人類的歷史，其實是按材料來分的？

楊銳：上海科技大學 特聘教授

人類的歷史，其實是按材料來分的？從石器時代、工業革命到現在的硅時代，材料早已滲透到日常生活。上海科技大學的楊銳教授致力於鈦合金研究，讓鈦在醫療、機械、航天領域都發揮了極大作用。請聽他在@一刻talks《了不起的好奇心|科學俠》中的分享。

文章共2569字，閱讀需要9分鐘

楊銳：我叫楊銳，從事材料科學與工程研究，具體來說是鈦合金研究。鈦合金是相對年輕的一種金屬，從1950年到現在大概有60、70年的歷史了。我們一般講鋼是第一金屬，鋁是第二金屬，鈦是第三金屬。鈦的特點是重量比較輕，強度比較高，有時候還能在高溫環境下用。所以一般在航空航天領域用得比較多，比如發動機裡面。因為它耐腐蝕，比不鏽鋼還耐腐蝕，一般也可以在海洋裡面用。所以鈦的用途還是比較重要，比較廣泛的。

我在英國做博士後的時候，獨自研究過一種典型的金屬間化合物，就是金和銅混在一塊兒的叫金屬間化合物。我在大學學的專業是發電廠材料，我小時候下放的時候，在農村沒有電，覺得電比較神奇，所以大學學的是發電廠用的材料。我們知道當時火力發電廠，像燒煤的發電廠用大量的高溫材料。發電廠是用煤把水加熱成水蒸氣，靠水蒸氣來推動發電機。水蒸氣溫度比較高，材料的使用環境比較苛刻，長期在高溫下用，裡面還有壓力，管道就像高溫容器一樣，搞不好就容易出事。發動機這些動力都需要用高溫材料，所以我是從高溫材料慢慢接觸到航空發動機，讀研究生的時候，因為航空發動機在天上飛，所以不能用鋼，要用鈦合金這類輕質高溫材料，所以我是從這兒轉到做鈦合金材料的。

一般人類歷史，基本上是按材料來分的。比如我們最老的是石器時代，就是在公元前4600年到2300年。在公元前2300年到700年應該是銅器時代，青銅，我們現在看到的鼎這類東西，周朝的，都是青銅作的。再往後一直到公元後400年是鐵器時代，終於有了鐵了，鐵的強度高一些。但是我們看到最近，就是中世紀了，變化不大，我們國家是農業社會變化更不大。再就是到1786年左右，第一次工業革命，英國開始的，鋼鐵、鋼出來了。鋼跟鐵有什麼區別呢？鋼就是在鐵裡面加點碳，又加了不同的元素，剛才講了跟炒菜一樣，不斷試新的成分，它的強度提高很多，韌性也提高了，用來造大橋，造鐵路。這是第一次工業革命。第二次工業革命，代表性的電出來了。電要傳導，銅和鋁的導電性比較好，剛才說的第二金屬也出來了。鈦是航空航天用的，它是1950年二次世界大戰之後出來的新金屬。這就是我們為什麼有大規模的民用飛機，大家飛行旅行，到歐洲也就10個小時。我們看1964年集成電路出來之後，我們現在有計算機信息行業，因為用硅，就進入了硅時代，到現在還沒結束。所以人類，從過去的五千年，你完全可以用幾種材料，來概括每個時代的標誌。硅到啥時候結束呢？硅現在已經快接近極限了，到下一步可能沒有一種單一的元素了，可能幾種元素混合起來共同作為一個時代的基礎，可能在未來的兩三百年。

我們國家鈦的儲量是世界第一，所以在我們國家推廣應用鈦還是十分必要的。鈦有一個好處，它跟人體是比較相容的，是最相容的一種金屬。因為鈦的強度高，重量輕，所以一般像我們的腿骨，如果運動或者是車禍受了損傷，裡面都是用鈦合金的。像老年人，骨質疏鬆、髖關節都是用鈦合金來做的，所以鈦是跟人的生命、生活緊密相關的一種金屬，這是根據用途來說的。一般來講，我們天上飛的東西總是越輕越好，因為鈦的比重較小，所以總是希望用它來代替一些更重的，像鋼，像一些高溫材料。同時，如果一種材料強度越高，零件重量就會越輕，那麼它就可以做得越薄。所以我們總是希望提高強度，希望用到更高的溫度，但是這都是有難度的。溫度高了之後，可靠性就差一些，所以怎麼解決這些矛盾，就是我們要研究的主要內容。航空航天的研發周期是比較長的，所以突破也是比較慢的，但是一旦有突破，它的效益還是比較好的。

比如鈦合金裡面，我們現在希望把它做得更輕。有一種鈦合金加一半的鋁，一半的鈦，就形成一種前面說到的金屬間化合物。咱們中學都學過離子鍵，共價鍵，這就是有點帶共價鍵性質的鈦鋁，它的比重比鈦還低，像鈦的比重大概是4.5，一般鋼的比重大概是8以上。那麼鈦鋁的比重只有4，所以就更輕。鈦鋁同時耐溫度更高，所以如果能用鈦鋁再來替換普通的鈦合金，發動機就可以有更大推力，重量也更輕。換句話說，就是飛機可以跑得更快，耗油量會更小。我們現在講排放這些，就會減少，它對環境的衝擊會更小。我們現在旅行大量坐飛機，排放量還是比較大的，如果能把排放量降下來，對保護環境也是很大的貢獻。

我們國家現在要發射空間站，要登月，這就需要大推力的火箭，這裡面最關鍵的是發動機。我們看火箭那麼大，現在登月為了環保，就不能用以前的老發動機，老發動機推力也不夠。那麼新的發動機，要麼是液氧煤油發動機，要麼是液氫液氧發動機，這兩種發動機配合起來，才能做成大推力的發動機。這就是為什麼你會看到火箭有那麼大的體積，它裡面90%裝的是液態燃料，下面就是發動機。為了上天，需要有一個泵，把液態燃料打到發動機這兒，打得越快，燃燒就越快，推力就越大。泵的關鍵是渦輪，渦輪材料以前國內做不出來，後來讓我們做，我們當時還不知道怎麼做。應該說，我們的一個設備大概是2000年左右買的，買回來之後不知道幹什麼用。當時又沒有房子裝，還要重新蓋房子，蓋了五年，才把設備裝上。裝上了又沒有人做這個事情，所以我的一個學生畢業之後，跑到福特汽車廠工作。後來他一聽說這個設備裝好了，他又跑回來了，跑回來做這個事。正好我們接到這個任務，就讓他做這個事情了。一年半之內這個事情做出來了。所以我們覺得，我們花了很短的時間，也是事先沒料到的一個事情，在很短的時間內突破之後，我們國家的長征五號上天了。2016年11月份上天的，今年可能還有兩次發射，所以這是我們覺得比較自豪的一個科研項目，也為國家作出了貢獻。

我是學工科的。對於美，我個人感覺，它是動態的，同時也是個性的體驗。每個人看到的美不一樣，同一個美你看一遍感覺很美，看多了就麻木了，這就是所謂的審美疲勞。那麼我想科學家創新之美在於他總是第一個看到，非常激動，所以很震撼，一個東西看多了自然就平淡了，所以我覺得這是創新之美根本的體現。我們第一個看到一個不一樣的事物，第一個發現一個獨特現象，你會感覺非常激動，非常振奮，這是科學家創新最大的動力之一。

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