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1、P.1/85,材料-人类社会进步的里程碑,江苏省江阴市山观中学 陈海荣,P.2/85,什么是材料？,什么是材料,P.3/85,材料 是人类生产和生活所必须的物质基础。,什么是材料,P.4/85,石器时代 青铜时代 铁器时代,材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。,什么是材料,P.5/85,人类社会的进步与发展、人类文明的推进与材料技术的发展有着密切的关系。材料被看做人类文明发展的里程碑，材料在人类社会的进步与发展中起着无可替代的巨大作用。每一种新材料的发现和使用，都会对社会经济、工业生产、国防事业产生重大影响，甚至根本改变传统的生产和生活方式。,什么
2、是材料,P.6/85,材料的发展史 1) 石器材料-对自然界天然物质作简单的打、磨加工 陶器材料-人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点,材料的发展史,2) 青铜、铁器材料-加工、冶炼技术和工艺的改进,3) 20世纪末主要的新材料-塑料、合成橡胶、化纤等各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、叠层复合等新型复合材料。,4) 第四代、第五代材料-纳米材料、超晶格膜、超纯材料等“极限材料”和“分子设计”材料等。,P.7/85,材料的种类,复合
3、材料,材料的种类,P.8/85,一、陶瓷,陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料进行加工制造而成的材料，是我国古代劳动人民的重大发明之一。大约8000年以前，住在我国黄河流域的先民们已经使用陶瓷，继而在宋、元时代发展到了很高水平。当时，瓷器作为中华文明的象征，大量运往欧洲各地，欧洲人一向视中国陶瓷为无价之宝，所以，欧洲人把瓷器叫做“China”。久而久之，“China”成了中国的英文名称。,陶 瓷,一、,P.9/85,传统陶瓷 又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。 特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨
4、零件。,一、陶瓷,陶 瓷,一、,P.10/85,传统陶瓷是以粘土、石英、长石为主要原料，进行研磨、加水调成泥状，再制成坯子，待干燥后，经高温烧制而成的制品的总称。陶瓷包括陶器、瓷器等。瓷器比较精致，表面光滑美观、明亮、不渗水，不透气。陶器质地比瓷器粗糙，器壁较厚，结实耐用，价格便宜。,陶 瓷,一、,1传统陶瓷,P.11/85,传统陶瓷的生产工艺大致相同，主要工序是泥料制备、成型、干燥、上釉和烧结。,陶 瓷,一、,P.12/85,2两种特种陶瓷,（1）韧性陶瓷 将纤维均匀地分布于陶瓷原料中，可以极大提高陶瓷的强度和韧性。如钨丝补强氮化硅陶瓷，在1300下的机械冲击强度可提高9倍。若以钽丝补强，则
5、可提高30倍。韧性陶瓷由于其强度大、硬度高、耐高温、耐化学腐蚀等优越的性能在工业生产上有着重要的用途。,（2）压电陶瓷 压电陶瓷是一种能使电能和机械能相互转换的特殊陶瓷材料。如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差，反之施加电压，则产生机械应力。如果压力是高频振动，则产生高频电流；而高频电信号加在压电陶瓷上，则产生高频声信号，即超声波信号。,例如：现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用1
6、00万次以上。,陶 瓷,一、,P.13/85,二、金属材料,优点: 高韧性，延展性好，强度高，导电性好。,发展: 初期：铁和铜 20世纪初：钢以及以硬铝为首的铝合金 20世纪50年代起：出现只有钢一半重、耐热性比钢好而强度不低于钢的钛合金。 现在：主要仍是钢、铝合金、钛合金，并性能提高 发展：超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等。,P.14/85,传统金属,铜是继陶瓷之后的第二种人造材料，在自然界中纯铜很少，常见的铜矿石是孔雀石，由于其色如孔雀开屏时的尾巴而得名，孔雀石放在炉内加热很易制得铜。此外还有黄铜矿、辉铜矿等。 由于纯铜比较柔软
7、，虽容易加工，但做工具或武器其硬度却不够。后来人们在其中加入一定比例的锡或铅而熔铸成了硬度较大、韧性更强的铜的合金，由于其显青色，故称为青铜。早在4500年前，我国就会冶炼青铜来铸造器物了，在殷商时期，达到了相当高的水平。保存在中国历史博物馆内的商鼎“司母戊”，高135.6cm，长115.3cm，宽 79.4cm，重875kg，是世界同时代青铜器中最重的。 1965年12月，我国在湖北一座楚墓中发掘出两把宝剑，其中一把刻有“越王勾践，自作用剑”的青铜剑，出土后依然光彩照人，毫无锈蚀之迹。当试验者把剑轻轻一挥，竟将19层叠在一起的白纸斩断。这把剑在国外展出时，引起了很大的轰动。,铜,司母戊大方鼎
8、,越王勾践剑,P.15/85,传统金属,人类最早发现的铁，是从天上掉下来的“陨铁”，在各个文明古国中发现的最早铁器都是用陨铁制成的。虽然陨铁很少，却为人类认识铁打开了大门。 到公元前1000年，人们开始掌握炼铁技术，当时冶炼的铁主要用来制作武器，后来逐渐扩散到社会生产的各个领域，由于铁价廉，因此逐渐代替了被富有阶层所独占的青铜。虽然人类冶炼材料的纪元开始于青铜，但从对世界文明史的影响来看，铁的影响要大得多。可以说有了铁，人类才开始真正使用了金属。在铁器时代耕作者的锄和犁逐渐使用铁制品，各种工具如凿子、钻、锤、锥等也开始用铁制品，生产和生活条件大为改善，生产力水平显著提高。,铁,P.16/85,
9、传统金属,铝是地壳中含量最多的金属元素，它占地壳总质量的7.51，比铁几乎多1倍，是铜的近千倍。但由于铝的性质活泼，同氧结合紧密，冶炼困难，因此，人类发现和利用铝比较迟。在1845年，德国化学家维勒经过17年的不懈努力，才制得一粒别针大小的铝。据说，法国拿破仑三世举行宫廷宴会，来宾用的是金餐具，而唯独他用的是铝餐具，使宾客们羡慕不已。因为当时铝极稀少，价格远高于黄金。直到19世纪八十年代，铝仍然是一种有珠宝价值的珍贵金属。1889年俄国著名化学家门捷列夫到伦敦讲学，伦敦化学会送给他的贵重礼物就是铝合金制的花瓶和杯子。,铝,如今早已飞入寻常百姓家的铝制器具,P.17/85,传统金属,到19世纪末
10、，当科学家研究出现代铝的生产方法电解氧化铝后，铝的产量剧增，价格也逐渐下降。到20世纪初珠宝商人已失去对铝的兴趣，但铝却受到了整个工业界的青睐。由于铝合金具有密度小、硬度大、强度高、导电导热性好等优点，被广泛用于航空、化工、交通、建筑、国防等工业，家庭日用品中也日渐常见，逐渐成为继铁之后又一对人类发展产生重大影响的金属。从1919年开始，铝合金就开始用于飞机制造，此后铝和航空事业紧紧连在一起，因此有人把铝誉为“带翼的金属”。,P.18/85,新型金属,超塑金属,某些坚固的金属进行特定的高温处理或添加某些元素，就可以使它们变得象“软糖”或“粘糕”样，只用很小的力，就能把它们拉长几十倍、几百倍、甚
11、至几千倍，随你加工成什么形状。人们形象地把这类金属称为“超塑金属”。例如，纯镍、铁镍铬合金、钛合金等。,超塑合金槽筒,介绍几种新型金属,P.19/85,记忆合金 是具有形状记忆效应的合金，被广泛用于做人造卫星和宇宙飞船的天线，水暖系统、防火门和电路断电的自动控制开关，以及牙齿矫正等医疗材料。,用钛-镍形状记忆合金制成的人造卫星天线,新型金属,P.20/85,新型金属,记忆合金最早是美国海军军械局一个研究小组在一个偶然机会中发现的。20世纪60年代初的某一天，这个研究小组人员从仓库领来一批乱如麻丝的镍钛合金丝，花了许多时间把它们一根根弄直，并顺手把它们堆放在护边，可是不一会儿却又恢复到原先弯曲的
12、形状。这个偶然的现象引了研究人员的高度兴趣，开展了反复的实验研究，最后终于发现是50的镍和50钛制成的合金。这种合金当温度升高到40以上时，能记住自己原来的形状，科学家们把这种现象叫做“形状记忆效应”。后来经过许多科学家的努力又发现了铜锌铝合金、铜镍铝合金、铁铂合金等也具有“形状记忆效应”。,记忆合金,形状记忆合金是材料家族中的一个后起之秀，由于它的奇特性能，人们已经给它派了一些特殊用场。如航天器上体积较大的天线、新型发动机,P.21/85,钛 被誉为“21世纪金属”，它具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、机械性能好等。尤其是抗腐蚀性能非常好，即使把钛制品放在海水中数年，
13、取出后仍光亮如新，其抗腐蚀性能远远优于不锈钢，因此钛和钛合金被广泛用于火箭、导弹、航天飞机、船舶、化工和医疗设备等。科学家预言：21世纪，金属钛将是冶金工业的最重要产品！,新型金属,P.22/85,纳米材料是20世纪80年代中期发展起来的一种新型材料。1nm是1m的十亿分之一，一个基本的碳纳米管只有1.4nm，因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和21世纪新材料。 纳米材料的起源是一个叫格莱特的德国科学家在澳大利亚的大沙漠上旅游中的联想。那是1980年的一天，当时他独自驾车横穿沙漠，空旷、寂寞和孤独的环境使他的思维特别活跃和敏锐。他长时间从事晶体的研究，知道晶体微粒大小对材料性能有极大影响。
14、他想，如果组成材料的晶粒细到只有几个纳米那么大，材料将会是什么样子呢？这个想法令他兴奋不已，回国后立即开始实验，经过近4年的努力，终于在1984得到了几个纳米大的超细粉末。而且他发现任何材料都可制成纳米大小的细微粉末，且性能发生了很大的变化，不管原来是什么颜色，现在都变为黑色，熔点也显著降低。,三 纳米材料,P.23/85,纳米技术，包括两部分： 纳米工艺 用以隔离、定位及控制原子 显微技术 把原子一个接一个按各种稳定的模式组装起来，从一个小零件直到个整体结构。,1959年美国著名物理学家费曼在美国物理学会年会上曾发表了一篇题为在末端处有足够的空间的讲演,他预言: 人类一旦掌握了对原子逐一实行
15、控制的技术后，能按自己的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了。 只要按化学家的要求把原子放在指定的位置，所需的物质就能制造出来。,纳米技术,什么是纳米技术,P.24/85,1959年费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为规律所允许的，他说：,据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何规律，从原则上讲它是能够做到的。,什么是纳米技术,P.25/85,扫描隧道显微镜观察实例,扫描隧道显微镜,P.26/85,现在，纳米技术已引起了一大批科学家的着迷，也引起了各国政府的高度重视。美国自1991年起把纳米技术列入“政府关键技术”，美国国防部每年为此拨款3500万美
16、元；日本从1995年开始实施为期10年的纳米技术研究计划，并将它作为必须开发的四大基础科学技术项目之一；澳大利亚于1993年已将纳米技术列为21世纪最优先开发的项目。 我国对纳米技术的研究也相当重视，且在世界上进入先进行列，1993年中国科学院研究人员通过操纵移走原子成功写出“中国”两字，是世界上第二个成功进行这方面实验的国家；2000年中国科学院研究人员又首先发现了纳米材料的新特性超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”。,P.27/85,纳米材料（nano material） 纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子。 当人们将宏观物质细分成超微颗粒（纳米级）后，惊奇发现物质将显示出许多奇异的特性，比如它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。,基本概念,P.28/85,2.纳米材料及其特性,1nm=10-9m，即1毫微米，十
