材料科学与工程导论-第1章-材料与社会课件.ppt
1.2 材料的地位和作用,1.2.1 材料与人类文明,材料是人类社会进步的里程碑。,17,材料是社会进步的物质基础。材料是人类进步的主要标志。,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、合成材料时代、复合材料时代 发展得越来越快,1.2.1 材料与人类文明,18,高层建筑,材料划时代,材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。在历史上，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，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在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。,1.2.1 材料与人类文明,19,人类文明进化时代是以材料的使用来划分的。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。,以材料区分的七个时代,1.2.1 材料与人类文明,20,燧石：神奇的石头,400,000 BC 4,500 BC石器时代(Stone Age),人类主要以石头、骨头、木制作简单的工具。,1.2.1 材料与人类文明,21,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据考古资料，中国陶器制作历史至少有8000年以上,西安半坡人面网纹陶盆,战国陶制四通水管,1.2.1 材料与人类文明,22,4,500 BC 1,000 BC青铜时代(Bronze Age),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录之一,人类学会了用炭把铜加热以造出纯度更高的铜,而把铜和锡矿石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。,大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。,1.2.1 材料与人类文明,23,古称金或吉金，是铜与其它元素（锡、镍、铅、磷等）的合金中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，时间跨度约两千年。春秋战国时期，齐国工匠写成考工记，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,夏钺,戈,1.2.1 材料与人类文明,24,三星堆,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，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像,1.2.1 材料与人类文明,25,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。,1.2.1 材料与人类文明,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。,26,青铜乐器,（战国）错金犀牛尊,1.2.1 材料与人类文明,27,曾候乙尊盘,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,1.2.1 材料与人类文明,27,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,29,1.2.1 材料与人类文明,1450BC 铁制车轮,1500AD 廉价的冶铁业,1000BC 铁器时代(Iron Age),公元前14世纪至公元前13世纪，人类开始使用并铸造铁器，当青铜器逐渐被铁器广泛替代时，标志着人类进入了铁器时代。,1.2.1 材料与人类文明,30,战国铁犁头,战国铁锄,湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄,中国最早出现冶铁制品大约是在公元前9世纪。到了春秋末期，中国人就发明了在高温下用木炭还原铁矿石生产铁的方法，以及在半熔状态下锻造各种器具和武器的技术。,1.2.1 材料与人类文明,32,水泥时代(Cement Age)0BC,2000年前，希腊和古罗马人在建筑中使用一种石灰和火山灰的混合物，它们在水中缓慢反应生成坚硬的固体。为最早应用的水泥。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，其中Al2O3、SiO2含量之和达到2035%，称为天然水泥。1824，英国用石灰石和粘土的混合物烧成一种水硬性的胶凝材料，凝结硬固后的颜色、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。,水泥生产工艺以石灰石和粘土为主要原料，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年，日本开始建造水泥厂1889年，中国在唐山建造了第一座水泥厂。,1.2.1 材料与人类文明,32,18世纪，出现了用钢铁制造的蒸汽机。19世纪发明的内燃机和电动机对金属材料提出了更高要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。18世纪至20世纪，金属材料占据了结构材料的主导地位。,比如，火车铁轨的问世就是钢铁材料大量生产和应用的成功例子。,钢铁时代(Steel Age)1800：,1.2.1 材料与人类文明,33,1854年和1864年，欧洲先后出现了转炉和平炉炼钢技术。随着电炉冶炼技术的出现，不同类型的特种钢相继问世：1887年高锰钢1900年高速钢1910年镍铬不锈钢,1.2.1 材料与人类文明,34,19,艾菲尔铁塔,钢的应用,旧金山金门大桥,建筑,设备,35,1.2.1 材料与人类文明,同时，铜、铝及其合金大量使用，铅、锌、镁、钛和很多稀有金属相继被发现。世界钢产量从1850年的6万吨突增到1900年的2800万吨，人类进入了辉煌的钢铁时代。由此带动了冶金业、纺织业、机械制造业、交通运输业及航空工业等的迅速发展。轮船、汽车、飞机、电灯等的出现，使人类生活大大改善。,1.2.1 材料与人类文明,36,2010年世界钢产量达13.5亿吨，中国突破6亿吨，占44.3%。,19世纪末期，西方科学家发明了人造丝，这是人类改造自然材料的又一里程碑。20世纪初，各种人工合成有机高分子材料相继问世。目前，全世界三大有机合成材料的年产量已达亿吨以上。1909年合成酚醛树脂（电木）1920年合成聚苯乙烯(PS)1931年合成聚氯乙烯（PVC）1941年合成聚酰胺、聚碳酸酯（尼龙）,1.2.1 材料与人类文明,合成材料时代 1900：,37,在20世纪下半叶，合成高分子材料得到了飞速发展，已经深入人类社会的方方面面。伴随着核能的应用、合成材料工业和以硅材料为支柱的半导体工业走向大规模工业化，人类开辟了以计算机技术、生物技术和空间技术为主要标志的新时代。20世纪中后期，通过使用合成原料和新的制备技术，出现了一系列具有特殊功能的先进陶瓷材料。由于陶瓷具有资源丰富、密度小、耐腐蚀、耐高温等特点，用途不断扩大，成为世界各国材料研究的重点。,1.2.1 材料与人类文明,38,硅时代(Silicon Age)1950,第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度低，不是单晶体。1950，制出第1只硅晶体管。1952，用直拉法培育硅单晶成功。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，但不能满足制造晶体管的要求 1956，氢还原SiHCl3法。1960，用氢还原SiHCl3法进行工业生产，已具规模。硅整流器、硅闸流管问世，促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的首位。1960年代，硅外延生长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。,1.2.1 材料与人类文明,39,20世纪90年代后，现代复合材料、各种新材料层出不穷，并得到快速发展，标志着人类已进入新材料时代。新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展。,新材料时代 1900：,1.2.1 材料与人类文明,40,从人类利用材料的历史中可以清楚地看到：每一种重要新材料的发现和应用，都会把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都将引起生产技术的重大变革，甚至引发一场世界性的技术革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨大的变革，把人类物质文明推向前进。,1.2.1 材料与人类文明,材料是所有科技进步的核心。,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，就没有人类探索外太空的飞船。没有固体微电子电路，就没有计算机。,41,材料与建筑,42,1.2.1 材料与人类文明,材料与交通,43,1.2.1 材料与人类文明,材料与国防现代化,44,1.2.1 材料与人类文明,材料的发展史1)石器材料-对自然界天然物质作简单的打磨加工。陶器材料-人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点。,2)青铜、铁器材料-加工、冶炼技术和工艺的改进。,3)20世纪末主要的新材料-塑料、合成橡胶、化纤等各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、叠层复合等新型复合材料。,4)第四代、第五代材料-纳米材料、超晶格膜、超纯材料等“极限材料”和“分子设计”材料等。,1.2.1 材料与人类文明,45,
