《材料与文明进步》要点

1材料与文明进步、科技创新的重要关联主讲人：屈静江材料是人类文明进步的里程碑，它也是构筑了我们的世界；材料是赖以生存发展的物质基础，也是所有科技进步工业的核心；新材料不断开发和有效地使用能力，是衡量社会技术水平和未来科技发展的重要尺度；材料主导工业发展和科技创新。材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史。人类进步的重要阶段，都是由材料来划分的。比如陶器时代、青铜器时代和铁器时代等。公元前6000年，人类发明了火，掌握了钻木取火的技术。有了火，不仅可以热食、取暖、照明和驱兽，还可以烧制陶器。这是陶瓷材料发展的一次飞跃，瓷器（英译名为China）的出现已成为中华民族文化的象征之一，对世界文化产生过深远的影响。从陶器时代开启人类文明；青铜催生冶炼辉煌；到钢铁推动第一次产业革命；再到半导体硅材料将人类社会带入信息时代；而石墨烯被认为是替代硅最有前途的材料，未来可能从“硅时代”进入“碳时代”。创新引领未来，科技创造美好生活，材料的发展推动人类文明不断进步。我们还是从材料的起源去追寻这迷人的世界。陶器时代：陶器是人类最早不用大自然的现成材料而制成的器具。制陶技术是最古老的材料技术，是人类材料技术的发端。我国陶器的制造和使用大致始于距今1万年左右的全新世初期。陶器的出现与农业、定居生活的出现成为石器时代人类文化新飞跃的重要标志，即人类文化从此进入了新石器时代。陶器的出现促进和丰富了原始人的经济生活，在陶器制作中，人类的审美智慧创造性地得远古陶器2到了发挥。我们的先民是首先发现了陶土用火烤一下，烤到某种程度陶土会变硬，变硬之后可以用来盛水，盛食物，大大改善了人类的生活。更重要一点，就是先人从火烤的经验知道了材料与温度有密切的关系。这种知识，使我们以后发展材料有很大的帮助。但是大家都知道，陶器有很多缺点，缺点是什么呢，比较脆，一碰就摔碎了，所以陶器不能用来做农耕工具，也不能用来做武器防身。因而它激发了新材料研发，这个当时的新材料就是青铜器。青铜时代：青铜采冶业是从石器加工和烧制陶器的生产实践中渐渐认识而产生的。人们在寻找石料和加工的过程中，逐步识别了自然铜与铜矿石。中国的青铜文化起源于黄河流域，距今约5000年，商周为鼎盛期，目前世界上最早的冶炼铜发现于中国的陕西姜寨遗址。姜寨遗址出土的公元前4700年前冶炼的黄铜片及黄铜圆环为世界上最古老的冶炼黄铜，标志着人类初步掌握了金属冶炼技术，为青铜时代的到来打下基础。如果铜里含了20%到30%的锡，它加到铜里面就有两种很重要的作用，一个作用就是把铜熔点从1100度降低到800度，这个温度在古时候可以用烧柴火就能达到这个温度，所以古人可以把青铜来熔化，来做成各种器具，而且青铜有其它的好处，它比较硬化，又能抗腐蚀，所以青铜在当时是一种最好的材料。青铜在商周的时候大量开发，最漂亮最精美的青铜器是在战国时期铸造的曾侯乙编钟，也是我国出土文物最多，重量最重，声音最全的一套编钟，凡是有机会听到、看到的人都认为这个编钟是中华文化的国宝，也是世界音乐史上的一个奇迹。所以，材料不但可以改进人们生活，而且材料可以影响历史的发展，就以青铜为例，中国历史上，青铜编钟3秦灭六国统一中国，当然秦朝战胜有很多原因，但是一个直接的原因就是秦在当时做的青铜器特别好，秦剑细而尖锐，而且它比其它六国制的剑要精致，剑的长度可做到一米左右，而其它国家只能铸出0.8米长，他的剑比对手长，就容易刺伤对方，别人很难刺到他，这是秦战胜的一个很重要的因素。当然剑长有时也有不利的一面，如秦始皇的剑就是把很长的青铜剑，当时荆轲刺秦皇时，秦王一紧张，加上这剑因长没一下子拔出来，差一点被荆轲刺杀了，假如这次行刺成功了，也许中国历史就要改写了。所以材料器具对历史文化有着重要关联。以上讲了青铜器优点，但他缺点也很多，如不够坚韧，在很多地方像农耕器具、车轮车轴用青铜就不够坚硬，不能久耐用，所以激发了开创铁器时代。铁器时代：铁器时代是人类发展史上一个极为重要的时代。人类最早知道的铁是陨石中的铁，古人曾用这种天然铁制作刀刃和饰物，这是人类使用铁的最早情况。地球上的铁是少见的，所以铁的冶炼和铁的制造经历了一个很长的时期。当人们在冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代也就到来了。我国目前发现的最古老冶炼铁器是甘肃省临潭县磨沟寺洼文化墓葬出土的两块铁条距今3300年。因此大约在3000年前，人类进入了铁器时代。铁器时代也叫做铸铁时代。铸铁就是在铁里面含有4%左右的碳，碳的用途可以把铁的熔点从1450度降低到1100度，这个温度很重要，这在当时以烧煤为燃料才可以烧到那么高的温度，所以纯铁是没有办法去熔炼，但是铸铁就可以很好地熔炼。在汉朝的时候有大量的铸铁（器）造出来，包括农耕工具，交通用的轮轴都做得很好，铁器发展是造就汉唐盛世的很大一个原因，可惜当时中国太过保守，太过自大，抑制了铁器的进一步开发。如果开发好的话，也许工业革命是发生早期铁器4在中国而不是欧洲。这里讲个小故事吧。在公元326年的时候，古希腊有名的一个皇帝叫亚历山大帝，他在印度河的河谷战役中，打败了印度王突罗，印度王被战败之后就呈献给亚历山大帝一个礼物，这个礼物是装在一个黄金盆子里，而这个黄金盆子装的是一块刚开发出来的精铁，什么叫精铁，就是几乎近乎纯铁的那种铁，为什么这个铁珍贵呢？这个铁可以做宝剑，当时有这种精制的铁非常重要，所以它比黄金价格高很多。只可惜这精铁刚开发出来，否则，这战局谁胜谁负就难说了。钢铁时代：钢铁作为基础金属材料，仍然是国民经济发展所需的大众材料。直到今天的人类生活中对我们生产生活影响最大的，生产力推动最强的材料应当是钢铁莫属。钢铁材料始于十八世纪英国工程师贝西默首创酸性转炉炼钢技术，使当时钢价降低了85%，世界钢铁产量从1850年的6万吨晋升到1900年的2800万吨（2014年钢产量14亿吨），大大促进了钢铁的工业化，颠覆了封建的生产方式，使大量由农业、手工业社会进步到工业社会。所以钢材料是人类材料史上的第一次革命。而钢铁材料的出现，人类终于要开始工业革命啦，工业革命发生在18世纪，在欧洲英国首先成功地用低硫焦炭工艺大规模生产钢铁，而且当时蒸气机已经在欧洲被发明出来，但是蒸汽机的制造必须要用坚韧耐磨的钢铁，所以当时大规模廉价生产钢铁可以促使蒸汽机的开发，因为蒸汽机的开发解决了用机械动力取代人工劳力，成就了所谓工业革命，也开启了工业时代，所以钢铁是促成工业革命的最重要的一个因素。工程材料的第二次革命应当属于热压材料（塑料），是由美籍比利时化学家贝克兰发明的。1907年7月14日，他注册了第一个酚醛塑料的专利，塑料这种高分子聚合物它的强度仅仅是钢铁的50分之一，但是它集木材的轻便性，玻璃的透明性，陶瓷的耐腐蚀性，以及橡胶的弹性和韧性于一5身，所以除了日常生活用品以外，大家所坐的椅子等等，还广泛地运用医疗器械、石油化工、机械制造、航空航天、建筑等各行各业。例：最新型的787民用客机，它中间的一半是复合材料，其基体是增强碳纤维都是高分子材料。目前全球塑料产量如果按照体积算已经超过钢铁了。从陶、青铜、铁、到种类繁多的各种金属，材料的开发推动了人类的文明进步，也促进了现代工业科技的发展和创新，不过因为材料的缺陷也曾酿成人类历史上的大悲剧。近代第一个悲剧事件就是1912年发生的铁达尼号邮轮的沉没，该船的船身是钢铁做的，当时钢铁做得不够好，钢铁在低温时有脆性，所以当这船撞到冰山的时候船身就断裂了，造成船体很快沉没，一共死了1500人，而这1500人都是非常有钱的人，因为这是一艘非常豪华的邮轮。大家非常关注，其实在19世纪的时候很多船容易断裂，都是因为铁出了问题，这个问题一直没解决，直到70年后的1980年，材料科学家才找到答案，就是早期做出的钢铁含有杂质硫黄硫，如果铁里面含了0.1%的硫，这个铁在低温时就有脆性，也就导致了历史上悲剧的发生。现在的钢铁，尤其好的钢铁，硫的含量必须在0.05%以下，这样低硫的钢铁韧性好。硫有什么问题呢，因为硫会偏折到铁的晶界上，使晶界脆化，所以当撞到坚硬物时这个铁就开始断裂了。美国911事件，飞机撞到了非常坚固的世贸大楼，本来这飞机是不容易把大楼撞倒的，怎么倒了呢？因为飞机上有近1万加仑的油料，油料造成大火，油把建筑烧到差不多600度的高温，这使得大楼的钢筋开始软化，钢筋软化之后造成整个大楼的倒塌，这个惨剧造成3000人死亡，受伤超过6000人以上。美国联邦调查局下的结论就是这个大楼钢筋不耐高温，是高温导致钢筋软化造成此次大楼坍塌的主因，因此，以后欧美规定在盖高楼时，钢筋必须要在600度的时候要有相当于室温的一半以上的强度，这样的钢筋才能盖高楼。灾难造成的极端状况，让人类更清楚地认识到了材料的特性，6科学家们开发新材料的努力也从未停息，材料与工业发展和科技创新又有怎样的关联呢？新材料时代：随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据科学技术的研究成果，开发出性能超群的新材料。主要为：先进的高分子材料、超导材料、智能材料、能源材料、纳米材料、仿生材料、多孔材料等。新材料在日常生活、国防建设上作用重大。例如：超纯硅、砷化镓研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的上千亿次；航空发动机材料的工作温度每提高100度，推力可增大20%；隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现等等。关系材料和工业的关系，我举几个例子说明。我想大家都坐过喷射（气）飞机吧，喷射飞机动力来自涡轮发动机，涡轮发动机的核心部分是涡轮叶片，这个叶片要在1500度左右的高温下运转，它需要抗高温，耐高压。经过40年努力，在1980年美国才正式开发出非常好的双相镍基合金，这个镍基合金是当时世界上最好的高温材料，这个材料经过不同的工艺，做成等轴晶体、桩状晶体或单晶，就是因为有了这个高温材料，我们才可以坐上这种喷射飞机。但是这种镍基超高温合金有它的优点，也有它的缺点，一个缺点就是它的比重过高，因为飞机发动机高速运转，叶片太重的话，需要消耗很多的能量，并且产生很大的噪音。在2009年时候，美国波音公司成功开发出一种新的轻型高温合金钛铝介合金，可以取代镍基合金在低温部分，高温部分还是镍基合金比较好。钛铝合金的好处就是它的比重是镍基合金的60%左右，如果一台飞机发动机上把一部分低温部分的叶片从镍基合金改为钛铝合金的话，发动机减重400磅，可降低噪音和废气50%以上。镍基合金是非常好的高温材料，但由于熔点不够高，1970年初，美国研发航天器发动机时就遇到了困难，要想成功发射，这需要有能够满足苛刻条件的新合金，科学家们用了三年时间，开发出了铱基新合金，铱基7合金的熔点很高，它的熔点是2450度，而且有很好抗氧化，这个铱基超合金，从1975年开始陆续用在各种美国的升空航天器上。其中美国卡西尼深空探测器在2004年升空七年后飞到了土星，也就是太阳系的第六颗行星，现在卡西尼号已经远离了太阳系，但是仍然把美好的电子信息传递到地球来，使我们了解太阳系的很多特质，而且可以研究宇宙的很多神秘现象。每当我们谈论航空发动机耐高温材料时，就会想起我国高温合金研究的奠基人、材料腐蚀领域的开拓者师昌绪院士。2010年度国家科学技术最高奖颁给了这位中科院金属研究所名誉所长、材料科学家、战略科学家、两院院士师昌绪。他带领的科研团队在五十年代就研制出中国第一个铁基高温合金808，部分代替了当时镍基高温合金GH33作为航空发动机的涡轮盘。为使歼7飞机提高档次，到了1965年又自主设计并研制出了九孔空心高温合金涡轮叶片，使我国成为继美国之后第二个采用精铸气冷涡轮叶片的国家，仅比美国晚五年。而“空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片技术使我国喷气发动机一步跃上了两个台阶：由锻造合金改为真空精铸，由实心叶片改为空心叶片，提高了涡轮工作温度。40多年来，应用于我国各类发动机热端部件，助推共和国几代战机上天。他领导发明的低偏析合金技术，在高温合金和合金钢的研制生产中应用，潜艇桅杆用”无磁铬猛系高强度不锈钢“也是他的研究成果，作为无磁材料，其性能优于镍铬不锈钢，他倡导