第一章 材料及其在人类社会发展 进程中的地位和作用

在发动机上应用的年份
叶片材料的发展历程
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
一次大战水冷式
1490C
发动机温度
30年代空冷式
3150C
风扇喷气发动机
6490C
蜗轮喷气发动机 超音速燃烧冲压 式喷气发动机 538
10930C
19270C
1093
1649
温度（0C）
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
新材料技术是高 技术发展的基础
0.1 1.0 96 50 10 1 10-10 10-100
光 学 损 耗 （
10
102 103 104 105 106
107
埃及人的 3000 1000 1900 （公元前）（公元） 菲尼基人的 光学玻璃
光学纤维
每 公 里 透 光 率
高性能光 导纤维材 料（低光 学损耗、 高透光率） 的出现对 微电子、 通讯等高 技术行业 产生巨大 的影响。
1400
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
现代涡轮喷气发动机
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1200 1000 800 600 400 200 0 1900
蒸汽机
３０年代气冷 式航空发动机
1920
1940
1960
1980
2000
Ä ê · Ý
在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升 ，因而发动机的理论效率大大提高。
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
强度/密度（ln×10 ）
10 8 6 4 2
木材 复合材料 钢 芳香族酰胺纤维 碳纤维
6
石料
青铜
铸铁
铝
0 1600
1700
1800 年 份
1900
2000
材料强度密度比在不同年代里的进展 ( 由图中可以看 出 ,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约 50倍)
对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段
基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命
科学的前沿与热点 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路 生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势
材料发展总的趋势
航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新 空间

太空探索带动太空探索技术加速发展 研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成 未来趋势。


小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。 太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域 。
材料发展总的趋势
能源技术将变革未来社会的动力基础，促进 人类实现可持续发展
φ 1100
400℃
410~950℃ 1200~1800℃
100~1200℃
φ 1100
飞船返回舱舱体温度情况
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
104 卫星 近地卫星
每减少1kg所收获效益
103
波音707 102 运输机 直升机 10 小飞机
超音速飞机
喷气式机
战斗机
飞机速率
速度与效益
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
新材料技术是高 技术发展的基础
材料 SiO2
SiO2+ Ga,P 正在应用 多组分玻璃 1983 +Er 21 世纪 氟化玻璃
0.01-0.001 可达 400 310-4 2500
108
光导纤维
新材料技术是高 技术发展的基础
106
通讯卫星 同轴电缆与微波系统
104 102 1
同轴电缆
一对12路电话线 第一条电话
材料发展总的趋势
生物技术正经历着一场前所未有的技术革命 ，一个庞大的生物产业正在孕育和形成
对生命现象的本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段
；
基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命 科学的前沿与热点； 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展。 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生 物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势
年份
航空材料的发展与飞机的燃放
1700
陶瓷复合材料
碳 -碳 隔热涂层
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
1500
材料的表面温度(℃)
1300
普通铸件 定向凝固超级合金 共晶合金 单晶合金
纤维增强超级合金 弥散强化超级合金
1100
900 1950
1960
1970
1980 1990
2000
2010
2020
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
燃油消耗与工作温度的关系
燃料消耗 公斤/马力小时
0.4 816℃ 1093℃ 1371℃ 1649℃
0.3
0.2
0.1
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
压缩比
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
130 120 110
飞机燃油效率提高2.5倍
单晶硅晶片发展趋势及其要求
项目 DRAM(动态随机存取) 设计线宽 晶片直径 表面微观粗糙度 表面玷污与缺陷亮点 缺陷尺寸 表面金属原子 氧含量 O2 单位 Mbit m mm mm 每片数目 m 原子数/cm2 ppm 1995 64 0.35 200 0.5 10 0.12 1010 294 1998 256 0.25 200300 0.3 1 0.05 109 262 2001 1103 0.18 300 0.2 1 0.03 108 232
历史。
1-2 材料是经济和社会
发展的基础和先导
新材料技术是工业革命和产业发展 的先导
新材料技术是高技术发展的基础
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
两次工业革命都是以新材料 的发明和广泛应用为先导的
第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展 为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。 第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅 材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。
材料是人类社会进步的里程碑
人类使用材料的七个时代的开始时间
公元前 10 万年 公元前 3000 年 公元前 1000 年 公元 0 年 公元 1800 年 公元 1950 年 公元 1990 年 石器时代 青铜时代 铁器时代 水泥时代 钢时代 硅时代 新材料时代
材料是人类社会进步的里程碑
人类利用材料的历史，就 是一部人类进化和进步的
+595 +390 +175
Km
导弹射程
金属
玻璃纤维
Kavlar
C/C复合材料
火箭壳体材料与导弹射程
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
30年代教练机 二次大战战斗机 80年代截击机
490C
不同类型的飞行器蒙皮温度
93.30C 4270C 10930C 16490C 538 1093
航天飞机
东方快车号
747-400 A320-200
mile/Usgal 座·
100 90 80 70 60 2.5倍
MD11
50
40
707-120B DC-9-30 727-100 880 990
707-120 30 Comet
20 1950
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000 2005
dB/km)
年份
1966
1979 1983
玻璃透光度的改进历史
通讯网络
光导纤维发展历程
年代 第一代 第二代 第三代 波长（） 0.85 1.3 1.3 1.55 第四代 第五代 1.55 2.5 模数 多模 单模 光纤损耗 （db/km） 2-5 1 0.4 0.2 中继距离 （km） 8-10 10-20 20-40 80 应用年代 1978 1982
光机电一体化技术 微电子光刻技术 重大装备制造技术
材料发展总的趋势
新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基
础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响
纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一
电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为
发展最快和最有前途的电子信息材料。 新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能 材料、生物医用材料） 新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间 化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）
年份
1980
1990
每片集成电路芯片上元件的数量按指数规律增加，而最小特 征尺寸则按指数规律减小（美国电话电报公司贝尔实验室）
新材料技术是高 技术发展的基础
1948 电子管 102 晶体管 100 10-2 10-4 集成电路 1958 半导体器件
300
相 对
大规模(103-105) 超大规模(106-107) 极大(>10-7)
高速钢
1900 1950 2000
年份
材料发展总的趋势
探索生命本质
新能源与再生能源 信息科学ห้องสมุดไป่ตู้术 人 探索智力 海洋科学技术 新材料科 学技术
探索物质结构
生物科学技术
空间科学技术
探索海洋奥秘
环境科学技术
探索宇宙空间
图1.1 高技术体系示意图
材料发展总的趋势
21世纪重点发展的高技术领域的材料选择
1．信息科学技术 2．新能源科学技术 3．生物科学技术 4．空间科学技术 5．生态环境科学技术 信息材料 新能源材料 生物材料 空间技术用材料 环保材料
煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点。
核能技术酝酿新的突破。
氢能技术研发和商业应用加速 新能源和可再生能源技术展现良好前景 天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔
材料发展总的趋势
先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息 化、极端制造方向发展，成为提升产业竞争
力的关键技术
新材料技术是高 技术发展的基础
计 算 机
计算机的核心部件是集成电路其容量和 速度每年以50%发展，计算速度已大约每秒万 亿次，2000年可达100万亿次。 计算外设装置莫不决定于材料，如存储 （光盘，磁盘等），显示（液晶、GaAs）。
计算机的控制精度与灵敏度决定于敏感 材料（传感器）的灵敏度、精度与稳定性。
芯片价格
器件尺寸
2
(美分) 0.2 0.005 1.2
8
线宽（，M)
晶 250 片 直 200 径 ( MM )
150
0.5
0.35
值 10-6
10-8 10-10 1940 1950 40年间器件尺 1960
100 50
寸降低100万倍 1980
1970
1990
2000
年
代
新材料技术是高 技术发展的基础
1649
温度（0C）
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
各种切削刀具材料的切削速度的发展趋势
lg[切削速度（m/min.）]
3 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 1750
多晶金刚石
立方氮化硼
陶瓷 金属陶瓷 烧结碳化钨 钨钴铬硬质合金 碳素工具钢
1800 1850
无机非金属敏感材料
探测性能 氧含量 湿度 酸度 压力 温度 电压 PTC 热敏电阻 化学 光学 原理 体离子导电 表面离子导电 表面化学反应 压电 热电 晶界面隧道 晶界面相变 表面电子导电 光电阻
新材料技术是高 技术发展的基础
材料 Zr1-χ CaO2-χ MgCr2O4· TiO2 IrO2-χ PbZr1-χ Tiχ O3 PbZr1-χ Tiχ O3 ZnO· Bi2O3 Ba1-χ Ceχ TiO3 ZnO· CuO CdS
新材料技术是高 技术发展的基础
二 维
108
107
SSI
MSI
LSI
VLSI
界 面
每 个 芯 片 上 的 元 件 数
106 105 104 103
MOS存储器 双极存储器 MOS逻辑器 双极逻辑
(a)
103 小
102 征 (b) 101 度 1
最 特 长 （ ）
三维
102
101 1 1960
M
1970
第一章 材料及其在人类社会发展 进程中的地位和作用
1-1.材料是人类社会进步的里程碑
1-2.材料是经济和社会发展的基础和先导
1.新材料技术是工业革命和产业发展的先导
2.新材料技术是高技术发展的基础
材料是人类社会进步的里程碑
纵观人类利用材料的历史，可以 清楚地看到，每一种重要新材料的发 现和应用，都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会引起生产技术 的重大变革，甚至引起一次世界性的 技术革命，大大地加速社会发展的进 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。
6．用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术
材料发展总的趋势
信息科学技术正在发生结构性变革，仍然 是经济持续增长的主导力量
通信网络技术为信息产业注入强大活力
宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术 半导体技术进入纳米时代 计算机智能技术日新月异
材料发展总的趋势
生物技术正经历着一场前所未有的技术革命 ，一个庞大的生物产业正在孕育和形成