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1、材 料 科 学 导 论 Introduction of Materials Science,材 料 科 学 导 论,参考书： 1.材料科学导论融贯的论述 作者： 冯端 师昌绪等主编 出版日期：2002年05月第1版 2.材料科学导论 作者： 肖建中 出版日期：2001年 3.材料科学基础 （第2版） 作者： 石德珂主编 出版日期：2003年06月第2版 4.材料科学基础 作者： 徐恒钧主编 出版日期：2001年10月第1版 5.材料科学基础 作者： 杜丕一 潘颐编著 出版日期：2002年03月第1版,材 料 科 学 导 论,绪 论 一、材料的定义 人们可用来制作物品的宇宙物质的子集 在机器、结
2、构件、器件、产品中因其特殊的性能而成为有用的物质。 领域巨大： 钢铁、水泥、木材、塑料、玻璃、硅单晶、金刚石、,材 料 科 学 导 论,地球是所有材料的来源和最终归宿。 从矿石、树木、石油金属、水泥、化学产品、纸张、晶体、陶瓷、塑料各种产品废料或解体回归地球 两大范畴： 矿业及农业科学与工程 采矿科学与工程,材 料 科 学 导 论,材料科学与工程的定义： 将材料的成分、结构、加工工艺、性能与环境影响联系起来的知识的探索、积累、研究、总结与开发应用。 材料科学着重知识的探索、积累、研究、总结 材料工程着重知识的开发应用,材 料 科 学 导 论,材料、能源、信息是现代社会的三大支柱,材 料 科 学
3、 导 论,二、材料是人类进步的里程碑 对材料的认识和利用的能力，决定了人类社会的形态和人类的生活质量。 人类文明史，也可称为世界材料 发展史 人类的时代划分，往往以使用的材料为标准,材 料 科 学 导 论,石器时代（公元前几十万年前5000年） 青铜时代（前5000年前1200年） 铁器时代（前1200年公元1700年） 钢铁时代（1700年现在） 高分子时代（1909年现在） 贝克兰用化学法合成酚醛树脂 新石器时代信息时代（1947年现在） 在硅晶体上制成了第一个三级管,材 料 科 学 导 论,材料领域的强国，也是政治、军事强国 1644年，“工业革命”英国成为“日不落 帝国”，基础：钢、铁
4、、煤的产量居世界 第一 钢铁与石器的交锋美利坚合众国向印 第安人血与火的扩张（19世纪）,材 料 科 学 导 论,WWI新兴资本主义强国要求“阳光下的 土地”，重新划分势力范围 WWII三个法西斯向世界宣战,材 料 科 学 导 论,1937年: 日本 世界排名 中 国 铁 240万吨 (7) 96 万吨 钢 635万吨 (6) 56 万吨 石油产品 245万吨 25 万吨 汽车 9500 辆 (8) 0 造船 43万吨 (3) 1 万吨 面积 37 万平方公里 960 万平方公里 人口 1 亿 4.5亿,材 料 科 学 导 论,1937年 日本 中国 航空母舰 2 0 飞机 700 0 坦克
5、300 0 大炮 2500 580 机枪 7000 3500 步枪 180000 150000,材 料 科 学 导 论,1937年 军事实力对比 日本 中国 飞机 2600 架 600 架 舰艇 77 万吨 5.9 万吨 航空母舰 4 艘 0 坦克 650 辆 120 辆 火炮 15000 门 8000 门,材 料 科 学 导 论,抗日战争历时八年，中国付出巨大代价： 军民伤亡 3500 万人 财产损失 5000 亿美元 上海、武汉、南京等城市受到严重破坏,中国钢产量发展进程（万吨）,材 料 科 学 导 论,到2000年，我国主要材料产量： 钢、钢材、水泥、玻璃 位居世界第一 10种有色金属、
6、纯碱、烧碱等 位居世界第二 坚实的物质基础使中国的面貌焕然一新。 1997年香港回归、1999年澳门回归,2007年钢产量达4.6亿吨 世界钢产量约13亿吨 2007年私人汽车拥有量(万辆) 2,876,材 料 科 学 导 论,三、材料科学是新兴交叉学科 融会多个学科如物理、化学、计算机、固体科学、结晶学、量子力学等， 与多个学科交叉化学工程、电子工程、土木工程、环境工程、航空工程、核工程、生物医学工程等,材 料 科 学 导 论,成分,性能,加工工艺,结构,环境,材 料 科 学 导 论,材料科学是新兴交叉学科，将综合数学、 物理学、化学、计算机科学等知识，从原 子、分子层次去研究电子、原子、离
7、子的 微观行为与材料的宏观性能的关系。 在理论指导下，研制、开发、生产各种 规格、用途的新型结构材料和功能材料。,材 料 科 学 导 论,摩天大楼帝国大厦（1934, 386 m高） 世贸中心(1973, 415 m高) 巨型水坝阿斯旺水坝、三峡大坝 巨型油轮10万吨级(1960s) 35万吨级(1980s) 航空母舰2万吨级(1930s) 4万吨级(1940s) 10万吨级(1970s),材 料 科 学 导 论,巨型火箭土星级、长征级、 阿里亚纳级 隐形飞机F-117（1980s）、 B-1、 B-2（1990s） 均是现代材料科学的工程结晶,材 料 科 学 导 论,四、新材料是现代工农业发
8、展的基础， 是信息产业起飞的加速器 电子工业超纯、特薄、特细的材料 原子能工业核电站、电子加速器、 质子加速器 耐腐蚀、耐辐射材料,材 料 科 学 导 论,人类已进入信息时代， IC、 Internet、IT技 术的发展日新月异。 现代材料科学进入了信息材料时代并为 信息产业提供了坚实的物质基础：,材 料 科 学 导 论,1883 硒整流器 1911 硅整流器 1926 锗整流器 1946 锗单晶 1947 锗接触三极管（Transistor） 1950 锗结型三极管（PNP或NPN型） 1952 高质量硅单晶 1954 Integrated Circuit（IC）问世,材 料 科 学 导 论
9、,1958 IC 集成度10个元件/cm2 1978 IC 集成度10万个元件/cm2 1999 IC 集成度10000万个元件/cm2,材 料 科 学 导 论,计算机发展简史： 1945 第一台电子计算机问世 每秒运算5000次、体积100立方米 1970s 大型计算机运算速度 1000万次/秒 1999 10 亿次/秒 美克雷机、中银河机,材 料 科 学 导 论,微型计算机发展： 1981 IBM-PC 主频 1 MHz 1982 IBM-PC/XT 主频 2 MHz 1984 IBM-PC/AT 主频 4 MHz 1985 386计算机 主频 16 MHz 1989 486计算机 主频
10、64 MHz 1993 Pentium计算机 主频 133 MHz 1996 P-II计算机 主频 256 MHz 1999 P-III计算机 主频 500 MHz 2000 P-IV计算机 主频 1.3 GHz,材 料 科 学 导 论,高纯(99.999999%)、大口径（300毫米） 的硅材料及高质量的III-V族化合物半导体 材料是制备所有IC的最重要的物质。 硅单晶直径： 1英寸（1950s）4英寸(1960s) 6英寸(1970s)8英寸(1980s)10英寸 (1990s)12英寸(2000)16英寸（研究）,材 料 科 学 导 论,全世界高纯单晶硅产量约4000吨，年产IC 数百
11、亿块，直接间接产值10000亿美元。 从航天飞机、卫星、计算机、移动通信、 CD、VCD、DVD及各种微型电子设备到精 密制导武器、大型超视距雷达、各种战略 核导弹等等，均是以高速、大容量的IC为 基础建成的。,材 料 科 学 导 论,光通讯发展简史 1876 Bell发明电话 1880 Bell发明光电话 1960 Maien发明Laser 1966 高琨发表论文， 认为可以将石英光纤的损耗从当时 的1000 dB/km降到20 dB/km,材 料 科 学 导 论,1970 美国康宁公司率先制成损耗低 于20 dB/km的石英光纤 1972 石英光纤损耗低于4 dB/km 1981 石英光纤
12、系统开始商业化 1988 横跨大西洋的海底光缆投入使用 （5747 km） 1989 横跨太平洋的海底光缆投入使用 （15927 km）,材 料 科 学 导 论,中国 1977 武汉邮电科学院研制出我国第一根 阶跃式多模光纤 300 dB/km 1987 武汉-荆州（250 km）国产长途光 缆通讯系统完成 1999 兰州西宁拉萨（1800 km） 光缆完成、八纵八横线路 一级光缆总里程突破 70,000 km 2000 光缆产量已达到100万公里 规模,材 料 科 学 导 论,现代经济发展史表明：信息材料及其相关 产业是发展速度最快的朝阳产业。 中国 彩电、手机、交换机、录象机、VCD、DV
13、D机等产量在19802000年间已达到世界第一！,我国信息产业飞速发展 1978年 1999 年 2001年 电话 300万 8000万 14000万 移动电话 0 4000万 12000万 寻呼机 0 6000万 8000万 手机 1.2亿户 PC 0 350万 500万,截止2008年3月我国内地手机用户人数突破5亿大关， 成为世界第一手机大国。,材 料 科 学 导 论,五、新材料是现代国防的保证 坦克新型复合装甲材料 火炮新型耐高温耐冲击材料 飞机新型耐高温轻质合金、复合材料、 隐身材料 F-117A, B-2，F-22等,材 料 科 学 导 论,隐身材料： Ni-Zn, Ni-Mg-Z
14、n, Mn-Zn等，可大幅度减少雷达散射截面（RCS） RCS RCS B-52 100 m2 B-1B 0.75 m2 FB-111 7 m2 B-2 0.1 m2 MiG-21 4 m2 F-117A 0.025 m2 MiG-29 3 m2,材 料 科 学 导 论,火箭、导弹新型新型耐高温轻质合金、 复合材料、遥感遥测材料 高功率激光武器新型激光材料 Nd:Y3Al5O12 连续输出可达 1 KW 30次/秒的巨脉冲输出可达 10 KW,材 料 科 学 导 论,现代战争启示录表明：决定战争的胜负的 主要物质因素已从钢铁的多少转到了硅片 的多少。 1982 英国阿根廷 马岛战争 1991 美英等国伊拉克 海湾战争 1999 北约南斯拉夫 科索沃战争 2001 美英等阿富汗 阿富汗战争,材 料 科 学 导 论,远程精确打击能力 巡航导弹（2000 km）、
