材料及人類文明(課件)

1、二、材料的應用導致城市的建立l城市是世界文明和社會進步的主要標志之一。l從經濟落后時期的以物易物到商品流通的貿易集市的出現(xiàn)，逐漸發(fā)展為固定的城鎮(zhèn)(城市的雛形)，最終建立起現(xiàn)代的大、中城市。在此進程中，材料起了極大推動作用。建筑物上的磚、瓦，街道上的石、土及城市交通工具及物件等，都離不開材料。更重要的是材料本身可直接導致城市的建立。如美國鋼城(底特律)，先發(fā)跡于鋼鐵，后又靠鋼鐵發(fā)展汽車、飛機等；中國西北的酒鋼公司和嘉峪關市(酒鋼所在地)、鎳都金川公司與金昌市等。北京紫禁城北京紫禁城紫 禁 城 王汝聰堂前客廳 王汝聰堂前客廳 王汝聰堂前客廳 王汝聰堂前客廳 古埃及金字塔古埃及金字塔古希臘巴特農神廟

2、古希臘巴特農神廟三、材料的應用推動經濟發(fā)展三、材料的應用推動經濟發(fā)展l回顧人類的經濟發(fā)展史，從原始社會的狩獵、刀耕火種，到封建社會的莊園經濟和后來的小農經濟，直到近代的工業(yè)經濟，世界經濟舞臺發(fā)生了翻天覆地的變化，在這之中，材料起了關鍵作用。l尤其是近300年來，兩次世界范圍的產業(yè)革命都離不開材料的應用與新材料的開發(fā)。 l 第一次產業(yè) (工業(yè)) 革命 是以推廣應用蒸汽機和紡織工業(yè)為突破口的，還有稍后的機械制造、輪船、火車等，而后都是以煉鋼工業(yè)和鋼鐵材料的極大發(fā)展為基礎的，當時，必須先開發(fā)出鋼鐵、銅合金等新材料而后使其實用化并得到推廣。 造就了造就了霧都倫敦霧都倫敦比如，火車鐵軌的問世就是鋼鐵材料

3、大量生產和應用的成功例子。l16世紀中期，英國用優(yōu)質木材做軌道，讓馬車牽引車輛在其上行駛來運煤和礦石；l1825年英國的達林頓鐵路營業(yè)，采用斯蒂芬森的蒸汽機車，馬車業(yè)主的竭力反對；l直到1829年由斯蒂芬森兒子改進的“火箭號”機車在與馬車比賽中獲勝，才用火車取代了有軌馬車，使英國進入了鐵路時代l路軌材料最初是在木材上釘上鐵板，這顯路軌材料最初是在木材上釘上鐵板，這顯然承擔不了較大負載，后來才使用高碳錳然承擔不了較大負載，后來才使用高碳錳鋼做鐵軌；鋼做鐵軌；l鐵軌的長度從很短的鐵軌的長度從很短的11.2m (11.2m (震動和噪聲震動和噪聲以及阻力都較大以及阻力都較大) )發(fā)展到發(fā)展到100m

4、100m以上?，F(xiàn)在以上?，F(xiàn)在的軌道可預焊成的軌道可預焊成400m400m的長軌，鋪軌時再依的長軌，鋪軌時再依次焊接，可長達數(shù)公里，故火車在其上行次焊接，可長達數(shù)公里，故火車在其上行駛時，平穩(wěn)、舒適、快捷；駛時，平穩(wěn)、舒適、快捷；l功率相同時火車載重約為汽車的功率相同時火車載重約為汽車的1010倍，倍，1515節(jié)火車車廂的裝載量相當于約節(jié)火車車廂的裝載量相當于約200200輛卡車輛卡車的裝載量。從此，鐵路成了各國國民經濟的裝載量。從此，鐵路成了各國國民經濟的大動脈。而這一切又是建立在鋼鐵材料的大動脈。而這一切又是建立在鋼鐵材料大量生產和應用的基礎上的。大量生產和應用的基礎上的。是以石油開發(fā)和新能

5、源使用為突破口的，一直延續(xù)到20世紀中葉。大力推動了汽車、飛機等其他工業(yè)。其支撐仍是新材料開發(fā)，離不開合金鋼、鋁合金以及其他非金屬材料的發(fā)展。l 有人認為：20世紀前半期開始的以核能、飛機、汽車、化工和電子計算機的發(fā)明或發(fā)展為標志的第三次工業(yè)革命，是與航空材料的進步(涉及飛機的革新)和20世紀30年代繼塑料以后，合成橡膠和合成纖維相繼問世(使有機合成材料工業(yè)進入一個嶄新階段)密切相關的。這次工業(yè)革命使勞動生產方式開始向自動化發(fā)展。l當今世界，正面臨又一場新的技術革命(有人稱之為第四次工業(yè)革命)，它以信息科學、材料科學和生物科學為前沿，更是以各種新興材料的出現(xiàn)和應用為前提的。世界權威人士認為，這

6、場技術革命所帶來的影響和創(chuàng)造的社會財富，將大大超過歷次工業(yè)革命。l 材料、信息、能源是人類文材料、信息、能源是人類文明的三大支柱，其中材料是物明的三大支柱，其中材料是物質基礎質基礎 無鋼鐵材料無鐵路等，美國就不能開發(fā)西部，英國不能實現(xiàn)工業(yè)化；無金屬材料就無機械工業(yè)，也就不能為其他工業(yè)提供裝備，其他工業(yè)也不可能建立和發(fā)展；無高分子材料就無電視機等家用電器、無輕工業(yè)；無新興材料就無現(xiàn)代文明和經濟發(fā)展。材料與經濟關系的一個典型范例就是硅材料的應用。經濟上，它觸發(fā)了一個數(shù)十億美元的工業(yè)。從助聽器到全球性的遙測技術，通信已十分便利，并且通過文化娛樂、各種私人計算機的出現(xiàn)與使用，使人們的日常生活發(fā)生著巨大

7、的變化。第三節(jié) 材料是社會現(xiàn)代化的物質基 礎與先導一、材料與社會現(xiàn)代化一、材料與社會現(xiàn)代化 材料既是人類社會進步的里程碑，材料既是人類社會進步的里程碑，又是社會現(xiàn)代化的物質基礎與先導。又是社會現(xiàn)代化的物質基礎與先導。尤其是新材料的研究、開發(fā)與應用反尤其是新材料的研究、開發(fā)與應用反映著一個國家的科學技術與工業(yè)水平。映著一個國家的科學技術與工業(yè)水平。以電子、光子技術的發(fā)展史為例，看新材料的作用ll906年發(fā)明了電子管，從而出現(xiàn)了無線電技術、電視機、電子計算機；l1948年發(fā)明了半導體晶體管，導致了電子設備的小型化、輕量化、省能化以及成本的降低、可靠性的提高與壽命的延長；l1958年出現(xiàn)了集成電路，

8、使計算機及各種電子設備發(fā)生一次飛躍。此后，集成電路的發(fā)展十分迅速，這就是以硅為主的半導體材料相應發(fā)展的結果。l進入20世紀90年代，集成電路的集成度進一步提高，加工技術達到0.3um(研究水平已達0.1um)，與存儲器相關的硅片加工水平提高，這也是為什么計算機的功能愈來愈好而其價格卻不斷下降的重要原因。 l隨著計算機速度與容量的增加，以電子作為傳輸媒介受到限制，而利用光子作為攜帶信息的載體進行光傳輸將更理想，于是發(fā)展了光電子材料，用光子器件制成的光計算機具有大容量、高速度，而且有助于向智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)代計算機信息存儲要求： 1.容量大、密度高；2.易快速存??； 3.能擦除和反復使用。如一張光

9、盤可存儲10萬幅圖像或50萬頁多的文字，比一般磁盤高幾百倍。各種用途敏感材料的開發(fā)顯得尤為重要。2. 從通信技術的進步看新材料的作用從通信技術的進步看新材料的作用通信一般采用微波、電纜來傳輸信號；1966年在理論上提出可用光波通信；1976年出現(xiàn)了第一條試驗光纖通信線路；1988年建成第一條橫貫大西洋的海底光纜；光纖傳輸信號具有容量大、造價低、中繼站少、保密性強等特點。l 光導纖維使“信息高速公路”的設想成為現(xiàn)實。 除光導纖維以外，激光技術與電子技術的發(fā)展是其重要的促成因素，而這些都與材料密切相關。3.從航空航天技術的發(fā)展看新材料的作用l20世紀40年代出現(xiàn)了噴氣技術。像殲擊機、大型客機用的主

10、要材料是高溫合金和鈦合金；l航空航天所用材料的比強度、比剛度尤為重要，因為飛機發(fā)動機每減重1kg，飛機可減重4kg；航天飛行器每減重1kg，就可使運載火箭減重500kg。所以對高速飛行器來說，要不惜一切代價來減輕質量。l大力發(fā)展纖維增強的樹脂基及金屬基復合材料： 如高強度高分子纖維芳綸，其比強度比高強度鋼高出近100倍。若用其造飛機的飛行速度快到從紐約到東京只需2h。 再如用現(xiàn)代功能陶瓷制造熱機，會使其熱效率大幅提高。l綜上所述，新材料與社會現(xiàn)代化和現(xiàn)代文明的關系十分密切：生活水平、國家安全、工業(yè)生產率、經濟增長等。l美國2000年，先進材料在12項新技術中的產值居首位；全世界先進材料的產值為

11、4000億美元，占整個新興技術產值10000億美元的40。二、材料對近、現(xiàn)代科學技術的促進作用作用：l提供新的物質和材料；l開發(fā)新的能源；l發(fā)明靈巧的機器。 l從世界科技發(fā)展史看，重大的技術革新往往起始于材料的革新與開發(fā)；l20世紀50年代鎳基高溫合金的出現(xiàn)導致超音速飛機問世；而高溫陶瓷的出現(xiàn)則促進了航天飛機的發(fā)展；l近現(xiàn)代新技術的發(fā)展又促進了新材料的研制。l半導體材料計算機和信息革命；高溫合金、高溫陶瓷宇航科技； 光導纖維光通信、信息高速公路；l因此，新材料與所有新興產業(yè)都密切相關。材料對21世紀科技與經濟發(fā)展的重要性中國在高校、各科研院所有眾多的從事與材料有關的研究人員；世界上每年都召開與

12、新材料有關的學術會議；美國新世紀的三大經濟發(fā)展重點：信息、生物和納米技術；納米技術是對全世界都富有挑戰(zhàn)性的新科技，其中必然包含納米材料。l1985年至1987年，材料科學基礎研究連續(xù)3年獲得諾貝爾獎，獎勵的成果分別為量子霍爾(Hall)效應的發(fā)現(xiàn)、隧道掃描電子顯微鏡的發(fā)明和高臨界溫度超導體的合成。這也充分表明材料科學技術對于人類科技事業(yè)的巨大貢獻。 第四節(jié)第四節(jié) 材料循環(huán)：材料、能源、材料循環(huán)：材料、能源、 環(huán)境環(huán)境 一、地球一材料一地球 圖1-1是在全球范圍高度簡化了的材料循環(huán)示意圖。圖的左半部屬于材料供應，主要是為了獲得工業(yè)材料，它屬于礦業(yè)及農業(yè)科學與工程的范疇。右半部屬于材料使用和消耗，

13、主要是在制造結構件、器件、機器及其隨后的應用中對工程材料的使用，它屬于材料科學與工程的主要范疇。圖1-1 簡化的材料循環(huán)示意圖 l 地球 礦石、煤、原油、石頭、木材等原材料 經過選礦、精煉、提純、制漿等工藝 金屬、化學產品、紙張、水泥、纖維等 加工成各種晶體、合金、陶瓷、塑料、混凝土等 制造成各種有用產品 以廢料的形式回到地球或經分解和材料回收再次進入材料循環(huán)。蒙蒙 特特 利利 爾爾碳碳60 材料循環(huán)具有以下特點:l 材料的循環(huán)總是一個從生到死的封 閉系統(tǒng) 從地球獲取資源制成的材料用過后作為廢料又回到大地，或者被再加工重新進入循環(huán)，直到最后廢棄為止。l 材料循環(huán)是一項巨大的產業(yè) 世界上每年約生

14、產出150億噸原材料，其中美國消耗了l/3，人均25t/年。其他國家的人均原材料消耗量也同樣在快速增長。l 材料循環(huán)已成為各國之間聯(lián)系的 重要紐帶 由于原材料、產品的出口與進口，各國之間的經濟貿易往來頻繁。如中國的寶山鋼廠使用澳大利亞鐵礦砂、中國現(xiàn)在較大量地出口以鋼鐵材料為主的機械裝備(機床等)；日本的原材料絕大部分靠從世界各地輸入，同時大量輸出其產品(汽車、家電等)。l 材料循環(huán)中的增值 如礦產品鋁礬土每噸約8美元，通過不同的制備(電解等)和加工工藝變成鑄造半成品和鑄件時每噸達1000美元，增長125倍。但考慮到在此制備、加工階段，產品的質量減少到原來的1/5，故此類產品的總價值在材料循環(huán)中

15、提高25倍。l材料循環(huán)與社會 材料循環(huán)受社會需要的推動，而社會發(fā)展又受材料循環(huán)的制約。在材料循環(huán)中，勞動、能源、資金和成本等所形成的價值都要加入到材料中，總的效果是材料的質量減少、價值上升。當然材料也具有了各種可用的性能和功能。二、材料與能源二、材料與能源 生產材料要消耗大量能源 表1-2列出20世紀某年美國消耗能量最高的幾種原材料工業(yè)。鋁、銅因為采用電加工工藝(電解)因而每噸位的能耗特別大。相反，砂子、礫石和石頭只要略加處理即可把粗的原生材料變?yōu)樽詈笫褂玫墓こ滩牧稀ｄ撹F的單位能耗居中等，但是因其噸位巨大，故成為主要耗能者而列置表內的首位。 材材 料料年噸位年噸位104 t每噸耗能每噸耗能104Btut1年耗能年耗能1012 Btu鋼渣、生鐵和鋼鋼渣、生鐵和鋼鑄件鑄件 152 24.9 3800一次鋁錠一次鋁錠 4.53 244 1100硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥 90.5 7.6 690一次銅一次銅(精煉精煉) 1.97 112 220玻璃器皿玻璃器皿 12.4 17.4 220沙礫石、碎石塊沙礫石、碎石塊 1860 0.056 100一次鋅一次鋅1.426590 表表1-2 20世紀世紀某年美國消耗能量最高的幾種原材料工業(yè)某年美國消耗能量最高的幾種原材料工業(yè) 注：注：1Btu1054.35 J l 能源工業(yè)離不開材料的應用與發(fā)展目前