材料与人类文明

2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1Time:16hrsThecourseof材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2人类文明社会的先导--新材料一、材料的发展史，就是人类社会的发展史二、材料的发展史，就是科学技术的发展史第一、二讲材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU3什么是材料(materials)?Materialsisthestufffromwhichathingismadeforusing.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。天然材料人工材料人工材料材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU4材料的分类用途：结构材料（受力，承载）功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等）物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料材料科学与工程学院发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，...）新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料,...）2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU5Thebroadfieldofmaterialsscienceandengineeringseekstoexplainandcontroloneormoreofthefourbasicelements:1.Thestructureandcompositionofamaterial,includingthetypeofatomsandtheirarrangementasviewedovertherangeoflengthscales(nano-,meso-,micro-,macro-scale).2.Thesynthesisandprocessingbywhichtheparticulararrangementofatomsachieved.3.Thepropertiesofthematerialresultingfromtheatomsandtheirarrangement,thatmakematerialinterestingoruseful.4.Theperformanceofthematerial,thatis,themeasurementofitsusefulnessinactualconditions,takingaccountofeconomicandsocialcostsandbenefits.ManmadematerialsMaterialsScienceandEngineering材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU6一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。人类历史的划分石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。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Aluminumin19thcentury.Computer材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU7*航空航天的物质基础三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度)b(MPa)0.2(MPa)(%)3823106488478123602804482472933025024402906纵向横向高鍛铝2014（LD10）的力学性能卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用20%。铝的理论强度为4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。Fig.1.Relationbetweenand.材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU8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材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU9f导弹头罩窗口窗口材料：蓝宝石金刚石ZnS/金刚石材料科学与工程学院•导弹的眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU10二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。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表1科学原理的发现时间与其产业化时间的对照中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU111）逻辑推理(古代哲学家，432BC.)2）宏观形貌观察、观测（byeye,1669）3）数学理论计算4）科学测定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中国：“日取其半，万世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）；“以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语·正语》）；“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”（《易经》）人类对材料微观结构认识的发展过程材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU122、Europe:Plato(428-348B.C.)andEuclid(330-275?B.C.)5regularpolyhedronsstandfor5originalelements(fire,air,earth,water,ether)whichwereusedfordescribingeverythingintheworld.Fire-tetrahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEarth-cubeWater-icosahedron材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU13介观宏观晶体的结构与形状晶体的结构晶体的形状材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU14MorphologyofPbScrystalwithNaClstructure材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU15材料科学与工程学院MorphologyofDiamond2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU16Snowflake1mm60SOURCE:W.Bentley&W.Humpbreys,SnowCrystals,(McGraw-HillBookCompany,1931),p.147.材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU17OHSTRUCTUREOFICE(H2O)AbBaa材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU18宋（960-1279A.D.）•楼钥,《谢林景思和韵》黄昏门外六花飞，因倚胡床醉不知。南朝•陈（557-589A.D.）•徐陵，《咏雪》岂苦天庭瑞，轻雪带风斜。三农喜盈尺，六出舞崇花。雪花—“六出”、“六花”西汉（206B.C.-24A.D.）,《韩诗外传》：凡草木花五出，独雪花六出材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU191669,N.Steno,晶面角守恒定律材料科学的发展过程1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说1912,M.Laue*,晶体的X射线衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射线晶体结构分析方法*1914’sNobelprize;**1915’s,***1987’s.电子显微镜（SEM、TEM）扫描探针显微术***（STM、AFM）材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU20ABAABCAATOMICPACKING材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU21Packingmode1(ABCABC…)材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU22Packingmode2(ABCABC…)材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU23Packingmode3(AaBbCcAaBbCc…)材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU24abcagb单胞晶系单胞特征Bravais点阵三斜abc,简单三斜abg90单斜abc,简单单斜ag90=b底心单斜正交abc,简单正交，底心正交a=b=g=90体心正交，面心正交三角a=b=c,简单三角a=b=g12090,60四方a=bc,简单四方a=b=g=90体心四方六角a=b,六角b=g=90,a=120立方a=b=c,简单立方，体心立方a=b=g=90面心立方七大晶系、14种Bravais点阵材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU25Thestructuresandsymmetryof2Dand3Dcrystals2D3DBravaislattice514Pointgroup*1032Spacegroup**17230*ГАДОЛИН(加多林),1869.**ФЕДОРОВ(费多罗夫),1890,Schoenflies(熊夫利),1891.材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU26量子力学：波粒二象性“物理学最美的实验”—一箭双雕“慕尼黑事件”——科学史上的大事1912年，Laue,Friedrich,Knipping,ZnS的劳厄衍射照片显示其四重对称轴显示其三重对称轴光的波动性X射线光谱学晶体微观周期性结构固体物理材料科学与工程学院P.Ewald2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU27qqoPRX-rayDiffraction(Braggcondition)qq2d·sinq=lddl/2dsinql材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU28晶体的微观周期性结构电子在周期势场中的运动量子力学Schrödinger方程能带理论固体半导体理论2Ψ+U(r)ΨihΨth2晶体点阵中的缺陷金属材料强化理论位错在晶体中运动晶体的宏观几何形貌晶体生长理论表面组装材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU29ABAcGraphiteABCcd0DiamondABAcLonsdaleitCrystallineStructuresofCarbonFullerenes(C60)材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU30AFullerdomebuiltfortheUnionTankCarCompanyinBatonRouge,Louisiana(Oct.1958)BuckerminsterFuller-anAmericanarchitect材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU31Thetime-of-flightmassspectrumannotatedbyKrotoAccidentdiscoveryC60材料科学与工程学院2020/11/9ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU32BobCurlSeanO’BrienRickSmal