材料合成与制备绪论

1、材料合成与制备材料合成与制备孙洪巍孙洪巍2007.09.12 Tel. 67766013, 67766884Mail: 0 绪论绪论0.1 材料的定义与分类材料的定义与分类0.1.1 材料的定义材料的定义 三大材料三大材料:无机非金属材料、高分子材无机非金属材料、高分子材料、金属材料料、金属材料无机非金属材料无机非金属材料(inorganic nonmeta-llic materials):以某些元素的氧化物、以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。等物质组成的

2、材料。材料的定义材料的定义: 世界经济合作与发展组织世界经济合作与发展组织(OECD) 定义定义:材料材料是供作单独地或组合式地履行相当持久性功是供作单独地或组合式地履行相当持久性功能的固体物质。能的固体物质。 美国国家科学院材料科学与工程综合调查委美国国家科学院材料科学与工程综合调查委员会员会(COSMAT)定义定义:材料是具有可供制造机材料是具有可供制造机器、结构、器件、产品等有用性质的物质。器、结构、器件、产品等有用性质的物质。 中国中国材料科学技术百科全书材料科学技术百科全书定义定义:材料是材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器

3、和其他产品的那些物质。构件、机器和其他产品的那些物质。材料的三大要素材料的三大要素: (1) 物质性物质性:材料属于物质材料属于物质,但不是所有的但不是所有的物质都属于材料物质都属于材料; (2) 功能性功能性:材料在人们制造物质财富的材料在人们制造物质财富的过程中过程中,至少应具有一点持久性功能至少应具有一点持久性功能,而而不是消耗品不是消耗品; (3) 可加工性可加工性:材料应具有有经济效益的材料应具有有经济效益的可加工性可加工性,以利于人们将其加工成型为以利于人们将其加工成型为所设计的产品。所设计的产品。0.1.2 材料的分类材料的分类 材料的种类繁多材料的种类繁多,性能千差万性能千差万

4、别。现行的分类方法很多别。现行的分类方法很多,通常是通常是依照人们各式各样的要求依照人们各式各样的要求,行业标行业标准准,学科特点等对材料进行分类。学科特点等对材料进行分类。以下是现行常用的材料分类方法。以下是现行常用的材料分类方法。 0.1.2.1 按来源分按来源分 按照材料的来源可分为天然材料按照材料的来源可分为天然材料(如石料如石料,木材木材,天然橡胶天然橡胶,棉花等棉花等)和人造和人造材料材料(如钢铁如钢铁,化纤化纤,合成橡胶合成橡胶,水泥水泥,玻璃玻璃,陶瓷陶瓷,塑料等塑料等)两类两类,是简易而直观的分是简易而直观的分类方法。类方法。 0.1.2.2 按逻辑规则分按逻辑规则分 按照逻

5、辑上的按照逻辑上的“有无有无”“”“是非是非”观观,可将材料按下图分类可将材料按下图分类:图0.1 材料的逻辑分类属属种种类类亚亚 类类物质物质材料材料无机材料无机材料有机材料有机材料金属材料金属材料非金属材料非金属材料复复合合材材料料 0.1.2.3 按材料物理化学特征分按材料物理化学特征分 按元素种类、物理化学特征和材料按元素种类、物理化学特征和材料中存在的化学键性质中存在的化学键性质,可以将材料分成下可以将材料分成下面面4类类: 金金 属属 材材 料料:主要化合键为金属键主要化合键为金属键 无机非金属材料无机非金属材料:主要化合键为离子键主要化合键为离子键, 包含许多共价键材料包含许多共

6、价键材料 高高 分分 子子 材材 料料:主要化合键为共价键主要化合键为共价键 复复 合合 材材 料料:含多种主要化合键含多种主要化合键 这是一种具有实质性的分类方这是一种具有实质性的分类方法法,可较好的从本质上理解这几类可较好的从本质上理解这几类材料性能上的差别。但这种分类法材料性能上的差别。但这种分类法存在无法将现有材料明确区分开来存在无法将现有材料明确区分开来的缺点。事实上的缺点。事实上,现存的许多材料现存的许多材料很难简单地按化学键类型严格的区很难简单地按化学键类型严格的区分为上述四类中的某一类。四类材分为上述四类中的某一类。四类材料的相互关系可以用图料的相互关系可以用图1.2表示表示,

7、其其中每一类还可继续细分中每一类还可继续细分: 金金 属属 材材 料料:有色金属、黑色金属、金有色金属、黑色金属、金属间化合物等属间化合物等; 高高 分分 子子 材材 料料:合成橡胶、塑料、树合成橡胶、塑料、树脂、合成纤维等脂、合成纤维等; 无机非金属材料无机非金属材料:陶瓷、玻璃、耐火陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、胶凝材料、磨具磨料等材料、水泥、胶凝材料、磨具磨料等; 复合材料复合材料:金属基复合材料、陶瓷基金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料等。复合材料、聚合物基复合材料等。 图图1.2材料的分类金属材料高分子材料无机非金属材料非晶态材料或复合材料 0.1.2.4 按材料的聚集状

8、态分类按材料的聚集状态分类 按材料聚集状态的不同,可将材料按下述框图进行分类:材材料料固体固体液体液体气体气体晶体晶体非晶体非晶体复相复相单晶材料单晶材料多晶材料多晶材料非晶态材料非晶态材料复合材料复合材料液晶材料液晶材料气体激光器材料气体激光器材料图图0.3 材料的分类材料的分类 0.1.2.5 按材料工业行业按材料工业行业分类分类 按国际通用分类方法.我国材料工业分类为: 材料工业应用分类材料工业应用分类黑黑色色金金属属材材料料有有色色金金属属材材料料核核材材料料建建筑筑材材料料宇宇航航材材料料船船舶舶材材料料耐耐火火材材料料兵兵器器材材料料仪仪器器仪仪表表材材料料电电子子材材料料光光学学

9、材材料料感感光光材材料料包包装装材材料料图图0.4 材料工业应用分类材料工业应用分类 0.1.2.6 按材料功能分类按材料功能分类 这是一种从材料的功能性出发来分类的方法,主要是按照材料的力学性质、物理性质、化学性质和生物特性等来进行分类。详见表0.1。 表表0.1 材料的功能分类材料的功能分类序号功能类型 特定功能材料名称1力学功能 强度,硬度,磨削,切削,形状记忆高强度材料,高硬度材料,形状记忆材料(合金) 2热功能耐热性,绝热性,传(导)热性耐高温材料,保温(隔热)材料,热交换器材料续表续表0.1 材料的功能分类材料的功能分类序号功能类型特定功能材料名称3电功能 高绝缘性、介电性、高导电

10、性、半导体特性、热电性、压电性、闪电光效应、热释电效应、光电效应 绝缘材料、电容器材料、导电材料、半导体材料、热电材料、压电材料、热敏材料、热释电材料、光电（转换）材料、 续表续表0.1 材料的功能分类材料的功能分类序号功能类型特定功能材料名称4光功能 透光性、红外光电效应、荧光性、光色效应、导光性、内光电效应、磁光效应、电光效应、声光效应、激光振荡效应 透光材料、红外探测材料、发光材料、光色材料、光学纤维材料、光敏材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料、荧光材料 续表续表0.1 材料的功能分类材料的功能分类序号功能类型 特定功能材料名称5磁功能 铁电性,软磁性,硬磁性 磁记录材料,软磁

11、材料,永磁材料 6声功能电/磁致伸缩,压电性,声热转换水声功能材料,超声功能材料,吸声功能材料续表续表0.1 材料的功能分类材料的功能分类序号功能类型特定功能材料名称7化学功能催化作用、选择性分离 、载体性反应控制材料,分离膜材料,载体材料8生物功能生体亲和性,生物相容性,抗凝血性,生理惰性,生体适应性,耐生体老化性生体亲和高分子材料,生物陶瓷材料,抗凝血型高分子材料,医用有机硅材料 0.1.2.7 无机非金属材料的分类无机非金属材料的分类 上一节,我们论了材料的一般分类方法,鉴于本课程涉及的主要内容是无机非金属材料,因此有必要进一步讨论无机非金属材料的分类。无机非金属材料一般也可根据材料的组

12、成(化学键和化学组成)、功能、应用领域等来分类。其分类方法大体与上述分类方法相似。因此,仅给出无机非金属材料的工业应用分类,见下图。.无无机机非非金金属属材材料料工工业业应应用用分分类类新型陶瓷材料新型陶瓷材料胶结材料胶结材料磨具材料磨具材料耐火材料耐火材料粘土制品粘土制品玻璃玻璃日用陶瓷日用陶瓷特种耐火材料特种耐火材料碱性耐火材料碱性耐火材料氧化硅质耐火材料氧化硅质耐火材料粘土质耐火材料粘土质耐火材料建筑卫生陶瓷建筑卫生陶瓷工业陶瓷工业陶瓷结构粘土制品结构粘土制品微晶玻璃微晶玻璃玻璃玻璃 0.2 材料的发展简史材料的发展简史 在旧石器时代在旧石器时代,人类为了自身的生人类为了自身的生存和发展

13、存和发展,在与自然界斗争的过程中逐在与自然界斗争的过程中逐渐学会了使用木材、动物毛皮、石头渐学会了使用木材、动物毛皮、石头等天然材料。进入新石器时代后等天然材料。进入新石器时代后,以陶以陶器的发明为标志器的发明为标志,人类逐渐学会了制陶、人类逐渐学会了制陶、制瓷、金属冶炼、石灰、水泥、玻璃制瓷、金属冶炼、石灰、水泥、玻璃等的烧制与加工技术等的烧制与加工技术,使人类社会踏上使人类社会踏上了从材料的必然王国到自由王国的历了从材料的必然王国到自由王国的历程。程。 0.2.1无机非金属材料的发展简史无机非金属材料的发展简史陶瓷陶瓷:现今的考古成果表明现今的考古成果表明,人类大约在人类大约在距今距今1到

14、到1.5万年前发明了陶器。中国、万年前发明了陶器。中国、埃及、土耳其、美索不达米亚、伊拉克埃及、土耳其、美索不达米亚、伊拉克等都是最先独立发明陶器的国家之一。等都是最先独立发明陶器的国家之一。中国约在距今中国约在距今11.2万年前就制造了陶器。万年前就制造了陶器。此后经历了陶器、印文硬陶、原始瓷此后经历了陶器、印文硬陶、原始瓷,进进而发展为瓷器几个阶段。中国陶瓷发展而发展为瓷器几个阶段。中国陶瓷发展的主要特征年代如下的主要特征年代如下: 广西柳州大龙潭鲤鱼嘴文化陶片广西柳州大龙潭鲤鱼嘴文化陶片: 12280年年; 河北徐水前头庄文化遗址陶片河北徐水前头庄文化遗址陶片: 970010500年年;

15、 广西桂林甄皮岩文化遗址陶器广西桂林甄皮岩文化遗址陶器: 900010000年年; 江西万年县大源仙人洞陶器江西万年县大源仙人洞陶器: 约约10000年年; 湖南澧县彭头山陶器湖南澧县彭头山陶器: 82009100年年; 河南贾河遗址河南贾河遗址 陶器陶器: 7800年年; 河北邯郸河北邯郸 磁山文化磁山文化: 70507350年年; 河南郑州裴李岗文化河南郑州裴李岗文化: 68507450年年; 浙江浙江 河姆渡文化河姆渡文化: 53606300年年; 仰韶文化仰韶文化: 约约5000年年; 大汶口文化大汶口文化(山东宁阳堡头村山东宁阳堡头村): 42006000年年; 龙山文化龙山文化(山

16、东章丘龙山镇城子崖山东章丘龙山镇城子崖): 38004300年年; 原始瓷器原始瓷器: 商周晚期商周晚期 ; 较成熟的瓷器较成熟的瓷器: 东周东周; 瓷器的鼎盛时期瓷器的鼎盛时期: 宋。宋。 中国是瓷器发明者中国是瓷器发明者,在商周晚期就在商周晚期就出现了原始瓷器出现了原始瓷器,汉唐时期出现真正的汉唐时期出现真正的瓷器瓷器,宋代则形成瓷器的鼎盛时期。在宋代则形成瓷器的鼎盛时期。在唐朝唐朝,中国的瓷器和制瓷技术由海陆中国的瓷器和制瓷技术由海陆“丝绸之路丝绸之路”传向东亚和西亚各国。传向东亚和西亚各国。直到直到18世纪世纪,欧洲各国才学会中国的制欧洲各国才学会中国的制瓷技术瓷技术,但后来居上。欧洲

17、但后来居上。欧洲19世纪大都世纪大都采用机器生产陶瓷采用机器生产陶瓷,产量和质量都直线产量和质量都直线上升。上升。 19世纪冶金工业和电力工业的兴起世纪冶金工业和电力工业的兴起,陶瓷陶瓷成为新兴工业材料成为新兴工业材料,如耐火材料、绝缘子如耐火材料、绝缘子,相相继发明了硅砖、镁砖、铬砖、电工陶瓷、碳继发明了硅砖、镁砖、铬砖、电工陶瓷、碳化硅、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。化硅、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。 进入进入20世纪以来世纪以来,由于电子、通讯、能由于电子、通讯、能源、军事等新兴技术的发展和需要源、军事等新兴技术的发展和需要,除了工程除了工程陶瓷材料外陶瓷材料外,各种磁性陶瓷、电子陶瓷、生物各

18、种磁性陶瓷、电子陶瓷、生物陶瓷、高温超导陶瓷陶瓷、高温超导陶瓷(86年年)得到高速发展。得到高速发展。到今天到今天,新型陶瓷的发展几乎已渗透到现代科新型陶瓷的发展几乎已渗透到现代科学技术的各个领域学技术的各个领域,发挥着举足轻重的作用。发挥着举足轻重的作用。玻璃玻璃:约在公元前约在公元前2500年年,埃及和美埃及和美索不达米亚出现了最早的玻璃。中索不达米亚出现了最早的玻璃。中国在春秋战国时期国在春秋战国时期(B.C221770年年)首先发明了高铅钡硅酸盐玻璃。腓首先发明了高铅钡硅酸盐玻璃。腓泥基人泥基人(地中海东岸古国地中海东岸古国,约今黎巴约今黎巴嫩和叙利亚沿海一带嫩和叙利亚沿海一带)230

19、0年前用年前用草木灰代替钠石熔制玻璃草木灰代替钠石熔制玻璃,并发明并发明了用金属管吹制玻璃的方法。了用金属管吹制玻璃的方法。 公元前公元前1世纪世纪,玻璃制造业中心玻璃制造业中心由腓尼基移至罗马由腓尼基移至罗马,并利用玻璃的并利用玻璃的透明性制成了窗玻璃、棱镜和放大透明性制成了窗玻璃、棱镜和放大镜。镜。11世纪到世纪到15世纪世纪,欧洲的威尼欧洲的威尼斯成为玻璃的制造中心。斯成为玻璃的制造中心。16世纪世纪以后以后,威尼斯的玻璃工匠逃亡国外威尼斯的玻璃工匠逃亡国外,使玻璃技术得以传播。使玻璃技术得以传播。 17世纪世纪,欧洲许多国家都建立玻璃工欧洲许多国家都建立玻璃工厂厂,并开始用煤代替木柴做

20、燃料并开始用煤代替木柴做燃料,在玻璃配在玻璃配料中开始使用工业纯碱料中开始使用工业纯碱(Na2CO3)。1790年瑞士狄南年瑞士狄南(Guinand)发明搅办法制造光发明搅办法制造光学玻璃学玻璃;18世纪末世纪末,美国美国M.欧文斯欧文斯(Owens)发明自动吹瓶机发明自动吹瓶机;1867年年,德国西门子兄德国西门子兄弟发明以煤为燃料的连续式池炉弟发明以煤为燃料的连续式池炉;1905年年,比利时比利时E.氟克氟克(FoulCault)第一次成功地第一次成功地从池炉中直接拉制出平板玻璃从池炉中直接拉制出平板玻璃;1952年英年英国皮尔金顿公司发明浮法平板玻璃。国皮尔金顿公司发明浮法平板玻璃。 从

21、此从此,玻璃工业及科学技术进入了玻璃工业及科学技术进入了高速发展阶段。除了传统的工艺玻璃、高速发展阶段。除了传统的工艺玻璃、瓶罐玻璃、平板玻璃、光学玻璃等得瓶罐玻璃、平板玻璃、光学玻璃等得到不断发展外到不断发展外,各种新型玻璃各种新型玻璃,如如:微晶微晶玻璃玻璃(50年代年代)、生物玻璃、生物玻璃(69年、年、USA L.亨奇亨奇)、激光玻璃、激光玻璃(60年代年代)、金属玻、金属玻璃璃(60年代年代)、光学纤维、光学纤维(70年代年代)、半导、半导体玻璃体玻璃(70年代年代)、超导玻璃、超导玻璃(80年代年代)等等也得到迅速发展。也得到迅速发展。水泥水泥:石灰用作泥灰最早见于巴比伦石灰用作泥

22、灰最早见于巴比伦和仰韶时代的晚期和仰韶时代的晚期(约约45005000年年前前)。公元前。公元前3世纪世纪,罗马人发现用石罗马人发现用石灰和火山灰磨细混合灰和火山灰磨细混合,其硬化后坚硬其硬化后坚硬防水防水,并可与碎石混合并可与碎石混合,从而制得水从而制得水硬性火山灰。由于这种砂浆具有抗硬性火山灰。由于这种砂浆具有抗水性水性,12世纪时常将其称为水泥。世纪时常将其称为水泥。 18世纪中叶世纪中叶(1759)英国工程师英国工程师J.斯米斯米顿顿(Smeaton)发现用含粘土的石灰石可发现用含粘土的石灰石可烧制成水硬性的石灰烧制成水硬性的石灰,其硬化后的坚固性其硬化后的坚固性和耐久性如同波特兰石和

23、耐久性如同波特兰石(英国波特兰岛石英国波特兰岛石灰石灰石),故将其命名为波特兰水泥。故将其命名为波特兰水泥。19世纪世纪初法国初法国L.J.维卡维卡(Vicat)利用含粘土岩石和利用含粘土岩石和石灰石混合细磨后制得水硬性水泥。石灰石混合细磨后制得水硬性水泥。1824年英国建筑工人年英国建筑工人J.阿斯普丁阿斯普丁(Aspdin)用二次煅烧法烧成了波特兰水泥用二次煅烧法烧成了波特兰水泥,并获得并获得专利专利,从此开始了近代水泥的工业生产。从此开始了近代水泥的工业生产。 进入进入20世纪世纪,逐渐发展了各种逐渐发展了各种用途的硅酸盐水泥。如铝硅酸盐水用途的硅酸盐水泥。如铝硅酸盐水泥泥(190719

24、09年年,法国法国)、白色水泥、白色水泥(30年代年代,欧洲各国欧洲各国)、膨胀水泥、膨胀水泥(40年代年代,前苏联前苏联),此后又陆续发展了硫此后又陆续发展了硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。目前水泥品种已达酸盐水泥等。目前水泥品种已达100余种。余种。 0.2.2 金属材料的发展简史金属材料的发展简史 人类最早使用的金属是自然铜人类最早使用的金属是自然铜和金和金(约约9000年前的西亚地区年前的西亚地区)。约。约60007000年前人类学会了冶炼铜年前人类学会了冶炼铜(伊朗至两流河域上游伊朗至两流河域上游)。约。约5000年年前两河流域上游已出现含锡

25、青铜。前两河流域上游已出现含锡青铜。中国于中国于42004500年前进入青铜时年前进入青铜时代。代。 铁的规模生产始于公元前铁的规模生产始于公元前14世纪土世纪土耳其半岛中部耳其半岛中部Anotolia地区地区,公元前公元前8世世纪欧洲及埃及进入铁器时代纪欧洲及埃及进入铁器时代,中国公元前中国公元前6世纪末世纪末,5世纪初进入铁器时代世纪初进入铁器时代,并在战并在战国时期开始使用生铁国时期开始使用生铁,中国春秋末期出现中国春秋末期出现人工锻炼钢。公元人工锻炼钢。公元1世纪发明搅拌炼钢。世纪发明搅拌炼钢。1856年英国年英国H.贝塞麦贝塞麦(Bessemer)发明发明转炉炼钢。转炉炼钢。1856

26、1864年年,英国英国K.W.西西门子门子(Siemens)和法国和法国P.E.马丁马丁(Martin)发明平炉炼钢。发明平炉炼钢。 1899年法国年法国P.L.T.埃鲁埃鲁(Her-oult)发明电弧炉炼钢发明电弧炉炼钢, 1886年年P.L.T.埃鲁埃鲁(法国法国)及及C.M.霍尔霍尔(美美)同同时发明用冰晶石时发明用冰晶石-氧化铝熔盐电解氧化铝熔盐电解法制取金属铝。法制取金属铝。1910年年,美国冶金美国冶金学家学家M.A.亨特亨特(Hunter)用钠还原法用钠还原法制得金属钛制得金属钛,1948年开始工业化生年开始工业化生产钛。产钛。 17世纪以前中国已掌握铜、世纪以前中国已掌握铜、铁

27、、金、银、锡、铅、锌等金属的铁、金、银、锡、铅、锌等金属的冶炼。冶炼。18世纪到世纪到20世纪世纪,人们陆续人们陆续掌握了掌握了Ni、Cr、Mn、Mo、V、Co、Si等金属材料的冶炼。逐渐形成今等金属材料的冶炼。逐渐形成今天种类繁多的包括黑色金属天种类繁多的包括黑色金属(钢铁钢铁及合金及合金)和有色金属和有色金属(除黑色金属外除黑色金属外)材料材料,形成了现代工业最重要的材形成了现代工业最重要的材料体系之一。料体系之一。 0.2.3 有机高分子材料有机高分子材料 人类使用高分子材料可以追溯到人类使用高分子材料可以追溯到8000年以前年以前,如木材如木材(旧石器时代旧石器时代)、羊毛、羊毛(80

28、00年前的新石器时代年前的新石器时代)、麻、麻(6000年年前的半坡文化前的半坡文化)、棉布、棉布(4500年前印度河年前印度河流域流域)、蚕丝织物、蚕丝织物(约约5000年前太湖流域、年前太湖流域、中国汉代中国汉代(A.D105年年)蔡伦造纸等蔡伦造纸等,但直但直到到19世纪世纪30年代末人类才进入对天然高年代末人类才进入对天然高分子材料的化学改性阶段。分子材料的化学改性阶段。 1839,美国美国,C.固特首先开始对固特首先开始对天然橡胶进行硫化天然橡胶进行硫化, 1845年年,德国施德国施魏策尔等研制硝化纤维素。魏策尔等研制硝化纤维素。1909年年,美国美国L.H.贝克兰贝克兰(Backe

29、land)制制成第一种合成高分子材料酚醛树脂成第一种合成高分子材料酚醛树脂(电木电木),标志着人类应用合成高分子标志着人类应用合成高分子材料的开始。材料的开始。1912年年,德国德国F.克拉克拉克制成聚氯乙烯。克制成聚氯乙烯。 20年代初合成聚异戊二烯丁橡年代初合成聚异戊二烯丁橡胶胶;1929年年W.H.卡罗瑟斯用缩聚反应制卡罗瑟斯用缩聚反应制成尼龙成尼龙6(聚酰胺聚酰胺)和聚酯类高聚物和聚酯类高聚物; 30年代开发出氯丁橡胶年代开发出氯丁橡胶(美国杜邦美国杜邦)、合成、合成聚乙烯聚乙烯(英卜内门化学公司英卜内门化学公司)、丁苯橡胶、丁苯橡胶(英英,E.春克尔春克尔)、丁腈橡胶、丁腈橡胶(德德

30、,法本法本)、聚 苯 乙 烯聚 苯 乙 烯 ( 德德 , 法 本法 本 ) 、 尼 龙、 尼 龙 6 6 (U.S.A,W.H卡罗瑟斯卡罗瑟斯,Carothers), 41年开始工业化生产聚氨脂年开始工业化生产聚氨脂, 43年德国法年德国法本公司开始生产聚氨酯橡胶。本公司开始生产聚氨酯橡胶。 1944年生产硅橡胶年生产硅橡胶(美通用电美通用电器器)、环氧树脂、环氧树脂(46年年,美美,壳牌化学公壳牌化学公司司)、聚丙烯纤维、聚丙烯纤维(美美,50年年,杜邦杜邦)、顺丁橡胶顺丁橡胶(美美,56年年,菲利普石油公司菲利普石油公司)、氟橡胶氟橡胶(58年年,美美,杜邦公司杜邦公司)、聚甲醛、聚甲醛工

31、程塑料工程塑料(59年年,美美,杜邦杜邦),70年代进年代进入工程塑料大发展时期入工程塑料大发展时期,目前目前,高分高分子材料的工业生产量按体积算已超子材料的工业生产量按体积算已超过钢铁材料。过钢铁材料。 0.3 材料的地位和作用材料的地位和作用 0.3.1 材料是人类进步的里程碑材料是人类进步的里程碑 材料的发展与人类社会的进步材料的发展与人类社会的进步密不可分。材料的发展历程明确的密不可分。材料的发展历程明确的标志出人类社会文明进步的历程。标志出人类社会文明进步的历程。材料是人类社会赖以生存和发展的材料是人类社会赖以生存和发展的物质基础。物质基础。 人类从其出现开始人类从其出现开始,为了保

32、护自己为了保护自己,获得和制作食物、工具、准备衣着和居获得和制作食物、工具、准备衣着和居所所,首先学会了利用天然材料首先学会了利用天然材料,进而逐步进而逐步学会了对材料进行加工、改造和改性学会了对材料进行加工、改造和改性,并并创造出许许多多的人工材料。人类在利创造出许许多多的人工材料。人类在利用和创造新材料的过程中不断加速着自用和创造新材料的过程中不断加速着自身的发展。纵观材料发展的整个历程身的发展。纵观材料发展的整个历程,材材料的每一次重大发展料的每一次重大发展,都伴随着人类文明都伴随着人类文明进步的飞跃。因此进步的飞跃。因此,人们常按材料的使用人们常按材料的使用状态来划分社会文明进步的不同

33、时代。状态来划分社会文明进步的不同时代。旧石器时代旧石器时代:使用各种天然或经简单加使用各种天然或经简单加工的天然材料。工的天然材料。约约11.5万年以前万年以前,这是这是人类社会早期发展时代人类社会早期发展时代,根据现有的考古根据现有的考古发现发现,这一时期大约经历了三四百万年。这一时期大约经历了三四百万年。从材料的使用特征来看从材料的使用特征来看,属属木石并用时代木石并用时代。人类为了生存人类为了生存,首先学会了用天然木材、首先学会了用天然木材、动物骨和犄角制造矛动物骨和犄角制造矛,使用天然石块使用天然石块,进进而用打制的有锐利边角的石块作工具和而用打制的有锐利边角的石块作工具和武器武器,

34、过着以狩猎、采集为主、茹毛饮血过着以狩猎、采集为主、茹毛饮血的原始生活。的原始生活。新石器时代新石器时代:使用各种天然或经较精使用各种天然或经较精细加工的天然材料、发明陶器。细加工的天然材料、发明陶器。大约大约在在11.5万年前。人类在经历了一个漫万年前。人类在经历了一个漫长的发展历程之后长的发展历程之后,开始定居开始定居,有了简单有了简单的农牧业的农牧业,学会了纺织学会了纺织,广泛地使用各种广泛地使用各种磨制的精细石器磨制的精细石器,使用火和加工天然材使用火和加工天然材料的技术日趋成熟料的技术日趋成熟,使陶器的发明成为使陶器的发明成为必然。人类开始学会简单的制陶术必然。人类开始学会简单的制陶

35、术,用用自己的双手和智慧自己的双手和智慧,通过化学反应创造通过化学反应创造出第一种人造材料出第一种人造材料-陶器。陶器。 陶器的发明陶器的发明,使人类可以吃烹煮过使人类可以吃烹煮过的食物的食物,对人类体质的发展产生了重大对人类体质的发展产生了重大的影响。恩格斯在的影响。恩格斯在一书中深刻地把人类学一书中深刻地把人类学会制陶术标志为会制陶术标志为人类蒙昧时代的结束人类蒙昧时代的结束和野蛮时代的开始和野蛮时代的开始。陶器是人类长期。陶器是人类长期同自然界斗争中的一项划时代发明创同自然界斗争中的一项划时代发明创造造,为以后铜铁的冶炼提供了物质和技为以后铜铁的冶炼提供了物质和技术基础。术基础。铜器时代

36、铜器时代:包括使用经加工的天然包括使用经加工的天然材料、陶器材料、陶器, 铜器铜器(红铜、青铜红铜、青铜), 人人类进入奴隶社会类进入奴隶社会; 产生国家。随着产生国家。随着制陶技术水平制陶技术水平,尤其是烧成温度的尤其是烧成温度的提高提高,人类用火的技术也日臻成熟。人类用火的技术也日臻成熟。并从自然界中存在的天然铜、金并从自然界中存在的天然铜、金,逐渐发现了金属和矿石的关系逐渐发现了金属和矿石的关系,学学会了用含铜矿石冶炼铜的技术。会了用含铜矿石冶炼铜的技术。 世界上最早冶铜是美索不达米世界上最早冶铜是美索不达米亚亚(Mesopotamia,叙利亚东部和伊叙利亚东部和伊拉克境内的底格里斯河和

37、幼发拉底拉克境内的底格里斯河和幼发拉底河河 - - 两 河 流 域两 河 流 域 ) 和 埃 及和 埃 及 , 距 今 约距 今 约60007000年。中国在距今约年。中国在距今约50005500年间出现冶铜术年间出现冶铜术,如齐家如齐家文化文化(B.C3000年年,1924年发现于甘年发现于甘肃和正文家坪肃和正文家坪,分布于甘肃洮河、大分布于甘肃洮河、大夏河、渭河上游和青海潢水流域夏河、渭河上游和青海潢水流域)。 在距今约在距今约42004000年年(马家窑文马家窑文化化,甘肃临洮马家窑甘肃临洮马家窑,B.C20003000年年)前前,中国已进入青铜时代中国已进入青铜时代(锡青铜锡青铜),商

38、代商代(B.C1066 1600)已有发达的青铜器。已有发达的青铜器。 冶铜技术的出现和发展冶铜技术的出现和发展,改进了工改进了工具具,极大地提高了生产力极大地提高了生产力,促进了农业的促进了农业的发展发展,改善了人类的生活条件改善了人类的生活条件,人类社会人类社会开始出现私有制开始出现私有制,进入奴隶社会进入奴隶社会,并产生并产生了国家。了国家。铁器时代铁器时代: 除陶器、铜器进一步发展外除陶器、铜器进一步发展外,又发明了瓷器又发明了瓷器,并开始冶炼和使用铁。地并开始冶炼和使用铁。地球上存在的自然铁主要来自宇宙空间的球上存在的自然铁主要来自宇宙空间的陨铁。在西亚各地发现的人造铁器可以陨铁。在

39、西亚各地发现的人造铁器可以早到公元前早到公元前30世纪中叶世纪中叶,距今约距今约4500年。年。冶铁技术的真正发展起源于赫梯王国冶铁技术的真正发展起源于赫梯王国(B.C1400年左右年左右,位于小亚细亚中部位于小亚细亚中部,黑黑海南岸古国海南岸古国,相当于土耳其克泽尔河流域相当于土耳其克泽尔河流域)距今约距今约3500年左右年左右,公元前公元前10001200年年间向巴尔干半岛及南欧传播。间向巴尔干半岛及南欧传播。 埃及、中国于公元前8世纪中叶进入铁器时代。铁器的重大发展则开始于约2500年前生铁的发明。它影响了世界农业和人口的分布、它影响了世界农业和人口的分布、经济和政治的发展经济和政治的发

40、展,为封建农业、为封建农业、手工业的发展奠定了物质基础手工业的发展奠定了物质基础,促促使人类社会发展进入封建社会。钢使人类社会发展进入封建社会。钢铁工业的进一步发展铁工业的进一步发展,又将人类社又将人类社会推进到资本主义社会。会推进到资本主义社会。铁铁-硅时代硅时代:约始于约始于50年前年前,人类处于资人类处于资本主义、社会主义并存本主义、社会主义并存,开始进入信息社开始进入信息社会和知识社会。铁器时代从公元前约会和知识社会。铁器时代从公元前约10世纪一直延续到今天。由于铁在地壳资世纪一直延续到今天。由于铁在地壳资源中的分布源中的分布(克拉克数排序为克拉克数排序为4),铁的本铁的本质质(过渡金

41、属元素过渡金属元素)和冶炼金属过程的热和冶炼金属过程的热力学条件等优越性力学条件等优越性,铁及其合金在近代得铁及其合金在近代得到了巨大发展到了巨大发展,一直而且将继续是人类文一直而且将继续是人类文明的重要物质基础。明的重要物质基础。 在现代在现代,铝、铜、钛及其合金工业也得到铝、铜、钛及其合金工业也得到长足的发展长足的发展,并与钢铁及其合金一起成为并与钢铁及其合金一起成为现代科学技术三大材料之一的金属材料现代科学技术三大材料之一的金属材料主体。随着科学技术的进步主体。随着科学技术的进步,现代信息技现代信息技术飞速发展术飞速发展,以硅为代表的一系列半导体以硅为代表的一系列半导体及其它功能材料、及

42、其它功能材料、SiO2基光导纤维材料基光导纤维材料对人类文明进步产生了重大影响对人类文明进步产生了重大影响,奠定了奠定了现代电子计算机和信息技术的基础现代电子计算机和信息技术的基础,并以并以每每3年翻两番的速度不断向前发展。因此年翻两番的速度不断向前发展。因此,人们据此特点将这一时代称为人们据此特点将这一时代称为铁铁-硅时代硅时代. 0.3.2 材料是现代科学技术发展的物质材料是现代科学技术发展的物质基础和先导基础和先导钢铁钢铁:第一次工业革命-工业化;钢铁及合金、铝、铜等钢铁及合金、铝、铜等:第二次工业革命-电气化;金属、硅基半导体、光纤金属、硅基半导体、光纤:第三次工业革命-信息化、知识化

43、; 例证例证: 电子技术的进步电子技术的进步:半导体的发明半导体的发明:计算机技术;集成电路集成电路:计算机技术与信息技术的飞速发展; 通信技术的进步通信技术的进步:光导纤维光导纤维:信息高速公信息高速公路全球化路全球化; 能源技术进步能源技术进步: 高温结构材料与功能材高温结构材料与功能材料料:发电、电池、太阳能发电、电池、太阳能; 航空航天技术航空航天技术:高温结构材料、复合材料、高温结构材料、复合材料、功能材料功能材料:飞行速度与精度不断提高飞行速度与精度不断提高; 医学医学: 人工物材料、杂化材料人工物材料、杂化材料:人造骨骼、人造骨骼、人造器官人造器官; 纵观材料发展史纵观材料发展史

44、,可以清楚看到可以清楚看到,材材料是人类社会进步的物质基础和先导。料是人类社会进步的物质基础和先导。人类学会制陶术便可以吃到经烹煮的食人类学会制陶术便可以吃到经烹煮的食物物,开始脱离茹毛饮血的野蛮时代开始脱离茹毛饮血的野蛮时代,身体素身体素质得到提高质得到提高,也为后来金属的冶炼准备了也为后来金属的冶炼准备了物质和技术基础物质和技术基础;青铜器的发明和使用使青铜器的发明和使用使生产力有了明显的提高生产力有了明显的提高,推动人类进入奴推动人类进入奴隶社会隶社会,国家也由此产生国家也由此产生;铁的冶炼和应用铁的冶炼和应用,进一步提高了人类改造自然界的能力进一步提高了人类改造自然界的能力,促促使人类

45、进入封建社会。使人类进入封建社会。 18世纪下半叶钢铁工业的大发世纪下半叶钢铁工业的大发展展,促使蒸汽机的发明和应用。导致促使蒸汽机的发明和应用。导致第一次技术革命第一次技术革命的产生。人类由此的产生。人类由此开始进入资本主义工业化时代。开始进入资本主义工业化时代。19世纪末以磁性材料和金属铝作为输世纪末以磁性材料和金属铝作为输电材料为重要基础而发展的电力工电材料为重要基础而发展的电力工业业,又促使又促使第二次工业革命第二次工业革命的形成的形成,人人类开始进入电器时代。类开始进入电器时代。 40年代以硅半导体材料、核能年代以硅半导体材料、核能材料的发明和应用材料的发明和应用,促使电子和核能促使

46、电子和核能技术进入飞速发展时代技术进入飞速发展时代,敲响了敲响了第三第三次技术革命次技术革命的晨钟。总之的晨钟。总之,现代科学现代科学技术的新进展技术的新进展,如核能技术、航天技如核能技术、航天技术、计算机技术、信息技术、新能术、计算机技术、信息技术、新能源技术、生物海洋技术、生物医学源技术、生物海洋技术、生物医学技术等的重要进展技术等的重要进展,几乎都与材料的几乎都与材料的进展密切相关。进展密切相关。 材料是人类生存和文明进步材料是人类生存和文明进步的物质基础的物质基础,是是现代科学技术的三现代科学技术的三大支柱之一大支柱之一(材料、能源、信息材料、能源、信息)。就材料本身的发展而言就材料本

47、身的发展而言,已形成无已形成无机非金属材料、金属材料、高分子机非金属材料、金属材料、高分子材料三足鼎立之势。同时材料三足鼎立之势。同时,复合材复合材料正在迅速发展。料正在迅速发展。 从材料本质和性能的发展来从材料本质和性能的发展来看看,大体上经历了大体上经历了第一代材料第一代材料-天然天然材料材料(石材、木材、动物皮毛、植物石材、木材、动物皮毛、植物纤维纤维)、第二代材料第二代材料-人造人造(加工加工)材材料料(陶瓷、玻璃、水泥、金属材料陶瓷、玻璃、水泥、金属材料)、第三代材料第三代材料-合成材料合成材料(合成橡胶、合成橡胶、塑料、纤维塑料、纤维)和和第四代材料第四代材料-复合材复合材料料(金属基、树酯基、陶瓷基、碳金属基、树酯基、陶瓷基、碳-碳复合材料碳复合材料)四个阶段。四个阶段。 第一代材料可以从人类开始使第一代材料可以从人类开始使用材料一直延续到今天用材料一直延续到今天,第二代材第二代材料则可以从今天一直追溯到新石器料则可以从今天一直追溯到新石器时代人类发明陶器时止。第三代材时代人类发明陶器时止。第三代材料始于料始于19世纪末世纪末,进入进入20世纪蓬勃世纪蓬勃发展至今。第四代材料的使用虽然发展至今。第四代材料的使用虽然可追溯到远古可追溯到远古,但现代复合材料的但现代复合材料的发