第2讲：材料与人类文明
说明材料与人类文明的关系
说明材料与人类文明的关系人类文明是一个广义的概念，指的是人类在历史长河中所创造出来的一切文化、科技、艺术、社会制度等方面的成就。
与之不同的是，材料则是指人类利用各种天然或人造物质所创造出来的一切物质财富。
虽然看起来材料与文明似乎没有直接联系，但实际上两者之间有着密不可分的关系。
首先，材料是文明发展的基础。
任何一种文明都离不开材料的支撑。
比如，古代陶器、青铜器的制造需要大量的粘土、铜矿等原材料，而工艺的进步和材料的改良则为革命、工业时期的大规模生产提供了坚实的基础。
具体到现代社会，我们离不开液晶屏、芯片、光缆、稀土等诸多先进材料，它们的应用使我们的生产方式和生活方式发生了翻天覆地的变化。
其次，材料在不同文明中发挥的作用也有所不同。
在古代文明中，材料更多地用于满足人们的基本生产生活需要。
人们利用丝绸、棉花、麻等纤维材料制作衣物、草木等植物材料制作建筑和家具。
到了中世纪，石头、木材等建筑材料和金属、石料等工艺品材料的应用达到了前所未有的高峰。
而在现代文明中，材料的应用变得更加复杂，不仅使用范围广泛，更是应用了一系列的材料设计、材料制备以及材料表征技术，使得材料逐渐成为推动科技进步、经济发展的重要创新动力。
最后，材料也在不断地影响和改变着人类文明。
新型材料的发明和应用都会对现有的生产与生活方式带来巨大的冲击。
比如说，石油、燃气等化石燃料的应用使得交通运输更加便捷、产业更加发达。
随着环保、低碳等理念的提出，人们开始不断寻求替代化石燃料的新型能源材料，这对于推动社会可持续发展和环境保护至关重要。
总之，材料与人类文明之间的关系是密不可分、互动互影的。
材料为人类文明提供了必要的物质支撑，同时也在不断地推动和改变着文明的发展。
我们需要理解和重视这种材料与文明的关系，更好地利用这些材料，为推动人类文明的进步创造更加美好的未来。
材料科学与人类文明信息材料课件
03
生物医学领域
探索信息材料在生物医学领域的应用，如生物传感器、药物载体等。
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材料分类
金属材料、非金属材料、复合材 料、功能材料等。
材料科学的研究内容与重要性
研究内容
材料的组成与结构、材料的性能与表 征、材料的制备与加工、材料的应用 与评价。
重要性
材料科学的发展直接关系到人类社会 的进步和发展，从工业革命到现代高 科技，材料科学一直是人类文明进步 的基石。
材料科学的历史与发展
分子自组装技术
研究分子自组装技术，制备具有特定功能的信息材料。
3D打印技术
应用3D打印技术，实现信息材料的定制化、智能化制造。
推动信息材料在各领域的应用拓展
01
通信与网络领域
开发高速、大容量、低延迟的通信材料，提升网络传输速度和稳定性。
02
航空航天领域
应用高性能信息材料，提高航空航天设备的计算、存储和导航性能。
热学性能测试
比热容和热导率
比热容反映了单位质量的物质温度升高1℃所需要的热量，而热导率则反映了物质传递热量的能力。
热膨胀系数
反映了物质在温度升高时尺寸变化的程度，对于设备的稳定性和可靠性都有重要影响。
力学性能测试
硬度
硬度是评估材料抵抗外来压力和刮擦等机械损伤 能力的重要指标。
韧性
韧性是评估材料抵抗冲击和振动等机械损伤能力 的重要指标。
溶液法
通过溶解和化学反应将溶 液中的材料转化为固体。
电化学法
在电解液中通过电化学反 应将材料沉积在电极上。
生物法
生物合成法
利用微生物或细胞培养生 产生物材料。
生物模板法
利用生物模板合成具有特 定结构和功能的材料。
材料与人类文明
材料与人类文明材料在人类文明的发展中扮演着至关重要的角色。
从最早的石器时代到现代高科技时代，材料的应用和发展一直是人类进步的推动力之一。
最早的材料是人类能够找到并加工的天然材料，如木材、石头、兽皮等。
这些天然材料满足了人类的基本生活需求，如建筑、交通工具、衣物等。
通过学习如何选择、加工和应用这些材料，人类逐渐掌握了生存的技能。
随着人类社会的发展，人们开始寻求更好的材料来满足其不断增长的需求。
铜、铁等金属的发现和应用，标志着人类进入了金属时代。
金属材料的应用扩大了人类的活动范围，使工具和武器更加锋利和耐用。
不少重大历史事件如青铜器的发明和铁器的出现，都与材料的进步密切相关。
在工业革命过程中，新材料的发现和应用推动了社会的迅猛发展。
钢铁、纸张、玻璃等材料的广泛应用，推动了交通运输、通信、建筑、印刷等行业的快速发展。
同时，化学工业的兴起也带来了一系列新材料的开发，如塑料、橡胶等。
这些新材料在解决社会问题、提高生活质量等方面发挥了重要作用。
现代科技的进步离不开材料科学的突破和创新。
半导体材料的应用，催生了计算机、互联网、智能手机等现代高科技产品的诞生。
光导纤维、光学玻璃等材料的发展，推动了光学通讯和激光技术的进步。
而新能源材料的发展，也为人类解决能源危机、保护环境和可持续发展等提供了可能性。
除了应用上的重要性，材料科学的研究也为人类文明的进步做出了贡献。
人们对材料的组成、结构和性能进行研究，不仅提高了材料的使用效率和性能，还创造了一系列新的材料。
纳米材料的发展，带来了纳米技术的突破和应用，为医学、能源等领域的创新提供了可能。
生物材料的研究，为医学和生命科学的进步提供了基础。
总之，材料对人类文明的发展具有重要影响。
随着科学技术的发展和人类需求的不断变化，材料科学的研究和应用将继续为人类创造更多的可能性。
材料科学与人类文明
材料科学与人类文明材料科学与人类文明回顾历史，人类的历史是一部材料不断进步发展的历史。
正是在历史发展过程中以及与此相联系的人类知识和经验的增长过程中，材料的使用才得以发展。
材料的发展与社会的发展以及人类文明之间贯穿着一条辩证的线索。
在人类发展史的早期阶段，直接获取的自然财富被用于满足最简单的需要。
随着分工程度的深化，对在自然界寻觅到的原始材料进行加工的兴趣提高了。
如果没有具备相应数量、质量、形式和布局的一定材料，没有必要的知识和技能，人类便会停留在原始阶段。
材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。
材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。
没有材料科学的发展，就不会有人类社会的进步和经济的繁荣。
材料是指经过某种加工,具有一定结构、组分和性能,并可应用于一定用途的物质。
材料可分为结构材料和功能材料。
结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。
功能材料主要是利用其声、光、电、磁、热等性能。
通常的材料包括有金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料、复合材料等。
材料的科学发展及应用,推动着人类社会的文明和进步,带动经济的繁荣发展。
人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。
在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们称之为新石器时代。
青铜时代大约源于4000-5000年前。
青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。
青铜器大大促进了农业和手工业的出现。
铁器时代则被认为是始于1400多年前，春秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器，得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。
钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。
本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。
材料与人类文明
材料与人类文明材料是人类文明发展的重要组成部分，它们不仅是文明的载体，更是文明的基础。
从最早的石器时代到现代的高科技时代，材料始终在推动着人类文明的进步。
在人类文明的漫长历史中，材料始终扮演着重要的角色，对于人类社会的发展起到了至关重要的作用。
首先，材料在人类文明中的作用不可忽视。
在古代，人类利用石头、木头、骨头等原始材料制作工具，开启了文明的序幕。
随着时代的发展，人类开始利用金属、陶瓷等材料制作更加先进的工具和器物，这些材料的运用使得人类的生产力得到了极大的提升。
而在现代，随着新材料的不断涌现，人类的生活水平得到了极大的提高，各种高科技产品的出现也使得人类的生活更加便利和舒适。
其次，材料对于人类文明的发展起到了至关重要的作用。
材料科学的不断进步推动了人类文明的发展。
例如，新材料的出现不仅改变了人类的生产方式，也带来了新的科技革命。
高强度、高韧性的材料使得人类可以制造更加先进的交通工具和建筑结构，大大提高了人类的生产效率和生活质量。
同时，新材料的应用也为人类解决了许多难题，比如医用材料的发展使得医疗技术得到了极大的提升，为人类的健康保驾护航。
最后，材料与人类文明的发展息息相关。
材料的不断创新和应用推动了人类文明的发展，同时也受益于人类文明的发展。
人类文明的不断进步为材料科学的发展提供了更加广阔的舞台，各种新材料的涌现也为人类文明的发展提供了更多的可能性。
可以说，材料与人类文明是相辅相成、互相促进的关系，二者共同推动着人类社会的不断进步。
综上所述，材料与人类文明是紧密相连的，二者相互依存、相互促进。
在未来，随着科技的不断发展，新材料的不断涌现，相信材料会继续在人类文明的发展中发挥着重要的作用，为人类社会的进步做出更大的贡献。
让我们期待着材料科学的更加辉煌的未来，为人类社会的发展注入新的活力和动力。
《材料与人类文明》课件
半导体材料
先进材料技术
探索半导体材料在电子器进展和创新，以及其在航 空、航天等领域的应用。
材料的应用
建筑、交通、通讯等领域的应用
探索材料在建筑、交通、通讯等领域中的不同应用及其优势。
医疗、能源、环保等领域的应用
讨论材料在医疗、能源、环保等领域中的创新应用和对人类的影响。
原材料
1 自然界中的常见原材料
介绍自然界中常见的矿石、矿物、及其他常见原材料。
2 合成原材料
讨论合成原材料的制备方法以及在工业中的应用。
3 原材料的采集与加工
探索原材料的采集过程以及加工技术的发展。
传统材料
金属材料
探索金属材料广泛应 用于建筑、交通等领 域的原因及其特性。
陶瓷材料
介绍陶瓷材料的种类 和特性，并探讨其在 艺术、工业等方面的 应用。
石材材料
讲述石材材料的分类、 开采以及在建筑、雕 刻等领域的应用。
纤维素材料
介绍纤维素材料的制 备工艺以及在纺织等 领域的应用。
现代材料
高分子材料
介绍高分子材料的特性和制备方法，并展示其在塑 料、纤维等领域的广泛应用。
无机非金属材料
讲述无机非金属材料的种类和特点，并探索其在建 筑、电子等领域的应用。
结论
1 材料的重要性及其作用
总结材料在人类文明中的重要性和对社会进步的作用。
2 材料科学的意义和价值
强调材料科学对工业发展、技术创新以及社会进步的意义。
3 材料科学对人类未来的关键性作用
讨论材料科学在人类未来发展中的关键性作用和挑战。
《材料与人类文明》
材料在人类文明发展中扮演着重要的角色。本PPT将带您了解材料在现代工业 中的关系，以及材料科学的发展历程。
材料与人类文明
材料——人类社会进步的催化剂当传统的板书被现代化的PPT所取代时，当各种液晶和等离子体的电视强势来袭时，当各种触屏和平板化的电脑悄悄而至时，当我们在电影院享受着3D电影给我们带来的刺激时，当我们怀着自豪的心情观看我国08年奥运会的盛大开幕式时，我们可曾想过，是什么造就了这一切？是什么在推动着我们文明的进步、社会的繁荣、生活的便捷？答案是无疑的，那便是材料的进步。
这些发生在我们身边的巨大变化让我们在享受现代化最新成果的同时，也深切地感受到了材料的巨大威力。
材料已经深入地渗透到了我们生活的方方面面，同时也渗透到了社会发展的方方面面，社会的每一次巨大的飞跃无不伴随着材料科学的进步，从某种意义上讲，社会的发展史实际上就是一部材料科学的进步史。
材料的进步是现代化军队发展的前提。
我国是一个拥有着众多邻国的国家，并且与其中的大部分都有领土争端，再加上日益尖锐的南海问题，加强军队的现代化建设，特别是海军的建设，已经成为我国战略发展的重中之重。
南海问题之所以迟迟得不到解决，其中一个很重要的原因就是我国海军的武器装备还不足以实施对南海的全面管理，特别是航母技术的落后，使得我国陷入一种被人欺负却无力还手的窘境。
而解决材料问题则是解决这一窘境的前提，只有我们解决了技术上的问题，解决了材料方面的问题，真正实现了我国军队的现代化，才能真正实现我国的长治久安，才能真正维护住我国的海外利益，最终实现中华民族的伟大复兴。
材料是社会经济的助推剂。
经济是一个国家发展的命脉，也是各国之间竞争的主体，所以各国都在竭力发展经济，而过去的那种以粗暴的掠夺自然资源的方式来发展经济的政策逐渐被各国所抛弃，取而代之的则是以发展高新技术来推动经济发展的模式。
因此，现在各国之间的竞争，实际上是一种科技实力的较量，而材料科学则是这个过程的中坚力量。
一种新材料的问世，往往是一个产业链的开始，这不仅能缓解日益尖锐的就业问题，对整个社会经济的绿色化发展和整个社会的稳定也起着不可忽视的作用。
材料与人类文明以及材料工程关系
什么是材料科学？
材料科学是自然科学的一个分支。 材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力 学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基 础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子 离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制 备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律 的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。
此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即 同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事 实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布 的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力 学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并 不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列 情况示于图2。
（a） 随机置换固溶体
第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以 石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展 飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命 的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以及各 种非金属材料的发展。
材料是当代文明的三大支柱之一
材料、能源、信息是当代社会文明和国 民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学 技术发展的物质基础和技术先导。
表1 普通陶瓷的分类方法
类别
主要种类
餐具
日用陶瓷
茶具、咖啡具 酒具 文具 陈设瓷（美术瓷）
建筑卫生陶瓷
建筑陶瓷 卫生瓷砖
电瓷 化工瓷
低压电瓷 高压电瓷 超高压电瓷 耐酸砖 耐酸容器 耐酸机械（部件） 化学瓷
用途 中餐具（盘、碗、碟、羹、壶、杯等） 西餐具（碗、盘、碟、糖缸、奶盅、壶、杯等） 茶盘、水果盘、点心盘、杯、壶、碟等 酒壶、酒杯、杯托、托盘 笔筒、笔洗、水盂、EP 色盒、笔架 花瓶、灯具、雕塑瓶、薄胎碗等 玻化砖（渗花或非渗花）、彩釉砖、锦砖（马赛克）、内墙砖、 外墙砖、腰线砖、广场砖、劈裂砖、园林陶瓷等 洗面器、大便器、小便器、洗涤器、水箱、水槽、存水弯、 肥皂盒、手纸盒、淋浴盒 用于 1kV 以下的电瓷 用于 1kV 以上的电瓷、如普通高压瓷、铝质高强度瓷 用于 500kV 以上的电瓷 耐酸砖、耐酸耐温砖 储酸缸、酸洗槽、电解槽、耐酸塔等 耐酸离心泵、风机、球磨机等 瓷坩埚、蒸发皿、研钵、漏斗、过滤板、燃烧舟等
材料科学与人类文明ppt课件
水泥生产工艺 以石灰石、粘土为主要原料，经破碎、 配料、磨细制成生料，喂入水泥窑19中煅 烧成熟料，加入适量石膏，磨细而成
材料与人类文明发展
钢时代(Steel Age) 1800 —
炼铁、炼钢的大工业生Байду номын сангаас，分别开始于1620、1870年代。最先在英国发展起来
1875，全世界生铁产量为1400万吨，钢产量190万吨
17
材料与人类文明发展
1972，河北北藁(gǎo)城台西村商(BC 13世纪)中期遗
址出土铁刃青铜钺 刃部是陨铁加热锻造而成
用陨铁锻造成薄刃，浇铸青铜柄部而成
“中华第一剑”
1977,北京平谷县出 土。长8.7cm
1990，河南三门峡虢[guó]国墓(虢季墓)出土，剑长20cm，茎长13cm。西周晚期 剑柄是一株竹子。竹子已拔出数节，数支螺旋上冲的叶片盘旋直入铁质剑身
1974，全世界生铁产量为5.05亿吨，钢产量7.10亿吨
1973，开始石油调价和世界性的经济萧条，钢铁生产发展转慢
1979，世界生铁和钢的产量创造新的纪录，分别达5.29亿吨和7.47亿吨
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材料与人类文明发展
硅时代(Silicon Age) 1500 —
多晶硅
单晶硅
二战中，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
1960年代，外延生长硅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
1980年代初，全世界多晶硅产量达2500吨
21
1998，我国制出12英寸单晶硅
材料与人类文明发展
新材料时代 (New Material Age)
材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的3大支柱 是社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导
材料科学与人类文明-第2章
四川彭县窑出土宋代石质手摇快轮 目前发现较早、保存最好的陶车
萧山跨湖桥 木质陶轮底座
陶的分类
无机非金属材料的使用史
陶器颜色，取决于 陶原料的呈色元素、烧窑后期火焰性质的控制
红陶
氧化焰中烧成，烧成温度900C
出现最早，泥质红陶和夹砂红褚陶为主 用铁、锰等颜料在坯体上绘成赭、红、黑纹饰，氧化焰烧成 烧前画于陶坯上，烧后彩纹不易脱落 有的在彩绘前先涂白色陶衣，使彩绘花纹更为鲜明 也有烧成后彩绘，彩色易剥落，如秦始皇陵兵马俑
(现代复合 材料思想) (现代建筑 思想)
铜石并用时代BC3,500~2,000 (龙山、良渚、石家河文化) 普遍出现小件铜器 房屋建筑中出现分间式大型建筑，用白灰和土坯抹地、筑墙 陶器普遍采用轮制，出现大量玉器、钺、镞等石器武器
无机非金属材料的使用史
陶器
新石器时代，中华先民用粘土(主要为SiO2、Al2O3)烧制陶器 马家窑(甘肃)文化时期，陶器以砂质、泥质红陶为主，表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等 制品有炊具、食具、盛储器皿等
无机非金属材料的使用史
陶器的产生
在中国陶瓷发展史上，先有陶后有瓷，瓷由陶脱胎而来
陶器的产生是和农业经济的发展联系在一起的 一般先有农业，然后出现陶器 新石时代出现农业和牧畜业，人类过定居、半定居生活，需储藏谷物、剩余食物 随着定居生活的发展，人类对烹调、盛放和储存食物、汲水器皿的需要越来越迫切， 促使人类创造出陶器
商 印纹硬陶 上海市马桥出土
陶的分类
釉陶 表面施绿、黄、黄褐色低温釉 釉料中有铅助熔剂，可降低釉的熔点，增加釉面亮度，称铅釉陶器
无机非金属材料的使用史
汉代，铅釉陶十分普遍，大多釉色单一 习惯上，将绿釉陶称为“汉绿釉”，把黄釉陶称为“汉黄釉” 有少量釉陶器具有绿、黄两种釉色，经纬分明，各占一半 罕见的陶器具有绿、黄、褐等釉色，呈线条、斑点状，是最早的“三彩”釉陶—“汉三彩”
材料与人类文明进步之间的关系
材料与人类文明进步之间的关系世界是由物质构成的，材料就是人们用来制成各种机器、器件、结构等具有某种特性的物质实体。
材料是人类生活的物质基础，材料的发展导致时代的变迁，推动人类的物质文明和社会进步。
在人类即将进入知识经济的新时代，材料与能源和信息并列为现代科学技术的三大支柱、其作用和意义尤为重要。
在人类社会的发展和进步过程中，材料是一个带有时代和文明标志的基础。
人类和材料的关系非常广泛、非常密切，也非常重要，在这一点上很少能有其他领域与之相比。
其实，人类文明的发展史，就是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。
材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，历来是生产力的标志，被看出是人类社会进步的里程碑。
对材料的认识和利用的能力，决定着社会的形态和人类生活的质量，所以人类从来没有中断过追求更好的材料，让材料具有更优异的性质或者前所未有的功能来满足人类世世代代发展中层出不穷的新的需要和追求。
自人类诞生以来，人类就开始使用材料。
只不过由于技术水平的限制，人类也只能利用自然中现有的天然材料。
比如说，人类使用树叶或者是兽皮来制作衣服，用木棒和石块来制作工具捕猎。
这一时代主要以打制石器为主，称之为旧石器年代。
之后人类又知道通过磨制石器能更好地发挥工具的作用，这时称之为新石器时代。
虽然人类在石器时代中懂得了使用材料以及对其进行简单的加工，但人类使用材料只局限于现有的材料。
不过正是由于材料的发展，人类开始从事农业和畜牧业，这样人类的生活得到了改善，从而有了额外的精力去关注文化的发展，人类文明也就开始出现。
人类知道了制造材料，于是陶器、铜器、铁器便相继而生。
这些新型工具的诞生，使得人类生活更加方便、舒适。
由于这些金属器具的使用，使得人们的生产力和生活水平有了极大的提高，社会也越来安定。
于是人类在陶器、青铜器上绘画或者是刻录文字来记录当时的生活，这就侧面反映了人类文明的进步。
在青铜器时代之后，以冶炼和制造铁器为标志的铁器时代就出现了。
材料与人类文明(课件)
▪各种用途敏感材料的开发显得尤为重
要。
2. 从通信技术的进步看新材料的作用
•通信一般采用微波、电缆来传输信号； •1966年在理论上提出可用光波通信； •1976年出现了第一条试验光纤通信线
路；
•1988年建成第一条横贯大西洋的海底
光缆；
•光纤传输信号具有容量大、造价低、
244 7.6 112 17.4 0.056 65
1100 690 220 220 100 90
②能源工业离不开材料的应用与发展
▪目前所有先进的能量转化技术中，都
受到材料性能和技术的限制。如燃气 涡轮机、核反应堆、太阳能、磁流体 发电、煤的转换、高密度电池和燃料 电池等；
▪太阳能是一种永恒能源，但由于长期
二、材料的应用导致城市的建立
城市是世界文明和社 会进步的主要标志之一。
从经济落后时期的以 物易物到商品流通的贸 易集市的出现，逐渐发 展为固定的城镇(城市 的雏形)，最终建立起 现代的大、中城市。
▪ 在此进程中，材料起了极大推动作用。建
筑物上的砖、瓦，街道上的石、土及城市
交通工具及物件等，都离不 子作为传输媒介受到限制，而利用光 子作为携带信息的载体进行光传输将 更理想，于是发展了光电子材料，用 光子器件制成的光计算机具有大容量 、高速度，而且有助于向智能化方向 发展。
▪现代计算机信息存储要求：
1.容量大、密度高；2.易快速存取；
3.能擦除和反复使用。
▪如一张光盘可存储10万幅图像或50万
中继站少、保密性强等特点。
光导纤维使“信息高速公路”的设 想成为现实。
除光导纤维以外，激光技术与 电子技术的发展是其重要的促成因 素，而这些都与材料密切相关。
《材料与文明进步》
材料与文明进步、科技创新的重要关联主讲人：屈静江材料是人类文明进步的里程碑，它也是构筑了我们的世界；材料是赖以生存发展的物质基础，也是所有科技进步工业的核心；新材料不断开发和有效地使用能力，是衡量社会技术水平和未来科技发展的重要尺度；材料主导工业发展和科技创新。
材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史。
人类进步的重要阶段，都是由材料来划分的。
比如陶器时代、青铜器时代和铁器时代等。
公元前6000年，人类发明了火，掌握了钻木取火的技术。
有了火，不仅可以热食、取暖、照明和驱兽，还可以烧制陶器。
这是陶瓷材料发展的一次飞跃，瓷器（英译名为China）的出现已成为中华民族文化的象征之一，对世界文化产生过深远的影响。
从陶器时代开启人类文明；青铜催生冶炼辉煌；到钢铁推动第一次产业革命；再到半导体硅材料将人类社会带入信息时代；而石墨烯被认为是替代硅最有前途的材料，未来可能从“硅时代”进入“碳时代”。
创新引领未来，科技创造美好生活，材料的发展推动人类文明不断进步。
我们还是从材料的起源去追寻这迷人的世界。
陶器时代：陶器是人类最早不用大自然的现成材料而制成的器具。
制陶技术是最古老的材料技术，是人类材料技术的发端。
我国陶器的制造和使用大致始于距今1万年左右的全新世初期。
陶器的远古陶器出现与农业、定居生活的出现成为石器时代人类文化新飞跃的重要标志，即人类文化从此进入了新石器时代。
陶器的出现促进和丰富了原始人的经济生活，在陶器制作中，人类的审美智慧创造性地得到了发挥。
我们的先民是首先发现了陶土用火烤一下，烤到某种程度陶土会变硬，变硬之后可以用来盛水，盛食物，大大改善了人类的生活。
更重要一点，就是先人从火烤的经验知道了材料与温度有密切的关系。
这种知识，使我们以后发展材料有很大的帮助。
但是大家都知道，陶器有很多缺点，缺点是什么呢，比较脆，一碰就摔碎了，所以陶器不能用来做农耕工具，也不能用来做武器防身。
因而它激发了新材料研发，这个当时的新材料就是青铜器。
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Power dissipation and integration issues are of paramountimportance for designing future ultralarge scaleintegrated circuits. Single-electron devices exploiting the Coulomb blockade effect are thought to have the potential to overcome these difficulties because a singleelectron transistor operates with one electron, which can reduce the power consumption and can be applied to highly integrated devices.
Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU
31
描述人体器官接触外界环境的参量是宏观大小，
The units are ‘mm-millimeter’, ‘g-gram ’ and ‘s-second’. Light can be sensed by human’s eyes: l = 450 ~ 770 nm; Resolution of human’s eyes: length, l ~ 10 mm; Voice can be sensed by human’s ears : v = 20 ~ 20000 Hz Heat: T = –100 ~ +200 ℃
人脑
3步/秒
每6小时休息一次 补充体力
高
人类的失败？胜利？
2013-7-5 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU 7
纳米量级结构的制作是纳 米技术的关键技术之一。
我国SPM系统在Au-Pd合金膜 表面上机械刻画出的最小线宽为 25nm。
用AFM机械刻蚀原理刻 写的亚微米尺寸的唐诗
Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU
2
微电子器件的发展与Moore定律
Gordon Moore, 1976, pointed out that the number of transistors of chips doubles per 18 months.
time chip 1976 2000 Pentium 3 2001 Pentium 4
课程名称：
材料与人类文明
主讲教师： 余志明 教授
2013-7-5
Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU
1
第三讲
纳米科技与未来材料
纳米科技 Nano-science and technology
纳米科技的核心特征是在原子、分子尺度上进行 操纵和组装，构成新的功能材料和器件。
2013-7-5
2013-7-5
Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU
12
未来材料？what? why?
用特征工具材料描述人类社会
名 称 石器时代 铜器时代 铁器时代 硅(Si)时代 碳(C)时代
2013-7-5
时期（年）
30000 3200 1700 40 or longer
?
Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU 13
纳米技术领域获得多项重大成果。继在2000年开发 出一批纳米级装置后，科学家今年再进一步将这些纳米装 置连接成为可以工作的电路，这包括纳米导线、以纳米碳 管和纳米导线为基础的逻辑电路、以及只使用一个分子晶 体管的可计算电路。分子水平计算技术的飞跃有可能为未 来诞生极微小但极快速的分子计算机铺平道路。 发现二硼化镁在零下234摄氏度成为超导材料，超过 了此前金属化合物创下的超导温度。二硼化镁的优点是成 本低廉，加工容易；将氯仿和溴仿掺入碳60分子，使碳60 分子的超导临界温度从零下221摄氏度上升到了零下156摄 2013-7-5 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU 11 氏度。
Z
Y
试样
碳纳米管作为STM针尖
STM镜体示意图
1000 x X
粗位移器
10000 x
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利用STM观测到的 Si(111)面上的7X7重构
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Diamond
Bond: sp3
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Comparison of diamond with other materials
1012dyne/cm2 1000kg/mm2 W/cm/K
Di BN
10 8
Di
10 8
Di
20 16
6
6
12
4
SiC
BN WC
4
8
SiC
Si
2
2
Cu
Be Si
4
Young’s modulus
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Hardness
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Thermal conductivity
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材料科学与工程学院
NASA(National Aeronautics and Space Administration), 1988, Voyager space craft, a diamond window of f2 cm needed for special attention.
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Poly-diamond film YU, Dept. of MSE, CSU Zhiming
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材料科学与工程学院
Surface electron emission
10–5 Diamond/Si 10–6 Si
I (A)
10–7
10–8
10–9 200
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400
600
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材料科学与工程学院
多芯片三维组装(multi-chip modules)
3D叠层结构
数据接口
隔层板 空格
散热 散热
导线孔
chips
金刚石片
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存取器
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纳米科技是对未来科技产业有重大 影响、富有挑战性的新领域。惟有不断
创新，我们的国家和民族才能在21世纪
走上一条迎头赶上先进的独特道路。靠 引进和模仿是没有出路的。
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Thanks for joining
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源 栅 漏 栅
Rg
n+
AlGaAs 掺杂GaAs
n+
未掺杂GaAs
半绝缘衬底
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源
Rs
Rd
6
漏
a. FET结构示意图Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU b. 等效电路
1997年“深兰”计算机战胜国际象棋大师卡斯帕罗夫
计算机
思考速度 连续工作能力
综合智能 2亿步/秒 不知疲倦 低
TN 64 2.8· 7 10
4.2· 7 10
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MOORE 定律： 芯片上晶体管数量与年代的关系
109 108 107 106 105
8086 80286 Pentium4
芯片上晶体管数量
Pentium 80486 80386
碳的异构体
维数 0维 C60 1.72 sp2 1.40 半导体 1维 C纳米管 2维 石墨 2.26 sp2 1.42 导体 金刚石 3维 无定形C 2~3 sp2 + sp3 1.54
异构体 密度(g/cm3)
成键轨道 键长(Å)
1.2-2.0
sp2 1.44 导体 半导体
3.52
sp3
1.54
绝缘体 半导体
物理特性
绝缘体
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A
Crystalline Structures of
c
B
CARBON
Atomic Arrangement
C
d
Diamond
0
A
B
c
A
Graphite
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微电子学
10-6 超大规模IC 纳电子学
Go on
10-8
10-10 1940
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ห้องสมุดไป่ตู้
1960
1980
2000
2020
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Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU
IC举例：半导体场效应晶体管
场效应晶体管（FET）： MOSFET——金属-氧化物-半导体场效应晶体管 GaAs数字电路：>106 FET/芯片
A field-assisted local anodization technique using an atomic force microscope (AFM), a single-hole transistor has been fabricated on an undoped hydrogen-terminated diamond surface where p-type conduction occurs on the subsurface region.