材料科學與人類文明緒論

1、材料科學與人類文明材料科學與人類文明浙江大學浙江大學2011何謂材料？材料是人類社會所能接受的、可經(jīng)濟地制材料是人類社會所能接受的、可經(jīng)濟地制造有用物品的物質(zhì)。造有用物品的物質(zhì)。俄羅斯米俄羅斯米-26直升機展示強悍起吊能力直升機展示強悍起吊能力米-26采用8片半徑16米長的矩形槳葉旋翼，是世界采用槳葉片數(shù)最多的單旋翼直升機，其槳轂由鈦合金制成。材料研究之美材料研究之美材料研究之美材料研究之美200nm材料系材料系2010研究生微結(jié)構(gòu)攝影大賽研究生微結(jié)構(gòu)攝影大賽緒緒 論論材料和人類文明發(fā)展史概述材料和人類文明發(fā)展史概述材料的定義分類材料的定義分類本課程的主要內(nèi)容及目的本課程的主要內(nèi)容及目的 第一

2、章 緒論 人和動物的本質(zhì)區(qū)別?人可以利用工具從事生產(chǎn)、生活，創(chuàng)造財富，積累經(jīng)驗，進而制造更先進的工具在制造工具時，材料材料是必需的 但不是所有的物質(zhì)都能用于制造工具什么是材料？材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)的物質(zhì)簡單地說，材料是人類可用來制造有用器件的物質(zhì)材料是人類社會進步的里程碑材料與人類文明發(fā)展材料與人類文明發(fā)展 人類文明進程的劃分依據(jù)是什么人類文明進程的劃分依據(jù)是什么 所使用的、占主導地位的材料 石器時代、銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代、合成材料時代、復合材料時代 發(fā)展得越來越快人類文明與材料人

3、類文明與材料u 木器時代木器時代 ？u 公元前公元前8世紀古希臘哲學家赫西奧德的世紀古希臘哲學家赫西奧德的勞勞動與時令動與時令詩篇里，把人類的發(fā)展劃分成黃金、詩篇里，把人類的發(fā)展劃分成黃金、白銀、青銅、英雄和鐵白銀、青銅、英雄和鐵5個世紀；個世紀；u 中國東漢袁康所撰的中國東漢袁康所撰的越絕書越絕書中把人類中把人類使用的工具，分成石、玉、銅、鐵四個階段；使用的工具，分成石、玉、銅、鐵四個階段；u 1836年丹麥學者年丹麥學者C. J. 湯姆森提出了湯姆森提出了石器時石器時代、青銅時代和代、青銅時代和鐵器鐵器時代時代的分期。的分期。從遠古的石器時代到鐵器時代再到如今的新材料時代，先從遠古的石器時

4、代到鐵器時代再到如今的新材料時代，先后經(jīng)過了七個不同時代后經(jīng)過了七個不同時代公元前公元前10萬年萬年石器時代石器時代公元前公元前3000年年公元前公元前1000年年公元前公元前0年年1800年年1950年年1990年年青銅器時代青銅器時代鐵器時代鐵器時代水泥時代水泥時代鋼時代鋼時代硅時代硅時代新材料時代新材料時代以材料區(qū)分的七個時代以材料區(qū)分的七個時代石器時代石器時代2百萬年前開始，人類有目的地在生產(chǎn)生活中利用百萬年前開始，人類有目的地在生產(chǎn)生活中利用天然材料（石頭、木頭、黏土、動物皮毛等）。天然材料（石頭、木頭、黏土、動物皮毛等）。燧石：神奇的石頭400,000 BC 4,500 BC 石器

5、時代石器時代 (Stone Age) 人類主要以石頭、骨頭、木制作簡單的工具陶器陶器(Pottery) 陶器的出現(xiàn)是人類跨入新石器時代的新石器時代的重要標志重要標志之一 據(jù)考古資料，中國陶器制作歷史至少有8000年年以上西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆戰(zhàn)國陶制四通水管戰(zhàn)國陶制四通水管4,500 BC 1,000 BC 青銅時代青銅時代 (Bronze Age)大量使用青銅工具及青銅禮器的時期從礦石中提煉銅 冶金業(yè)的黎明埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀錄之一人類學會了用炭把銅加熱以造出人類學會了用炭把銅加熱以造出純度更高的銅純度更高的銅, 而把銅和錫礦石而把銅和錫礦石熔合后可得一種堅度高

6、的合金熔合后可得一種堅度高的合金 - 青銅，以青銅來造出各種武器青銅，以青銅來造出各種武器青銅器時代青銅器時代錫青銅（錫青銅（Bronze）銅銅-25%錫合金錫合金+其其它元素，具備良好的強韌性、耐腐蝕性、良它元素，具備良好的強韌性、耐腐蝕性、良好的加工性能等。好的加工性能等。由于青銅的熔點比較低，約為由于青銅的熔點比較低，約為800；硬度；硬度高，為銅或錫的高，為銅或錫的2倍多，所以容易融化和鑄倍多，所以容易融化和鑄造成型。造成型。 古稱金或吉金，是紫銅與其它元素古稱金或吉金，是紫銅與其它元素（錫、鎳、鉛、磷等）的合金（錫、鎳、鉛、磷等）的合金 中國青銅時代大致對應夏商周至秦中國青銅時代大致

7、對應夏商周至秦漢，時間跨度約兩千年漢，時間跨度約兩千年 春秋戰(zhàn)國時期，齊國工匠寫成春秋戰(zhàn)國時期，齊國工匠寫成考考工記工記，提出，提出金有六齊金有六齊，是世界，是世界科技史上最早的冶銅經(jīng)驗總結(jié)科技史上最早的冶銅經(jīng)驗總結(jié) 青銅：第一種合金青銅：第一種合金夏鉞戈“六齊六齊”一詞最早見于一詞最早見于考工記考工記：“金有六金有六齊：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五齊：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一而錫居一,謂之戈戟之齊；三分其金而錫居謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一一,謂之大刃之齊謂之大刃之齊;五分其金而錫居二五分其

8、金而錫居二,謂之削謂之削殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊。殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊?！睆脑砩峡?，從原理上看，“六齊六齊”的出現(xiàn)表明的出現(xiàn)表明在戰(zhàn)國時期人們對合金成分、性在戰(zhàn)國時期人們對合金成分、性能和用途之間的關系已經(jīng)有所認能和用途之間的關系已經(jīng)有所認識。識。三星堆三星堆突目面具鑄于商代晚期，高64.5cm，寬138cm，眼球柱狀外突長達13.5cm三星堆立人像鑄于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青銅立人像司母戊鼎司母戊鼎 司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133cm，重875kg。為已知的中國古代體量最大的青銅器 銅禁，中國已知最早應用失蠟法

9、鑄造的作品，春秋時代的楚國王子午墓出土，年代為公元前6世紀溫文爾雅的四羊方尊溫文爾雅的四羊方尊青銅樂器青銅樂器（戰(zhàn)國）錯金犀牛尊（戰(zhàn)國）錯金犀牛尊湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍1450BC 鐵制車輪1500AD 廉價的冶鐵業(yè)1000BC 鐵器時代鐵器時代 (Iron Age)戰(zhàn)國鐵犁頭戰(zhàn)國鐵犁頭戰(zhàn)國鐵鋤戰(zhàn)國鐵鋤湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤鐵的性能更好，原料更易得。在現(xiàn)代仍在大鐵的性能更好，原料更易得。在現(xiàn)代仍在大規(guī)模應用。規(guī)模應用?？茖W技術(shù)的發(fā)展史，就是材料的發(fā)展史科學技術(shù)的發(fā)展史，就是材料的發(fā)展史原理成品 發(fā)展時間電機18211886 65真空管 18821915 33無線電18871922 3

10、5X光18951913 18雷達19351940 5原子堆19391942 3半導體19481951 3激光19581960 2科學原理的發(fā)現(xiàn)時間與其產(chǎn)業(yè)化時間的對照科學原理的發(fā)現(xiàn)時間與其產(chǎn)業(yè)化時間的對照例例1: 輪子的發(fā)展輪子的發(fā)展車的發(fā)展始于輪子的發(fā)明，輪子的使用無疑是陸地交通工具變革的開始，它是人類歷史上最重要的發(fā)明之一有了車，人類的活動范圍變大，人與人之間的交往和物質(zhì)的交流也增多了木柱是輪子的雛型據(jù)說5500多年前，生活在美索不達米亞平原的蘇美人首先發(fā)明了車。最原始的車輪就是圓木片，以后為了制作方便，采用木板拼接，將木紋走向不同的木板交錯著釘在一起，可以防止開裂公元前2000年，人類發(fā)

11、明了有輻的車輪，比實體車輪輕便了許多，裝有輻式車輪的車子用馬來拉，速度就快多了，車身也變得輕巧靈活，被古人當作武器用在戰(zhàn)爭中進入18世紀后，隨著第一次產(chǎn)業(yè)革命的興起，生產(chǎn)規(guī)模迅速擴大，人類開始大量制造較耐用的金屬輪子時至今日，汽車所用的輪子要求更高，金屬輪子的外圍更加上橡膠輪胎，以作避震及增強附著摩擦力之用未來磁浮的采用可使得輪子有完全被取締例例1: 輪子的發(fā)展輪子的發(fā)展第一次科技革命發(fā)生于18世紀中葉的英國，而后遍及歐洲和北美國家。這次革命以紡織機械革新為起點，以蒸汽機的廣泛使用為標志，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)從手工工具到機械化的轉(zhuǎn)變，使以機器為主體的工廠制度化替了以手工技術(shù)為基礎的手工工場，從而把人

12、類帶進了蒸汽時代第一次科技革命發(fā)生的條件第一次科技革命發(fā)生的條件當時英國正在開僻海外市場、掠奪殖民地以及進行“圈地運動”, 這情況下有大量資金、勞動力、原料和廣闊市場的基礎，工場手工業(yè)迅速發(fā)展起來，技術(shù)水平的提高又促進了操作過程的專業(yè)化和熟練程度，為用機器代替人手操作提供了準備條件在17、18世紀的英國，牛頓一批科學家掌握了科學理論，創(chuàng)辦了各種學術(shù)團體，廣泛交流學術(shù)思想；促使科技革命的發(fā)生從18世紀60年代起，棉紡織業(yè)中一系列新工具機的出現(xiàn)，令制造能產(chǎn)生巨大、穩(wěn)定的動力的機械裝置，成了工業(yè)上的迫切需要。于是，以瓦特改進的蒸汽機為代表的動力機就應運而生材料與技術(shù)革命材料與技術(shù)革命在開發(fā)了鐵和銅鐵

13、和銅等新材料后，蒸汽機蒸汽機得以使用并逐步推廣，由此引發(fā)第一次技術(shù)革命第一次技術(shù)革命第二次技術(shù)革命第二次技術(shù)革命開始于19世紀末，以電電的發(fā)明和廣泛應用為標志，一直延續(xù)到20世紀中葉，以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機、汽車和其他工業(yè)，支持這個時期產(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)新材料開發(fā)，如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。材料與技術(shù)革命材料與技術(shù)革命第三次技術(shù)革命第三次技術(shù)革命開始于20世紀中葉，以原子能應用原子能應用為標志，實現(xiàn)了合成材料、半導體材料合成材料、半導體材料等大規(guī)模工業(yè)化、民用化。 材料與技術(shù)革命材料與技術(shù)革命核能材料核能材料瑞士

14、核電站 氧化鈾 鎢釩鋼（W-V steel）鉻釩鋼（Cr-V steel）鎳基高溫合金（Hastelloy material）核反應堆材料耐中子輻射、腐蝕、高溫燒結(jié)后燒結(jié)后燒結(jié)前燒結(jié)前第四次技術(shù)革命第四次技術(shù)革命開始于20世紀70年代，以計算機計算機、微電子技術(shù)、生物工程技術(shù)與空間技術(shù)微電子技術(shù)、生物工程技術(shù)與空間技術(shù)為主要標志。 材料與技術(shù)革命材料與技術(shù)革命新材料時代新材料時代 (New Material Age)長征三號運載火箭在發(fā)射架上的圖片長征三號運載火箭在發(fā)射架上的圖片寶鋼高爐寶鋼高爐材料、能源、信息材料、能源、信息是當代社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱，是人是當代社會文明和國民經(jīng)濟的三

15、大支柱，是人類社會進步和科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎和技術(shù)先導類社會進步和科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎和技術(shù)先導 材料是全球新技術(shù)革命的材料是全球新技術(shù)革命的四大標志四大標志之一（之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)信息技術(shù)、生物技術(shù)）。）。汽車工業(yè)：金屬、玻璃、各種塑料、涂料汽車工業(yè)：金屬、玻璃、各種塑料、涂料航空航天：高溫合金、隔熱材料、輕型高強度材料航空航天：高溫合金、隔熱材料、輕型高強度材料能源工業(yè)：儲氫合金、燃料電池、太陽能電池能源工業(yè)：儲氫合金、燃料電池、太陽能電池電子信息：半導體材料、超導材料、磁記錄材料電子信息：半導體材料、超導材料、磁記錄材料生物技術(shù)：

16、人工關節(jié)、人工皮膚、人工臟器生物技術(shù)：人工關節(jié)、人工皮膚、人工臟器農(nóng)業(yè)：人造土壤、地面覆蓋農(nóng)業(yè)：人造土壤、地面覆蓋日常生活：包裝材料、建筑材料日常生活：包裝材料、建筑材料 現(xiàn)代社會 三三大大支支柱柱能源、信息和能源、信息和材料材料（19981998）生物工程，信息技術(shù)和生物工程，信息技術(shù)和新材料新材料 材料是所有科技進步的核心建筑、交通、能源、計算機、通信、多媒體、生物醫(yī)學工程無一不依賴材料科學與技術(shù)的發(fā)展來實現(xiàn)和突破沒有鋼鐵材料，就沒有今天的高樓大廈沒有專門為噴氣發(fā)動機設計的材料，就沒有靠飛機旅行的今天沒有耐高溫復合涂層材料，就沒有人類探索外空的飛船沒有固體微電子電路，就沒有計算機火箭材料的

17、應用材料的應用鋁合金的鋁合金的主要應用領域主要應用領域戰(zhàn)機艦船導彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑新材料的特征新材料的特征 根據(jù)人們對材料物理和化學性能的了解，為了特定需要而設計、加工材料半導體單晶硅、砷化嫁、光導纖維、超導等新材料的開發(fā)和應用，使得新技術(shù)得以生產(chǎn)和應用，從而促進新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，極大的推動了社會文明與經(jīng)濟的發(fā)展 新材料 新技術(shù) 新工業(yè)材料與日常生活材料與日常生活鈦合金自行車鈦合金自行車：“自行車發(fā)燒友” 選擇鈦合金制自行車。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合 材料與日常生活材料與日常生活形狀記憶合金百葉窗形狀記憶合金百葉窗材料與日常生活材料與日常生活目前市場出售的

18、眼鏡架有純鈦制品、TiNi超彈性合金制品等其優(yōu)點是耐腐蝕、不變色、質(zhì)輕眼鏡架眼鏡架材料與日常生活材料與日常生活用鈦制作的手表在國外市場已早有出售，目前世界上已有十多家表廠生產(chǎn)這種手表，其中有全鈦表殼，也有部分用鈦或用氮化鈦、碳化氮等此外，還有供運動員和潛水員使用的特制手表據(jù)說是鈦合金外殼哦！手表手表材料與日常生活材料與日常生活照相機純鈦戒指鈦金發(fā)王鈦手鏈用鈦制作的日用品還有照相機、手提箱、保溫瓶、耳環(huán)、手鐲、戒指、項鏈、胸針等材料與建筑材料與交通福特2000與西納給2010這兩款由材料工程師設計的汽車將成為未來交通工具汽車用高強鋼，比原先輕24%，而強度高34%。汽車汽車20世紀科技發(fā)明史-與

19、材料密切相關 20世紀前20年的人類發(fā)明齊柏林硬式飛艇、揚聲器、空氣調(diào)節(jié)裝置、自動售貨機、圣誕樹彩燈、雙刃安全剃刀、飛機、人造樹膠、霓虹燈、汽車上的電點火裝置、紙杯、不銹鋼、坦克、 爆米花烤箱 20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 20世紀20年代的人類發(fā)明機器人、雪上汽車、自動手表、電動剃須刀、16毫米家庭型電影攝影機、克里內(nèi)克絲面巾紙、電視機、汽車無線電、紅綠燈20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 20世紀30年代的人類發(fā)明易拉罐、寶麗來太陽鏡、自動洗衣店、道路斑馬線、罐裝啤酒、原子筆、施樂復印機、家用電冰箱、電腦、立體聲錄音機 20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 20世紀40年代的人類發(fā)明尼

20、龍絲襪、彩色電視、塔伯家用塑料制品、原子彈、微波爐、吉普車、寶麗來照相機、慢轉(zhuǎn)密紋唱片、可多次使用的尿布、第一臺由軟件驅(qū)動的電腦 20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 20世紀50年代的人類發(fā)明信用卡、有線電視、動力方向盤、袖珍晶體管收音機、錄像機、不粘鍋、壘高兒童拼裝玩具、氫彈、水翼船、調(diào)制解調(diào)器、健身呼啦圈 20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 20世紀60年代的人類發(fā)明軟接觸鏡頭、纖維筆尖鋼筆、體重計、用做隆胸的硅膠填充物、按鈕電話、電腦鼠標、石英手表、“傻瓜”照相機、渦流浴室、影碟、盒式錄音磁帶、手提電腦、掃描儀、丙烯酸樹脂涂料 20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 20世紀70年代的人類發(fā)

21、明電腦軟盤、袖珍計算器、可隨意粘貼便條、Beta制大尺寸磁帶錄像系統(tǒng)、自動調(diào)焦照相機、蘋果第二代電腦、移動 電話(手機)、索尼隨身聽20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 20世紀80年代的人類發(fā)明光盤、一次性照相機、高清晰度電視、人工合成皮膚、CD ROM、多普勒雷達，高溫超導體、數(shù)字蜂窩電話 20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 20世紀90年代的人類發(fā)明“哈勃”太空望遠鏡、DVD、可用于汽車上的氫氣燃料電池、“奔騰”處理器20世紀科技發(fā)明史-與材料密切相關 21世紀的人類發(fā)明蘋果iPod音樂隨身聽、人造肝臟、免清潔窗戶、Segway新型交通工具、適于在北極嚴寒氣候條件下騎行的冰上自行車、防身夾

22、克 材料的未來發(fā)展 微型化微型化納米材料與結(jié)構(gòu)納米材料與結(jié)構(gòu) 智能材料智能材料 環(huán)保材料環(huán)保材料可生物降解材料等可生物降解材料等 仿生材料仿生材料 極限條件用材料極限條件用材料材料材料金屬材料金屬材料無機非金屬材料無機非金屬材料：陶瓷，玻璃，玻璃陶瓷等高分子材料高分子材料：橡膠，塑料，膠粘劑復合材料復合材料：金屬基，陶瓷基，高分子基黑色金屬：鋼，鐵，鎢有色金屬：鋁，銅，鈦，金，銀等材料的分類材料的分類按價鍵結(jié)構(gòu)按價鍵結(jié)構(gòu)金屬鍵金屬鍵離子鍵和共價鍵離子鍵和共價鍵共價鍵和分子鍵共價鍵和分子鍵金屬材料容易加工、強度韌性好、導電導熱容易加工、強度韌性好、導電導熱陶瓷強度硬度高、脆、絕緣、耐熱強度硬度高、脆、絕緣、耐熱半導體現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎材料現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎材料高分子輕、加工性好、絕