走进材料科学讲解

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1、 人和动物的本质区别? 人可以利用工具从事生产、生活，积累经验，创造财富，进而 制造更先进的工具 在制造工具时，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？ 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物质基础 材料是人类社会进步的主要标志 材料是人类社会进步的里程碑 在古代，材料首先用于统治阶级的生活、祭祀、战争 经验的积累，先进武器、精美祭器的需求，严酷的管理制度，促进了 新材料的应用 在现代，材料广泛用于大众的生活、生产 科学的知识体系，不断更新的制造业技术，追求高品质生活、高

2、性能 器具，是新材料发展的动力 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 材料划时代 材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础 和技术先导 在历史上，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，称其为石器时代、青铜器时代和铁 器时代 在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 人类文明进化时代是以材料的使用来划分的 从远古的石器时代，到铁器时代，再到如今的新材料时代，人 类社会先后经过了七个不同时代 公

3、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 以材料区分的七个时代 燧石：神奇的石头 石器时代 (Stone Age) BC 400,000 4,500 人类主要以石头、骨头、木制作简单的工具 陶器(Pottery) n 陶器的出现是人类跨入 新石器时代的重要标志 之一 n 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 石器时代 (Stone Age) BC 400,000 4,500 青铜时代(Bronze Age)BC 4,500 1,

4、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 埃及古墓壁画 是人类冶金业的最早纪录之一 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，时间跨度约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 夏钺(yu) 戈 三星堆 突目面具 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

5、1.72m，底座高0.9m， 通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像 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 实际上所说的铁器时代指是的早期阶段 最先使用铁器的是古埃及与苏美，BC 4000已极少量使用铁器，但大多铁 由陨石得到，而非由铁矿提取 BC 30002000，小亚细亚、埃及与美索不达米亚越来越多地由陨石提练铁，多 于礼仪 当时铁是极昂贵的金属，比金还要昂贵 有考古证据指出，铁是当时炼铜生成的副产品，称为海绵铁 对当时的冶练技术来说，不可能大量生产 世界上最早进入铁器时代的是西台帝国，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

6、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 美洲及大洋洲没有铁器时代，铁由欧洲人传入 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”就开始使用赤铁矿粉作为赭红色颜料，涂于 装饰品上或者随葬撒在尸体周围。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) 1972，河北北藁(go)城台西村商代(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世纪已出现了生铁制品 铁硬度高、熔点高，铁矿蕴含

7、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 水泥时代(Cement Age)0BC cement由拉丁文caementum发展而来，意为碎石、片石 2000年前，希腊和古罗马人在建筑中使用一种石灰和火 山灰的混合物，它们在水中缓慢反应生成坚硬的固体。 为最早应用的水泥 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，其中Al2O3、 SiO2含量之和达到2035%，称为 天然水泥 1824，英国用石灰石和粘土的混合物烧成一种水硬性 的胶凝材料，凝结硬固后的颜色、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

8、建厂生产 水泥生产工艺 以石灰石和粘土为主要原 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年，日本开始建造水泥厂 1889年，中国在唐山建造了第一座水泥厂 钢时代(Steel Age)1800 炼铁、炼钢的大工业生产分别于17世纪20年代、19世纪70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、美国的工业化需要大量钢铁，相继发展了转炉和平炉，生 铁和钢产量都迅速增长 1913，全世界生铁产量为8000万吨，钢产量7650万 19141950，发生两次世界大战、多次资本主义经济危机

9、，钢铁生产发展缓慢 1950，全世界生铁产量为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 硅时代(Silicon Age)1500 第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度低 ，不是单晶体 1950，制出第1只硅晶体管 1952，用直拉法培育硅单晶成功 1953，用无坩埚区域熔

10、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，用氢还原SiHCl3法进行工业生产，已具规模 硅整流器、硅闸流管问世，促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的 首位 1960年代，硅外延生长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 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 35 X 光18951913 18 雷 达19351940 5 原子堆

11、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 新材料时代 (New Material Age) 发射架上的长征三号运载火箭 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) 材料是科技进步的核心 建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程等 ，无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破 l 没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦 l 没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠

12、飞机旅行的今天 l 没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船 l 没有固体微电子电路，就没有计算机 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，促进了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 材料是科技进步的核心 材料与能源 p 能源材料是能源工业和能源技术所使用的材料，按使 用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等 p 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) p 节能材料包括非晶体金属磁性材料

13、(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) p 储氢材料(储氢电极合金材料)以及高比能电池(如钠硫 电池、镍氢电池、嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的 锂离子电池)等 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 烧结后 烧结前 材料与能源 核能材料 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，

14、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 不仅广泛应用在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等，同时广泛 的应用在军事、通讯、遥控等方面 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也大大提高 材

15、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，美国康宁公司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 光纤是一种比头发还细的高纯度玻璃丝，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、传输特别快(比铜缆快 72000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的问世 密切相关 材料与计算机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 l 电子管时代：第1代(1946-1958)，以电子管作为逻辑部件

16、 l 晶体管时代：第2代(1959-1964)，采用晶体管作为逻辑部件 l 小规模集成电路时代：第3代(1965-1970)，用集成电路作为 逻辑元件 l 大规模及超大规模集成电路时代：第4代(1971-1989)，大规 模集成电路应用于计算机，寄存器多，速度快 l 计算机科学时代：第5代，主要有智能型计算机、分布式计 算机系统、多媒体技术 材料与计算机 计算机经历：电子管 晶体管 集成电路时代 材料科学的发展是计算机飞速发展的基础 电子管 晶体管 集成电路 钨、钼电极锗、硅半导体 单晶硅片，高纯钛、SiO2、铬薄膜 电子管 电极材料：钨、钼 n16K内存器 三级电子管 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300 吨，用电相当于1个 小城市 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 l 1883，爱迪生在研制灯泡中发现爱迪生效应：把金属板与灯丝一起密封在灯 泡内