材料科學(xué)與工程導(dǎo)論第章材料與社會(huì)()

1、1.2 1.2 材料的地位和作用材料的地位和作用1.2.1 材料與人類文明材料是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑。材料是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑。17材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料是人類進(jìn)步的主要標(biāo)志。材料是人類進(jìn)步的主要標(biāo)志。人類文明進(jìn)程的劃分依據(jù)是什么人類文明進(jìn)程的劃分依據(jù)是什么? ? 所使用的、占主導(dǎo)地位的材料 石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代、合成石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代、合成材料時(shí)代、復(fù)合材料時(shí)代材料時(shí)代、復(fù)合材料時(shí)代 發(fā)展得越來越快發(fā)展得越來越快1.2.1 材料與人類文明18高層建筑材料劃時(shí)代材料劃時(shí)代 材料是人類文明、社會(huì)進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)材料

2、是人類文明、社會(huì)進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)?；A(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。 在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當(dāng)時(shí)的主在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當(dāng)時(shí)的主導(dǎo)材料作為時(shí)代的標(biāo)志，稱其為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代導(dǎo)材料作為時(shí)代的標(biāo)志，稱其為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。和鐵器時(shí)代。 在近代材料種類極其繁多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，在近代材料種類極其繁多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來代表當(dāng)今時(shí)代的特征：很難用一種材料來代表當(dāng)今時(shí)代的特征：新材料時(shí)代新材料時(shí)代。1.2.1 材料與人類文明19 人類文明進(jìn)化時(shí)代是以人類文明進(jìn)化時(shí)代是以材料材料的使用來劃分的。的使用來劃分的。 從遠(yuǎn)古的從遠(yuǎn)古的石器

3、時(shí)代石器時(shí)代到鐵器時(shí)代再到如今的到鐵器時(shí)代再到如今的新材料時(shí)代新材料時(shí)代，先后經(jīng)過了七個(gè)不同時(shí)代。先后經(jīng)過了七個(gè)不同時(shí)代。公元前公元前10萬年萬年石器時(shí)代石器時(shí)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(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代水泥時(shí)代水泥時(shí)代鋼時(shí)代鋼時(shí)代硅時(shí)代（合成材料）硅時(shí)代（合成材料）新材料時(shí)代新材料時(shí)代以材料區(qū)分的七個(gè)時(shí)代以材料區(qū)分的七個(gè)時(shí)代1.2.1 材料與人類文明20燧石：神奇的石頭400,000 BC 4,500 BC 石器時(shí)代石器時(shí)代 (Stone Age) 人類主要以石頭、骨頭、木制作簡(jiǎn)單的工具。1.2.

4、1 材料與人類文明21陶器陶器(Pottery) 陶器的出現(xiàn)是人類跨入新石器時(shí)代新石器時(shí)代的重要的重要標(biāo)志標(biāo)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1.2.1 材料與人類文明224,500 BC 1,000 BC 青銅時(shí)代青銅時(shí)代 (Bronze Age)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(jì)錄之一 人類學(xué)會(huì)了用炭把銅加熱以人類學(xué)會(huì)了用炭把銅加熱以造出純度更高的銅造出純度更高的銅, , 而把而把銅銅和和錫錫礦石熔合后可得一種堅(jiān)度高的合礦石熔合后可得一種堅(jiān)度高的合金金 - - 青銅，以

5、青銅來造出各種青銅，以青銅來造出各種武器。武器。 大量使用青銅工具及青銅禮器的時(shí)期。1.2.1 材料與人類文明23 古稱金或吉金，是銅與其它元素（錫、鎳、鉛、磷等）的合金 中國青銅時(shí)代大致對(duì)應(yīng)夏商周至秦漢，時(shí)間跨度約兩千年。 春秋戰(zhàn)國時(shí)期，齊國工匠寫成考工記考工記，提出“金有六齊”，是世界科技史上最早的冶銅經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。 青銅：青銅：第一種合金第一種合金夏鉞夏鉞戈戈1.2.1 材料與人類文明24三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(dá)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1.2.1 材料

6、與人類文明25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。1.2.1 材料與人類文明銅禁，中國已知最早應(yīng)用失蠟法鑄造的作品，春秋時(shí)代的楚國王子午墓出土，年代為公元前6世紀(jì)。26青銅樂器青銅樂器（戰(zhàn)國）錯(cuò)金犀牛尊（戰(zhàn)國）錯(cuò)金犀牛尊1.2.1 材料與人類文明27曾候乙尊盤湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍1.2.1 材料與人類文明27 銅三足鳥銅三足鳥 西周西周 銅奔馬銅奔馬( (馬踏飛燕馬踏飛燕) ) 漢漢 秦始皇陵銅車馬秦始皇陵銅車馬 秦秦 爵爵 商商 其它青銅制品其它青銅制品291.2.1 材料與人類文明1450BC 鐵制車

7、輪1500AD 廉價(jià)的冶鐵業(yè)1000BC 鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代 (Iron Age) 公元前14世紀(jì)至公元前13世紀(jì)，人類開始使用并鑄造鐵器，當(dāng)青銅器逐漸被鐵器廣泛替代時(shí)，標(biāo)志著人類進(jìn)入了鐵器時(shí)代。1.2.1 材料與人類文明30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)國凹形鐵鋤湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤 中國最早出現(xiàn)冶鐵制品大約是在公元前9世紀(jì)。到了春秋末期，中國人就發(fā)明了在高溫下用木炭還原鐵礦石生產(chǎn)鐵的方法，以及在半熔狀態(tài)下鍛造各種器具和武器的技術(shù)。1.2.1 材料與人類文明32水泥時(shí)代水泥時(shí)代(Cement Age)0BC 2000 2000年前，希臘和古羅馬人在建筑中使用一年前，

8、希臘和古羅馬人在建筑中使用一種石灰和火山灰的混合物，它們?cè)谒芯徛磻?yīng)生種石灰和火山灰的混合物，它們?cè)谒芯徛磻?yīng)生成堅(jiān)硬的固體。為最早應(yīng)用的成堅(jiān)硬的固體。為最早應(yīng)用的水泥水泥。 1919世紀(jì)初，英、法等將粘土化石灰世紀(jì)初，英、法等將粘土化石灰( (或泥灰?guī)r或泥灰?guī)r) )燒結(jié)成為水硬性材料，其中燒結(jié)成為水硬性材料，其中AlAl2 2OO3 3、 SiOSiO2 2含量之和含量之和達(dá)到達(dá)到2035%2035%，稱為天然水泥。，稱為天然水泥。 18241824，英國用石灰石和粘土的混合物燒成一種，英國用石灰石和粘土的混合物燒成一種水硬性的膠凝材料，凝結(jié)硬固后的顏色、外觀和當(dāng)水硬性的膠凝材料，凝結(jié)硬

9、固后的顏色、外觀和當(dāng)時(shí)英國用于建筑的優(yōu)質(zhì)波特蘭石頭相似，故稱為波時(shí)英國用于建筑的優(yōu)質(zhì)波特蘭石頭相似，故稱為波特蘭水泥。特蘭水泥。 18251825，波特蘭水泥在英國建廠生產(chǎn)。，波特蘭水泥在英國建廠生產(chǎn)。水泥生產(chǎn)工藝水泥生產(chǎn)工藝以石灰石和粘土為主以石灰石和粘土為主要原料，經(jīng)破碎、配要原料，經(jīng)破碎、配料、磨細(xì)制成生料，料、磨細(xì)制成生料，喂入水泥窯中煅燒成喂入水泥窯中煅燒成熟料，加入適量石膏，熟料，加入適量石膏，磨細(xì)而成。磨細(xì)而成。18711871年，日本開始建造水泥廠年，日本開始建造水泥廠18891889年，中國在唐山建造了第一座水泥廠。年，中國在唐山建造了第一座水泥廠。1.2.1 材料與人類文明

10、32 18世紀(jì)，出現(xiàn)了用鋼鐵制造的蒸汽機(jī)。19世紀(jì)發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)對(duì)金屬材料提出了更高要求，同時(shí)對(duì)鋼鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動(dòng)作用。 18世紀(jì)至20世紀(jì)，金屬材料占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料的主導(dǎo)地位。 比如，火車鐵軌的問世就是鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應(yīng)用的成功例子。鋼鐵時(shí)代鋼鐵時(shí)代(Steel Age)1800 ：1.2.1 材料與人類文明33 1854年和1864年，歐洲先后出現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼技術(shù)。隨著電爐冶煉技術(shù)的出現(xiàn)，不同類型的特種鋼相繼問世： 1887年高錳鋼 1900年高速鋼 1910年鎳鉻不銹鋼1.2.1 材料與人類文明3419艾菲爾鐵塔艾菲爾鐵塔鋼的應(yīng)用鋼的應(yīng)用舊金山金門大橋舊金山金門大橋建

11、筑建筑設(shè)備設(shè)備351.2.1 材料與人類文明 同時(shí)，銅、鋁及其合金大量使用，鉛、鋅、鎂、鈦和很多稀有金屬相繼被發(fā)現(xiàn)。世界鋼產(chǎn)量從1850年的6萬噸突增到1900年的2800萬噸，人類進(jìn)入了輝煌的鋼鐵時(shí)代。 由此帶動(dòng)了冶金業(yè)、紡織業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)及航空工業(yè)等的迅速發(fā)展。輪船、汽車、飛機(jī)、電燈等的出現(xiàn)，使人類生活大大改善。 1.2.1 材料與人類文明36 2010 2010年世界鋼年世界鋼產(chǎn)量達(dá)產(chǎn)量達(dá)13.513.5億噸，億噸，中國突破中國突破6 6億噸，億噸，占占44.3%44.3%。 19世紀(jì)末期，西方科學(xué)家發(fā)明了人造絲，這是人類改造自然材料的又一里程碑。20世紀(jì)初，各種人工合成有機(jī)

12、高分子材料相繼問世。目前，全世界三大有機(jī)合成材料的年產(chǎn)量已達(dá)億噸以上。 1909年合成酚醛樹脂（電木） 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（尼龍）1.2.1 材料與人類文明合成材料時(shí)代合成材料時(shí)代 1900 ：37 在20世紀(jì)下半葉，合成高分子材料得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)深入人類社會(huì)的方方面面。伴隨著核能的應(yīng)用、合成材料工業(yè)和以硅材料為支柱的半導(dǎo)體工業(yè)走向大規(guī)模工業(yè)化，人類開辟了以計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)和空間技術(shù)為主要標(biāo)志的新時(shí)代。 20世紀(jì)中后期，通過使用合成原料和新的制備技術(shù)，出現(xiàn)了一系列具有特殊功能的先進(jìn)陶瓷材料。由于陶瓷具有資源豐

13、富、密度小、耐腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)，用途不斷擴(kuò)大，成為世界各國材料研究的重點(diǎn)。1.2.1 材料與人類文明38硅時(shí)代硅時(shí)代(Silicon Age)1950 第二次世界大戰(zhàn)中，開始用硅制作雷達(dá)的高頻晶體檢波器。所用的硅第二次世界大戰(zhàn)中，開始用硅制作雷達(dá)的高頻晶體檢波器。所用的硅純度低，不是單晶體。純度低，不是單晶體。 19501950，制出第，制出第1 1只只硅晶體管硅晶體管。 19521952，用直拉法培育，用直拉法培育硅單晶硅單晶成功。成功。 19531953，用無坩堝區(qū)域熔化法拉制單晶。，用無坩堝區(qū)域熔化法拉制單晶。 19551955，采用，采用ZnZn還原還原SiClSiCl4 4法生產(chǎn)純

14、硅，但不能滿足制造晶體管的要求法生產(chǎn)純硅，但不能滿足制造晶體管的要求 19561956，氫還原，氫還原SiHClSiHCl3 3法。法。 19601960，用氫還原，用氫還原SiHClSiHCl3 3法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，已具規(guī)模。法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，已具規(guī)模。 硅整流器、硅閘流管問世，促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居硅整流器、硅閘流管問世，促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的的首位。首位。 19601960年代，硅外延生長單晶技術(shù)和硅平面工藝。年代，硅外延生長單晶技術(shù)和硅平面工藝。 硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟，集成電路迅速發(fā)展。硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟，集成電路迅速發(fā)展。 19801980年代初，全世

15、界多晶硅產(chǎn)量達(dá)年代初，全世界多晶硅產(chǎn)量達(dá)25002500噸。噸。1.2.1 材料與人類文明39 20世紀(jì)90年代后，現(xiàn)代復(fù)合材料、各種新材料層出不窮，并得到快速發(fā)展，標(biāo)志著人類已進(jìn)入新材料時(shí)代。 新材料使新技術(shù)得以產(chǎn)生和應(yīng)用，而新技術(shù)又促進(jìn)了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展。 新材料時(shí)代新材料時(shí)代 1900 ：1.2.1 材料與人類文明40 從人類利用材料的歷史中可以清楚地看到：每一種重要新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都會(huì)把人類支配自然的能力提高到一個(gè)新的水平。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都將引起生產(chǎn)技術(shù)的重大變革，甚至引發(fā)一場(chǎng)世界性的技術(shù)革命，大大加速社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程，給社會(huì)生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變革，把人類物質(zhì)文明推向前進(jìn)。1.2.1 材料與人類文明材料是所有科技進(jìn)