材料与人类文明史.ppt

第一讲 材料发展历史 1 什么是材料？其重要意义是什么？ 世界是由物质构成的，材料就是人们用来制成各 种机器、器件、结构等具有某种特性的物质实体 。 材料是人类社会生活的物质基础，材料的发展引 起时代的变迁，推动人类文明和社会进步。 在知识经济新时代，材料与能源和信息并列为现 代科学技术的三大支柱，其作用和意义尤为重要 。 2 材料与人类社会的关系如何？ 在人类社会的发展和进步过程中，材料是一个 带有时代和文明标志的基础。 人类和材料的关系非常广泛、非常密切。也非 常重要，在这点上很少能有其他领域与之相比 。 人类文明的发展史就是一部利用材料、制造 材料和创造材料的历史。 3 材料是人类一切生产和生活活动的物质基础， 历来是生产力的标志，人类社会进步的里程碑 。 对材料认识和利用的能力，决定社会形态和人 类生活质量，所以人类从没中断过追求更好的 材料，让材料具有更优异的性质或新的功能来 满足人类社会发展中层出不穷的新需要和追求 。 4 一种新材料的出现，常常引起生产力大发展推动 社会进步。正是如此，才有了今天人类丰富多彩 、璀璨夺目的世界与文化。 没有半导体单晶硅材料，便不可能有今天的微电 子工业； 有低损耗的光导纤维，当今世界蓬勃发展的光纤 通讯才得以实现。 单晶硅棒单晶硅片单晶芯片电子元件 5 天然材料 陶瓷 青铜 铁 钢 有色金属 高分子材料 新型材料 材料发展的历史演进 6 一部人类文明史，从某种意义上说，也可以 称之为世界材料发展史。 每一种新材料的发现，每一项新材料技术的 应用，都会给社会生产和人类生活带来巨大 改变，推动人类社会前进。 7 在人类发展的历史长河中，材料起着举足 轻重的作用。 古代的石器、青铜器、铁器等的兴起和广 泛应用，极大改变了人们的生活和生产方式 ，对社会进步起到关键性推动作用， 这些材料被历史学家作为划分某一个时代 的重要标志：如石器时代、青铜器时代、铁 器时代等。 8 （1）天然材料 包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。 自然界当中大量存在，人类可以直接从自然 中获取。 经过简单的加工就可以为人类所利用。 竹筷 骨针 石制品皮毛制品 9 典型的天然材料石器 大约25000年前，人类就学会使用材料。 人类只能利用岩石、树木、兽皮、骨骼等天然材料并 进行粗糙加工，除此之外别无他物。 从挖掘的人类当年所使用的各种用途的锋利石片，可 想象人类远祖的艰苦和聪明。 石刀石斧石针 10 他们能区别、选用各种石头创造出刀、斧、针各种 器具，用于生产、生活和战争。 石器时代的生产工具极其落后，人类社会的生产力 也极端低下，社会发展极其缓慢，人类文化也是相 当简单和粗俗的。 石器工具 11 据考古学家分析，距今约一万年前就有陶器出现 ， 人们用粘土或以粘土、长石、石英为主的混合物 ，经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200） ，得到坚硬的陶器。 陶是人类创造的第一种“人造材料”，由于高温烧 制产生物理化学变化，得到和粘土不一样的新物 质。 新石器时代晚期(公元前3000一前2800 年) 黑陶豆 陶体的黑色是因为渗入了碳 （2）陶器（无机非金属材料） 12 我国陶器大约 出现在8000年 前，具有悠久 的历史。 半坡村出土的 碗、钵、釜、 罐、瓶等，甚 至还有吹气能 发声的陶埙。 半坡变体鸟纹盆 半坡小口尖底瓶 半坡陶盆 陶埙 13 从著名的仰韶和龙山文化遗址出土的陶器中 ，人们发现当时祖先已经掌握了烧制黑色陶 器和白色陶器的配方和技术。 仰韶白陶瓶龙山黑陶瓶 14 闻名于世的秦始皇兵马俑是典型的陶制品； 著名的唐三彩创始于唐高宗时期，用白粘土作胎， 以Cu、Fe、Co等矿物作釉的着色剂，两次烧制后 成为绚丽多彩的陶器精品； 江苏宜兴紫砂壶 (紫砂泥由粘土、云母、赤铁矿等 组成，其中Fe2O3含量约7-10，TiO21) 制 造技术精湛，色泽淳朴，造型独特，别具一格。 兵马俑 唐三彩马 方韵紫砂壶15 商 陶酒尊唐 三彩俑 陶的出现，人类可吃煮熟的谷物，喝煮开的水，可 长时间储存食物，促进人类进化。 陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁冶炼提 供物质条件。 猪纹陶盆 16 陶器是人类创造的第一种无机非金属材料。 人类第一次有意识地创造发明自然界没有的，并 且具有全新性能的“新”材料，从此人类能离开 上天的赐予而进入自力创造材料的时代。 恩格斯论述：人类从低级阶段向文明阶段的发展 是从学会制陶开始的。 陶器的出现成为新石器时代开始的标志之一。 17 陶器的不足是不致密、易渗 漏、强度也不高。 3000多年前的殷、周时期发 明了釉瓷。 炉窑温度达到1200，能将 金属氧化物烧制成釉瓷，用 途更为广泛，质地比陶更为 细腻、外观美观。 陶向瓷的过渡 商朝釉瓷 18 什么是瓷器？ 瓷土与陶土相比，Fe2O3、CaO、MgO等助熔剂物 质明显减少，SiO2含量也降至70以下，Al2O3含 量显著增加。 瓷器制造工艺水平有很大改进，烧结温度提高到 1200以上，反映人类改造自然能力的增强。 釉是用矿物(长石、方解石、石英等)和颜料按一定 比例配制，高温下釉料被熔融并均匀地覆盖在瓷 器表面，冷却后质地坚硬、光滑、不粘污，并可 调配成各种颜色。 19 瓷器中的材料知识 宋五大名窑（官、哥、汝、 定、柴窑）之一：哥窑瓷器 开片即是瓷器釉面出现裂纹的现象。开片主 要是两种因素造成的，一是成形时坯泥沿一定方 向延伸，影响分子的排列；二是胎、釉材料的膨 胀系数不同，在冷却过程中收缩率也有差异，形 成开片。因而，开片是瓷器烧成过程中的一种缺 陷，只是到了宋代才开始将开片作为装饰。 青花瓷 青花瓷器以钴的化合物为发色剂，绘制在烧 制过的胎体上，挂釉后再经过一次烧制而最终 完成。 20 江西景德镇的薄胎瓷器被赞为洁如玉、明如 镜、薄如纸、声如磐。 瓷器作为中华文明象征，大量流传。9世纪传 至阿拉伯国家，13世纪传到日本，15世纪传 到欧洲，以其福美绝伦征服西方。 辉煌的瓷器之国 景德镇四大名瓷 青花、玲珑、颜色釉、粉彩 21 22 （3）青 铜 我国青铜的冶炼在公元前2140-1711年开始，目 前考察已可追溯到公元前3600年。 晚于埃及和西亚民族（伊朗、伊拉克）。 发展快、水平高。 到殷、西周时期已经发展到较高水平。 青铜即铜锡合金， 其冶炼温度较低，制作 器具的成型性好，是人 类最早大规模利用的金 属材料。 苏美尔文明中的青铜塑像，出现 年代-公元前4000年 23 铜爵高30.5厘米、口径 17-18厘米，距今3600年 河南堰师二里头文化 青铜锛越绝书载：禹 穴之时，以铜为兵，以凿伊 阙，通龙门，东注入海 牛首兽面纹鼎西周，器形 端庄，文饰在商代基础上进 一步发展，是今已知我国最 大青铜器之一， 24 青铜钱币刀币、布币、环钱、铜贝等 25 四羊纹铜尊 商 青铜器的最大历史贡献在于社会秩序的建立。 西周中晚期有严格的列鼎制度，用形状花纹相同而大 小依次递减的奇数组鼎来代表贵族身份。 春秋公羊传记载：天子用9鼎，诸侯用7鼎，卿大 夫用5鼎，士用3鼎或1鼎。 人类文明第一次将人与工具二者的意义联系起来。 青铜礼器 鼎 周 26 青铜武器 越王勾践剑青铜戈 青铜头盔 青铜的一个重要用途就是铸造武器，如钺、戈、矛 、戟、刀、剑、弩、镞、盔等。 青铜武器相对于石制和纯铜武器来说，其威力如同 枪炮对刀戟，当军队和战争成为一个国家的暴力机 器和手段的时候，青铜以它4.7倍于纯铜的硬度频频 向统治贵族领取赫赫战功。 27 青铜工具 青铜斧 青铜犁 春秋初期，出现大量青铜工具（斧、锯、凿、锥等） 和青铜农具（锄、铲等）。青铜工具极大促进农业技 术的提高，相关的冶铸技术获得飞速发展。 时时代石器铜铜器铁铁器 新石器时时代晚期33 夏商西周2752 春秋153 战战国440 青铜时代农具统计（372件） 28 铜三足鸟 西周 铜奔马(马踏飞燕) 汉 秦始皇陵铜车马 秦 爵 商 其它青铜制品 29 西汉长信宫灯的特点 将铸造、表面处理、结构学、环境保护巧妙 地结合在一起； 创“技术精华”于一身，集“优美实用”于一体 ； 青铜表面处理工艺-鎏金,即 以热水银溶解金箔，然后涂 附在铜器表面并蒸干水银， 使一层薄金紧密地附着在器 物表面，是一种防止铜器发 生氧化的表面处理工艺。 30 长信宫灯的功能： 灯座铸成跪姿的宫女状，跪坐的 姿态端庄典雅； 宫女的左臂紧身，左手紧握托座 ，右臂高抬过顶，稳扶灯罩，出 宫女尽职尽责的逼真形象； 油灯设计别致，托座上装有灯碗 ，灯碗上铸有油池、灯芯座、转 动手柄及半圈弧形壁。 31 油灯的周边有槽，可使转 门转动。 拨动平板，可使灯碗以托 座 为轴，绕右袖圆口作近 360度转动，使光照方向转 动， 拉动转门还能改变遮光角 度 32 有巧妙的消烟灭尘装置。 宫灯是空心的，壁厚均匀， 而且较薄； 宫女的右袖是连通空心的， 形成一条烟道。油烟及未完 全燃烧的残碳由袖部进入头 腔内,碰到腔壁冷却后附着 在腔体内侧； 宫女的头部是可拆卸的，可 定期清除积垢。 33 下面再举几个有影响的青铜文物： 河南省安阳晚商遗址出土司母戊 大方鼎，商王文丁祭母所用 外形尺寸：高133cm，宽78cm， 长110cm； 重量：857kg，是迄今为止世界 上最古老的大型青铜器。 分别铸成鼎身、鼎耳、鼎足等部 ，然后合铸成一个整体。 A. 司母戊鼎 34 B.湖北隋县出土的战国青铜编钟 共有65个，总重量2500kg； 最大编钟重203kg； 最小编钟重仅有2.4kg； 编钟全部用青铜铸造； 编钟铸造水平相当高； 音侓准确、音色优美； 曾侯乙编钟 35 C. 四川广汉三星堆遗址介绍 遗址位于广汉市南兴镇北 南距成都40公里 遗址面积达12平方公里 是四川境内目前所知一处范围最广、延续时 间最长、文化内涵最为丰富的古蜀文化遗址 三星堆博物馆 36 1929年春天，当地农民燕道诚掏水沟时发现一坑 精美的玉石器 1933年，前华西大学美籍教授葛维汉，林名均教 授组成考古发掘队首次对三星堆进行发掘，由此 拉开了对三星堆半个世纪的发掘研究历程 1988年大规模发掘，主要由四川大学师生参与。 37 使三星堆遗址名扬四海的是 1986年7-9月发现两个商代大型祭祀坑，遗 址两坑上千件国宝重器轰然显世，震惊世 界； 被定性为“古文化、古国遗址”。 三星堆祭祀坑 38 三星堆遗址 被誉为世界第9大奇迹； 发掘出大量文物，填补了中国考古学、青铜文化 、青铜艺术史上的诸多空白，具有很高的历史价 值和艺术价值； 向人们展示了早在三四千年古蜀丰富的物质文化 遗存，揭示了“开国何茫然”的古代蜀国的文化面 貌，把巴蜀早期历史向前推1000多年； 揭示了中华民族起源的多元性； 39 验证了传说中的古蜀王鱼凫氏和杜宇氏的历史 是真实可信的； 雄辩的证明商周时期的古蜀国已有高度发达的 青铜文化； 古蜀王杜宇 杜鹃暮春至， 哀哀叫其间。 我见常再拜， 重是古帝魂。 杜甫杜鹃 40 三星堆 否定了古蜀国文化比中原文化发展缓慢 蜀王蚕丛之后有伯灌、凫氏、杜宇、开明等诸 侯系的统治王朝。开明传位12世，被秦国所灭 ，至此古蜀国灭亡，蜀文化逐渐溶入汉文化中 ，为秦建立统一国家作出了卓越贡献。 41 三星堆青铜文物 文物品种多，铸造水平高； 有的文物只有4mm厚，在当时需要有相当高的冶 铸技术； 文物出土轰动整个世界 青铜冶铸技术和文化艺术相当发达 42 四川广汉三星堆青铜文物 商代晚期铸造 金面平顶人头 像 人头像 头上冠形物似遥感天线，是否 用来接收宇宙的神秘信号？ 青铜兽面 43 青铜龙夔柱形器， 高41.1cm,宽 15.56cm 青铜人面具 青铜鹰头铃 44 青铜人立像 国宝级文物，目前世 界上最大最完整的青 铜人立像，号称“铜 像之王” 青铜神树 造型巧夺天工，树干高 384cm，是目前世界上最 早、树株最高的青铜神树45 （4）铁器 铁是地球上储量居于第三的元素（前两位 为硅、铝），来源于大型恒星的聚变。 中国同埃及、美索不达米亚等古国一样， 对铁的认识都是从陨铁开始的。 陨铁 世界最早的铁器 赫梯铁器 46 青铜器到铁器并不是偶然的 铜的精炼带动铁的冶炼； 青铜熔炼时，为造渣和降低熔点，古人往往加 入氧化铁作为熔剂，直接为铁矿石还原积累经 验； 赤铁矿(Fe2O3)与赤铜矿(CuO)极为相似，青铜 冶炼所需的高温和还原气氛，为一氧化碳与铁 矿石接触还原金属铁创造极为有利的条件； 47 铁戈铁农具 铁的铁制农具大面积推广应用； 铁制农具的强度和硬度比铜高，铁制农具更加耐用；来 源广泛，价格便宜，迅速占领生产材料市场，对农业生产 有更大的促进作用。 铁制盔甲比铜制盔甲轻，增加战士的灵活性；铁制兵器 比铜制兵器锋利、耐用，因而铁制武器装备大大提高军队 的战斗力，迅速占领军备材料市场。 48 中国冶铁历史比欧洲早1900年，春秋战国时期发明 了生铁冶铁技术，用铁水浇铸成农具、工具，大量使 用。 中国最早关于使用铁制工具的文字记载，是左传 中的晋国铸铁鼎。 晋国铁鼎 左传昭公二十九年，晋赵秧、荀 寅率师城汝滨，以铸刑鼎，著范宣子 所为刑书焉。 秦始皇收天下之兵聚之咸阳，销锋 铸以为金人十二 49 中国古代的大型铸铁件： 河北沧州铁狮 五代后周广顺三年（公元953年）铸造。 总高5.4米，身高3.9米，头高1.5米。 身长6.8米，宽3米，总重量40吨 。 50 湖北当阳铁塔 宋朝嘉祐六年（公元1061年） 铸造。 铁塔，高七丈，重106600斤， 由基座、塔身及塔顶组成。 塔身13层, 除第一层外，每层均 有平座、塔身和腰檐。腰檐上 铸有瓦垄、屋檐、檐角上铸有 凌空的龙首。 铁塔的基座和塔身上铸有许多 神态各异的佛像及纹饰，基座 八角各立一金刚武士。 51 山西晋祠铁人 北宋绍圣四年（公元1097年）铸造 铸造属于分节、叠铸而成 高2米以上 河南南阳瓦房庄汉代冶铁遗址出土的铁斧 直径2米左右 隋朝铸造的大铁佛像，高70尺 河南登封大铁人 铁人铸于公元1064年 每尊铁人高达十一尺余 52 铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个 全新的领域，生产力得到极大的提高。 铁器使一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也 推动一些民族脱离奴隶制的枷锁而进入封建社会 。 战国初期，中农食五人；战国晚期，中农食七人； 人口：夏朝-1355万，西汉-5959万 粮食亩产：战国-85斤，西汉-120斤， 粮食年产：以人均口粮500斤计算，西汉粮食年产量达 到300亿斤。 强汉盛唐坚实的农业基础，很大程度依靠铁制农具和 工具的推广使用。 53 （5）钢 含碳量在0.0218%-2.11%之间的铁碳合金 称为钢，强度较高，用途更广。 距今1800年前出现两步炼钢技术，即先炼 成铁，再炼成钢，并一直沿用至今。但其 工艺复杂，未能大面积推广。一直到19世 纪前半期，人类始终生活在“铁器时代”。 54 我国古代最早炼钢法可追溯到春秋战国时期，以 海绵状块炼铁为原料再经加热渗碳，碳由表及里 渗入，然后反复进行锻打，形成渗碳钢。 这种方法不要特殊设备，也不要复杂的技术，易 于实现，成为中国最早的炼钢方法。 河北易县燕下都出土的一些渗碳钢器物，如剑、 戟、矛等，经检验均为含碳量不同的钢制成。 燕下都遗址，今保定市 易县城东南 55 两汉是中国古代炼钢技术的大发展时期，如生铁 脱碳钢、炒钢、百炼钢等都是在这个时期发展的 。 “何意百炼刚，化为绕指柔”(晋刘琨诗，慷慨激昂 的韵调中透出无限凄凉的意绪，将英雄失落的百 端感慨表达得感人至深) 汉军主战兵器-环首长刀（百炼钢打制） 56 现代炼钢起始于1856年英国人HBessemer发明的 酸性底吹转炉炼钢法，该法首次解决大规模生产液 态钢的问题，奠定近代炼钢工艺方法的基础。 由于空气与铁水直接作用，Bessemer法具有很快的 冶炼速度，成为当时主要的炼钢方法。 HBessemer 贝塞麦在舍菲尔德开办的炼钢厂 57 Fe-C合金相图 纯铁钢铸铁 Bessemer设计了 空气吹入法，在 铁水排出之前吹 入空气，让其中 的氧气与铁水中 的碳进行反应， 降低碳含量，达 到钢的含碳量标 准(小于2.11%)。 58 1879年12月29日，一列火车经过曾被称为世界工 程奇迹之一的苏格兰泰河大铁桥时，大桥坍塌， 78人丧生。桥断的主要原因是铸造缺陷和材质问 题。 血的教训使人们正视到当时已能大规模生产的钢 是更适合的工程材料，于是，钢轨、钢桥、钢船 、钢枪、钢炮等逐步取代了铸铁。 泰河大桥 59 1910年发明的工具钢W18Cr4V有很高的硬度即 使温度达到600也不下降，大大提高刀具耐用度 ，使机床切削速度成倍增长，被誉为“高速钢”， 对机械工业的发展起了极其重要的推动作用。 不锈钢的发明是材料发展史上又一项重大成就， 从20世纪20年代开始工业规模生产，为化学工业 的发展做出重大贡献。 高速钢刀具 不锈钢容器 60 艾菲尔铁塔 钢的应用 旧金山金门大桥 建筑 设备 61 （6）有色金属 近代以来，人们除了发展钢铁材料以外，还进一 步发展了金、银、铜、钛、铝、镁、钼等有色金 属及其合金材料。全世界每年金属材料总产量约 达八亿吨，其中黑色金属约占95，有色金属只 占5。 有色金属资源的开发和利用，不只是对钢铁材料 的补充，更重要的是可发挥和开发钢铁材料不具 备的各种特殊性能。 在特定领域中，还必须采用有色金属才能最大限 度满足现代科学技术对各种材科性能所提出的要 求。 62 铝合金：20世纪上半叶，材料学家用合金化和时 效强化，把Al合金强度提高到700MPa，其比强 度为(强度/密度)2.64106cm，是钢 (0.61106cm)的4倍多，这意味着达到同样强度 Al合金用量只有钢的1/4，这为Al合金作为一种 结构材料带来极大优势，对于结构材料来说无疑 是一个飞跃。没有高比强度的Al合金，就没有现 代的航天航空成就。 63 铝合金车体 铝合金材料 铝合金航空材料铝合金轮毂 64 有色金属重要用途。 喷气发动机、火箭、煤炭、石油化工等现代化工业技术所 需要的超耐热合金(Ni基合金)； 电力、电工、电子工业所需要的导体材料、电阻和仪表材 料(Cu基合金) ； 原子能发电和核技术所需要的核燃料和稀有金属Be、Nb 、Zr、Hf、V等； 大规模集成电路和计算机所需要的Au、Ag等良导体和Ga 、In、Ge等半导体； 高性能永磁材料所需要的Nd、Pr、Dy等稀土金属， 这些都需要有色金属材料，其性能是钢铁材料无法 替代的。 65 铜衬电路板稀土NdFeB永磁合金 锆壳核燃料管 镁合金发动机部件 66 （7) 高分子材 料 从人类文明出现以来，高分子材料就一直陪伴着人们。 天然高分子，如丝、皮、毛等从远古开始就被人们发现 并利用。人们不断改进加工技术，将木、棉、麻、丝、皮 、毛等用于建筑、工具、用品、纺织、造纸、制衣制革、 防寒制品； 把植物体内的“树脂”(树流出的油脂)用于涂料、粘合 剂、药物和溶剂等。 天然橡胶丝绸 67 质量轻、自重小 穿梭于太空的宇宙飞船、射程上万公里的战略导弹除要 求有强大的推力系统外，质轻、耐烧蚀、高强度的壳体 材料也十分重要。 高分子材料的密度在0.9-2.3g/cm3之间，对要求减轻自重 的飞机、导弹、人造卫星、宇宙飞船有特别重要的意义 。 由高分子粘合剂与聚丙烯晴制成的高强度、高模量碳纤 维复合材料成为这些飞行器理想的壳体。 波音787是世界上首款主体结构采用 碳纤维复合材料制造的大型客机 奔驰SLR跑车车身由碳纤维复合材 料制成，车速可达334公里/小时 68 良好的电绝缘性能 常用塑料的体积电阻率高达1016-1020.cm，低密 度聚乙烯的介电强度高达1000V/mil，在电子和电 工技术中合成高分子材料已大量取代了出天然橡 胶制作的绝缘材料。 酚醛树脂 绝缘层压材料 69 低的热导性能 高分子材料具有低的热导系数，比金属小上百倍甚至 近千倍，其所制成的泡沫材料是十分理想的隔热体。 在冷藏、建筑、节能装置中广泛用作保温材料，在有 高温冲击的飞行器如火箭、导弹、字亩飞船中是优良 的热防护材料。 良好的化学稳定性 部分高分子材料可抵抗酸、碱、盐溶液和蒸汽等腐蚀 的功能，如聚四氟乙烯，可抵御王水的腐蚀。 PTFE材料 70 宽范围内的力学可选择性 高分子材料有很宽的力学可选择性，如聚醚醚酮，无 填料时抗拉强度达70MPa，当以30的碳纤维增强时 ，高达233MPa，其比强度是金属材料难以比拟的。 良好的耐磨、耐疲劳性质 密度只有铜1/7的尼龙1010，其耐磨性为铜的8倍，而氟 塑料的摩擦系数更低，这些塑料有优异的自润滑功能 是制作齿轮、轴套、滑块和运动密封件的良好材料 。 尼龙产品及器件 71 高分子材料发展之迅速，对人类生活各领域影响 之深入和广泛在当前各高新技术中发挥作用之 重大，是一般传统材料难以比拟的。 没有高分子材料，探测宇宙的空间飞船、高密度 存储光盘、飞机跨越太平洋的不停站飞行、飞行 器的红外隐身，都只能是停留在脑子里的幻想。 可以预言，在人类面临能源和资源挑战的21世纪 ，高分子材料将为人类社会做出更大的贡献。 72 复合材料 20世纪人类进入新材料时代，衣、食、住、行以 及科学技术的发展都离不开新材料，同时出现了 各种材料的复合技术。 金属与无机材料的复合 金属与高分子材料的复合 无机材料与高分子材料的复合 金属/高分子复合材 料-粘结NdFeB磁体 金属/无机复合材料- 景泰蓝 高分子/无机复合材 料-绝缘板材 73