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1、材料与冶金工程学院 胡劲人类文明社会的先导-新材料一、材料的发展史，就是人类社会的发展史二、材料的发展史，就是科学技术的发展史第一、二讲材料与冶金工程学院 胡劲人类的三次工业革命v蒸气机、内燃机的发展和完善，使人类从 农业社会进入工业社会第一次工业革命 ； v电力、石油和自动生产线第二次工业 革命； v电脑、电信革命，信息时代、知识经济时 代第三次工业革命。物质世界的美丽 简洁性 描述经验资料，具有最少量的定义和独立 假设的模型最好的理论； “遥望”从整体上把握万物，星星繁多， 却个个清晰，万里长城（单块石头）； 质点、刚体、黑体、谐振子、理想气体等 ，小到原子大到太阳可以有同一名称 质点。对
2、称性 对称、平衡、和谐是人类共同的审美心态； 古罗马的建筑、中国的宫殿、周易中的阴阳 、八卦； 作用力与反作用力、正负电荷、S极N极、电流周 围的磁场及变化磁场周围的电场、杨振宁和李政 道的宇称守恒。 普遍性 “112”数学抽象，“1头牛2头牛 3头牛；1个原子2个原子3个原子” ； 0、1、2所包含的的哲学思想； 普朗克在瑞利和维恩定律后，为追求二者 的统一，引出普朗克常数。稳定感 人类审美心态的又一要素表现了对封闭、 独立系统的向往； 联合国宪章规定了一百多个国家的边界不可侵 犯；互不干涉内政也体现了这种心态； 整个宇宙（有限）中，质量(能量)守恒、电荷 守恒； 二千多年前孔子望着川流不息
3、的江河感慨：“ 逝者如斯夫，不舍昼夜” 。 人们渴望永恒，真空中的光速、普朗克常数、电子电荷、阿伏加德罗常数等等。 延伸性 “落霞与孤骛齐飞，秋水共长天一色”唐代王勃把视野 引向无穷、无尽、无限和无数。 仿佛看到在一块无限大平板上，放着一个刚球，伽利略 一推，刚球保持初速直线前进，向前，向前，直到无边 否定亚力斯多德的经验结论。 材料科学与高素质人才h提高科学素质和能力以适应高新技术h市场经济的发展b现代工业技术工程师类型 i工程科学家型 i革新发明家型 i现场工程专家型 i管理规划专家型要求良好的科学素质要求良好的科学素质! !什么是材料(materials)?Materials is th
4、e stuff from which a thing is made for using.材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有 用物品的物质。天然材料人工材料人工材料材料与冶金工程学院 胡劲材料的分类 用途：结构材料（受力，承载） 功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等）物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料 属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料 材料与冶金工程学院 胡劲发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，. ） 新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, .）The broad
5、field of materials science and engineering seeks to explain and control one or more of the four basic elements:1. The structure and composition of a material, including the type of atoms and their arrangement as viewed over the range of length scales (nano-, meso-, micro-, macro-scale). 2. The synth
6、esis and processing by which the particular arrangement of atoms achieved. 3. The properties of the material resulting from the atoms and their arrangement, that make material interesting or useful. 4. The performance of the material, that is, the measurement of its usefulness in actual conditions,
7、taking account of economic and social costs and benefits.Man made materialsMaterials Science and Engineering材料与冶金工程学院 胡劲一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。人类历史的划分 石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。现代社会 三 大 支 柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技术和新材料Aluminum in 19th century.Computer材料与冶金工程学院 胡劲* 航空航天的物质基础 三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度)b(MPa) 0.2(M
8、Pa) (%)382 310 6 488 478 12360 280 4 482 472 9 330 250 2 440 290 6纵向横向高鍛铝2014（LD10）的力学性能卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用20%。铝的理论强度为4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。Fig. 1. Relation between and . 材料与冶金工程学院 胡劲铝合金的 主要应用领域战机舰船导弹火箭人造 卫星战车高速列车汽车高层 建筑材料与冶金工程学院 胡劲f导弹头罩窗口窗口材料：窗口材料：蓝宝石蓝宝石金刚石金刚石ZnSZnS/ /金刚石金刚石材
9、料与冶金工程学院 胡劲导弹的眼睛 窗口材料（ZnS, ZnSe, Al2O3, diamond, ）二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。 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19391942 3半导体19481951 3 激光19581960 2表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷材料与冶金工程学院 胡劲1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.)2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669）3）数学理论计算4
10、）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）1、古代中国：“日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（老子）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（国语正语）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”（易经）人类对材料微观结构认识的发展过程材料与冶金工程学院 胡劲2、Europe: Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.)5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, eart
11、h, water, ether) which were used for describing every thing in the world.Fire - tetrahedronAir - octahedronEther - dodecahedronEarth - cubeWater - icosahedron材料与冶金工程学院 胡劲介 观 宏 观 晶体的结构与形状晶体的结构晶体的形状材料与冶金工程学院 胡劲Morphology of PbS crystal with NaCl structure材料与冶金工程学院 胡劲材料与冶金工程学院 胡劲Morphology of Diamond S
12、now flake1 mm60SOURCE: W. Bentley *1915s, *1987s.电子显微镜（SEM、TEM）扫描探针显微术*（STM、AFM）材料与冶金工程学院 胡劲ABAABCAATOMIC PACKING材料与冶金工程学院 胡劲Packing mode 1 (ABCABC)材料与冶金工程学院 胡劲Packing mode 2 (ABCABC)材料与冶金工程学院 胡劲Packing mode 3 (AaBbCcAaBbCc)材料与冶金工程学院 胡劲abcagb单胞晶系单胞特征Bravais点阵三斜abc, 简单三斜 abg90单斜abc, 简单单斜 ag 90=b底心单斜正
13、交abc, 简单正交，底心正交 a=b=g=90 体心正交，面心正交三角a=b=c, 简单三角 a=b=g12090, 60四方a=bc, 简单四方 a=b=g=90 体心四方六角a=b, 六角 b=g=90, a=120立方a=b=c, 简单立方，体心立方 a=b=g=90面心立方七大晶系、14种Bravais点阵材料与冶金工程学院 胡劲The structures and symmetry of 2D and 3D crystals2D3DBravais lattice 514Point group* 1032Space group* 17230* (加多林), 1869. * (费多罗夫
14、), 1890, Schoenflies (熊夫利), 1891.材料与冶金工程学院 胡劲量子力学：波粒二象性“物理学最美的实验”一箭双雕“慕尼黑事件”科学史上的大事 1912年，Laue, Friedrich, Knipping,ZnS 的劳厄衍射照片显示其四重对称轴显示其三重对称轴光的波动性X射线光谱学晶体微观周期性结构固体物理材料与冶金工程学院 胡劲P. EwaldqqoPRX-ray Diffraction (Bragg condition) qq2dsinq = lddl/2dsinql材料与冶金工程学院 胡劲晶体的微观周期性结构 电子在周期势场中的运动量子力学 Schrdinger
15、方程 能 带 理 论 固体半导体理论2 + U(r)ihth 2 晶体点阵中的缺陷 金属材料强化理论 位错在晶体中运动 晶体的宏观 几何形貌晶体生长理论表 面 组 装 材料与冶金工程学院 胡劲ABAcGraphiteABCcd0DiamondABAcLonsdaleitCrystalline Structures of CarbonFullerenes (C60)材料与冶金工程学院 胡劲A Fuller dome built for the Union Tank Car Company in Baton Rouge, Louisiana (Oct. 1958) Buckerminster Fuller - an American architect 材料与冶金工程学院 胡劲The time-of-flight mass spectrum annotated by KrotoAccident discoveryC60材料与冶金工程学院 胡劲Bob CurlSean OBrienRick SmalleyHarry KrotoJim HeathThe ultimate five-a-side soccer team材料与冶金工程学院 胡劲Flat sandwich structure for C60. Willi
