材料科学的重要地位

一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。
人类历史的划分
石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。 Computer Aluminum in 19th century.
现代社会
三 大 支 柱
能源、信息和材料（1998） 生物工程，信息技术和新材料
二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。
中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷
如果不能制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高 度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和 一切电子设备。这样的例子可以说举不胜举。
材料科学的重要地位
• 先进的技术又促使了具有前所未有性能的新材料的诞生
例如，利用巨型计算机可以计算出要求什么样的性能 便应该有什么样的成分组成，甚至还没有制造出来便可 以先用虚拟现实技术观看所制成的零件在工作时的表现 如何。这就使得在研制新材料时，具有更大的主动性、 预见性，避免盲目地作大量无益的探索。
材料科学的重要地位
• Байду номын сангаас日子离不开材料
俗话说：“开门七件事，柴、米、油、盐、 酱、醋、茶。”这七样东西，样样都是过日 子必不可少的物质，它们都是材料。所以人 类首先最需要的就是材料。正因为这样，在 生产力还处在很低水平的农业社会里，材料 便比能源、信息都要早地占据了主导地位。
材料科学的重要地位
• 周围随处可见材料，如沙、木材、石头等。
从过去到现在 共经历了七个时代
• 1 石器时代 公元前10万年
• 2 青铜时代 公元前3000年
• 3 铁器时代 公元前1000年
• 4 水泥时代 公元0年
• 5 钢时代
1800年
• 6 硅时代
1950年
• 7 新材料时代 1990年
现代社会使用的材料种类繁多，无 法简单地用某一种甚至某一类材料来象 征社会的发展水平、技术水平，但材料 是一切东西的物质基础仍然没有改变， 而且今后也永远不会改变。正是因为有 千姿百态、数不清的材料，世界才会如 此丰富多彩。
世界最大的天然金刚石
1908年初，库利南被送到当时琢磨钻石最权 威的城市荷兰的阿姆斯特丹，交给约ּ阿斯查 尔公司加工．被劈开后，由三个熟练的工匠， 每天工作14小时，琢磨了8个月．一共磨成了 9粒大钻石和96粒小钻石．九个较大钻石中最 大的一粒名叫库利南1号，重530.2克拉，为 水滴形，琢磨了74个面，它也是现今世界上 最大的钻石，镶在英国国王的权杖上．
天然材料 人工材料
材料的分类
用途：结构材料（受力，承载） 功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等）
属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料
物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料
几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料
发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，... ） 新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, ...）
人类文明社会的先导--新材料
一、材料的发展史，就是人类社会的发展史 二、材料的发展史，就是科学技术的发展史
什么是材料(materials)?
材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有 用物品的物质。
Materials is the stuff from which a thing is made for using.
人类对材料微观结构认识的发展过程
1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.) 2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669） 3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）
1、古代中国：
“日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语·正语》）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”
世界最大的天然金刚石
1905年1月25日，南非的普列米尔矿山（亦 称总理矿），有一个名叫威尔士的经理人员， 偶尔看见矿场的地上半露出一块闪闪发光的 东西，他用小刀将它挖出来一看，是一块巨 大的宝石金刚石。它的重量为3106克拉，即 621.2克（1克拉=0.2克），相当于一个成年 男子的拳头．它纯净透明，带有淡蓝色调， 是最佳品级的宝石金刚石．一直到现在，它 还是世界上发现的最大的天然金刚石．在 1907年12月9日，为祝贺英王爱德华三世的生 日而赠送给英国王室．
（《易经》）
晶体的结构与形状
晶体的结构 晶体的形状
介观
宏观
金刚石的晶面和抛光面呈现夺目的光彩，它 在紫外线或X射线照射下会发出天蓝色、紫色 荧光，经曝晒后，置于暗室内，能发出淡青 色磷光，所以我国古代人们称它为“夜明 珠”。珍贵的钻石，就是金刚石琢成的。
金刚石的导热能力比铜高4倍，是电子技 术和激光技术中的优良散热材料。由于它的 硬度高，所以常被用作地质钻探的钻头和切 削金属的工具，既锋利又不发热。
表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照
电机 真空管 无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光
原理 1821 1882 1887 1895 1935 1939 1948 1958
成品 1886 1915 1922 1913 1940 1942 1951 1960
发展时间 65 33 35 18 5 3 3 2
更进一步，还可以算出原子之间应该怎样排列才能具 有所需要的性能，并利用可以操作单个原子层的技术将 其制造出来。这就体现在处于电子器件制造技术最前沿 的超晶格材料。这样的例子，同样不胜枚举。所以，现 代的材料技术正同其他高技术互相支持、共同发展．
材料是一切事物的物质基础
1、 人类历史阶段是根据使用材料划分的
材料科学的重要地位
材料科学的重要地位
材料科学的重要地位
• 技术离不开材料
使用任何一种技术更离不开材料。人最原始 最简单的技术到最尖端、最复杂的技术，莫不如 此。在人类社会爱憎分明的早期，往往用那一时 代主要生产工具使用的材料来代表那一时代、新 石器时代、青铜器时代、铁器时代等等。
材料科学的重要地位
• 崭新技术的实现需要崭新材料的支持
例如，人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航 空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃 气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制 成了镍基耐热合金这种新材料，才使喷气发动机的制造 得以实现。
同样，如果没有1970年制成的使光强度衰减降低 到可以实用的光导纤维，也不会有现代的光通信；