材料科学与人类文明.ppt

材料与人类文明,昆明理工大学大学多媒体课件,材料与冶金工程学院 胡劲,人类文明社会的先导-新材料,一、材料的发展史，就是人类社会的发展史,二、材料的发展史，就是科学技术的发展史,第一、二讲,人类的三次工业革命,蒸气机、内燃机的发展和完善，使人类从农业社会进入工业社会第一次工业革命； 电力、石油和自动生产线第二次工业革命； 电脑、电信革命，信息时代、知识经济时代第三次工业革命。,物质世界的美丽,简洁性 描述经验资料，具有最少量的定义和独立假设的模型最好的理论； “遥望”从整体上把握万物，星星繁多，却个个清晰，万里长城（单块石头）； 质点、刚体、黑体、谐振子、理想气体等，小到原子大到太阳可以有同一名称质点。,对称性,对称、平衡、和谐是人类共同的审美心态； 古罗马的建筑、中国的宫殿、周易中的阴阳、八卦； 作用力与反作用力、正负电荷、S极N极、电流周围的磁场及变化磁场周围的电场、杨振宁和李政道的宇称守恒。,普遍性,“112”数学抽象，“1头牛2头牛3头牛；1个原子2个原子3个原子” ； 0、1、2所包含的的哲学思想； 普朗克在瑞利和维恩定律后，为追求二者的统一，引出普朗克常数。,稳定感,人类审美心态的又一要素表现了对封闭、独立系统的向往； 联合国宪章规定了一百多个国家的边界不可侵犯；互不干涉内政也体现了这种心态； 整个宇宙（有限）中，质量(能量)守恒、电荷守恒； 二千多年前孔子望着川流不息的江河感慨：“逝者如斯夫，不舍昼夜” 。 人们渴望永恒，真空中的光速、普朗克常数、 电子电荷、阿伏加德罗常数等等。,延伸性,“落霞与孤骛齐飞，秋水共长天一色”唐代王勃把视野引向无穷、无尽、无限和无数。 仿佛看到在一块无限大平板上，放着一个刚球，伽利略一推，刚球保持初速直线前进，向前，向前，直到无边否定亚力斯多德的经验结论。,材料科学与高素质人才,提高科学素质和能力以适应高新技术 市场经济的发展,现代工业技术工程师类型 工程科学家型 革新发明家型 现场工程专家型 管理规划专家型,要求良好的科学素质!,什么是材料(materials)?,Materials is the stuff from which a thing is made for using.,材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。,天然材料,人工材料,人工材料,材料的分类,用途：结构材料（受力，承载） 功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等）,物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料,属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料,几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料,发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，. ） 新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, .）,The broad field of materials science and engineering seeks to explain and control one or more of the four basic elements: The structure and composition of a material, including the type of atoms and their arrangement as viewed over the range of length scales (nano-, meso-, micro-, macro-scale). The synthesis and processing by which the particular arrangement of atoms achieved. The properties of the material resulting from the atoms and their arrangement, that make material interesting or useful. The performance of the material, that is, the measurement of its usefulness in actual conditions, taking account of economic and social costs and benefits.,Man made materials,Materials Science and Engineering,一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。,人类历史的划分,石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。,现代社会,三 大 支 柱,能源、信息和材料（1998）,生物工程，信息技术和新材料,Aluminum in 19th century.,Computer,* 航空航天的物质基础,三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度),鍛铝2014（LD10）的力学性能,卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用20%。,铝的理论强度为4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。,铝合金的 主要应用领域,战机,舰船,导弹,火箭,人造卫星,战车,高速列车,汽车,高层 建筑,导弹头罩,窗口,窗口材料： 蓝宝石 金刚石 ZnS/金刚石,导弹的眼睛 窗口材料 （ZnS, ZnSe, Al2O3, diamond, ）,二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。,中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷,1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.) 2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669） 3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）,1、古代中国： “日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（老子）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（国语正语）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” （易经）,人类对材料微观结构认识的发展过程,2、Europe: Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.) 5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, earth, water, ether) which were used for describing every thing in the world.,Fire - tetrahedron,Air - octahedron,Ether - dodecahedron,Earth - cube,Water - icosahedron,介 观,宏 观,晶体的结构与形状,晶体的结构,晶体的形状,Morphology of PbS crystal with NaCl structure,Morphology of Diamond,Snow flake,SOURCE: W. Bentley & W. Humpbreys, Snow Crystals, (McGraw-Hill Book Company, 1931), p.147.,STRUCTURE OF ICE (H2O),宋（960-1279 A.D.）楼钥,谢林景思和韵 黄昏门外六花飞，因倚胡床醉不知。,南朝陈（557-589 A.D.）徐陵，咏雪 岂苦天庭瑞，轻雪带风斜。 三农喜盈尺，六出舞崇花。,雪花 “六出”、“六花”,西汉（206 B.C.-24 A.D.）,韩诗外传： 凡草木花五出，独雪花六出,1669, N. Steno, 晶面角守恒定律,材料科学的发展过程,1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说,1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射,1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg* X射线晶体结构分析方法,* 1914s Nobel prize; *1915s, *1987s.,电子显微镜（SEM、TEM）,扫描探针显微术*（STM、AFM）,ABA,ABCA,ATOMIC PACKING,Packing mode 1 (ABCABC),Packing mode 2 (ABCABC),Packing mode 3 (AaBbCcAaBbCc),The structures and symmetry of 2D and 3D crystals,* (加多林), 1869. * (费多罗夫), 1890, Schoenflies (熊夫利), 1891.,量子力学：波粒二象性,“物理学最美的实验”一箭双雕,“慕尼黑事件”科学史上的大事,1912年，Laue, Friedrich, Knipping,ZnS 的劳厄衍射照片,显示其四重对称轴,显示其三重对称轴,光的波动性X射线光谱学 晶体微观周期性结构固体物理,P. Ewald,X-ray Diffraction (Bragg condition),2dsinq = l,l/2,dsinq,晶体的微观周期性结构,电子在周期势场中的运动,量子力学 Schrdinger方程,能 带 理 论 固体半导体理论,晶体点阵中的缺陷,金属材料强化理论,位错在晶体中运动,晶体的宏观 几何形貌,晶体生长理论,表 面 组 装,Crystalline Structures of Carbon,A Fuller dome built for the Union Tank Car Company in Baton Rouge, Louisiana (Oct. 1958),Buckerminster Fuller - an American architect,The time-of-flight mass spectrum annotated by Kroto,Accident discovery,C60,The ultimate five-a-side soccer team,Flat sandwich structure for C60.,William Veech, the chairman of Rice Universitys Mathematics Dept.,32 faces = 20 hexagons + 12 pentagons,C60 Truncated icosahedron,2D 3D,Leonhard Euler (1752): V + F = E + 2,V = 60,E = 3(1/2) x 60 = 90,F = 2(1/6) x 90 = 30,V+ F = 90,E + 2 = 92,How dose the Fulleren form ?!,It seemed only slight less likely a possibility than a bunch of monkeys toying randomly with words of the English language, and coming up with a Shakespeare play. Jim Baggott, Perfect Symmetry, 1994.,微 观 (Micro-),介 观 (Meso-),宏 观 (Macro-),纳 米 (Nano-),波的干涉,(a) 同位相，相长干涉,(b) 反位相，相消干涉,(c) 存在一定位相差,材料专业的演变与发展,一、材料学科的演变与发展欧美国家,一、材料学科的演变与发展欧美国家,20世纪40年代后非金属材料有了新的发展，1945年晶体管的出现，半导体材料异军突起。 为适应新材料发展需要，1955-1956，Birmingham大学教授 Raynor 把该校原来的理论冶金系（物理冶金）与工业冶金系（化学冶金及冶金加工）合并，组建并更名为冶金与材料系，同时，Cambridge大学教授Cottrell 把该校冶金系改名材料与冶金系。 欧洲大学首次明确设置材料系与相应的教学计划。,一、材料学科的演变与发展欧美国家,一、材料学科的演变与发展欧美国家,一、材料学科的演变与发展中国,中国的材料科学与工程教育起源于部分高校的采矿系、矿冶系，可以分为五个历史阶段： 1949年以前： 北洋西学学堂的矿冶学科（ 1895 年创建 ），国立唐山工学院 (1905) 、东北大学 (1912) 、武汉大学 (1913) 、国立贵州大学 (1941) 。 1946 年，国立清华大学从西南联合大学回北京复校后，在工学院中又增设了化学工程系，把材料学科教育扩宽到非金属领域。 材料教育主要是培养矿冶人才，突出特点是不划分专业，教学内容包括采矿、选矿、冶金、材料等内容，是一种宽领域培养模式，许多材料界前辈专家就是在这种宽口径学科背景下培养出来的。,一、材料学科的演变与发展中国,19491966年 苏联模式 1951 年将大连大学 ( 现大连理工大学 ) 的冶金系调到东北工学院 ( 现东北大学 ) ，以加强其金属材料学的教学规模。 1952 年 4 月，以北洋大学 ( 现天津大学 ) 、唐山铁道学院 ( 北方交通大学分部 ) 、北京工业学院、国立西北工学院 ( 现西北工业大学 ) 、山西大学等五所院校的矿冶和材料系为基础创建了北京钢铁学院 ( 现北京科技大学 ) ， 同年，将武汉大学、湖南大学、广西大学的矿冶工程系，中山大学地质 系以及 南昌大学的 采矿科 调整出来在长沙成立了中南矿冶学院 ( 现中南工业大学 ) ， 新成立的北京航空航天学院 ( 现北京航空航天大学 ) 增设了高分子材料 ( 含复合材料 ) 等专业。 我国的材料科学技术人才被分割在十几个专业内培养，分属于冶金、机械、化工等系,一、材料学科的演变与发展中国,19781990初 向欧美学习 浙江大学率先设立材料科学与工程系；此后，北京科技大学、复旦大学、清华大学等重点院校相继设立材料科学与工程 ( 或相近名称 ) 系。 改革的主要内容：在原设置专业基础上扩充内容，试办新专业，总体上体现了逐步打破原专业设置界限、加强专业间的渗透与联系的改革趋势 20 世纪 90 年代后期 1997 年至 1999 年，专业进行了第四次大规模修订由行业划分专业向以学科划分专业过渡。厚基础、宽专业、高素质、强能力，以适应市场需要。新的专业目录由 504 个减少到 232 个。,本科新旧专业对照,0713 材料科学类,(注:可授理学或工学学士学位),071301 材料物理,071302 材料化学,0802 材料类,080201 冶金工程,080202 金属材料工程,080204 高分子材料与工程,071301 材料物理,071302 材料化学,071303W 矿物岩石材料,080201 钢铁冶金,080202 有色金属冶金,080203 冶金物理化学,080213W 冶金,080205 金属压力加工,080209 粉末冶金,080210 复合材料(部分),080211 腐蚀与防护,080303 铸造(部分),080304 塑性成形工艺及设备(部分),080305 焊接工艺及设备(部分),080206 无机