当你在夏夜纳凉的时候，一定见到过划破夜空的流星。它那短促而明亮的光辉像昙花一现，瞬即消逝。大家知道，这是流星与大气摩擦生成的高温使流星燃烧而发出的光焰。
有人曾经计算过，一个质量仅1千克的流星，如果用第一宇宙速度（每秒7．91千米）冲入大气层，相互摩擦生成的总热量竟高达117万焦耳。实际上，大多数流星的速度要比第一宇宙速度高，摩擦生成的热量当然足以把流星烧成灰烬了。
航天器、宇宙飞船（载人或不载人）或者洲际导弹返回地球时也要经历与流星类似的遭遇。而且，由于宇宙飞船舱和洲际导弹的质量大得多，摩擦生成的热量就更惊人了。以一艘几吨重的宇宙飞船来说，当它以每小时超过20000千米的速度（略大于音速）重返大气层的时候，它的能量抵得上40列满载疾驰的火车，这些能量都将在宇宙飞船舱返回地球稠密大气层过程中，由于与空气摩擦而转变成惊人的热能，以致在宇宙飞船头部附近的空气温度竟高达摄氏五六干度以上。我们通常称之为气动加热。难怪有人把宇宙飞船重返大气层比喻成闯过“火烧关”。
所有元素中碳的熔点最高，也只有3700℃，实在难以经受“火烧关”的考验，还是大自然给了我们解决这一难题的启示。当人们分析陨石——这些宇宙中飞来的“不速之客”的化学成分时，有趣地发现陨石的表面虽已发生过熔融，但里面的化学成分并没有发生明显变化。这个现象告诉我们，陨石下落过程中尽管表面经受几千度的高温而炽烈地燃烧，但由于穿过大气层时间很短，摩擦生成的热量都消耗在陨石表面的燃烧中了，传到陨石内部的热量很少。
那么，我们可不可以给飞船或洲际导弹的头部戴上一顶特制的“头盔”，让重返大气层时产生的巨大的气动热绝大部分消耗在“头盔”上，从而保护飞船和导弹安然闯过“火烧关”呢？循此思路，人们找到了一种防热材料做成的“头盔”，帮助飞船和导弹闯过了“火烧关”。
防热材料种类不少，但都有一些共同的特点：导热系数低，即隔热能力大；比热容大，即每克物质升温1℃所需要的热量多；热发射率大，即材料向外辐射热量（散热）的本领大。这些都大大减少了通过防热“头盔”传导到飞船或导弹头部内的热量。不过最主要的是防热材料都有共同的“看家本领”：当防热“头盔”高速闯入稠密大气层进入“火烧关”的时候，防热材料受热从固态变成液态的熔解热，从液态变成气态的汽化热，或从固态直接变成气态的升华热都很大，从而在防热“头盔”不断烧蚀过程中能吸收大量的热量。第一层烧蚀掉了，第二层再烧蚀……每一层都吸收了大量的热，就是不让气动热量大量传入飞船或导弹内部。最后，防热材料虽然“粉身碎骨”，“壮烈殉职”，却使飞船和导弹闯过“火烧关”，安然返回地球。这种“风格很高”的防热材料也称为烧蚀材料。
前苏联发射的“东方3号”宇宙飞船的宇航员波波维奇曾绘声绘色描述了飞船进入大气层时防热材料烧蚀的壮丽情景：透过舷窗看到了烟雾，然后又看到了火焰，颜色极其壮观，有红色的、金黄色的、蓝色的，同时还伴有“噼啪”声，而这时飞船内温度却始终维持在正常水平。
烧蚀材料有的是有机和无机材料的复合材料，有的则是无机材料的复合材料，但都含有纤维材料。这是因为飞船或导弹头部高速冲入大气层时，除掉高温高热外，还有速度快得可怕的气流从它表面上冲过去，就是所谓超高速超高温气流冲刷，纤维能起到一种像骨架那样的补强作用。烧蚀材料中的有机树脂则由于易产生升华，所以是一种飞船常用的能消耗大量热量的材料。洲际导弹进入大气层速度更快，对烧蚀材料的要求更高。
航天器的防热“头盔”的厚度要恰到好处。太薄了，在通过大气层烧蚀时会烧穿，造成船（弹）毁人亡的严重后果；太厚了，重量增加，减少了航天器的有效载荷。因此，防热“头盔”的厚度和重量要通过大量实验的热计算，进行精打细算地设计，做到“斤斤计较”，因为每增加一份重量，运载火箭的推力就要增加“几十倍”。P4-5
人类利用材料的历史，几乎和人类的文明史一样悠久。人类早期的历史，就是以所用的材料来划分成“石器时代”、“青铜时代”和“铁器时代”的。在远古时代，人们首先利用自然界现成的石材、木材和植物纤维做材料。自从人类发明了“钻木取火”技术以后，开始利用火的高温对自然界的物质加工，用火将水和土制成的泥胎烧制陶瓷，用炭和火加工铜、锡的矿石制造青铜，开始了人类制造和利用陶瓷材料及金属材料的历史。其后又发明了用火法冶金生产钢铁的技术。钢铁的应用促进了多种生产技术的大发展。从18世纪开始，人类发明了产生和利用电的技术，电化学方法制造了一大批不能利用炭和火生产的金属新品种。特别值得一提的有：利用电使人类能够大量生产铝、镁和钛。轻而强韧的铝、镁、钛合金成为制造飞机的主要材料，促进了航空工业的建立和发展。核燃料铀的生产则为原子能技术铺平了道路。起初，金属和陶瓷的生产全靠能工巧匠凭经验得来的技艺，“知其然而不知其所以然”。这些经验的积累和技艺发明确实难能可贵，但只凭经验和技艺，未免事倍功半，走许多弯路。例如，工业革命初期，对钢铁材料的需要促使人们改进炼铁技术。在炼铁的高炉中，氧化铁和一氧化碳作用生成金属铁。但人们发现在高炉中一氧化碳并未被全部利用，高炉顶部冒出的气体仍含大量一氧化碳。当时人们就想：这大概是因为高炉还不够高，一氧化碳和铁矿石接触还不够的缘故吧。于是努力建设更高的高炉，企图提高一氧化碳的利用率。但将高炉加高到30米后，意想不到的是，顶部气体中的一氧化碳含量并未减少，白白花了巨额投资建炉却一无所获！后来，人们才从化学原理得知：许多化学反应进行的程度都取决于化学平衡。到达平衡后，化学反应就不会进一步进行了。一氧化碳和氧化铁的化学反应不可能使一氧化碳反应完全，正是受了化学平衡的制约。这类教训使冶金工作者认识到物理化学知识的重要，从而产生了“冶金物理化学”这门学科。另一个盲目经验的例子是淬火技术的发明。古代奴隶主为惩罚反抗的奴隶制定了残酷的“炮烙之刑”，结果注意到：用来烫死奴隶的烧红的金属剑表面会变得特别坚硬。当时，人们以为这是死者的灵魂附着在剑上的缘故，后来才知道，许多金属材料烧热后再急冷都会变硬，即“淬火效应”。奴隶的躯体在此不过起了快速冷却金属材料的作用罢了，于是改用冷水代替奴隶的躯体对钢铁与其他合金淬火了。如今，包括快冷技术在内的热处理方法已经使材料科学家发明了包括非晶态合金等等一大批新材料。
现代化学和物理的兴起促进了材料制造从技艺到科学的发展。从19世纪初开始，人类开始了发现各种化学元素的热潮。为了发现新元素，人们不仅到处查找稀奇的矿石和水体，甚至还到太阳的光谱里去找线索，真可谓是“上穷碧落下黄泉”，结果发现了几十种稀有金属，为材料研制提供了丰富的信息和物质来源。从原子、分子学说开始，人类对物质的微观结构的认识逐步深化，对新材料的发明起了指导作用。人们开始了解：给我们制造衣料的棉、麻、丝的分子是长链状的，而有弹性的橡胶的分子形状恰好有点像弹簧，正是分子结构决定了这些材料的特性。发现这个“结构一性质关系”的秘密后，就促使20世纪上中叶化学家合成了一大批人造的链状分子的化合物作为人造纤维，许多类似弹簧状的分子的化合物作为人造橡胶，并且发明了以石油、煤炭为原料，大量制造人造纤维、人造橡胶和塑料的方法。这些高分子材料（被称为“三大合成材料”）在生活和生产中，其重要性已经与金属材料、陶瓷材料鼎足而立了。
从20世纪中叶开始，原子能、计算机、航空航天等等新技术层出不穷，对新材料的要求日新月异。近年来，人们觉悟到：人类对宏观物体的知识已经比较丰富，对原子一分子尺度的微观世界的知识因近代物理的进步也大有进展，但对比原子一分子大若干倍、而又比宏观物体小许多数量级的“不大不小不多不少”的微观粒子体系，即“纳米世界”的研究和利用都很不够。于是纳米材料和器件研究成了“大热门”。纳米技术研究正酝酿着材料科学技术的新突破。
在漫长的历史长河中，中国人曾经对材料技术作出过杰出的贡献。中国人最早用磁性材料做指南针，瓷器是世界公认的中国的伟大发明。“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”，精美的中国瓷器曾输出到世界四大洲。中国是世界上最早会炼铜、炼铁的国家之一。早在春秋战国时代，中国人就有了相当规模的金属工业生产。据考证，对钢铁生产至关重要的冶金炉鼓风技术还是由中国传入欧洲的。但后来，西方国家兴起了工业革命，发展了材料科学技术，成为“船坚炮利”的列强，反过来侵略中国，使我国遭受了一百多年被侵略的历史屈辱。如今，我们中华民族正经历着伟大的复兴过程。近年来，我国钢铁、水泥、金属铝等多种材料的产量已稳居全球第一。但我国目前还只是材料生产大国，还够不上材料科学强国。我国在新材料研制和有关的理论研究方面，总体水平与先进国家还有一定差距。我们要继续努力发展材料科学技术，为促进国民经济和高、新技术的进一步繁荣发展而奋斗。
陈念贻
2005年4月
由奚同庚主编的《科学原来如此》内容介绍：在漫长的历史长河中，中国人曾经对材料技术作出过杰出的贡献。中国人最早用磁性材料做指南针，瓷器是世界公认的中国的伟大发明。“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”，精美的中国瓷器曾输出到世界四大洲。中国是世界上最早会炼铜、炼铁的国家之一。早在春秋战国时代，中国人就有了相当规模的金属工业生产。据考证，对钢铁生产至关重要的冶金炉鼓风技术还是由中国传入欧洲的。但后来，西方国家兴起了工业革命，发展了材料科学技术，成为“船坚炮利”的列强，反过来侵略中国，使我国遭受了一百多年被侵略的历史屈辱。如今，我们中华民族正经历着伟大的复兴过程。近年来，我国钢铁、水泥、金属铝等多种材料的产量已稳居全球第一。但我国目前还只是材料生产大国，还够不上材料科学强国。我国在新材料研制和有关的理论研究方面，总体水平与先进国家还有一定差距。《科学原来如此》带你更深入地了解材料的发展史。
由奚同庚主编的《科学原来如此》内容介绍：人类利用材料的历史，几乎和人类的文明史一样悠久。人类早期的历史，就是以所用的材料来划分成“石器时代”、“青铜时代”和“铁器时代”的。在远古时代，人们首先利用自然界现成的石材、木材和植物纤维做材料。自从人类发明了“钻木取火”技术以后，开始利用火的高温对自然界的物质加工，用火将水和土制成的泥胎烧制陶瓷，用炭和火加工铜、锡的矿石制造青铜，开始了人类制造和利用陶瓷材料及金属材料的历史。
