审计学院走近材料科学

审计学院走近材料科学第1页/共48页2I从2009年世界游泳锦标赛的泳衣说起“罗马世锦赛高科技最后的疯狂：43人次打破世界纪录”详细：/o/2009-08-03/03064514714.shtml第2页/共48页3据悉，Jaked新款泳衣表面布满非渗透性材料之一的聚氨酯，其具有良好的伸缩性，在专业泳衣中普遍使用。

在2008年帮助选手创造了73项世界纪录的SpeedoLZRRacer(“鲨鱼皮四代”)正是拥有聚氨酯的尖端技术。Speedo中国网站曾分析说，SpeedoLZRRacer表面多加一层聚氨酯，能够有效将水阻力降低10%，减少5%的耗氧量，泳装整体吃水量得以减少约69%，菲尔普斯曾形容自己穿上它后就“感觉自己像一支被发射的火箭”。第3页/共48页

构成“水立方”“皮肤”的3000多个不规则“泡泡”，是由新型的环保节能材料四氟乙烯膜（ETFE）制成的。ETFE膜具有很好的延展性和抗压性，1米长的膜可被拉伸至3.5米长，熔点高达275摄氏度，即使用火去烧都不会点燃，因此被人们称为“塑料王”。

“水立方”第4页/共48页

使用了ETFE膜，“水立方”还更加节能。阳光穿过“水立方”表面透明的ETFE膜，可以直接加热游泳池水温和室温。这使得“水立方”整体节能9％左右。另外，采用ETFE膜结构，馆内透光性大大提高，可保证90％的自然光进入场馆，夏季自然光照明平均每天近10个小时。

/news/view.asp?bid=2&id=3557第5页/共48页

“鸟巢”这个辐射式旋转而成的梦幻般造型，让4.2万吨钢的受力点集中在24根柱子和柱脚上。“鸟巢”第6页/共48页7凯夫拉防弹衣（

2～3公斤）凯夫拉手套KEVLAR®（美国杜邦公司发明）成为在世界范围内制造和穿着的两百多万件防弹背心中最为关键的防护材料神奇的凯夫拉第7页/共48页8凯夫拉防弹背心也已经拯救了2500多名警员的生命。美国联邦调查局（FBI）的调查发现，对一个警员来说，如果他或她当时穿着个人防护装甲，那么在交火中就有14倍以上的机会可能存活下来。美国研制出用“凯夫拉”材料制成的头盔，从而结束了作为美国陆军象征有名的“钢盔”时代。这种头盔仅重1.45千克，其防弹性能比原标准钢盔高出了33%。同时，这种新头盔更贴近头部，使用者感觉更加舒适。凯夫拉是芳香族聚酰胺有机纤维，我国称它为芳纶复合材料。凯夫拉层压薄板的韧性是钢的3倍，经得起反复撞击。“凯夫拉”薄板与钢装甲结合使用更是威力无比。如果采用复合装甲，能防穿甲厚度为700毫米的反坦克导弹，还可防中子弹。第8页/共48页下一代飞机波音787和空客A3809与其他任何同级别飞机相比，波音787可以节省20%的燃油，且排放相当，其噪声水平比当前同座级的飞机小60%以上。50%复合材料78712%复合材料777/commercial/787family/programfacts.html座英里成本比目前效率最高飞机的低15%～20%。A380起飞时发出的噪声也将是目前所要求的一半。第9页/共48页10伊辛巴耶娃的撑杆第10页/共48页11伊辛巴耶娃的撑杆1930年代，各国运动员使用的撑杆是日本产的竹子，跳跃高度不超过4米。第二次世界大战后，出现了铝合金金属杆，成绩提高到4.77米。1960年代，撑杆跳高发生了划时代的变化，运动员改用尼龙撑杆，不久又换为碳纤维杆。从此，世界纪录屡屡被刷新。第11页/共48页12

成绩提高的原因就在于撑杆的力学特性。与竹竿和铝合金杆相比，玻璃纤维杆和碳纤维杆在受到冲力时能产生大幅度的形变，这种形变可将接受的动能迅速转化为势能，而当撑杆恢复原来的形状时，其势能又以弹力的形式作用于运动员，将人体“弹”起。另外，由于撑杆受力后能迅速弯曲，杆绕插头向前转动的半径减小，这样就加大了转动角速度，而使撑杆能较快地竖直。布勃卡第12页/共48页13生活中的材料科学

Freeze-driedcoffee（冻干咖啡）第13页/共48页14

Howiceskatermovesoeasilyonice？第14页/共48页15

世界上的山到底能有多高？第15页/共48页16II材料在技术发达社会中的作用-1光纤通讯

1880年，贝尔发明了一种利用光波作载体的光电话，但是由于找不到理想的光源和传输媒介，因此光纤通讯长期得不到发展。1966年高锟博士发现提高SiO2的纯度可以减少光传播过程中的损耗。高锟博士1970年康宁公司用高纯石英玻璃制造出光导纤维。1975年，美国亚特兰大实验系统的光纤通讯实验成功。2009年，高锟获得诺贝尔物理学奖。第16页/共48页17材料在技术发达社会中的作用-2集成电路integratedcircuit

集成电路是采用专门的设计技术和特殊的集成工艺，把构成半导体电路的晶体管、二极管、电阻、电容等基本元器件，制作在一块半导体单晶片（例如硅或砷化镓）或绝缘基片上，能完成特定功能或者系统功能的电路集合。第17页/共48页18材料在技术发达社会中的作用-2CPU45纳米工艺

英特尔、德州仪器、AMD、中芯国际CPU32纳米工艺

英特尔完成32纳米工艺开发计划第四季度投产CPU28纳米工艺

台湾半导体制造公司（TSMC）应用金属栅极解决方案的

28纳米节点可能已经准备就绪第18页/共48页19材料在技术发达社会中的作用-3航空航天工业

质量轻、高强度的铝合金和钛合金——机架镍基高温合金——强力高效的喷气式发动机复合材料和陶瓷材料隐身材料F22猛禽战斗机航天飞机第19页/共48页20材料在技术发达社会中的作用-4超导材料（例如超导Nb-Ti导线）

应用于托克马克装置

如何克服巨大的静电斥力将原子核聚到一起，还要将它们的密度维持在一定水平以防不安全的能量爆发(如氢弹就是不可控的核聚变)？前苏联科学家在20世纪50年代初率先提出磁约束的概念，并在1954年建成了第一个磁约束装置—形如中空面包圈的环形容器“托克马克(Tokamak)”，又称环流器。

（人造太阳）全超导的托克马克装置EAST（合肥）

第20页/共48页21III材料的主要类别1金属

金属的定义：具有电阻随温度升高而升高的材料

金属通常是电的良好导体、强度高、较致密应用：结构材料、导电材料钢铁，有色金属，贵金属，稀土

四鸟扁足方鼎西周晚期第21页/共48页22材料的主要类别2陶瓷（无机非金属材料）

高温稳定性、抗化学侵蚀性、不吸收外来物质脆性、良好的绝缘体陶瓷材料的重要影响：汽车工业陶瓷发动机超导材料YBa2Cu3O7

下一代计算机将采用陶瓷光-电元件第22页/共48页23材料的主要类别3聚合物

强度低、易于加工、密度低潜在应用：可生物降解的聚合物液晶聚合物技术有助开发轻质结构材料导电聚合物(聚乙炔)1977年白川英树、

AlanJ.Heeger、

AlanG.MacDiamid

HeegerCenterforPolymersandOrganicSolids/第23页/共48页24材料的主要类别4复合材料

碳纤维：航空航天等高新技术产品金属基复合材料高温陶瓷基复合材料

第24页/共48页25C/C在航天领域中的应用C/C作为刹车盘碳/碳复合材料（C/C）

第25页/共48页26材料的主要类别5半导体（大部分半导体都是陶瓷）

Si、Ge、GaAs、CdTe、InP

需要注意的是近年来发展的“Organicsemiconductor”

能源材料

薄膜太阳能电池

（有机太阳能电池发展非常快）

第26页/共48页27IV材料科学的核心问题材料科学的核心问题：结构与性能的关系材料的性能是指材料对光、电、磁、热、机械载荷的反应，而这些性能主要取决于材料的组成与结构，而组成结构又取决于材料的成分和制备与加工工艺。实例：（1）在铁中加入0.4%的碳可以使得材料的强度提高两个量级；（2）100万个硅原子中加入2个磷原子，电导率提高500万倍;（3）应用抗静电涂层或在大块聚合物中加入离子，可使得纺织纤维电导率提高5个数量级，防止降落伞打不开这样严重的静态放电问题。第27页/共48页281912年4月10日，泰坦尼克号从英国南安普敦（Southampton）出发，计划中的目的地为美国纽约（NewYork）。4月14日晚11点40分，泰坦尼克号在北大西洋撞上冰山（大约在41°43'55.66"N49°56'45.02"W附近），两小时四十分钟后，4月15日凌晨2点20分沉没，由于只有20艘救生艇，1523人葬身海底，造成了当时在和平时期最严重的一次航海事故。钢铁也有脆弱的时候V重大事故中的材料科学第28页/共48页291986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机升空后爆炸，机上7名宇航员全部遇难。根据调查这一事故的总统委员会的报告，爆炸是一个O形橡胶封环失效所致。这个封环位于右侧固体火箭推进器的两个低层部件之间。失效的封环使炽热的气体点燃了外部燃料罐中的燃料柔软的橡胶在低温下变硬第29页/共48页301988-1989年，阿拉斯加的冬季异常寒冷，在那年发生了异乎寻常的大量汽车轴断裂事故。1988年4月28日，一架阿罗哈Aloha航空的波音737-200型客机在飞往檀香山国际机场途中发生爆裂性失压事故，导致约头等舱部位的上半部外壳完全破损，机上一名机组人员堕海失踪，飞机最后奇迹地安全迫降茂宜岛的卡富鲁伊机场。舱盖的强度因严重腐蚀和疲劳而降低第30页/共48页31二次世界大战，德国军队所供应的食物是装在锡罐重大，在苏联冬季战役中，德国士兵发现锡罐破碎并且他们的食物完全被金属碎片随污染。低温下锡由体心四方向钻石立方转变，体积增大27%第31页/共48页32

雪花的形状VI材料中的微观世界

Haüy

从理论推断晶体具有规则的几何外形，是原子分子规则排列的结果；20世纪30年代，Laue等提出X射线衍射方法；1983年，Binning等发明了STM，直接观察晶体表面的原子(离子或分子)的规则排列第32页/共48页33

Ni(110)surface，IBM第33页/共48页341989年（IBMFellow）DonEigler成为第一个能够对单个原子表面进行操作的人，通过用一台“扫描隧道显微镜”操控35个氙原子的位置，拼写出了“I-B-M”3个字母。

IBM苏黎世研究实验室工作的两位诺贝尔奖得主HeinrichRohrer(左)和GerdBinning(右)与第一代扫描隧道显微镜（STM）。第34页/共48页35BShearBandaroundtheindentationnanoindentationNano-crystal

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高分辨扫描