材料的定义及发展

材料的定义及发展第1页/共90页原始人居住的洞第2页/共90页用茅草搭起来的房屋第3页/共90页用树枝做的房屋第4页/共90页用石头砌起来的房屋第5页/共90页用砖,水泥,盖的房脊第6页/共90页高楼大厦第7页/共90页思考:看了这些图片以后，想到了什么？第8页/共90页

在人类社会发展过程中，大自然馈赠予人类的材料，已经远远不能满足人类社会发展的需要，为了人类自身发展的需要，人们总是在大自然的馈赠之外，用自己的聪明，用自己的聪明才智和勤劳的双手，不断地研制，创造着各种各样的新材料，以满足人类素质文明和科技技术不断发展的需要。第9页/共90页第10页/共90页第11页/共90页第12页/共90页第13页/共90页第14页/共90页第15页/共90页第16页/共90页门窗玻璃第17页/共90页第18页/共90页第19页/共90页第20页/共90页第21页/共90页第22页/共90页第23页/共90页汽车与高速公路第24页/共90页铁路第25页/共90页材料无处不在,无处不有工农业生产国防科学技术人民生活材料是人类社会生活中广泛使用的物质，第26页/共90页

材料的定义材料cáiliào[material]∶原料;可供制成成品的东西第27页/共90页材料的定义材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分。第28页/共90页材料的定义材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。材料是人类社会生活中广泛使用的物质。材料是社会进步的物质基础和先导，是人类社会进步的里程碑。第29页/共90页材料的定义20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料的品种、数量和质量已成为衡量一个国家科技和国民经济水平及国防力量的重要标志。

第30页/共90页材料的发展人类从猿人发展为现代人、发展到有文字记载的文明人的历史，可以说就是一部材料和技术的演变史。材料的发展史=人类的文明史第31页/共90页100万年前1万年前5千年前3千年前20世纪中叶材料——人类社会进步的里程碑第32页/共90页纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。复合材料铁器材料铜器材料石器材料现代社会原始社会材料的发展第33页/共90页材料与新技术革命新材料的每次使用都引起人类社会的巨大变革和生产力革命。18世纪以来世界范围内的生产力变革和技术革命都以新材料使用为龙头：

第一次技术革命——产业革命始于18世纪的英国产业革命，使得以手工技术为基础的资本主义工场手工业过渡到采用机器大生产的资本主义工厂制度。这场工业革命的物质基础是钢铁材料，而伴随的新技术则是蒸汽机的发明；材料的发展第34页/共90页第二次技术革命——电气革命1879年爱迪生发明了电灯，把电力革命的曙光带给了人类，一系列电气材料相继诞生与广泛应用，产生了巨大的生产力变革；材料的发展第35页/共90页第三次技术革命——电子革命20世纪中叶，新导电、导磁材料和半导体材料的发明和应用，使大规模集成块问世，带来了计算机的广泛应用，以及原子能的利用，大大发展了生产力和科学技术；材料的发展第36页/共90页第四次技术革命有人说目前正处在第四次技术革命的前夜。这次技术革命以信息技术、新材料技术、新能源技术和生物工程技术为基础。亦有人把材料、能源和信息科学看作是现代科学技术的三大支柱，而材料科学技术称为三大科学技术支柱之首。材料的发展第37页/共90页材料的发展材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。可以这样说，自从人类一出现就开始了使用材料。材料的历史与人类史一样久远。从考古学的角度，人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响。材料也是人类进化的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将支持和促进当时文明的发展和技术的进步。从人类的出现到20世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段。第38页/共90页1．使用纯天然材料的初级阶段在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。材料的发展第39页/共90页石斧，凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵（西安半坡遗址）第40页/共90页2．人类单纯利用火制造材料的阶段这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。材料的发展第41页/共90页青铜器时代巨型司母毋鼎（河南安阳晚商遗址）虎耳鼎(江西清江县博物馆)第42页/共90页湖北江陵楚墓出土越王勾践青铜宝剑鸟篆铭文“越王鸠潜,自乍（作）用剑”。第43页/共90页湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄中国古代铁器金相组织铁器时代第44页/共90页身长6.5米，身高5.48米，体宽3.17米，重约29.3吨，素有“狮子王”的美誉

铁器时代沧州铁狮子第45页/共90页3．利用物理与化学原理合成材料的阶段20世纪初，物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。另外，超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。材料的发展第46页/共90页1839年，美国人Goodyear发现天然橡胶与硫磺共热后呈现奇特性能。第47页/共90页1887年，CountHilairedeChardonnet用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。第48页/共90页合成纤维第49页/共90页4．材料的复合化阶段20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。

现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。材料的发展第50页/共90页5．材料的智能化阶段

自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。材料的发展第51页/共90页材料的分类由于多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。从物理化学属性来分，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。从用途来分，又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常见的两种分类方法则是结构材料与功能材料；传统材料与新型材料。第52页/共90页金属材料高分子材料粉末金属有色金属钢铁塑料橡胶粘合剂涂料纤维复合材料陶瓷材料玻璃结晶陶瓷碳材料半导体材料家族材料的分类第53页/共90页材料的分类金属材料人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。第54页/共90页埃菲尔(Eiffel)铁塔1889年324米高用金属7300吨第55页/共90页世界近代史上,钢铁是国力最重要的标志.尽管三千多年前商代的青铜器已表明我国古代无与伦比的冶炼技术，但直到晚清的洋务运动才开始发展钢铁工业，而1949年共和国建立时只有区区的15万吨。第56页/共90页1996年起，我国钢产量突破了一亿吨，跃居世界第一.2006年我国钢产量达到4亿吨，比2003年增长18.48%。第57页/共90页材料的分类金属材料金属材料种类最多，被人类使用的历史也最长，在所有种类的材料在红，人们对金属材料的加工工艺最为成熟和完善，应用也最为广泛。人类历史的进步和社会的发展，如果离开了金属材料真是不可想象。金属材料制造的东西，大到飞机、大炮、航天飞机，小到吃饭的勺、开门的钥匙，都关系到我们生活的方方面面。第58页/共90页材料的分类金属材料金属材料通常分为：黑色金属：铁、铬、锰及其合金有色金属：指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属和稀土金属等。第59页/共90页材料的分类金属材料铜是古代就已经知道的金属之一。一般认为人类知道的第一种金属是金，其次就是铜。铜在自然界储量非常丰富，并且加工方便。铜是人类用于生产的第一种金属，最初人们使用的只是存在于自然界中的天然单质铜，用石斧把它砍下来，便可以锤打成多种器物。随着生产的发展，只是使用天然铜制造的生产工具就不敷应用了，生产的发展促使人们找到了从铜矿中取得铜的方法。

第60页/共90页材料的分类金属材料铜纯铜制成的器物太软，易弯曲。人们发现把锡掺到铜里去，可以制成铜锡合金──青铜。铜，COPPER，源自Cuprum，是以产铜闻名的塞浦路斯岛的古名，早为人类所熟知。它和金是仅有的两种带有除灰白黑以外颜色的金属。铜与金的合金，可制成各种饰物和器具。加入锌则为黄铜；加进锡即成青铜。第61页/共90页材料的分类金属材料铜被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。铜用于各种电缆和导线，电机和变压器的绕阻，开关以及印刷线路板等。在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产100万发子弹，需用铜13--14吨。

在建筑工业中，用做各种管道、管道配件、装饰器件等。

第62页/共90页材料的分类金属材料铁人类最早发现铁是从天空落下的陨石，陨石含铁的百分比很高（铁陨石中含铁90.85%），是铁和镍、钴的混合物。考古学家曾经在古坟墓中，发现陨铁制成的小斧；在埃及第五王朝至第六王朝的金字塔所藏的宗教经文中，记述了当时太阳神等重要神像的宝座是用铁制成的。铁在当时被认为是带有神秘性的最珍贵的金属，埃及人干脆把铁叫做“天石”。在古希腊文中，“星”和“铁”是同一个词。第63页/共90页材料的分类金属材料铁它的最大用途是用于炼钢；也大量用来制造铸铁和煅铁。铁和其化合物还用作磁铁、染料（墨水、蓝晒图纸、胭脂颜料）和磨料（红铁粉）。还原铁粉大量用于冶金。铁的冶炼：高炉冶炼钢的冶炼：平炉炼钢第64页/共90页材料的分类金属材料铝传说在古罗马，一天，一个陌生人去拜见罗马皇帝泰比里厄斯，献上一只金属杯子，杯子像银子一样闪闪发光，但是分量很轻。它是这个人从黏土中提炼出的新金属。但这个皇帝表面上表示感谢，心里却害怕这种光彩夺目的新金属会使他的金银财宝贬值，就下令把这位发明家斩首。从此，再也没有人动过提炼这种“危险金属”的念头，这种新金属就是现在大家非常熟悉的铝。而法国皇帝拿破仑三世，为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己制造一顶比黄金更名贵的王冠——铝王冠。他戴上铝王冠，神气十足地接受百官的朝拜，这曾是轰动一时的新闻。拿破仑三世在举行盛大宴会时，只有他使用一套铝质餐具，而他人只能用金制、银制餐具。

第65页/共90页材料的分类金属材料铝可做日用器皿，因其具有氧化膜，不会锈蚀。铝的合金可作飞机、船舶、火箭的结构材料，利用的是它密度小、质量轻的特点。纯铝可做超高压电缆。

第66页/共90页材料的分类金属材料钛是以希腊神话中大力神泰坦的名字命名的，它具有钢铁的强度，却不象钢铁那样沉重；它象铝那样轻，抗腐蚀，但强度比铝要高的多。钛和钛的合金大量用于航空工业，有“空间金属”之称；另外，在造船工业、化学工业、制造机械部件、电讯器材、硬质合金等方面有着日益广泛的应用。

此外，由于钛合金还与人体有很好的相容性，所以钛合金还可以作人造骨。

第67页/共90页金属材料的优点：良好的导电、传热性、高的机械强度，较为广泛的温度使用范围，良好的机械加工性能等。金属材料的缺点：易被腐蚀和难以满足高新技术更高温度的需要。思考：911事件中纽约世贸大厦坍塌的原因？合金钢强度经得起12级台风、各种龙卷风的袭击，也耐得住地震、雷电或爆炸的侵扰。但其优良的导热性，使他经不起高温，整体变软，促成大厦迅速倒塌。第68页/共90页第69页/共90页材料的分类高分子材料高分子材料：macromolecularmaterial，以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。第70页/共90页材料的分类橡胶橡胶（Rubber）：具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。橡胶属于完全无定型聚合物，它的玻璃化转变温度（Tg）低，分子量往往很大，大于几十万。橡胶一词来源于印第安语cau-uchu，意为“流泪的树”。天然橡胶就是由三叶橡胶树割胶时流出的胶乳经凝固、干燥后而制得。1770年，英国化学家J.普里斯特利发现橡胶可用来擦去铅笔字迹，当时将这种用途的材料称为rubber，此词一直沿用至今。橡胶是橡胶工业的基本原料，广泛用于制造轮胎、胶管、胶带、电缆及其他各种橡胶制品。第71页/共90页材料的分类塑料

我们通常所用的塑料并不是一种纯物质，它是由许多材料配制而成的。其中高分子聚合物(或称合成树脂)是塑料的主要成分，此外，为了改进塑料的性能，还要在聚合物中添加各种辅助材料，如填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂等，才能成为性能良好的塑料。第72页/共90页材料的分类纤维纤维（Fiber）：聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。纤维具有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点，有很高的结晶能力，分子量小，一般为几万。

纤维大体分天然纤维、人造纤维和合成纤维

第73页/共90页材料的分类天然纤维植物纤维：是由植物的种籽、果实、茎、叶等处得到的纤维，是天然纤维素纤维。植物纤维的主要化学成分是纤维素，故也称纤维素纤维。

动物纤维：动物纤维是由动物的毛或昆虫的腺分泌物中得到的纤维。从动物毛发得到的纤维有羊毛、兔毛、骆驼毛、山羊毛、牦牛绒等；从动物腺分泌物得到的纤维有蚕丝等。动物纤维的主要化学成分是蛋白质，故也称蛋白质纤维。

第74页/共90页材料的分类人造纤维是利用自然界的天然高分子化合物——纤维素或蛋白质作原料(如木材、棉籽绒、稻草、甘蔗渣等纤维或牛奶、大豆、花生等蛋白质)，经过一系列的化学处理与机械加工而制成类似棉花、羊毛、蚕丝一样能够用来纺织的纤维。如人造棉、人造丝等。合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同，是从一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质如石油、煤、天然气、石灰石或农副产品，加工提炼出来的有机物质，再用化学合成与机械加工的方法制成纤维。如涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、氯纶等。

第75页/共90页材料的分类纤维各行各业好帮手日常穿着；导弹“防热衣”；聚酰亚胺纤维可以做高温防火保护服、赛车防燃服、装甲部队的防护服和飞行服；碳纳米管可用作电磁波吸收材料，用于制作隐形材料、电磁屏蔽材料、电磁波辐射污染防护材料和“暗室”（吸波）材料。纤维在医药方面的应用已非常广泛。甲壳素纤维做成医用纺织品，具有抑菌除臭、消炎止痒、保湿防燥、护理肌肤等功能，因此可以制成各种止血棉、绷带和纱布，废弃后还会自然降解，不污染环境；聚乳酸或者脱乙酰甲壳素纤维制成的外科缝合线，在伤口愈合后自动降解并吸收，病人就不用再动手术拆线了。

第76页/共90页材料的分类涂料指涂布于物体表面在一定的条件下能形成薄膜而起保护、装潢或其他特殊功能（绝缘、防锈、防霉、耐热等）的一类液体或固体材料。因早期的涂料大多以植物油为主要原料，故又称作油漆。现在合成树脂已大部分或全部取代了植物油，故称为涂料。涂料及各种有机溶剂里都含有苯。苯是一种无色具有特殊芳香气味的液体，所以专家们把它称为“芳香杀手”。

第77页/共90页材料的分类复合材料

是以一种材料为基体，另一种材料为增强体，组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。第78页/共90页材料的分类复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料第79页/共90页材料的分类复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。第80页/共90页材料的分类③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料、和发展多功能、机敏、智能复合材料等领域。第81页/共90页（1）宇宙飞船或卫星返回地面若不控制，外表温度可达4000℃。合金钢2000℃也熔化了。目前没有任一种单一材料可抵此温度。飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下110℃，返回地面，高温冲击时间30min，外壁温度为1250℃。美国航天飞机“哥伦比亚号”外表覆盖了可重复使用的聚合物基复合材料隔热瓦片30757块，成功解决了难题。(2).宇宙飞行器上的雷达天线，称为“飞行器眼睛”。为降低信号损失，对其尺寸稳定性有严格要求：变形小于万分之一，重量轻强度高。工作环境却非常严苛：发射加速度冲击与振动，-200℃~70℃。高模量碳纤维/环氧树脂复合材料几乎为唯一满足要求的材料。人造卫星减重1kg，运载火箭可减轻500kg。美国MX导弹发动机由碳纤维/环氧缠绕壳体取代钛合金，射程由1千公里增至4千公里,CFWRP的比重仅为合金钢的1/5。例4，美国航天飞机采用了各种先进复合材料：发动机壳体硼纤维/环氧聚合物基复合材料压力容器硼纤维/聚酰亚胺,后部机体碳纤维/聚酰亚胺，机体中央部分硼纤维/铝金属基复合材料机头及主翼前缘碳/碳复合材料.哈尔滨飞机公司引进的法国海豚直升机，碳纤维、Kevlar纤维增强环氧先进复合材料用量占70%以上。（3）地球上金属资源与化石能源越用越少，石油天燃气等本世纪末将用尽，开发与节约能源为当务之急。据报导，全世界汽车每天用油约300万吨，约占世界产油总量的30—40%。采用陶瓷基复合材料制造汽车发动机，热效率提高50%，可减重20%，省油30%。碳纤维增强塑料汽车可省油20%。复合材料—21世纪的钢第82页/共90页材料的分类结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或