北京青少年科技俱乐部－科技名家讲座 材料与社会可持续发展 师昌绪 国家自然科学基金委员会 2006.10月于北京

报告内容： 前言 一、材料在人类社会发展中的作用 二、材料在开发过程中所遇到的问题及对策 三、为了可持续发展，当前材料科学技术应重视 的几个环节 结语

前言： 当前最关注的三大问题：资源、能源与环境都与材料有密切关系。 材料是人类社会进步和人民生活水平提高不可或缺的物质基础。生产材料是消耗资源与能源的大户，也是造成环境污染的主要源头，但是材料又是开发能源和治理环境污染的重要保障。 土木工程在社会发展中十分重要，2004年GDP13万亿元，51.3%为全社会固定资产投资拉动的，其中60－65％是土木工程。

一、材料在人类社会发展中的作用 1、以材料划分人类发展的历程 材料与文明 中国 中东 欧美 青铜时代 石器时代 铁器时代 电子材料 时代(Si) 中国 中东 欧美 9000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 500 1500 1800 1900 1950 1990 公元前 公元

2、以钢铁为主要标志的工业革命(英国) 1733年发明了飞梭促进了纺织工业大发展； 1735年焦碳炼铁； 1750年坩埚炼钢； 1760年鼓风机(加速炼铁、炼钢)； 1765年蒸汽机； 1785年蒸汽机船； 1796年蒸汽机车； 1856年转炉炼钢； 1864年平炉炼钢； 1868－1914年各种合金钢出现；

中国3.5亿吨 自1870年以来世界粗钢的产量发展报告

3、材料在人类社会现代化过程中发挥了关键作用 人类社会现代化的主要标志： 工农业生产实现电气化和自动化，劳动生产率大幅度提高； 人类活动的全球化和立体化； 现代农业则是依靠科学技术的进步，逐步从以经验为基础 的农业改造为以科学为基础的农业。

为实现交通的立体化，就需要高性能的飞机，一般来说：飞机性能的提高，2/3靠材料。 42% 29 42 69% 29％ 材料对飞机性能的提高所处地位

航空发动机对材料的依赖程度更高，达到80％以上，除高比强度和高比刚度，还要求耐高温、抗疲劳、抗氧化和腐蚀能力。 喷气发动机起源于上世纪40年代初，当时的工作温度在700℃左右，而今民用机接近1500℃，而军用机在2000℃左右。这就要求发展耐高温材料(高温合金)。 高温合金的发展，先是锻造铁基或镍基合金，1958年采用铸造，以提高合金元素含量，而后又定向凝固(1965)、单晶(1970)，以消除晶界在高温下强度变低的影响；为了减少偏析，有些大件(如涡轮盘)采用粉末冶金，这些材料再加冷却技术，基本满足了要求。

从民航机的发展历程，说明每座·哩油耗逐年下降的情况，这一方面是设计与机型的扩大所致，另一方面是材料不断改进的结果，PWA客机每减重1kg，多赢利$104。 燃油效率 (每座·哩/加仑) 初始服役年份 客机从波音707到747，30年间 每座·哩的油耗降低了2.5倍 2.5倍 历代民机座·哩的油耗

科学技术对农业的增产也是决定性的。 利用锇作为催化剂，哈伯(Haber)于1909年合成了氨作为肥料，1940年发明的除草剂，及采取灌溉、农膜育苗及机械化作业等措施，可使粮食大幅度增产。 中国历年粮食单产增加情况 年度 亩产(斤) 1949 137 1952 176 1978 337 1983 453 目前，再加育种技术，亩产吨级以上，但是化肥用量过大， 我国占世界7％的耕地用了1/3化肥，造成资源浪费和环境污染。

4、材料将人类社会带入了信息时代 芯片发展历程 1958 1998 晶片直径 特征线宽 2 一个半导体晶体管价格

自工业革命后，人类社会的进步主要 是材料推动的结果！ 此外，光传播、光存储的发展速度更快，也都是材料不断进步的结果。 目前，硅半导体占95％，随着频率和性能的提高，化合物半导体GaAs、InP、GaN等成为第二代半导体材料，第三代将是SiC、金刚石等。 自工业革命后，人类社会的进步主要 是材料推动的结果！

二、材料在开发过程中所遇到的问题及对策 资源＋能源 材料＋废物 应用 废品 污染物 环境 科学 资源＋能源 材料＋废物 工程技术 应用 废品 污染物 循环经济(4R) Reduce Reuse Recycle Remanufacture

资源 金属材料有资源枯竭问题 全球重要金属矿储量及可采年限 矿物 单位 储量 可开采年限 中国排位 Fe 矿石(109T) 153.4 171 5 Mn 金属(106T) 907.2 97 Cr 富矿(Cr2O335-45%) (106T) 1057 106 13 Ni 52.6 68 W 2.8 60 1 Mo 5.44 55 2 V 4.35 135 Cu 340 40 7 Zn 170 26 Al 铝矾土(109T) 21 238 Ti 15 51 Pt 金属(103T) 31.1 6 稀土 氧化物(106T) 45 781

1、加强对地球资源深度勘探和采掘 可以看出，目前已探明的金属矿床，多者可用不足200年，少者仅20－30年，可能解决的途径有以下几个方面： 地球构造剖面图

世界资源大国，多数矿山开发深度已达到1000米以上，有的达4000米，我国只有几百米。特别随着科学技术的进步，探明储量可大幅度增加，但不可再生的资源，总有枯竭的一天。

A：海水中溶解金属含量 2、向海洋要金属 金属 单位(吨/立方英里) 总含量(吨) Mg 6,400,000 2.1×1015 Sr 38,000 12×1012 Li 800 260 ×109 Zn 47 16 ×109 Fe Al Mo Sn 14 5 ×109 Cu U Ni 9 3 ×109 V Ti 5 1.5 ×109 Sb 2 800 ×106 Ag 1 500 ×106 W 0.5 150 ×106 Au 0.02 6 ×106 经过亿万年的地球表面的风化和雨水冲刷，海水溶解各种金属，有的浓度很高，如Mg(1536g/m3)，Li(0.192g/m3)等。

B：锰瘤 海底锰瘤总量3×1012吨，其成分： Mn:7.9-50.1% Fe:2.4-26.6% Co:0.01-2.3% Ni:0.16-2.0% Cu:0.03-1.6% Pb:0.02-0.36%

有机材料 20世纪初，有机合成材料的出现也是人类社会现代化重要标志之一。1975年按体积计算，世界合成树脂产量与粗钢体积比达1.18:1，美、德分别达2.85:1和1.94:1。 对合成有机材料来说，目前以石油为主要原料，正在研究以天然气或煤为原料的流程，但是从全世界范围来看，它们可供开采的年限有限(石油40年，天然气62年，煤225年) 。当然，近年来对甲烷水化物颇受重视，其储量可超过现有化石燃料资源的总和，但距实用化还很远，而且CH4和燃烧产物CO2都加剧温室效应。 一个可行的有机物来源是通过光合作用，在地球上产生绿色植物和海藻类，每年可贮存6×1017kcal，合成有机物约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍；生物质能是固定CO2的产物，每产一吨生物质能，可减少相当于化石能源2吨温室气体的排放。

无机非金属材料 有些无机非金属资源也是有限的，如水泥所需原料在中国仅供30-40年之用，因此开发新型建材也是当务之急。至于工程陶瓷如Si3N4、SiC等，资源丰富，但需提高韧性，降低成本，扩大应用。近年来岩石的用途不断扩大，如玄武岩、蒙脱土等，为材料的开发开辟了途径。

能源 能源形势： UNDP估计的能源两种可能的变化

氢能 氢有三个问题需要解决： 最近美国研制出锂硼氢化物有可能满足要求 氢源：电解水，热化工转化 细菌分解水等 储氢与氢的运输 不同储氢材料能量密度与汽油的对比 不同储氢材料的能量密度 最近美国研制出锂硼氢化物有可能满足要求

燃料电池：效率高，无污染，用于汽车，但质子交换膜与催化剂太贵，目前为$125/kw，内燃机为$30/kw。今后可能会便宜，因无转动部件，构造简单。但可用于电网的大型装置，还有不少问题。

太阳能 辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和气候影响大。 太阳能可分为光伏能和太阳炉，光电转换效率不高！ 几种成熟和正开发的光伏转换材料 材料类型 材料 转化效率% 硅 多晶 9－12 非晶（膜） 6－9 单晶 ～20 化合物半导体 GaAs（晶） 18－30 CdS，CdTe（膜） 10－12 CuInSe2（膜） 敏化纳米染料薄膜（大面积） 5 有机太阳能转换膜 <5 最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料，其转换率高达37%

光伏转换电能价高，约10倍于火电。 另外一种是用聚焦技术的太阳加热炉，用以加热水或气体来发电，其电价每度5－13美分，接近火力发电。 还有民用太阳热能的直接利用，对中国广大农村来说更为实用。

可再生能源 世界和中国可再生能源资源状况 包括太阳能在内，水电、风能和生物质能等可以并称为可再生能源。 资源 世界 中国 太阳能 陆地每年接受能量相当于标煤 1.3×106亿吨 2.4×104亿吨 水能(万亿千瓦时) 技术可开发 经济可开发 13.94 4.96 2.22 1.27 生物质能 (亿吨标煤) 65 7 风能(亿千瓦) 96 陆上2.5，近海7.5 地热(亿吨标煤) 总资源量 1400 500 110 － 潮汐能(亿千瓦) 理论资源量 技术资源量 766 64 1.89

世界光伏电能、风能、生物质能(酒精)的发展趋势 世界电能分布 光伏电能 风能 生物质能

若尔盖(长征水草地)采用治沙技术的效果 中国生物质能有更大的发展前景： 1、中国秸秆7亿吨/每年 2、高产作物，如玉米、薯类、速生林等 3、乡镇大力发展沼气 4、沙漠地区的改造：蒙脱土＋生根剂(保水植木) 若尔盖(长征水草地)采用治沙技术的效果

中国可能采取固沙措施的地区

核能 核能仍是重要能源，也是未来能源希望之所在。 压水堆、轻水堆及快中子堆： 1、无CO2排放 2、安全性正在提高 3、资源丰富 全世界产生裂变能的原料U和Th的资源储量分别为330万吨和400－600万吨，可提供600ZJ(1ZJ=1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我国铀储量不够丰富，但钍的储量仅次于印度，看来核裂变能仍不失为今后的重要能源。 4、海水中有40万亿吨氘(一升海水中氘的聚变能相当于300升汽油)，称作永恒能源，但难度太大，物理证明可行，工程问题难解决(耐高温、高通量中子辐射材料)，预计50－100年后实现，目前已组织国际合作。

2002年美国工程院在讨论工程前沿时，盛赞核能。在美国建一个100万千瓦核电厂的核燃料费每年4000万美元，而同规模煤电厂为1 2002年美国工程院在讨论工程前沿时，盛赞核能。在美国建一个100万千瓦核电厂的核燃料费每年4000万美元，而同规模煤电厂为1.1亿美元，天然气2.2亿美元，电厂每度电成本分别为1.83、2.07及3.52美分，但建设成本远高于天然气，每千瓦分别为1500和500美元。

环境污染 材料在制备过程中的污染是另一个严重问题。如2004年我国水泥产量约10亿吨，排放8亿吨CO2，80万吨SO2，160万吨NOx和800万吨粉尘，还有大量污水。此外，一吨钢出2吨CO2，炼焦和有色金属冶炼排放更多的SO2、固体废渣、粉煤灰、煤矸石、尾矿等，每年都以亿吨计，累计起来已有百亿吨，占地面积几百万亩。固体废渣目前在水泥工业用量很大，SO2一般可回收制硫酸，当前人们最关心的是CO2，因为它是造成温室效应的祸首。

几种温室气体 温室气体 CO2 CH4 N2O CFC O3 工业革命前浓度(×10-9) 280,000 790 288 10 10 当前浓度(×10-9) 353,000 1720 310 0.28 20-40 当前年增长率(%) 0.5 0.9 0.3 4 0.2-0.5 在大气中寿命(年) 50-200 150 60-100 数周到数月 对温室效应相对贡献(%) 60 15 5 12 8

该图为包括中国在内的几个国家和地区不同年代CO2排放量的预测。 From “Interdisciplinary Science Reviews”, Vol26, No4, 2001,P254

解决办法： 由于温室气体不断增加，到本世纪末温升2.5ºC(冰河期与目前温差5－6ºC)，人居环境灾难频发，陆地缩小。 减少化石能源利用 地球绿化面积扩大 CO2泵入地下(废矿井、含砂层、页岩)，一座100万千瓦电厂 10年内可贮存6000万吨CO2 通过催化剂与生物工程CO2＋H2O 粮食

三、为了可持续发展，当前材料科学技术应 重视的几个环节 1、自然资源的有效利用 2、传统材料的升级换代 3、开发资源丰富的新材料体系 4、现有材料性能的提高与新材料的开发 5、环境材料是循环经济的重要组成部分

1、自然资源的有效利用 从矿石到金属要经过几道工序 矿石的综合利用：我国多复合矿，以包头、 攀枝花为例 乱采乱挖，不但回采率低，而且破坏了矿 采矿 铸锭、轧制 选矿 提取 精炼 每一工序金属的回收率不等，如采矿一般70－95％，选矿50－85％ 矿石的综合利用：我国多复合矿，以包头、 攀枝花为例 乱采乱挖，不但回采率低，而且破坏了矿 区，以钨为例

2、传统材料的升级换代 传统材料量大面广，资源消耗多，是重要污染源，性能的提高与工艺的改进影响大，传统材料升级的潜力很大，如超级钢(973)，通过晶粒细化或纳米颗粒强化，可使钢的强度大幅度提高，如： ƀ碳钢200400MPa ƀ低合金钢400 800MPa ƀ合金结构钢800 1500MPa 现已在大钢厂生产数百万吨，并用于汽车制造和建筑业。建筑业推广要改规范。

3、开发资源丰富的新材料体系 镁(Mg2.3%)是地壳表层含量仅次于Al(8%)、Fe(5.8%)，占第三位的金属元素,特别在海水中有2.1×1015吨(1.3g/l)，其性质与铝相近，但强度需进一步提高，抗蚀性差，且加工困难，有待开展基础研究。 中国的原镁产量及出口量

碳系材料：自然间是碳循环； 资源丰富 同素异型：从柔软垫圈到 最硬金刚石 碳纤维：耐高温2500ºC，高强、高模量 C60、纳米碳管，比强度 100倍于高强钢 通向月球的碳纳米管天梯想象图

工程陶瓷(Si3N4、SiC·······)，性能优越，资源丰富 性脆，价高 合成有机高分子材料：原料可再生、分子设计、正在向功能材料发展 天然无机非金属材料：玄武岩、蒙脱土等

4、现有材料性能的提高与新材料的开发 现有材料性能的提高潜力很大，因为目前材料的实际强度只有理论强度的1％乃至1‰，如碳纤维理论强度为1800GPa，而目前最高只达到7.02GPa(T1000)，问题在于基础研究与新工艺的开发。 新材料涉及面更广，最重要的是信息功能材料、新能源材料(含节能技术)、高性能结构材料、生物医用、仿生及智能材料的探索。

除芯片材料外，还有更多的功能材料是21世纪研发重点，以适应知识经济社会的需求。 信息材料：硅做为主要信息材料，可能延续到2020年，但芯片制造难度大，随特征线宽的缩小而投入剧增，如1995年建生产线为$10亿，只占年销量的1%，而到2010年达到$500亿，约占年销量的10%，因而必须另辟蹊径，如：量子计算、有机电子、光电子、生物电子以及Nems和Mems等。 除芯片材料外，还有更多的功能材料是21世纪研发重点，以适应知识经济社会的需求。

节能是当前我国走出能源困境的重要途径。 我国能源利用率很低，每吨标煤产出只相当于美国28.6%，欧盟16.8%，日本10.3%，这一方面与产业结构有关，能源的浪费也是主要的，下表为几种高能耗产品国内与国际先进水平的对比，差距很大。 几种高能耗产品国内外能耗对比(2000年) 单位 国内水平 国际先进水平 节能空间(%) 火力发电 克(标煤/KWh) 392 317 19.1 钢 千克标煤/吨 781 629 19.5 水泥 181.3 124.6 31.3 乙烯 1210 870 28.0 货车油耗 升/百吨公里 7.6 3.4 55.2

民生能耗一般占1/3左右，仅建筑采暖就占10％，与发达国家相比，中国建筑能耗为国外的3倍。除设计以外，选用低热导系数材料与智能玻璃等也是关键，如墙体材料，由实心改空心，耗能一半，用以建房可节能40％。 当前节能热点之一是开发半导体照明技术，电耗仅为传统照明1/10，寿命几万小时，当前我国照明用电占总电量的12％，如果有1/3改为半导体照明，每年节电1000亿度(三峡年发电量840亿度)。半导体照明所用材料为InGaN、AlInGaN外延片，作成发光二极管(LED)，因其技术复杂，仍处于开发阶段。 节能涉及面极为广泛，有些是材料问题，多数与管理有关。

高性能结构材料 开发高性能结构材料一方面节约资源，减少污染，更重要的 是提高产品的性能，因此，开发高性能结构材料是永恒的主题。 对转动构件来说，要高比强度、高比刚度、耐疲劳；对发动 机来说，除上述条件外，还要耐高温，抗腐蚀，如航空发动机工 作稳定每提高100ºC，推力增加约20％；发电装置(燃气轮机、汽 轮机)的效率也都随工作温度的提高而增加，所以要大力开发耐 高温的材料，如耐热钢、高温合金、钛及其中间化合物，以及 C/C复合材料。

在结构材料中，钢和铝以其高性价比在21世纪上半叶仍占主 导地位；轻金属钛、镁将逐年增加。有机高分子材料仍将不断增 加；无机非金属材料中的水泥将因资源限制逐步下降；工程陶瓷 将因其性能不断改善，成本不断下降而有更大发展。碳材料如碳 纤维及其复合材料将因用途不断扩大而有更大发展。 构件的破坏(氧化、腐蚀、磨损、疲劳损伤)往往从表面开始， 因此构件的表面改性与强化是提高性能、延长使用寿命有效而最 经济的手段。

生物医用材料、仿生材料与智能材料 生物医用材料随着人类生活水平的提高和老龄化而愈来愈重要。美国年产值超过500亿美元(包括组织工程、药物与装置复合体以及分子药物等)，目前已研制出除神经以外的人的各种器官，通过生物工程还可实现早期诊断、药物缓释或可控释放、定向治疗等。 仿生材料或受生物启发而开发的材料将受到更大的重视。

智能材料是随外界环境而改变其性能的一类材料(如变色太阳镜)，也可发展为具有自适应、自预警、自修复的材料。实际上，真正的智能材料很少，一般称之为机敏材料。但正在发展的是“智能系统”，即感知(敏感元件)电脑(指挥) 制动(压电陶瓷、形状记忆合金、电流变流体等) 。智能系统用于控制飞机机翼，可提高可靠性、机动性和安全性，并可降低油耗。 高性能材料的研发将因纳米科学技术及计算材料科学的进展而加速发展。材料的制备过程，目前以自上而下为主，而纳米技术开发以后，改变为“由下而上”流程，形成所谓“自组装”(Self-Assembly)制备方法，这种过程既节约资源，又高效可控，因而在不太长的时间内将有大发展。

自组装制备过程：楔形元件通过物理或化学作用力而形成一个轮 形，而不是人为的外界力量。

5、环境材料是循环经济的重要组成部分 环境材料就是指与环境相协调的材料：节约资源和能源，排放少、无污染或少污染、可降解、可回收再利用。严格地讲，所有材料都应该成为环境材料。为了评价一个材料对环境的影响，提出了“生命周期评估(Life Cycle Assessment)(LCA)”这一概念，评估材料从生产、运输、制品，一直到回收，据此可以确定材料的生产流程、运输方式及合格使用等。 近年来又强调生态设计(Ecodesign)，以实现资源与能源的有效利用、产品性能的提高、寿命的延长、废品的回收、以及再制造工程的实施，以达到循环经济的目的。

根据这一理念，以期使资源的利用率提高10倍(上世纪70年代罗马俱乐部提出的指标)。近期目标有人提出4倍。近年来我国正在开发的新一代钢计划，将占钢产量一半以上的碳钢、低合金钢的强度提高一倍，说明这一计划有可能实现。 另一方面，治理环境需要材料，如气体与水的分离膜、减少环境压力的电动汽车和风能，以及太阳能所需高功率电池，燃料电池的关键在于开发新材料。

结语： 回顾过去、把握现在、开拓未来! 1、材料在人类社会进步过程中起到主导作用； 2、为了社会的可持续发展，从现在起就应重视材料科学 研究与开发； 3、对未来材料的发展所需资源与能源提出了一些设想。 回顾过去、把握现在、开拓未来!

谢谢大家!