1、材料與社會,主講教師： 時 間：,第二章新材料與社會進(jìn)步,2.1材料與軍事裝備,1.材料的定義 我們生活的周圍到處都是材料，那么究竟什么是材料？我們知道材料是宇宙萬物中的一部分，但更具體地說材料是人類用以制成生活和生產(chǎn)中的物品、器件、構(gòu)建、機(jī)器等一些產(chǎn)品的物質(zhì)。 簡單地說，材料是人類可用來制造有用器件的物質(zhì)。,1.1材料與物質(zhì),生活中常見的材料,生活中經(jīng)?？匆姷牟牧习ǎ航饘?、陶瓷、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、聚合物、木材、玻璃、陶瓷等，在古代人們把石頭也作為制造工具的一種材料。,2.材料與物質(zhì)的區(qū)別 材料是物質(zhì)，但不是所有的物質(zhì)都可以成為材料。 例如：燃料和化學(xué)原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥物等。但是關(guān)于材

2、料的定義并不那么嚴(yán)格，炸藥、固體火箭推進(jìn)劑也被稱之為“含能材料”。,材料和物質(zhì)是兩個既緊密聯(lián)系又涵義不同的概念。材料總是和一定的應(yīng)用場合聯(lián)系起來，可以由一種或若干種物質(zhì)構(gòu)成，同一種物質(zhì)通過不同的加工/制備方法又可以成為不同的物質(zhì)。 例如： 木頭： 家具 聚丙烯： 纖維材料 紙 塑料,1.2材料與社會的發(fā)展史,1.材料是社會進(jìn)步的標(biāo)志 材料的領(lǐng)域是龐大和多樣的，并且與人類的生活和社會的進(jìn)步密不可分。是人類一切生產(chǎn)和生活活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生產(chǎn)力的標(biāo)志是社會進(jìn)步的標(biāo)志。 從人類發(fā)展的歷史證明，人類對材料的認(rèn)識和利用能力，決定了社會形態(tài)和人類生活的質(zhì)量。一種新材料的出現(xiàn)，常常引起生產(chǎn)力的大發(fā)展進(jìn)而推動

3、社會的進(jìn)步。,依據(jù)材料劃分的時代史,從遠(yuǎn)古的石器時代，到鐵器時代，再到如今的新材料時代，人類社會先后經(jīng)過了七個不同時代。,石器時代,人類主要以石頭、骨頭、木制作簡單的工具,燧石：神奇的石頭,青銅：第一種合金 古稱金或吉金，是紅銅與其它元素(錫、鎳、鉛、磷等)的合金 中國青銅時代大致對應(yīng)夏商周至秦漢，時間跨度約2000年 春秋戰(zhàn)國時期，齊國工匠寫成考工記，提出金有六齊，是世界科技史上最早的冶銅經(jīng)驗(yàn)總結(jié),青銅器時代,越王勾踐寶劍(湖北江陵楚墓出土) 注意劍紋,鐵器時代,鐵器時代與之前時代的主要區(qū)別在于，農(nóng)業(yè)發(fā)展、宗教信仰與文化模式 最先使用鐵器的是古埃及與蘇美，BC 4000已極少量使用鐵器，但大

4、多鐵由隕石得到，而非由鐵礦提取 BC 30002000，小亞細(xì)亞、埃及與美索不達(dá)米亞越來越多地由隕石提練鐵，多于禮儀 當(dāng)時鐵是極昂貴的金屬，比金還要昂貴 有考古證據(jù)指出，鐵是當(dāng)時煉銅生成的副產(chǎn)品，稱為海綿鐵 對當(dāng)時的冶練技術(shù)來說，不可能大量生產(chǎn) 世界上最早進(jìn)入鐵器時代的是西臺帝國，約BC 1400掌握了冶鐵技術(shù) BC1200，中東各地廣泛運(yùn)用鐵，但并未取代青銅的主導(dǎo)地位 BC 1000，歐洲出現(xiàn)鐵制工具，可能是由小亞細(xì)亞西傳而來 BC 800，尼德蘭出現(xiàn)鐵制工具 美洲及大洋洲沒有鐵器時代，鐵由歐洲人傳入,中國是世界上利用鐵最早的國家之一 19000年前，周口店“山頂洞人”就開始使用赤鐵礦粉作為

5、赭紅色顏料，涂于裝飾品上或者隨葬撒在尸體周圍。為天然礦物顏料利用的開端 新石器時代(距今100004000) 興起制陶業(yè)，發(fā)明繪制各種風(fēng)格的彩陶。繪制赭紅色彩陶的原料就是赭石(赤鐵礦) 1972，河北北藁(go)城臺西村商代(BC 13世紀(jì))中期遺址出土鐵刃青銅鉞。刃部是隕鐵加熱鍛造而成 中國在BC 6世紀(jì)已出現(xiàn)了生鐵制品,人類使用鐵來制造工具和武器,戰(zhàn)國鐵犁頭,戰(zhàn)國鐵鋤,戰(zhàn)國凹形鐵鋤 (長沙砂子塘),三星堆 三星堆立人像鑄于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青銅立人像。 突目面具 商代晚期，64.5cm，寬138cm，眼球柱狀外突長達(dá)13.5cm,水泥時代

6、,cement由拉丁文caementum發(fā)展而來，意為碎石、片石 2000年前，希臘和古羅馬人在建筑中使用一種石灰和火山灰的混合物，它們在水中緩慢反應(yīng)生成堅(jiān)硬的固體。為最早應(yīng)用的水泥 19世紀(jì)初，英、法等將粘土化石灰(或泥灰?guī)r)燒結(jié)成為水硬性材料，其中Al2O3、 SiO2含量之和達(dá)到2035%，稱為天然水泥 1824，英國用石灰石和粘土的混合物燒成一種水硬性的膠凝材料，凝結(jié)硬固后的顏色、外觀和當(dāng)時英國用于建筑的優(yōu)質(zhì)波特蘭石頭相似，故稱為波特蘭水泥 1825，波特蘭水泥在英國建廠生產(chǎn) 1871年，日本開始建造水泥廠 1889年，中國在唐山建造了第一座水泥廠,以石灰石和粘土為主要原料，經(jīng)破碎、配

7、料、磨細(xì)制成生料，喂入水泥窯中煅燒成熟料，加入適量石膏，磨細(xì)而成,水泥生產(chǎn)工藝,鋼時代,煉鐵、煉鋼的大工業(yè)生產(chǎn)分別于17世紀(jì)20年代、19世紀(jì)70年代 最先在英國發(fā)展起來 1875，全世界生鐵產(chǎn)量為1400萬噸，鋼產(chǎn)量190萬噸 18751913，西歐、美國的工業(yè)化需要大量鋼鐵，相繼發(fā)展了轉(zhuǎn)爐和平爐，生鐵和鋼產(chǎn)量都迅速增長 1913，全世界生鐵產(chǎn)量為8000萬噸，鋼產(chǎn)量7650萬 19141950，發(fā)生兩次世界大戰(zhàn)、多次資本主義經(jīng)濟(jì)危機(jī)，鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展緩慢 1950，全世界生鐵產(chǎn)量為1.30億噸，鋼產(chǎn)量1.89億噸 19501974，發(fā)展了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼和連續(xù)鑄鋼技術(shù)、帶鋼熱連軋機(jī)和冷連軋機(jī)(

8、技術(shù)進(jìn)步)，鋼鐵生產(chǎn)能力提高 1974，全世界生鐵產(chǎn)量為5.05億噸，鋼產(chǎn)量7.10億噸 1973，開始石油調(diào)價和世界性的經(jīng)濟(jì)蕭條，鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展轉(zhuǎn)慢 1979，世界生鐵和鋼的產(chǎn)量創(chuàng)造新的紀(jì)錄，分別達(dá)5.29億噸和7.47億噸,硅時代,第二次世界大戰(zhàn)中，開始用硅制作雷達(dá)的高頻晶體檢波器。所用的硅純度低，不是單晶體 1950，制出第1只硅晶體管 1952，用直拉法培育硅單晶成功 1953，用無坩堝區(qū)域熔化法拉制單晶 1955，采用Zn還原SiCl4法生產(chǎn)純硅，但不能滿足制造晶體管的要求 1956，氫還原SiHCl3法 1960，用氫還原SiHCl3法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，已具規(guī)模 硅整流器、硅閘流管問世，

9、促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導(dǎo)體材料的首位 1960年代，硅外延生長單晶技術(shù)和硅平面工藝 硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟，集成電路迅速發(fā)展 1980年代初，全世界多晶硅產(chǎn)量達(dá)2500噸,沒有半導(dǎo)體單晶硅材料，便不可能有今天的微電子工業(yè) 有了低損耗的光導(dǎo)纖維，當(dāng)今世界蓬勃發(fā)展的通訊才得以實(shí)現(xiàn)。,新材料時代 (New Material Age),材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志之一 (新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)) 材料是科技進(jìn)步的核心 建筑、交通、能源、計(jì)算機(jī)、通信、多媒體、生物醫(yī)學(xué)工程等，無一不依賴材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展來實(shí)現(xiàn)和突破 沒有鋼鐵材料，就沒有今天的高樓大廈 沒有專門為噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)

10、計(jì)的材料，就沒有靠飛機(jī)旅行的今天 沒有耐高溫復(fù)合涂層材料，就沒有人類探索外空的飛船 沒有固體微電子電路，就沒有計(jì)算機(jī),材料的應(yīng)用,鋁合金的 主要應(yīng)用領(lǐng)域,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史，就是材料發(fā)現(xiàn)、運(yùn)用的發(fā)展史,科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)時間、產(chǎn)業(yè)化時間的對照,1.3材料的發(fā)展趨勢,材料是社會進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)起著關(guān)鍵的支撐作用。新材料是高技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分，與信息、生命、能源并稱為現(xiàn)代文明和社會發(fā)展的四大支柱。加強(qiáng)新材料的開發(fā)，對推動高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代和增強(qiáng)綜合國力，具有重要的意義。,從社會進(jìn)步的發(fā)展史可以看到，近代世界已經(jīng)經(jīng)歷了兩次工業(yè)革命都是以新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用為先導(dǎo)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，為18世紀(jì)以蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用為代表的第一次世界革命奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)以來，以電子技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用為第二次世界革命，硅單晶材料起著起著先導(dǎo)和核心作用。隨著激光材料和光導(dǎo)纖維的問世，人類社會步入了信息時代。由此決定了材料發(fā)展的必然趨勢。,1.功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向發(fā)展 2.結(jié)構(gòu)材料向高性能化、復(fù)合化、功能化和低成本方向發(fā)展 3.薄膜