科技研讨的前沿范畴，市场前景宽广。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家杰姆、诺沃消洛夫从石墨中别离出由碳原子构成的单层片状结构新资料--石墨烯，其具有非同小可的导电性、导热性、高电子迁移率、超出钢铁数十倍的强度、极好的透光性和弯曲柔性。在不远的将来，石墨烯器材有望代替互补金属氧化物半导体(CMOS)器材，被广泛运用在纳电子器材、光电化学电池、超轻型飞机资料等范畴，可能会给半导体资料与器材带来一场新的革新。