材料科学与人类文明.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 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的定位第三章第三章 材料与材料科学：材料与材料科学：材料分类、选用原则、材料科学第四章第四章 材料结构基础：材料结构基础：键、晶体结构与缺陷、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 常用结构材料简介：常用结构材料简介：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、存储、显示材料第第八八章章 智能材料：智能材料：构成、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、常用材料第十章第十章 材料与环境的关系及环境材料：材料与环境的关系及环境材料：废旧材料处理、新材料课程内容课程内容 第一章第一章 绪论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材料是人类社会进步的里程碑古代，材料首先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材料与人类文明发展燧石：神奇的石头石器时代石器时代(StoneAge)BC400,0004,500主要以石头、骨头、木制作简单的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)n陶器的出现,是人类跨入新石新石器时代的重要标志器时代的重要标志之一青铜时代青铜时代(BronzeAge)BC4,5001,000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材料与人类文明发展l古称金或吉金，是红铜与其它元素(锡、镍、铅、磷等)的合金l中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，约2000年l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：第一种合金青铜：第一种合金材料与人类文明发展材料与人类文明发展夏钺(yu)戈Gefuding Gui,Late Shang Shanghai Museum戈父丁簋三星堆三星堆 BC2800-BC800，商、周三星堆立人像，晚商高1.72m，底座高0.9m，世界上最大的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BC1450 铁制车轮AD1500 廉价的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Pu with openwork interlaced dragons design,Late Spring and Autumn,Shanghai Museum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，BC 4000已极少量使用铁器但多由陨石得到，而非由铁矿提取BC 30002000，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BC 1400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BC 1000，欧洲出现铁制工具，可能是由小亚细亚西传而来BC 800，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100004000)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材料与人类文明发展1972，河北北藁(go)城台西村商(BC 13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BC 6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”东周铁器水泥时代水泥时代(CementAge)0BCcement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，钢铁产量迅速增长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、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材料与人类文明发展硅时代硅时代(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材料与人类文明发展多晶硅单晶硅新材料时代新材料时代(NewMaterialAge)发射架上的长征三号运载火箭发射架上的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铝合金的铝合金的主要应用领域主要应用领域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科学技术的发展史，就是材料发现、运用的发展史科学技术的发展史，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科学原理的发现时间、产业化时间的对照科学原理的发现时间、产业化时间的对照材料与材料与科学技术的科学技术的发展发展材料是科技进步的核心材料与材料与科学技术的科学技术的发展发展建筑、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的机械装置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u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材料与产业革命l使工业化国家之间经济发展的不平衡加剧使工业化国家之间经济发展的不平衡加剧l使后起资本主义国家生产呈跳跃式发展，赶上并超过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，赶上并超过老牌资本主义国家l使工业化国家和非工业化国家在社会经济发展水平上的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的差距也越来越大“钢、电、石油业的革命”由“蒸汽时代”进入“电气时代”车始于轮子的发明。车轮是陆地交通工具变革的开始，是人类历史上最重要的发明之一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例例1:1:轮子的发展轮子的发展材料与人类生活材料与人类生活木柱是轮子的雏型BC 3500，古巴比伦的苏美尔诞生了带轮的车，是在橇板下面装上轮子而成最原始的车轮是圆木片，后采用木板拼接，将木纹走向不同的木板交错着钉在一起，可防止开裂BC 2500，欧亚地区使用两轮、四轮的木质马车埃及，古墓葬中曾发现约BC1500的两轮战车BC 2000，中国中原地区开始制造圆木板轮子的车辆 发明有辐车轮，比实体车轮轻便许多辐式轮车身更轻巧灵活，用马来拉，速度更快，被用在战争中18世纪后，随着第一次产业革命的兴起，开始大量制造较耐用的金属轮子时至今日，汽车轮子要求更高，金属轮子的外围更加上橡胶轮胎，以避震、增强附着摩擦力古代的轮子人类用火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，最早的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例例2:2:钛材料钛材料钛合金是航空航天产品中采用的高性能材料常用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹性的场合 钛合金以其独特的魅力，成为国际上公认的生产各类比赛及休闲用高档自行车最先进、最理想的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”的选择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眼镜架眼镜架p锌白铜眼镜架价格低廉，但耐蚀性差，容形成绿色铜锈p蒙乃尔合金(含有铜、锌、镍)、镍合金加工性能好，但耐蚀性不高；游离态的镍离子易造成皮肤过敏p贵金属镜架价格昂贵，普通消费者难以承受p钛合金、钛合金、钛镍形状记忆合金的耐蚀性好，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p钛合金镜架重量轻(普通镍基合金镜架的48%-60%)、强度高、耐腐蚀、表面易着色p除普通钛合金的优点外，钛合金加工性能好、焊接技术优良p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p1990年代初，钛合金眼镜架于在国外批量生产p1998前，钛合金镜架曾占据日本市场的60%以上目前市场出售的眼镜架有纯钛制品、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用钛制作的手表在国外市场已早有出售目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的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据说是钛合金外壳！香奈儿J12 Chromatic钛陶瓷手表钛陶瓷拥有极高的耐磨性，其硬度仅次于蓝宝石照相机纯钛戒指钛金发王钛手链用钛制作的日用品有照相机、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材料与计算机材料与计算机材料科学的发展是计算机飞速发展的基础材料科学的发展是计算机飞速发展的基础计算机的发展已经历了4代。目前正在发展第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，寄存器多，速度快计算机科学时代：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、半导体存储器 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、半成品存储器数据库系统，分布式操作系统，面向对象的语言系统数千万-数亿次/秒计算机经历：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的发展是计算机飞速发展的基础材料科学的发展是计算机飞速发展的基础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的大小与实物相当图的大小与实物相当由大量电子管组成的第一台计算机，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的发展是计算机飞速发展材料科学的发展是计算机飞速发展的基础的基础缘起：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的“电子化”电脑ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator），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，整个费城西区的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的管子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n16K内存器由大量电子管组成的16K内存器。图中的女士要用显微镜才能看到现在的集成电路16K内存器材料与计算机材料与计算机材料科学的发展是计算机飞速发展材料科学的发展是计算机飞速发展的基础的基础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John K.、Max P.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，汤姆逊发现电子。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三极管的发明，为无线电通讯和广播开辟了道路1906，费丁生(美)发明调幅波，使高频信号带着声音的振幅发射出去 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，美国成立全国广播公司三极管放大系数只有330，阴极-栅极间电容太大，本身容易产生振荡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)发明电视显像管l1939，美国无线电公司推出现代意义上的电子电视电子管电子管推动了无线电电子学的蓬勃发展材料与计算机材料与计算机材料科学的发展是计算机飞速发展的基础材料科学的发展是计算机飞速发展的基础l上世纪初，无线电爱好者发现，某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同样性能的晶体管l1947，贝尔电话实验室肖克利、巴丁、布拉坦研制成功第1只晶体管(1956诺贝尔物理奖)l1950，肖克莱等人发明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的发展 晶体管晶体管10万3千万材料与计算机材料与计算机材料科学的发展是计算机飞速发展的基础材料科学的发展是计算机飞速发展的基础l1956，富勒、赖斯(美)发明半导体生产的扩散工艺，为集成电路提供了工艺技术l1958，德克萨斯仪器公司(美)用一块硅晶制成包括电阻、电容在内的分立元件实验电路，确定了集成电路的标准封装尺寸l 1959，仙童公司(美)研究出SiO2扩散技术和PN结隔离技术，完成集成电路制作的全部工艺，推出第一块集成电路。接着，光刻技术等相继发明l1961，德克萨斯公司同美空军合作，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16Wl1969，出现大规模集成电路l1970年代中期，出现一块硅片上包含十万个晶体管的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，构成一个整体材料与计算机移动存储器材料与计算机移动存储器Terbium(Tb)材料与计算机材料与计算机材料科学的发展是计算机飞速发展的基础材料科学的发展是计算机飞速发展的基础材料与信息材料与信息信息材料指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的材料 主要包括监测与获取(传感)信息、传输信息、存储信息、运算和处理信息的材料人类在步入信息时代的同时，也进入信息材料竞争的时代 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公司研制出CMOS(互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件)集成电路，研制出第一块门阵列(50门)1971，Intel推出1 kb动态随机存储器(DRAM)，标志着大规模集成电路出现 Intel公司推出全球第一个微处理器4004，采用MOS工艺1971，一个芯片上有3000个晶体管1978，64 kb DRAM诞生，不足0.5 cm2的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路出现1988，16 M DRAM问世，1 cm2的硅片上集成有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5 MHz 8088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高1倍制造大规模集成电路的主要材料是单晶硅片材料与信息材料与信息CMOS芯片除用于计算机外，还可制作其他各种电器如录相机、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的基础，一个国家在芯片技术方面的成就，决定着其整个战略产业、高技术产业方面的成就现在，从计算机芯片的工作原理中获得启发，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、药物开发、环境监测等材料与信息材料与信息集成电路体积小，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高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间大大提高材料与信息材料与信息100年前，美国科学家贝尔做过用光传输语言的实验1966，发现提高玻璃纯度可减少光传播过程中的损耗1970，康宁公司(美)用高纯石英玻璃制造出现代光导纤维，被誉为百年不遇的发明光纤比头发还细，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，整个世界的发展不会有今天这样快远程通信技术的发展与光导纤维密切相关材料与信息材料与信息从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空、航天器发生了巨变为了飞得快和远，就要采用强度高、比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重之比航空和航天器中铝、镁合金用量大随着航空技术的进一步发展，轻质、高比强度的钛合金、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的采用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兄弟1903年人类飞上天空 材料与航空技术材料与航空技术航空航天材料主要包括新型金属结构材料(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、新型复合材料还包括功能材料，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，也有少量阻尼合金等金属材料 材料与航空技术材料与航空技术结构材料的“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2014(LD10)的力学性能卫星发射，节省1kg重量将降低费用$20000，一次发射节约费用20%铝理论强度为铝理论强度为4.7GPa，当今高强铝合金的最高强度不超过，当今高强铝合金的最高强度不超过1GPaRelation between and 材料与航空技术材料与航空技术1948年，实现钛的工业化生产航空工业发展的需要，使钛工业以年均约8的增长速度发展目前，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、导弹和高速飞机的结构件中国60年代中期开始钛材的工业化生产，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，钛合金的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、襟翼滑轨等重要承力构件l钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达飞机结构重量的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)，钛占飞机结构重量的93%，号称“全钛”飞机航空发动机的推重比从46提高到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约翰肯尼迪航天中心(美国卡拉维纳尔角)，待升空的穿梭机应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料材料与航空技术材料与航空技术美国现役未来新式未来的新式航天飞机结构上采用单级火箭式全部回收利用的方案外壳材料使用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材料与建筑材料与建筑建筑材料可分为结构材料、装饰材料和某些专用材料结构材料包括木材、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括各种涂料、油漆、镀层、贴面、各色瓷砖、具有特殊效果的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、密封等的材料建筑材料长期承受风吹、日晒、雨淋、磨损、腐蚀等，性能会逐渐变化，建筑材料的合理选用至关重要，首先应当安全、经久耐用建筑材料用量很大，直接影响到工程的造价，通常建材费用占工程总造价的一半以上。因此，在考虑技术性能时，必须兼顾经济性中国传统的建筑以木结构建筑为主，西方的传统建筑以砖-石结构为主现代建筑以钢筋混凝土为主材料与建筑材料与建筑材料与交通材料与交通福特2000、西纳给2010，两款由材料工程师设计的汽车汽车用高强钢，比原先轻24%，而强度高34%汽车汽车汽车材料是汽车品质的基础汽车技术的发展在很大程度上依托于汽车材料的发展材料与交通材料与交通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，文森卓兰西亚发明承载式车身。车身由钢板冲压成型的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，轿车车身钢板采用镀锌薄钢板现代，汽车使用得最多的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，可达到与钢材同样的稳定性和安全性，大大提高汽车的灵敏性和操纵性 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：良好的抗腐蚀能力，广泛应用在汽车上低碳钢板：很好的塑性加工性能，能满足车身拼焊的要求高强度钢板：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汽车汽车铝合金 汽车上应用得最快最广的轻金属 满足重量轻、强度高、散热性好、耐腐蚀的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的要求铝圈是铝合金在车上的第二个应用广泛的领域。铝制车圈降低整车质量，可及时将制动器的热量散发出去，以免出现制动热衰退德国奥迪汽车公司1999推出奥迪A2，为世界第一款大批量生产的全铝轿车。该车车身采用全铝空间框架车身，是一种用于飞行器结构的高技术车身重量仅895kg，比传统钢制车身轻40%以上(150公斤)材料与交通材料与交通奥迪Al2全铝车身概念车(1997)1999奥迪A220世纪初，人们成功制取液氦，获得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，超导临界温度只提高了不到30K80年代末，超导临界温度提高到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90-100K的Y-Ba-O-Cu高温超导体2001，清华大学试制成功500m的高温超导带材，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起的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长的磁悬浮列车试验线，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实验车材料与国防现代化材料与国防现代化 B-2幽灵式轰炸机 战争表现出高技术的特点如，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，实行高密度精确打击美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，另一方面取决于材料设计在飞机对雷达波强反射的部位覆盖了吸波或反射波材料，它可是蒙皮外的涂料，也可是贴或镀上去的材料B-2飞机机身的涂覆物厚达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防弹衣的高技术化是各国军需装备发展的重点1901，威廉麦肯雷总统被暗杀，防弹衣引起美国国会的重视 当时的防弹衣可防低速(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，配以钢板制成的防弹衣 实际是钢制铠甲，重9 kg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的防弹背心1945，美军制成由铝合金、高强尼龙组合的防弹背心朝鲜战争中，美陆军：由12层防弹尼龙制成的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2.73.6 kg 材料与国防现代化材料与国防现代化 70年代初，美国杜邦公司制成超高强度、超高模量、耐高温的凯夫拉纤维 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种用18层尼龙和凯芙拉纤维制成的防弹衣，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的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，以提高整体防弹衣的防弹能力材料与国防现代化材料与国防现代化 材料与能源材料与能源能源工业和能源技术所使用的材料按使用目的，分为新能源材料、节能材料、储氢材料等新能源材料 包括增值堆用核材料(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 包括非晶体金属磁性材料(用作变压器铁芯的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 目前钠硫电池的比能量达137Wh/Kg，而铅蓄电池的比能量只有30W h/Kg 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、高温烧烧结结后后烧烧结结前前核能材料核能材料材料与能源材料与能源2006年9月，美金属杂志(Journal of Metals)发起评选材料科学与工程历史上“最伟大的材料事件最伟大的材料事件”(GreatestMaterialsMoments)活动。JOM由美国矿物、金属与材料学会(The Minerals,Metals&Materials Society)主办“最伟大的材料事件最伟大的材料事件”定义为：一项人类的观测或者介入，导致人类对材料行为的理解产生标志性进展的关键或决定性事件。它开辟了材料利用的新纪元，或者产生了由材料引发的社会经济重大变化评选出的50项“最伟大的材料事件最伟大的材料事件”清楚地展示，材料及其相关科学与技术的发展对人类文明与社会进步所做出的巨大贡献，以及材料科学与技术毋庸置疑的重要地位5050项项“最伟大的材料事件最伟大的材料事件”在在50项项“最伟大的材料事件最伟大的材料事件”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的发明新材料和新器