近代科技和生产的发展，可以说是一日千里，人类从乘牛车、马车到乘宇宙飞船；从点油灯照明到用原子能发电；从使用大刀长矛到发射导弹核武器，等等。科学技术能以惊人的速度发生巨大的变化，应首先归功于材料。
如果没有钢铁，再高明的技术工人也造不出汽车；没有高强度、耐高温的材料，再聪明的科学家也无法把卫星送上天；没有耐腐蚀、耐高压的材料，再勇敢的探险者也不能开发富饶的海洋资源……在科学技术史上，材料问题解决与否，往往成为创造发明成败的关键。新材料一旦应用，不仅大大提高了科学技术和生产力的发展，也使人类的活动方式发生翻天覆地的变化，而且给人类带来空前优厚的物质利益和精神上的享受，把千百年来梦寐以求的神话变成现实。
纵观近年来的成败得失，不少决策人逐渐意识到科技的进步，关键在于材料。为了说明这一观点，他们要求对一些重大科学和技术项目进行分析，并列举了一些材料在工业、农业、国防和科研等方面所起的作用及其建立的功绩，做为重要证据。
飞机发展的关键
1903年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，所用原料是木材和帆布。飞行速度每小时只有16公里，和骑自行车的速度差不多。1911年，铝合金研制成功，很快取代了木材和帆布，到第一次世界大战期间，全金属结构的飞机已很普遍了。从木布结构过渡到金属结构后，飞机的性能和速度获得一个飞跃。例如到1939年螺旋桨飞机创造的最高时速已达755公里，仅36年的时间，飞行速度提高了47倍。声音在空气中的传播速度为1200公里/小时，有些人试图用螺旋桨飞机超过音速，但都没有成功。失败和挫折使人们把音速看成是飞机速度无法逾越的障碍，简称“音障”。后来找到了失败的原因：原来空气是有压缩性的，螺旋桨飞机在高速飞行时，由于压缩空气的影响，机翼或其他部位的表面会出现“激波”，造成升力下降，阻力增加，阻碍了飞行速度进一步提高。于是人们寻求新的动力，造出了喷气式飞机。
但是，初期的喷气式飞机仍然没有超过音速，因为喷气发动机的进口温度很高，需要耐高温的合金材料，而英国研制出的镍基合金只能承受700℃，使发动机推力和飞行速度受到影响。到了50年代，高温合金有了进一步发展，已经能够制造耐800℃以上的高温合金，再加上采用了后掠角更大的机翼和其他减少阻力的措施，终于研制出一种飞行速度超过音速的喷气式飞机，突破了以前不可逾越的“音障”。这里，喷气发动机立了一大功，而耐高温合金材料则起了关键性的作用。
可是，在提高飞行速度的征途上，又出现了新的问题。这就是飞机以超音速飞行时，其表面因受到空气强烈摩擦而发热，使温度急剧升高。这种现象叫做空气动力加热。飞机的速度越快，温度也愈高。以飞机在同温层边界飞行（温度是-56℃）为例，当飞行速度等于音速时，飞机的表面温度为-18℃；2倍音速时，温度为98℃；当达到3倍音速时，飞机表面温度会升至300℃。从铝合金的耐热性来说，当飞机速度达到2倍音速时，铝的强度会显著降低；3倍音速时，就会发生空中解体。通常认为，飞机速度应在2～3倍音速范围内，这种空气动力加热又是一堵新的障壁，称为“热障”。
它对飞机的结构、飞行员工作环境和各种设备均带来不利影响，甚至危害。
因此，要制造表面耐温超过180℃，即飞行速度为音速2．5倍的飞机，就需要用钛合金（可承受550℃温度）代替铝合金。
近10年来，由于石油价格连续上涨，使民用飞机的燃油费用由1973年占航线直接使用费用的18％，上升到1982年的50％，从而迫使各飞机公司积极从飞机的减重入手，采用新的替换材料。
波音757是一种窄机身短程旅客机，载客190人；波音767是一种半宽机身中程旅客机，载客250人。新飞机的机身和机翼上，大量使用了改进的铝合金和复合材料。水平尾翼和垂直尾翼由于采用聚芳酚胺（凯芙拉）纤维和碳纤维复合材料，使重量比用铝减少了20％～40％。波音767飞机上有24个零部件共使用了3吨碳纤维与凯芙拉—49混纤复合材料，比早期采用的玻璃纤维—环氧复合材料还要轻。波音767还是第一种使用铝合金主起落架梁的民用飞机，而波音757飞机由于空间的限制，选用了钛合金主起落架。此外，两种飞机都增加了超高强度钢的品种和用量。
这样一来，一架波音767飞机由于采用复合材料减重450千克，采用超高强度钢减重900千克，采用改进铝合金减重363千克，三项总计共1．7吨。
据统计，飞机结构如减轻1千克，每年可节省燃料2900千克，可见其经济效益有多大。波音公司已在90年代的波音旅客机上，进一步扩大使用了复合材料。据称，除发动机和起落架外，大部分结构材料都能采用碳纤维和聚芳酚胺纤维，那么这架乘坐250人的飞机可减轻重量6吨！
航空发动机的改进是从两个方面进行的，一是更多地使用比重小的钛合金和复合材料，以减轻自重；二是更多地使用工作温度高的新型高温合金，以加大推力和提高热效率。1982年波音767飞机的发动机上开始使用单晶涡轮叶片。单晶合金的强度、疲劳寿命、耐腐蚀性和抗氧化性都比普通合金高，使整个热效应提高30％。
至于高超音速的航天飞机，其表面温度可达到1000℃以上，这时任何合金都无能为力了，只有采用特种复合陶瓷材料才行。
1981年4月12日，美国“哥伦比亚”号航天飞机发射成功，引起了世界的瞩目。航天飞机机身长37．2米，翼展23．8米，重量为68．8吨，大大超过了1969年登月的“阿波罗”飞船。它的主发动机使用液氢和液氧作燃料，加上外部燃料箱和两台固体燃料助飞火箭，发射时的全长达56米，实际重量2020吨。
航天飞机同时具有火箭和飞机两方面的特性，是一项极为复杂的综合技术成果，涉及空气动力学、气动加热、设计、制造、试验和计算机控制等技术。据美国宇航局称，航天飞机的关键技术有两项：重返大气层的热防护和长寿命火箭发动机。机身防热材料要求重复使用100次，火箭发动机要求连续飞行55次无大修。对于习惯于一次使用观念的火箭设计师，无疑是一次相当苛刻的要求。
航天飞机在空间执行考察任务后，由120公里轨道再入大气层时，表面最高温度可达1500℃。根据不同部位的工作条件，航天飞机使用四种防热材料：头锥和机翼前缘受气动摩擦最大，温度最高，超过1260℃，使用表面涂硅的碳—碳复合材料。这是一种以热分解石墨纤维布作为增强剂、碳化树脂为基体的复合材料；机身和机翼下表面需耐热650～1260℃，由24000多片高温陶瓷瓦组成；机身侧面和机翼上表面耐热370～650℃，由7000多片低温陶瓷瓦组成；货舱门、尾段、机身等部分温度不超过398℃，防热较为容易，采用聚芳酰胺纤维制造的毡瓦，是一种柔性可重复使用材料。
可以看出，航天飞机的热防护系统主要是由防热陶瓷瓦组成，防护面积占全机面积的70％，几乎可以说全身披挂陶瓷盔甲。高温陶瓷瓦和低温陶瓷瓦的尺寸分别是15×15×1．3～8．9厘米和20×20×0．5～2．5厘米，都是由直径1．5微米、纯度99．7％的氧化硅短纤维加入胶状氧化硅热压制成。
陶瓷瓦的特点是重量轻（密度0．14克/厘米3），耐热性和隔热性好，缺点是具有一定的脆性，并且根据不同的位置来变化形状和厚度，所以粘贴技术相当复杂，全靠人工一片片粘贴。美国第一架航天飞机“哥伦比亚号”
原订1979年11月上天，可是后来多次延期，都是因为防热陶瓷瓦出的毛病。
原来临发射前在地面试车时，贴在航天飞机机体上的陶瓷瓦在538～649℃已大片剥落。官员们大吃一惊，紧急召集了一个五人专家小组商讨对策。经过扫描电子显微镜观察后发现，这些剥落的陶瓷瓦中的纤维分布不均匀，导致了传热不良，局部过热。后来在一名美籍华裔科学家的建议下，提高了陶瓷纤维喷硼化硅后的凝固速度，使纤维排列的均匀性不受干扰，才解决了问题。
航天飞机第一次飞行结束，经检查机表面各部分的温度未超过计算值，令人担心的陶瓷瓦损坏意外地少，仅剥落700片左右，加上厚度减少需更换者，仅一千三百余片，占陶瓷瓦总数的4．5％，基本上满足了设计要求。
1982年7月发射的“挑战者号”航天飞机的部分防热陶瓷瓦改用80％氧化硅纤维和20％含硼纤维混合制成的陶瓷瓦代替，效果更好，今后航天飞机的热防护系统仍是有待改进的项目之一。
关于航天飞机发动机所用材料不多，已知高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵采用的叶片，都是用最新的高铬—钴—钨镍基高温合金MarM246，按定向凝固精密铸造工艺制成，提高了抗热冲击性能。航天飞机主发动机的导向叶片，也采用MarM246合金，但按更先进的单晶精密铸造工艺制成，这种导向叶片是空心的，用液态氢进行冷却，更进一步提高了抗热冲击性能，从而保证了发动机低重量、长寿命的要求。
航天飞机的研制成功，是人类征服太空的又一次胜利，也显示出在现代技术革命中材料举足轻重的地位。
