金属材料在21世纪经济发展中的地位和作用在展望面向21世纪新材料发展的前景时，首先让我们回顾一下20世纪80年代新材料在整个世界贸易中的市场景象。尽管陶瓷、复合材料、塑料的平均增长率分别高达16．1％、8．1％和7．0％，而新型钢制品和新型有色金属制品的平均年增长率分别只有2．2％和3．7％，但是，新型钢制品和新型有色金属制品的营业额总和却超过了其他所有的材料及其制品的总和，从其基数大和增长率低这一客观事实可以得出两个观点：一是由于金属材料毕竟是发展历史悠久而且系统完整的传统材料，从中发展新材料的机率和比例相对较低；二是由于基数大而增长率低这一事实并不能掩盖新兴金属材料在新材料发展中的重要地位和作用。
根据多方面预测，21世纪世界钢产量仍处于上升的趋势，但各国的情况差别很大，美国已进入饱和时期，从经济和环境保护的角度出发，他们将减少本国的钢铁产量，进口部分钢铁并大力发展新材料；日本和欧洲共同体已开始进入饱和态；独联体也已进入成熟时期，但其居高不下的钢产量已经阻碍了工程塑料等新材料的发展；中国和其他发展中国家则还处在成长期，不是什么“夕阳工业”的问题。我国居世界第四，这是仅从数量讲。更重要是在品种、规格和质量方面，总的差距还是很大的，所以在相当长的时期内，我国包括钢铁、有色金属等传统金属材料在内的金属材料工业仍将处于重要的发展阶段，而新兴金属材料则更需迎头赶上世界发展的水平，并要特别注意我国富有的稀土和硼等资源的开发和利用。
金属材料从原来几乎一统天下的地位逐渐让出部分市场并为其他新材料所取代，这是符合历史发展规律的。但是，在可以预见的未来，金属材料仍将占据材料工业的主导地位，这种情况在中国等发展中国家尤其如此。这是因为金属材料工业已经拥有了一套相当成熟的生产技术和庞大的生产能力，并且质量稳定，供应方便，在性能价格上也占有一定优势。此外，在相当长时期内金属材料的资源是有保证的。
影响深远的光电子材料
光导纤维是光通信的传输材料。这种通信线路不是用一般的金属导线和电缆，而采用象头发丝那样细的透明玻璃纤维制成的电缆。玻璃纤维传导的不是电信号，而是光信号，所以玻璃纤维又叫光导纤维。利用光导纤维进行远距离通信的效率非常惊人，要比电缆的通信效率高十亿倍以上。
光导纤维是怎样传输信息的呢？大家熟悉的无线电通信，是靠电磁波在空间传播的。光实质上是电磁波的一种，只不过它比无线电用的超短波和微波频率高得多。玻璃纤维就是用来传导光波的导体。但是，光在任何物质中传导都会不断地衰减。实验表明：通过长一公里的光导纤维中的光束，至少要有30％在另一端出现才有实用价值，其中的关键问题是要有超纯的质量很高的玻璃纤维材料。人们用超纯石英或特种光学玻璃拉成极细的丝，直径和一根头发丝差不多。这种玻璃的纯度极高，杂质的含量不超过几亿分之一，它相当于在一千吨纯净物质中，落入一克的杂质。高纯纤维的出现，给光纤通信事业的发展提供了极有利的条件。
光纤通信的优点是很突出的，它和普遍电缆通信相比，通信容量大、重量轻、耐腐蚀、不怕电子对抗，而且保密性好、建设费用低、施工方便，还可节省大量的有色金属。例如，1000公里长的中同轴电缆，大约需铜五万吨，铅20万吨；采用光导纤维，只需几十千克石英玻璃拉成1000公里的光导纤维即可。现在的光导纤维都是石英制成的，不仅加工较困难而且价格高。为此，科研人员正在设法减小有机玻璃的光衰。这样，廉价的有机玻璃就可代替石英用于光纤，这无疑有着革命性的意义。
光纤通信不仅可以广泛应用在邮电部门，还可应用在军事、经济、科学技术、文化和人民生活等各个方面。由于它的容量极大，利用它可进行超高速数据传输，建立起灵活高速的大规模计算机网、四通八达的电视网，并可远距离传送全息图象。由于它的抗干扰能力极强，可以解决超高压输电网的通信联络，使自动化遥控装置最终摆脱高压电干扰。它应用在计算机、自动化系统和飞机、船舶、导弹等狭小空间的复杂控制系统中，可以避免大量电路之间的互相干扰而产生错误动作。
光导纤维除用于通信外，另一个重要用途是传能，即传输高强度的激光。
如在激光手术应用中，将激光器发射的光传输到需要手术的部位，尤其是内脏器官，与传统的手术相比，把病人的痛苦减小到极限程度。对这种传能应用来说，当激光波长在近紫外区到近红外区时，可以用熔石英为基的低损耗光纤；当激光波长在红外波段时，可采用重金属氟化物玻璃光纤，也可用硫化物或卤化物的单晶或多晶光纤。
光纤还有一个重要应用，就是制作光纤传感器。光纤传感器的原理是利用光纤材料的某些物理性能来探测外界物理量的变化。这类传感器在抗干扰和高灵敏方面有明显的优点，可用于遥感、遥测技术。所选用的材料有低损耗的熔石英玻璃和重金属氟化物玻璃，为使这类光纤传感器的灵敏度和选择性能更进一步提高，人们正在发展特种光纤。
光电子材料除光纤外，还有光学功能晶体材料、光电存储与显示材料等，人们普遍认为，今后20年左右将是世界高新技术发展的重大转折时期。21世纪，人类将从工业时代进入信息时代。信息时代到来的标志，是实现所谓“四A革命”，即实现办公室自动化、工厂自动化、实验室自动化和家庭自动化。四A革命将使过去由人来完成的许多工作越来越多地由电子和光电子材料所构成的系统来完成。光电子材料在光电子技术中起着基础和核心的作用，亦即光电子材料将使信息技术进入新纪元。
面向未来的先进超级陶瓷材料
陶瓷是一种古老的制品，它是由粘土或粘土加入石英和长石等的混合物经成形、干燥和焙烧而成的。在遥远的石器时代，原始人就在篝火上烧制出第一批陶器。
灿烂的中华文明和陶瓷关系密切。六千多年前的西安半坡村人普遍使用尖底汲水陶罐；五千多年前的仰韶文化时期出现了陶制纺轮和彩陶；四千多年前的龙山文化时期已采用了快轮制陶技术，制成了闻名中外的黑陶。有的黑陶表面光亮，厚度仅1～2毫米，称为蛋壳陶；秦始皇陵出土的大批陶兵马涌，制作之精美，气派之宏伟，被认为举世无双；唐代的“唐三彩”陶瓷至今还为人们所喜爱。五代时期我国的陶瓷技术已登峰造极了，这时生产的陶器被誉为“青如天，明如镜，薄如纸，声如磐”。以后的历代名窖产品数不胜数，在一些国家词汇中，中国和陶瓷是同一个词“China”。中国的陶瓷于九世纪传至非洲东部和阿拉伯，13世纪传至日本，15世纪传至欧洲，对世界文化有很大的影响。
陶瓷的基本成分是铝硅酸盐，由于天然原料带有杂质，使陶瓷的一些性质受到损害。后来科学家用不含硅酸盐的天然原料，成功研制了性能更优越的陶瓷，从而出现了不含硅的崭新一代陶瓷，也叫现代陶瓷。常见的品种有二氧化物、氮化物、碳化物陶瓷及硼化物陶瓷等等。为了改善陶瓷的脆性和增加强度，人们又在陶瓷基体中添加金属纤维和无机纤维，组成复合材料，其中有的强度已经超过每平方厘米可承受一万千克的力，成为陶瓷材料的佼佼者。
碳化硅和氮化硅又被称为精细陶瓷材料，它们克服了一般陶瓷的致命弱点——脆性，有很高的韧性、塑性和耐磨性，并在高温下具有较高的耐热性，经几百次骤冷骤热试验不会产生破裂，抗冲击能力也比一般氧化物陶瓷强。
目前，精细陶瓷材料主要使用在尖端工业上，如微电子、核反应堆、航天、地热和磁流体发电、人工骨和人工关节等方面，由于工作环境原因，对其质量要求很严。精细陶瓷材料应满足以下三方面的要求：精选的原料——为了充分发挥功能，要选用高纯度的原料，颗粒要尽可能细；严格控制的化学成分——在制造时注意防止杂质混入和成分本身挥发。对烧结件的颗粒粒度、界面、气孔等要严格控制，以达到质量稳定和具有再现性；精确的形状和尺寸——精细陶瓷制件一般不经加工，直接使用，特别是陶瓷电子器件要求精度更高。例如，1982年日本进行了世界首次陶瓷柴油机的汽车试验，效果很好。采用精细陶瓷材料制造汽车发动机，可提高效率45％，节油30％。
把陶瓷粉与金属末混匀，经高温烧结，就得到了金属陶瓷，它兼有金属和陶瓷的特点，韧而不脆，硬而耐热。例如含20％钴粉的金属陶瓷是制造火箭喷口的材料。在高温中，陶瓷中的金属首先蒸发掉，热量被带走，温度随着降低，因而能在高温环境里工作。例如，美国“哥伦比亚”号航天飞机的外壳，便是由31000块金属陶瓷瓦片铺砌而成，经受了返回大气层时所产生的白热化高温的严竣考验。
高铝陶瓷是有名的“硬骨头”，用它作机器上的耐磨器件，其耐磨性能比金属高2～3倍。至于刚玉瓷、氮化硼陶瓷制成的瓷刀，更能“削铁如泥”。
类似的例子还很多，无怪乎专家们预言：人类将“重返”石器时代，不过这是一个全新的“石器时代”。在本世纪初，陶瓷科学将实现从先进陶瓷到纳米陶瓷（晶体颗粒大小为10～100nm）的飞跃。近些年来陶瓷科学的飞速发展为这一突破打下了良好的基础，而现代技术的发展则为这一突破提供了强有力的支持。电子显微镜，包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜的推广应用，特别是近年来高分辨电镜和分析电镜技术的发展，使人们有可能进入到纳米量级线度上来研究材料的组成和结构。现在人们已能直接观察到晶粒以及晶粒中的缺陷，从而为纳米结构的形成和控制研究提供了保证。当然，陶瓷科学家还需要在诸如纳米粉体的制备、成型、烧结等许多方面进行大量艰苦、细致的攻关，才能最终突破这一难关，实现陶瓷发展中的新飞跃。
材料的发展趋势
五光十色的物质世界吸引了许多甘愿为之献出毕生精力的科学家。分子或原子彼此间发生化学变化，生成了新的物质。人类就是在这些纷纭复杂的反应中，摸索规律，寻找新的材料，创造新的物质文明。人类社会的发展和材料总是密切相关的，将来也是如此。人类制造工具的历史，经历了石器时期、青铜器时期和铁器时期。目前，占绝对优势的仍是金属材料，但是，材料的发展趋势又是怎样呢？
材料科学的发展，将使各种结构材料的数量对比发生很大变化。由于复合材料博采众长，随着生产工艺不断完善，其种类会有所增加，用途也会扩大。未来的一段时期里，将成为复合材料的全盛时期，但这个时期只是钢铁向非金属材料过渡的开端和序曲，最终取代钢铁而在结构材料中占主导地位的将是高分子材料。高分子材料在一定程度上可以摆脱自然资源的限制，它们原料丰富，制造方便，产品多样，性能优异，在许多方面都远非钢铁、有色金属等材料所能比拟的。但是钢铁仍是主要的结构材料。今后，各国的钢铁产量还会增加，到本世纪末，将达到17亿吨。钢铁生产将向着冶金工业大型化、生产过程高度自动化方向发展，优质钢和特殊钢的冶炼规模还会扩大。
材料的应用效果和性能将不断提高。人们已经深入了解了原子间结合的内聚性规律，这将提高材料的机械性能。把现有材料加以改造，有可能大大提高其性能。例如聚乙烯这种高分子材料的分子链很长，排列很乱，强度也差。如果使其分子排列的整齐度达到10％，就可以使它的强度超过钢铁。由于材料内部组织结构存在着位错，夹杂和微裂纹等缺陷，使得实际强度和理论强度差别很大。人们将通过固体理论研究和改进工艺来解决这一问题。试验表明：提高结晶速度能有效地改善和提高金属及合金的性能，特别是增加强度。
具有特殊性质和功能的新材料会被不断研制出来，以适应新技术革命的需要。目前，对特殊元素材料的研制十分重视。例如，铪、铼、钼、钽等难熔金属；镓、铟、碲等稀有分散元素；铍、锂、镉、锶等轻金属。这些材料用量虽不大，但是影响到电子技术、新能源及尖端科学技术的发展。因此，近年来一些发达国家对特殊材料的研制取得了很大进展，生产出了许多性能优异的新材料。
开展极端条件下材料性质的研究，是开拓研制新材料的一个新途径。某些物质在超高压、超高温、超低温、超快速冷却等极端条件单独或综合作用下，会表现出异常性质。例如在超高压下物质原子间的自由空间减小，或电子壳层发生很大变化，结果使绝缘体变成导体、液态氢变成金属氢；高温高压下，碳元素材料可以变为金刚石。
我们如懂得将自然科学知识在技术中应用，并使其符合实际情况，就能迅速地将这些知识作为方法和生产手段用于生产，到了21世纪年我们将就占有更多、更好的具有适当性能的材料。
21世纪的突破
全球经济腾飞的洪流，势不可挡，汹涌澎湃，冲击着科学、技术、产业、文化的经络，展示出21世纪的宏伟蓝图。材料仍然是21世纪经济发展的柱石，科学家们已经预言：非晶态如繁星密布；高温超导将掀起第四次技术革命；纳米将是21世纪的材料新单元；高分子将功盖全球。这一切将汇成21世纪的最强音，人类的文明将进入新纪元。
繁星闪烁非晶态材料是材料科学中一个广阔而又崭新的领域。自然界中的各种物质，按组成物质的原子模型，分为两大类：一类为“有序结构”的晶态物质，它的原子占据着布拉菲点阵上的顶点，而每个晶胞则呈有规律的周期性排列。另一类是气体、液体和某些固体（非晶固体）则称为“无序结构”。气体相当于物质的稀释态，液体和非晶态固体相当于物质的凝聚态。液体分子就像口袋里装着的小弹子，一个紧挨一个地密集堆叠在一起。气态或液态也可获得非晶态的固体。非晶态固体的分子好像液体一样，以同样的紧密程序，一个紧挨着一个无序堆积（杂乱无章地堆积）。所不同的是在液体中，分子很容易流动。而在稠密的糊状物中，分子滑动则变得很困难。非晶固体中的分子则不能滑动，具有固有的形状和很大的刚硬性，被称为“凝结的液体”。