走近材料科学课件

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1、走近材料科学,1。综论：MSE的形成和特征 2。曼哈顿计划和核材料 3。20世纪的其他重要材料,1.1 20世纪是一个科学技术大发展 的世纪,40年代：核能的释放原子弹 40年代：半导体晶体管的出现信息产业 50年代：人造卫星上天航空和航天 60年代：激光的发明信息高速公路 70年代：新能源迎接未来挑战 50年代以后：生命科学从DNA走向克隆 都和材料相关,1.2 20世纪是材料突飞猛进的时代,比强度 磁能积 光损耗 集成度 临界温度 工作温度 切削速度,图1-1 材料强度密度比在不同年代的进展,图1-2 磁性材料 的最大磁能积在 不同年代的进展,图1-3 玻璃透光度的改进历史,图1-4 每片

2、集成电路上元件的数量按指数规律增加，而最小特征尺寸按指数规律减小,图1-5 超导材料的临界温度在不同时期的进展,图1-6 采用了现代材料，使发动机工作温度急剧上升,图1-7 各种切削刀具材料的切削速度的发展趋势,1.3 材料走进科学,受到基础科学的推进，科学深入发展的必然 从工艺变成科学 关键：材料的结构 MSE的四个要素 材料科学及工程的统观化,图1-9 材料科学与工程,经验,需要,图18 材料工艺,基础 科学,结构性质效能 加工,需要,图1-10 MSE对象的尺寸范围,10-16,10-12,10-8,10-4,100,104,cm,固体物理,材料科学,结构、工程,理,核物,图1-11 材

3、料科学与工程的四个要素,1.4 MSE发展中的动向,表现在教育上 表现在多学科性上 表现在大跨度的学科交叉上 研究应用生产（垂直交叉） 表现在学会活动上（MSE）,2.1 什么是曼哈顿计划,1939/8/2 爱因斯坦给罗斯福总统写信， 提请注意铀可能制成原子武器，防止德国走在前面。 1942/12 美国成立“Manhattan District Project”，决定大力制造U235、Pu239原子弹 1945/8/6 第一颗原子弹（铀）“小男孩”投放广岛；以后第二颗原子弹（钚）“胖子”投放长崎。,2.2 曼哈顿计划形成的背景,1903 Bacqurel Curie发现放射性（U、Ra，Po）

4、 1920 Rutherford预言中子的存在 1933 Szilard提出用0n1轰击原子核可产生链式反应 1938 Hahn发现热中子引起U235裂变 Fermi发现快中子辐射可以生成人工放射性元素 1939 Bohr论证天然元素中只有U235可热裂变 Frisch用电离室测出碎块，提出“fission” Fermi、Szilard观察到有多余中子可以增殖 Szilard写信给罗斯福,2.3 罗斯福收到信后的反应,成立Briggs委员会 10天后开会，遭到反对 只批准了6000研究U/石墨系统的中子行为，原因在于： 只知道U235可以热中子裂变 U238快中子裂变几率小，热中子嬗变需大量慢

5、化剂。 故无明确方案,2.4 日新月异的进展,1940/2 英国Bethe提出U235可以快裂变，估计只1kg就可以达到临界 1940/4/9 MAUD委员会制定分离U235计划，并研究快中子裂变 1940/4/29 Briggs仍不动声色，才下令拨给Teller的6千美金 1940/6 英国开始研究气体扩散法分离U235 1941/10/9 V.Bush奖英国MAUD委员会的U235快裂变研究进展上报罗斯福 1941/11/1 Compton拿到美国NAS支持U235可制成原子弹的可行性报告。NAS认为这具有重大意义 1942/8 陆军工程部成立“曼哈顿工程地区计划” 1942/12 Gro

6、ves决定采用气体扩散法制备U235材料,2.5 曼哈顿计划的核心,制备出足够多数量的U235裂变材料，做成部件，组装成原子武器 实现一个物理学的设想，可以说是一个“物理工程” 从39年到42年“基础研究”都是带有目标性的 当时（1942）Pu239刚刚发现，可以说物理上的一个发现，就带来材料研究和工程中的一个挑战，这对物理学家和材料科学及工程都是崭新的。,2.6 铀弹（小男孩）的原理和部件,要多少U235临界质量？多大威力？ 链式反应： 92U235+0n1F1+F2+2.50n1 +200MeV 裸球的临界质量大约是50kgU235 如外加反射层，这个数字可以小得多。 威力 1kgU235

7、=2.51023个核22.77106kwh 3000t煤的燃烧能20ktTNT 时间考虑 第一次（1代）反应10ns 1个核弹要60代：600ns 燃料总重：“小男孩”要64kg高加浓（89%）的U235,2.7 遵循的基本原则,点火之前，把64.1kgU保持在亚临界状态 把它们放在一起，达到临界质量，但避免中子打来。 把中子打入临界质量内，但要选择最佳的组合状态（即最大的超临界状态） 把这些质量尽量维持在一块，直到相当大的一部分已发生裂变 方案：炮式（最简单最保险）,图2-1 “小男孩”采用的炮式装置示意图,炮筒,U235,火炮,1.83米 450千克,钢壳,WC,U235,靶室,效率1.4

8、%,2.8 小男孩的组成部件,子弹头：一串（6个）由U235制成的圆饼10cm16cm长，共重25.6kg（占总重40%) 放在1/6吋厚的钢筒中，以待射击 靶筒：空心圆柱，16cm16cm长 炮：高射炮改装，弹速300m/s,2.9 制造U235的一个大难题气体扩散膜,从铀矿天然铀(U235=0.71%) 高浓U235铸件 最大的拦路虎是气体扩散膜 当时U235/U238分离，3种方法并行，气体扩散法 利用U235F6和U238F6两种气体速度的微小差别，通过一个多孔膜，将二者多级分离。 难度：很小的通孔（纳米级）、大小均匀、孔隙度大、耐两端压差、耐UF6强腐蚀，持久，面积大，K-25共30

9、24级，需162,000m2膜,图2-2 气体扩散分离法原理图,高压进气流,扩散膜,低压,低压,浓缩气流,贫化气流,2.10 三年过程,工程开始，Kellex和多伦比亚大学合作，多种方法 1943/5/31投建扩散厂，但1943/8还没有找到可用的扩散膜材料 1944/1 改换方法，工程延期 1944/6 Groves决定增强热扩散工程（Y-12） 1945/1 扩散分离管到达K-25工厂，1/20开始装料，1/25第一级开始运行，到4/25杜鲁门上任时，已有25kg的高浓U235在手。,2.11 膜一解决，一路畅通,1945/7/3 U235子弹头浇铸成功 1945/7/4 轮船将“小男孩”

10、和子弹头运出S.F. 1945/7/24 做好靶块 1945/7/26 将靶块用三架飞机从N.M.运出 1945/7/31 决定8/1空头，后因飓风推迟 1945/8/6 投放广岛，核时代降临此时距离做好最后一个U235部件只有13天离成功投入气体扩散膜只有8个月 小男孩当量只有10ktTNT，效率只有1.4%,2.12 “胖子”（钚弹）和材料,1941/2/26 Glen Seaborg、Wahl确证有一个94号元素，命名为钚，它是一个人工元素 92U238+0n192U239 Np239+ 94Pu239+ 1941/3/6 他们二人又证明可以快中子裂变 94Pu239+0n1F1+F2+

11、30n1 +200MeV 从人类第一次提炼出0.25g的94Pu239到投放钚弹，只经历了4年半的时间,2.13 面临的任务,要生产出大量的Pu239，为此在Hanford建立了一系列“生产堆”。 要设计试验出一种特有的武器装置：内爆法 要得到金属和合金钚，并把它按武器要求加工成特殊形状的部件。,图2-3 胖子的原理 ：c.m.1/2,V：3 c.m.,1 c.m. （次临界）,2 c.m. （次临界）,图2-4 内爆法示意图,2.14 代号Gadget（胖子的试验型),火药透镜系统 外半径65cm 助压/中子吸收壳外半径23cm 贫铀约束/反射壳外半径11.5cm Pu239芯体外半径4.5

12、cm 中子源Be球外半径1.0cm,图2-5 “胖子”核心部分构成示意图,Be中子 （点火源）,Pu239,U238,炸药,中子吸收壳 Al/B,Al-Cu硬铝,2.15 制造Pu的问题,生产堆铀棒：冶炼、轧制辐照生长 晶粒度、织构石墨U/Pu分离Pu的冶炼、加工 钚的性能和难题多型性保存,2.16 Pu的同素异晶相,2.17 U的同素异晶相, 661.1 768.8 L 1129.7 ：底心斜方 ：正方，在720时，a=10.76 c=5.66 ：体心立方，在772时，a=3.532,图2-6 铀棒的辐照生长,图2-7 铀单晶和U-Pu合金的辐照生长,图2-8 铀的同素异晶相,2.18 Pu

13、的历程,1942/12/1 Fermi完成CP-1 12/2 下午3:49 CP-1临界 1943/1 Groves在Hanford征地建厂 1943/9/20 Van Neuman访问Los Alamos提出内爆法的潜在可能 1943/11/4 Oak Ridge X-10堆临界，开始以g量生产Pu 1944/2 Hanford厂方建成，开建第一个堆 1944/9/26 Hanford堆第一次装料 1944/12/7 Hanford堆大规模生产 1944/12/26 Hanford开始分离U/Pu们 1945/2 Pu开始运向Los Alawos制造钚弹 1945/8/9 投向长崎，6kgP

14、u，22ktTNT，效率17%,2.19 曼哈顿计划的启示,它是一个物理工程计划，特别是一个材料的研制计划，开创了人类利用材料核性能的新纪元。 它充分体现和开创基础研究、工程技术研究和生产实施之间的紧密关系，从科学和工程的结合上树立了一个伟大的典范。 它对20世纪科学技术的格局产生了巨大和深远的影响。AEC、NSF以及一系列国家实验室的建立。 再先进、再高新的技术也离不开“传统”的材料。当年Duralumin、WC、Boral、多孔Ni都是新材料，包括所用的合金钢、炸药等，至今仍在发展和创新。 它打开了材料科学及工程的一个崭新领域，吸引着最优秀的人才。至今仍是国防的要害和无尽能源的希望，仍然吸

15、引着最优秀的人才，也许，它能早就人类未来的又一个“诺亚方舟”。,2.20 从裂变到聚变武器的材料,二次大战结束之后，不属于曼哈顿计划。 重氢（氘，写作D），氚（写作T） D+THe4+n+17.588MeV (1) （产生的中子能量为14.1MeV） D+DHe3+n+3.268MeV(2.45MeV) (2) D+DT+n+4.03MeV (3) He3+DHe4+n+18.34MeV (4) Li6+nT+He4+4.78MeV (5) Li7+nT+He4+2.74MeV (6),2.21 Teller-Ulam聚变装置,2.22 Teller-Ulam的工作原理与威力,Teller-U

16、lam的工作原理是两级原理，初级是一个裂变原子弹，第二级是聚变燃料。如果用U238作包围层，也可以认为是裂变-聚变-裂变三重反应。 迄今，最大的一次Teller-Ulam氢弹试验的当量达到50Mt，功率高达5.31024瓦，这是整个太阳的功率的1%还多。,2.23 Teller-Ulam所用的基本材料,外壳：用钢、铝、塑料等。 初级：用裂变材料作扳手，主要是Pu239。 辐射屏：重材料，高原子序数，如U、W；其中还可能含有B以吸收中子。 辐射盒，如Pb、U、W等。 辐射通道：是外壳和铀制助压/约束层之间的间隙，用泡沫塑料（如聚苯乙烯）填充。 助压/约束层：作用和“胖子”中的部件相似，也是用天然铀或贫铀（U238）、高浓缩铀（HEU）、W、Pb等做成。 聚变材料：一般使用氘化锂（Li6D），或天然的LiD，或液态。 火花塞：可裂变的高浓缩铀（HEU）或Pu。,2.24 核动力反应堆和材料,20世纪