第一講 材料的發(fā)展史

現(xiàn)代新型材料與納米材料

NewMaterialsandNanometer-Materials第一講材料發(fā)展歷史什么是材料？其重要意義是什么？例子：70－80年代電話－80年代后期的程控電話（進入家庭）－90年代的光纖通信（個人移動電話的普及）90年代電腦內(nèi)存28M－后期到56M－21世紀初的256M－現(xiàn)在的1~2G磁記錄：錄像帶－VCD－DVD電視機：顯像管－等離子－液晶手機的變化世界是由物質構成的，材料就是人們用來制成各種機器、器件、結構等具有某種特性的物質實體。材料是人類社會生活的物質基礎，材料的發(fā)展導致時代的變遷，推動人類的物質文明和社會進步。在人類即將進入知識經(jīng)濟的新時代，材料與能源和信息并列為現(xiàn)代科學技術的三大支柱、其作用和意義尤為重要。材料與人類社會的關系如何？

在人類社會的發(fā)展和進步過程中，材料是一個帶有時代和文明標志的基礎。人類和材料的關系非常廣泛、非常密切。也非常重要，在這點上很少能有其他領域與之相比。其實，人類文明的發(fā)展史，就是一部學習利用材料、制造材料、創(chuàng)新材料的歷史。材料是人類一切生產(chǎn)和生活活動的物質基礎，歷來是生產(chǎn)力的標志，被看成是人類社會進步的里程碑。對材料的認識和利用的能力，決定著社會的形態(tài)和人類生活的質量，所以人類從來沒有中斷過追求更好的材料，讓材料具有更優(yōu)異的性質或者前所未有的功能來滿足人類世世代代發(fā)展中層出不窮的新的需要和追求。所以，一部人類文明史，從某種意義上說，也可以稱之為世界材料發(fā)展史。每一種新材料的發(fā)現(xiàn)，每一項新材料技術的應用，都會給社會生產(chǎn)和人類的生活帶來巨大改變，把人類社會推向前進。天然材料陶瓷青銅鐵鋼有色金屬高分子材料新型材料

材料發(fā)展的歷史演進在人類發(fā)展的歷史長河中，材料起著舉足輕重的作用，人類對材料的應用一直是社會文明進程的里程碑。古代的石器、青銅器、鐵器等的興起和廣泛利用，極大地改變了人們的生活和生產(chǎn)方式，對社會進步起到了關鍵性的推動作用，這些具體的材料(石器、青銅器、鐵器)被歷史學家作為劃分某一個時代的重要標志。如石器時代、青銅器時代、鐵器時代等。(1)天然材料包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。自然界當中大量存在，人類可以直接從自然當中獲取。經(jīng)過比較簡單的加工就可以為人類所利用。竹筷骨針石制品皮毛制品典型的天然材料——石器大約25,000年前．人類就學會使用材料。今天人們從考古學家挖掘的人類當年所使用的各種用途的鋒利石片，可以想象人類遠祖的艱苦和聰明。他們能區(qū)別、選用各種石頭創(chuàng)造出各種用具，用于生產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭。

石刀石斧人類只能利用巖石、樹木、獸皮、骨骼等天然材料并進行粗糙的加工，除此之外別無他物。所以，石器時代的生產(chǎn)工具極其落后，人類社會的生產(chǎn)力也是極端低下，所以社會發(fā)展極其緩慢，人類文化也是相當簡單和粗俗的。

石器工具

(2)陶器（無機非金屬材料）陶器是由粘土或以粘土、長石、石英等為主的混合物，經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200℃）而成的制品的總稱。約50萬年前人類學會了用火。6-7千年以前的原始社會末期，我們的祖先開始用火燒制陶器。

新石器時代晚期(公元前3000一前2800)黑陶豆陶體的黑色是因為滲入了碳商陶酒尊唐三彩俑陶土可塑性強，可以獲得人們希望形狀的器物。陶的出現(xiàn)，使蒸煮食物更為方便，促進人類進化。陶俑的出現(xiàn)，代替了以人殉葬的野蠻做法。

豬紋陶盆陶器在中國具有悠久的歷史沉淀。半坡村出土的碗、缽、釜、罐、瓶等，甚至還有吹氣能發(fā)聲的陶塤。

半坡變體鳥紋盆

半坡小口尖底瓶

半坡陶盆

陶塤

從著名的仰韶和龍山文化遺址出土的陶器中，人們發(fā)現(xiàn)當時祖先們已經(jīng)掌握了燒制黑色陶器和白色陶器的配方和技術。

仰韶白陶瓶龍山黑陶瓶小節(jié)：陶器可以說是人類創(chuàng)造的第一個無機非金屬材料。這個劃時代的發(fā)明不僅意味著使用材料的變化，而且比這更深遠重要的是人類第一次有意識地創(chuàng)造發(fā)明了自然界沒有的，并且全新性能的“新”材料。從此人類能離開上天的賜予而進入自力創(chuàng)造材料的時代。恩格斯曾論述人類從低級階段向文明階段的發(fā)展是從學會制陶開始的。3000多年前的殷、周時期發(fā)明了釉陶。爐窯溫度達到1200℃，能將金屬氧化物燒制成釉瓷的用途更為廣泛，質地比陶更為細膩、外觀美觀。

陶向瓷的過渡

商朝釉瓷什么是瓷器？在設計陶瓷配方時，根據(jù)使用要求，加入了較多的熔劑原料，并且配方中所使用的原料在焙燒過程中所產(chǎn)生的氣體也較少，這樣焙燒后產(chǎn)生的空洞少，有足夠的玻璃相物質填充，制品形成的氣孔較少，這種吸水率小于0.5%的陶瓷稱瓷器。另外，瓷器一般表面有釉，也是屬于燒制產(chǎn)生的玻璃質物質。瓷器中的材料知識宋五大名窯（官、哥、汝、定、柴窯）之一：哥窯瓷器

開片即是瓷器釉面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。開片主要是兩種因素造成的，一是成形時坯泥沿一定方向延伸，影響分子的排列；二是胎、釉材料的膨脹系數(shù)不同，在冷卻過程中收縮率也有差異，形成開片。因而，開片是瓷器燒成過程中的一種缺陷。宋以前的瓷器中常有開片現(xiàn)象，只是到了宋代才開始將開片作為裝飾。

青花瓷器

青花瓷器以鈷的化合物為發(fā)色劑，繪制在燒制過的胎體上，掛釉后再經(jīng)過一次燒制而最終完成。瓷器9世紀傳至非洲和阿拉伯國家。瓷器13世紀傳到日本。瓷器15世紀傳到歐洲。瓷器成了中國文化的象征——“CHINA”。瓷器對世界文明產(chǎn)生了很大的影響。輝煌的瓷器之國瓷器的用途：禮儀用途（如古代的祭祀等）、生活用途（食物容器等）等。(3)青銅

我國青銅的冶煉在公元前2140--1711年開始。晚于埃及和西亞民族（伊朗、伊拉克）。發(fā)展快、水平高。到殷、西周時期已經(jīng)發(fā)展到較高水平。

青銅即銅錫合金，其冶煉溫度較低，制作器具的成型性好，是人類最早大規(guī)模利用的金屬材料。Cu-Sn二元合金相圖

青銅工具青銅斧青銅犁

青銅逐步取代部分石器、木器、骨器和紅銅器，成為生產(chǎn)工具的重要組成部分。青銅工具的出現(xiàn)，在生產(chǎn)力的發(fā)展上起了劃時代的作用。青銅工具如斧、鋸、鑿、錐等，青銅農(nóng)具有鋤、鏟

等已廣泛使用，青銅工具在生產(chǎn)中的效用，使青銅冶鑄技術日益重要，因而獲得飛速發(fā)展。青銅錢幣——刀幣、布幣、環(huán)錢、銅貝等

四羊紋銅尊商

青銅器的最大歷史貢獻并不在于對生產(chǎn)力的推動，而在于社會秩序的建立。西周中晚期有著嚴格的列鼎制度，即用形狀花紋相同而大小依次遞減的奇數(shù)組鼎來代表貴族的身份?！洞呵锕騻鳌酚涊d，天子用9鼎，諸侯用7鼎，卿大夫用5鼎，士用3鼎或1鼎。

青銅禮器

鼎周

青銅武器越王勾踐劍青銅戈青銅頭盔

青銅的一個重要用途就是用來鑄造武器，如鉞、戈、矛、戟、刀、劍、弩、鏃、盔等。青銅武器相對于石制和純銅武器來說，其威力如同槍炮對刀戟，當軍隊和戰(zhàn)爭成為一個國家的暴力機器和手段的時候，青銅以它4.7倍于純銅的硬度頻頻向統(tǒng)治貴族領取赫赫戰(zhàn)功。秦始皇陵銅車馬秦

銅三足鳥西周

銅奔馬(馬踏飛燕)漢

爵商

其它青銅制品西漢長信宮燈的特點將鑄造、表面處理、結構學、環(huán)境保護巧妙地結合在一起；創(chuàng)“技術精華”于一身，集“優(yōu)美實用”于一體；青銅表面處理工藝-鎏金,即以熱水銀溶解金箔，然后涂附在銅器表面并蒸干水銀，使一層薄金緊密地附著在器物表面，是一種防止銅器發(fā)生氧化的表面處理工藝。長信宮燈的功能：燈座鑄成跪姿的宮女狀；宮女跪坐的姿態(tài)端莊典雅；宮女的左臂緊身，左手緊握托座；宮女的右臂高抬過頂，穩(wěn)扶燈罩；刻劃出宮女盡職盡責的逼真形象；油燈設計別致，托座上裝有燈碗。燈碗上鑄有油池、燈芯座、轉動手柄及半圈弧形壁。油燈的周邊有槽,可使轉門轉動。撥動平板，可使燈碗以托座為軸繞右袖圓口作近360度的轉動，使光照方向轉動，拉動轉門又能改變遮光角度有巧妙的消煙滅塵裝置。宮燈是空心的,壁厚均勻且較??；宮女的右袖是連通空心的，形成一條煙道。油煙及未完全燃燒的殘?zhí)加尚洳窟M入頭腔內(nèi),碰到腔壁冷卻減速以后就會附著在腔體內(nèi)側；宮女的頭部是可拆卸的，可定期清除積垢。

下面再舉幾個有影響的青銅文物：

河南省安陽晚商遺址出土司母戊鼎，重量857kg,外形尺寸：長×寬×高（133×78×110cm），此鼎重量是迄今為止世界上最古老的大型青銅器A.司母戊鼎B.湖北隋縣出土的戰(zhàn)國青銅編鐘

共有65個，總重量2500kg

最大編鐘重203kg

最小編鐘重僅有2.4kg

編鐘全部用青銅鑄造編鐘鑄造水平相當高音侓準確、音色優(yōu)美曾侯乙編鐘C.四川廣漢三星堆遺址介紹

遺址位于廣漢市南興鎮(zhèn)北南距成都40公里遺址面積達12平方公里是四川境內(nèi)目前所知一處范圍最廣延續(xù)時間最長文化內(nèi)涵最為豐富的古蜀文化遺址三星堆博物館1929年春天，當?shù)剞r(nóng)民燕道誠掏水溝時發(fā)現(xiàn)一坑精美的玉石器1933年，前華西大學美籍教授葛維漢，林名均教授組成考古發(fā)掘隊首次對三星堆進行發(fā)掘由此拉開了對三星堆半個世紀的發(fā)掘研究歷程1988年大規(guī)模發(fā)掘，主要由四川大學師生參與。三星堆青銅文物

闊眉大眼，眼球呈柱狀外突，中間有一道箍似可旋轉，極像現(xiàn)代的望遠鏡巨大的鷹鉤鼻，上翹至耳根的大嘴一雙豬耳朵狀的大耳朵，離奇怪異且巨大的青銅像真正使三星堆遺址名揚四海的是1986年7-9月兩個商代大型祭祀坑的發(fā)現(xiàn)遺址兩坑上千件國寶重器的轟然顯世,震驚了世界被定性為“古文化、古國遺址”三星堆祭祀坑三星堆遺址被譽為世界第9大奇跡填補了中國考古學、青銅文化、青銅藝術史上的諸多空白向人們展示了早在三四千年蜀族的物質文化遺存揭示了“開國何茫然”的古代蜀國的文化面貌把巴蜀早期歷史向前推1000多年揭示了中華民族起源的多元性三星堆否定了古蜀國文化比中原文化發(fā)展緩慢遺址文化距今有4800--2800年蜀文化逐漸溶入漢文化中，為秦建立統(tǒng)一國家作出了卓越貢獻三星堆青銅文物鑄造水平高有的文物只有4mm厚要鑄造壁厚只有4mm的鑄件在當時需要相當高的技術文物出土轟動整個世界青銅冶鑄技術和文化藝術相當發(fā)達

四川廣漢三星堆青銅文物商代晚期鑄造

金面平頂人頭像

人頭像頭上冠形物似遙感天線，是否用來接收宇宙的神秘信號？青銅獸面青銅人立像

國寶級文物世界上目前發(fā)現(xiàn)的最大

最完整的青銅大立人像號稱“銅像之王”青銅神樹造型巧奪天工將美發(fā)揮到極致的杰作樹干高384cm是目前世界上最早、樹株最高的青銅神樹青銅人面具

青銅龍夔柱形器，高41.1cm,寬15.56cm青銅鷹頭鈴（4）鐵器鐵是地球上儲量居于第三的元素（前兩位為硅、鋁），來源于大型恒星的聚變。鐵碳合金的硬度大于各種銅合金，鐵的冶煉溫度比銅更高。青銅器到鐵器是生產(chǎn)工具的重大發(fā)展。春秋戰(zhàn)國時期發(fā)明了生鐵冶煉技術，用鐵水澆鑄成農(nóng)具、工具，開始大量使用鐵器。中國冶鐵歷史比歐洲早1900年。鐵戈鐵農(nóng)具

鐵的價格便宜，鐵制農(nóng)具大面積推廣應用；鐵的耐磨性能高于青銅，鐵制農(nóng)具更加耐用，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有更大的促進作用，鐵制農(nóng)具迅速占領了生產(chǎn)材料市場。鐵的密度比銅小，強度和硬度比銅高，鐵制盔甲比銅制盔甲輕的多，增加了戰(zhàn)士的靈活性；鐵制兵器也比銅制兵器鋒利、耐用。所以，鐵制武器裝備大大提高了軍隊的戰(zhàn)斗力，迅速占領了軍備材料市場。晉國鐵鼎中國最早的關于使用鐵制工具的文字記載，是《左傳》中的晉國鑄鐵鼎。在春秋時期，中國已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、手工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用鐵器。我國從公元前7世紀開始大量使用鐵器。中國古代的大型鑄鐵件：河北滄州鐵獅五代后周廣順三年（公元953年）鑄造。總高5.4米，身高3.9米，頭高1.5米。身長6.8米，寬3米，總重量40噸。湖北當陽鐵塔宋朝嘉祐六年（公元1061年）鑄造。鐵塔在殿前十三級，高七丈，重53,300kg，由基座、塔身及塔頂組成。塔身13層,除第一層外，每層均有平座、塔身和腰檐。腰檐上鑄有瓦壟、屋檐、檐角上鑄有凌空的龍首。鐵塔的基座和塔身上鑄有許多神態(tài)各異的佛像及紋飾，基座八角各立一金剛武士。山西晉祠鐵人北宋紹圣四年（公元1097年）鑄造鑄造屬于分節(jié)、疊鑄而成高2米以上河南南陽瓦房莊漢代冶鐵遺址出土的鐵斧直徑2米左右隋朝鑄造的大鐵佛像，高70尺河南登封大鐵人鐵人鑄于公元1064年每尊鐵人高達十一尺余（5）鋼含碳量在0.0218%-2.11%之間的鐵碳合金稱為鋼。冶煉溫度更高，強度較高，用途更廣。距今