材料-人类社会进步的里程碑

陶
瓷
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二、金属材料
二、 金 优点: 高韧性，延展性好，强度高，导电性好。 发展: 初期：铁和铜 20世纪初：钢以及以硬铝为首的铝合金 20世纪50年代起：出现只有钢一半重、耐热性比钢 好而强度不低于钢的钛合金。 现在：主要仍是钢、铝合金、钛合金，并性能提高 发展：超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀 具)、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温 材料等等。
陶
瓷
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传统陶瓷的生产工艺大致相同，主要工序是泥料制备、成 型、干燥、上釉和烧结。
一、
陶
瓷
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2．两种特种陶瓷
一、
（1）韧性陶瓷 将纤维均匀地分布于陶瓷原料中，可以极大提高陶瓷的强度和 韧性。如钨丝补强氮化硅陶瓷，在1300℃下的机械冲击强度可提 高9倍。若以钽丝补强，则可提高30倍。韧性陶瓷由于其强度大、 硬度高、耐高温、耐化学腐蚀等优越的性能在工业生产上有着重 要的用途。 （2）压电陶瓷 压电陶瓷是一种能使电能和机械能相互转换的特殊陶瓷材料。 如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差，反之施加电压， 则产生机械应力。如果压力是高频振动，则产生高频电流；而高 频电信号加在压电陶瓷上，则产生高频声信号，即超声波信号。 例如：现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷 制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产 生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火 机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电 陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。
4) 第四代、第五代材料----纳米材料、超晶格膜、超纯
材料等“极限材料”和“分子设计”材料等。
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材料的种类
材 料 的 种 类
金属
材料
复合材料 陶瓷 高分子
无机材料
有机材料
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一、陶瓷
陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料进行加工制造而成的材料， 是我国古代劳动人民的重大发明之一。大约8000年以前，住在我国黄河 流域的先民们已经使用陶瓷，继而在宋、元时代发展到了很高水平。当 一、时，瓷器作为中华文明的象征，大量运往欧洲各地，欧洲人一向视中国 陶瓷为无价之宝，所以，欧洲人把瓷器叫做“China”。久而久之， 陶 “China”成了中国的英文名称。
形状记忆合金是材料家族中的 一个后起之秀，由于它的奇特 性能，人们已经给它派了一些 特殊用场。如航天器上体积较 大的天线、新型发动机……
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钛
新 型 金 属
被誉为“21世纪金属”，它具有很多 优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、 易于加工、机械性能好等。尤其是抗腐蚀性 能非常好，即使把钛制品放在海水中数年， 取出后仍光亮如新，其抗腐蚀性能远远优于 不锈钢，因此钛和钛合金被广泛用于火箭、 导弹、航天飞机、船舶、化工和医疗设备等。 科学家预言：21世纪，金属钛将是冶金工业 的最重要产品！
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铝
传 统 金 属
铝是地壳中含量最多的金属元素，它占地壳总质量的7.51％， 比铁几乎多1倍，是铜的近千倍。但由于铝的性质活泼，同氧结合 紧密，冶炼困难，因此，人类发现和利用铝比较迟。在1845年，德 国化学家维勒经过17年的不懈努力，才制得一粒别针大小的铝。据 说，法国拿破仑三世举行宫廷宴会，来宾用的是金餐具，而唯独他 用的是铝餐具，使宾客们羡慕不已。因为当时铝极稀少，价格远高 于黄金。直到19世纪八十年代，铝仍然是一种有珠宝价值的珍贵金 属。1889年俄国著名化学家门捷列夫到伦敦讲学，伦敦化学会送给 他的贵重礼物就是铝合金制的花瓶和杯子。
超塑合金槽筒
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新 型 金 属
是具有形状记忆效应的合金，被广 泛用于做人造卫星和宇宙飞船的天线，水暖系统、防 火门和电路断电的自动控制开关，以及牙齿矫正等医 疗材料。
记忆合金
用钛-镍形状记忆合金制成的人造卫星天线
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记忆合金
新 型 金 属
记忆合金最早是美国海军军械局一个研究小 组在一个偶然机会中发现的。20世纪60年代初的 某一天，这个研究小组人员从仓库领来一批乱如 麻丝的镍钛合金丝，花了许多时间把它们一根根 弄直，并顺手把它们堆放在护边，可是不一会儿 却又恢复到原先弯曲的形状。这个偶然的现象引 了研究人员的高度兴趣，开展了反复的实验研究， 最后终于发现是50％的镍和50％钛制成的合金。 这种合金当温度升高到40℃以上时，能记住自己 原来的形状，科学家们把这种现象叫做“形状记 忆效应”。后来经过许多科学家的努力又发现了 铜锌铝合金、铜镍铝合金、铁铂合金等也具有 “形状记忆效应”。
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三
三、
纳米材料
纳米材料是20世纪80年代中期发展起来的一种新型材料。1nm是1m 的十亿分之一，一个基本的碳纳米管只有1.4nm，因此，科学家又把它们 称为“超微粒”材料和21世纪新材料。 纳米材料的起源是一个叫格莱特的德国科学家在澳大利亚的大沙漠 上旅游中的联想。那是1980年的一天，当时他独自驾车横穿沙漠，空旷、 寂寞和孤独的环境使他的思维特别活跃和敏锐。他长时间从事晶体的研 究，知道晶体微粒大小对材料性能有极大影响。他想，如果组成材料的 晶粒细到只有几个纳米那么大，材料将会是什么样子呢？这个想法令他 兴奋不已，回国后立即开始实验，经过近4年的努力，终于在1984得到了 几个纳米大的超细粉末。而且他发现任何材料都可制成纳米大小的细微 粉末，且性能发生了很大的变化，不管原来是什么颜色，现在都变为黑 色，熔点也显著降低。
p685材料的发展史石器材料对自然界天然物质作简单的打磨加工陶器材料人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点20世纪末主要的新材料塑料合成橡胶化纤等各种高分子材料特种陶瓷特种玻璃特种水泥光导纤维碳纤维硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料记忆合金非晶态金属晶须超导材料超塑性金属超弹性合金等型金属材料以及纤维增强叠层复合等新型复合材料
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材料的发展史
1) 石器材料----对自然界天然物质作简单的打、磨加工 陶器材料----人类通过加工技术以一定的工艺制造非
材 料 的 发 展 史
天然物质材料的起点
2) 青铜、铁器材料----加工、冶炼技术和工艺的改进
3) 20世纪末主要的新材料----塑料、合成橡胶、化纤等
各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光 导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料， 记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、 超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、叠层复合等 新型复合材料。
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介绍几种新型金属
超塑金属
新 型 金 属
某些坚固的金属进行特定的高温处理或添加某些元素， 就可以使它们变得象“软糖”或“粘糕”—样，只用 很小的力，就能把它们拉长几十倍、几百倍、甚至几 千倍，随你加工成什么形状。人们形象地把这类金属 称为“超塑金属”。例如，纯镍、铁镍铬合金、钛合 金等。
司母戊大方鼎
越王勾践剑
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铁
传 统 金 属
人类最早发现的铁，是从天上掉下来的“陨铁”，在各个文明 古国中发现的最早铁器都是用陨铁制成的。虽然陨铁很少，却为人类认 识铁打开了大门。 到公元前1000年，人们开始掌握炼铁技术，当时冶炼的铁主要用 来制作武器，后来逐渐扩散到社会生产的各个领域，由于铁价廉，因此 逐渐代替了被富有阶层所独占的青铜。虽然人类冶炼材料的纪元开始于 青铜，但从对世界文明史的影响来看，铁的影响要大得多。可以说有了 铁，人类才开始真正使用了金属。在铁器时代耕作者的锄和犁逐渐使用 铁制品，各种工具如凿子、钻、锤、锥等也开始用铁制品，生产和生活 条件大为改善，生产力水平显著提高。
什 么 是 纳 米 技 术
1959年费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为 规律所允许的，他说： 据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质 合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何 规律，从原则上讲它是能够做到的。
此后，1981年，宾尼西、罗雷尔研制了世界上第一台扫描隧 道显微镜(简称STM)，1986年获诺贝尔物理奖。
瓷
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一、陶瓷
传统陶瓷 又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原
料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。
一、
特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程 上的耐热、耐蚀、耐磨零件。
陶
瓷
陶瓷制品
陶瓷发动机 P.9/85
1．传统陶瓷
传统陶瓷是以粘土、石英、长石为主要原料，进行研磨、加水调 成泥状，再制成坯子，待干燥后，经高温烧制而成的制品的总称。陶瓷 包括陶器、瓷器等。瓷器比较精致，表面光滑美观、明亮、不渗水，不 一、 透气。陶器质地比瓷器粗糙，器壁较厚，结实耐用，价格便宜。
材料பைடு நூலகம்人类社会进步的里程碑
江苏省江阴市山观中学 陈海荣
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什么是材料？
什 么 是 材 料
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材料 是人类生产和生活所 必须的物质基础。
“神舟”四号飞船成功返 回
什 么 是 材 料
锉刀
手 锤
国产涡喷-7涡轮喷气发动机
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材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，
历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。

什 么 是 材 料
石器时代
青铜时代
青铜象形尊 (西周)
铁器时代
铁器
石器
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什 么 是 材 料
人类社会的进步与发展、人类文明的推进与材料技术的发展有着密切的 关系。材料被看做人类文明发展的里程碑，材料在人类社会的进步与发展 中起着无可替代的巨大作用。每一种新材料的发现和使用，都会对社会经 济、工业生产、国防事业产生重大影响，甚至根本改变传统的生产和生活 方式。
G.Binnig
H.Rohrer
Omicron 低温超高真空STM
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扫描隧道显微镜观察实例
扫 描 隧 道 显 微 镜
硅表面硅原子的排列
碘原子在铂晶体上的吸附
砷化镓表面砷原子 的排列
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现在，纳米技术已引起了一大批科学家的着迷，也引起
了各国政府的高度重视。美国自1991年起把纳米技术列入 “政府关键技术”，美国国防部每年为此拨款3500万美元； 三、 日本从1995年开始实施为期10年的纳米技术研究计划，并将 纳 它作为必须开发的四大基础科学技术项目之一；澳大利亚于 米 1993年已将纳米技术列为21世纪最优先开发的项目。 材 我国对纳米技术的研究也相当重视，且在世界上进入先 料 进行列，1993年中国科学院研究人员通过操纵移走原子成功 写出“中国”两字，是世界上第二个成功进行这方面实验的 国家；2000年中国科学院研究人员又首先发现了纳米材料的 新特性——超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而 “不折不挠”。
如今早已飞入寻常百姓家的铝制器具
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传 统 金 属
到19世纪末，当科学家研究出现代铝的生产方法——电解氧 化铝后，铝的产量剧增，价格也逐渐下降。到20世纪初珠宝商人 已失去对铝的兴趣，但铝却受到了整个工业界的青睐。由于铝合 金具有密度小、硬度大、强度高、导电导热性好等优点，被广泛 用于航空、化工、交通、建筑、国防等工业，家庭日用品中也日 渐常见，逐渐成为继铁之后又一对人类发展产生重大影响的金属。 从1919年开始，铝合金就开始用于飞机制造，此后铝和航空事业 紧紧连在一起，因此有人把铝誉为“带翼的金属”。
纳 米 材 料
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纳米技术
什 么 是 纳 米 技 纳米技术，包括两部分： 术 •纳米工艺 用以隔离、定位及控制原子 •显微技术 把原子一个接一个按各种稳定的模式组装起来，从 一个小零件直到个整体结构。
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1959年美国著名物理学家费曼在美国物理学会年会上曾 发表了一篇题为《在末端处有足够的空间》的讲演,他预言: 人类一旦掌握了对原子逐一实行控制的技术后，能按自 己的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了。 只要按化学家的要求把原子放在指定的位置，所需的物 质就能制造出来。
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属
铜
传 统 金 属
铜是继陶瓷之后的第二种人造材料，在自然界中纯铜很少，常见的铜矿石 是孔雀石，由于其色如孔雀开屏时的尾巴而得名，孔雀石放在炉内加热很易制得 铜。此外还有黄铜矿、辉铜矿等。 由于纯铜比较柔软，虽容易加工，但做工具或武器其硬度却不够。后来人 们在其中加入一定比例的锡或铅而熔铸成了硬度较大、韧性更强的铜的合金，由 于其显青色，故称为青铜。早在4500年前，我国就会冶炼青铜来铸造器物了，在 殷商时期，达到了相当高的水平。保存在中国历史博物馆内的商鼎“司母戊”， 高135.6cm，长115.3cm，宽 79.4cm，重875kg，是世界同时代青铜器中最重的。 1965年12月，我国在湖北一座楚墓中发掘出两把宝剑，其中一把刻有“越 王勾践，自作用剑”的青铜剑，出土后依然光彩照人，毫无锈蚀之迹。当试验者 把剑轻轻一挥，竟将19层叠在一起的白纸斩断。这把剑在国外展出时，引起了很 大的轰动。