材料科学与人类文明.ppt

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1、材料科学与人类文明,何谓材料？,材料是人类社会可经济地制造有用物品的物质。,米-26直升机展示强悍起吊能力：采用8片16米长矩形桨叶旋翼，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,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,人类文明进程的划分依据

2、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、信息材料时代 发展得越来越快,人类文明与材料,公元前8世纪古希腊哲学家赫西奥德的劳动与时令诗篇里，把人类的发展划分成黄金、白银、青铜、英雄和铁5个世纪；中国东汉袁康所撰的越绝书中把人类使用的工具，分成石、玉、铜、铁四个阶段；1836年丹麦学者C.J.汤姆森提出石器时代、青铜时代和铁器时代的分期。,从远古的石器时代到铁器时代再到如今的新材料时代，先后经过了七个不同时代,以材料区分的七个时代,不同历史阶段各类材料的相对重要性,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天然材料（石头、

3、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(Stone Age),人类主要以石头、骨头、木制作简单的工具,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,4,500 BC 1,000 BC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,青铜

4、器时代,锡青铜（Bronze）铜-25%锡合金+其它元素，具备良好的强韧性、耐腐蚀性、良好的加工性能等。,古称金或吉金，是紫铜与其它元素（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,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,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

5、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,（战国）错金犀牛尊,战国曾侯乙青铜编钟,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(Iron Age),战国铁犁头,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。在现代仍在大规模应用。,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1

6、9391942 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,轮子的发展与材料发展的关系,车始于轮子的发明，是陆地交通变革的开始，是人类历史上最重要的发明之一。车使人类活动范围变大，人际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。据李约瑟考证，约在四千五百年到三千五百年前，中国出现了第一辆车子。左传记载车是四千年前的夏代奚钟发明的。三千多年前殷代考古文物中发现殉葬的车，由车

7、厢、车辕和两个轮子构成，已是比较成熟的交通工具了。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，用马拉辐式车轮的车子，速度快，运动轻巧灵活，被古人当作战车应用。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,轮子的发展与材料发展的关系,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

8、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当时英国正在开辟海外市场以及进行“圈地运动”,具备大量资金、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1718世纪的英国，牛顿一批科学家掌握了力学理论，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，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,第二次技术革命开始于19世纪末，以电的发明和广泛应用为标志

9、，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的仍然是新材料开发，如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。,材料与技术革命,第三次技术革命开始于20世纪中叶，以原子能应用为标志，实现了合成材料、半导体材料等大规模工业化、民用化。,材料与技术革命,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,烧结前,第四次技术革命开始于20世纪70年代，以计算机、微电子技术、生物工程技术与空间技术为主要标志

10、。,材料与技术革命,新材料时代(New Material Age),长征三号运载火箭在发射架上的图片,宝钢高炉,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四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。,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、地面覆盖日常生活：包装材料、建筑材料,材料是所有科技进步的核心,建筑、交通、能源、计算

11、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用的高温材料，就没有靠飞机旅行交通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,铝合金的主要应用领域,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 根据人们对材料物理和化学性能的了解，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

12、料与日常生活,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,形状记忆合金百叶窗,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,材料与日常生活,用钛制作的手表在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,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,

13、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,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、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、

14、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

15、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

16、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,微型化纳米材料与结构 智能材料 环保材料可生物降解材料等 仿生材料 极限条件用材料,材料的分类按价键结构,金属键,离子键和共价键,共价键和分子键,金属材料,容易加工、强度韧性好、导电导热,陶瓷,强度硬度高、脆、绝缘、耐热,高分子,轻、加工性好、绝缘、耐腐蚀,复合材料,强度和轻的完美结合,半导体,现代信息产业的基础材料,材料的分类按应用,功能材料,磁性材料 软磁材料、硬磁材料、磁记录材料 电性材料 电阻合金、电热合金、电触点材料、超导材料 光学材料 光纤、光学传感器、激光材料 声学材料 声光晶体、吸音材料、隔音材料 力学材料 弹性合金、恒弹性合金 化学功能材料 催化材料、耐蚀材料、燃料电池、气体传感器,分类,材料科学与工程,研究材料制备（成分）结构性能之间关系的科学,材料的性能,材料的性能由成分、化学键、晶体结构和显微组织完全确定,材料科学主要内容,材料结构材料性能常用工程结构材料复合材料信息材料纳米材料,智能材料 环境材料 能源材料 磁性材料 生物医用材料,