引 言

高技术材料已经对人类生活的质量产生了巨大的影响。一个国家的兴衰程度几乎与利用这些材料的数量直接相关。事实上，我们可以把利用高技术材料的量作为一个指数，据此把发达国家与发展中国家明显地区别开来。过去几年中，发达国家在这些高技术工业方面的投资是巨大的，某些材料的投资得到了天文数字大小。

当今发展最快的、或许也是社会最需要的就是与材料有关的工业。不幸的是，这些高级材料并未进入发展中国家的市场，而且这些国家中，多数国家在这一方面几乎没有或纯粹没有工业上的尝试，更不用说研究与开发了。然而，为了改善最贫穷的发展中国家人民的生活质量正是需要代表发达国家所取得进步的这些材料。几乎所有的发展中国家迫切需要的毕竟还是改善的交逋运输设施、通讯设备及更好的能源替代物。

当谈到发展中国家时，人们一定会想到其情况各异。有些小的发展中国家经济上富裕，也有一些经济上非常贫穷。有些大的发展中国家经济落后，且其中一些国家人口过剩。具有雄厚的科技基础的发展中国家寥寥无几，他们可以看到现代材料影响的唯一途径就是进口这些材料。如果国家很小的话，这或许是唯一的选择。不过，对于大的发展中国家而言，对这些材料的需求量也大，为了改善人民的生活，大批量进口这类材料其经济条件也不许可。因此，这些国家必须采取战略措施，引进这类先进技术来解决普通百姓的生活问题。

印度的情况是独特的，虽然贫穷，人口过剩，但它具有雄厚的科技基础。目前，在究竟采用哪种战略通过应用科学技术来解决人民最迫切的问题上，印度正进退两难。同许多其它国家一样，要发展的三个关键性部门是通讯、交通与能源。这些部门是发展科学技术的基础。在获得非常重要的社会一体化方面，交通运输起着关键性的作用。这三个关键性部门我们不能看作是难题，而是机会。

通讯、能源和交通运输所需求的材料在研究与开发方面给我们提出了有趣的挑战，并且需要大量的投资。在开发这些材料方面，化学家能奉献许多东西，固体化学研究的是特制固体的设计、合成、结构与性质。作者在本文中将简短地讨论上述三个关键性部门所需求的高级技术材料并阐述其与化学的关系。

几种材料的综述

复合材料 聚合物无疑使我们的生活方式发生了革命性的变化。塑料的年消耗量是一个“发展”指数。当今世界，年平均消耗量是11千克（譬如像印度这样的发展中国家少于1千克）。由塑料或加固塑料（FRP）制成的复合材料应用很广。在美国，复合材料用于交通与航空设备达26%（印度是5%）。FRP（玻璃钢）的年消耗量，美国达850000吨，日本是300000吨（印度是6000吨）。FRP应用于汽车及其它交通设施是众所周知的。由强化纤维（碳、硼或aramid）制成的高效复合材料是航空航天工业新的结构型材料，未来的飞机将可能一多半是由这类复合材料组成。将来汽车也可能用这类材料制造。凯夫拉（Kevlar）纤维（密度比玻璃纤维低40%）在航空工业方面已经产生了巨大影响。碳 - 碳纤维复合材料已经显示出令人满意的结果和越来越大的潜力。

能源材料 我们的主要能源一直是水力发电、热力发电和原子能发电。像印度这样的国家，可以利用大量的太阳能且终年可利用。这样，制造用于转换太阳能的材料，其重要性就显而易见。利用太阳能的两种方法是光电和光电化学方法。就光电应用而言，硅仍然是主要的材料。砷化镓与硫化镉是具有特殊用途的太阳能电池材料。对光电化学电池来说，已经研究过几种氧化物和硫族元素化合物半导体。通过这条途径来制备廉价的氢气仍然行不通。电化学光电池还有几分希望。

燃料电池（氢气或甲醇）作为能量储存方法依然是吸引人的。稳定化的氧化锆是一种良好的氧固体电池。我们必须寻找到一种良好的质子导体用于甲醇燃料电池。

储氢材料（当氢气可以大量利用时）一直是研究的热门课题。钛化铁（FeTi）与五镍化镧（LaNi₅）是用于此目的的两种研究材料。已经生产或正在研制的蓄电池（或电化学电池）各式各样，但最可行的依然是铅 - 酸和镍 - 镉电池。对电动交通工具来说，可用的蓄电池有下列各种类型：PbO₂/Pb，O₂/Zn，O₂/Fe，NiOOH/Fe及NiOOH /Zn。微型电池（例如纽扣式银电池或锂电池）也在制造中。就锂电池而言，已经证明在层状材料（V₆O₁₈或TiS₂）中添加锂是行之有效的。在固体化学中，添加化学确实已成为一个主要的研究领域。可逆的聚乙炔电化学添加剂使制造蓄电池成为可能。

电子材料 晶体硅已形成许多半导体电子器件的支柱。众所周知其在计算机与各种设备中的应用。到目前为止，硅是适用于光电能量转换的唯一可行的材料。无定形硅，尤其是添加进第三族或第五族元素之后，似乎有可能成为光电转换或其它应用的良好替代品。利用含数层碳化硅的杂交结构，在宏观结构中已经获得大于10%的有效系数。

若干种Ⅲ—Ⅵ族元素及Ⅲ—Ⅴ族元素所组成的半导体亦应用于电子工业。必须特别提到的是砷化镓与含有铝添加剂的砷化镓，其光电转换系数很大（大于20%）。填充有第三族与第五族元素的砷化镓是用于光学通讯的优质光发射二极管材料（如GaAS_1-xP_x）。CaAs本身可用化学气相沉积法（CVD）（AsCl₃+Ga）或AsH₃与Ga及盐酸反应而制得。另一种方法是利用第五族元素的氢化物与Ga(CH₃) ₃之类的有机金属化合物反应。

超导体 高温超导性一直是所有科学家的梦想。由于某些铜氧化物在液氮沸点之上呈现超导性的发现，这个领域突然变得有一线希望。起初，人们发现具有K₂NiF₄结构的La_2-xSr_x，Ba_xCuO₄氧化物在30 ~ 40 k温度区间呈现超导性。然而，新型Y-Ba-Cu氧化物在液氮沸点之上显示超导性；这些氧化物似乎与钙钛矿结构有关。毫无疑问，人们将制定一些战略来生产在更高温度下（可能在室温）呈现超导性的新型氧化物及其它材料。固体化学家将无可置疑地奉献给这类材料方面的工程师们许多东西。在适当温度下一经发现超导性，空中运输就会成为可行的途径。那么，电力输送与磁开发（如MHD发电）将会发生革命性的变化。

铁子体（ferroics） 有一类称作“铁子体”的材料具有两种或多种取向状态或畴，通过施加一种或多种适当的力这些状态之间可以互变。这些材料也包括铁电体和铁塑体。这类材料中，有些（如LiNbO₃）是重要的光电材料。利用铁塑材料（如GaMo）可使颜色调制与光学转换成为容易的事情。人们对铁子体还需要进行更深入的研究。

在不久的将来，光子材料将很可能取代电子材料，至少部分地是这样。光子取代电子具有巨大的作用，故开发光子材料极其重要。值得注意的是合成这些材料的方法是关键因素。一个例子是把有机衍生物用作前体（例如，合成PZT和PLZT甚至BaTiO₃用的草酸盐、柠檬酸盐等）。光子材料对未来的计算机、通讯与激光技术将产生巨大的影响。

纤维 纤维通讯使当代通讯发生了革命性的变化。一般来说是纯的硅纤维用于这一目的（在没有中继器的情况下，在30多公里之间每秒钟可以输送140兆位）。由重金属氟化物制成的纤维目前非常引人注目。为了制备高纯硅，人们采用可水解的有机衍生物（如四乙氧基硅烷）的溶胶 - 凝胶方法。

光纤通讯所用的光源一般是镓 - 砷类型的Ⅲ-V族元素所组成的半导体（如Al_xGa_1-x As，Ga_xIn_1-x AS_yP_1-y）；大量的这类激光材料适用于不同的目的。

磁性材料 在开发钐 - 钴及有关的磁性合金方面，化学家的贡献很大。传统的铁磁材料在通讯工业方面应用甚广。就日本与美国而言，每年使用的软硬铁磁材料达6亿美元。最新的磁性材料是以铁 - 镍 - 硼为基质的具有高磁导率、低磁致伸缩及高机械强度的无定形合金。铁 - 钕 - 硼体系是迄今已知的最佳磁性材料。这些材料与新的超导材料无疑将开创磁性材料的新纪元。

陶瓷 不同于早期的铁酸盐，若干种高级陶瓷材料变得越来越重要。工程系统所需要的结构性陶瓷要求强度高、热导系数低、热震动阻率高、化学惰性及其它性质。结果证明氮化硅（Si₃N₄）是一种良好的高温应用材料，制备这种化合物有许多种化合物，包括CVD法与反应键合法。通过巧妙的化学方法分别用铝和氧取代硅和氮得到了另一种高温材料：氮化铝 - 氧化铝 - 氧化硅（Sialon）陶瓷；人们对几种修饰过的Sialon亦已进行过研究。由于其热导系数低，强化的氧化锆陶瓷用作涡轮机等设备中的绝热材料。改造强化的氧化锆，人们又发现了其应用。某些传感材料（如稳定化的氧化锆是一种氧传感器）也采用一定的陶瓷材料，这主要是氧化物陶瓷。

选择重点项目

在通讯、能源与交通运输这三个关键性部门中，每件事情似乎都很重要。各种材料的相对重要性对各个国家来说是不同的，这取决于其发展情况。不过一股来说，有些材料是极为重要的，典型的一些如下：

· 通讯方面：纤维；铁酸盐

· 能源方面：太阳能材料（光电材料，光电元件等）；蓄电池；燃料电池

· 交通运输方面：复合材料（FRP等）

在上述三个方面研究与开发的成功将会给每个国家带来好处，包括发展中国家。

有些研究与开发的材料仅仅在具有相当科技基础的国家中在不久的将来才会获得应用。这些材料中典型的例子有：

· 超导体：用于电力输送、磁铁与交通运输

· 高级陶瓷：用于涡轮机及交通运输

· 高效复合材料：用于汽车、飞机及航天设备

· 光电材料：用于光子设备

甚至在这些领域中，一旦技术变得可行，将会到处获得广泛应用，在发达国家与发展中国家之间应用的时间间隔也可能是很小的。

虽然研究投资集中于少数几个科学技术先进的国家，但我相信高级材料的研究与开发是终究会给全人类带来利益的一个领域。每个发展中国家将必须根据本国在科学技术方面的具体情况、可利用的天然资源与民族的优点来抉择其战略。不过，就印度这样的国家来说，当审慎地选定必须借或买的技术项目后，一定要在与本国关系较大的某些领域参与研究与开发，之外别无选择。各国之间携手努力、研究与开发高级材料给我们提供了莫失的良机并带来了很大希望。既然多数发展中国家承担不起开发新材料的投资，我们就应该考虑怎样才能让他们从其它国家的开发中最有效地获益。这是一个人类问题，并且是科学家的一项社会责任。

结 论

在通讯、能源与交通运输方面的高级技术材料向化学家提出了许多挑战，本文只是在几个领域举例说明，并非综合性的论述。在这些领域中，化学家必须做出很大的努力进行研究与开发。化学家在理解结构与性质关系的基础上利用他们在合成与设计材料方面独特的天资可以贡献许多东西。新颖材料的合成以及较新的合成方法将会给化学家提供充足的机会，例如前面述及的氧化物高温超导体的惊人发现。利用更新更好的技术对材料进行鉴定也给化学家提供了广泛的发挥能力的余地。

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* C. N. B. Rao教授曾经是国际纯粹与应用化学协会（IUPAC）的主席，本文是他在第六届国际应用化学研究大会上的讲话。