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刘锦川：泰坦尼克号船难和911都与材料有关

解说：从陶、青铜、铁到种类繁多的各种金属，材料的开发，推动了人类的文明进步，也促进了现代工业科技的发展和创新，不过因为材料的缺陷，也曾酿成人类历史上的大悲剧，刘锦川教授继续带大家探索材料的奥秘。

刘锦川：第一个悲剧事件就是百年前发生的铁达尼号邮轮的沉没，发生在1912年。第二个事件就是近年来9·11恐怖事件造成纽约世贸大楼的倒塌，这是发生在2001年，根据我们的分析，这些悲剧事件的发生，都与材料有密切的关系。铁达尼号这个船的船身是钢铁做的，当时的钢铁做得不够好，钢铁在低温有脆性，所以当这个船碰到冰山的时候，船身就断裂，造成船的很快的沉没。一共死了多少人呢？死了1500多个人。很重要一点，这个1500人都是非常有钱的人，因为这是非常豪华的邮轮，所以大家非常关注。其实在19世纪的时候，很多船桅断裂，都是因为，因为铁出了问题。这个问题一直没有被解决，一直到70年以后，在1980年的时候，材料科学家才找到了答案，答案是什么呢？就是早期做出的钢铁含有杂质，什么杂质呢？硫黄硫，如果铁里面含了0.1%的硫，这个铁在低温就有脆性，就造成所有的惨剧发生，现在的钢铁，好的钢铁，硫的含量必须在0.05%以下，这样低硫的钢铁，它的韧性就很好，硫有什么问题呢？因为硫会偏析到铁的晶界上。把晶界脆化，所以一撞这个铁就开始断裂了。美国9·11事件，发生在2001年9月11号清晨，恐怖分子用飞机撞击纽约世贸大楼的北楼。当时飞机的速度多高呢？在接近500英里每小时，撞到大楼，其实在纽约的世贸大楼建筑得非常好，撞不容易把大楼撞倒，怎么倒的呢？是因为飞机上，有将近1万加仑的油料，油料造成大火，火把建筑烧到差不多600度的高温，这个使得大楼的钢筋开始软化，钢筋软化之后造成整个大楼的倒塌，这个惨剧发生死了多少人呢？死了3000多人，受伤超过6000以上，这个事情发生之后美国国家安全局就在研究，到底是什么原因使楼倒塌？结果结论是什么？就是因为里面的钢筋材料不能耐高温，所以说高温，钢筋软化造成所有的问题，所以以后欧美现在规定，在高楼的时候，这个钢筋必须要在600度的时候，（强度）相当于室温的一半以上（的强度），（这样的钢铁）才能够做大楼。

解说：灾难造成的极端状况，让人类更加清楚地认识到了，材料的特性，科学家们开发新材料的努力，也从未停息，材料与工业发展和科技创新又有着怎样的关联呢？某电器公司的总裁，这个人叫Kobayashi，他说过一句非常经典的话，把材料与工业（之间）连在一起，这话怎么说的呢？他说Those who control material，controls industry and techology，我再一遍这话非常重要，Those who control material，controls industry and technology。如果把这句话翻译成中文，它就是说材料主导工业发展和科技创新，关于材料与工业的关系，我举几个例子来说明一下，我想大家都坐过喷射飞机是吧？喷射飞机动力来自涡轮发电机，涡轮发电机的核心部件是什么？是叶片，这个叶片要在1000度左右的高温运转，它需要抗高温，抗高压，经过40年努力，在1980年才正式开发了非常好的所谓双向镍基合金，镍基合金是nickel base alloys，这个nickel base alloys目前是世界上最好的高温材料，这个材料经过不同的工艺，做成等轴晶体，柱状晶体或单晶。就是因为了有这个高强度的双相镍基合金，我们现在才可以坐了喷射机到各处去旅游玩。但是这个镍基超高温合金，有它好处，也有它缺点，第一个缺点是什么？它的比重过高，镍基超高合金，它的比重在9克每立方厘米。这样子你看看下面一个图。关于发动机在左边、发动机怎么样？需要高速运转，就你如果这个叶片太重的话，需要消耗很多的能量，而且发出很多的噪音，这是一个缺点，在2009年的时候，美国的某航空公司，成功开发一种新的轻型的高温合金，它叫钛铝介合金，它的合金可以取代镍基合金，在低温部分。高温部分还是镍基合金比较好，这个钛铝合金的好处它的比重是镍基合金的60%左右，所以它轻很多，你看这个指标如果把一部分的叶片从镍基合金取代为钛铝合金的话，这个可以发动机减重多少呢？400磅。降低能量消耗15%，可以降低噪音和废气50%以上，非常非常显著的成功。

解说：镍基合金是非常好的高温材料，但由于熔点不够高，1970年初美国研发航天器发动机时，就遇到了困难，要想成功发射就需要有能够满足苛刻条件的新合金，这一次成功研发出新型创新材料的关键人物又是谁呢？

刘锦川：我在1970年是在美国橡树嶺，那时候做合金研发，所以我们和其他很多同仁在两到3年之内就开发了铱基的新合金，这个铱基有什么好处呢？它熔点很高，它熔点在2450度而且很好地抗氧化，当然它有很多缺点，这个缺点我们都解决了，成功开发了铱基超合金，这个合金从1975年开始用在各种美国的升空航天器上都非常成功，这是一个叫美国卡西尼深空探测器，在你的左边。2004年，就是七年之后，这个深空探测器已经到了土星，就是太阳系的第六颗行星，现在卡西尼号已经远离了太阳系，但是仍然把美好的电子信息传递到地球来，使我们了解太阳系的很多特质，而且可以研究宇宙的很多神秘现象。我们认为这个纳米钢可以解决中国很重要的污染问题，现在我们在研发3D打印和粉末冶金这些技术都可以降低材料的消耗。

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解说：刘锦川研发的新型材料曾经为美国航天器的升空解决了关键的技术难题，如今他把关注点放在了我们国家面临的越来越严峻的环境污染问题，从材料学的角度又能做出怎样的突破呢？

刘锦川：中国发展一般钢铁之后造成很多污染问题，我们认为纳米钢可以解决中国很重要的污染问题。中国生产钢铁和世界钢铁的产量，这个圆盘可以看到，在2014年就是一年多以前整个全世界钢铁的产量，在14亿吨左右，而中国生产的钢铁在8.2亿吨，差不多是一半以上，但是你问了，中国为什么要有这么多铁？这是因为钢铁是中国经济发展和基础建设最重要的材料，给大家很快看一下，这个钢铁用在什么地方？下面一个图看一下，大家熟悉两种重要的建筑物，一个是北京鸟巢，你看鸟巢用了多少铁？用了42000吨的铁。再看右边这个台北101的大楼，用了更多的铁，用了97000吨的铁，两个加起来差不多用了14万吨左右的铁，这本来是铁很重要，也必须要的对不对？但中国大量生产钢铁之后带来了严重的污染问题，大家很关心的雾霾问题，在2014年中国二氧化碳的排放量多少，一共是93亿吨，这么大，不得了啊，看看什么东西造成二氧化碳产生？里面有六分之一产量来自钢铁的生产，还有六分之一来自水泥的生产，这两个加起来就是中国产生二氧化碳的三分之一。当然很多方法解决减少二氧化碳的排放，但是从材料的角度上我们认为最好减少的策略就是减少钢铁的生产，我们开发高性能钢，来取代低性能的钢，这样可以减少钢铁的生产，可以减少钢铁所带来的排放。下面一个图看一下，看看我们现在目前在香港城市大学开发的所谓纳米钢和一般钢的比较，纵坐标是强度，横坐标是延伸度，一般基础钢在现代用的它的强度大概是300MPa到400MPa左右，现在我们在香港城市大学在开发出来的新型纳米钢，它的强度你看图看看，可以到1800MPa，为什么这个钢铁这么好？因为我们想把在钢铁里面产生很多纳米的强颗粒用颗粒来强化钢铁，所以说我们现在在钢铁它的强度是一般钢铁的差不多4倍以上，假如说用这个钢铁取代一般钢怎么样？那么可以减少钢铁生产70%，也可以减少二氧化碳的排放量70%，非常巨大的结果。假如我们能够减少二氧化碳的产生，而且开发高强度的钢，对环保节能、经济发展，国防建设都十分重要，最后给大家很快谈一点就是将来新材料它的发展方向是什么？我认为第一点材料的研发和制备工艺都极为重要，这是中国最缺的就是说制备工艺方面，这点我讲过了，在日本制备工艺非常高，成分控制，杂质控制都比一般好。第二个要点就是材料要越轻，材料质（量）比（重）越小越美好，small is beautiful，第三个材料制造对环境的污染越低越好，第四个，材料制造的成本可能要越低越好，现在我们在研发3D打印和粉末冶金这些技术都可以降低材料的消耗，也可以减低能量的用处。目前很重要一点，目前中国正在计划成立国家先进材料专项，用来快速研发新材料，我们希望这个大计划，国家的新计划，能够很快地落实，来帮助我们更快来开发新材料。最后来总结，总结我要再强调几点，就是我今天讲的要点，第一个要点希望大家知道，材料是人类文明进步的里程碑，它也是构筑了我们的世界。第二点，材料也是人类赖以生存或发展的物质基础，所有科技进步工业发展的核心，下面一点，不断开发和有效地使用新材料的能力，是衡量社会技术水平和未来科技发展的重要尺度。最后一点请大家知道，材料主导工业发展和科技创新。希望大家知道这句话很重要，谢谢大家！

田桐：非常感谢刘教授刚才给我们带来的精采的演讲，就刚才这段演讲有哪些问题想向刘教授进行提问的？来，举手示意我。

观众1：刘教授您好！我是来自广东实验中学的一个高一女生，我叫梁诗瑞（音），然后你之前提到就是说像现在在中国我们的钢铁制造业会制造很大的污染，那现在也有很多的新材料它可以在应用方面有很高的科技，那它可能花费会比较多，所以我就想问一下，怎么样在金钱还有它的应用的科技以及它的污染方面去找到一个平衡的点？

刘锦川：对，这个问题提得实在非常好，对不对？永远在工业上要考虑它的性能，制造条件，污染和价格，把所有这些平衡一下看，最好的材料就是钢铁，钢铁又便宜而性能又好，举个例子讲，大家说认为一般汽车太重费油，要改成铝做，到现在还没有成功，为什么？就是铝的价格高太多了。它的性能也没有铁好，如果在所有的可能性材料我本人觉得开发高强度的钢，既便宜又性能好取代一般的钢，我们可以大量减少，因材料生产产生的污染问题。

观众2：刘教授您好！我是来自广东实验中学高一格致一班的康健宁（音），我们都用智能手机嘛，但是那个智能手机那个电池好像一直都不是很好用，就是用几下就没电了，我们有没有一种新型的材料，能延长电池的使用时间呢？谢谢！

刘锦川：电池这一个问题也是一个老问题，没有完全解决，据说最好的解决方法是用Graphene（石墨烯），据说将来如果开发Graphene（石墨烯）这种电池的话，它可以充电5秒钟，充电很快，可以使手机可以用差不多半年不需要充电，如果用5分钟的Graphene（石墨烯）做好的电池可以汽车开1000英里没问题，这是根据Graphene（石墨烯）的专家估计，不过现在还没有开发出来，什么时候开发出来我不知道，但是我告诉你一个事情，什么东西好东西价就特别贵，你猜猜看Graphene（石墨烯）多少钱？价钱你知不知道？

观众3：一千。

刘锦川：一克在目前的市场是5000块人民币，你看你怎么用？但我讲这句话有道理，举个例子讲，之前讲过铁在没有完全开发的时候，比黄金都贵，现在一吨钢铁的花费多高？只能买一打鸡蛋，所以说现在目前Graphene（石墨烯）这么贵，希望有一天我们开展（发）出来新方法（生产）Graphene（石墨烯），因为碳并不贵，也许有一天可以大量生产，非常便宜，但目前还没看到。

观众4：刘教授您好！我是香港大学的老师杨勇，听了你的报告，感到有很多的问题想问你，第一个问题想问的是说，你刚开始提到了一个在您的（演讲）开始讲到你读了一本书叫做《迷人的材料》，我想请问一下一些关于《迷人的材料）一些更多的细节，这本书怎样对不是材料专业的同学有更好的启发会对材料更好的认识？谢谢您！

刘锦川：对，这话问得也很好，这本书叫《迷人的材料》大概是两三年前才出版，他在书里列举了十种改变世界的神奇材料，各种材料，第一种材料是什么？钢铁。钢铁是最神奇改变世界的材料，列了很多，像玻璃、像塑料，各种材料都很好，我觉得建议大家对材料有兴趣，可以念这本书。

田桐：材料是人类赖以生存和发展的物质基础，得益于材料科学的进步，我们有了远洋航行的巨轮，有了高耸入云的摩天大厦，也有了进入太空探索的航天器，我们也期待未来材料科学能在发展方便我们生活的同时，带来环境的更多改善。感谢您收看这一期的《世纪大讲堂》如果想参与节目互动的话，可以扫描屏幕下方的二维码来深入讨论，我们下周再见。

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