材料科學(xué)與人類文明市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、材料科學(xué)與人類文明第1頁(yè)第1頁(yè)何謂材料？材料是人類社會(huì)可經(jīng)濟(jì)地制造有用物品物質(zhì)。第2頁(yè)第2頁(yè)米-26直升機(jī)展示強(qiáng)悍起吊能力：采用8片16米長(zhǎng)矩形槳葉旋翼，是世界采用槳葉片數(shù)最多單旋翼直升機(jī)，其槳轂由鈦合金制成。第3頁(yè)第3頁(yè)第4頁(yè)第4頁(yè)材料研究之美第5頁(yè)第5頁(yè)材料研究之美第6頁(yè)第6頁(yè)材料研究之美第7頁(yè)第7頁(yè)第8頁(yè)第8頁(yè)第9頁(yè)第9頁(yè)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(nèi)容及目的 第10頁(yè)第10頁(yè)人和動(dòng)物本質(zhì)區(qū)別?人能夠利用工具從事生產(chǎn)、生活，創(chuàng)造財(cái)富，積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而制造更先進(jìn)工具；在制造工具時(shí)，材料是必需，但不是所有物質(zhì)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(lái)制作

2、器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品物質(zhì)。簡(jiǎn)樸地說(shuō)，材料是人類可用來(lái)制造有用器件物質(zhì)。第11頁(yè)第11頁(yè)材料是人類社會(huì)進(jìn)步里程碑第12頁(yè)第12頁(yè)材料與人類文明發(fā)展人類文明進(jìn)程劃分依據(jù)是什么 所使用、占主導(dǎo)地位材料 石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代、合成材料時(shí)代、復(fù)合材料時(shí)代、信息材料時(shí)代 發(fā)展得越來(lái)越快第13頁(yè)第13頁(yè)人類文明與材料公元前8世紀(jì)古希臘哲學(xué)家赫西奧德勞動(dòng)與時(shí)令詩(shī)篇里，把人類發(fā)展劃分成黃金、白銀、青銅、英雄和鐵5個(gè)世紀(jì)； 中國(guó)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(gè)階段； 1836年丹麥學(xué)者C. J. 湯姆森提出石器時(shí)代、青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代分期。第14頁(yè)第14頁(yè)從遠(yuǎn)古

3、石器時(shí)代到鐵器時(shí)代再到如今新材料時(shí)代，先后經(jīng)過了七個(gè)不同時(shí)代公元前10萬(wàn)年石器時(shí)代公元前30公元前10公元前0年181950年1990年青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代水泥時(shí)代鋼時(shí)代硅時(shí)代新材料時(shí)代以材料區(qū)別七個(gè)時(shí)代第15頁(yè)第15頁(yè)不同歷史階段各類材料相對(duì)主要性第16頁(yè)第16頁(yè)石器時(shí)代2百萬(wàn)年前開始，人類有目地在生產(chǎn)生活中利用天然材料（石頭、木頭、黏土、動(dòng)物皮毛等）。第17頁(yè)第17頁(yè)燧石：神奇石頭400,000 BC 4,500 BC石器時(shí)代 (Stone Age) 人類主要以石頭、骨頭、木制作簡(jiǎn)樸工具第18頁(yè)第18頁(yè)陶器(Pottery)陶器出現(xiàn)是人類跨入新石器時(shí)代主要標(biāo)志之一據(jù)考古資料，中國(guó)陶器制作歷史

4、至少有80以上西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆戰(zhàn)國(guó)陶制四通水管第19頁(yè)第19頁(yè)4,500 BC 1,000 BC青銅時(shí)代 (Bronze Age)大量使用青銅工具及青銅禮器時(shí)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(jì)錄之一人類學(xué)會(huì)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(gè)堅(jiān)度高合金 - 青銅，以青銅來(lái)造出各種武器第20頁(yè)第20頁(yè)青銅器時(shí)代錫青銅（Bronze）銅 - 25%錫合金+其它元素，具備良好強(qiáng)韌性、耐腐蝕性、良好加工性能等。第21頁(yè)第21頁(yè)古稱金或吉金，是紫銅與其它元素（錫、鎳、鉛、磷等）合金中國(guó)青銅時(shí)代大體相應(yīng)夏商周至秦漢，時(shí)間跨度約兩千年春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，齊國(guó)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(jīng)驗(yàn)總結(jié) 青銅：第一個(gè)合金夏鉞戈第22頁(yè)第22頁(yè)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(zhǎng)達(dá)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(yè)第23頁(yè)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(guó)古代體量最大青銅器銅禁，中國(guó)已知最早應(yīng)用失蠟法鑄造作品，春秋時(shí)代楚國(guó)王子午墓出土，年代為公元前6世紀(jì)第24頁(yè)第24頁(yè)溫文爾雅四羊方尊（戰(zhàn)國(guó)）錯(cuò)金犀牛尊戰(zhàn)國(guó)曾侯乙青銅編鐘第25頁(yè)第25頁(yè)湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍第26頁(yè)第

6、26頁(yè)1450BC 鐵制車輪1500AD 廉價(jià)冶鐵業(yè)1000BC 鐵器時(shí)代 (Iron Age)第27頁(yè)第27頁(yè)戰(zhàn)國(guó)鐵犁頭戰(zhàn)國(guó)鐵鋤湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤第28頁(yè)第28頁(yè)鐵性能更加好，原料更易得。在當(dāng)代仍在大規(guī)模應(yīng)用。第29頁(yè)第29頁(yè) 科學(xué)技術(shù)發(fā)展史，就是材料發(fā)展史原理成品 發(fā)展時(shí)間電機(jī)18211886 65真空管 18821915 33無(wú)線電18871922 35X光18951913 18雷達(dá)19351940 5原子堆19391942 3半導(dǎo)體19481951 3激光19581960 2科學(xué)原理發(fā)覺時(shí)間與其產(chǎn)業(yè)化時(shí)間對(duì)照第30頁(yè)第30頁(yè)輪子發(fā)展與材料發(fā)展關(guān)系第31頁(yè)第31頁(yè)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?jiǎng)?chuàng)造之一。車使人類活動(dòng)范圍變大，人際交往和物質(zhì)交流也增多了。木柱是輪子雛型，聽說(shuō)5500多年前，生活在美索不達(dá)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(yù)防開裂。據(jù)李約瑟考證，約在四千五百年到三千五百年前，中國(guó)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(gè)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(shí)體車輪輕便了許多，用馬拉輻式車輪車子，速度快，運(yùn)動(dòng)輕巧靈活，被古人當(dāng)作戰(zhàn)車應(yīng)用。進(jìn)入18世紀(jì)后，伴隨第

8、一次產(chǎn)業(yè)革命興起，生產(chǎn)規(guī)?？焖贁U(kuò)大，人類開始大量制造較耐用金屬輪子。時(shí)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(qiáng)附著摩擦力之用輪子發(fā)展與材料發(fā)展關(guān)系第32頁(yè)第32頁(yè)第一次科技革命發(fā)生于18世紀(jì)中葉英國(guó)，而后遍及歐洲和北美國(guó)家。這次革命以紡織機(jī)械革新為起點(diǎn)，以蒸汽機(jī)廣泛使用為標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)從手工工具到機(jī)械化轉(zhuǎn)變，使以機(jī)器為主體工廠制度化替了以手工技術(shù)為基礎(chǔ)手工工場(chǎng)，從而把人類帶進(jìn)了蒸汽時(shí)代。第一次科技革命發(fā)生條件當(dāng)初英國(guó)正在開辟海外市場(chǎng)以及進(jìn)行“圈地運(yùn)動(dòng)”, 具備大量資金、勞動(dòng)力、原料和遼闊市場(chǎng)基礎(chǔ)，工場(chǎng)手工業(yè)快速發(fā)展起來(lái)，技術(shù)水平提升又增進(jìn)了操作過程專業(yè)化和

9、純熟程度，為用機(jī)器代替人手操作提供了準(zhǔn)備條件在1718世紀(jì)英國(guó)，牛頓一批科學(xué)家掌握了力學(xué)理論，開辦了各種學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)，廣泛交流學(xué)術(shù)思想；促使科技革命發(fā)生從18世紀(jì)60年代起，棉紡織業(yè)中一系列新工具機(jī)出現(xiàn)，制造能產(chǎn)生巨大、穩(wěn)定動(dòng)力機(jī)械裝置成了工業(yè)上迫切需要。于是，以瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)為代表動(dòng)力機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生材料與技術(shù)革命第33頁(yè)第33頁(yè)第二次技術(shù)革命開始于19世紀(jì)末，以電創(chuàng)造和廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，始終延續(xù)到20世紀(jì)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(jī)、汽車和其它工業(yè)，支持這個(gè)時(shí)期產(chǎn)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(shù)革命第34頁(yè)第34頁(yè)第三次技術(shù)革命開始

10、于20世紀(jì)中葉，以原子能應(yīng)用為標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了合成材料、半導(dǎo)體材料等大規(guī)模工業(yè)化、民用化。 材料與技術(shù)革命第35頁(yè)第35頁(yè)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(yīng)堆材料耐中子輻射、腐蝕、高溫?zé)Y(jié)后燒結(jié)前第36頁(yè)第36頁(yè)第四次技術(shù)革命開始于20世紀(jì)70年代，以計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)、生物工程技術(shù)與空間技術(shù)為主要標(biāo)志。 材料與技術(shù)革命第37頁(yè)第37頁(yè)新材料時(shí)代 (New Material Age)長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射架上圖片寶鋼高爐材料、能源、信息是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)濟(jì)三大支柱，是人類社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)

11、技術(shù)發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。材料是全球新技術(shù)革命四大標(biāo)志之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)）。第38頁(yè)第38頁(yè)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(qiáng)度材料能源工業(yè)：儲(chǔ)氫合金、燃料電池、太陽(yáng)能電池電子信息：半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、磁統(tǒng)計(jì)材料生物技術(shù)：人工關(guān)節(jié)、人工皮膚、人工臟器農(nóng)業(yè)：人造土壤、地面覆蓋日常生活：包裝材料、建筑材料 當(dāng)代社會(huì) 三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技術(shù)和新材料第39頁(yè)第39頁(yè)材料是所有科技進(jìn)步關(guān)鍵建筑、交通、能源、計(jì)算機(jī)、通信、多媒體、生物醫(yī)學(xué)工程無(wú)一不依賴材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展來(lái)實(shí)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(dòng)機(jī)用高溫材料，就沒有靠飛機(jī)旅行交通沒有耐高溫復(fù)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(jì)算機(jī)第40頁(yè)第40頁(yè)火箭第41頁(yè)第41頁(yè)第42頁(yè)第42頁(yè)材料應(yīng)用鋁合金主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑第43頁(yè)第43頁(yè)新材料特性 依據(jù)人們對(duì)材料物理和化學(xué)性能理解，為了特定需要而設(shè)計(jì)、加工材料半導(dǎo)體單晶硅、砷化嫁、光導(dǎo)纖維、超導(dǎo)等新材料開發(fā)和應(yīng)用，使得新技術(shù)得以生產(chǎn)和應(yīng)用，從而增進(jìn)新工業(yè)出現(xiàn)和發(fā)展，極大推動(dòng)了社會(huì)文明與經(jīng)濟(jì)發(fā)展 新材料 新技術(shù) 新工業(yè)第44頁(yè)第44頁(yè)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(chǎng)合 第45頁(yè)第45頁(yè)材料與日常生活形狀記憶合金百葉窗第46頁(yè)第46頁(yè)材料與日常生活當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)售眼鏡架有純鈦制品、TiNi超彈性合金制品等其長(zhǎng)處是耐腐蝕、不變色、質(zhì)輕眼鏡架第47頁(yè)第47頁(yè)材料與日常生活用鈦制作手表在國(guó)外市場(chǎng)已早有發(fā)售，當(dāng)前世界上已有十多家表廠生產(chǎn)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(yùn)動(dòng)員和潛水員使用特制手表聽說(shuō)是鈦合金外殼哦！手表第48頁(yè)第48頁(yè)材料與日常生活照相機(jī)純鈦戒指鈦金發(fā)王鈦手鏈用鈦制作日用具尚有照相機(jī)、手提箱、保溫瓶、耳環(huán)、手鐲、戒指、項(xiàng)鏈、胸針等第49頁(yè)第49頁(yè)材料與建筑第50頁(yè)第50頁(yè)材料與交

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

15、造易拉罐、寶麗來(lái)太陽(yáng)鏡、自動(dòng)洗衣店、道路斑馬線、罐裝啤酒、原子筆、施樂復(fù)印機(jī)、家用電冰箱、電腦、立體聲錄音機(jī) 第55頁(yè)第55頁(yè)20世紀(jì)科技創(chuàng)造史-與材料密切相關(guān) 20世紀(jì)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(lái)照相機(jī)、慢轉(zhuǎn)密紋唱片、可多次使用尿布、第一臺(tái)由軟件驅(qū)動(dòng)電腦 第56頁(yè)第56頁(yè)20世紀(jì)科技創(chuàng)造史-與材料密切相關(guān) 20世紀(jì)50年代人類創(chuàng)造信用卡、有線電視、動(dòng)力方向盤、袖珍晶體管收音機(jī)、錄像機(jī)、不粘鍋、壘高兒童拼裝玩具、氫彈、水翼船、調(diào)制解調(diào)器、健身呼啦圈 第57頁(yè)第57頁(yè)20世紀(jì)科技創(chuàng)造史-與材料密切相關(guān) 20世紀(jì)60年代人類創(chuàng)造軟接觸鏡頭、纖

16、維筆尖鋼筆、體重計(jì)、用做隆胸硅膠填充物、按鈕電話、電腦鼠標(biāo)、石英手表、“傻瓜”照相機(jī)、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(yè)第58頁(yè)20世紀(jì)科技創(chuàng)造史-與材料密切相關(guān) 20世紀(jì)70年代人類創(chuàng)造電腦軟盤、袖珍計(jì)算器、可隨意粘貼便條、Beta制大尺寸磁帶錄像系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)、蘋果第二代電腦、移動(dòng) 電話(手機(jī))、索尼隨身聽第59頁(yè)第59頁(yè)20世紀(jì)科技創(chuàng)造史-與材料密切相關(guān) 20世紀(jì)80年代人類創(chuàng)造光盤、一次性照相機(jī)、高清楚度電視、人工合成皮膚、CD ROM、多普勒雷達(dá)，高溫超導(dǎo)體、數(shù)字蜂窩電話 第60頁(yè)第60頁(yè)20世紀(jì)科技創(chuàng)造史-與材料密切相關(guān) 20世紀(jì)90年代

17、人類創(chuàng)造“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡、DVD、可用于汽車上氫氣燃料電池、“奔騰”處理器第61頁(yè)第61頁(yè)20世紀(jì)科技創(chuàng)造史-與材料密切相關(guān) 21世紀(jì)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(yán)寒氣候條件下騎行冰上自行車、防身夾克 第62頁(yè)第62頁(yè)材料未來(lái)發(fā)展 微型化納米材料與結(jié)構(gòu) 智能材料 環(huán)境保護(hù)材料可生物降解材料等 仿生材料 極限條件用材料第63頁(yè)第63頁(yè)材料金屬材料無(wú)機(jī)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(fù)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(jià)鍵結(jié)構(gòu)金屬鍵離子鍵和共價(jià)鍵共價(jià)鍵和分子鍵第64頁(yè)第64頁(yè)金屬材料容易加工、強(qiáng)度韌性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱第65頁(yè)第65頁(yè)陶瓷強(qiáng)度硬度高、脆、絕緣、耐熱第66頁(yè)第66頁(yè)高分子輕、加工性好、絕緣、耐腐蝕第67頁(yè)第67頁(yè)復(fù)合材料強(qiáng)度和輕完美結(jié)合第68頁(yè)第68頁(yè)半導(dǎo)體當(dāng)代信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)材料第69頁(yè)第69頁(yè)材料分類按應(yīng)用材料結(jié)構(gòu)材料：以力學(xué)性能為主要功效功效材料：以物理，化學(xué)性能為主要功效第70頁(yè)第70頁(yè)功效材料含有優(yōu)良光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功效及其互相轉(zhuǎn)化功效，被用于非結(jié)構(gòu)目的之高技術(shù)材料。定義 磁性材料 軟磁材料、硬磁材料、磁統(tǒng)計(jì)材料