第一讲 材料的发展史

1、现代新型材料与纳米材料现代新型材料与纳米材料 New Materials and Nanometer-Materials第一讲第一讲 材料发展历史材料发展历史 什么是材料？其重要意义是什么？什么是材料？其重要意义是什么？例子：7080年代电话80年代后期的程控电话（进入家庭）90年代的光纤通信（个人移动电话的普及）90年代电脑内存28M后期到56M21世纪初的256M现在的12G磁记录：录像带VCDDVD电视机：显像管等离子液晶手机的变化 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，材料的发展导致时代的变迁，推动人类的物质

2、文明和社会进步。在人类即将进入知识经济的新时代，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。材料与人类社会的关系如何？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。其实，人类文明的发展史，就是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。 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，被看成是人类社会进步的里程碑。对材料的认识和利用的能力，决定着社会的形态和人类生活的质量，所以人类从来没有中断过追求更好的材料，让材料具有更优异的性

3、质或者前所未有的功能来满足人类世世代代发展中层出不穷的新的需要和追求。所以，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的生活带来巨大改变，把人类社会推向前进。 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材料发展的历史演进在人类发展的历史长河中，材料起着举足轻重的作用，人类对材料的应用一直是社会文明进程的里程碑。古代的石器、青铜器、铁器等的兴起和广泛利用，极大地改变了人们的生活和生产方式，对社会进步起到了关键性的推动作用，这些具体的材料(石器、青铜器、铁器)被历史学家作为划分某

4、一个时代的重要标志。如石器时代、青铜器时代、铁器时代等。 (1) 天然材料天然材料 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当中获取。 经过比较简单的加工就可以为人类所利用。竹筷竹筷骨针骨针石制品石制品皮毛制品皮毛制品典型的天然材料典型的天然材料石器石器大约25,000年前人类就学会使用材料。今天人们从考古学家挖掘的人类当年所使用的各种用途的锋利石片，可以想象人类远祖的艰苦和聪明。他们能区别、选用各种石头创造出各种用具，用于生产、生活和战争。 石刀石刀石斧石斧人类只能利用岩石、树木、兽皮、骨骼等天然材料并进行粗糙的加工，除此之外别无他物。所以，石器时代的生

5、产工具极其落后，人类社会的生产力也是极端低下，所以社会发展极其缓慢，人类文化也是相当简单和粗俗的。 石器工具石器工具 (2) 陶器（无机非金属材料）陶器（无机非金属材料） 陶器是由粘土或以粘土、长石、石英等为主的混合物，经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200）而成的制品的总称。 约50万年前人类学会了用火。 6-7千年以前的原始社会末期，我们的祖先开始用火烧制陶器。 新石器时代晚期(公元前3000一前2800) 黑陶豆陶体的黑色是因为渗入了碳商商 陶酒尊陶酒尊唐唐 三彩俑三彩俑陶土可塑性强，可以获得人们希望形状的器物。陶的出现，使蒸煮食物更为方便，促进人类进化。陶俑的出现，代替了以人殉葬的野

6、蛮做法。 猪纹陶盆猪纹陶盆陶器在中国具有悠久的历史沉淀。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变体鸟纹盆 半坡小口尖底瓶半坡小口尖底瓶 半坡陶盆半坡陶盆 陶埙陶埙 从著名的仰韶和龙山文化遗址出土的陶器中，人们发现当时祖先们已经掌握了烧制黑色陶器和白色陶器的配方和技术。 仰韶白陶瓶仰韶白陶瓶龙山黑陶瓶龙山黑陶瓶小节：小节：陶器可以说是人类创造的第一个无机非金属材料。这个划时代的发明不仅意味着使用材料的变化，而且比这更深远重要的是人类第一次有意识地创造发明了自然界没有的，并且全新性能的“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。恩格斯曾论

7、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。 3000多年前的殷、周时期发明了釉陶。 炉窑温度达到1200，能将金属氧化物烧制成釉瓷的用途更为广泛，质地比陶更为细腻、外观美观。 陶向瓷的过渡陶向瓷的过渡 商朝商朝 釉瓷釉瓷什么是瓷器？什么是瓷器？ 在设计陶瓷配方时，根据使用要求，加入了较多的熔剂原料，并且配方中所使用的原料在焙烧过程中所产生的气体也较少，这样焙烧后产生的空洞少，有足够的玻璃相物质填充，制品形成的气孔较少，这种吸水率小于0.5%的陶瓷称瓷器。另外，瓷器一般表面有釉，也是属于烧制产生的玻璃质物质。 瓷器中的材料知识瓷器中的材料知识宋五大名窑（官、哥、汝、定、宋五大名窑（官、

8、哥、汝、定、柴窑）之一：哥窑瓷器柴窑）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。宋以前的瓷器中常有开片现象，只是到了宋代才开始将开片作为装饰。 青花瓷器青花瓷器 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。 瓷器9世纪传至非洲和阿拉伯国家。 瓷器13世纪传到日本。 瓷器15世纪传到欧洲。 瓷器成了中国文化的象征“CHINA”。 瓷器对世界文明产生了很大的影响。辉煌的瓷器之国

9、辉煌的瓷器之国瓷器的用途：礼仪用途（如古代的祭祀等）、生活用途（食瓷器的用途：礼仪用途（如古代的祭祀等）、生活用途（食物容器等）等。物容器等）等。 (3) 青青 铜铜 我国青铜的冶炼在公元前2140-1711年开始。 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。Cu-Sn二元合金二元合金相图相图 青铜工具青铜工具青铜斧青铜斧青铜犁青铜犁 青铜逐步取代部分石器、木器、骨器和红铜器，成为生产工具的重要组成部分。青铜工具的出现，在生产力的发展上起了划时代的作用。青铜工具

10、如斧、锯、凿、锥等，青铜农具有锄、铲 等已广泛使用，青铜工具在生产中的效用，使青铜冶铸技术日益重要，因而获得飞速发展。 青铜钱币青铜钱币刀币、布币、环钱、铜贝等刀币、布币、环钱、铜贝等 四羊纹铜尊四羊纹铜尊 商商 青铜器的最大历史贡献并不在于对生产力的推动，而在于社会秩序的建立。西周中晚期有着严格的列鼎制度，即用形状花纹相同而大小依次递减的奇数组鼎来代表贵族的身份。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。 青铜礼器青铜礼器 鼎鼎 周周 青铜武器青铜武器越王勾践剑越王勾践剑青铜戈青铜戈青铜头盔青铜头盔 青铜的一个重要用途就是用来铸造武器，如钺、戈、矛、戟、刀、剑、弩

11、、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。 秦始皇陵铜车马秦始皇陵铜车马 秦秦 铜三足鸟铜三足鸟 西周西周 铜奔马铜奔马( (马踏飞燕马踏飞燕) ) 汉汉 爵爵 商商 其它青铜制品其它青铜制品西汉长信宫灯的特点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将铸造、表面处理、结构学、环境保护巧妙地结合在一起；一起； 创创“技术精华技术精华”于一身，集于一身，集“优美实用优美实用”于一体；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

12、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。长信宫灯的功能： 灯座铸成跪姿的宫女状； 宫女跪坐的姿态端庄典雅； 宫女的左臂紧身，左手紧握托座； 宫女的右臂高抬过顶，稳扶灯罩； 刻划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。 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度的转动，使光照方向转动，拉动转门又能改变遮光角度 有巧妙的消烟灭尘装置。 宫灯是空心的,壁厚均匀且较薄； 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

13、内,碰到腔壁冷却减速以后就会附着在腔体内侧； 宫女的头部是可拆卸的，可定期清除积垢。 下面再举几个有影响的青铜文物：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鼎，重量857kg,外形尺寸：长宽高（13378110cm），此鼎重量是迄今为止世界上最古老的大型青铜器A. 司母戊鼎司母戊鼎B.湖北隋县出土的战国青铜编钟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曾侯乙编钟C. 四川广汉三星堆遗址介绍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

14、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三星堆博物馆 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。三星堆青铜文物三星堆青铜文物 阔眉大眼，眼球呈柱状外突，中间有一道箍 似可旋转，极像现代的望远镜 巨大的鹰钩鼻，上翘至耳根的大嘴 一双猪耳朵状的大耳朵，离奇怪异且巨大的青铜像真正使三星堆遗址名扬四海的是 1986年7-9月两个商代

15、大型祭祀坑的发现 遗址两坑上千件国宝重器的轰然显世,震惊了世界 被定性为“古文化、古国遗址”三星堆祭祀坑三星堆祭祀坑三星堆遗址三星堆遗址 被誉为世界被誉为世界第第9大奇迹大奇迹 填补了中国考古学、青铜文化、青铜艺术史上的诸多空白填补了中国考古学、青铜文化、青铜艺术史上的诸多空白 向人们展示了早在三四千年蜀族的物质文化遗存向人们展示了早在三四千年蜀族的物质文化遗存 揭示了揭示了“开国何茫然开国何茫然”的古代蜀国的文化面貌的古代蜀国的文化面貌 把巴蜀早期历史向前推把巴蜀早期历史向前推1000多年多年 揭示了中华民族起源的多元性揭示了中华民族起源的多元性三星堆三星堆 否定了古蜀国文化比中原文化发展缓

16、慢否定了古蜀国文化比中原文化发展缓慢 遗址遗址文化距今有文化距今有4800-2800年年 蜀文化逐渐溶入汉文化中，为秦建立统一国家作出了卓越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贡献三星堆青铜文物三星堆青铜文物 铸造水平高铸造水平高 有的文物只有有的文物只有4 mm厚厚 要铸造壁厚只有要铸造壁厚只有4 mm的铸件在当时需要相当高的技术的铸件在当时需要相当高的技术 文物出土文物出土轰动整个世界轰动整个世界 青铜青铜冶铸技术冶铸技术和和文化艺术文化艺术相当发达相当发达四川广汉三星堆青铜文物四川广汉三星堆青铜文物 商代晚期铸造商代晚期铸造金面平顶人头像金面平顶人头像 人头像人头像头上

17、冠形物似遥感天线，是否用头上冠形物似遥感天线，是否用来接收来接收宇宙的神秘信号宇宙的神秘信号？青铜兽面青铜兽面青铜人立像青铜人立像 国宝级文物国宝级文物 世界上目前发现的世界上目前发现的最大最大 最完整最完整的青铜大立人像的青铜大立人像 号称号称“铜像之王铜像之王”青铜神树青铜神树 造型巧夺天工造型巧夺天工 将美发挥到极致的杰作将美发挥到极致的杰作 树干高树干高384 cm 是目前世界上最早、树株最高的是目前世界上最早、树株最高的青铜神树青铜神树青铜人面具青铜人面具 青铜龙夔柱形器，青铜龙夔柱形器， 高高41.1 cm,宽宽15.56 cm青铜鹰头铃青铜鹰头铃（4 4）铁器）铁器 铁是地球上储

18、量居于第三的元素（前两位为硅、铝），来源于大型恒星的聚变。 铁碳合金的硬度大于各种铜合金，铁的冶炼温度比铜更高。 青铜器到铁器是生产工具的重大发展。 春秋战国时期发明了生铁冶炼技术，用铁水浇铸成农具、工具，开始大量使用铁器。 中国冶铁历史比欧洲早1900年。铁戈铁戈铁农具铁农具 铁的价格便宜，铁制农具大面积推广应用；铁的耐磨性能高于青铜，铁制农具更加耐用，对农业生产有更大的促进作用，铁制农具迅速占领了生产材料市场。铁的密度比铜小，强度和硬度比铜高，铁制盔甲比铜制盔甲轻的多，增加了战士的灵活性；铁制兵器也比铜制兵器锋利、耐用。所以，铁制武器装备大大提高了军队的战斗力，迅速占领了军备材料市场。晋国

19、铁鼎晋国铁鼎中国最早的关于使用铁制工具的文字记载，是中国最早的关于使用铁制工具的文字记载，是左传左传中的晋国铸铁鼎。中的晋国铸铁鼎。在春秋时期，中国已经在农业、手工业生在春秋时期，中国已经在农业、手工业生产上广泛使用铁器。我国从公元前产上广泛使用铁器。我国从公元前7 7世纪开始大量使用铁器。世纪开始大量使用铁器。 中国古代的大型铸铁件：中国古代的大型铸铁件： 河北沧州铁狮河北沧州铁狮 五代后周广顺三年（公元五代后周广顺三年（公元953年）铸造。年）铸造。 总高总高5.4米，身高米，身高3.9米，头高米，头高1.5米。米。 身长身长6.8米，宽米，宽3米，总重量米，总重量40吨吨 。湖北当阳铁塔

20、湖北当阳铁塔 宋朝嘉祐六年（公元宋朝嘉祐六年（公元1061年）铸造。年）铸造。 铁塔在殿前铁塔在殿前十三级十三级，高七丈，重，高七丈，重53,300kg，由基座、塔身及，由基座、塔身及塔顶组成。塔顶组成。 塔身塔身13层层, 除第一层外，每层均有平座、塔身和腰檐。腰檐除第一层外，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。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铁塔的基座和塔身上铸有许多神态各异的佛像佛像及纹饰，基座及纹饰，基座八角各立一金刚武士。八角各立一金刚武士。山西晋祠铁人山西晋祠铁人 北宋绍圣四年（公元北宋绍圣四年（公元1

21、097年）铸造年）铸造 铸造属于分节、叠铸而成铸造属于分节、叠铸而成 高高2米以上米以上河南河南南阳瓦房庄汉代冶铁遗址出土的铁斧南阳瓦房庄汉代冶铁遗址出土的铁斧 直径直径2米左右米左右隋朝铸造的隋朝铸造的大铁佛像大铁佛像，高，高70尺尺河南登封大铁人河南登封大铁人 铁人铸于公元铁人铸于公元1064年年 每尊铁人高达十一尺余每尊铁人高达十一尺余（5 5）钢）钢 含碳量在含碳量在0.0218%-2.11%之间的铁碳合金称为钢。冶炼温度之间的铁碳合金称为钢。冶炼温度更高，强度较高，用途更广。更高，强度较高，用途更广。 距今距今1800年前出现了年前出现了两步炼钢两步炼钢技术，即先炼成铁，再炼成钢，技

22、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世纪前半期世纪前半期，人类始终生活在，人类始终生活在“铁器时代铁器时代”。 Fe-C合金相图合金相图纯铁纯铁钢钢铸铁铸铁贝西默设计了空气吹入法，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%)。艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔钢的应用钢的应用旧金山金门大桥旧金山金门大桥建筑建筑设备设备（6 6）有色金属）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

23、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，更重要的是可以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。 铝合金铝合金 20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效强化，把Al合金的强度提高到700MPa，铝合金的比强度为(强度/密度)2.64106cm是钢的比强度(0.61106cm)的4倍有余。这意味着达到同样强度, Al合金的用量只有钢的1/4，这就为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几千年来的一

24、个飞跃。没有高比强度的Al合金做基础，就没有现代的航天航空成就。 铝合金车体铝合金车体铝合金材料铝合金材料铝合金航空材料铝合金航空材料铝合金轮毂铝合金轮毂有色金属在其他方面也有重要用途。有色金属在其他方面也有重要用途。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；电力、电工、电子工业所需要的导体材料、电阻和仪表材料；原子能发电和核技术所需要的核燃料和稀有金属Be、Nb、V等；大规模集成电路和计算机所需要的Au、Ag、Cu、Al等良导体；高性能永磁材料所需要的Nd、Pr、Dy等，以及能源、信息技术所需要的半导体、超导体和贮能材料等。这些都是有色金属材料，其性能是钢铁材料所无

25、法替代的。 铜衬电路板铜衬电路板稀土稀土NdFeB永磁合金永磁合金锆壳核燃料管锆壳核燃料管镁合金发动机部件镁合金发动机部件(7) 高分子材料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。在利用过程中，人们还不断改进加工技术，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。 天然橡胶天然橡胶丝绸丝绸 1839年英国人古特异年英国人古特异(Goodyear)在天然橡胶中加入在天然橡胶中加入硫磺硫磺，首，首次合成次合成硫化橡胶硫化橡胶；

26、硫化橡胶硫化橡胶天然橡胶天然橡胶高分子改性高分子改性 1832-1845年，人们用硝酸处理纤维索，得到硝化纤维； 1872年，革新硝化纤维工艺，获得celluloid“赛璐璐”材料； 1884年，赛璐璐用来制作照相底片、电影胶片等； 1855年，法国人奥德马尔制得硝化纤维人造丝；赛璐璐赛璐璐人造丝人造丝1872年，德国的拜尔(ABaycr)发现苯酚和甲醛在酸性介质中反应形成树脂状物质 1907年，比利时人贝克兰德(Bakeland)在拜尔等人的研究基础上制得酚醛树脂 ；1927年，美国的杜邦公司合成尼龙66；酚醛树脂酚醛树脂尼龙尼龙66高分子合成高分子合成聚乙烯聚乙烯 1933年，英国的Rob

27、sin 制得聚乙烯； 1941年，英国制备出涤纶纤维，在中国的俗称就是大家熟悉的“的确良”； 1950年起，齐格勒催化剂的出现促使新型分子材料大量出现。涤纶纤维涤纶纤维的确良布料的确良布料材料的复合材料的复合 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金属/高分子复合材高分子复合材料料-粘结粘结NdFeB磁体磁体金属金属/无机复合材料无机复合材料-景泰蓝景泰蓝高分子高分子/无机复合材无机复合材料料-绝缘板材绝缘板材对材料发展历史的小结对材料发展历史的小结

28、 从历史的角度看，20世纪之前材料的进步大量依靠人们的经验、技巧和积累。这个过程之所以如此缓慢，原因在于人们还没能够对材料在科学上有深刻的认识和理解，因而也缺乏科学对材料发展的指导。继19世纪三大发现(x射线、放射性、电子)后，20世纪前30年物理学产生相对论和量子力学，这些科学上的突破，成功地揭示了微观物质世界的基本规律，加速了人们对材料的声、光、电、磁、热现象以及材料内部的种种键力、结构、缺陷的认识。这一切既导致了多种新材料的诞生，也开辟了20世纪后半叶一系列重大科学技术上的突破 。可见，材料和这些重大突破都是息息相关的，正是在科学的引导和高技术产业发展推动的双重作用下，诞生了各种各样神奇的新材料，也正是这些日新月异的材料构成了20世纪人类新技术新文明的基础。什么是新型材料？主要有什么特点？什么是新型材料？主要有什么特点？ 新型材料，通常是指对现代化科学技术进步和国民经济发展以及提高综合国力有重大推动作用的最新发展或正在发展的材料。这些材料和传统材料相比具有优异的性能和特定的功能，是发展信息、航天、生物、能源等高技术的重要物质基础