材料科学与人类文明-第1章.ppt

1、,材料科学与人类文明,宋义虎 高分子科学与工程学系,课件下载方法 10:21/ 用户名：polymer 密 码：666666,第一章 绪 论 第二章 材料使用简史：材料使用史(文明划代史)；中华文明在材料史上的定位 第三章 材料与材料科学：材料分类、选用原则、材料科学 第四章 材料结构基础：键、晶体结构与缺陷、合金 第五章 材料性能基础：热、导电、超导、介电、光学、磁、力学 第六章 常用结构材料简介：金属、陶瓷与璃、高分子、复合材料 第七章 信息材料：处理、传递、 存储、 显示材料 第八章 智能材料：构成、应用、种类 第九章 生物医用材料：发展简史、分类、特征与

2、评价、常用材料 第十章 材料与环境的关系及环境材料：废旧材料处理、新材料,课程内容,第一章 绪论,人和动物的本质区别? 人可利用工具从事生产、生活，积累经验，创造财富，进而制造更先进的工具 制造工具时，材料是必需的 然而，不是所有的物质都能用于制造工具 什么是材料？ 具有一定性能，可用来制作器件、构件、工具、装置等的物质 简单地说，材料是人类可用来制造有用器件的物质,两个问题,物质基础 主要标志,材料是人类社会进步的里程碑,古代，材料首先用于统治阶级的生活、祭祀、战争 新材料的发展与应用，取决于 工匠经验的积累 先进武器、精美祭器的需求 严酷的管理制度 现代，材料广泛用于民众的生活、生产 新材

3、料发展的动力，源于 科学的知识体系 不断更新的制造业技术（苹果的推介） 人们对高品质生活、高性能器具的追求,材料与人类文明发展,石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代,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,历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志， 称为石器时代、青铜器时代和铁器时代 近代，材料种类极其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征：新材料时代,人类文明的进化时代，以材料的使用来划分 人类社会先后经过了7个不同的文明时代,材料与人类文明发展,燧石：神奇的石头,石器时代 (Stone Age)

4、 BC 400,000 4,500,主要以石头、骨头、木制作简单的工具,材料与人类文明发展,陶器(Pottery),陶器的出现,是人类跨入新石器时代的重要标志之一,青铜时代(Bronze Age) BC 4,500 1,000 大量使用青铜工具、青铜礼器的时期,从矿石中提炼铜 冶金业的黎明,人类学会了用炭加热铜，造出纯度更高的铜 把铜、锡矿石熔合，得一种坚度高的合金-青铜，以青铜来造出各种武器,埃及古墓壁画 是人类冶金业的最早纪录之一,材料与人类文明发展,古称金或吉金，是红铜与其它元素(锡、镍、铅、磷等)的合金 中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，约2000年 春秋战国时期，齐国工匠写成考工记，

5、提出金有六齐，是世界科技史上最早的冶铜经验总结,青铜：第一种合金,材料与人类文明发展,夏钺(yu),戈,Gefuding Gui, Late Shang,Shanghai Museum,戈父丁簋,三星堆 BC2800-BC800，商、周,三星堆立人像，晚商 高1.72m，底座高0.9m， 世界上最大的青铜立人像,材料与人类文明发展,突目面具，晚商 高64.5cm，宽138cm， 眼球柱状外突长达13.5cm,青铜人头，高27cm,青铜乐器,错金犀牛尊(战国),材料与人类文明发展,越王勾践剑(湖北江陵楚墓出土) 注意剑纹,BC1450 铁制车轮,AD1500 廉价的冶铁业,铁器时代(Iron A

6、ge) BC1000 ,人类使用铁来制造工具和武器,材料与人类文明发展,Silla iron armor, Three Kingdoms of Korea, AD300,战国铁犁头,战国铁锄,战国凹形铁锄 (长沙砂子塘),材料与人类文明发展,Pu with openwork interlaced dragons design, Late Spring and Autumn, Shanghai Museum,铁器时代与之前时代的主要区别在于，农业发展、宗教信仰与文化模式 实际所说的铁器时代，指的是早期阶段 最先使用铁器的是古埃及、苏美，BC 4000已极少量使用铁器 但多由陨石得到，而非由铁矿提

7、取 BC 30002000，小亚细亚、埃及、美索不达米亚越来越多地由陨石提练铁，多于礼仪 有考古证据指出，铁是当时炼铜生成的副产品，称海绵铁 对当时的冶练技术来说，不可能大量生产 (昂贵) 最早进入铁器时代的是西台(Hittite，赫梯)帝国，约BC 1400掌握了冶铁技术 BC1200，中东各地广泛运用铁，但并未取代青铜的主导地位 BC 1000，欧洲出现铁制工具，可能是由小亚细亚西传而来 BC 800， 尼德兰出现铁制工具 美洲、大洋洲，没有铁器时代，铁由欧洲人传入,材料与人类文明发展,中国是世界上利用铁最早的国家之一 19000年前，周口店“山顶洞人” 使用赤铁矿粉作为赭红色颜料，涂于装

8、饰品上，或随葬撒在尸体周围。为天然矿物颜料利用的开端 新石器时代(距今100004000)兴起制陶业，发明绘制各种风格的彩陶。绘制赭红色彩陶的原料就是赭石(赤铁矿),材料与人类文明发展,1972，河北北藁(go)城台西村商(BC 13世纪)中期遗 址出土铁刃青铜钺 刃部是陨铁加热锻造而成 中国在BC 6世纪出现生铁制品,铁硬度高、熔点高，铁矿蕴含量高 相对青铜来说，铁来得便宜，可在各方面运用，其需求很快便远超青铜,材料与人类文明发展,1977,北京平谷县出土。长8.7cm,1990，河南三门峡虢gu国墓(虢季墓)出土，剑长20cm，茎长13cm。西周晚期 剑柄是一株竹子。竹子已拔出数节，数支螺

9、旋上冲的叶片盘旋直入铁质剑身,用陨铁锻造成薄刃，浇铸青铜柄部而成,“中华第一剑”,东周铁器,水泥时代(Cement Age) 0 BC ,cement由拉丁文caementum发展而来，意为碎石、片石 2000年前，希腊、罗马在建筑中使用石灰和火山灰的混合物，在水中缓慢反应生成坚硬的固体。为最早应用的水泥,水泥生产工艺 以石灰石、粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，喂入水泥窑中煅烧成熟料，加入适量石膏，磨细而成,1871，日本开始建造水泥厂 1889，中国在唐山建造了第一座水泥厂,材料与人类文明发展,19世纪初，英、法等将粘土化石灰(或泥灰岩)烧结成为水硬性材料，为天然水泥 1824，

10、英国用石灰石、粘土混合物烧成水硬性的胶凝材料，凝结硬固后，其颜色、外观和当时英国用于建筑的优质波特兰石头相似，故称为波特兰水泥 1825，波特兰水泥在英国建厂生产,钢时代(Steel Age) 1800 ,炼铁、炼钢的大工业生产，分别开始于1620、1870年代。最先在英国发展起来,1875，全世界生铁产量为1400万吨，钢产量190万吨 18751913，西欧、美国工业化需大量钢铁，相继发展转炉和平炉，钢铁产量迅速增长 1913，全世界生铁产量8000万吨，钢产量7650万吨 19141950，发生两次世界大战、多次资本主义经济危机，钢铁生产发展缓慢 1950，全世界生铁产量1.30亿吨，钢

11、产量1.89亿吨 19501974，发展了氧气顶吹转炉炼钢和连续铸钢技术、带钢热连轧机和冷连轧机(技术进步)，钢铁生产能力提高 1974，全世界生铁产量为5.05亿吨，钢产量7.10亿吨 1973，开始石油调价和世界性的经济萧条，钢铁生产发展转慢 1979，世界生铁和钢的产量创造新的纪录，分别达5.29亿吨和7.47亿吨,材料与人类文明发展,硅时代(Silicon Age) 1500 ,二战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度低，不是单晶 1950，制出第1只硅晶体管 1952，用直拉法制出硅单晶 1953，用无坩埚区域熔化法拉制单晶 1955，采用Zn还原SiCl4法生产纯硅，

12、但不能满足制造晶体管的要求 1956，氢还原SiHCl3法 1960，氢还原SiHCl3法工业生产，已具规模 硅整流器、硅闸流管问世，促使硅材料生产跃居半导体材料的首位 1960年代，外延生长硅单晶技术和硅平面工艺 硅晶体管制造技术趋于成熟，集成电路迅速发展 1980年代初，全世界多晶硅产量达2500吨 1998，我国制出12英寸单晶硅,材料与人类文明发展,多晶硅,单晶硅,新材料时代 (New Material Age),发射架上的长征三号运载火箭,宝钢高炉,材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的3大支柱 是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四大标志之一 (

13、新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术),材料与人类文明发展,铝合金的 主要应用领域,战机,舰船,人造卫星,材料与人类文明发展,科学技术的发展史，就是材料发现、运用的发展史,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、产业化时间的对照,材料与科学技术的发展,材料是科技进步的核心,材料与科学技术的发展,建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程等，无不依赖

14、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,半导体单晶硅、砷化嫁、光导纤维、超导等新材料，促进了新工业的诞生和发展，极大地推动了社会文明与经济的发展 现在，人们可根据对材料理化性能的了解，为了特定需要而设计、加工材料 新材料 新技术 新工业,在开发铁和铜等新材料后，蒸汽机得以使用、推广，引发第一次产业革命,材料与产业革命,第一次产业革命发生于18世纪中叶的英国，而后遍及欧洲、北美 起点：纺织机械革新 标志：蒸汽机广泛使用 结果：实

15、现了工业生产从手工工具到机械化的转变 以机器为主体的机器工厂代替了以手工技术为基础的手工工场 人类进入蒸汽时代,“铁和煤的革命”,1733，凯伊(制梭工人)，发明飞梭，大大提高了织布效率 1765，哈格里夫斯(织布工)，发明手摇纺纱“珍妮机”，使大规模织布厂得以建立。第一次工业革命的开端 1769，理查德阿克莱特，发明卷轴纺纱机 1779，塞缪尔克隆普顿(童工)，发明走锭精纺机，又称“骡机”。纺出的棉纱柔软、精细、结实 1785，卡特赖特(牧师)，发明水力织布机，织布工效提高40倍,“珍妮机”,1800，英国棉纺业基本实现机械化,材料与产业革命,第一次科技革命 技术条件 英国当时在开僻海外市场

16、、掠夺殖民地、进行圈地运动，形成资金、劳动力、原料和广阔的市场基础 工场手工业迅速发展，技术水平提高，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 科学条件 17、18世纪，牛顿等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 产业条件 1860年代起，棉纺织业中出现一系列新工具机，工业上迫切需要制造出能够产生巨大而稳定动力的机械装置 以瓦特改进的蒸汽机为代表的动力机应运而生,瓦特改良蒸汽机,瓦特之前的蒸汽机(纽科门蒸汽机)，耗煤量大、效率低 1765-1790，瓦特进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设绝热层、油润滑活塞、行星

17、式齿轮、平行运动连杆、离心式调速器、节气阀、压力计，使蒸汽机效率提高到纽科门机的3倍多，发明出现代意义的蒸汽机,第二次产业革命 19世纪70年代-20世纪初 科学技术的突出发展：电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明、化学工业的建立 控制论创始人维纳提出，第二次工业革命典型特征为自动化 基本特征：新能源的广泛利用、石油的开发、新机器和新产品的创制、远距离传递信息 主要表现：电气工业、内燃机技术与石油业、材料革命(钢铁时代、化工时代)、 电信业的发达、电影业的兴起等 出现电力、钢铁、化工“三大技术” 出现汽车、飞机、无线电通讯“三大文明 支撑第二次产业的新材料，如合金钢、铝合

18、金、各种非金属材料,材料与产业革命,使工业化国家之间经济发展的不平衡加剧 使后起资本主义国家生产呈跳跃式发展，赶上并超过老牌资本主义国家 使工业化国家和非工业化国家在社会经济发展水平上的差距也越来越大,“钢、电、石油业的革命”,由“蒸汽时代”进入“电气时代”,车始于轮子的发明。车轮是陆地交通工具变革的开始，是人类历史上最重要的发明之一 有了车，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,例1: 轮子的发展,材料与人类生活,木柱是轮子的雏型 BC 3500，古巴比伦的苏美尔诞生了带轮的车，是在橇板下面装上轮子而成 最原始的车轮是圆木片，后采用木板拼接，将木纹走向不同的木板交错着钉在

19、一起，可防止开裂 BC 2500，欧亚地区使用两轮、四轮的木质马车 埃及，古墓葬中曾发现约BC1500的两轮战车 BC 2000，中国中原地区开始制造圆木板轮子的车辆 发明有辐车轮，比实体车轮轻便许多 辐式轮车身更轻巧灵活，用马来拉，速度更快，被用在战争中 18世纪后，随着第一次产业革命的兴起，开始大量制造较耐用的金属轮子 时至今日，汽车轮子要求更高，金属轮子的外围更加上橡胶轮胎，以避震、增强附着摩擦力,古代的轮子,人类用火150万年，用轮子仅6千年,据美史学家斯塔夫里阿诺斯著全球通史，最早的车轮出现在美索不达米亚，BC3000将轴装到手推车上，轮子不直接和车身连接,例2:钛材料,钛合金是航空

20、航天产品中采用的高性能材料 常用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹性的场合 钛合金以其独特的魅力，成为国际上公认的生产各类比赛及休闲用高档自行车最先进、最理想的材料,材料与人类生活,钛合金自行车：“自行车发烧友”的选择,形状记忆合金百叶窗,例2:钛材料,材料与人类生活,眼镜架,锌白铜眼镜架价格低廉，但耐蚀性差，容形成绿色铜锈 蒙乃尔合金(含有铜、锌、镍)、镍合金加工性能好，但耐蚀性不高；游离态的镍离子易造成皮肤过敏 贵金属镜架价格昂贵，普通消费者难以承受,钛合金、钛合金、钛镍形状记忆合金的耐蚀性好，重量轻。现在中高挡金属眼镜架大部分都用这三种材料制成 钛合金镜架重量轻(普通镍基合金镜架的48%-60%

21、)、强度高、耐腐蚀、表面易着色 除普通钛合金的优点外，钛合金加工性能好、焊接技术优良 钛镍形状记忆合金不易焊接，眼镜架款式单一,例2:钛材料,材料与人类生活,1990年代初，钛合金眼镜架于在国外批量生产 1998前，钛合金镜架曾占据日本市场的60%以上,目前市场出售的眼镜架有纯钛制品、TiNi超弹性合金制品、其它钛合金 通常合金架比重约8.9g/cm3，纯钛架比重约4.5g/cm3,用钛制作的手表在国外市场已早有出售 目前世界上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 也有供运动员和潜水员使用的特制手表,手表,例2:钛材料,材料与人类生活,据说是钛合金外壳！,

22、香奈儿J12 Chromatic钛陶瓷手表,钛陶瓷拥有极高的耐磨性，其硬度仅次于蓝宝石,照相机,纯钛戒指,钛金发王,钛手链,用钛制作的日用品 有照相机、手提箱、保温瓶、耳环、手镯、戒指、项链、胸针等,例2:钛材料,材料与人类生活,材料与计算机,材料科学的发展是计算机飞速发展的基础,计算机的发展已经历了4代。目前正在发展第5代 电子管时代：第1代(1946-1958)，以电子管为逻辑部件 晶体管时代：第2代(1959-1964)，以晶体管为逻辑部件 小规模集成电路时代：第3代(1965-1970)，用集成电路为逻辑元件 大/超大规模集成电路时代：第4代(1971-1989)，应用大规模集成电路，

23、寄存器多，速度快 计算机科学时代：第5代，智能型计算机、分布式计算机系统、多媒体技术,计算机经历：电子管 晶体管 集成电路时代,电子管 晶体管 集成电路,钨、钼电极,锗、硅半导体,单晶硅片、高纯钛、SiO2、铬薄膜,材料与计算机,材料科学的发展是计算机飞速发展的基础,电子管 电极材料：钨、钼,三级电子管 图的大小与实物相当,由大量电子管组成的第一台计算机， 重30吨，用电相当于1个小城市,材料与计算机,材料科学的发展是计算机飞速发展的基础,缘起：二战期间，美军方要求宾州大学Mauchly博士设计以真空管取代继电器的“电子化”电脑ENIAC (Electronic Numerical Integ

24、rator and Calculator）， 电子数字积分器与计算器)， 用来计算炮弹弹道 特点：使用18800个真空管，长50英尺，宽30英尺， 重达30吨( = 6只大象) 计算速度快，5000次/秒加法运算，运作九年 吃电凶， 每次开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色 真空管损耗率高，每15分钟就可能烧掉一支，须花15分钟以上才能找出坏掉的管子,1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生,16K内存器,由大量电子管组成的16K内存器。图中的女士要用显微镜才能看到现在的集成电路16K内存器,材料与计算机,材料科学的发展是计算机飞速发展的基础,1949年5月6

25、日首次运行。运行650条/秒指令，12个架子上放置有逾3000个电子管 帮助John K.、Max P.赢得1962年诺贝尔化学奖,电子延时储存自动计算机(EDSAC)，剑桥大学,1883，爱迪生效应：把金属板与灯丝一起密封在灯泡内，给金属板加正电压，灯丝与金属板间有电流流过，相反则没有电流 1897，汤姆逊发现电子。人们明白了灯丝加热后有电子射出 1904，弗莱明(英)造出第1只二极管。在真空管中放置两块金属板，加热负极时，有电子射向正极。利用二极管可检测到无线电信号，但无法控制电流大小，电信号非常微弱 1905，德福雷斯特(美)在二极管正、负极间加一金属栅极，制成第1只三极管。三极管有放大

26、作用，改变栅极电压，即可改变电流大小 三极管的发明，为无线电通讯和广播开辟了道路 1906，费丁生(美)发明调幅波，使高频信号带着声音的振幅发射出去 成功地进行了首次无线电广播，收音机诞生了 1914，高真空管问世 1920，威斯汀豪斯公司(美)在匹兹堡建成第1座广播电台 1926，美国成立全国广播公司 三极管放大系数只有330，阴极-栅极间电容太大，本身容易产生振荡 1913，林格慕(美)在三极管里增加第二栅极，制成四极管，放大倍数可达160600 1926，荷兰菲利浦公司发明五极管 1928，兹沃里金(美)发明电视显像管 1939，美国无线电公司推出现代意义上的电子电视,电子管,推动了无线

27、电电子学的蓬勃发展,材料与计算机,材料科学的发展是计算机飞速发展的基础,上世纪初，无线电爱好者发现，某些半导体矿石有单向导电性，很适合做检波器 这使科学家想到，用半导体可制作与电子管同样性能的晶体管 1947，贝尔电话实验室肖克利、巴丁、布拉坦研制成功第1只晶体管(1956诺贝尔物理奖) 1950，肖克莱等人发明晶体三极管 与电子管相比，晶体管体积小、重量轻、耗能低、寿命长、制造工艺简单、使用时不需预热，大大加速了电子技术的发展,晶体管,10万,3千万,材料与计算机,材料科学的发展是计算机飞速发展的基础,1956，富勒、赖斯(美)发明半导体生产的扩散工艺，为集成电路提供了工艺技术 1958，德

28、克萨斯仪器公司(美)用一块硅晶制成包括电阻、电容在内的分立元件实验电路，确定了集成电路的标准封装尺寸 1959，仙童公司(美)研究出SiO2扩散技术和PN结隔离技术，完成集成电路制作的全部工艺，推出第一块集成电路。接着，光刻技术等相继发明 1961，德克萨斯公司同美空军合作，利用集成电路制成第1台试验性计算机。该机有587块集成电路，只有285克，体积100cm3，功耗仅16W 1969，出现大规模集成电路 1970年代中期，出现一块硅片上包含十万个晶体管的超大规模集成电路,集成电路,将晶体管与电子线路做在一块半导体晶片上，构成一个整体,材料与计算机移动存储器,Terbium(Tb),材料与计

29、算机,材料科学的发展是计算机飞速发展的基础,材料与信息,信息材料指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的材料 主要包括监测与获取(传感)信息、传输信息、存储信息、运算和处理信息的材料,人类在步入信息时代的同时，也进入信息材料竞争的时代,1965，Intel摩尔提出摩尔定律，预言芯片容量每18个月就要加倍 1966，美RCA公司研制出CMOS(互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件)集成电路，研制出第一块门阵列(50门) 1971，Intel推出1 kb动态随机存储器(DRAM)，标志着大规模集成电路出现 Intel公司推出全球第一个微处理器4004，采用MOS工艺 1971，一个芯片上

30、有3000个晶体管 1978，64 kb DRAM诞生，不足0.5 cm2的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路出现 1988，16 M DRAM问世，1 cm2的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路阶段 1979，Intel推出5 MHz 8088微处理器，IBM基于8088推出全球第一台PC 1999，德国研制成锗处理器，运算速度比硅处理器提高1倍,制造大规模集成电路的主要材料是单晶硅片,材料与信息,CMOS,芯片除用于计算机外，还可制作其他各种电器如录相机、洗衣机、厨房设备、家用电器，以及各种自动控制设备 半导体材料是电子技术和计算机产业的基础，一个国

31、家在芯片技术方面的成就，决定着其整个战略产业、高技术产业方面的成就 现在，从计算机芯片的工作原理中获得启发，创造性地将半导体技术和生物技术结合起来，开发出生物芯片，广泛用于医学临床检测、药物开发、环境监测等,材料与信息,集成电路体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好，成本低，便于大规模生产 用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间大大提高,材料与信息,100年前，美国科学家贝尔做过用光传输语言的实验 1966，发现提高玻璃纯度可减少光传播过程中的损耗 1970，康宁公司(美)用高纯石英玻璃制造出现代光导纤维，被誉为百年不遇的发明

32、光纤比头发还细，一根细丝就能同时传输2000路通话，且不失真、不受环境干扰、不易被窃听、传输比铜缆快7.2万倍,没有远程通信技术，整个世界的发展不会有今天这样快 远程通信技术的发展与光导纤维密切相关,材料与信息,从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空、航天器发生了巨变 为了飞得快和远，就要采用强度高、比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重之比 航空和航天器中铝、镁合金用量大 随着航空技术的进一步发展，轻质、高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用,材料与航空技术,莱特兄弟,1903年人类飞上天空,材料与航空技术,航空航天材料 主要包括新型金属结构材料(如

33、先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金)、烧蚀防热材料、新型复合材料 还包括功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等 大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量阻尼合金等金属材料,材料与航空技术,结构材料的 “三高一低” (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1kg重量将降低费用$20000，一次发射节约费用20%,铝理论强度为4.7GPa，当今高强铝合金的最高强度不超过1GPa,材料与航空技术,1948年，实现钛的工业化生产 航空工业发展的需要，使钛工业以年均约8的增长速度发展 目前

34、，世界钛合金加工材年产量达4万余吨，钛合金牌号近30种 钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件 中国60年代中期开始钛材的工业化生产，并研制成TB2合金,钛合金 高强度 高韧性 耐腐蚀 质地轻,材料与航空技术,钛合金比重、强度、使用温度介于铝和钢之间，但比强度高，抗海水腐蚀、超低温性能优异 1950，美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件 1960年代开始，钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件 钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达飞机结构重量的2025% 1970年代起，马

35、赫数3640kg 美国SR-71高空高速侦察机(马赫数为3，飞行高度26.2km)，钛占飞机结构重量的93%，号称“全钛”飞机 航空发动机的推重比从46提高到810，压气机出口温度从200300C增加到500600 C时，原铝制造低压压气机盘和叶片必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量,材料与航空技术,航天飞机用形状记忆合金,材料与航空技术,约翰肯尼迪航天中心(美国卡拉维纳尔角)，待升空的穿梭机 应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料,材料与航空技术,美国现役,未来新式,未来的新式航天飞机 结构上采用单级火箭式全部回收利用的方案 外壳材料使用Ni-

36、Cr-Fe合金 外层隔热板由一层TiAl合金与一层绝热材料组成,载人/载物航天飞机，每运载1kg有效载荷，成本费1万美元 费用昂贵，使人类征服太空受到很大限制 现役航天飞机每次升空要丢掉一些部件，如辅助火箭和外部贮箱 外表面使用碳陶瓷片，二次飞行需更换许多碳陶瓷片,材料与航空技术,材料与建筑,建筑材料可分为结构材料、装饰材料和某些专用材料 结构材料包括木材、竹材、石材、水泥、混凝土、金属、砖瓦、陶瓷、玻璃、工程塑料、复合材料等 装饰材料包括各种涂料、油漆、镀层、贴面、各色瓷砖、具有特殊效果的玻璃等 专用材料指用于防水、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔热、保温、密封等的材料建筑材料长期承受风吹、

37、日晒、雨淋、磨损、腐蚀等，性能会逐渐变化，建筑材料的合理选用至关重要，首先应当安全、经久耐用 建筑材料用量很大，直接影响到工程的造价，通常建材费用占工程总造价的一半以上。因此，在考虑技术性能时，必须兼顾经济性 中国传统的建筑以木结构建筑为主，西方的传统建筑以砖-石结构为主 现代建筑以钢筋混凝土为主,材料与建筑,材料与交通,福特2000、西纳给2010，两款由材料工程师设计的汽车,汽车用高强钢，比原先轻24%，而强度高34%,汽车,汽车材料是汽车品质的基础 汽车技术的发展在很大程度上依托于汽车材料的发展,材料与交通,汽车,车壳材料 早期轿车，车身沿用马车车身结构，整个车身以木材料为主 1912，

38、爱德华巴特首次制成全金属车身 1925，文森卓兰西亚发明承载式车身。车身由钢板冲压成型的金属结构件和大型复盖件组成 这种金属结构车身沿用至今 1970年代，轿车车身钢板采用镀锌薄钢板 现代，汽车使用得最多的是普通低碳钢板 复合材料 主要是碳纤维复合材料。重量极轻，可达到与钢材同样的稳定性和安全性，大大提高汽车的灵敏性和操纵性 合金 主要是铝合金。铝合金车壳具有质量轻、节能、散热好、耐腐蚀等特点 铝 中高档汽车越来越多使用铝，铝质车身比钢质车身轻约40 钢 主要有镀锌钢、低碳钢、高强度钢等 镀锌钢板：良好的抗腐蚀能力，广泛应用在汽车上 低碳钢板：很好的塑性加工性能，能满足车身拼焊的要求 高强度钢

39、板：强化低碳钢板，可在减厚情况下保持车身机械性能要求，减轻汽车重量,材料与交通,汽车,铝合金 汽车上应用得最快最广的轻金属 满足重量轻、强度高、散热性好、耐腐蚀的要求 早期铝合金仅用于变速器外壳、汽油泵、化油器等不受强冲击元件 经强化后，铝材强度大大增加，可满足发动机活塞、汽缸盖等较剧烈工作环境的要求 铝圈是铝合金在车上的第二个应用广泛的领域。铝制车圈降低整车质量，可及时将制动器的热量散发出去，以免出现制动热衰退 德国奥迪汽车公司1999推出奥迪A2，为世界第一款大批量生产的全铝轿车。该车车身采用全铝空间框架车身，是一种用于飞行器结构的高技术 车身重量仅895kg，比传统钢制车身轻40%以上(

40、150公斤),材料与交通,奥迪Al2全铝车身概念车 (1997),1999奥迪A2,20世纪初，人们成功制取液氦，获得4K低温。水银在4K突然没有电阻了，成为超导体 从20世纪初到80年代，约70年间，超导临界温度只提高了不到30K 80年代末，超导临界温度提高到125K 高温超导材料研究方面，我国曾处于世界领先水平 1987，率先研制出超导临界温度90-100K的Y-Ba-O-Cu高温超导体 2001，清华大学试制成功500m的高温超导带材，进入产业化,超导磁悬浮列车,材料与交通,1980s高温超导体,上海磁悬浮列车,超导首先应用于磁悬浮列车 利用超导体中强电流所引起的强磁场同性相斥作用，使

41、列车浮起来。行走时只受空气阻力，最高速度500km/h以上 日本、德国已投入试用，时速500km 1994，我国西南交通大学做成43m长的磁悬浮列车试验线，车重4吨,超导磁悬浮列车,材料与交通,1922，德工程师赫尔曼肯佩尔提出电磁悬浮原理，1934年申请磁悬浮列车专利 1970后，德、日等、中相继研发磁悬浮运输系统,日本JR磁悬浮MLX01-2实验车,材料与国防现代化,B-2幽灵式轰炸机,战争表现出高技术的特点 如，美对伊拉克、科索沃作战，使用隐形飞机、反辐射导弹、巡航导弹等，实行高密度精确打击 美B-2幽灵式轰炸机，是一种隐形飞机 隐形功能一方面由其外观设计来保证，另一方面取决于材料设计

42、在飞机对雷达波强反射的部位覆盖了吸波或反射波材料，它可是蒙皮外的涂料，也可是贴或镀上去的材料 B-2飞机机身的涂覆物厚达10mm，窗户上镀有金属薄膜，整个机身由于采用碳纤维复合材料呈黑色,防弹衣的高技术化是各国军需装备发展的重点 1901，威廉麦肯雷总统被暗杀，防弹衣引起美国国会的重视 当时的防弹衣可防低速(122m/s)手枪子弹，但无法防住步枪子弹 一战中，出现以天然纤维织物为服装衬里，配以钢板制成的防弹衣 实际是钢制铠甲，重9 kg 二战中，弹片杀伤力增加80%，伤员中70%因受伤而死亡 英、美两国不遗余力地研制防弹衣,1942，英军制成由三块高锰钢板组成的防弹背心 1945，美军制成由铝

43、合金、高强尼龙组合的防弹背心,朝鲜战争中，美陆军： 由12层防弹尼龙制成的T52型全尼龙防弹衣 海军陆战队： M1951型硬质“多隆”玻璃钢防弹背心，重2.73.6 kg,材料与国防现代化,70年代初，美国杜邦公司制成超高强度、超高模量、耐高温的凯夫拉纤维 美军率先使用凯夫拉制作防弹衣，研制了轻、重两种型号 新防弹衣以凯夫拉纤维织物为主体材料，以防弹尼龙布作封套 现在，完全用化学纤维制做防弹衣 一种用18层尼龙和凯芙拉纤维制成的防弹衣，只有1.03kg 在极热情况下，凯芙拉纤维熔化后不流淌，而是凝固起来增加厚度，在身体周围形成免受烧伤的保护层,对于高速枪弹，尤其是步枪子弹，软体防弹衣仍难以胜任

44、 为此，人们又研制出了软硬复合式防弹衣，以纤维复合材料作为增强面板或插板，以提高整体防弹衣的防弹能力,材料与国防现代化,材料与能源,能源工业和能源技术所使用的材料 按使用目的，分为新能源材料、节能材料、储氢材料等,新能源材料 包括增值堆用核材料(铀、氘、氚为代表)、聚变堆材料、太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅等) 节能材料 包括非晶体金属磁性材料(用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金)和超导材料(Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料) 储氢材料储氢电极合金材料 高比能电池 如钠硫电池、镍氢电池、锂离子电池 目前钠硫电池的比能量达137Wh/Kg，而铅蓄电池的比能量只有30W h/Kg,瑞

45、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,烧结前,核能材料,材料与能源,2006年9月，美金属杂志(Journal of Metals)发起评选材料科学与工程历史上“最伟大的材料事件”(Greatest Materials Moments)活动。JOM由美国矿物、金属与材料学会(The Minerals, Metals & Materials Society)主办 “最伟大的材料事件”定义为：一项人类的观测或者介入，导致人类对材料行为的理解产生标志性进展的关

46、键或决定性事件。它开辟了材料利用的新纪元，或者产生了由材料引发的社会经济重大变化 评选出的50项“最伟大的材料事件”清楚地展示，材料及其相关科学与技术的发展对人类文明与社会进步所做出的巨大贡献，以及材料科学与技术毋庸置疑的重要地位,50项“最伟大的材料事件”,在50项 “最伟大的材料事件”中 材料制备技术及工艺 17项 新材料和新器件的发明 12项 提出新原理、新规律与揭示新结构、新现象 18项 先进仪器设备的发明 3项 从50项“最伟大的材料事件”中可以看出 古代材料与技术方面的重大事件，包括炼铁术、炼钢术、铜提取术及炼铜术、铁铸造技术、玻璃的发明等，大多出自中国、埃及、伊朗、印度和土耳其等

47、东方国家 中国古代铁铸造工艺、使用高岭土制备首批精细陶瓷，榜上有名 然而，近代(1900后)材料发展中的重大事件，几乎全部由美、英、德等西方科学家与发明家包揽，表明西方工业发达国家主导着近代材料科学与工程的发展,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,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、空调、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、汽车电点火装置、纸杯、不锈钢、坦克、 爆米花烤箱,20世纪20年

48、代的人类发明 机器人、雪上汽车、自动手表、电动剃须刀、16mm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、随意粘贴便条、Beta制大尺寸磁带录像系统、自动调焦照相机、苹果第二代电脑、 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、