材料化學(xué)01緒論

1、材材 料料 化化 學(xué)學(xué)chemistry of materialschemistry of materials龔 江 宏清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系v 舊石器時(shí)代v 新石器時(shí)代v 陶器時(shí)代v 青銅器時(shí)代v 鐵器時(shí)代歷史學(xué)家把某一類材料的特征及其廣泛應(yīng)歷史學(xué)家把某一類材料的特征及其廣泛應(yīng)用作為人類文明史各個(gè)階段的一種標(biāo)志用作為人類文明史各個(gè)階段的一種標(biāo)志v 鋼v 硅v 塑料v 合成材料v 半導(dǎo)體v 精密陶瓷v 復(fù)合材料v 納米材料v 我們現(xiàn)在所處的時(shí)代應(yīng)該稱為什么時(shí)代？我們現(xiàn)在所處的時(shí)代應(yīng)該稱為什么時(shí)代？ 材料成為了一個(gè)新的獨(dú)立的科學(xué)門類。這個(gè)新學(xué)科與物理、化學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、冶金、化工等傳統(tǒng)科學(xué)門類

2、水乳交融，但是具有其獨(dú)特的鮮明的個(gè)性。也正是因?yàn)榕c各個(gè)傳統(tǒng)科學(xué)門類水乳交融，材料學(xué)科在不同的場(chǎng)合就被劃分成了材料物理、材料化學(xué)、材料力學(xué)、材料工程學(xué)等諸多分支。本課程所涉及的內(nèi)容就屬于材料化學(xué)這一分支。而作為本課程的緒論，這里我們將首先來討論幾個(gè)相關(guān)的名詞：材料材料材料科學(xué)材料科學(xué)材料化學(xué)材料化學(xué) 第一章第一章 緒緒 論論1.1 什么是材料？什么是材料？材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。 師昌緒主編：材料大辭典p.58材料是“具有一定性能的物質(zhì), 可以用來制成一些機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品” 。 美國(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院聯(lián)合編寫 材料：人類的需求材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品

3、的物質(zhì)材 料 = 物 質(zhì) materials = matter水是材料？冰是材料？幾乎所有的物質(zhì)都可以稱為是材料什么樣的材料值得我們關(guān)注什么樣的材料值得我們關(guān)注？并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注那么下一個(gè)問題就是先來看看材料的發(fā)展歷史n 群居洞穴的猿人通過簡(jiǎn)單加工獲得石器以狩獵、護(hù)身和生存；n 隨著對(duì)石器加工制作水平的提高，出現(xiàn)了原始手工業(yè)如制陶和紡織n 青銅時(shí)代大約源于4000 5000年前。青銅是銅錫鋁等元素組成的合金，與純銅相比，青銅熔點(diǎn)低，硬度高，比石器易制作且耐用。青銅器大大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)和手工業(yè)的出現(xiàn)。n 鐵器時(shí)代被認(rèn)為是始于2000多年前，由鐵制作的農(nóng)具、手工工具及各種兵器得以

4、廣泛應(yīng)用，大大促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會(huì)的發(fā)展。n 鋼鐵、水泥等材料的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，人類社會(huì)開始從農(nóng)業(yè)和手工業(yè)社會(huì)進(jìn)入了工業(yè)社會(huì)。n 本世紀(jì)半導(dǎo)體硅、高集成芯片的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，則把人類由工業(yè)社會(huì)推向信息和知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)。 一方面，材料是人類生存和生活必不可缺少的部分，是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是直接推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力。 另一方面，隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及自然資源和能源的逐漸減少，人們所關(guān)注的、所使用的材料種類也在發(fā)生著變化因此材料的定義可以發(fā)展為：人類社會(huì)所能夠接受的經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì) 一個(gè)例子 高比強(qiáng)鋁合金給高比強(qiáng)鋁合金給 20 世紀(jì)的世紀(jì)的“新新”材料帶來了第一個(gè)突材料帶來了第一個(gè)

5、突破破比強(qiáng)：比強(qiáng)度，也就是比強(qiáng)：比強(qiáng)度，也就是材料的材料的強(qiáng)度與密度之比強(qiáng)度與密度之比。具有高強(qiáng)度、低密度的具有高強(qiáng)度、低密度的材料無(wú)疑具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。材料無(wú)疑具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。鋼的比強(qiáng)度為：鋼的比強(qiáng)度為： 0.64 106 cm鋁合金的比強(qiáng)度為：鋁合金的比強(qiáng)度為：2.64 106 cm 后者是前者的后者是前者的 4 倍，這對(duì)于結(jié)構(gòu)材倍，這對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來說是幾千年來的一個(gè)飛躍。料來說是幾千年來的一個(gè)飛躍。鋁鋁n 鋁是一種輕金屬，密度 2.7 g/cm3,大約是鐵的 1/3。純鋁的拉伸強(qiáng)度只有 48 mpa，只有鋼的1/10 左右。因此在早期并未得到重視。n al 在地殼中含量豐富，占 1/12，但主

6、要以 al2o3的狀態(tài)存在。18 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了 al 元素的存在，1825 年丹麥物理學(xué)家 hans oersted 第一次成功地提煉出金屬鋁，但是提煉方法比較復(fù)雜，產(chǎn)量很低，使得其價(jià)格極為昂貴。鋁曾經(jīng)比金銀還要珍貴鋁曾經(jīng)比金銀還要珍貴n 100多年前，為了表彰門捷列夫?qū)瘜W(xué)的杰出貢獻(xiàn)，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)不惜重金制作了一個(gè)比黃金還要貴重的獎(jiǎng)杯鋁杯，贈(zèng)送給門捷列夫。 n 法國(guó)皇帝拿破侖三世為了顯示自己的尊貴，用鋁作了一頂頭盔，成為轟動(dòng)一時(shí)的新聞。每逢盛大國(guó)宴，別人都用銀制餐具，而他獨(dú)自使用一套鋁制餐具。 技術(shù)的進(jìn)步讓鋁走出了首飾技術(shù)的進(jìn)步讓鋁走出了首飾店店n 1886 年， 22 歲的美國(guó)人 hall

7、發(fā)明了熔鹽電解法制取金屬鋁，此法投產(chǎn)后，金屬鋁的產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，價(jià)格則大幅度下降 ，從而把鋁的大規(guī)模生產(chǎn)變成了現(xiàn)實(shí)。這個(gè)年輕人組成了一個(gè)大公司，這就是今天美國(guó)美鋁公司 (alcoa) 的前身。n將氧化鋁 (a12o3) 溶解在熔融的冰晶石 (na3alf6) 中進(jìn)行電解(電解液溫度接近 1000) n在 上可以找到很多關(guān)于鋁以及鋁合金的信息美鋁的生意是從一把鋁壺開始的美鋁的生意是從一把鋁壺開始的n 從鋁壺做起，慢慢延伸到了烹調(diào)器具、錫箔紙、電線和電纜。n 現(xiàn)在，美鋁了成為公認(rèn)的世界上最大的原鋁、鋁加工產(chǎn)品和氧化鋁生產(chǎn)商。美鋁的產(chǎn)品廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車、包裝、建筑、商業(yè)運(yùn)輸以及工業(yè)市場(chǎng)。鋁的

8、應(yīng)用市場(chǎng)的打開鋁的應(yīng)用市場(chǎng)的打開n 鋁的應(yīng)用市場(chǎng)的打開是從 20 世紀(jì) 30 年代開始的。為了提高鋁的比強(qiáng)度，當(dāng)時(shí)關(guān)于鋁的研究有兩個(gè)熱門話題：n 合金強(qiáng)化n 時(shí)效硬化在在 al 中加入中加入 cu、mn、si、mg、fe、zn 等元素，形成等元素，形成所謂的鋁合金以提高所謂的鋁合金以提高 al 的強(qiáng)度。的強(qiáng)度。把合金強(qiáng)化處理后形成的鋁合金加熱到一定溫度以上進(jìn)行把合金強(qiáng)化處理后形成的鋁合金加熱到一定溫度以上進(jìn)行“熔解處理熔解處理”，使合金處于均勻的單相狀態(tài)，然后快速淬，使合金處于均勻的單相狀態(tài)，然后快速淬火，保持其單相組織。此后再在稍高于室溫的溫度下加熱，火，保持其單相組織。此后再在稍高于室溫的

9、溫度下加熱，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的強(qiáng)度。使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的強(qiáng)度。鋁合金的出現(xiàn)，大大拓寬了鋁的用途鋁合金的出現(xiàn)，大大拓寬了鋁的用途n 航天飛機(jī)、大型客機(jī)n 鋁門窗、鋁活動(dòng)建筑n 鋁細(xì)粉是一種火箭固體燃料n 鋁 箔n 鋁電纜n 易拉罐n 2000年，光美國(guó)就生產(chǎn)了1000億個(gè)鋁易拉罐。輕、薄、耐腐蝕。易拉罐上的易拉扣，的確是一項(xiàng)高技術(shù)，代表了鋁材和鋁加工的現(xiàn)代成就。美國(guó)紐約的世界貿(mào)易大廈是一個(gè)大量使用鋁合金貼面的雄偉建筑?？上б呀?jīng)灰飛煙滅了。 長(zhǎng)期以來人們一直認(rèn)為鋁是無(wú)毒的，因此用起來很放心。但是醫(yī)學(xué)家經(jīng)過長(zhǎng)期研究后發(fā)現(xiàn)，人體攝入過量的鋁也會(huì)帶來危害。 由于鋁制品的

10、大量使用，特別是鋁制品盛放咸的、酸性的或堿性的食物時(shí)，其表面的保護(hù)膜就會(huì)遭到破壞，氧化鋁就會(huì)被溶解，使人體攝入鋁的量增加，日積月累，對(duì)健康會(huì)產(chǎn)生影響。友情提示友情提示一般說來，一種材料能否在一個(gè)時(shí)代引起一般說來，一種材料能否在一個(gè)時(shí)代引起人們關(guān)注、得到廣泛使用應(yīng)該從以下幾方人們關(guān)注、得到廣泛使用應(yīng)該從以下幾方面加以分析面加以分析v 資 源v 能 源v 環(huán) 保v 經(jīng) 濟(jì)v 質(zhì) 量 新陳代謝這一生命規(guī)律在材料中也是同樣存在的。事實(shí)上，每種材料都有其生命曲線出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退衰退主要是由于社會(huì)衰退主要是由于社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致的。導(dǎo)致的。一個(gè)新材料的誕生，從實(shí)一個(gè)新材料的誕生，

11、從實(shí)驗(yàn)室研制出樣品到工業(yè)上驗(yàn)室研制出樣品到工業(yè)上的大規(guī)模實(shí)際使用，大概的大規(guī)模實(shí)際使用，大概需要需要 15 20 年時(shí)間。年時(shí)間。 所謂的所謂的“材料科學(xué)材料科學(xué)”的主要研究對(duì)象是新的主要研究對(duì)象是新材料，或者是想方設(shè)法使傳統(tǒng)材料獲得新材料，或者是想方設(shè)法使傳統(tǒng)材料獲得新生。生。出現(xiàn)發(fā)展成熟衰退新材料新材料傳統(tǒng)材料傳統(tǒng)材料v石棉是含有鐵、鎂、鎳、鈣、鋁等元素的硅酸鹽，分為溫石棉和青石棉兩種，由于具有結(jié)實(shí)、抗彎、絕緣、隔熱、保溫、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛用于建筑、造船、航天和交通機(jī)械中隔熱、保溫、防火等領(lǐng)域。石棉經(jīng)過加工后制成的紡織、石棉水泥制品，具有耐磨、絕緣等特點(diǎn)，還可制成防火材料、濾料

12、、填料等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石棉的各種用途已逾千種 ?！跋﹃?yáng)夕陽(yáng)”材料：石棉材料：石棉v近年來的研究表明石棉是一種致癌物質(zhì)，歐美國(guó)家許多癌癥的病因，都曾與石棉污染有關(guān)。目前這種狀況正在向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。據(jù)保守估計(jì)，今后30年中死于石棉污染者將達(dá)到100萬(wàn)，其中大多數(shù)是制造含石棉的地板、天花板、屋頂材料、接合劑和自動(dòng)閘的工人。若進(jìn)行大規(guī)模樓層定向爆破、拆除等工作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)附近人員不采取防護(hù)措施，也極可能被構(gòu)成傷害?！跋﹃?yáng)夕陽(yáng)”材料：石棉材料：石棉v專家估計(jì)，全世界每年約有20萬(wàn)人死于與石棉有關(guān)的癌癥，其中約25死于肺癌，10死于惡性間皮瘤。v在歐盟的15個(gè)國(guó)家中，已有12個(gè)禁止使用石棉，沙特阿拉伯也將它列在

13、禁用之列，阿根廷、智利等國(guó)也隨之仿效。目前美國(guó)也不再生產(chǎn)石棉，其石棉使用僅依靠進(jìn)口。 “夕陽(yáng)夕陽(yáng)”材料：石棉材料：石棉v鋼鐵工業(yè)在發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入衰退階段，原因是有許多新材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國(guó)家。v v鋼鐵在我國(guó)還在成熟階段，鋼鐵的需求量很大，不但每年產(chǎn)量有所增加,每年還需進(jìn)口2000萬(wàn)噸。v據(jù)估計(jì),我國(guó)的鋼產(chǎn)量達(dá)到12000萬(wàn)15000萬(wàn)噸，才能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要。 “夕陽(yáng)夕陽(yáng)”材料工業(yè)：鋼鐵材料工業(yè)：鋼鐵在“911”事件中變成廢墟的紐約世貿(mào)大廈的數(shù)十萬(wàn)噸廢鋼鐵被運(yùn)往中國(guó)和印度，將在那里回爐后重新使用。從這兩座 100 多層的雙子大廈廢墟中回收的鋼

14、材數(shù)量相當(dāng)可觀，估計(jì)多達(dá) 40 萬(wàn)噸。材料中的材料中的“常青樹常青樹”：陶瓷：陶瓷1.2 材料的分類材料的分類按材料的組成分類按材料的組成分類n 金屬材料 (metal)n鋼鐵材料、非鐵材料、合金n 有機(jī)高分子材料 (polymer)n天然的、合成的n 無(wú)機(jī)非金屬材料 (ceramics)n陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷n 復(fù)合材料 (composites)按材料的用途分類按材料的用途分類n 結(jié)構(gòu)材料n 支撐件、連接件、傳動(dòng)件、緊固件等n 功能材料n 磁性材料、電子材料、信息記錄材料、光學(xué)材料、敏感材料、能源材料、生物醫(yī)學(xué)材料等n 結(jié)構(gòu)材料與功能材料的劃分并不嚴(yán)格n 生物醫(yī)學(xué)材料？

15、按材料內(nèi)部原子排列情況分類按材料內(nèi)部原子排列情況分類n 晶態(tài)材料n 非晶態(tài)材料n 液態(tài)材料n 氣態(tài)材料材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)從材料尺度角度分類從材料尺度角度分類n 三維材料n 塊體材料n 二維材料n 薄膜、涂層等 (金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜、耐磨涂層)n 一維材料n 纖維、晶須等 (光導(dǎo)纖維、高強(qiáng)纖維)n 零維材料n 粉 體1.3 材料科學(xué)材料科學(xué) 20 世紀(jì)對(duì)于材料的發(fā)展歷史來說是一個(gè)值得大書特書的時(shí)期。20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)域的巨大變化，而這些巨大變化則有力地促進(jìn)了材料的發(fā)展，使得材料在 2

16、0 世紀(jì)中葉發(fā)生了一次“革命性”的飛躍，這個(gè)飛躍的標(biāo)志就是“材料科學(xué)”的形成。 v 超音速飛機(jī) (鎳基超級(jí)合金)v 計(jì) 算 機(jī) (晶體管、半導(dǎo)體)v 航天飛機(jī) (高溫結(jié)構(gòu)陶瓷)20 世紀(jì)中葉的幾項(xiàng)成果世紀(jì)中葉的幾項(xiàng)成果 1947 年，在美國(guó)新墨西哥州哥西維爾地方，有一艘外星來的宇宙飛船墜毀了?？茖W(xué)家們紛紛云集此地，對(duì)這艘飛船進(jìn)行了全方位的研究，于是地球上就誕生了半導(dǎo)體、光纖、激光器等一系列對(duì)當(dāng)代文明產(chǎn)生了顯著影響的新材料。后來美國(guó)政府將這艘飛船隱匿起來了輕松一下輕松一下哈哈哈哈！天方夜譚20 世紀(jì)中葉是蘇美兩個(gè)超級(jí)大國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行全面競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。材料的競(jìng)爭(zhēng)是其中的主要內(nèi)容之一。v1957 年

17、蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學(xué)研究。v美國(guó)從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科對(duì)待。20 世紀(jì)世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的新技術(shù)革命把新材料、信息年代出現(xiàn)的新技術(shù)革命把新材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。技術(shù)、生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。 n 美國(guó)國(guó)防部1991年提出20項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，有5項(xiàng)以材料為主。n 同年，美國(guó)白宮發(fā)布美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目共6領(lǐng)域22項(xiàng)關(guān)鍵，材料為6領(lǐng)域之一。材料合成與加工、電子和光子材料、陶瓷復(fù)合材料、高性能金屬與合金5項(xiàng)為關(guān)鍵。 n 從1995年至2001年每?jī)赡旮乱淮蔚拿绹?guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中，特種

18、功能材料和制品技術(shù)占了很大的比例。 20 世紀(jì)世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的新技術(shù)革命把新材料、信息年代出現(xiàn)的新技術(shù)革命把新材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。技術(shù)、生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。 n 2001年日本文部省發(fā)布的第七次技術(shù)預(yù)測(cè)研究報(bào)告中列出了影響未來的100項(xiàng)重要課題,一半以上為新材料或依賴于新材料發(fā)展的課題,而其中絕大部分均為功能材料。 n 歐盟第六框架計(jì)劃和韓國(guó)的國(guó)家計(jì)劃等把功能材料技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一加以重點(diǎn)支持。 n 我國(guó)863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，材料是7個(gè)重點(diǎn)之一，重大基礎(chǔ)研究攀登計(jì)劃的30個(gè)重大課題中有7個(gè)與材料直接有關(guān)。 材料涉及的領(lǐng)域極為廣泛，舉凡國(guó)家

19、的工農(nóng)業(yè)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)，人民生活水平的提高，無(wú)不與材料密切相關(guān)。所以材料的科學(xué)研究、新產(chǎn)品的開發(fā)、工業(yè)大生產(chǎn)與合理應(yīng)用都關(guān)系到社會(huì)進(jìn)步、國(guó)家安全，因此人們把材料譽(yù)為現(xiàn)代文明的三大支柱之一。 摘自：師昌緒主編材料大辭典前言新材料發(fā)展與應(yīng)用水平直接決定著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平。不妨看幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù) v以每公斤產(chǎn)品的出廠價(jià)格計(jì)算，把原材料比作1，那么小轎車為5，家電為30，飛機(jī)為200，計(jì)算機(jī)為1000，集成電路芯片則為10000。產(chǎn)品中的技術(shù)含量越高，收益就越高。 v 2000 年，世界新材料市場(chǎng)銷售額達(dá)到 4000 億美元，美國(guó)占市場(chǎng)份額 40%，日本占市場(chǎng)份額 20% (預(yù)計(jì)數(shù)據(jù))。v據(jù) 1982 年

20、統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年因材料腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為 1260 億美元。材料斷裂和磨損造成的損失分別為 1190 億和 1000 億美元。 戰(zhàn)后日本經(jīng)濟(jì)的迅速崛起，與其政府對(duì)材料的高度重視有關(guān)。材料科學(xué)與綜合國(guó)力材料科學(xué)與綜合國(guó)力700170027552082969025000200040006000800010000年產(chǎn)量 (萬(wàn)噸)年產(chǎn)量 (萬(wàn)噸)1952年1962年1972年日本英國(guó)n 二戰(zhàn)結(jié)束的時(shí)候，鋼鐵仍然是整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)的支柱。意識(shí)到必須具有高質(zhì)量和低成本的鋼鐵，日本開始大力發(fā)展鋼鐵工業(yè) 這一技術(shù)政策推動(dòng)了日本的汽車工業(yè)和其他一些主要用鋼材的產(chǎn)品，使得日本經(jīng)濟(jì)得到了很大的發(fā)展。n 1970 年

21、以后，日本認(rèn)識(shí)到當(dāng)今世界已經(jīng)處于硅時(shí)代，因此在保持鋼的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，日本瞄準(zhǔn)了硅材料，開始大力發(fā)展半導(dǎo)體工業(yè)，使得家用電器的生產(chǎn)在世界市場(chǎng)中占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。n 英國(guó)此時(shí)卻忽略了硅時(shí)代的到來，由于沒有相應(yīng)的技術(shù)政策和戰(zhàn)略眼光，其結(jié)果是英國(guó)有2000 名研究硅材料的科學(xué)家流入美國(guó)硅谷。n 1988 年僅在信息技術(shù)產(chǎn)品這一項(xiàng)上，英國(guó)對(duì)日本的貿(mào)易赤字就高達(dá) 2.2 億英鎊，這還不包括由硅片控制的自動(dòng)聚焦的照相機(jī)之類的產(chǎn)品。 英國(guó)人悲哀地說：英國(guó)沒有硅工業(yè)了，英國(guó)人悲哀地說：英國(guó)沒有硅工業(yè)了，英國(guó)從第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)變?yōu)榱说诙?guó)從第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)

22、家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家變成了第一流的經(jīng)流的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家變成了第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)，英國(guó)的態(tài)度恰似一個(gè)仍然停濟(jì)大國(guó)，英國(guó)的態(tài)度恰似一個(gè)仍然停留在石器時(shí)代的國(guó)家，而沒有進(jìn)展到留在石器時(shí)代的國(guó)家，而沒有進(jìn)展到青銅器時(shí)代。青銅器時(shí)代。新材料在高技術(shù)中的應(yīng)用新材料在高技術(shù)中的應(yīng)用n幾個(gè)實(shí)例幾個(gè)實(shí)例v1982 年日本首次研制出了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)小汽車。它的出現(xiàn)使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕，提高燃燒度和節(jié)約燃料的愿望成為現(xiàn)實(shí)。v1988年前蘇聯(lián)一架以液氫為燃料的中型運(yùn)輸機(jī)首次試飛成功。液氫的沸點(diǎn)為 253c，攜儲(chǔ)液氫需要高效率的絕熱材料。液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，則意味著低溫極限技術(shù)已達(dá)到實(shí)用化程度。v1989 年日本一艘潛

23、水調(diào)查船下潛到6500 米的深海區(qū)，打破了美國(guó)、前蘇聯(lián)和德國(guó)的下潛紀(jì)錄。這艘潛水艇耐水艙使用的是一種高強(qiáng)度鈦合金，觀察窗使用的是一種新型的有機(jī)玻璃。v美國(guó)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的隱身戰(zhàn)斗機(jī)所以能隱身，就是使用了一種吸波材料和吸波涂層。v所謂隱形是指不易被雷達(dá)或紅外線、可見光、聲探測(cè)等傳感器發(fā)現(xiàn)。v隱形飛機(jī)之所以能夠隱形，主要是綜合采用了隱身外形技術(shù)、隱身材料技術(shù)、紅外線抑制和干擾技術(shù)、聲波隱身技術(shù)以及微電子技術(shù)等，具有降低其在雷達(dá)屏幕上的特征、壓制噪聲、減弱飛機(jī)紅外圖像特征、抑制無(wú)線電信號(hào)傳輸?shù)刃阅?。隱形飛機(jī)與材料隱形飛機(jī)與材料 n 隱形武器由于其科技含量高，對(duì)材料要求苛刻，研制費(fèi)用異常高。n 美國(guó)

24、的 f-117a 隱形飛機(jī)單價(jià) 為 1.1 億美元，b-2隱形轟炸機(jī)單價(jià)更高達(dá) 5.3 億美元，比與機(jī)體等重量的黃金價(jià)值還要高。n 最近，美國(guó)又以 4000 億美元的天價(jià)，開始研制一種集“隱形、敏捷、高速”為一體的 f-35 新型隱形戰(zhàn)機(jī)。 f-117a 戰(zhàn)斗機(jī)周身幾乎全由直線構(gòu)成，機(jī)體表面使用了 6 種不同的雷達(dá)吸波涂層材料，大大降低了雷達(dá)探測(cè)度。經(jīng)科學(xué)家測(cè)試，雷達(dá)在距離 f-117a 飛機(jī) 600 米時(shí)，就已完全接收不到它發(fā)出的信號(hào)。 揚(yáng)子晚報(bào)2001年6月12日?qǐng)?bào)道：西門子公司近日發(fā)布消息說，該公司所屬的一家研究機(jī)構(gòu)開發(fā)出了利用移動(dòng)電話發(fā)射站對(duì)付隱形飛機(jī)的技術(shù)。這家設(shè)在英國(guó)的研究機(jī)構(gòu) r

25、mr 研究人員發(fā)現(xiàn)，由普通移動(dòng)電話發(fā)射站、全球定位系統(tǒng)以及由計(jì)算機(jī)連接的若干信號(hào)接收器組成的系統(tǒng)，可以用來捕捉隱形飛機(jī)。 rmr的科學(xué)家說，如果隱形飛機(jī)飛越某一已部署該系統(tǒng)的地區(qū)，移動(dòng)電話發(fā)射站的信號(hào)接觸飛機(jī)后會(huì)向四處反射，而接收器接收的反射信號(hào)經(jīng)電腦處理后就能判斷出飛機(jī)的準(zhǔn)確位置。科學(xué)家認(rèn)為，他們開發(fā)的技術(shù)將使“隱形飛機(jī)毫無(wú)用處”。材料科學(xué)家的喜訊材料科學(xué)家的喜訊? ?在美國(guó)的航天史上發(fā)生過三起巨大災(zāi)難在美國(guó)的航天史上發(fā)生過三起巨大災(zāi)難n1967 年 1 月 27 日：阿波羅號(hào)飛船升空時(shí)爆炸，三名宇航員遇難n1986 年 1 月 28 日：挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)升空時(shí)爆炸，包括一名女教師在內(nèi)的宇航

26、員全部遇難n2003 年 2 月 1 日：“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)在完成 16 天的太空研究任務(wù)后，在返回大氣層時(shí)突然發(fā)生解體，機(jī)上 7 名宇航員全部遇難 “哥倫比亞號(hào)”是航天飛機(jī)第一次在即將著陸時(shí)發(fā)生的災(zāi)難?？针y發(fā)生后，由美國(guó)宇航局（nasa）組成了由材料和工藝工程師及科學(xué)家組成的調(diào)查組對(duì)飛機(jī)殘骸進(jìn)行了重組、殘骸材料的冶金分析以及模擬試驗(yàn)，分析了航天飛機(jī)爆炸的原因。“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)的爆炸，震驚了世人，同時(shí)也引起了人們對(duì)材料的關(guān)注，材料分析揭開了哥倫比亞空難之謎。 哥倫比亞空難與材料哥倫比亞空難與材料 這張照片是在哥倫比亞號(hào)返回地球的這張照片是在哥倫比亞號(hào)返回地球的1111天前拍攝并傳回的

27、，通過哥倫比亞天前拍攝并傳回的，通過哥倫比亞號(hào)上隨機(jī)安裝的一架照相機(jī)拍攝。號(hào)上隨機(jī)安裝的一架照相機(jī)拍攝。升空時(shí)，從燃料箱腳架處掉下的一塊隔熱泡沫砸到左翼碳碳復(fù)合材料面板下半部附近造成裂縫。而后高溫?zé)犭x子流穿過此處，使機(jī)翼鋁合金、鐵基合金、鈉基合金結(jié)構(gòu)熔化，導(dǎo)致航天飛機(jī)失控、機(jī)翼破壞和機(jī)體解體。 2005 年 8 月 9 日，美國(guó)的“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)平安著陸。它對(duì)于人類今后探索太空、進(jìn)一步發(fā)展載人航天事業(yè)具有重要意義。與此同時(shí)，美國(guó)航天飛機(jī)兩年半來重返太空的這次首航，在美國(guó)航天界、輿論界及民眾中引發(fā)了對(duì)航天飛機(jī)探測(cè)飛行前景及對(duì)載人飛行安全前所未有的關(guān)注材料科學(xué)研究的內(nèi)容材料科學(xué)研究的內(nèi)容合成與制

28、備synthesis and fabrication結(jié) 構(gòu)structures性 能properties效能與功能performancen 簡(jiǎn)而言之，材料科學(xué)就是研究各種材料的成分與結(jié)構(gòu)、合成與制備加工工藝、性能以及材料在服役過程中的表現(xiàn)這四個(gè)方面之間相互關(guān)系的科學(xué)。 n 成分與結(jié)構(gòu)、合成與制備加工工藝、性能以及材料在服役過程中的表現(xiàn)是材料科學(xué)的四個(gè)基本要素。材料科學(xué)研究的目的則是在這四個(gè)基本要素方面進(jìn)行不懈地努力，以期使材料的發(fā)展更好地為人類社會(huì)的進(jìn)步服務(wù)。n 新方法、新結(jié)構(gòu)、新性能新應(yīng)用是發(fā)展新材料以及材料科學(xué)研究的永恒主題。 工工程程科科學(xué)學(xué)力學(xué)熱力學(xué)流體的流動(dòng)建模技術(shù)數(shù)值方法等等設(shè)設(shè)計(jì)

29、計(jì)工工具具可行性分析近似分析優(yōu)化方法詳細(xì)的分析，例如有限元方法等材材料料科科學(xué)學(xué)結(jié)構(gòu)制備過程表面工程顯微結(jié)構(gòu)分析表征技術(shù)等等材材料料選選擇擇所有材料(低精度)某一類別材料(中等精度)一種材料(最佳精度)概 念細(xì) 節(jié)具體化市市場(chǎng)場(chǎng)需需求求產(chǎn)產(chǎn) 品品材料科學(xué)研究的一般流程新材料的發(fā)展方向新材料的發(fā)展方向v 結(jié)構(gòu)功能的復(fù)合化v 功能材料的智能化v 材料與器件的集成化v 制備和使用工程的綠色化 在 3 到 13 世紀(jì)，中國(guó)保持著一個(gè)讓西方人望塵莫及的科學(xué)知識(shí)水平。英國(guó)科學(xué)家 李約瑟v chinav 越王勾踐的寶劍v 青銅編鐘v 我國(guó)的材料研究我國(guó)的材料研究這套編鐘是在洛莊漢墓主墓室北面的14號(hào)陪葬坑內(nèi)

30、出土的。編鐘出土?xí)r排列整齊，可看出當(dāng)時(shí)是掛在架子上埋進(jìn)去的。難能可貴的是，這套編鐘在地下保存得非常完好，出土之后，輕輕擦拭便锃亮如新n 形成了一支 40 萬(wàn)人的研究與生產(chǎn)隊(duì)伍，其中科研人員近 10 萬(wàn)人。研究單位有 300 多個(gè)，新材料生產(chǎn)工廠 1000 多個(gè)。各類大學(xué)有 150 多個(gè)與材料有關(guān)的專業(yè)，畢業(yè)生的數(shù)量與美國(guó)相近。我國(guó)的新材料研究我國(guó)的新材料研究n 在光學(xué)晶體、有機(jī)分離膜、稀土永磁材料、高溫超導(dǎo)體、準(zhǔn)晶態(tài)研究等方面已取得舉世矚目的成績(jī)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比在總體水平上估計(jì)落后 10 年左右。鋼材和化工有機(jī)合成材料要靠進(jìn)口，高技術(shù)所需的新材料以及引進(jìn)生產(chǎn)線所用原材料大量依靠國(guó)外。我國(guó)的新材料研究我國(guó)的新材料研究n 不少研究起步不晚成果不錯(cuò)，但形不成商品及產(chǎn)業(yè)?！俺晒淮笃?，材料看不見”。國(guó)家在新材料研究開發(fā)上的總投資估計(jì)超過 50 億元，但形成的新材料生產(chǎn)的產(chǎn)值不大，大大影響了我國(guó)工業(yè)特別是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 我國(guó)的新材料研究我國(guó)的新材料研究 你們是早晨八、九點(diǎn)鐘的太陽(yáng)，希望寄托在你們身上。1.4 材料化