材料科学与人类文明绪论

1、材料科学与人类文明材料科学与人类文明 浙江大学浙江大学 2011 何谓材料？ 材料是人类社会所能接受的、可经济地制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。造有用物品的物质。 俄罗斯米俄罗斯米-26直升机展示强悍起吊能力直升机展示强悍起吊能力 米-26采用8片半径16米长的矩形桨叶旋翼，是世界采用桨叶片 数最多的单旋翼直升机，其桨毂由钛合金制成。 材料研究之美材料研究之美 材料研究之美材料研究之美 200nm 材料系材料系2010研究生微结构摄影大赛研究生微结构摄影大赛 绪绪 论论 材料和人类文明发展史概述材料和人类文明发展史概述 材料的定义分类材料的定义分类 本课程的主要内容及

2、目的本课程的主要内容及目的 第一章 绪论 人和动物的本质区别? 人可以利用工具从事生产、生活，创造财富，积累经验，进而 制造更先进的工具 在制造工具时，材料材料是必需的 但不是所有的物质都能用于制造工具 什么是材料？ 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品 的物质的物质 简单地说，材料是人类可用来制造有用器件的物质 材料是人类社会进步的里程碑 材料与人类文明发展材料与人类文明发展 人类文明进程的划分依据是什么人类文明进程的划分依据是什么 所使用的、占主导地位的材料 石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成 材

3、料时代、复合材料时代 发展得越来越快 人类文明与材料人类文明与材料 u 木器时代木器时代 ？ u 公元前公元前8世纪古希腊哲学家赫西奥德的世纪古希腊哲学家赫西奥德的劳劳 动与时令动与时令诗篇里，把人类的发展划分成黄金、诗篇里，把人类的发展划分成黄金、 白银、青铜、英雄和铁白银、青铜、英雄和铁5个世纪；个世纪； u 中国东汉袁康所撰的中国东汉袁康所撰的越绝书越绝书中把人类中把人类 使用的工具，分成石、玉、铜、铁四个阶段；使用的工具，分成石、玉、铜、铁四个阶段； u 1836年丹麦学者年丹麦学者c. j. 汤姆森提出了汤姆森提出了石器时石器时 代、青铜时代和代、青铜时代和铁器铁器时代时代的分期。的

4、分期。 从远古的石器时代到铁器时代再到如今的新材料时代，先从远古的石器时代到铁器时代再到如今的新材料时代，先 后经过了七个不同时代后经过了七个不同时代 公元前公元前10万年万年石器时代石器时代 公元前公元前3000年年 公元前公元前1000年年 公元前公元前0年年 1800年年 1950年年 1990年年 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 水泥时代水泥时代 钢时代钢时代 硅时代硅时代 新材料时代新材料时代 以材料区分的七个时代以材料区分的七个时代 石器时代石器时代 2百万年前开始，人类有目的地在生产生活中利用百万年前开始，人类有目的地在生产生活中利用 天然材料（石头、木头、黏土、动物皮毛

5、等）。天然材料（石头、木头、黏土、动物皮毛等）。 燧石：神奇的石头 400,000 bc 4,500 bc 石器时代石器时代 (stone age) 人类主要以石头、骨头、 木制作简单的工具 陶器陶器(pottery) 陶器的出现是人类 跨入新石器时代的新石器时代的 重要标志重要标志之一 据考古资料，中国 陶器制作历史至少 有8000年年以上 西安半坡人面网纹陶盆西安半坡人面网纹陶盆 战国陶制四通水管战国陶制四通水管 4,500 bc 1,000 bc 青铜时代青铜时代 (bronze age) 大量使用青铜工具及青铜礼器的时期 从矿石中提炼铜 冶金业的黎明 埃及古墓壁画 是人类冶金业的最早纪

6、录之一 人类学会了用炭把铜加热以造出人类学会了用炭把铜加热以造出 纯度更高的铜纯度更高的铜, 而把铜和锡矿石而把铜和锡矿石 熔合后可得一种坚度高的合金熔合后可得一种坚度高的合金 - 青铜，以青铜来造出各种武器青铜，以青铜来造出各种武器 青铜器时代青铜器时代 锡青铜（锡青铜（bronze）铜铜-25%锡合金锡合金+其其 它元素，具备良好的强韧性、耐腐蚀性、良它元素，具备良好的强韧性、耐腐蚀性、良 好的加工性能等。好的加工性能等。 由于青铜的熔点比较低，约为由于青铜的熔点比较低，约为800；硬度；硬度 高，为铜或锡的高，为铜或锡的2倍多，所以容易融化和铸倍多，所以容易融化和铸 造成型。造成型。 古

7、称金或吉金，是紫铜与其它元素古称金或吉金，是紫铜与其它元素 （锡、镍、铅、磷等）的合金（锡、镍、铅、磷等）的合金 中国青铜时代大致对应夏商周至秦中国青铜时代大致对应夏商周至秦 汉，时间跨度约两千年汉，时间跨度约两千年 春秋战国时期，齐国工匠写成春秋战国时期，齐国工匠写成考考 工记工记，提出，提出金有六齐金有六齐，是世界，是世界 科技史上最早的冶铜经验总结科技史上最早的冶铜经验总结 青铜：第一种合金青铜：第一种合金 夏钺 戈 “六齐六齐”一词最早见于一词最早见于考工记考工记：“金有六金有六 齐：六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五齐：六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五 分其金而锡居一，谓之斧斤之齐

8、；四分其金分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金 而锡居一而锡居一,谓之戈戟之齐；三分其金而锡居谓之戈戟之齐；三分其金而锡居 一一,谓之大刃之齐谓之大刃之齐;五分其金而锡居二五分其金而锡居二,谓之削谓之削 杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。” 从原理上看，从原理上看，“六齐六齐”的出现表明的出现表明 在战国时期人们对合金成分、性在战国时期人们对合金成分、性 能和用途之间的关系已经有所认能和用途之间的关系已经有所认 识。识。 三星堆三星堆 突目面具 铸于商代晚期，高64.5cm，宽 138cm，眼球柱状外突长达13.5cm 三星堆立人像 铸于商代晚期，高1.72m，

9、底座高0.9m， 通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像 司母戊鼎司母戊鼎 司母戊鼎，商代大鼎，1939年出 土，鼎高133cm，重875kg。为已 知的中国古代体量最大的青铜器 铜禁，中国已知最早应用失蜡法 铸造的作品，春秋时代的楚国王 子午墓出土，年代为公元前6世纪 温文尔雅的四羊方尊温文尔雅的四羊方尊 青铜乐器青铜乐器 （战国）错金犀牛尊（战国）错金犀牛尊 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 1450bc 铁制车轮1500ad 廉价的冶铁业 1000bc 铁器时代铁器时代 (iron age) 战国铁犁头战国铁犁头战国铁锄战国铁锄 湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 铁的性能更好，原料更易得。在现代

10、仍在大铁的性能更好，原料更易得。在现代仍在大 规模应用。规模应用。 科学技术的发展史，就是材料的发展史科学技术的发展史，就是材料的发展史 原理成品 发展时间 电机18211886 65 真空管 18821915 33 无线电18871922 35 x光18951913 18 雷达19351940 5 原子堆19391942 3 半导体19481951 3 激光19581960 2 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照科学原理的发现时间与其产业化时间的对照 例例1: 轮子的发展轮子的发展 车的发展始于轮子的发明，轮子的使用无疑是陆地交通工具变革的开始，它 是人类历史上最重要的发明之一 有了车，

11、人类的活动范围变大，人与人之间的交往和物质的交流也增多了 木柱是轮子的雏型 据说5500多年前，生活在美索不达米亚平原的苏美人首先发明了车。最原始 的车轮就是圆木片，以后为了制作方便，采用木板拼接，将木纹走向不同的 木板交错着钉在一起，可以防止开裂 公元前2000年，人类发明了有辐的车轮，比实体车轮轻便了许多，装有辐 式车轮的车子用马来拉，速度就快多了，车身也变得轻巧灵活，被古人当作 武器用在战争中 进入18世纪后，随着第一次产业革命的兴起，生产规模迅速扩大，人类开始 大量制造较耐用的金属轮子 时至今日，汽车所用的轮子要求更高，金属轮子的外围更加上橡胶轮胎，以 作避震及增强附着摩擦力之用 未来

12、磁浮的采用可使得轮子有完全被取缔 例例1: 轮子的发展轮子的发展 第一次科技革命发生于18世纪中叶的英国，而后遍及欧洲和北美国家。这 次革命以纺织机械革新为起点，以蒸汽机的广泛使用为标志，实现了工业 生产从手工工具到机械化的转变，使以机器为主体的工厂制度化替了以手 工技术为基础的手工工场，从而把人类带进了蒸汽时代 第一次科技革命发生的条件第一次科技革命发生的条件 当时英国正在开僻海外市场、掠夺殖民地以及进行“圈地运动”, 这情况下 有大量资金、劳动力、原料和广阔市场的基础，工场手工业迅速发展起来， 技术水平的提高又促进了操作过程的专业化和熟练程度，为用机器代替人 手操作提供了准备条件 在17、

13、18世纪的英国，牛顿一批科学家掌握了科学理论，创办了各种学术 团体，广泛交流学术思想；促使科技革命的发生 从18世纪60年代起，棉纺织业中一系列新工具机的出现，令制造能产生巨 大、稳定的动力的机械装置，成了工业上的迫切需要。于是，以瓦特改进 的蒸汽机为代表的动力机就应运而生 材料与技术革命材料与技术革命 在开发了铁和铜铁和铜等新材料后，蒸汽机蒸汽机得以使用并逐步推广，由此引发第一次技术革命第一次技术革命 第二次技术革命第二次技术革命开始于19世纪末，以电电的发明和广泛 应用为标志，一直延续到20世纪中叶，以石油开发和 新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其 他工业，支持这个时期产业革命

14、的仍然是新材料开发新材料开发， 如合金钢、铝合金以及各种非金属材料合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。 材料与技术革命材料与技术革命 第三次技术革命第三次技术革命开始于20世纪中叶，以原子能应用原子能应用 为标志，实现了合成材料、半导体材料合成材料、半导体材料等大规模工 业化、民用化。 材料与技术革命材料与技术革命 核能材料核能材料 瑞士核电站 氧化铀 钨钒钢（w-v steel） 铬钒钢（cr-v steel） 镍基高温合金（hastelloy material） 核反应堆材料 耐中子辐射、腐蚀、高温 烧结后烧结后 烧结前烧结前 第四次技术革命第四次技术革命开始于20世纪70年代，以计算

15、机计算机、 微电子技术、生物工程技术与空间技术微电子技术、生物工程技术与空间技术为主要标志。 材料与技术革命材料与技术革命 新材料时代新材料时代 (new material age) 长征三号运载火箭在发射架上的图片长征三号运载火箭在发射架上的图片 宝钢高炉宝钢高炉 材料、能源、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人 类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导 材料是全球新技术革命的材料是全球新技术革命的四大标志四大标志之一（之一（新材料技术、新能源技术、新材料技术、新能源技术、 信息技

16、术、生物技术信息技术、生物技术）。）。 汽车工业：金属、玻璃、各种塑料、涂料汽车工业：金属、玻璃、各种塑料、涂料 航空航天：高温合金、隔热材料、轻型高强度材料航空航天：高温合金、隔热材料、轻型高强度材料 能源工业：储氢合金、燃料电池、太阳能电池能源工业：储氢合金、燃料电池、太阳能电池 电子信息：半导体材料、超导材料、磁记录材料电子信息：半导体材料、超导材料、磁记录材料 生物技术：人工关节、人工皮肤、人工脏器生物技术：人工关节、人工皮肤、人工脏器 农业：人造土壤、地面覆盖农业：人造土壤、地面覆盖 日常生活：包装材料、建筑材料日常生活：包装材料、建筑材料 现代社会 三三 大大 支支 柱柱 能源、信

17、息和能源、信息和材料材料（19981998） 生物工程，信息技术和生物工程，信息技术和新材料新材料 材料是所有科技进步的核心 建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程 无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破 没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦 没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天 没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船 没有固体微电子电路，就没有计算机 火箭 材料的应用材料的应用 铝合金的铝合金的 主要应用领域主要应用领域 战机 舰船 导弹 火箭 人造 卫星 战车 高速列车 汽车 高层 建筑 新材料的特征新材料的特征 根据人们对材料物理和化学性能的了

18、解，为了特定需要 而设计、加工材料 半导体单晶硅、砷化嫁、光导纤维、超导等新材料的开 发和应用，使得新技术得以生产和应用，从而促进新工 业的出现和发展，极大的推动了社会文明与经济的发展 新材料 新技术 新工业 材料与日常生活材料与日常生活 钛合金自行车钛合金自行车：“自行车发烧友” 选择钛合金制自行车。 通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合 材料与日常生活材料与日常生活 形状记忆合金百叶窗形状记忆合金百叶窗 材料与日常生活材料与日常生活 目前市场出售的眼镜架有 纯钛制品、tini超弹性合金 制品等 其优点是耐腐蚀、不变色、 质轻 眼镜架眼镜架 材料与日常生活材料与日常生活 用钛制作的手表在

19、国外市场 已早有出售，目前世界上已 有十多家表厂生产这种手表， 其中有全钛表壳，也有部分 用钛或用氮化钛、碳化氮等 此外，还有供运动员和潜水 员使用的特制手表 据说是钛合金外壳哦！ 手表手表 材料与日常生活材料与日常生活 照相机 纯钛戒指 钛金发王 钛手链 用钛制作的日用品还有照相机、手提箱、保温瓶、耳环、 手镯、戒指、项链、胸针等 材料与建筑 材料与交通 福特2000与西纳给2010这两款 由材料工程师设计的汽车将成 为未来交通工具 汽车用高强钢，比原先轻 24%，而强度高34%。 汽车汽车 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪前20年的人类发明 齐柏林硬式飞艇、扬声器、空气调节装置

20、、自动售货机、圣诞树彩灯、双刃安全 剃刀、飞机、人造树胶、霓虹灯、汽车上的电点火装置、纸杯、不锈钢、坦克、 爆米花烤箱 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪20年代的人类发明 机器人、雪上汽车、自动手表、电动剃须刀、16毫米家庭型电影摄影机、克里内 克丝面巾纸、电视机、汽车无线电、红绿灯 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪30年代的人类发明 易拉罐、宝丽来太阳镜、自动洗衣店、道路斑马线、罐装啤酒、原子笔、施乐复 印机、家用电冰箱、电脑、立体声录音机 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪40年代的人类发明 尼龙丝袜、彩色电视、塔伯家用塑料制品、原子弹、微波炉、吉普车、宝

21、丽来照 相机、慢转密纹唱片、可多次使用的尿布、第一台由软件驱动的电脑 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪50年代的人类发明 信用卡、有线电视、动力方向盘、袖珍晶体管收音机、录像机、不粘锅、垒高儿 童拼装玩具、氢弹、水翼船、调制解调器、健身呼啦圈 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪60年代的人类发明 软接触镜头、纤维笔尖钢笔、体重计、用做隆胸的硅胶填充物、按钮电话、电脑 鼠标、石英手表、“傻瓜”照相机、涡流浴室、影碟、盒式录音磁带、手提电脑、 扫描仪、丙烯酸树脂涂料 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪70年代的人类发明 电脑软盘、袖珍计算器、可随意粘贴便条、beta

22、制大尺寸磁带录像系统、自动调 焦照相机、苹果第二代电脑、移动 电话(手机)、索尼随身听 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪80年代的人类发明 光盘、一次性照相机、高清晰度电视、人工合成皮肤、cd rom、多普勒雷达， 高温超导体、数字蜂窝电话 20世纪科技发明史-与材料密切相关 20世纪90年代的人类发明 “哈勃”太空望远镜、dvd、可用于汽车上的氢气燃料电池、“奔腾”处理器 20世纪科技发明史-与材料密切相关 21世纪的人类发明 苹果ipod音乐随身听、人造肝脏、免清洁窗户、segway新型交通工具、适于在 北极严寒气候条件下骑行的冰上自行车、防身夹克 材料的未来发展 微型化微型化

23、纳米材料与结构纳米材料与结构 智能材料智能材料 环保材料环保材料可生物降解材料等可生物降解材料等 仿生材料仿生材料 极限条件用材料极限条件用材料 材料材料 金属材料金属材料 无机非金属材料无机非金属材料：陶瓷，玻璃，玻璃陶瓷等 高分子材料高分子材料：橡胶，塑料，胶粘剂 复合材料复合材料：金属基，陶瓷基，高分子基 黑色金属：钢，铁，钨 有色金属：铝，铜，钛，金，银等 材料的分类材料的分类按价键结构按价键结构 金属键金属键 离子键和共价键离子键和共价键 共价键和分子键共价键和分子键 金属材料 容易加工、强度韧性好、导电导热容易加工、强度韧性好、导电导热 陶瓷 强度硬度高、脆、绝缘、耐热强度硬度高、脆、绝缘、耐热 半导体 现代信息产业的基础材料现代信息产业的基础材料 高分子