材料科学与工程导论第章材料与社会()

1、1.2 1.2 材料的地位和作用材料的地位和作用1.2.1 材料与人类文明材料是人类社会进步的里程碑。材料是人类社会进步的里程碑。17材料是社会进步的物质基础。材料是社会进步的物质基础。材料是人类进步的主要标志。材料是人类进步的主要标志。人类文明进程的划分依据是什么人类文明进程的划分依据是什么? ? 所使用的、占主导地位的材料 石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代材料时代、复合材料时代 发展得越来越快发展得越来越快1.2.1 材料与人类文明18高层建筑材料划时代材料划时代 材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质材料

2、是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。基础和技术先导。 在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。和铁器时代。 在近代材料种类极其繁多，各种新材料不断涌现，在近代材料种类极其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征：很难用一种材料来代表当今时代的特征：新材料时代新材料时代。1.2.1 材料与人类文明19 人类文明进化时代是以人类文明进化时代是以材料材料的使用来划分的。的使用来划分的。 从远古的从远古的石器

3、时代石器时代到铁器时代再到如今的到铁器时代再到如今的新材料时代新材料时代，先后经过了七个不同时代。先后经过了七个不同时代。公元前公元前10万年万年石器时代石器时代公元前公元前3000年年公元前公元前1000年年公元前公元前0年年1800年年1950年年1990年年青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代水泥时代水泥时代钢时代钢时代硅时代（合成材料）硅时代（合成材料）新材料时代新材料时代以材料区分的七个时代以材料区分的七个时代1.2.1 材料与人类文明20燧石：神奇的石头400,000 BC 4,500 BC 石器时代石器时代 (Stone Age) 人类主要以石头、骨头、木制作简单的工具。1.2.

4、1 材料与人类文明21陶器陶器(Pottery) 陶器的出现是人类跨入新石器时代新石器时代的重要的重要标志标志之一 据考古资料，中国陶器制作历史至少有8000年年以上西安半坡人面网纹陶盆西安半坡人面网纹陶盆战国陶制四通水管战国陶制四通水管1.2.1 材料与人类文明224,500 BC 1,000 BC 青铜时代青铜时代 (Bronze Age)从矿石中提炼铜 冶金业的黎明埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一 人类学会了用炭把铜加热以人类学会了用炭把铜加热以造出纯度更高的铜造出纯度更高的铜, , 而把而把铜铜和和锡锡矿石熔合后可得一种坚度高的合矿石熔合后可得一种坚度高的合金金 - - 青铜，以

5、青铜来造出各种青铜，以青铜来造出各种武器。武器。 大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。1.2.1 材料与人类文明23 古称金或吉金，是铜与其它元素（锡、镍、铅、磷等）的合金 中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，时间跨度约两千年。 春秋战国时期，齐国工匠写成考工记考工记，提出“金有六齐”，是世界科技史上最早的冶铜经验总结。 青铜：青铜：第一种合金第一种合金夏钺夏钺戈戈1.2.1 材料与人类文明24三星堆三星堆突目面具 铸于商代晚期，高64.5cm，宽138cm，眼球柱状外突长达13.5cm三星堆立人像铸于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像1.2.1 材料

6、与人类文明25司母戊鼎司母戊鼎 司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133cm，重875kg。为已知的中国古代体量最大的青铜器。1.2.1 材料与人类文明铜禁，中国已知最早应用失蜡法铸造的作品，春秋时代的楚国王子午墓出土，年代为公元前6世纪。26青铜乐器青铜乐器（战国）错金犀牛尊（战国）错金犀牛尊1.2.1 材料与人类文明27曾候乙尊盘湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑1.2.1 材料与人类文明27 铜三足鸟铜三足鸟 西周西周 铜奔马铜奔马( (马踏飞燕马踏飞燕) ) 汉汉 秦始皇陵铜车马秦始皇陵铜车马 秦秦 爵爵 商商 其它青铜制品其它青铜制品291.2.1 材料与人类文明1450BC 铁制车

7、轮1500AD 廉价的冶铁业1000BC 铁器时代铁器时代 (Iron Age) 公元前14世纪至公元前13世纪，人类开始使用并铸造铁器，当青铜器逐渐被铁器广泛替代时，标志着人类进入了铁器时代。1.2.1 材料与人类文明30战国铁犁头战国铁犁头战国铁锄战国铁锄湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 中国最早出现冶铁制品大约是在公元前9世纪。到了春秋末期，中国人就发明了在高温下用木炭还原铁矿石生产铁的方法，以及在半熔状态下锻造各种器具和武器的技术。1.2.1 材料与人类文明32水泥时代水泥时代(Cement Age)0BC 2000 2000年前，希腊和古罗马人在建筑中使用一年前，

8、希腊和古罗马人在建筑中使用一种石灰和火山灰的混合物，它们在水中缓慢反应生种石灰和火山灰的混合物，它们在水中缓慢反应生成坚硬的固体。为最早应用的成坚硬的固体。为最早应用的水泥水泥。 1919世纪初，英、法等将粘土化石灰世纪初，英、法等将粘土化石灰( (或泥灰岩或泥灰岩) )烧结成为水硬性材料，其中烧结成为水硬性材料，其中AlAl2 2OO3 3、 SiOSiO2 2含量之和含量之和达到达到2035%2035%，称为天然水泥。，称为天然水泥。 18241824，英国用石灰石和粘土的混合物烧成一种，英国用石灰石和粘土的混合物烧成一种水硬性的胶凝材料，凝结硬固后的颜色、外观和当水硬性的胶凝材料，凝结硬

9、固后的颜色、外观和当时英国用于建筑的优质波特兰石头相似，故称为波时英国用于建筑的优质波特兰石头相似，故称为波特兰水泥。特兰水泥。 18251825，波特兰水泥在英国建厂生产。，波特兰水泥在英国建厂生产。水泥生产工艺水泥生产工艺以石灰石和粘土为主以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，料、磨细制成生料，喂入水泥窑中煅烧成喂入水泥窑中煅烧成熟料，加入适量石膏，熟料，加入适量石膏，磨细而成。磨细而成。18711871年，日本开始建造水泥厂年，日本开始建造水泥厂18891889年，中国在唐山建造了第一座水泥厂。年，中国在唐山建造了第一座水泥厂。1.2.1 材料与人类文明

10、32 18世纪，出现了用钢铁制造的蒸汽机。19世纪发明的内燃机和电动机对金属材料提出了更高要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。 18世纪至20世纪，金属材料占据了结构材料的主导地位。 比如，火车铁轨的问世就是钢铁材料大量生产和应用的成功例子。钢铁时代钢铁时代(Steel Age)1800 ：1.2.1 材料与人类文明33 1854年和1864年，欧洲先后出现了转炉和平炉炼钢技术。随着电炉冶炼技术的出现，不同类型的特种钢相继问世： 1887年高锰钢 1900年高速钢 1910年镍铬不锈钢1.2.1 材料与人类文明3419艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔钢的应用钢的应用旧金山金门大桥旧金山金门大桥建

11、筑建筑设备设备351.2.1 材料与人类文明 同时，铜、铝及其合金大量使用，铅、锌、镁、钛和很多稀有金属相继被发现。世界钢产量从1850年的6万吨突增到1900年的2800万吨，人类进入了辉煌的钢铁时代。 由此带动了冶金业、纺织业、机械制造业、交通运输业及航空工业等的迅速发展。轮船、汽车、飞机、电灯等的出现，使人类生活大大改善。 1.2.1 材料与人类文明36 2010 2010年世界钢年世界钢产量达产量达13.513.5亿吨，亿吨，中国突破中国突破6 6亿吨，亿吨，占占44.3%44.3%。 19世纪末期，西方科学家发明了人造丝，这是人类改造自然材料的又一里程碑。20世纪初，各种人工合成有机

12、高分子材料相继问世。目前，全世界三大有机合成材料的年产量已达亿吨以上。 1909年合成酚醛树脂（电木） 1920年合成聚苯乙烯(PS) 1931年合成聚氯乙烯（PVC） 1941年合成聚酰胺、聚碳酸酯（尼龙）1.2.1 材料与人类文明合成材料时代合成材料时代 1900 ：37 在20世纪下半叶，合成高分子材料得到了飞速发展，已经深入人类社会的方方面面。伴随着核能的应用、合成材料工业和以硅材料为支柱的半导体工业走向大规模工业化，人类开辟了以计算机技术、生物技术和空间技术为主要标志的新时代。 20世纪中后期，通过使用合成原料和新的制备技术，出现了一系列具有特殊功能的先进陶瓷材料。由于陶瓷具有资源丰

13、富、密度小、耐腐蚀、耐高温等特点，用途不断扩大，成为世界各国材料研究的重点。1.2.1 材料与人类文明38硅时代硅时代(Silicon Age)1950 第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度低，不是单晶体。纯度低，不是单晶体。 19501950，制出第，制出第1 1只只硅晶体管硅晶体管。 19521952，用直拉法培育，用直拉法培育硅单晶硅单晶成功。成功。 19531953，用无坩埚区域熔化法拉制单晶。，用无坩埚区域熔化法拉制单晶。 19551955，采用，采用ZnZn还原还原SiClSiCl4 4法生产纯

14、硅，但不能满足制造晶体管的要求法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求 19561956，氢还原，氢还原SiHClSiHCl3 3法。法。 19601960，用氢还原，用氢还原SiHClSiHCl3 3法进行工业生产，已具规模。法进行工业生产，已具规模。 硅整流器、硅闸流管问世，促使硅材料的生产一跃而居硅整流器、硅闸流管问世，促使硅材料的生产一跃而居半导体材料半导体材料的的首位。首位。 19601960年代，硅外延生长单晶技术和硅平面工艺。年代，硅外延生长单晶技术和硅平面工艺。 硅晶体管制造技术趋于成熟，集成电路迅速发展。硅晶体管制造技术趋于成熟，集成电路迅速发展。 19801980年代初，全世

15、界多晶硅产量达年代初，全世界多晶硅产量达25002500吨。吨。1.2.1 材料与人类文明39 20世纪90年代后，现代复合材料、各种新材料层出不穷，并得到快速发展，标志着人类已进入新材料时代。 新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展。 新材料时代新材料时代 1900 ：1.2.1 材料与人类文明40 从人类利用材料的历史中可以清楚地看到：每一种重要新材料的发现和应用，都会把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都将引起生产技术的重大变革，甚至引发一场世界性的技术革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨大的变革，把人类物质文明推向前进。1.2.1 材料与人类文明材料是所有科技进