材料科学与人类文明-第1章

材料科学与人类文明宋义虎高分子科学与工程学系课件下载方法用户名：polymer密码：666666第一章绪论第二章材料使用简史：材料使用史(文明划代史)；中华文明在材料史上的定位第三章材料与材料科学：材料分类、选用原则、材料科学第四章材料结构基础：键、晶体结构与缺陷、合金第五章材料性能基础：热、导电、超导、介电、光学、磁、力学第六章常用结构材料简介：金属、陶瓷与璃、高分子、复合材料第七章信息材料：处理、传递、存储、显示材料第八章智能材料：构成、应用、种类第九章生物医用材料：发展简史、分类、特征与评价、常用材料第十章材料与环境的关系及环境材料：废旧材料处理、新材料课程内容第一章绪论人和动物的本质区别?人可利用工具从事生产、生活，积累经验，创造财富，进而制造更先进的工具制造工具时，材料是必需的然而，不是所有的物质都能用于制造工具什么是材料？具有一定性能，可用来制作器件、构件、工具、装置等的物质简单地说，材料是人类可用来制造有用器件的物质两个问题物质基础主要标志材料是人类社会进步的里程碑古代，材料首先用于统治阶级的生活、祭祀、战争新材料的发展与应用，取决于工匠经验的积累先进武器、精美祭器的需求严酷的管理制度现代，材料广泛用于民众的生活、生产新材料发展的动力，源于科学的知识体系不断更新的制造业技术（苹果的推介）人们对高品质生活、高性能器具的追求材料与人类文明发展石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代……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，称为石器时代、青铜器时代和铁器时代近代，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：新材料时代人类文明的进化时代，以材料的使用来划分人类社会先后经过了7个不同的文明时代公元前10万年公元前3000年公元前1000年公元前0年1800年1950年1990年石器时代青铜器时代铁器时代水泥时代钢时代硅时代新材料时代材料与人类文明发展燧石：神奇的石头石器时代(StoneAge)BC400,000~4,500主要以石头、骨头、木制作简单的工具材料与人类文明发展陶器(Pottery)陶器的出现,是人类跨入新石器时代的重要标志之一青铜时代(BronzeAge)BC4,500~1,000大量使用青铜工具、青铜礼器的时期从矿石中提炼铜—冶金业的黎明人类学会了用炭加热铜，造出纯度更高的铜把铜、锡矿石熔合，得一种坚度高的合金--青铜，以青铜来造出各种武器埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一材料与人类文明发展古称金或吉金，是红铜与其它元素(锡、镍、铅、磷等)的合金中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，约2000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：第一种合金材料与人类文明发展夏钺(yuè)戈GefudingGui,LateShangShanghaiMuseum戈父丁簋三星堆BC2800-BC800，商、周三星堆立人像，晚商高1.72m，底座高0.9m，世界上最大的青铜立人像材料与人类文明发展突目面具，晚商高64.5cm，宽138cm，眼球柱状外突长达13.5cm青铜人头，高27cm青铜乐器错金犀牛尊(战国)材料与人类文明发展越王勾践剑(湖北江陵楚墓出土)注意剑纹BC1450铁制车轮AD1500廉价的冶铁业铁器时代(IronAge)BC1000—人类使用铁来制造工具和武器材料与人类文明发展Sillaironarmor,ThreeKingdomsofKorea,AD300战国铁犁头战国铁锄战国凹形铁锄(长沙砂子塘)材料与人类文明发展Puwithopenworkinterlaceddragonsdesign,LateSpringandAutumn,ShanghaiMuseum铁器时代与之前时代的主要区别在于，农业发展、宗教信仰与文化模式实际所说的铁器时代，指的是早期阶段最先使用铁器的是古埃及、苏美，BC4000已极少量使用铁器但多由陨石得到，而非由铁矿提取BC3000~2000，小亚细亚、埃及、美索不达米亚越来越多地由陨石提练铁，多于礼仪有考古证据指出，铁是当时炼铜生成的副产品，称海绵铁对当时的冶练技术来说，不可能大量生产(昂贵)最早进入铁器时代的是西台(Hittite，赫梯)帝国，约BC1400掌握了冶铁技术BC1200，中东各地广泛运用铁，但并未取代青铜的主导地位BC1000，欧洲出现铁制工具，可能是由小亚细亚西传而来BC800，尼德兰出现铁制工具美洲、大洋洲，没有铁器时代，铁由欧洲人传入材料与人类文明发展中国是世界上利用铁最早的国家之一19000年前，周口店“山顶洞人”使用赤铁矿粉作为赭红色颜料，涂于装饰品上，或随葬撒在尸体周围。为天然矿物颜料利用的开端新石器时代(距今10000~4000)兴起制陶业，发明绘制各种风格的彩陶。绘制赭红色彩陶的原料就是赭石(赤铁矿)材料与人类文明发展1972，河北北藁(gǎo)城台西村商(BC13世纪)中期遗址出土铁刃青铜钺刃部是陨铁加热锻造而成中国在BC6世纪出现生铁制品铁硬度高、熔点高，铁矿蕴含量高相对青铜来说，铁来得便宜，可在各方面运用，其需求很快便远超青铜材料与人类文明发展1977,北京平谷县出土。长8.7cm1990，河南三门峡虢[guó]国墓(虢季墓)出土，剑长20cm，茎长13cm。西周晚期剑柄是一株竹子。竹子已拔出数节，数支螺旋上冲的叶片盘旋直入铁质剑身用陨铁锻造成薄刃，浇铸青铜柄部而成“中华第一剑”东周铁器水泥时代(CementAge)0BC—cement由拉丁文caementum发展而来，意为碎石、片石2000年前，希腊、罗马在建筑中使用石灰和火山灰的混合物，在水中缓慢反应生成坚硬的固体。为最早应用的水泥水泥生产工艺以石灰石、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，日本开始建造水泥厂1889，中国在唐山建造了第一座水泥厂材料与人类文明发展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，为天然水泥1824，英国用石灰石、粘土混合物烧成水硬性的胶凝材料，凝结硬固后，其颜色、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钢时代(SteelAge)1800—炼铁、炼钢的大工业生产，分别开始于1620、1870年代。最先在英国发展起来1875，全世界生铁产量为1400万吨，钢产量190万吨1875~1913，西欧、美国工业化需大量钢铁，相继发展转炉和平炉，钢铁产量迅速增长1913，全世界生铁产量8000万吨，钢产量7650万吨1914~1950，发生两次世界大战、多次资本主义经济危机，钢铁生产发展缓慢1950，全世界生铁产量1.30亿吨，钢产量1.89亿吨1950~1974，发展了氧气顶吹转炉炼钢和连续铸钢技术、带钢热连轧机和冷连轧机(技术进步)，钢铁生产能力提高1974，全世界生铁产量为5.05亿吨，钢产量7.10亿吨1973，开始石油调价和世界性的经济萧条，钢铁生产发展转慢1979，世界生铁和钢的产量创造新的纪录，分别达5.29亿吨和7.47亿吨材料与人类文明发展硅时代(SiliconAge)1500—二战中，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1950，制出第1只硅晶体管1952，用直拉法制出硅单晶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，氢还原SiHCl3法工业生产，已具规模硅整流器、硅闸流管问世，促使硅材料生产跃居半导体材料的首位1960年代，外延生长硅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1998，我国制出12英寸单晶硅材料与人类文明发展多晶硅单晶硅新材料时代(NewMaterialAge)发射架上的长征三号运载火箭宝钢高炉材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的3大支柱是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)材料与人类文明发展铝合金的主要应用领域战机舰船人造卫星材料与人类文明发展科学技术的发展史，就是材料发现、运用的发展史原理成品发展时间电机1821188665真空管1882191533无线电1887192235X光1895191318雷达193519405原子堆193919423半导体194819513激光195819602科学原理的发现时间、产业化时间的对照材料与科学技术的发展材料是科技进步的核心材料与科学技术的发展建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程等，无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，就没有人类探索外空的飞船没有固体微电子电路，就没有计算机半导体单晶硅、砷化嫁、光导纤维、超导等新材料，促进了新工业的诞生和发展，极大地推动了社会文明与经济的发展现在，人们可根据对材料理化性能的了解，为了特定需要而设计、加工材料新材料新技术新工业在开发铁和铜等新材料后，蒸汽机得以使用、推广，引发第一次产业革命材料与产业革命第一次产业革命发生于18世纪中叶的英国，而后遍及欧洲、北美起点：纺织机械革新标志：蒸汽机广泛使用结果：实现了工业生产从手工工具到机械化的转变以机器为主体的机器工厂代替了以手工技术为基础的手工工场人类进入蒸汽时代“铁和煤的革命”1733，凯伊(制梭工人)，发明飞梭，大大提高了织布效率1765，哈格里夫斯(织布工)，发明手摇纺纱“珍妮机”，使大规模织布厂得以建立。第一次工业革命的开端1769，理查德·阿克莱特，发明卷轴纺纱机1779，塞缪尔·克隆普顿(童工)，发明走锭精纺机，又称“骡机”。纺出的棉纱柔软、精细、结实1785，卡特赖特(牧师)，发明水力织布机，织布工效提高40倍“珍妮机”1800，英国棉纺业基本实现机械化材料与产业革命第一次科技革命技术条件英国当时在开僻海外市场、掠夺殖民地、进行圈地运动，形成资金、劳动力、原料和广阔的市场基础工场手工业迅速发展，技术水平提高，促进了操作过程的专业化和熟练程度，为用机器代替人手操作提供了准备条件科学条件17、18世纪，牛顿等一批科学家掌握了科学理论，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产业条件1860年代起，棉纺织业中出现一系列新工具机，工业上迫切需要制造出能够产生巨大而稳定动力的机械装置以瓦特改进的蒸汽机为代表的动力机应运而生瓦特改良蒸汽机瓦特之前的蒸汽机(纽科门蒸汽机)，耗煤量大、效率低1765-1790，瓦特进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设绝热层、油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆、离心式调速器、节气阀、压力计，使蒸汽机效率提高到纽科门机的3倍多，发明出现代意义的蒸汽机第二次产业革命19世纪70年代-20世纪初科学技术的突出发展：电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明、化学工业的建立控制论创始人维纳提出，第二次工业革命典型特征为自动化基本特征：新能源的广泛利用、石油的开发、新机器和新产品的创制、远距离传递信息主要表现：电气工业、内燃机技术与石油业、材料革命(钢铁时代、化工时代)、电信业的发达、电影业的兴起等出现电力、钢铁、化工“三大技术”出现汽车、飞机、无线电通讯“三大文明支撑第二次产业的新材料，如合金钢、铝合金、各种非金属材料材料与产业革命使工业化国家之间经济发展的不平衡加剧使后起资本主义国家生产呈跳跃式发展，赶上并超过老牌资本主义国家使工业化国家和非工业化国家在社会经济发展水平上的差距也越来越大“钢、电、石油业的革