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1、材料工程/科学基础,材料的定义,材料科学/工程基础 序言,材料 Materials Webster编者“New International Dictionary（1971年）”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维等） 迈尔新百科全书中材料的含义：材料是从原材料中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。,材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的
2、里程碑和划时代的标志。材料和能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。而材料是能源与信息的载体。,材料科学/工程基础 序言,材料科学与工程及其与其他学科的关系,材料科学/工程基础 序言,人类历史阶段是根据使用材料划分,材料科学/工程基础 序言,人类历史阶段是根据使用材料划分的 1 石器时代 公元前10万年 2 青铜时代 公元前3000年 3 铁器时代 公元前1000年 4 水泥时代 公元0年 5 钢时代 1800年 6 硅时代 1950年 7 新材料时代 1990年,材料科学/工程基础 序言,石器时代,1人类文明起源于材料的使用 自然界中可经济地制造有作器件的物质叫材料 11 石器时代 人类在创
3、造石器中诞生，是人类对材料的最早使用 旧石器时代（300万年前到公元前1万年） 新石器时代（公元前1万年4000BC） 陶器的发明是材料制造技术上的一次重大突破 12 铜器时代铜石并用时代 早期对天然金属的使用一铜、金、陨铁 最早冶金 矿石炼铜是人类文化发展的重要里程碑,材料科学/工程基础 序言,旧石器时代,原始社会： 工具：石器、木器、骨器、草编等 生产力低下,材料科学/工程基础 序言,新石器时代,原始社会晚期到封建社会初期： 陶器（原始社会晚期）恩格斯：划时代,红陶绳纹碗，甘肃秦安大地湾1期遗址出土，高7厘米，口径17.8厘米：甘肃省博物馆藏,材料科学/工程基础 序言,2.青铜器时代（30
4、00BC1200BC）,青铜冶炼技术始于埃及和西亚，我国在夏、殷、西周时期发展达到很高水平,商代最重的青铜铸件司母戊鼎，重 875公斤（河南安阳殷墟出土）,材料科学/工程基础 序言,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,材料科学/工程基础 序言,春秋战国时期考工计青铜“六齐”学说 ： 六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐； 五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐； 四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐； 三分其金而锡居一，谓之大刃之齐； 五分其金而锡居二，谓之削杀之齐； 金锡半，谓之鉴燧之齐。,材料科学/工程基础 序言,战国初期曾侯乙编钟。整套64件，外加楚惠王赠的一件钟,总重2500公斤(湖北随县出土),材料科学/工程
5、基础 序言,曾侯乙尊盘。铸造精细，花纹复杂（湖北随州出土）,材料科学/工程基础 序言,商代四羊铜尊。采用分铸工艺铸成，结构复杂，花纹精美（湖南宁乡出土）,材料科学/工程基础 序言,春秋时期铸铜遗址的陶范（山西侯马出土）,材料科学/工程基础 序言,采矿技术,世界罕见的古代铜矿采区湖北铜绿山矿冶遗址,材料科学/工程基础 序言,3.铁器时代（1000BC）,春秋战国:大量使用铁器铸铁 西汉时期:炼钢技术，并传入欧洲 工业革命:物理学的发展及显微镜的出现，金属学理论成形，材料家族急剧扩大。,材料科学/工程基础 序言, 热加工技术 铁范、陶范使用 大型铸件 百炼钢 韧性铸铁、炼钢技术的应用，标志生产力的
6、重大进步，对当时和以后的农业、经济、军事的发展起重大作用。,中国已发现的最早的钢兵器春秋钢剑 （长沙出土）,材料科学/工程基础 序言,战国时期出现的用金属模制作铁范侯马兽头模,材料科学/工程基础 序言,宋代的大型铸件湖北当阳铁塔（七万六千六百斤）,材料科学/工程基础 序言,湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄,内部组织,材料科学/工程基础 序言,6.新材料,用高强度碳纤维复合材料作手臂骨骼，陶瓷作感知元件,外壳为高分子材料，液晶显示屏，轻盈漂亮,世界杯指定用球，由32片复合泡沫材料组成,材料科学/工程基础 序言,三大材料革命,1、产业革命后的钢铁大量消费 2、第二次世界大战后的塑料高速发展 3、现代化社
7、会的新材料革命,材料科学/工程基础 序言,材料科学/工程基础 序言,材料科学/工程基础 序言,材料科学的重要地位,核反应堆,材料科学/工程基础 序言,核工业(1942.核反应堆): 铀的浓缩:天然U中，U235占0.71%，99%以上为U238。原子弹: U235浓度90%。 关键是分离膜 (1)很薄。分离层厚度只有几个微米 (2)均匀微孔。孔径平均在0.005-0.01微米，也就是说1m2内约1013-1014个微孔。 (3)机械强度，承受一定的压差和振动。 (4)耐UF6腐蚀。 镍粉或氧化铅粉末。我国1966年研究成功。,核心技术之一,材料科学/工程基础 序言,宇航核心技术？ (1957,
8、卫星；1961宇宙飞船；1981航天飞机) 发动机涡轮盘的要求: 持久热强性 镍基ODS高温材料 飞机发动机叶片 定向凝固，单晶,摔得粉身碎骨的F16涡轮盘,材料科学/工程基础 序言,31,导弹头部的“保护神”,为什么导弹的命中率会那么高呢？原来，导弹的头部装有一个由敏感系统、测量系统、控制系统、执行机构等电子装置组成的制导系统，它可以精确地控制和修正导弹的飞行方向。 但导弹在大气中飞行，其头部因与空气摩擦而产生相当高的温度，因此在导弹的头部有一个流线型防护罩，用以保护装在其内的制导系统。 防护罩的要求：既要能让微波信号透过，又要抗高温,材料科学/工程基础 序言,32,微晶玻璃具有良好的成型性
9、，容易加工成尺寸精确、材质均匀的零件。它比重小，抗弯强度高，在短时间内可经受1200的高温考验。用它来制作防护罩，在导弹高速飞行时能辐射大量的热，从而降低工作温度。因此，微晶玻璃是一位名副其实的导弹头部的“保护神”。,材料科学/工程基础 序言,33,发汗材料,飞船、导弹在大气中飞行的时候，会强烈摩擦产生大量热量。如何散热？ 利用了仿生学的原理：让材料发汗 高熔点（30000C）的W作成多孔骨架，海绵状 高比热的Cu作为发汗剂，渗入W骨架中 通过Cu的气化带走热量,材料科学/工程基础 序言,卫星天线,钛-镍形状记忆合金制造的人造卫星天线,材料科学/工程基础 序言,35,卫星天线,形状记忆材料的出
10、现 1961年美国海军发现 人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。,形状记忆合金可以100恢复形状，并且反复变形500万次，也不会产生疲劳断裂,材料科学/工程基础 序言,36,形状记忆合金,美国航宇局先用镍钛合金在40以上制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很好） 再让天线冷却到28以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。 到达月球后，宇航员把变软的天线放在月
11、面上，借助于阳光照射或其他热源的烘烤使环境温度超过40，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开。,材料科学/工程基础 序言,磁悬浮列车 日本,1988,最快列车,速度517Km,平稳,安全。日本,德国试运行. 我国在浦东运营：37km，7min 关键之一:非晶软磁材料 金属结晶：快速冷凝RST(105-106 /s),材料科学/工程基础 序言,38,“醒目效应”,夜晚的高速公路：一只只橙红色的指示灯不断地闪亮在道路两侧，或醒目显示出前方即将到达的地点及所剩里程。 是不是有什么自动控制装置将那些指示灯和标志牌灯光熄灭了呢？不是。其实它们是一种定向反光膜。 这种定向反光膜能将射向它的光线直接反射回光源
12、处，你亮我也亮，使人们看起来好像它自己在发光一样。定向反射膜反射回来的光线十分集中，具有强烈的“醒目效应”。 定向反射膜是？ 玻璃微珠,材料科学/工程基础 序言,第一块透明陶瓷：Al2O3,材料科学/工程基础 序言,40,高压钠灯,钠蒸气放电可获得一种高效率的光源 普通白炽灯的发光效率只有10流明/瓦 高压汞灯的发光效率为5060流明/瓦 高压钠灯的发光效率高达110120流明/瓦。 问题是： 钠蒸气放电会产生超过1000的高温 钠非常活泼，有很强的腐蚀性，用玻璃制成的灯管无法耐受 希望：透明氧化铝陶瓷 熔点高达2050 可以通过95的光线。 高压钠灯平均寿命长达12万小时，比高压汞灯长2倍，
13、高过白炽灯10倍，是目前寿命最长的灯。,材料科学/工程基础 序言,氧化物陶瓷： 氧化镁、氧化钇、氧化铍、氧化钍 铝镁尖晶石（由氧化铝、氧化镁组成） 锆钛酸铅镧透明铁电陶瓷（由氧化锆、氧化钛、氧化铅、氧化镧组成） 非氧化物陶瓷： 氟化镁、氟化钙、氟化镧等透明陶瓷 透过红外线的陶瓷（透红外陶瓷） 硫化锌、硒化锌、碲化镉、砷化镓等,更多透明陶瓷,材料科学/工程基础 序言,能自动调光的护目镜,电弧焊时产生的电弧，最高温度达到60008000K，发出强烈的弧光 原子弹爆炸时，火球辐射的光能约30万亿焦耳，在3秒钟内骤然释放。 有一种锆钛酸铅镧透明铁电陶瓷，能透光，耐高温，耐腐蚀，强度高，还能把电、光、机
14、械变形等作用结合起来，具有电控光特征，故用它可制作存储、显示或开关用的光电器件。,材料科学/工程基础 序言,用这种铁电陶瓷和两块偏振片可组成具有夹层结构的护目镜，这种护目镜带有控制电路、电源和开关，用光敏二极管作为强闪光的接收元件。当接收元件测出周围的光强度超过危险值时，立即发出信号给控制电路，使镜片关闭，护目镜就自动迅速变暗；当危险光消失后，控制电路又自动加压到铁电陶瓷薄片上，使镜片达到最大的开启状态，即又回复到原来的明亮状态。 1976年，美国制成了PLZT核闪光护目镜，1977年正式装备部队，作为飞行员头盔上的护目镜。,材料科学/工程基础 序言,44,压电陶瓷,压电效应：某些材料在机械力
15、作用下产生变形，会引起表面带电；电变形 应用 能量转换：打火机、点火机、移动X光机电源、炮弹引爆装置 传感：声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器 驱动：精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程 频率控制：各种滤波器和谐振器,材料科学/工程基础 序言,45,压电打火机,只要用大拇指压一下打火机上的按钮，使一根钢柱在压电陶瓷上施加机械力，压电陶瓷即产生高电压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。 采用直径为2.5毫米，高度为4毫米的压电陶瓷，就可得到1020千伏的高电压。当压电陶瓷把机械能转换成电能放电时，陶瓷本身不会消耗，也几乎没有磨损，可以长久使用下去，所以，压电打火机使用方
16、便，安全可靠，寿命长。,材料科学/工程基础 序言,46,压电探鱼仪,探鱼仪是一种用来探测水下鱼群的声纳设备。它一般由声波发射部分、接收部分、记录装置、显示装置等组成。压电探鱼仪的声波发射部分和接收部分用压电陶瓷制成。 压电陶瓷在交变电场作用下，会产生伸缩振动，从而向水中发射声波。当交变电场的频率与压电陶瓷的固有频率相近从而产生共振时，它能发出很强的声波，传至上百千米外。声波在向前传播时遇到鱼群即被反射回来，压电陶瓷接收部分收到回波后，即将它变换成电信号，根据回波的强弱经过电路处理就可以判断是海底、礁石，还是鱼群，甚至可以判断鱼群的规模、种类、密集程度、方位和距离等，便于捕捞作业。,材料科学/工程基础 序言,47,压电地震仪,地震是常见的自然现象。全世界每年要发生几百万次地震，平均每分钟就有十几次。 地震发生的地方叫震源，震源一般在地壳内比较深的地方。从震源开始，震动不断向四面八方传播。震动是一种机械波，当地震仪中的压电陶瓷受到机械波的作用后，按照正压电效应，就会感应出一定强度的电信号，这些信号可以
