材料與人類文明課件

二、材料的應用導致城市的建立城市是世界文明和社會進步的主要標志之一。從經(jīng)濟落后時期的以物易物到商品流通的貿(mào)易集市的出現(xiàn)，逐漸發(fā)展為固定的城鎮(zhèn)(城市的雛形)，最終建立起現(xiàn)代的大、中城市。二、材料的應用導致城市的建立城市是世界文明和社會進步的主要標1在此進程中，材料起了極大推動作用。建筑物上的磚、瓦，街道上的石、土及城市交通工具及物件等，都離不開材料。更重要的是材料本身可直接導致城市的建立。如美國鋼城(底特律)，先發(fā)跡于鋼鐵，后又靠鋼鐵發(fā)展汽車、飛機等；中國西北的酒鋼公司和嘉峪關(guān)市(酒鋼所在地)、鎳都金川公司與金昌市等。在此進程中，材料起了極大推動作用。建筑物上的磚、瓦，街道上的2北京紫禁城北京紫禁城3紫禁城紫禁城4王汝聰堂前客廳

王汝聰堂前客廳

王汝聰堂前客廳

王汝聰堂前客廳

王汝聰堂前客廳王汝聰堂前客廳王汝聰堂前客廳王汝聰堂前客5材料與人類文明課件6古埃及金字塔古埃及金字塔7古希臘巴特農(nóng)神廟古希臘巴特農(nóng)神廟8三、材料的應用推動經(jīng)濟發(fā)展回顧人類的經(jīng)濟發(fā)展史，從原始社會的狩獵、刀耕火種，到封建社會的莊園經(jīng)濟和后來的小農(nóng)經(jīng)濟，直到近代的工業(yè)經(jīng)濟，世界經(jīng)濟舞臺發(fā)生了翻天覆地的變化，在這之中，材料起了關(guān)鍵作用。尤其是近300年來，兩次世界范圍的產(chǎn)業(yè)革命都離不開材料的應用與新材料的開發(fā)。

三、材料的應用推動經(jīng)濟發(fā)展回顧人類的經(jīng)濟發(fā)展史，從原始社會的9

第一次產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命

是以推廣應用蒸汽機和紡織工業(yè)為突破口的，還有稍后的機械制造、輪船、火車等，而后都是以煉鋼工業(yè)和鋼鐵材料的極大發(fā)展為基礎的，當時，必須先開發(fā)出鋼鐵、銅合金等新材料而后使其實用化并得到推廣。造就了霧都倫敦第一次產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命造就了10比如，火車鐵軌的問世就是鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應用的成功例子。比如，火車鐵軌的問世就是鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應用的成功例子。11材料與人類文明課件1216世紀中期，英國用優(yōu)質(zhì)木材做軌道，讓馬車牽引車輛在其上行駛來運煤和礦石；1825年英國的達林頓鐵路營業(yè)，采用斯蒂芬森的蒸汽機車，馬車業(yè)主的竭力反對；直到1829年由斯蒂芬森兒子改進的“火箭號”機車在與馬車比賽中獲勝，才用火車取代了有軌馬車，使英國進入了鐵路時代16世紀中期，英國用優(yōu)質(zhì)木材做軌道，讓馬車牽引車輛在其上行駛13路軌材料最初是在木材上釘上鐵板，這顯然承擔不了較大負載，后來才使用高碳錳鋼做鐵軌；鐵軌的長度從很短的11.2m(震動和噪聲以及阻力都較大)發(fā)展到100m以上?，F(xiàn)在的軌道可預焊成400m的長軌，鋪軌時再依次焊接，可長達數(shù)公里，故火車在其上行駛時，平穩(wěn)、舒適、快捷；功率相同時火車載重約為汽車的10倍，15節(jié)火車車廂的裝載量相當于約200輛卡車的裝載量。從此，鐵路成了各國國民經(jīng)濟的大動脈。而這一切又是建立在鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應用的基礎上的。路軌材料最初是在木材上釘上鐵板，這顯然承擔不了較大負載，后來14第二次產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命

是以石油開發(fā)和新能源使用為突破口的，一直延續(xù)到20世紀中葉。大力推動了汽車、飛機等其他工業(yè)。其支撐仍是新材料開發(fā)，離不開合金鋼、鋁合金以及其他非金屬材料的發(fā)展。第二次產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命是以石油開發(fā)和新

有人認為：20世紀前半期開始的以核能、飛機、汽車、化工和電子計算機的發(fā)明或發(fā)展為標志的第三次工業(yè)革命，是與航空材料的進步(涉及飛機的革新)和20世紀30年代繼塑料以后，合成橡膠和合成纖維相繼問世(使有機合成材料工業(yè)進入一個嶄新階段)密切相關(guān)的。這次工業(yè)革命使勞動生產(chǎn)方式開始向自動化發(fā)展。有人認為：20世紀前半期開始的以核能、飛機、汽車、化工和電16當今世界，正面臨又一場新的技術(shù)革命(有人稱之為第四次工業(yè)革命)，它以信息科學、材料科學和生物科學為前沿，更是以各種新興材料的出現(xiàn)和應用為前提的。世界權(quán)威人士認為，這場技術(shù)革命所帶來的影響和創(chuàng)造的社會財富，將大大超過歷次工業(yè)革命。當今世界，正面臨又一場新的技術(shù)革命(有人稱之為第四次工業(yè)革命17

材料、信息、能源是人類文明的三大支柱，其中材料是物質(zhì)基礎

無鋼鐵材料——無鐵路等，美國就不能開發(fā)西部，英國不能實現(xiàn)工業(yè)化；材料、信息、能源是人類文明的三大支柱，其中材料是物質(zhì)基礎18無金屬材料——就無機械工業(yè)，也就不能為其他工業(yè)提供裝備，其他工業(yè)也不可能建立和發(fā)展；無高分子材料——就無電視機等家用電器、無輕工業(yè)；無新興材料——就無現(xiàn)代文明和經(jīng)濟發(fā)展。無金屬材料——就無機械工業(yè)，也就不能為其他工業(yè)提供裝備，其他19材料與經(jīng)濟關(guān)系的一個典型范例就是硅材料的應用。經(jīng)濟上，它觸發(fā)了一個數(shù)十億美元的工業(yè)。從助聽器到全球性的遙測技術(shù)，通信已十分便利，并且通過文化娛樂、各種私人計算機的出現(xiàn)與使用，使人們的日常生活發(fā)生著巨大的變化。材料與經(jīng)濟關(guān)系的一個典型范例就是硅材料的應用。經(jīng)濟上，它觸發(fā)20第三節(jié)材料是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基

礎與先導一、材料與社會現(xiàn)代化材料既是人類社會進步的里程碑，又是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎與先導。尤其是新材料的研究、開發(fā)與應用反映著一個國家的科學技術(shù)與工業(yè)水平。第三節(jié)材料是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基

21以電子、光子技術(shù)的發(fā)展史為

例，看新材料的作用l906年發(fā)明了電子管，從而出現(xiàn)了無線電技術(shù)、電視機、電子計算機；1948年發(fā)明了半導體晶體管，導致了電子設備的小型化、輕量化、省能化以及成本的降低、可靠性的提高與壽命的延長；1958年出現(xiàn)了集成電路，使計算機及各種電子設備發(fā)生一次飛躍。此后，集成電路的發(fā)展十分迅速，這就是以硅為主的半導體材料相應發(fā)展的結(jié)果。以電子、光子技術(shù)的發(fā)展史為

例，看新材料的作用l906年發(fā)明22進入20世紀90年代，集成電路的集成度進一步提高，加工技術(shù)達到0.3um(研究水平已達0.1um)，與存儲器相關(guān)的硅片加工水平提高，這也是為什么計算機的功能愈來愈好而其價格卻不斷下降的重要原因。

進入20世紀90年代，集成電路的集成度進一步提高，加工技術(shù)達23隨著計算機速度與容量的增加，以電子作為傳輸媒介受到限制，而利用光子作為攜帶信息的載體進行光傳輸將更理想，于是發(fā)展了光電子材料，用光子器件制成的光計算機具有大容量、高速度，而且有助于向智能化方向發(fā)展。隨著計算機速度與容量的增加，以電子作為傳輸媒介受到限制，而利24現(xiàn)代計算機信息存儲要求：1.容量大、密度高；2.易快速存??；3.能擦除和反復使用。如一張光盤可存儲10萬幅圖像或50萬頁多的文字，比一般磁盤高幾百倍。各種用途敏感材料的開發(fā)顯得尤為重要?，F(xiàn)代計算機信息存儲要求：252.從通信技術(shù)的進步看新材料的作用通信一般采用微波、電纜來傳輸信號；1966年在理論上提出可用光波通信；1976年出現(xiàn)了第一條試驗光纖通信線路；1988年建成第一條橫貫大西洋的海底光纜；光纖傳輸信號具有容量大、造價低、中繼站少、保密性強等特點。2.從通信技術(shù)的進步看新材料的作用通信一般采用微波、電纜來26

光導纖維使“信息高速公路”的設想成為現(xiàn)實。除光導纖維以外，激光技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展是其重要的促成因素，而這些都與材料密切相關(guān)。光導纖維使“信息高速公路”的設想成為現(xiàn)實。273.從航空航天技術(shù)的發(fā)展看新材料的作用20世紀40年代出現(xiàn)了噴氣技術(shù)。像殲擊機、大型客機用的主要材料是高溫合金和鈦合金；航空航天所用材料的比強度、比剛度尤為重要，因為飛機發(fā)動機每減重1kg，飛機可減重4kg；航天飛行器每減重1kg，就可使運載火箭減重500kg。所以對高速飛行器來說，要不惜一切代價來減輕質(zhì)量。3.從航空航天技術(shù)的發(fā)展20世紀40年代出現(xiàn)了噴氣技術(shù)。像殲28大力發(fā)展纖維增強的樹脂基及金屬基復合材料：

如高強度高分子纖維芳綸，其比強度比高強度鋼高出近100倍。若用其造飛機的飛行速度快到從紐約到東京只需2h。再如用現(xiàn)代功能陶瓷制造熱機，會使其熱效率大幅提高。大力發(fā)展纖維增強的樹脂基及金屬基復合材料：29綜上所述，新材料與社會現(xiàn)代化和現(xiàn)代文明的關(guān)系十分密切：生活水平、國家安全、工業(yè)生產(chǎn)率、經(jīng)濟增長等。美國2000年，先進材料在12項新技術(shù)中的產(chǎn)值居首位；全世界先進材料的產(chǎn)值為4000億美元，占整個新興技術(shù)產(chǎn)值10000億美元的40％。綜上所述，新材料與社會現(xiàn)代化和現(xiàn)代文明的關(guān)系十分密切：生活水30二、材料對近、現(xiàn)代科學技術(shù)的促進作用作用：提供新的物質(zhì)和材料；開發(fā)新的能源；發(fā)明靈巧的機器。

二、材料對近、現(xiàn)代科學技術(shù)的作用：31從世界科技發(fā)展史看，重大的技術(shù)革新往往起始于材料的革新與開發(fā)；20世紀50年代鎳基高溫合金的出現(xiàn)導致超音速飛機問世；而高溫陶瓷的出現(xiàn)則促進了航天飛機的發(fā)展；近現(xiàn)代新技術(shù)的發(fā)展又促進了新材料的研制。從世界科技發(fā)展史看，重大的技術(shù)革新往往起始于材料的革新與開發(fā)32半導體材料計算機和信息革命；高溫合金、高溫陶瓷宇航科技；光導纖維光通信、信息高速公路；因此，新材料與所有新興產(chǎn)業(yè)都密切相關(guān)。半導體材料計算機和信息革命；高溫合金、高溫陶瓷宇航科技；33材料對21世紀科技與經(jīng)濟發(fā)展的重要性中國在高校、各科研院所有眾多的從事與材料有關(guān)的研究人員；世界上每年都召開與新材料有關(guān)的學術(shù)會議；美國新世紀的三大經(jīng)濟發(fā)展重點：信息、生物和納米技術(shù)；納米技術(shù)是對全世界都富有挑戰(zhàn)性的新科技，其中必然包含納米材料。材料對21世紀科技與經(jīng)濟發(fā)展的重要性341985年至1987年，材料科學基礎研究連續(xù)3年獲得諾貝爾獎，獎勵的成果分別為量子霍爾(Hall)效應的發(fā)現(xiàn)、隧道掃描電子顯微鏡的發(fā)明和高臨界溫度超導體的合成。這也充分表明材料科學技術(shù)對于人類科技事業(yè)的巨大貢獻。1985年至1987年，材料科學基礎研究連續(xù)3年獲得諾貝爾獎35

第四節(jié)材料循環(huán)：材料、能源、

環(huán)境

一、地球一材料一地球

圖1-1是在全球范圍高度簡化了的材料循環(huán)示意圖。圖的左半部屬于材料供應，主要是為了獲得工業(yè)材料，它屬于礦業(yè)及農(nóng)業(yè)科學與工程的范疇。右半部屬于材料使用和消耗，主要是在制造結(jié)構(gòu)件、器件、機器及其隨后的應用中對工程材料的使用，它屬于材料科學與工程的主要范疇。第四節(jié)材料循環(huán)：材料、能源、

36圖1-1簡化的材料循環(huán)示意圖

圖1-1簡化的材料循環(huán)示意圖37

地球

礦石、煤、原油、石頭、木材等原材料

經(jīng)過選礦、精煉、提純、制漿等工藝金屬、化學產(chǎn)品、紙張、水泥、纖維等加工成各種晶體、合金、陶瓷、塑料、混凝土等制造成各種有用產(chǎn)品

以廢料的形式回到地球或經(jīng)分解和材料回收再次進入材料循環(huán)。地球礦石、煤、原油、石頭、木材等原材料經(jīng)過選礦、精38蒙特利爾碳60

材料循環(huán)具有以下特點:

①材料的循環(huán)總是一個從生到死的封閉系統(tǒng)從地球獲取資源制成的材料用過后作為廢料又回到大地，或者被再加工重新進入循環(huán)，直到最后廢棄為止。蒙特利爾碳60材料循環(huán)具有以下特點:①材料的循環(huán)總39

②材料循環(huán)是一項巨大的產(chǎn)業(yè)世界上每年約生產(chǎn)出150億噸原材料，其中美國消耗了l/3，人均25t/年。其他國家的人均原材料消耗量也同樣在快速增長。②材料循環(huán)是一項巨大的產(chǎn)業(yè)40

③材料循環(huán)已成為各國之間聯(lián)系的重要紐帶由于原材料、產(chǎn)品的出口與進口，各國之間的經(jīng)濟貿(mào)易往來頻繁。如中國的寶山鋼廠使用澳大利亞鐵礦砂、中國現(xiàn)在較大量地出口以鋼鐵材料為主的機械裝備(機床等)；日本的原材料絕大部分靠從世界各地輸入，同時大量輸出其產(chǎn)品(汽車、家電等)。③材料循環(huán)已成為各國之間聯(lián)系的41

④材料循環(huán)中的增值如礦產(chǎn)品鋁礬土每噸約8美元，通過不同的制備(電解等)和加工工藝變成鑄造半成品和鑄件時每噸達1000美元，增長125倍。但考慮到在此制備、加工階段，產(chǎn)品的質(zhì)量減少到原來的1/5，故此類產(chǎn)品的總價值在材料循環(huán)中提高25倍。④材料循環(huán)中的增值42⑤材料循環(huán)與社會材料循環(huán)受社會需要的推動，而社會發(fā)展又受材料循環(huán)的制約。在材料循環(huán)中，勞動、能源、資金和成本等所形成的價值都要加入到材料中，總的效果是材料的質(zhì)量減少、價值上升。當然材料也具有了各種可用的性能和功能。⑤材料循環(huán)與社會43二、材料與能源

①生產(chǎn)材料要消耗大量能源表1-2列出20世紀某年美國消耗能量最高的幾種原材料工業(yè)。鋁、銅因為采用電加工工藝(電解)因而每噸位的能耗特別大。相反，砂子、礫石和石頭只要略加處理即可把粗的原生材料變?yōu)樽詈笫褂玫墓こ滩牧?。鋼鐵的單位能耗居中等，但是因其噸位巨大，故成為主要耗能者而列置表內(nèi)的首位。二、材料與能源①生產(chǎn)材料要消耗大量能源44材料年噸位／104t每噸耗能／104Btu·t－1年耗能／1012Btu鋼渣、生鐵和鋼鑄件15224.93800一次鋁錠4.532441100硅酸鹽水泥90.57.6690一次銅(精煉)1.97112220玻璃器皿12.417.4220沙礫石、碎石塊18600.056100一次鋅1.426590

表1-220世紀某年美國消耗能量最高的幾種原材料工業(yè)

注：1Btu＝1054.35J材料年噸位每噸耗能年耗能鋼渣、生鐵和45

②能源工業(yè)離不開材料的應用與發(fā)展目前所有先進的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)中，都受到材料性能和技術(shù)的限制。如燃氣渦輪機、核反應堆、太陽能、磁流體發(fā)電、煤的轉(zhuǎn)換、高密度電池和燃料電池等；太陽能是一種永恒能源，但由于長期沒有發(fā)展出效率高、壽命長、價格低廉的光電轉(zhuǎn)換材料而使使其利用率一直很低，目前太陽能熱水器已實用化。②能源工業(yè)離不開材料的應用與發(fā)展46三、材料與環(huán)境

美國1976年工業(yè)污染控制成本高達工廠設備投資的5.7％，而美國的原材料生產(chǎn)工廠的污染控制成本則還要高出1.5-2倍。中國近20余年有較嚴重的環(huán)境問題。如頻發(fā)水災、黃河斷流、草原沙化等。三、材料與環(huán)境47本章參考書謝謝！本章參考書謝謝！48二、材料的應用導致城市的建立城市是世界文明和社會進步的主要標志之一。從經(jīng)濟落后時期的以物易物到商品流通的貿(mào)易集市的出現(xiàn)，逐漸發(fā)展為固定的城鎮(zhèn)(城市的雛形)，最終建立起現(xiàn)代的大、中城市。二、材料的應用導致城市的建立城市是世界文明和社會進步的主要標49在此進程中，材料起了極大推動作用。建筑物上的磚、瓦，街道上的石、土及城市交通工具及物件等，都離不開材料。更重要的是材料本身可直接導致城市的建立。如美國鋼城(底特律)，先發(fā)跡于鋼鐵，后又靠鋼鐵發(fā)展汽車、飛機等；中國西北的酒鋼公司和嘉峪關(guān)市(酒鋼所在地)、鎳都金川公司與金昌市等。在此進程中，材料起了極大推動作用。建筑物上的磚、瓦，街道上的50北京紫禁城北京紫禁城51紫禁城紫禁城52王汝聰堂前客廳

王汝聰堂前客廳

王汝聰堂前客廳

王汝聰堂前客廳

王汝聰堂前客廳王汝聰堂前客廳王汝聰堂前客廳王汝聰堂前客53材料與人類文明課件54古埃及金字塔古埃及金字塔55古希臘巴特農(nóng)神廟古希臘巴特農(nóng)神廟56三、材料的應用推動經(jīng)濟發(fā)展回顧人類的經(jīng)濟發(fā)展史，從原始社會的狩獵、刀耕火種，到封建社會的莊園經(jīng)濟和后來的小農(nóng)經(jīng)濟，直到近代的工業(yè)經(jīng)濟，世界經(jīng)濟舞臺發(fā)生了翻天覆地的變化，在這之中，材料起了關(guān)鍵作用。尤其是近300年來，兩次世界范圍的產(chǎn)業(yè)革命都離不開材料的應用與新材料的開發(fā)。

三、材料的應用推動經(jīng)濟發(fā)展回顧人類的經(jīng)濟發(fā)展史，從原始社會的57

第一次產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命

是以推廣應用蒸汽機和紡織工業(yè)為突破口的，還有稍后的機械制造、輪船、火車等，而后都是以煉鋼工業(yè)和鋼鐵材料的極大發(fā)展為基礎的，當時，必須先開發(fā)出鋼鐵、銅合金等新材料而后使其實用化并得到推廣。造就了霧都倫敦第一次產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命造就了58比如，火車鐵軌的問世就是鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應用的成功例子。比如，火車鐵軌的問世就是鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應用的成功例子。59材料與人類文明課件6016世紀中期，英國用優(yōu)質(zhì)木材做軌道，讓馬車牽引車輛在其上行駛來運煤和礦石；1825年英國的達林頓鐵路營業(yè)，采用斯蒂芬森的蒸汽機車，馬車業(yè)主的竭力反對；直到1829年由斯蒂芬森兒子改進的“火箭號”機車在與馬車比賽中獲勝，才用火車取代了有軌馬車，使英國進入了鐵路時代16世紀中期，英國用優(yōu)質(zhì)木材做軌道，讓馬車牽引車輛在其上行駛61路軌材料最初是在木材上釘上鐵板，這顯然承擔不了較大負載，后來才使用高碳錳鋼做鐵軌；鐵軌的長度從很短的11.2m(震動和噪聲以及阻力都較大)發(fā)展到100m以上?，F(xiàn)在的軌道可預焊成400m的長軌，鋪軌時再依次焊接，可長達數(shù)公里，故火車在其上行駛時，平穩(wěn)、舒適、快捷；功率相同時火車載重約為汽車的10倍，15節(jié)火車車廂的裝載量相當于約200輛卡車的裝載量。從此，鐵路成了各國國民經(jīng)濟的大動脈。而這一切又是建立在鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應用的基礎上的。路軌材料最初是在木材上釘上鐵板，這顯然承擔不了較大負載，后來62第二次產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命

是以石油開發(fā)和新能源使用為突破口的，一直延續(xù)到20世紀中葉。大力推動了汽車、飛機等其他工業(yè)。其支撐仍是新材料開發(fā)，離不開合金鋼、鋁合金以及其他非金屬材料的發(fā)展。第二次產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命是以石油開發(fā)和新

有人認為：20世紀前半期開始的以核能、飛機、汽車、化工和電子計算機的發(fā)明或發(fā)展為標志的第三次工業(yè)革命，是與航空材料的進步(涉及飛機的革新)和20世紀30年代繼塑料以后，合成橡膠和合成纖維相繼問世(使有機合成材料工業(yè)進入一個嶄新階段)密切相關(guān)的。這次工業(yè)革命使勞動生產(chǎn)方式開始向自動化發(fā)展。有人認為：20世紀前半期開始的以核能、飛機、汽車、化工和電64當今世界，正面臨又一場新的技術(shù)革命(有人稱之為第四次工業(yè)革命)，它以信息科學、材料科學和生物科學為前沿，更是以各種新興材料的出現(xiàn)和應用為前提的。世界權(quán)威人士認為，這場技術(shù)革命所帶來的影響和創(chuàng)造的社會財富，將大大超過歷次工業(yè)革命。當今世界，正面臨又一場新的技術(shù)革命(有人稱之為第四次工業(yè)革命65

材料、信息、能源是人類文明的三大支柱，其中材料是物質(zhì)基礎

無鋼鐵材料——無鐵路等，美國就不能開發(fā)西部，英國不能實現(xiàn)工業(yè)化；材料、信息、能源是人類文明的三大支柱，其中材料是物質(zhì)基礎66無金屬材料——就無機械工業(yè)，也就不能為其他工業(yè)提供裝備，其他工業(yè)也不可能建立和發(fā)展；無高分子材料——就無電視機等家用電器、無輕工業(yè)；無新興材料——就無現(xiàn)代文明和經(jīng)濟發(fā)展。無金屬材料——就無機械工業(yè)，也就不能為其他工業(yè)提供裝備，其他67材料與經(jīng)濟關(guān)系的一個典型范例就是硅材料的應用。經(jīng)濟上，它觸發(fā)了一個數(shù)十億美元的工業(yè)。從助聽器到全球性的遙測技術(shù)，通信已十分便利，并且通過文化娛樂、各種私人計算機的出現(xiàn)與使用，使人們的日常生活發(fā)生著巨大的變化。材料與經(jīng)濟關(guān)系的一個典型范例就是硅材料的應用。經(jīng)濟上，它觸發(fā)68第三節(jié)材料是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基

礎與先導一、材料與社會現(xiàn)代化材料既是人類社會進步的里程碑，又是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎與先導。尤其是新材料的研究、開發(fā)與應用反映著一個國家的科學技術(shù)與工業(yè)水平。第三節(jié)材料是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基

69以電子、光子技術(shù)的發(fā)展史為

例，看新材料的作用l906年發(fā)明了電子管，從而出現(xiàn)了無線電技術(shù)、電視機、電子計算機；1948年發(fā)明了半導體晶體管，導致了電子設備的小型化、輕量化、省能化以及成本的降低、可靠性的提高與壽命的延長；1958年出現(xiàn)了集成電路，使計算機及各種電子設備發(fā)生一次飛躍。此后，集成電路的發(fā)展十分迅速，這就是以硅為主的半導體材料相應發(fā)展的結(jié)果。以電子、光子技術(shù)的發(fā)展史為

例，看新材料的作用l906年發(fā)明70進入20世紀90年代，集成電路的集成度進一步提高，加工技術(shù)達到0.3um(研究水平已達0.1um)，與存儲器相關(guān)的硅片加工水平提高，這也是為什么計算機的功能愈來愈好而其價格卻不斷下降的重要原因。

進入20世紀90年代，集成電路的集成度進一步提高，加工技術(shù)達71隨著計算機速度與容量的增加，以電子作為傳輸媒介受到限制，而利用光子作為攜帶信息的載體進行光傳輸將更理想，于是發(fā)展了光電子材料，用光子器件制成的光計算機具有大容量、高速度，而且有助于向智能化方向發(fā)展。隨著計算機速度與容量的增加，以電子作為傳輸媒介受到限制，而利72現(xiàn)代計算機信息存儲要求：1.容量大、密度高；2.易快速存取；3.能擦除和反復使用。如一張光盤可存儲10萬幅圖像或50萬頁多的文字，比一般磁盤高幾百倍。各種用途敏感材料的開發(fā)顯得尤為重要?，F(xiàn)代計算機信息存儲要求：732.從通信技術(shù)的進步看新材料的作用通信一般采用微波、電纜來傳輸信號；1966年在理論上提出可用光波通信；1976年出現(xiàn)了第一條試驗光纖通信線路；1988年建成第一條橫貫大西洋的海底光纜；光纖傳輸信號具有容量大、造價低、中繼站少、保密性強等特點。2.從通信技術(shù)的進步看新材料的作用通信一般采用微波、電纜來74

光導纖維使“信息高速公路”的設想成為現(xiàn)實。除光導纖維以外，激光技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展是其重要的促成因素，而這些都與材料密切相關(guān)。光導纖維使“信息高速公路”的設想成為現(xiàn)實。753.從航空航天技術(shù)的發(fā)展看新材料的作用20世紀40年代出現(xiàn)了噴氣技術(shù)。像殲擊機、大型客機用的主要材料是高溫合金和鈦合金；航空航天所用材料的比強度、比剛度尤為重要，因為飛機發(fā)動機每減重1kg，飛機可減重4kg；航天飛行器每減重1kg，就可使運載火箭減重500kg。所以對高速飛行器來說，要不惜一切代價來減輕質(zhì)量。3.從航空航天技術(shù)的發(fā)展20世紀40年代出現(xiàn)了噴氣技術(shù)。像殲76大力發(fā)展纖維增強的樹脂基及金屬基復合材料：

如高強度高分子纖維芳綸，其比強度比高強度鋼高出近100倍。若用其造飛機的飛行速度快到從紐約到東京只需2h。再如用現(xiàn)代功能陶瓷制造熱機，會使其熱效率大幅提高。大力發(fā)展纖維增強的樹脂基及金屬基復合材料：77綜上所述，新材料與社會現(xiàn)代化和現(xiàn)代文明的關(guān)系十分密切：生活水平、國家安全、工業(yè)生產(chǎn)率、經(jīng)濟增長等。美國2000年，先進材料在12項新技術(shù)中的產(chǎn)值居首位；全世界先進材料的產(chǎn)值為4000億美元，占整個新興技術(shù)產(chǎn)值10000億美元的40％。綜上所述，新材料與社會現(xiàn)代化和現(xiàn)代文明的關(guān)系十分密切：生活水78二、材料對近、現(xiàn)代科學技術(shù)的促進作用作用：提供新的物質(zhì)和材料；開發(fā)新的能源；發(fā)明靈巧的機器。

二、材料對近、現(xiàn)代科學技術(shù)的作用：79從世界科技發(fā)展史看，重大的技術(shù)革新往往起始于材料的革新與開發(fā)；20世紀50年代鎳基高溫合金的出現(xiàn)導致超音速飛機問世；而高溫陶瓷的出現(xiàn)則促進了航天飛機的發(fā)展；近現(xiàn)代新技術(shù)的發(fā)展又促進了新材料的研制。從世界科技發(fā)展史看，重大的技術(shù)革新往往起始于材料的革新與開發(fā)80半導體材料計算機和信息革命；高溫合金、高溫陶瓷宇航科技；光導纖維光通信、信息高速公路；因此，新材料與所有新興產(chǎn)業(yè)都密切相關(guān)。半導體材料計算機和信息革命；高溫合金、高溫陶瓷宇航科技；81材料對21世紀科技與經(jīng)濟發(fā)展的重要性中國在高校、各科研院所有眾多的從事與材料有關(guān)的研究人員；世界上每年都召開與新材料有關(guān)的學術(shù)會議；美國新世紀的三大經(jīng)濟發(fā)展重點：信息、生物和納米技術(shù)；納米技術(shù)是對全世界都富有挑戰(zhàn)性的新科技，其中必然包含納米材料。材料對21世紀科技與經(jīng)濟發(fā)展的重要性821985年至1987年，材料科學基礎研究連續(xù)3年獲得諾貝爾獎，獎勵的成果分別為量子霍爾(Hall)效應的發(fā)現(xiàn)、隧道掃描電子顯微鏡的發(fā)明和高臨界溫度超導體的合成。這也充分表明材料科學技術(shù)對于人類科技事業(yè)的巨大貢獻。1985年至1987年，材料科學基礎研究連續(xù)3年獲得諾貝爾獎83

第四節(jié)材料循環(huán)：材料、能源、

環(huán)境

一、地球一材料一地球

圖1-1是在全球范圍高度簡化了的材料循環(huán)示意圖。圖的左半部屬于材料供應，主要是為了獲得工業(yè)材料，它屬于礦業(yè)及農(nóng)業(yè)科學與工程的范疇。右半部屬于材料使用和消耗，主要是在制造結(jié)構(gòu)件、器件、機器及其隨后的應用中對工程材料的使用，它屬于材料科學與工程的主要范疇。第四節(jié)材料循環(huán)：材料、能源、

84圖1-1簡化的材料循環(huán)示意圖

圖1-1簡化的材料循環(huán)示意圖85

地球

礦石、煤、原油、石頭、木材等原材料

經(jīng)過選礦、精煉、提純、制漿等工藝金屬、化學產(chǎn)品、紙張、水泥、纖維等加工成各種晶體、合金、陶瓷、塑料、混凝土等制造成各種有用產(chǎn)品

以廢料的形式回到地球或經(jīng)分解和材料回收再次進入材料循環(huán)。地球礦石、煤、原油、石頭、木材等原材料經(jīng)過選礦、精86蒙特利爾碳60

材料循環(huán)具有以下特點:

①材料的循環(huán)總是一個從生到死的封閉系統(tǒng)從地球獲取資源制成的材料用過后作為廢料又回到大地，或者被再加工重新進入循環(huán)，直到最后廢棄為止。蒙特利爾碳60材料循環(huán)具有以下特點:①材料的循環(huán)總87

②材料循環(huán)是一項巨大的產(chǎn)業(yè)世界上每年約生產(chǎn)出150億噸原材料，其中美國消耗了l/3，人均25t/年。其他國家的人均原材料消耗量也同樣在快速增長。②材料循環(huán)是一項巨大的產(chǎn)業(yè)88

③材料循環(huán)已成為各國之間聯(lián)系的重要紐帶由于原材料、產(chǎn)品的出口與