前 言
人类的根本欲求之一是扩大自己的活动环境，从地上到空间，从地球到宇宙，月球，行星，从地上往地下或深海。把这些新活动环境称为宏观领域的环境，把能适合和调和的材料称为宏观领域的环境材料。
现在正在开发和整合有关宏观领域环境的基础结构，如国际宇宙站计划、超音速旅客机计划、宇宙往返航天机计划、海洋住宅、海底资源开发、深海开发、大深度地下开发和超高层大楼等
将来要进一步开发和整合更大规模的基础结构时，充分而有效地利用存在于如此广阔领域里的丰富资源是非常必要的。目前已被确认在宏观领域环境里存在的具有代表性的资源有。海水中的稀有金属，海底中的锰氧化物中的有用金属，月球表面的3 He的核聚变燃料等。在这些资源存在的环境加以有效充分利用是必要的。
宇宙与航空环境和材料
（一）宇宙环境材料
宇宙运输技术的进步使人类的活动环境扩大到地上500 km的低轨道，今后预料从地上三万六千公里的静止轨道扩大到月球或行星的活动领域。在这种宇宙开发中的材料科学的课题有：金属系材料的高比刚性、结构材料、轻量且耐久性好的断热材料、耐宇宙环境材料的开发和评价、创制利用宇宙环境（微重力，真空）的新材料。对宇宙机器所利用的材料的要求如下：
· 运输系统火箭用一般结构材料要具有高比刚性。推进剂贮藏器要具有高比强度和超低温特性［LHz］以及密封性（可焊性）。宇宙往返航天机要具有高比强度、高比刚性、耐高温、热循环（~1700℃）。
· 卫星系统要具有高比刚性、低热膨胀系数（热的尺寸稳定性）、耐宇宙环境性（紫外线老化性，放射线老化性……）。
· 宇宙基地系统要具有高比刚性、低热膨胀系数（热的尺寸稳定性）、耐宇宙环境性（紫外线老化性、放射线老化性、由原子状氧气而引起的腐蚀老化性等）。
（1）金属系结构材料
结构用的主要材料是钢铁材料、钛合金、铝合金、火箭系统是由这些材料构成的。因在运输系统里以水平起降地面的宇宙往返机要用新型的吸入空气的发动机，所以要达到脱离大气圈的飞行路线同原来的火箭系统就完全不同，不得不在空气浓度高的地方以超音速作长时间飞行来加速。为此，预料航空机同空气摩擦而使机体的温度达到相当高温。于是，正在被研讨的有：金属系复合材料［MMC］、陶瓷系复合材料［CMC］、碳、碳的复合材料等。
①钢铁材料
在固体火箭下段的电动机壳体用的是HT-200或NT-150等的高拉力钢（马氏体时效钢）。M火箭是从一开始就采用高拉力钢。M-35-H型用的是经过热处理后的高拉力钢的钢种，并在向大型化方向发展。预料今后用的结构材料将是制造容易、成本低且经过改良的钢铁材料。
②钛合金
对轻量化要求高和需要具有高温强度的发射火箭的上段，固定火箭的电动机壳体或卫星的高压气贮蓄器壳体等使用钛合金的多。钛合金有α合金、α+β合金和β合金三种类，每一种都有许多种合金。其中使用的最多的是好制造且比强度高的α+β含金中的Ti6Al-4r合金，最近鉴于这个领域的单位成本率或性能成本比，β合金的Ti-15V-3Cr-3Sn合金也使用得多了。
③铝合金
在固体火箭中使用铝合金的少，用的是A2024或A7075等强力合金。液体火箭的推进剂容器使用的是在超低温时、韧性高且焊接性（密封性）好的A2219合金。因像H-1两级火箭是液酸/液水，故在其内部装上了10~25 mm的隔热材。级间连接器结构或侧缘部分也同航空机一样使用着A2024，A7075。今后从比刚性或比强度的观点考虑，这个领域预料以CFRP（碳纤维增强塑料）等复合材料替代，但现在正在开发的ALLi合金等具有高比强度和焊接性好的材料，它们也将是被使用的对象。
④其它材料
因发动机燃烧或气动力阻碍引起的高温热环境，为保护主结构部件而需要使用隔热和耐热材料。这些材料有玻璃钢［FRP］系烧蚀材料、氮化物系、氧化物系、硼化物系的陶瓷，在碳或碳合金把硅合金涂层的耐热材料等。今后的开发方向是开发把上述功能都复合在一起的倾斜功能型材料。
（2）宇宙站与耐宇宙环境材料
如果要在宇宙空间设置构造物，那就要充分考虑到各种制约条件后在轨道上进行安装。其最大课题是降低运费，为此要求使用高精度（稳定性）及高比强度的材料。碳纤维/环氧树脂、阿拉密德［armid］纤维/环氧树脂系等的FRP为被在研讨的主流。从高比刚性、高比强度、接续（结合）性以及热膨胀控制等要求看，今后MMC也是有希望的选择对象。
（二）航空环境与材料
进入高速而大量运输时代后，单位成本率是个大问题，况且因消耗大量燃料同保护地球环境将背道而驰，故必须使航空机或机体的开发上要谋求轻量化。为此，机体使用的材料要具有高比刚性、高比强度及高疲劳强度的特点。发动机使用的应具有高比强度、高比蠕变强度及高疲劳强度等特点的材料。
（1）使用的材料变迁与今后的展望
航空机都是采用该时代的新材料而取得了发展，赖特兄弟时代机体用的是木材、金属线和布，到了1930~1940年代出现的是全部用金属制造的较现代化航空机，它基本上是利用高强度铝合金制造的半硬壳式结构的飞机。虽然铝合金至今已经过了种种改良，但铝合金至今仍是机体的主要材料。
喷气发动机达到正式实用化后，航空机的性能有了个飞跃的发展，为此，为了对付机体表面的气动力加热或发动机室的高温化而采用了钛合金。在60年代由于CFRP的出现，使得机体材料也将发生巨大变化。
因预料在21世纪初将出现的超音速机或航天机的机体表面温度将达到1000多倍，故原来用的金属材料已无法对付。C/C复合材料、MMC、金属互化物［IMC］高耐热高比强材料是目前人们注视的对象。
（2）金属材料
在机体材料方面，其主要课题是改良和提高铝合金或钛合金的比强度与比刚性以及积极开发金属系复合材料（MMC或FRM）等。
①铝合金
目前对A2014（中等强度材），A2024（高韧性材），A7075（高强度材）通过热加工处理法的改良已取得了进展，预料它们经得起气动力加热的范围今后仍继续被使用。不过为能应付高速与大量运输时代，还需要使它们具有高比强度和高刚性化，引人注目的是Al-Li合金。开发的合金有A2090，A2091，A8090，A8091等，其中，A8090作为A2014的替代，A2091作为A2024的替代，A2090作为A7075的替代而要求具有更高的比强度和比刚性。
②钛合金
Ti-6Al-4V（α+β）合金一直被当作主要材料，但从单位成本率观点而言，注意力已集中在Ti-10V-2Fe-3Al或Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn等的β合金，其中一部分已开始在使用，随着超音速化的进展今后其使用范围将进一步扩大。
③金属系复合材料
C/Al，Sic/Al，Sic/Ti等的金属系复合材料同铝合金或钛合金相比，其比强度或比刚性都高，而且还具有高温特性和耐环境性特点。预料上述复合材料同C/C复合材料及CMC都有希望成为超音速机或航天机等下一代航空机的机体材料。
海洋环境和材料
海洋占地球表面的约70%而且在海底埋藏着大量的资源。它是在地球上给人类留下来的宝贵领域，同时对保护地球环境也将发挥重要作用。不久的将来对海底石油或天然气的开发将达到800米深处的海域，锰结核，钴富渣壳和热水矿床等新矿物质源都在1000米以上深处，温度差发电或生物养殖都要利用800米以上深水的低温和富有养分的深层水。
钢铁和混凝土历来是海洋结构物的主要材料，今后有希望的是在强度、比强度、耐蚀性、焊接性和加工性等各种特性更进一步提高的结构材料，还有耐压力、温度和气体等以及对水的供给及处理等具有良好特性的功能材料也将被利用。现在关子利用上述的结构材料和功能材料在1000米深处建设深海站问题在进行调查研究。
（一）深海领域的利用
①石油开发
1993年在墨西哥弯预定要架设972米水深的石油开采平台开始开采海底石油。
②海底矿物资源
现已查明海底热水矿床的水深约为1500~2500 m，钴壳矿床约为1000~2500 m，锰结核约为4000~5000 m，并在研究开发其采取方法。
③海中溶解资源
抽出海水中的锂（Li）或铀（u）等资源或采取利用深海处的抗生物质。
④水产领域
利用深海层的富有养分水来培养生物或建立饲育环境。
⑤海洋能的利用
利用水深500~1000 m处海水同表层海水温度差（约20℃）发电。
⑥海洋空间的利用
把大深水处的高压及低温来贮藏液化石油气[LPG]等高压气体，利用其恒温性贮存食品，为长期观测海底资源而建立深海站，并以此在深海现场精炼海底资源。
（二）深海用材料与其适用性
在海洋或海中使用的材料要求具有耐蚀性、生物附着防止性、水密性、轻量性以及对电波或电磁的对应性等特性。现在钢铁材料或混凝土是其主要材料。但从单位成本率看，新材料被利用的例子几乎没有，因为在大深水海中存在着高水压，其结构材料要求要具有高耐压强度及高比强度等特性的各种复合材料。
在大深海的调查计测虽然使用着观测浮标或潜水船，但无法长期作连续的计测，故无法取得高精度的基础资料。为此设置固定站是必要的。为设置这种深海固定站就要广泛地研究能适用于深海的结构材料，安装、维修它，海中动力源，补给等方面有关技术，若它是有人住的固定站，那还要研究其有关作业、休息和居住等问题又怎么办等问题。
超高层大楼的环境与材料
以往的建筑部门都一直把钢铁、混凝土和木材作为主要的基干结构材料用，而其它的有关材料只是作为补充的功能材料用。但随着近年来的材料科学的进步，各种新材料也作为建筑材料积极地采用了，这是谋求建筑物向着高性能化和高功能化发展的动向。要确保微观领域环境的居住空间必须是能经得起环境且与环境能和谐，但钢铁、混凝土和木材等材料已无法满足上述条件。
（一）在建筑领域中新材料要求的社会背景
未来社会的特点是，老龄化社会的到来，核家族愈来愈多，业余时间受到重视，高度信息化都市多起来。为此，盖的建筑物应具有以下特点。（1）是形式应多样化。（2）是具有高性能化、高功能化、高居住性，如盖中心大楼或智能大楼。（3）是扩大和确保居住空间，如在有限的地皮或在大深度地下或在大深海底等盖建筑物。（4）是可采用自动化及预制结构，以应付环境的变化和劳力不足。
（二）超超高层大楼用材料
现在已出现250 m级的超高层大楼，但因对250 m以上高层领域的气象条件尚未被详细地计测出来，故在设计上仍存在着许多问题。所以建筑结构材料的基本条件是应具有成型性、焊接性、运输方便、高比强度、高比刚性等特性的材料。
（三）空中都市构想的提案例与材料
人们在议论的问题有，都市的分散，活用沿海和海面，充分利用都市空间等，但这必须使都市环境与自然环境两者和谐。
在提案的开发构想中使用的基本结构材料仍以钢铁材料与混凝土为主，钛合金和铝合金仍作为补助材料。但期待着好维修、轻量化和施工容易的新材料的出现，对使用材料的要求如下：
①柱子或大梁等钢铁结构主材、板材、大型形钢等，要求具有高强度化、厚板大板化、高比刚性、高比强度、焊接容易等特点。从好维修考虑，不锈钢也被列为使用对象。
②从轻量化和好维修着想，钛合金或铝合金也列为使用对象。
③混凝土要求轻量、高强度化、早硬化及预制件等的特性有所提高。
④其它材料有CFRP及减振、免振设计用的高减变材或减振材的橡胶材料。
大深度地下的环境与材料
无论利用的是大深度地下还是海底空间，都必须摸清各自的特性之后才能有效地利用。例如地下空间的特性之一就是恒温和恒湿性。现在已拥有挖地下万米深的技术、取光换气的环境保护技术和高耐压材料，即在大深度地下可建造大空间场地。如果在大深度地下空间里人要长期居住的话，除了为确保空间所需的结构材料之外，还必须解决生活环境、能源、防灾、同外界的通信或交通等有关的一系列问题。
（一）为确保地下空间所需的一次性结构材料
这种一次性结构材料必须具有能大量生产和大量使用的压缩强度很高的特性。价格便宜且能稳定地得到供应也很重要。故从目前的情况而言，钢铁和混凝土目前仍是其有力的候补材料，但从长期的耐久性而言，必须进一步提高钢铁和混凝土的质量，也可采用合金化或复合化手段以延长寿命和提高强度。
（二）材料课题
要在大深度地下能长期地确保广阔空间时，①要改造原有的地盘，使它成为类似于岩盘的具有高强度化地盘。②用纤维化混凝土构件代替原有的那种钢筋混凝土构件，以此提高其抗拉强度。还有必要研究开发能长期耐恒湿及恒温这种地下特性的功能材料，包括引入光线的纤维、减振用材料、环境控制、交通运输、通信、计测等电气或电子机器用材料。
小 结
随着人类的活动领域向着宇宙、海洋、超高层、地下等广泛领域以及原子能、新能源开发和生物产业不断取得进步，迎来了高信息化社会和高速大运输化时代等。可以说人类以科学技术的大变革在迈向着21世纪，然而人类也面临着地球环境污染日益增加的局面，靠材料科学技术来解决地球环境污染问题的呼声也在日益高涨。
这也促进了对开发轻量化、高比强度化、高比刚化的金属材料，以利于减少对地球环境的污染。钢铁材料也接近于理论强度，通过最适化的化学成分、塑性加工条件和热处理条件将使其高比强度继续提高，例如固溶强化、分散强化、加工强化、结晶粒微细化和马氏体强化等。
钛合金的强化主要靠固溶强化、加工强化和析出强化。从轻量化观点看，添加密度小的Al比Ti好，在这方向的合金开发或减少耗能量出发，Ti-Al合金的直接精炼也在进行。铝合金的强化同前两者一样，以固溶、加工、析出和分散等强化手段为主流。因铝的全部耗能量多而不利于环保，所以现在开发以具有轻量化和高刚性化为目的的蜂窝式结构材。
［日本的科学与技术（日），1992年5月号］