材料科学与人类文明绪论

材料科学与人类文明浙江大学2011何谓材料？材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。俄罗斯米-26直升机展示强悍起吊能力米-26采用8片半径16米长的矩形桨叶旋翼，是世界采用桨叶片数最多的单旋翼直升机，其桨毂由钛合金制成。材料研究之美材料研究之美200nm材料系2010研究生微结构摄影大赛绪论材料和人类文明发展史概述材料的定义分类本课程的主要内容及目的第一章绪论人和动物的本质区别?人可以利用工具从事生产、生活，创造财富，积累经验，进而制造更先进的工具在制造工具时，材料是必需的但不是所有的物质都能用于制造工具什么是材料？材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质简单地说，材料是人类可用来制造有用器件的物质材料是人类社会进步的里程碑材料与人类文明发展•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——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……——发展得越来越快人类文明与材料木器时代？公元前8世纪古希腊哲学家赫西奥德的《劳动与时令》诗篇里，把人类的发展划分成黄金、白银、青铜、英雄和铁5个世纪；中国东汉袁康所撰的《越绝书》中把人类使用的工具，分成石、玉、铜、铁四个阶段；1836年丹麦学者C.J.汤姆森提出了石器时代、青铜时代和铁器时代的分期。从远古的石器时代到铁器时代再到如今的新材料时代，先后经过了七个不同时代公元前10万年石器时代公元前3000年公元前1000年公元前0年1800年1950年1990年青铜器时代铁器时代水泥时代钢时代硅时代新材料时代以材料区分的七个时代石器时代2百万年前开始，人类有目的地在生产生活中利用天然材料（石头、木头、黏土、动物皮毛等）。燧石：神奇的石头400,000BC—4,500BC石器时代(StoneAge)人类主要以石头、骨头、木制作简单的工具陶器(Pottery)•陶器的出现是人类跨入新石器时代的重要标志之一•据考古资料，中国陶器制作历史至少有8000年以上西安半坡人面网纹陶盆战国陶制四通水管4,500BC—1,000BC青铜时代(BronzeAge)大量使用青铜工具及青铜礼器的时期从矿石中提炼铜—冶金业的黎明埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一人类学会了用炭把铜加热以造出纯度更高的铜,而把铜和锡矿石熔合后可得一种坚度高的合金--青铜，以青铜来造出各种武器青铜器时代锡青铜（Bronze）——铜-25%锡合金+其它元素，具备良好的强韧性、耐腐蚀性、良好的加工性能等。由于青铜的熔点比较低，约为800℃；硬度高，为铜或锡的2倍多，所以容易融化和铸造成型。•古称金或吉金，是紫铜与其它元素（锡、镍、铅、磷等）的合金•中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，时间跨度约两千年•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：第一种合金夏钺戈“六齐”一词最早见于《考工记》：“金有六齐：六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。”从原理上看，“六齐”的出现表明在战国时期人们对合金成分、性能和用途之间的关系已经有所认识。三星堆突目面具铸于商代晚期，高64.5cm，宽138cm，眼球柱状外突长达13.5cm三星堆立人像铸于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像司母戊鼎•司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133cm，重875kg。为已知的中国古代体量最大的青铜器•铜禁，中国已知最早应用失蜡法铸造的作品，春秋时代的楚国王子午墓出土，年代为公元前6世纪温文尔雅的四羊方尊青铜乐器（战国）错金犀牛尊湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑1450BC铁制车轮1500AD廉价的冶铁业1000BC—铁器时代(IronAge)战国铁犁头战国铁锄湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄铁的性能更好，原料更易得。在现代仍在大规模应用。科学技术的发展史，就是材料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与其产业化时间的对照例1:轮子的发展车的发展始于轮子的发明，轮子的使用无疑是陆地交通工具变革的开始，它是人类历史上最重要的发明之一有了车，人类的活动范围变大，人与人之间的交往和物质的交流也增多了木柱是轮子的雏型据说5500多年前，生活在美索不达米亚平原的苏美人首先发明了车。最原始的车轮就是圆木片，以后为了制作方便，采用木板拼接，将木纹走向不同的木板交错着钉在一起，可以防止开裂~公元前2000年，人类发明了有辐的车轮，比实体车轮轻便了许多，装有辐式车轮的车子用马来拉，速度就快多了，车身也变得轻巧灵活，被古人当作武器用在战争中进入18世纪后，随着第一次产业革命的兴起，生产规模迅速扩大，人类开始大量制造较耐用的金属轮子时至今日，汽车所用的轮子要求更高，金属轮子的外围更加上橡胶轮胎，以作避震及增强附着摩擦力之用未来磁浮的采用可使得轮子有完全被取缔例1:轮子的发展第一次科技革命发生于18世纪中叶的英国，而后遍及欧洲和北美国家。这次革命以纺织机械革新为起点，以蒸汽机的广泛使用为标志，实现了工业生产从手工工具到机械化的转变，使以机器为主体的工厂制度化替了以手工技术为基础的手工工场，从而把人类带进了蒸汽时代第一次科技革命发生的条件当时英国正在开僻海外市场、掠夺殖民地以及进行“圈地运动”,这情况下有大量资金、劳动力、原料和广阔市场的基础，工场手工业迅速发展起来，技术水平的提高又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在17、18世纪的英国，牛顿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从18世纪60年代起，棉纺织业中一系列新工具机的出现，令制造能产生巨大、稳定的动力的机械装置，成了工业上的迫切需要。于是，以瓦特改进的蒸汽机为代表的动力机就应运而生材料与技术革命在开发了铁和铜等新材料后，蒸汽机得以使用并逐步推广，由此引发第一次技术革命第二次技术革命开始于19世纪末，以电的发明和广泛应用为标志，一直延续到20世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发，如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。材料与技术革命第三次技术革命开始于20世纪中叶，以原子能应用为标志，实现了合成材料、半导体材料等大规模工业化、民用化。材料与技术革命核能材料瑞士核电站氧化铀钨钒钢（W-Vsteel）铬钒钢（Cr-Vsteel）镍基高温合金（Hastelloymaterial）核反应堆材料耐中子辐射、腐蚀、高温烧结后烧结前第四次技术革命开始于20世纪70年代，以计算机、微电子技术、生物工程技术与空间技术为主要标志。材料与技术革命新材料时代(NewMaterialAge)长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类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）。汽车工业：金属、玻璃、各种塑料、涂料航空航天：高温合金、隔热材料、轻型高强度材料能源工业：储氢合金、燃料电池、太阳能电池电子信息：半导体材料、超导材料、磁记录材料生物技术：人工关节、人工皮肤、人工脏器农业：人造土壤、地面覆盖日常生活：包装材料、建筑材料现代社会三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技术和新材料•材料是所有科技进步的核心建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程无一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，就没有计算机火箭材料的应用铝合金的主要应用领域战机舰船导弹火箭人造卫星战车高速列车汽车高层建筑新材料的特征根据人们对材料物理和化学性能的了解，为了特定需要而设计、加工材料半导体单晶硅、砷化嫁、光导纤维、超导等新材料的开发和应用，使得新技术得以生产和应用，从而促进新工业的出现和发展，极大的推动了社会文明与经济的发展新材料新技术新工业材料与日常生活钛合金自行车：“自行车发烧友”选择钛合金制自行车。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合材料与日常生活形状记忆合金百叶窗材料与日常生活目前市场出售的眼镜架有纯钛制品、TiNi超弹性合金制品等其优点是耐腐蚀、不变色、质轻眼镜架材料与日常生活用钛制作的手表在国外市场已早有出售，目前世界上已有十多家表厂生产这种手表，其中有全钛表壳，也有部分用钛或用氮化钛、碳化氮等此外，还有供运动员和潜水员使用的特制手表据说是钛合金外壳哦！手表材料与日常生活照相机纯钛戒指钛金发王钛手链用钛制作的日用品还有照相机、手提箱、保温瓶、耳环、手镯、戒指、项链、胸针等材料与建筑材料与交通福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具汽车用高强钢，比原先轻24%，而强度高34%。汽车20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪前20年的人类发明齐柏林硬式飞艇、扬声器、空气调节装置、自动售货机、圣诞树彩灯、双刃安全剃刀、飞机、人造树胶、霓虹灯、汽车上的电点火装置、纸杯、不锈钢、坦克、爆米花烤箱20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪20年代的人类发明机器人、雪上汽车、自动手表、电动剃须刀、16毫米家庭型电影摄影机、克里内克丝面巾纸、电视机、汽车无线电、红绿灯20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪30年代的人类发明易拉罐、宝丽来太阳镜、自动洗衣店、道路斑马线、罐装啤酒、原子笔、施乐复印机、家用电冰箱、电脑、立体声录音机20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪40年代的人类发明尼龙丝袜、彩色电视、塔伯家用塑料制品、原子弹、微波炉、吉普车、宝丽来照相机、慢转密纹唱片、可多次使用的尿布、第一台由软件驱动的电脑20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪50年代的人类发明信用卡、有线电视、动力方向盘、袖珍晶体管收音机、录像机、不粘锅、垒高儿童拼装玩具、氢弹、水翼船、调制解调器、健身呼啦圈20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪60年代的人类发明软接触镜头、纤维笔尖钢笔、体重计、用做隆胸的硅胶填充物、按钮电话、电脑鼠标、石英手表、“傻瓜”照相机、涡流浴室、影碟、盒式录音磁带、手提电脑、扫描仪、丙烯酸树脂涂料20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪70年代的人类发明电脑软盘、袖珍计算器、可随意粘贴便条、Beta制大尺寸磁带录像系统、自动调焦照相机、苹果第二代电脑、移动电话(手机)、索尼随身听20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪80年代的人类发明光盘、一次性照相机、高清晰度电视、人工合成皮肤、CDROM、多普勒雷达，高温超导体、数字蜂窝电话20世纪科技发明史--与材料密切相关20世纪90年代的人类发明“哈勃”太空望远镜、DVD、可用于汽车上的氢气燃料电池、“奔腾”处理器20世纪科技发明史--与材料密切相关21世纪的人类发明苹果iPod音乐随身听、人造肝脏、免清洁窗户、Segway新型交通工具、适于在北极严寒气候条件下骑行的冰上自行车、防身夹克材料的未来发展•微型化——纳米材料与结构•智能材料•环保材料——可生物降解材料等•仿生材料•极限条件用材料材料金属材料无机非金属材料：陶瓷，玻璃，玻璃陶瓷等高分子材料：橡胶，塑料，胶粘剂复合材料：金属基，陶瓷基，高分子基黑色金属：钢，铁，钨有色金属：铝，铜，钛，金，银等材料的分类—按价键结构金属键离子键和共价键共价键和分子键金属材料容易加工、强度韧性好、导电导热……陶瓷强度硬度高、脆、绝缘、耐热……半导体