材料科学和人类文明市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

材料科学与人类文明材料科学与人类文明宋义虎宋义虎高分子科学与工程学系高分子科学与工程学系 第1页课件下载方法课件下载方法 ftp:/10.14.204.110:21/ftp:/10.14.204.110:21/用户名：用户名：polymerpolymer密密 码：码：666666666666第2页第一章第一章 绪绪 论论第二章第二章 材料使用简史：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定位第三章第三章 材料与材料科学：材料与材料科学：材料分类、选取标准、材料科学第四章第四章 材料结构基础：材料结构基础：键、晶体结构与缺点、合金 第五章第五章 材料性能基础：材料性能基础：热、导电、超导、介电、光学、磁、力学第六章第六章 惯用结构材料介绍：惯用结构材料介绍：金属、陶瓷与璃、高分子、复合材料第第七七章章 信息材料：信息材料：处理、传递、存放、显示材料第第八八章章 智能材料：智能材料：组成、应用、种类第九章第九章 生物医用材料：生物医用材料：发展简史、分类、特征与评价、惯用材料第十章第十章 材料与环境关系及环境材料：材料与环境关系及环境材料：废旧材料处理、新材料课程内容课程内容第3页 第一章第一章 绪论绪论第4页人和动物本质区分?人可利用工具从事生产、生活，积累经验，创造财富，进而制造更先进工具制造工具时，材料是必需 然而，不是全部物质都能用于制造工具什么是材料？含有一定性能，可用来制作器件、构件、工具、装置等物质含有一定性能，可用来制作器件、构件、工具、装置等物质简单地说，材料是人类可用来制造有用器件物质两个问题两个问题第5页物质基础主要标志材料是人类社会进步里程碑材料是人类社会进步里程碑古代，材料首先首先用于统治阶级生活、祭奠、战争新材料发展与应用，取决于工匠经验积累先进武器、精美祭器需求严酷管理制度当代，材料广泛用于民众生活、生产新材料发展动力，源于科学知识体系不停更新制造业技术（苹果推介）人们对高品质生活、高性能器具追求第6页材料与人类文明发展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划分依据是什么人类文明进程划分依据是什么?所使用、占主导地位材料历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当初主导材料作为时代标志，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，各种新材料不停涌现，极难用一个材料来代表当今时代特征：新材料时代第7页人类文明进化时代，以材料使用来划分人类社会先后经过了7个不一样文明时代公元前10万年公元前30公元前10公元前0年181950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材料与人类文明发展第8页燧石：神奇石头石器时代石器时代(StoneAge)BC400,0004,500主要以石头、骨头、木制作简单工具材料与人类文明发展材料与人类文明发展陶器陶器(Pottery)陶器出现,是人类跨入新石器新石器时代主要标志时代主要标志之一第9页青铜时代青铜时代(BronzeAge)BC4,5001,000大量使用青铜工具、青铜礼器时期从矿石中提炼铜冶金业拂晓人类学会了用炭加热铜，造出纯度更高铜把铜、锡矿石熔合，得一个坚度高合金-青铜，以青铜来造出各种武器埃及古墓壁画是人类冶金业最早纪录之一材料与人类文明发展材料与人类文明发展第10页古称金或吉金，是红铜与其它元素(锡、镍、铅、磷等)合金中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，约春秋战国时期，齐国工匠写成考工记，提出金有六齐，是世界科技史上最早冶铜经验总结青铜：第一个合金青铜：第一个合金材料与人类文明发展材料与人类文明发展夏钺(yu)戈GefudingGui,LateShangShanghaiMuseum戈父丁簋第11页三星堆三星堆 BC2800-BC800，商、周三星堆立人像，晚商高1.72m，底座高0.9m，世界上最大青铜立人像材料与人类文明发展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第12页青铜乐器青铜乐器错金犀牛尊错金犀牛尊(战国战国)材料与人类文明发展材料与人类文明发展越王勾践剑越王勾践剑(湖北江陵楚墓出土湖北江陵楚墓出土)注意剑纹注意剑纹第13页BC1450 铁制车轮AD1500 廉价冶铁业铁器时代铁器时代(IronAge)BC1000人类使用铁来制造工具和武器材料与人类文明发展材料与人类文明发展Silla iron armor,Three Kingdoms of Korea,AD300第14页战国铁犁头战国铁犁头战国铁锄战国铁锄战国凹形铁锄战国凹形铁锄(长沙砂子塘长沙砂子塘)材料与人类文明发展材料与人类文明发展Puwithopenworkinterlaceddragonsdesign,LateSpringandAutumn,ShanghaiMuseum第15页铁器时代与之前时代主要区分在于，农业发展、宗教信仰与文化模式实际所说铁器时代，指是早期阶段最先使用铁器是古埃及、苏美，BC4000已极少许使用铁器但多由陨石得到，而非由铁矿提取BC3000，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，铁是当初炼铜生成副产品，称海绵铁对当初冶练技术来说，不可能大量生产(昂贵)最早进入铁器时代是西台(Hittite，赫梯)帝国，约BC1400掌握了冶铁技术BC1200，中东各地广泛利用铁，但并未取代青铜主导地位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材料与人类文明发展第16页中国是世界上利用铁最早国家之一190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开端新石器时代(距今100004000)兴起制陶业，创造绘制各种格调彩陶。绘制赭红色彩陶原料就是赭石(赤铁矿)材料与人类文明发展材料与人类文明发展第17页1972，河北北藁(go)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铸造而成中国在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，铁来得廉价，可在各方面利用，其需求很快便远超青铜材料与人类文明发展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gu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，数支螺旋上冲叶片盘旋直入铁质剑身用陨铁铸造成薄刃，浇铸青铜柄部而成“中华第一剑”东周铁器第18页水泥时代水泥时代(CementAge)0BCcement由拉丁文caementum发展而来，意为碎石、片石前，希腊、罗马在建筑中使用石灰和火山灰混合物，在水中迟缓反应生成坚硬固体。为最早应用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胶凝材料，凝结硬固后，其颜色、外观和当初英国用于建筑优质波特兰石头相同，故称为波特兰水泥1825，波特兰水泥在英国建厂生产第19页钢时代钢时代(SteelAge)1800炼铁、炼钢大工业生产，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18751913，西欧、美国工业化需大量钢铁，相继发展转炉和平炉，钢铁产量快速增加1913，全世界生铁产量8000万吨，钢产量7650万吨19141950，发生两次世界大战、屡次资本主义经济危机，钢铁生产发展迟缓1950，全世界生铁产量1.30亿吨，钢产量1.89亿吨19501974，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)，钢铁生产能力提升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经济萧条，钢铁生产发展转慢1979，世界生铁和钢产量创造新纪录，分别达5.29亿吨和7.47亿吨材料与人类文明发展材料与人类文明发展第20页硅时代硅时代(SiliconAge)1500二战中，开始用硅制作雷达高频晶体检波器。所用硅纯度低，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，采取Zn还原SiCl4法生产纯硅，但不能满足制造晶体管要求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材料与人类文明发展多晶硅单晶硅第21页新材料时代新材料时代(NewMaterialAge)发射架上长征三号运载火箭发射架上长征三号运载火箭宝钢高炉宝钢高炉材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济3大支柱 是社会进步和科学技术发展物质基础和技术先导材料是全球新技术革命四大标志四大标志之一(新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术)材料与人类文明发展材料与人类文明发展第22页战机舰船人造卫星材料与人类文明发展材料与人类文明发展第23页科学技术发展史，就是材料发觉、利用发展史科学技术发展史，就是材料发觉、利用发展史原理成品 发展时间电 机18211886 65真空管 18821915 33无线电18871922 35X 光18951913 18雷 达19351940 5原子堆19391942 3半导体19481951 3激 光19581960 2科学原理发觉时间、产业化时间对照科学原理发觉时间、产业化时间对照材料与材料与科学技术科学技术发展发展第24页材料是科技进步关键材料与材料与科学技术科学技术发展发展建筑、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发展来实现和突破没有钢铁材料，就没有今天高楼大厦没有专门为喷气发动机设计材料，就没有靠飞机旅行今天没有耐高温复合涂层材料，就没有些人类探索外空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，促进了新工业诞生和发展，极大地推进了社会文明与经济发展现在，人们可根据对材料理化性能了解，为了特定需要而设计、加工材料新材料新技术新工业第25页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材料与产业革命第一次产业革命发生于18世纪中叶英国，而后遍布欧洲、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转变 以机器为主体机器工厂代替了以手工技术为基础手工工场 人类进入蒸汽时代“铁和煤革命”1733，凯伊(制梭工人)，创造飞梭，大大提升了织布效率1765，哈格里夫斯(织布工)，创造手摇纺纱“珍妮机”，使大规模织布厂得以建立。第一次工业革命开端1769，理查德阿克莱特，创造卷轴纺纱机1779，塞缪尔克隆普顿(童工)，创造走锭精纺机，又称“骡机”。纺出棉纱柔软、精细、坚固1785，卡特赖特(牧师)，创造水力织布机，织布工效提升40倍“珍妮机”1800，英国棉纺业基本实现机械化 第26页材料与产业革命材料与产业革命第一次科技革命第一次科技革命技术条件英国当初在开僻海外市场、掠夺殖民地、进行圈地运动，形成资金、劳动力、原料和辽阔市场基础工场手工业快速发展，技术水平提升，促进了操作过程专业化和熟练程度，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，促使科技革命发生产业条件1860年代起，棉纺织业中出现一系列新新工工具具机机，工业上迫切需要制造出能够产生巨大而稳定动力机械装置机械装置以瓦特改进蒸汽机为代表动力机应运而生瓦特改良蒸汽机瓦特之前蒸汽机(纽科门蒸汽机)，耗煤量大、效率低1765-1790，瓦特进行了一系列创造，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，使蒸汽机效率提升到纽科门机3倍多，创造出当代意义蒸汽机第27页第二次产业革命19世纪70年代-20世纪初科学技术突出发展：电力广泛应用、内燃机和新交通工具创制、新通讯伎俩创造、化学工业建立u控制论创始人维纳提出，第二次工业革命经典特征为自动化基本特征：新能源广泛利用、石油开发、新机器和新产品创制、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)、电信业发达、电影业兴起等出现电力、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新材料，如合金钢、铝合金、各种非金属材料材料与产业革命材料与产业革命l使工业化国家之间经济发展不平衡加剧使工业化国家之间经济发展不平衡加剧l使后起资本主义国家生产呈跳跃式发展，赶上并超出老牌资本主义国家使后起资本主义国家生产呈跳跃式发展，赶上并超出老牌资本主义国家l使工业化国家和非工业化国家在社会经济发展水平上差距也越来越大使工业化国家和非工业化国家在社会经济发展水平上差距也越来越大“钢、电、石油业革命”由“蒸汽时代”进入“电气时代”第28页车始于轮子发明。车轮是陆地交通工具变革开始，是人类历史上最主要创造之一是人类历史上最主要创造之一有了车，人类活动范围变大，人与人之间交往和物质交流也增多了例例1:1:轮子发展轮子发展材料与人类生活材料与人类生活木柱是轮子雏型BC3500，古巴比伦苏美尔诞生了带轮车，是在橇板下面装上轮子而成最原始车轮是圆木片，后采取木板拼接，将木纹走向不一样木板交织着钉在一起，可预防开裂BC2500，欧亚地域使用两轮、四轮木质马车埃及，古墓葬中曾发觉约BC1500两轮战车BC，中国中原地域开始制造圆木板轮子车辆创造有辐车轮，比实体车轮轻便许多辐式轮车身更轻巧灵活，用马来拉，速度更加快，被用在战争中18世纪后，伴随第一次产业革命兴起，开始大量制造较耐用金属轮子时至今日，汽车轮子要求更高，金属轮子外围愈加上橡胶轮胎，以避震、增强附着摩擦力古代轮子人类用火150万年，用轮子仅6千年据美史学家斯塔夫里阿诺斯著全球通史，最早车轮出现在美索不达米亚，BC3000将轴装到手推车上，轮子不直接和车身连接第29页例例2:2:钛材料钛材料钛合金是航空航天产品中采取高性能材料惯用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹性场所 钛合金以其独特魅力，成为国际上公认生产各类比赛及休闲用高档自行车最先进、最理想材料材料与人类生活材料与人类生活钛合金自行车：“自行车发烧友”选择第30页形状记忆合金百叶窗形状记忆合金百叶窗例例2:2:钛材料钛材料材料与人类生活材料与人类生活第31页眼镜架眼镜架锌白铜眼镜架价格低廉，但耐蚀性差，容形成绿色铜锈蒙乃尔合金(含有铜、锌、镍)、镍合金加工性能好，但耐蚀性不高；游离态镍离子易造成皮肤过敏贵金属镜架价格昂贵，普通消费者难以承受钛合金、钛合金、钛镍形状记忆合金耐蚀性好，重量轻。现在中高挡金属眼镜架大部分都用这三种材料制成钛合金镜架重量轻(普通镍基合金镜架48%-60%)、强度高、耐腐蚀、表面易着色除普通钛合金优点外，钛合金加工性能好、焊接技术优良钛镍形状记忆合金不易焊接，眼镜架款式单一例例2:2:钛材料钛材料材料与人类生活材料与人类生活1990年代初，钛合金眼镜架于在国外批量生产1998前，钛合金镜架曾占据日本市场60%以上当前市场出售眼镜架有纯钛制品、TiNi超弹性合金制品、其它钛合金通常合金架比重约8.9g/cm3，纯钛架比重约4.5g/cm3第32页用钛制作手表在国外市场已早有出售当前世界上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、碳化氮等也有供运动员和潜水员使用特制手表手表手表例例2:2:钛材料钛材料材料与人类生活材料与人类生活听说是钛合金外壳！香奈儿J12 Chromatic钛陶瓷手表钛陶瓷拥有极高耐磨性，其硬度仅次于蓝宝石第33页摄影机纯钛戒指钛金发王钛手链用钛制作日用具有摄影机、手提箱、保温瓶、耳环、手镯、戒指、项链、胸针等例例2:2:钛材料钛材料材料与人类生活材料与人类生活第34页材料与计算机材料与计算机材料科学发展是计算机飞速发展基础材料科学发展是计算机飞速发展基础计算机发展已经历了4代。当前正在发展第5代电子管时代：第1代(1946-1958)，以电子管为逻辑部件晶体管时代：第2代(1959-1964)，以晶体管为逻辑部件小规模集成电路时代：第3代(1965-1970)，用集成电路为逻辑元件大/超大规模集成电路时代：第4代(1971-1989)，应用大规模集成电路，存放器多，速度快计算机科课时代：第5代，智能型计算机、分布式计算机系统、多媒体技术 代年 限硬 件软 件运算速度一1946-1958 电子管、磁鼓符号语言、汇编语言数千次/秒二1959-1964 晶体管、磁芯批处理操作系统，高级语言 如FORTRAN数万-数十万次/秒三1965-1970中小规模集成电路、磁芯、半导体存放器分时操作系统，会话式语言，网络软件数十万-数百万次/秒四1971-大、超大规模集成电路、半成品存放器数据库系统，分布式操作系统，面向对象语言系统数千万-数亿次/秒第35页计算机经历：电子管计算机经历：电子管晶体管晶体管集成电路时代集成电路时代电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路钨、钼钨、钼电极锗、硅半导体锗、硅半导体单晶硅片、高纯钛、单晶硅片、高纯钛、SiO2、铬薄膜、铬薄膜材料与计算机材料与计算机材料科学发展是计算机飞速发展基础材料科学发展是计算机飞速发展基础第36页电子管电子管电极材料：钨、钼电极材料：钨、钼三级电子管三级电子管图大小与实物相当图大小与实物相当由大量电子管组成第一台计算机，重30吨，用电相当于1个小城市材料与计算机材料与计算机材料科学发展是计算机飞速发展材料科学发展是计算机飞速发展基础基础缘起：二战期间，美军方要求宾州大学Mauchly博士设计以真空管取代继电器“电子化”电脑ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator），电子数字积分器与计算器)，用来计算炮弹弹道特点：使用18800个真空管，长50英尺，宽30英尺，重达30吨(=6只大象)计算速度快，5000次/秒加法运算，运作九年吃电凶，每次开机，整个费城西区电灯都为之黯然失色真空管损耗率高，每15分钟就可能烧掉一支，须花15分钟以上才能找出坏掉管子1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生第37页16K内存器由大量电子管组成16K内存器。图中女士要用显微镜才能看到现在集成电路16K内存器材料与计算机材料与计算机材料科学发展是计算机飞速发展材料科学发展是计算机飞速发展基础基础1949年5月6日首次运行。运行650条/秒指令，12个架子上放置有逾3000个电子管帮助JohnK.、MaxP.赢得1962年诺贝尔化学奖电子延时储存自动计算机(EDSAC)，剑桥大学第38页l1883，爱迪生效应：把金属板与灯丝一起密封在灯泡内，给金属板加正电压，灯丝与金属板间有电流流过，相反则没有电流1897，汤姆逊发觉电子。人们明白了灯丝加热后有电子射出l1904，弗莱明(英)造出第1只二极管。在真空管中放置两块金属板，加热负极时，有电子射向正极。利用二极管可检测到无线电信号，但无法控制电流大小，电信号非常微弱l1905，德福雷斯特(美)在二极管正、负极间加一金属栅极，制成第1只三极管。三极管有放大作用，改变栅极电压，即可改变电流大小l三极管创造，为无线电通讯和广播开辟了道路1906，费丁生(美)创造调幅波，使高频信号带着声音振幅发射出去成功地进行了首次无线电广播，收音机诞生了1914，高真空管问世1920，威斯汀豪斯公司(美)在匹兹堡建成第1座广播电台1926，美国成立全国广播企业三极管放大系数只有330，阴极-栅极间电容太大，本身轻易产生振荡l1913，林格慕(美)在三极管里增加第二栅极，制成四极管，放大倍数可达160600l1926，荷兰菲利浦公司发明五极管l1928，兹沃里金(美)创造电视显像管l1939，美国无线电企业推出当代意义上电子电视电子管电子管推进了无线电电子学蓬勃发展第39页材料与计算机材料与计算机材料科学发展是计算机飞速发展基础材料科学发展是计算机飞速发展基础第40页l上世纪初，无线电兴趣者发觉，一些半导体矿石有单向导电性，很适合做检波器l这使科学家想到，用半导体可制作与电子管一样性能晶体管l1947，贝尔电话试验室肖克利、巴丁、布拉坦研制成功第1只晶体管(1956诺贝尔物理奖)l1950，肖克莱等人创造晶体三极管与电子管相比，晶体管体积小、重量轻、耗能低、寿命长、制造工艺简单、使用时不需预热，大大加速了电子技术发展 晶体管晶体管第41页10万3千万材料与计算机材料与计算机材料科学发展是计算机飞速发展基础材料科学发展是计算机飞速发展基础第42页1956，富勒、赖斯(美)创造半导体生产扩散工艺，为集成电路提供了工艺技术1958，德克萨斯仪器企业(美)用一块硅晶制成包含电阻、电容在内分立元件试验电路，确定了集成电路标准封装尺寸 1959，仙童企业(美)研究出SiO2扩散技术和PN结隔离技术，完成集成电路制作全部工艺，推出第一块集成电路。接着，光刻技术等相继创造1961，德克萨斯企业同美空军合作，利用集成电路制成第1台试验性计算机。该机有587块集成电路，只有285克，体积100cm3，功耗仅16W1969，出现大规模集成电路1970年代中期，出现一块硅片上包含十万个晶体管超大规模集成电路集成电路集成电路将晶体管与电子线路做在一块半导体晶片上，组成一个整体第43页材料与计算机移动存放器材料与计算机移动存放器Terbium(Tb)材料与计算机材料与计算机材料科学发展是计算机飞速发展基础材料科学发展是计算机飞速发展基础第44页材料与信息材料与信息信息材料指用于信息探测、传输、显示、运算和处理材料 主要包含监测与获取(传感)信息、传输信息、存放信息、运算和处理信息材料人类在步入信息时代同时，也进入信息材料竞争时代 第45页1965，Intel摩尔提出摩尔定律，预言芯片容量每18个月就要加倍1966，美RCA企业研制出CMOS(互补金属氧化物半导体，电压控制一个放大器件)集成电路，研制出第一块门阵列(50门)1971，Intel推出1kb动态随机存放器(DRAM)，标志着大规模集成电路出现Intel企业推出全球第一个微处理器4004，采取MOS工艺1971，一个芯片上有3000个晶体管1978，64kbDRAM诞生，不足0.5cm2硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路出现1988，16MDRAM问世，1cm2硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路阶段1979，Intel推出5MHz8088微处理器，IBM基于8088推出全球第一台PC1999，德国研制成锗处理器，运算速度比硅处理器提升1倍制造大规模集成电路主要材料是单晶硅片材料与信息材料与信息CMOS第46页芯片除用于计算机外，还可制作其它各种电器如录相机、洗衣机、厨房设备、家用电器，以及各种自动控制设备半导体材料是电子技术和计算机产业基础，一个国家在芯片技术方面成就，决定着其整个战略产业、高技术产业方面成就现在，从计算机芯片工作原理中取得启发，创造性地将半导体技术和生物技术结合起来，开发出生物芯片，广泛用于医学临床检测、药品开发、环境监测等材料与信息材料与信息第47页集成电路体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好，成本低，便于大规模生产用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提升几十倍至几千倍，设备稳定工作时间大大提升材料与信息材料与信息第48页1前，美国科学家贝尔做过用光传输语言试验1966，发觉提升玻璃纯度可降低光传输过程中损耗1970，康宁企业(美)用高纯石英玻璃制造出当代光导纤维，被誉为百年不遇创造光纤比头发还细，一根细丝就能同时传输2000路通话，且不失真、不受环境干扰、不易被窃听、传输比铜缆快7.2万倍没有远程通信技术，整个世界发展不会有今天这么快远程通信技术发展与光导纤维亲密相关材料与信息材料与信息第49页从莱特弟兄实现飞行梦想以来，航空、航天器发生了巨变为了飞得快和远，就要采取强度高、比重小材料，重视材料比强度，即强度/比重之比航空和航天器中铝、镁合金用量大伴随航空技术深入发展，轻质、高比强度钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多采取实例实例压气机叶片压气机机匣飞机尾翼硼纤维铝合金板和管路材料材料铝合金钛合金碳纤维复合材料硼纤维增强铝合金强度强度 MPa150450350110010001200(纤维方向)1500(纤维方向)比强度比强度MPa5516080245625750570材料与航空技术材料与航空技术莱特弟兄19人类飞上天空第50页材料与航空技术材料与航空技术航空航天材料主要包含新型金属结构材料(如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金)、烧蚀防热材料、新型复合材料还包含功效材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等 大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少许阻尼合金等金属材料 第51页材料与航空技术材料与航空技术第52页结构材料“三高一低”(高强度、高模量、耐高温、低密度)b(MPa)0.2(MPa)(%)382 310 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6纵向横向高鍛铝(LD10)力学性能卫星发射，节约1kg重量将降低费用$0，一次发射节约费用20%铝理论强度为铝理论强度为4.7GPa，当今高强铝合金最高强度不超出，当今高强铝合金最高强度不超出1GPaRelation between and 材料与航空技术材料与航空技术第53页1948年，实现钛工业化生产航空工业发展需要，使钛工业以年均约8增加速度发展当前，世界钛合金加工材年产量达4万余吨，钛合金牌号近30种钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机结构件中国60年代中期开始钛材工业化生产，并研制成TB2合金 钛合金 高强度 高韧性 耐腐蚀 质地轻材料与航空技术材料与航空技术第54页钛合金比重、强度、使用温度介于铝和钢之间，但比强度高，抗海水腐蚀、超低温性能优异l1950，美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件l1960年代开始，钛合金使用部位从后机身移向中机身、部分代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等主要承力构件l钛合金在军用飞机中用量快速增加，达飞机结构重量2025%l1970年代起，马赫数3640kgp美国SR-71高空高速侦察机(马赫数为3，飞行高度26.2km)，钛占飞机结构重量93%，号称“全钛”飞机航空发动机推重比从46提升到810，压气机出口温度从200300C增加到500600 C时，原铝制造低压压气机盘和叶片必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量材料与航空技术材料与航空技术第55页航天飞机用形状记忆合金航天飞机用形状记忆合金材料与航空技术材料与航空技术第56页约翰肯尼迪航天中心(美国卡拉维纳尔角)，待升空穿梭机应用了成千上万种材料，尤其是一些高技术新型材料材料与航空技术材料与航空技术第57页美国现役未来新式未来新式航天飞机结构上采取单级火箭式全部回收利用方案外壳材料使用Ni-Cr-Fe合金外层隔热板由一层TiAl合金与一层绝热材料组成载人/载物航天飞机，每运载1kg有效载荷，成本费1万美元费用昂贵，使人类征服太空受到很大限制现役航天飞机每次升空要丢掉一些部件，如辅助火箭和外部贮箱 外表面使用碳陶瓷片，二次飞行需更换许多碳陶瓷片材料与航空技术材料与航空技术第58页材料与建筑材料与建筑第59页建筑材料可分为结构材料、装饰材料和一些专用材料结构材料包含木材、竹材、石材、水泥、混凝土、金属、砖瓦、陶瓷、玻璃、工程塑料、复合材料等装饰材料包含各种涂料、油漆、镀层、贴面、各色瓷砖、含有特殊效果玻璃等专用材料指用于防水、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔热、保温、密封等材料建筑材料长久承受风吹、日晒、雨淋、磨损、腐蚀等，性能会逐步改变，建筑材料合理选取至关主要，首先应该安全、经久耐用建筑材料用量很大，直接影响到工程造价，通常建材费用占工程总造价二分之一以上。所以，在考虑技术性能时，必须兼顾经济性中国传统建筑以木结构建筑为主，西方传统建筑以砖-石结构为主当代建筑以钢筋混凝土为主材料与建筑材料与建筑第60页材料与交通材料与交通第61页福特、西纳给，两款由材料工程师设计汽车汽车用高强钢，比原先轻24%，而强度高34%汽车汽车汽车材料是汽车品质基础汽车技术发展在很大程度上依靠于汽车材料发展材料与交通材料与交通第62页汽车汽车车壳材料早期轿车，车身沿用马车车身结构，整个车身以木材料为主1912，爱德华巴特首次制成全金属车身1925，文森卓兰西亚创造承载式车身。车身由钢板冲压成型金属结构件和大型复盖件组成这种金属结构车身沿用至今1970年代，轿车车身钢板采取镀锌薄钢板当代，汽车使用得最多是普通低碳钢板复合材料主要是碳纤维复合材料。重量极轻，可到达与钢材一样稳定性和安全性，大大提升汽车灵敏性和操纵性合金主要是铝合金。铝合金车壳具有质量轻、节能、散热好、耐腐蚀等特点铝中高档汽车越来越多使用铝，铝质车身比钢质车身轻约40钢主要有镀锌钢、低碳钢、高强度钢等镀锌钢板：良好抗腐蚀能力，广泛应用在汽车上低碳钢板：很好塑性加工性能，能满足车身拼焊要求高强度钢板：强化低碳钢板，可在减厚情况下保持车身机械性能要求，减轻汽车重量材料与交通材料与交通第63页汽车汽车铝合金汽车上应用得最快最广轻金属满足重量轻、强度高、散热性好、耐腐蚀要求早期铝合金仅用于变速器外壳、汽油泵、化油器等不受强冲击元件经强化后，铝材强度大大增加，可满足发动机活塞、汽缸盖等较剧烈工作环境要求铝圈是铝合金在车上第二个应用广泛领域。铝制车圈降低整车质量，可及时将制动器热量散发出去，以免出现制动热衰退德国奥迪汽车企业1999推出奥迪A2，为世界第一款大批量生产全铝轿车。该车车身采取全铝空间框架车身，是一种用于飞行器结构高技术车身重量仅895kg，比传统钢制车身轻40%以上(150千克)材料与交通材料与交通奥迪Al2全铝车身概念车(1997)1999奥迪A2第64页20世纪初，人们成功制取液氦，取得4K低温。水银在4K突然没有电阻了，成为超导体从20世纪初到80年代，约70年间，超导临界温度只提升了不到30K80年代末，超导临界温度提升到125K高温超导材料研究方面，我国曾曾处于世界领先水平1987，率先研制出超导临界温度90-100KY-Ba-O-Cu高温超导体，清华大学试制成功500m高温超导带材，进入产业化超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车材料与交通材料与交通第65页1980s高温超导体上海磁悬浮列车超导首先应用于磁悬浮列车利用超导体中强电流所引发强磁场同性相斥作用，使列车浮起来。行走时只受空气阻力，最高速度500km/h以上日本、德国已投入试用，时速500km1994，我国西南交通大学做成43m长磁悬浮列车试验线，车重4吨超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车材料与交通材料与交通1922，德工程师赫尔曼肯佩尔提出电磁悬浮原理，1934年申请磁悬浮列车专利1970后，德、日等、中相继研发磁悬浮运输系统日本JR磁悬浮MLX01-2试验车第66页材料与国防当代化材料与国防当代化 B-2幽灵式轰炸机战争表现出高技术特点如，美对伊拉克、科索沃作战，使用隐形飞机、反辐射导弹、巡航导弹等，实施高密度精确打击美B-2幽灵式轰炸机，是一种隐形飞机隐形功能一方面由其外观设计来保证，其次取决于材料设计在飞机对雷达波强反射部位覆盖了吸波或反射波材料，它可是蒙皮外涂料，也可是贴或镀上去材料B-2飞机机身涂覆物厚达10mm，窗户上镀有金属薄膜，整个机身由于采用碳纤维复合材料呈黑色第67页防弹衣高技术化是各国军需装备发展重点1901，威廉麦肯雷总统被暗杀，防弹衣引发美国国会重视当初防弹衣可防低速(122m/s)手枪子弹，但无法防住步枪子弹一战中，出现以天然纤维织物为服装衬里，配以钢板制成防弹衣实际是钢制铠甲，重9kg二战中，弹片杀伤力增加80%，伤员中70%因受伤而死亡英、美两国不遗余力地研制防弹衣1942，英军制成由三块高锰钢板组成防弹背心1945，美军制成由铝合金、高强尼龙组合防弹背心朝鲜战争中，美陆军：由12层防弹尼龙制成T52型全尼龙防弹衣海军陆战队：M1951型硬质“多隆”玻璃钢防弹背心，重2.73.6kg材料与国防当代化材料与国防当代化 第68页70年代初，美国杜邦企业制成超高强度、超高模量、耐高温凯夫拉纤维 美军率先使用凯夫拉制作防弹衣，研制了轻、重两种型号新防弹衣以凯夫拉纤维织物为主体材料，以防弹尼龙布作封套现在，完全用化学纤维制做防弹衣一个用18层尼龙和凯芙拉纤维制成防弹衣，只有1.03kg在极热情况下，凯芙拉纤维熔化后不流淌，而是凝固起来增加厚度，在身体周围形成免受烧伤保护层对于高速枪弹，尤其是步枪子弹，软体防弹衣仍难以胜任为此，人们又研制出了软硬复合式防弹衣，以纤维复合材料作为增强面板或插板，以提升整体防弹衣防弹能力材料与国防当代化材料与国防当代化 第69页材料与能源材料与能源能源工业和能源技术所使用材料按使用目标，分为新能源材料、节能材料、储氢材料等新能源材料 包含增值堆用核材料(铀、氘、氚为代表)、聚变堆材料、太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅等)节能材料 包含非晶体金属磁性材料(用作变压器铁芯Fe-Mn-B-Si合金)和超导材料(Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料)储氢材料储氢电极合金材料高比能电池 如钠硫电池、镍氢电池、锂离子电池 当前钠硫电池比能量达137Wh/Kg，而铅蓄电池比能量只有30W h/Kg 第70页瑞士核电站 氧化铀 钨钒钢（W-V steel）铬钒钢（Cr-V steel）镍基高温合金（Hastelloy material）核反应堆材料耐中子辐射、腐蚀、高温烧结后烧结后烧结前烧结前核能材料核能材料材料与能源材料与能源第71页9月，美金属杂志(JournalofMetals)发起评选材料科学与工程历史上“最伟大材料事件”(GreatestMaterialsMoments)活动。JOM由美国矿物、金属与材料学会(TheMinerals,Metals&MaterialsSociety)主办“最伟大材料事件”定义为：一项人类观察或者介入，造成人类对材料行为了解产生标志性进展关键或决定性事件。它开辟了材料利用新纪元，或者产生了由材料引发社会经济重大改变评选出50项“最伟大材料事件”清楚地展示，材料及其相关科学与技术发展对人类文明与社会进步所做出巨大贡献，以及材料科学与技术毋庸置疑主要地位5050项项“最伟大材料事件最伟大材料事件”第72页在在50项项“最最伟大材料事件伟大材料事件”中中材料制备技术及工艺材料制备技术及工艺17项项新材料和新器件创造新材料和新器件创造12项项提出新原理、新规律与揭示新结构、新现象提出新原理、新规律与揭示新结构、新现象18项项先进仪器设备创造先进仪器设备创造3项项从从50项项“最伟大材料事件最伟大材料事件”中能够看出中能够看出古代材料与技术方面重大事件古代材料与技术方面重大事件，包含炼铁术、炼钢术、铜提取术及炼铜术、铁铸造技术、包含炼铁术、炼钢术、铜提取术及炼铜术、铁铸造技术、玻璃创造等玻璃创造等，大多出自中国、埃及、伊朗、印度和土耳其等东方国家，大多出自中国、埃及、伊朗、印度和土耳其等东方国家中国古代铁铸造工艺、使用高