1.8 工程材料的发展趋势
据预测,21世纪初期，
金属材料在工程材料中仍
将占主导地位，其中钢铁
仍是产量最大、覆盖面最
广的工程材料，但非金属
材料和复合材料的发展会
更加迅速。
今后材料发展的总趋
势是,以高性能和可持续
发展为目标的传统材料的
改造及以高度集成化、微
细化和复合化为特征的新
一代材料的开发。
图 1-60 航天飞机
1.生产工艺的完善和开发
完善传统的冶金工艺和开发新工艺, 是钢铁工
业技术进步的两大趋向，其中包括洁净钢冶炼、转
炉少渣炼钢、非高炉炼铁（如直接还原和熔炼还原）
和带钢铸造等。各类精炼钢、纯净钢、预硬化钢材、
涂层钢板、复合钢板等将广泛应用，性能更规范，
质量更稳定。
钢铁生产正从粗放型向集约型转变,全面提高
技术素质，实现优质高效节能降耗和环境保护，以
保证可持续发展。将进一步开发钢材品种，并大力
提高钢铁产品的质量和性能。如严格控制杂质元素
含量和化学成分，力求显微组织均匀和力学性能稳
定等。
2.新材料的研制与开发
1）高效金属材料
为了实现工业可持续发展，
必须大幅度地提高材料的使用效
能，因而高效材料应运而生。如
高效钢不仅强度比现在的钢铁提
高一倍，而且耐磨、耐蚀等性能
也将大幅度改善。
2）金属间化合物
金属间化合物具有高温强
度高、抗氧化性能好、密度低等
优点，因而最先用于航空航天领
域。现除了 Ni-Al系,Fe-Al系等
金属间化合物早已用于一般机械
制造外,Ti-Al基合金用作汽车
排气阀材料也已受到重视。
图 1-61
金属间化合物制品
（ 1）先进的金属材料
3)快速冷凝金属材料
由于快速冷凝比常规冷
凝速度快得多，可获得一系列
非平衡态的非晶、微晶金属合
金。如类似玻璃的某些结构特
征的金属玻璃，具有超耐蚀和
高强韧等特性，可用于制作变
压器铁心等。
4）超细颗粒纳米金属材料
超细颗粒泛指直径 小于
100nm的颗粒，一般由几千
个原子组成。在电子、化工,
原子能、航空航天和生物医药
等方面有着广泛的用途。
图 1-62 激冷铸铁金相组织
（ 2）先进的高分子材料
1）高性能工程塑料
通过改革单一聚合物的
聚合态或将不同聚合物共混，
可使是产量大、价格低、性
能一般的通用塑料（如聚乙
烯和聚丙烯等）变为高强度、
超高韧性的工程塑料。
2）功能高分子材料
具有导电、光敏或磁性等
功能的高分子材料和医用高
分子材料、仿生高分子材料、
环境友好高分子材料、信息
功能高分子材料以及高分子
材料的再生利用技术等，可
望在未来取得较大的进展。
图 1-63
高性能工程塑料
（ 3） 先进的陶瓷材料
1）结构陶瓷
性能更优异的 Ti3SiC2、
Ti2AlN等陶瓷材料正在得到开
发。多相复合材料有利于陶瓷
的强化和增韧，如纤维或晶须
增强的 陶瓷基复合材料,异相
颗粒弥散分布的 复合陶瓷 等。
精细陶瓷所用的粉料正从微米
级向纳米级发展，性能更好。
如纳米级氧化锆粉料的烧
结温度可降低 400℃, 制品密
度可达到理论密度的 98%,且
具有 400%的塑性伸长率。 图 1-64 结构陶瓷
2）功能陶瓷
功能陶瓷正向 可靠性, 多
功能, 微型化, 智能化, 集成
化 的方向发展。
如低损耗、低温度特性、
大容量、超薄型的多层电容器
材料与制备技术。用于微型机
械的高性能压电陶瓷和驱动陶
瓷，以及气敏陶瓷材料和环保
用陶瓷等。特别是近年来出现
的用于催化反应工程的无机分
离催化膜陶瓷，具有广泛的应
用前景。
图 1-65
陶瓷驱动器件（功能陶瓷）
（ 4）先进的复合材料
1） 有机 -无机复合材料
通过 精细控制 无机超微
粒子在高聚物中的分散与复
合，可仅以很少的无机粒子
含量，就能在一个相当大的
范围内有效地改变复合材料
的综合性能。如 增强、增韧
和抗老化 等，且不影响材料
的加工性能。该技术可望替
代目前品种极多的高分子材
料，同时也为提高材料的循
环利用率创造了良好的条件。
图 1-66
玻璃钢复合材料
2） 纳米复合材料
即 由两种及两种以上的固
相至少一个方向上以 纳米级
尺寸复合而成的材料。
人工合成的有机 -无机纳
米复合材料，既具有无机物
优良的 刚度、强度和热稳定
性,又具有聚合物的 加工性
能和介电性能,可望在各种
新技术领域获得广泛应用，
且是探索高性能复合材料的
一条重要途径。 图 1-67
Al2O3-ZrO2(3Y)-SiC
纳米复合材料组织
思考题
1.工程材料的发展趋势如何？
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据预测,21世纪初期，
金属材料在工程材料中仍
将占主导地位，其中钢铁
仍是产量最大、覆盖面最
广的工程材料，但非金属
材料和复合材料的发展会
更加迅速。
今后材料发展的总趋
势是,以高性能和可持续
发展为目标的传统材料的
改造及以高度集成化、微
细化和复合化为特征的新
一代材料的开发。
图 1-60 航天飞机
1.生产工艺的完善和开发
完善传统的冶金工艺和开发新工艺, 是钢铁工
业技术进步的两大趋向，其中包括洁净钢冶炼、转
炉少渣炼钢、非高炉炼铁（如直接还原和熔炼还原）
和带钢铸造等。各类精炼钢、纯净钢、预硬化钢材、
涂层钢板、复合钢板等将广泛应用，性能更规范，
质量更稳定。
钢铁生产正从粗放型向集约型转变,全面提高
技术素质，实现优质高效节能降耗和环境保护，以
保证可持续发展。将进一步开发钢材品种，并大力
提高钢铁产品的质量和性能。如严格控制杂质元素
含量和化学成分，力求显微组织均匀和力学性能稳
定等。
2.新材料的研制与开发
1）高效金属材料
为了实现工业可持续发展，
必须大幅度地提高材料的使用效
能，因而高效材料应运而生。如
高效钢不仅强度比现在的钢铁提
高一倍，而且耐磨、耐蚀等性能
也将大幅度改善。
2）金属间化合物
金属间化合物具有高温强
度高、抗氧化性能好、密度低等
优点，因而最先用于航空航天领
域。现除了 Ni-Al系,Fe-Al系等
金属间化合物早已用于一般机械
制造外,Ti-Al基合金用作汽车
排气阀材料也已受到重视。
图 1-61
金属间化合物制品
（ 1）先进的金属材料
3)快速冷凝金属材料
由于快速冷凝比常规冷
凝速度快得多，可获得一系列
非平衡态的非晶、微晶金属合
金。如类似玻璃的某些结构特
征的金属玻璃，具有超耐蚀和
高强韧等特性，可用于制作变
压器铁心等。
4）超细颗粒纳米金属材料
超细颗粒泛指直径 小于
100nm的颗粒，一般由几千
个原子组成。在电子、化工,
原子能、航空航天和生物医药
等方面有着广泛的用途。
图 1-62 激冷铸铁金相组织
（ 2）先进的高分子材料
1）高性能工程塑料
通过改革单一聚合物的
聚合态或将不同聚合物共混，
可使是产量大、价格低、性
能一般的通用塑料（如聚乙
烯和聚丙烯等）变为高强度、
超高韧性的工程塑料。
2）功能高分子材料
具有导电、光敏或磁性等
功能的高分子材料和医用高
分子材料、仿生高分子材料、
环境友好高分子材料、信息
功能高分子材料以及高分子
材料的再生利用技术等，可
望在未来取得较大的进展。
图 1-63
高性能工程塑料
（ 3） 先进的陶瓷材料
1）结构陶瓷
性能更优异的 Ti3SiC2、
Ti2AlN等陶瓷材料正在得到开
发。多相复合材料有利于陶瓷
的强化和增韧，如纤维或晶须
增强的 陶瓷基复合材料,异相
颗粒弥散分布的 复合陶瓷 等。
精细陶瓷所用的粉料正从微米
级向纳米级发展，性能更好。
如纳米级氧化锆粉料的烧
结温度可降低 400℃, 制品密
度可达到理论密度的 98%,且
具有 400%的塑性伸长率。 图 1-64 结构陶瓷
2）功能陶瓷
功能陶瓷正向 可靠性, 多
功能, 微型化, 智能化, 集成
化 的方向发展。
如低损耗、低温度特性、
大容量、超薄型的多层电容器
材料与制备技术。用于微型机
械的高性能压电陶瓷和驱动陶
瓷，以及气敏陶瓷材料和环保
用陶瓷等。特别是近年来出现
的用于催化反应工程的无机分
离催化膜陶瓷，具有广泛的应
用前景。
图 1-65
陶瓷驱动器件（功能陶瓷）
（ 4）先进的复合材料
1） 有机 -无机复合材料
通过 精细控制 无机超微
粒子在高聚物中的分散与复
合，可仅以很少的无机粒子
含量，就能在一个相当大的
范围内有效地改变复合材料
的综合性能。如 增强、增韧
和抗老化 等，且不影响材料
的加工性能。该技术可望替
代目前品种极多的高分子材
料，同时也为提高材料的循
环利用率创造了良好的条件。
图 1-66
玻璃钢复合材料
2） 纳米复合材料
即 由两种及两种以上的固
相至少一个方向上以 纳米级
尺寸复合而成的材料。
人工合成的有机 -无机纳
米复合材料，既具有无机物
优良的 刚度、强度和热稳定
性,又具有聚合物的 加工性
能和介电性能,可望在各种
新技术领域获得广泛应用，
且是探索高性能复合材料的
一条重要途径。 图 1-67
Al2O3-ZrO2(3Y)-SiC
纳米复合材料组织
思考题
1.工程材料的发展趋势如何？
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