材料科學與人類文明市公開課獲獎課件

1、材料科學與人類文明第1頁第1頁何謂材料？材料是人類社會可經濟地制造有用物品物質。第2頁第2頁米-26直升機展示強悍起吊能力：采用8片16米長矩形槳葉旋翼，是世界采用槳葉片數(shù)最多單旋翼直升機，其槳轂由鈦合金制成。第3頁第3頁第4頁第4頁材料研究之美第5頁第5頁材料研究之美第6頁第6頁材料研究之美第7頁第7頁第8頁第8頁第9頁第9頁緒 論材料和人類文明發(fā)展史概述材料定義分類本課程主要內容及目的 第10頁第10頁人和動物本質區(qū)別?人能夠利用工具從事生產、生活，創(chuàng)造財富，積累經驗，進而制造更先進工具；在制造工具時，材料是必需，但不是所有物質都能用于制造工具。什么是材料？材料是含有一定性能，能夠用來制作

2、器件、構件、工具、裝置等物品物質。簡樸地說，材料是人類可用來制造有用器件物質。第11頁第11頁材料是人類社會進步里程碑第12頁第12頁材料與人類文明發(fā)展人類文明進程劃分依據是什么 所使用、占主導地位材料 石器時代、銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代、合成材料時代、復合材料時代、信息材料時代 發(fā)展得越來越快第13頁第13頁人類文明與材料公元前8世紀古希臘哲學家赫西奧德勞動與時令詩篇里，把人類發(fā)展劃分成黃金、白銀、青銅、英雄和鐵5個世紀； 中國東漢袁康所撰越絕書中把人類使用工具，分成石、玉、銅、鐵四個階段； 1836年丹麥學者C. J. 湯姆森提出石器時代、青銅時代和鐵器時代分期。第14頁第14頁從遠古

3、石器時代到鐵器時代再到如今新材料時代，先后經過了七個不同時代公元前10萬年石器時代公元前30公元前10公元前0年181950年1990年青銅器時代鐵器時代水泥時代鋼時代硅時代新材料時代以材料區(qū)別七個時代第15頁第15頁不同歷史階段各類材料相對主要性第16頁第16頁石器時代2百萬年前開始，人類有目地在生產生活中利用天然材料（石頭、木頭、黏土、動物皮毛等）。第17頁第17頁燧石：神奇石頭400,000 BC 4,500 BC石器時代 (Stone Age) 人類主要以石頭、骨頭、木制作簡樸工具第18頁第18頁陶器(Pottery)陶器出現(xiàn)是人類跨入新石器時代主要標志之一據考古資料，中國陶器制作歷史

4、至少有80以上西安半坡人面網紋陶盆戰(zhàn)國陶制四通水管第19頁第19頁4,500 BC 1,000 BC青銅時代 (Bronze Age)大量使用青銅工具及青銅禮器時期從礦石中提煉銅 冶金業(yè)拂曉埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)最早紀錄之一人類學會了用炭把銅加熱以造出純度更高銅, 而把銅和錫礦石熔合后可得一個堅度高合金 - 青銅，以青銅來造出各種武器第20頁第20頁青銅器時代錫青銅（Bronze）銅 - 25%錫合金+其它元素，具備良好強韌性、耐腐蝕性、良好加工性能等。第21頁第21頁古稱金或吉金，是紫銅與其它元素（錫、鎳、鉛、磷等）合金中國青銅時代大體相應夏商周至秦漢，時間跨度約兩千年春秋戰(zhàn)國時期，齊國工

5、匠寫成考工記，提出金有六齊，是世界科技史上最早冶銅經驗總結 青銅：第一個合金夏鉞戈第22頁第22頁三星堆突目面具鑄于商代晚期，高64.5cm，寬138cm，眼球柱狀外突長達13.5cm三星堆立人像鑄于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大青銅立人像第23頁第23頁司母戊鼎司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133cm，重875kg。為已知中國古代體量最大青銅器銅禁，中國已知最早應用失蠟法鑄造作品，春秋時代楚國王子午墓出土，年代為公元前6世紀第24頁第24頁溫文爾雅四羊方尊（戰(zhàn)國）錯金犀牛尊戰(zhàn)國曾侯乙青銅編鐘第25頁第25頁湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍第26頁第

6、26頁1450BC 鐵制車輪1500AD 廉價冶鐵業(yè)1000BC 鐵器時代 (Iron Age)第27頁第27頁戰(zhàn)國鐵犁頭戰(zhàn)國鐵鋤湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤第28頁第28頁鐵性能更加好，原料更易得。在當代仍在大規(guī)模應用。第29頁第29頁 科學技術發(fā)展史，就是材料發(fā)展史原理成品 發(fā)展時間電機18211886 65真空管 18821915 33無線電18871922 35X光18951913 18雷達19351940 5原子堆19391942 3半導體19481951 3激光19581960 2科學原理發(fā)覺時間與其產業(yè)化時間對照第30頁第30頁輪子發(fā)展與材料發(fā)展關系第31頁第31頁車始于輪子創(chuàng)造，

7、是陸地交通變革開始，是人類歷史上最主要創(chuàng)造之一。車使人類活動范圍變大，人際交往和物質交流也增多了。木柱是輪子雛型，聽說5500多年前，生活在美索不達米亞平原蘇美人首先創(chuàng)造了車。最原始車輪就是圓木片，以后為了制作方便，采取木板拼接，將木紋走向不同木板交織著釘在一起，能夠預防開裂。據李約瑟考證，約在四千五百年到三千五百年前，中國出現(xiàn)了第一輛車子。左傳記載車是四千年前夏代奚鐘創(chuàng)造。三千多年前殷代考古文物中發(fā)覺殉葬車，由車廂、車轅和兩個輪子組成，已是比較成熟交通工具了。公元前，人類創(chuàng)造了有輻車輪，比實體車輪輕便了許多，用馬拉輻式車輪車子，速度快，運動輕巧靈活，被古人當作戰(zhàn)車應用。進入18世紀后，伴隨第

8、一次產業(yè)革命興起，生產規(guī)?？焖贁U大，人類開始大量制造較耐用金屬輪子。時至今日，汽車所用輪子要求更高，金屬輪子外圍愈加上橡膠輪胎，以作避震及增強附著摩擦力之用輪子發(fā)展與材料發(fā)展關系第32頁第32頁第一次科技革命發(fā)生于18世紀中葉英國，而后遍及歐洲和北美國家。這次革命以紡織機械革新為起點，以蒸汽機廣泛使用為標志，實現(xiàn)了工業(yè)生產從手工工具到機械化轉變，使以機器為主體工廠制度化替了以手工技術為基礎手工工場，從而把人類帶進了蒸汽時代。第一次科技革命發(fā)生條件當初英國正在開辟海外市場以及進行“圈地運動”, 具備大量資金、勞動力、原料和遼闊市場基礎，工場手工業(yè)快速發(fā)展起來，技術水平提升又增進了操作過程專業(yè)化和

9、純熟程度，為用機器代替人手操作提供了準備條件在1718世紀英國，牛頓一批科學家掌握了力學理論，開辦了各種學術團隊，廣泛交流學術思想；促使科技革命發(fā)生從18世紀60年代起，棉紡織業(yè)中一系列新工具機出現(xiàn)，制造能產生巨大、穩(wěn)定動力機械裝置成了工業(yè)上迫切需要。于是，以瓦特改進蒸汽機為代表動力機就應運而生材料與技術革命第33頁第33頁第二次技術革命開始于19世紀末，以電創(chuàng)造和廣泛應用為標志，始終延續(xù)到20世紀中葉，以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機、汽車和其它工業(yè)，支持這個時期產業(yè)革命仍然是新材料開發(fā)，如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料發(fā)展。材料與技術革命第34頁第34頁第三次技術革命開始

10、于20世紀中葉，以原子能應用為標志，實現(xiàn)了合成材料、半導體材料等大規(guī)模工業(yè)化、民用化。 材料與技術革命第35頁第35頁核能材料瑞士核電站 氧化鈾 鎢釩鋼（W-V steel）鉻釩鋼（Cr-V steel）鎳基高溫合金（Hastelloy material）核反應堆材料耐中子輻射、腐蝕、高溫燒結后燒結前第36頁第36頁第四次技術革命開始于20世紀70年代，以計算機、微電子技術、生物工程技術與空間技術為主要標志。 材料與技術革命第37頁第37頁新材料時代 (New Material Age)長征三號運載火箭在發(fā)射架上圖片寶鋼高爐材料、能源、信息是當代社會文明和國民經濟三大支柱，是人類社會進步和科學

11、技術發(fā)展物質基礎和技術先導。材料是全球新技術革命四大標志之一（新材料技術、新能源技術、信息技術、生物技術）。第38頁第38頁汽車工業(yè)：金屬、玻璃、各種塑料、涂料航空航天：高溫合金、隔熱材料、輕型高強度材料能源工業(yè)：儲氫合金、燃料電池、太陽能電池電子信息：半導體材料、超導材料、磁統(tǒng)計材料生物技術：人工關節(jié)、人工皮膚、人工臟器農業(yè)：人造土壤、地面覆蓋日常生活：包裝材料、建筑材料 當代社會 三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技術和新材料第39頁第39頁材料是所有科技進步關鍵建筑、交通、能源、計算機、通信、多媒體、生物醫(yī)學工程無一不依賴材料科學與技術發(fā)展來實現(xiàn)和突破沒有鋼鐵材料，就沒有

12、今天高樓大廈沒有專門為噴氣發(fā)動機用高溫材料，就沒有靠飛機旅行交通沒有耐高溫復合涂層材料，就沒有些人類摸索外空飛船沒有固體微電子電路，就沒有計算機第40頁第40頁火箭第41頁第41頁第42頁第42頁材料應用鋁合金主要應用領域戰(zhàn)機艦船導彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑第43頁第43頁新材料特性 依據人們對材料物理和化學性能理解，為了特定需要而設計、加工材料半導體單晶硅、砷化嫁、光導纖維、超導等新材料開發(fā)和應用，使得新技術得以生產和應用，從而增進新工業(yè)出現(xiàn)和發(fā)展，極大推動了社會文明與經濟發(fā)展 新材料 新技術 新工業(yè)第44頁第44頁材料與日常生活鈦合金自行車：“自行車發(fā)熱友” 選擇鈦合金制自行車

13、。通慣用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性場合 第45頁第45頁材料與日常生活形狀記憶合金百葉窗第46頁第46頁材料與日常生活當前市場發(fā)售眼鏡架有純鈦制品、TiNi超彈性合金制品等其長處是耐腐蝕、不變色、質輕眼鏡架第47頁第47頁材料與日常生活用鈦制作手表在國外市場已早有發(fā)售，當前世界上已有十多家表廠生產這種手表，其中有全鈦表殼，也有部分用鈦或用氮化鈦、碳化氮等另外，尚有供運動員和潛水員使用特制手表聽說是鈦合金外殼哦！手表第48頁第48頁材料與日常生活照相機純鈦戒指鈦金發(fā)王鈦手鏈用鈦制作日用具尚有照相機、手提箱、保溫瓶、耳環(huán)、手鐲、戒指、項鏈、胸針等第49頁第49頁材料與建筑第50頁第50頁材料與交

14、通第51頁第51頁福特與西納給這兩款由材料工程師設計汽車將成為未來交通工具汽車用高強鋼，比原先輕24%，而強度高34%。汽車第52頁第52頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀前人類創(chuàng)造齊柏林硬式飛艇、揚聲器、空氣調整裝置、自動售貨機、圣誕樹彩燈、雙刃安全剃刀、飛機、人造樹膠、霓虹燈、汽車上電點火裝置、紙杯、不銹鋼、坦克、 爆米花烤箱 第53頁第53頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀代人類創(chuàng)造機器人、雪上汽車、自動手表、電動剃須刀、16毫米家庭型電影照相機、克里內克絲面巾紙、電視機、汽車無線電、紅綠燈第54頁第54頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀30年代人類創(chuàng)

15、造易拉罐、寶麗來太陽鏡、自動洗衣店、道路斑馬線、罐裝啤酒、原子筆、施樂復印機、家用電冰箱、電腦、立體聲錄音機 第55頁第55頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀40年代人類創(chuàng)造尼龍絲襪、彩色電視、塔伯家用塑料制品、原子彈、微波爐、吉普車、寶麗來照相機、慢轉密紋唱片、可多次使用尿布、第一臺由軟件驅動電腦 第56頁第56頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀50年代人類創(chuàng)造信用卡、有線電視、動力方向盤、袖珍晶體管收音機、錄像機、不粘鍋、壘高兒童拼裝玩具、氫彈、水翼船、調制解調器、健身呼啦圈 第57頁第57頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀60年代人類創(chuàng)造軟接觸鏡頭、纖

16、維筆尖鋼筆、體重計、用做隆胸硅膠填充物、按鈕電話、電腦鼠標、石英手表、“傻瓜”照相機、渦流浴室、影碟、盒式錄音磁帶、手提電腦、掃描儀、丙烯酸樹脂涂料 第58頁第58頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀70年代人類創(chuàng)造電腦軟盤、袖珍計算器、可隨意粘貼便條、Beta制大尺寸磁帶錄像系統(tǒng)、自動調焦照相機、蘋果第二代電腦、移動 電話(手機)、索尼隨身聽第59頁第59頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀80年代人類創(chuàng)造光盤、一次性照相機、高清楚度電視、人工合成皮膚、CD ROM、多普勒雷達，高溫超導體、數(shù)字蜂窩電話 第60頁第60頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 20世紀90年代

17、人類創(chuàng)造“哈勃”太空望遠鏡、DVD、可用于汽車上氫氣燃料電池、“奔騰”處理器第61頁第61頁20世紀科技創(chuàng)造史-與材料密切相關 21世紀人類發(fā)明蘋果iPod音樂隨身聽、人造肝臟、免清潔窗戶、Segway新型交通工具、適于在北極嚴寒氣候條件下騎行冰上自行車、防身夾克 第62頁第62頁材料未來發(fā)展 微型化納米材料與結構 智能材料 環(huán)境保護材料可生物降解材料等 仿生材料 極限條件用材料第63頁第63頁材料金屬材料無機非金屬材料：陶瓷，玻璃，玻璃陶瓷等高分子材料：橡膠，塑料，膠粘劑復合材料：金屬基，陶瓷基，高分子基黑色金屬：鋼，鐵，鎢有色金屬：鋁，銅，鈦，金，銀等材料分類按價鍵結構金屬鍵離子鍵和共價鍵共價鍵和分子鍵第64頁第64頁金屬材料容易加工、強度韌性好、導電導熱第65頁第65頁陶瓷強度硬度高、脆、絕緣、耐熱第66頁第66頁高分子輕、加工性好、絕緣、耐腐蝕第67頁第67頁復合材料強度和輕完美結合第68頁第68頁半導體當代信息產業(yè)基礎材料第69頁第69頁材料分類按應用材料結構材料：以力學性能為主要功效功效材料：以物理，化學性能為主要功效第70頁第70頁功效材料含有優(yōu)良光學、電學、磁學、聲學、熱學、力學、化學和生物學功效及其互相轉化功效，被用于非結構目的之高技術材料。定義 磁性材料 軟磁材料、硬磁材料、磁統(tǒng)計材料