材料與人類文明(課件)

1、二、材料的應(yīng)用導(dǎo)致城市的建立l城市是世界文明和社會(huì)進(jìn)步的主要標(biāo)志之一。l從經(jīng)濟(jì)落后時(shí)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。在此進(jìn)程中，材料起了極大推動(dòng)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(dǎo)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(jī)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。北京紫禁城北京紫禁城紫 禁 城 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 古埃及金字塔古埃及金字塔古希臘巴特農(nóng)神廟

2、古希臘巴特農(nóng)神廟三、材料的應(yīng)用推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展三、材料的應(yīng)用推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展l回顧人類的經(jīng)濟(jì)發(fā)展史，從原始社會(huì)的狩獵、刀耕火種，到封建社會(huì)的莊園經(jīng)濟(jì)和后來的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)，直到近代的工業(yè)經(jīng)濟(jì)，世界經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)發(fā)生了翻天覆地的變化，在這之中，材料起了關(guān)鍵作用。l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(yīng)用與新材料的開發(fā)。 l 第一次產(chǎn)業(yè) (工業(yè)) 革命 是以推廣應(yīng)用蒸汽機(jī)和紡織工業(yè)為突破口的，還有稍后的機(jī)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(chǔ)的，當(dāng)時(shí)，必須先開發(fā)出鋼鐵、銅合金等新材料而后使其實(shí)用化并得到推廣。 造就了造就了霧都倫敦霧都倫敦比如，火車鐵軌的問世就是鋼鐵材料

3、大量生產(chǎn)和應(yīng)用的成功例子。l16世紀(jì)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(yùn)煤和礦石；l1825年英國的達(dá)林頓鐵路營業(yè)，采用斯蒂芬森的蒸汽機(jī)車，馬車業(yè)主的竭力反對(duì)；l直到1829年由斯蒂芬森兒子改進(jìn)的“火箭號(hào)”機(jī)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(jìn)入了鐵路時(shí)代l路軌材料最初是在木材上釘上鐵板，這顯路軌材料最初是在木材上釘上鐵板，這顯然承擔(dān)不了較大負(fù)載，后來才使用高碳錳然承擔(dān)不了較大負(fù)載，后來才使用高碳錳鋼做鐵軌；鋼做鐵軌；l鐵軌的長度從很短的鐵軌的長度從很短的11.2m (11.2m (震動(dòng)和噪聲震動(dòng)和噪聲以及阻力都較大以及阻力都較大) )發(fā)展到發(fā)展到100m

4、100m以上。現(xiàn)在以上?，F(xiàn)在的軌道可預(yù)焊成的軌道可預(yù)焊成400m400m的長軌，鋪軌時(shí)再依的長軌，鋪軌時(shí)再依次焊接，可長達(dá)數(shù)公里，故火車在其上行次焊接，可長達(dá)數(shù)公里，故火車在其上行駛時(shí)，平穩(wěn)、舒適、快捷；駛時(shí)，平穩(wěn)、舒適、快捷；l功率相同時(shí)火車載重約為汽車的功率相同時(shí)火車載重約為汽車的1010倍，倍，1515節(jié)火車車廂的裝載量相當(dāng)于約節(jié)火車車廂的裝載量相當(dāng)于約200200輛卡車輛卡車的裝載量。從此，鐵路成了各國國民經(jīng)濟(jì)的裝載量。從此，鐵路成了各國國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈。而這一切又是建立在鋼鐵材料的大動(dòng)脈。而這一切又是建立在鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上的。大量生產(chǎn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上的。是以石油開發(fā)和新能

5、源使用為突破口的，一直延續(xù)到20世紀(jì)中葉。大力推動(dòng)了汽車、飛機(jī)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。l 有人認(rèn)為：20世紀(jì)前半期開始的以核能、飛機(jī)、汽車、化工和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明或發(fā)展為標(biāo)志的第三次工業(yè)革命，是與航空材料的進(jìn)步(涉及飛機(jī)的革新)和20世紀(jì)30年代繼塑料以后，合成橡膠和合成纖維相繼問世(使有機(jī)合成材料工業(yè)進(jìn)入一個(gè)嶄新階段)密切相關(guān)的。這次工業(yè)革命使勞動(dòng)生產(chǎn)方式開始向自動(dòng)化發(fā)展。l當(dāng)今世界，正面臨又一場(chǎng)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(xué)、材料科學(xué)和生物科學(xué)為前沿，更是以各種新興材料的出現(xiàn)和應(yīng)用為前提的。世界權(quán)威人士認(rèn)為，這

6、場(chǎng)技術(shù)革命所帶來的影響和創(chuàng)造的社會(huì)財(cái)富，將大大超過歷次工業(yè)革命。l 材料、信息、能源是人類文材料、信息、能源是人類文明的三大支柱，其中材料是物明的三大支柱，其中材料是物質(zhì)基礎(chǔ)質(zhì)基礎(chǔ) 無鋼鐵材料無鐵路等，美國就不能開發(fā)西部，英國不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；無金屬材料就無機(jī)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(jī)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(jì)發(fā)展。材料與經(jīng)濟(jì)關(guān)系的一個(gè)典型范例就是硅材料的應(yīng)用。經(jīng)濟(jì)上，它觸發(fā)了一個(gè)數(shù)十億美元的工業(yè)。從助聽器到全球性的遙測(cè)技術(shù)，通信已十分便利，并且通過文化娛樂、各種私人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與使用，使人們的日常生活發(fā)生著巨大

7、的變化。第三節(jié) 材料是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基 礎(chǔ)與先導(dǎo)一、材料與社會(huì)現(xiàn)代化一、材料與社會(huì)現(xiàn)代化 材料既是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑，材料既是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑，又是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)。又是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)。尤其是新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反尤其是新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映著一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平。映著一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平。以電子、光子技術(shù)的發(fā)展史為例，看新材料的作用ll906年發(fā)明了電子管，從而出現(xiàn)了無線電技術(shù)、電視機(jī)、電子計(jì)算機(jī)；l1948年發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，導(dǎo)致了電子設(shè)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；l1958年出現(xiàn)了集成電路，

8、使計(jì)算機(jī)及各種電子設(shè)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(dǎo)體材料相應(yīng)發(fā)展的結(jié)果。l進(jìn)入20世紀(jì)90年代，集成電路的集成度進(jìn)一步提高，加工技術(shù)達(dá)到0.3um(研究水平已達(dá)0.1um)，與存儲(chǔ)器相關(guān)的硅片加工水平提高，這也是為什么計(jì)算機(jī)的功能愈來愈好而其價(jià)格卻不斷下降的重要原因。 l隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)具有大容量、高速度，而且有助于向智能化方向發(fā)展。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)要求： 1.容量大、密度高；2.易快速存??； 3.能擦除和反復(fù)使用。如一張光

9、盤可存儲(chǔ)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。2. 從通信技術(shù)的進(jìn)步看新材料的作用從通信技術(shù)的進(jìn)步看新材料的作用通信一般采用微波、電纜來傳輸信號(hào)；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(yàn)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(hào)具有容量大、造價(jià)低、中繼站少、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。l 光導(dǎo)纖維使“信息高速公路”的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。 除光導(dǎo)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)。3.從航空航天技術(shù)的發(fā)展看新材料的作用l20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了噴氣技術(shù)。像殲擊機(jī)、大型客機(jī)用的主

10、要材料是高溫合金和鈦合金；l航空航天所用材料的比強(qiáng)度、比剛度尤為重要，因?yàn)轱w機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)每減重1kg，飛機(jī)可減重4kg；航天飛行器每減重1kg，就可使運(yùn)載火箭減重500kg。所以對(duì)高速飛行器來說，要不惜一切代價(jià)來減輕質(zhì)量。l大力發(fā)展纖維增強(qiáng)的樹脂基及金屬基復(fù)合材料： 如高強(qiáng)度高分子纖維芳綸，其比強(qiáng)度比高強(qiáng)度鋼高出近100倍。若用其造飛機(jī)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(jī)，會(huì)使其熱效率大幅提高。l綜上所述，新材料與社會(huì)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(jì)增長等。l美國2000年，先進(jìn)材料在12項(xiàng)新技術(shù)中的產(chǎn)值居首位；全世界先進(jìn)材料的產(chǎn)值為

11、4000億美元，占整個(gè)新興技術(shù)產(chǎn)值10000億美元的40。二、材料對(duì)近、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的促進(jìn)作用作用：l提供新的物質(zhì)和材料；l開發(fā)新的能源；l發(fā)明靈巧的機(jī)器。 l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)；l20世紀(jì)50年代鎳基高溫合金的出現(xiàn)導(dǎo)致超音速飛機(jī)問世；而高溫陶瓷的出現(xiàn)則促進(jìn)了航天飛機(jī)的發(fā)展；l近現(xiàn)代新技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了新材料的研制。l半導(dǎo)體材料計(jì)算機(jī)和信息革命；高溫合金、高溫陶瓷宇航科技； 光導(dǎo)纖維光通信、信息高速公路；l因此，新材料與所有新興產(chǎn)業(yè)都密切相關(guān)。材料對(duì)21世紀(jì)科技與經(jīng)濟(jì)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

12、新材料有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議；美國新世紀(jì)的三大經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點(diǎn)：信息、生物和納米技術(shù)；納米技術(shù)是對(duì)全世界都富有挑戰(zhàn)性的新科技，其中必然包含納米材料。l1985年至1987年，材料科學(xué)基礎(chǔ)研究連續(xù)3年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，獎(jiǎng)勵(lì)的成果分別為量子霍爾(Hall)效應(yīng)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(dǎo)體的合成。這也充分表明材料科學(xué)技術(shù)對(duì)于人類科技事業(yè)的巨大貢獻(xiàn)。 第四節(jié)第四節(jié) 材料循環(huán)：材料、能源、材料循環(huán)：材料、能源、 環(huán)境環(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(yīng)，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(xué)與工程的范疇。右半部屬于材料使用和消耗，

13、主要是在制造結(jié)構(gòu)件、器件、機(jī)器及其隨后的應(yīng)用中對(duì)工程材料的使用，它屬于材料科學(xué)與工程的主要范疇。圖1-1 簡化的材料循環(huán)示意圖 l 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(xué)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(jìn)入材料循環(huán)。蒙蒙 特特 利利 爾爾碳碳60 材料循環(huán)具有以下特點(diǎn):l 材料的循環(huán)總是一個(gè)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(jìn)入循環(huán)，直到最后廢棄為止。l 材料循環(huán)是一項(xiàng)巨大的產(chǎn)業(yè) 世界上每年約生

14、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。l 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(jìn)口，各國之間的經(jīng)濟(jì)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(jī)械裝備(機(jī)床等)；日本的原材料絕大部分靠從世界各地輸入，同時(shí)大量輸出其產(chǎn)品(汽車、家電等)。l 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(shí)每噸達(dá)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(jià)值在材料循環(huán)中

15、提高25倍。l材料循環(huán)與社會(huì) 材料循環(huán)受社會(huì)需要的推動(dòng)，而社會(huì)發(fā)展又受材料循環(huán)的制約。在材料循環(huán)中，勞動(dòng)、能源、資金和成本等所形成的價(jià)值都要加入到材料中，總的效果是材料的質(zhì)量減少、價(jià)值上升。當(dāng)然材料也具有了各種可用的性能和功能。二、材料與能源二、材料與能源 生產(chǎn)材料要消耗大量能源 表1-2列出20世紀(jì)某年美國消耗能量最高的幾種原材料工業(yè)。鋁、銅因?yàn)椴捎秒娂庸すに?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。 材材 料料年噸位年噸位104 t每噸耗能每噸耗能104Btut1年耗能年耗能1012 Btu鋼渣、生鐵和鋼鋼渣、生鐵和鋼鑄件鑄件 152 24.9 3800一次鋁錠一次鋁錠 4.53 244 1100硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥 90.5 7.6 690一次銅一次銅(精煉精煉) 1.97 112 220玻璃器皿玻璃器皿 12.4 17.4 220沙礫石、碎石塊沙礫石、碎石塊 1860 0.056 100一次鋅一次鋅1.426590 表表1-2 20世紀(jì)世紀(jì)某年美國消耗能量最高的幾種原材料工業(yè)某年美國消耗能量最高的幾種原材料工業(yè) 注：注：1Btu1054.35 J l 能源工業(yè)離不開材料的應(yīng)用與發(fā)展目前