在人类的生活当中少不了材料来作伴，衣食住行没有哪一样能离开材料。各种各样的材料组成了五花八门、丰富多彩的物质世界。人类社会的进步与发展、人类文明的推进与材料技术的发展有着密切的关系。材料被看做人类文明发展的里程碑，历史学者往往用材料作为时代分期的标志。从石器时代、青铜时代、铁器时代，直到目前的信息时代，都可以看出材料在人类社会的进步与发展中的无可替代的巨大作用。每一种新材料的发现和使用，都会对社会经济、工业生产、国防事业产生重大影响，甚至根本改变传统的生产和生活方式。21世纪，材料技术仍是科学家们研究的三大热门领域之一。可以毫不夸张地说，材料是科学技术进步的关键，是科学技术和社会发展的物质基础。材料的发展不仅关系到人类的昨天和今天，而且还将影响到人类的明天。
一、陶瓷材料
陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料进行加工制造而成的材料，是我国古代劳动人民的重大发明之一。大约8000年以前，住在我国黄河流域的先民们已经使用陶瓷，继而在宋、元时代发展到了很高水平。当时，瓷器作为中华文明的象征，大量运往欧洲各地，欧洲人一向视中国陶瓷为无价之宝，所以，欧洲人把瓷器叫做“China”。久而久之，“China”成了中国的英文名称。
1．传统陶瓷
陶瓷是以粘土、石英、长石为主要原料，进行研磨，加水调成泥状，再制成坯子，待干燥后，经高温烧制而成的制品的总称。陶瓷包括陶器、瓷器等。瓷器比较精致，表面光滑美观、明亮、不渗水，不透气。陶器质地比瓷器粗糙，器壁较厚，结实耐用，价格便宜。传统陶瓷在日常生活中随处可见，常作为容器、盛器——瓷制的碗、坛、罐、缸等，以及装饰用品——瓷瓦、瓷砖等。
制陶瓷用的粘土是一种含水硅酸盐。低品位的粘土到处可见，而用于制造陶瓷的是一种以高岭石[Al2（Si2O6）（OH）4］为主要成分的高级粘土，即高岭土。石英的化学式为SiO2，大多以结晶态存在于石英矿中。
长石主要有钾长石[KAlSi3O8］、钠长石[NaAlSi3O8］和钙长石[Ca（Al2Si2O8）2］，这些铝硅酸盐在陶瓷中是作为助熔剂的。
传统陶瓷的生产工艺大致相同，主要工序是泥料制备、成型、干燥、上釉和烧成。
①泥料制备。
破碎→球磨→除铁→过筛→压滤→炼泥→阵腐②成型。
将泥料加适量的水，灌注在模具中成为生坯。
③干燥。
为了防止在烧成时裂开，生坯要先进行干燥。
④上釉。
釉涂在陶瓷表面，既可起着美观、光滑作用，又可起防水作用。像唐三彩、郎窑红、三阳开泰等都是一些名釉。
⑤烧成。
坯体在高温下，发生一系列物理、化学反应，形成一定的组成与结构，从而使陶瓷具有所需的性能。
2．先进陶瓷
在许多人的印象中，陶瓷是一种坚硬但易碎的物体，缺乏韧性、塑性。其实人们印象中的这种陶瓷只是传统陶瓷。从20世纪四五十年代开始起步，现在还在不断发展的先进陶瓷早已一改陶瓷的旧形象，许多先进陶瓷都是既坚且韧，有的甚至放在铁砧上用铁锤用力敲打都难以破碎。还有一些先进陶瓷具有声、电、光、热、磁等其他材料无法替代的多方面的特殊功能，用途极为广泛，遍及现代科技的各个领域。
（1）韧性陶瓷
陶瓷的脆性主要表现在两个方面，一是抗机械冲击性能差，经不起碰撞摔打；二是抗热震性能差，经不起冷热冲击。为了克服这些弱点，许多科学家作出了不懈的努力。现在人们终于找到良方：a.在原料中添加少量氧化硅、氧化镁等粉末，使陶瓷内部结构得以改善，强度增加。b.由于陶瓷的断裂大部分是从表面缺陷开始，通过化学或机械抛光技术或表面氧化技术，消除陶瓷表面缺陷，达到增韧目的。c.将纤维均匀地分布于原料中，可以极大提高陶瓷的强度和韧性。如钨丝补强氮化硅陶瓷，在1300℃下的机械冲击强度可提高9倍。若以钽丝补强，则可提高30倍。
韧性陶瓷由于其强度大、硬度高、耐高温、耐化学腐蚀等优越的性能在工业生产上有着重要的用途。
①陶瓷刀具。陶瓷刀具被人们称赞为永不卷刃、永不生锈、永不磨损的刀具，用陶瓷菜刀切食物不会留下讨厌的铁腥味和铁锈，特别适宜于切生吃的食物和熟食；陶瓷剪刀由于不带磁性，特别适宜于剪接录音磁带和录像磁带。
②航天飞机的“陶瓷外衣”。当航天飞机高速返回地球时，外壳与大气层摩擦会产生很高温度，要是没有防护措施，航天飞机就会被烧毁。1981年4月12日，美国发射的航天飞机“哥伦比亚号”外壳上共铺贴了3万多块陶瓷和其他防热砖，把它覆盖得天衣无缝，因此尽管航天飞机表面温度达到1000℃以上，宇航员和仪器却能安然无恙。
③无冷却式陶瓷发动机。无冷却式陶瓷发动机的制造是材料科学家对韧性陶瓷利用中最感兴趣的课题，也是世界上最引人关注的课题之一。因为无冷却式陶瓷发动机按常规发动机有突出的优点：a.由于韧性陶瓷耐高温，可以使燃烧室的温度升高（温度能稳定在1300℃左右），燃料充分燃烧又不需要水冷系统，使热效率大幅度提高。b.由于取消了独立的水冷系统，使发动机结构简化，减少了发动机的故障率，特别适宜在高寒、沙漠等环境中使用。c.用韧性陶瓷做发动机，可以减轻发动机重量，在航空航天事业中更具吸引力。我国第一辆用无冷却式陶瓷发动机做动力的大客车，于1991年3月进行了从上海到北京的往返运行试验，获得了成功。标志着我国成为继美国、日本之后第三个进行路试的国家。
（2）压电陶瓷
压电陶瓷是一种能使电能和机械能相互转换的特殊陶瓷材料。如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差，反之施加电压，则产生机械应力。如果压力是高频振动，则产生高频电流；而高频电信号加在压电陶瓷上，则产生高频声信号，即超声波信号。
压电陶瓷的用途非常广泛。下面我们来举其中几例：①声音转换器。
声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声呐材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。
②压电引爆器。
自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪60～70年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。
③压电打火机。
现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。
④防核护目镜。
核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000秒里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。
（3）透光陶瓷
我们知道，陶瓷一般是不透光的，这是因为陶瓷中有许许多多细微的气孔，当光线照到陶瓷表面时，由于微小气孔对光的极强散射能力，使大部分光线分散到四面八方，而被陶瓷吸收。由于陶瓷的不透光，使陶瓷的用途受到很多的限制，从20世纪30年代起，不少科学家就热衷于透光陶瓷的研究，经过长时间悉心研究后，终于在1957年制成了世界上第一片透光陶瓷。
透光陶瓷有着广泛的用途，下面我们来介绍几例：①制造灯具。
早在20世纪30年代初，人们就知道利用高压钠蒸气放电可获得一种高效率光源。但无法制成实用灯具，这是因为钠蒸气放电会产生很高的温度，钠又是一种非常活泼的金属，用玻璃制的灯管过不了关，一时又找不到合适的灯管材料，因此研制高压钠灯的计划搁浅了。当透光陶瓷问世后，使高压钠灯的研制重视光明，因为透光陶瓷不但可通过95％光线，而且在1600℃的环境下能不受钠蒸气的腐蚀，经过科学家努力，高压钠灯终于在1960年研制成功。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源，在同样功率下一盏高压钠灯能抵两盏高压汞灯，且光线柔和、银白，在高压钠灯下看物体不但清楚，且不刺眼。另外高压钠灯还具有特殊的本领，光线能透过浓雾不被散射，作为道路、汽车、广场的用灯特别合适。高压钠灯的平均寿命达1万小时以上，是高压汞灯的2倍，是普通白炽灯的10倍以上，是目前使用寿命最长的灯。
②军事工业。
大家都知道响尾蛇导弹具有跟踪目标的本领，这是军事科学家从响尾蛇捕食中得到启示后，在导弹头部设计安装了一个灵敏度很高的感受器——红外线探测器，这一探测器能捕获从目标那儿辐射出来的哪怕是很弱的红外线，对发动机喷射出的高温燃气，当然更容易做到。不过由于高速飞行的导弹，它的头部表面温度可达几千摄氏度，这就需在其头部罩上一个既能耐高温，又要透光性好的防护罩，能承担这一任务，作为防护罩材料的非透光陶瓷莫属。另外像光导纤维、生物陶瓷、超导陶瓷、纳米陶瓷等都有特殊的功能，在现代高科技领域具有广泛的用途。
二、金属材料
在浩瀚的材料世界里，金属王国地盘最大，历史最久。人类已发现的116种元素中，金属占了93种，真可谓“五分天下占其四”。数千年来，金属材料的发现和应用，开创了人类物质文明的新纪元，加速了人类社会的发展。
1．传统金属材料
（1）铜。
铜是继陶瓷之后的第二种人造材料，在自然界中纯铜很少，常见的铜矿石是孔雀石，由于其色如孔雀开屏时的尾巴而得名，孔雀石放在炉内加热很易制得铜。此外还有黄铜矿、辉铜矿等。
由于纯铜比较柔软，虽容易加工，但做工具或武器其硬度却不够。后来人们在其中加入一定比例的锡或铅而熔铸成了硬度较大、韧性更强的铜的合金，由于其显青色，故称为青铜。早在4500年前，我国就会冶炼青铜来铸造器物了，在殷商时期，达到了相当高的水平。保存在中国历史博物馆内的商鼎“司马戊”，高135.6cm，长115.3cm，宽79.4cm，重875kg，是世界同时代青铜器中最重的。1965年12月，我国在湖北一座楚墓中发掘出两把宝剑，其中一把刻有“越王勾践，自作用剑”的青铜剑，出土后依然光彩照人，毫无锈蚀之迹。当试验者握剑轻轻一挥，竟把19层叠在一起的白纸斩断。这把剑在国外展出时，引起了很大的轰动。
铜的合金中比较重要的还有黄铜和白钢。黄铜是铜和锌合金，由于显黄色而得名。由于黄铜其色似金，现在一般装饰用的“金粉”、“金箔”、“金字”等都是用黄铜做的。由于黄铜耐磨、耐腐蚀，可做钥匙、水龙头、轴承等。一些骗子使用的假黄金，其实就是黄铜。
白铜是铜和镍的合金，由于其色如银而又价廉，深受人们的喜爱。我国古代劳动人民很早就学会了冶炼黄铜和白铜，在波斯语中，白铜又称“中国石”。
（2）铁
人类最早发现的铁，是从天上掉下来的“陨铁”，在各个文明古国中发现的最早铁器都是用陨铁制成的。虽然陨铁很少，却为人类认识铁打开了大门。
到公元前1000年，人们开始掌握炼铁技术，当时冶炼的铁主要用来制作武器，后来逐渐扩散到社会生产的各个领域，由于铁价廉，因此逐渐代替了被富有阶层所独占的青铜。虽然材料的纪元始于青铜时代，但从对世界文明史的影响来看，铁的作用要大得多。可以说有了铁，人类才开始真正使用了金属。在铁器时代耕作者的锄和锅逐渐使用铁制品，各种工具如凿子、钻、锤、锥等也开始用铁制品，生产和生活条件大为改善，生产力水平显著提高。
但铁对人类文明的真正贡献是产业革命时代以后的事。从1750～1850年的100年内，作为材料的铁（最初是铸铁，后来是钢），作为加工手段的铸造机、轧制机、机床和作为产品的蒸汽机相互作用，迅速进步，支配着19世纪后半期的文明世界。这一时期，铁给人类以力量，使人类能随心所欲地掌握能源，发展文明。
（3）铝
铝是地壳中含量最多的金属元素，它占地壳总质量的7.51％，比铁几乎多1倍，是铜的近千倍。但由于铝的性质活泼，同氧结合紧密，冶炼困难；因此，人类发现和利用铝比较迟。在1845年，德国化学家维勒经过17年的不懈努力，才制得一粒别针大小的铝。据说，法国拿破仑三世举行宫廷宴会，来宾用的是金餐具，而唯独他用的是铝餐具，使宾客们羡慕不已。因为当时铝极稀少，价格远高于黄金。直到19世纪，铝仍然是一种有珠宝价值的珍贵金属。1889年俄国著名化学家门捷列夫到伦敦讲学，伦敦化学会送给他的贯重礼物就是铝合金制的花瓶和杯子。
到19世纪末，当科学家研究出现代铝的生产方法——电解氧化铝后，铝的产量剧增，价格也逐渐下降。到20世纪初珠宝商人已失去对铝的兴趣，但铝却受到了整个工业界的青睐。由于铝合金具有密度小、硬度大、强度高、导电导热性好等优点，被广泛用于航空、化工、交通、建筑、国防等工业，家庭日用品中也日渐常见，逐渐成为继铁之后又一对人类发展产生重大影响的金属。从1919年开始，铝合金就开始用于飞机制造，此后铝和航空事业紧紧连在一起，因此有人把铝誉为“带翼的金属”。
2．新型金属材料
（1）记忆金属
记忆金属实际上是一种合金，确切地说应为“记忆合金”。它是指某种材料在一定温度下受到外力作用时会发生变形，一旦外力消失后，它仍能保持变形后的形状，而当温度上升到某一数值时，这种材料又会自动恢复到变形前的形状，它似乎能“记忆”自己原有的形状。
