材料科学导论前言

巨型油轮—10万吨级(1960‘s) 35万吨级(1980‘s) 航空母舰—2万吨级(1930‘s) 4万吨级(1940‘s) 10万吨级(1970‘s)
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巨型火箭—土星级、长征级、 阿里亚纳级 隐形飞机—F-117（1980’s）、 B-1、 B-2（1990’s） 均是现代材料科学的工程结晶
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全世界高纯单晶硅产量约4000吨，年产IC 数百亿块，直接间接产值10000亿美元。 从航天飞机、卫星、计算机、移动通信、 CD、VCD、DVD及各种微型电子设备到精 密制导武器、大型超视距雷达、各种战略 核导弹等等，均是以高速、大容量的IC为 基础建成的。
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8000万 4000万 6000万
350万
14000万 12000万 8000万 1.2亿户 500万
截止2008年3月我国内地手机 用户人数突破5亿大关， 成为世界第一手机大国。
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五、新材料是现代国防的保证 坦克—新型复合装甲材料 火炮—新型耐高温耐冲击材料 飞机—新型耐高温轻质合金、复合材料、 隐身材料 F-117A, B-2，F-22等
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中国 1977 武汉邮电科学院研制出我国第一根 阶跃式多模光纤 300 dB/km 1987 武汉-荆州（~250 km）国产长途光 缆通讯系统完成 1999 兰州——西宁——拉萨（1800 km） 光缆完成、八纵八横线路 一级光缆总里程突破 70,000 km 2000 光缆产量已达到100万公里 规模
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超导材料—低温下无电阻 1911 Hg (4 K) 1989 Tl-Ba-Cu-O (125 K) 希望：300 K
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七、世纪之交、材料科学发展趋势 纳米材料、信息功能材料、高性能结 构材料成为世界范围的研究热点
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六、新材料是科技进步的关键 美：《星球大战计划》、《NMD计划》 中：《863计划》 欧洲：《尤里卡计划》
新材料研究与产业化将大大改变人类的社 会现状
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大口径半导体材料—IC的基础 激光材料、光纤材料—现代通讯的基础 新型结构材料——现代工程的基础
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计算机发展简史： 1945 第一台电子计算机问世 每秒运算5000次、体积100立方米
1970‘s 大型计算机运算速度 1000万次/秒 1999 10 亿次/秒 [美]克雷机、[中]银河机
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微型计算机发展： 1981 IBM-PC 主频 1 MHz 1982 IBM-PC/XT 主频 2 MHz 1984 IBM-PC/AT 主频 4 MHz 1985 386计算机 主频 16 MHz 1989 486计算机 主频 64 MHz 1993 Pentium计算机 主频 133 MHz 1996 P-II计算机 主频 256 MHz 1999 P-III计算机 主频 500 MHz 2000 P-IV计算机 主频 1.3 GHz
两大范畴： 矿业及农业科学与工程 采矿科学与工程
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材料科学与工程的定义： 将材料的成分、结构、加工工艺、性能与 环境影响联系起来的知识的探索、积累、 研究、总结与开发应用。 材料科学着重知识的探索、积累、研究、 总结 材料工程着重知识的开发应用
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材料、能源、信息是现代社会的三大支柱
中国 600 架 5.9 万吨 0 120 辆 8000 门
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抗日战争历时八年，中国付出巨大代价： 军民伤亡 3500 万人 财产损失 5000 亿美元 上海、武汉、南京等城市受到严重破坏
中国钢产量发展进程（万吨）
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1949 1958 1962 1976 1990
材料科学是新兴交叉学科，将综合数学、 物理学、化学、计算机科学等知识，从原 子、分子层次去研究电子、原子、离子的 微观行为与材料的宏观性能的关系。 在理论指导下，研制、开发、生产各种 规格、用途的新型结构材料和功能材料。
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摩天大楼—帝国大厦（1934, 386 m高） 世贸中心(1973, 415 m高)….. 巨型水坝—阿斯旺水坝、三峡大坝…..
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现代经济发展史表明：信息材料及其相关 产业是发展速度最快的朝阳产业。 中国 彩电、手机、交换机、录象机、VCD、 DVD机等产量在1980~2000年间已达到世 界第一！
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我国信息产业飞速发展
1978年 1999 年 2001年
电话 300万 移动电话 0 寻呼机 0 手机 PC 0
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四、新材料是现代工农业发展的基础， 是信息产业起飞的加速器 电子工业—超纯、特薄、特细的材料 原子能工业—核电站、电子加速器、 质子加速器 耐腐蚀、耐辐射材料
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人类已进入信息时代， IC、 Internet、IT技 术的发展日新月异。 现代材料科学进入了信息材料时代并为 信息产业提供了坚实的物质基础：
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火箭、导弹—新型新型耐高温轻质合金、 复合材料、遥感遥测材料 高功率激光武器—新型激光材料 Nd:Y3Al5O12 连续输出可达 1 KW 30次/秒的巨脉冲输出可达 10 KW
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现代战争启示录表明：决定战争的胜负的 主要物质因素已从钢铁的多少转到了硅片 的多少。
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1937年: 日本 世界排名 中 国 铁 240万吨 (7) 96 万吨 钢 635万吨 (6) 56 万吨 石油产品 245万吨 25 万吨 汽车 9500 辆 (8) 0 造船 43万吨 (3) 1 万吨 面积 37 万平方公里 960 万平方公里 人口 1 亿 4.5亿
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高纯(99.999999%)、大口径（~300毫米） 的硅材料及高质量的III-V族化合物半导体 材料是制备所有IC的最重要的物质。 硅单晶直径：
1英寸（1950‘s）—4英寸(1960’s)— 6英寸(1970‘s)—8英寸(1980’s)—10英寸 (1990‘s)—12英寸(2000)—16英寸（研究）
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二、材料是人类进步的里程碑 对材料的认识和利用的能力，决定了人类 社会的形态和人类的生活质量。 人类文明史，也可称为世界材料 发展史 人类的时代划分，往往以使用的材料为标 准
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石器时代（公元前几十万年~前5000年） 青铜时代（前5000年~前1200年） 铁器时代（前1200年~公元1700年） 钢铁时代（1700年~现在） 高分子时代（1909年~现在） 贝克兰用化学法合成酚醛树脂 新石器时代—信息时代（1947年~现在） 在硅晶体上制成了第一个三级管
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隐身材料： Ni-Zn, Ni-Mg-Zn, Mn-Zn等，可大幅度减少 雷达散射截面（RCS） RCS RCS B-52 100 m2 B-1B 0.75 m2 FB-111 7 m2 B-2 0.1 m2 MiG-21 4 m2 F-117A 0.025 m2 MiG-29 3 m2
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绪 论 一、材料的定义 人们可用来制作物品的宇宙物质的子集 在机器、结构件、器件、产品中因其特殊 的性能而成为有用的物质。
领域巨大： 钢铁、水泥、木材、塑料、玻璃、硅单晶、 金刚石、……
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地球是所有材料的来源和最终归宿。 从矿石、树木、石油——金属、水泥、化 学产品、纸张、晶体、陶瓷、塑料—— 各种产品——废料或解体回归地球
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Introduction of Materials ScLeabharlann Baiduence
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参考书： 1、《材料科学基础》 潘金生、仝健民、田民波 清华大学出版社、1998年6月 2、《材料科学与工程基础》 吴云书等、机械工业出版社，1990年 3、《材料科学导论》 冯端、师昌绪、刘治国 化学工业出版社，2002年5月
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到2000年，我国主要材料产量： 钢、钢材、水泥、玻璃 10种有色金属、纯碱、烧碱等 位居世界第一 位居世界第二
坚实的物质基础使中国的面貌焕然一新。 1997年香港回归、1999年澳门回归
2007年钢产量达4.6亿吨 世界钢产量约13亿吨 2007年私人汽车拥有量(万辆) 2,876
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材料领域的强国，也是政治、军事强国 1644年，“工业革命”英国成为“日不落 帝国”，基础：钢、铁、煤的产量居世界 第一 钢铁与石器的交锋——美利坚合众国向印 第安人血与火的扩张（19世纪）
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WWI—新兴资本主义强国要求“阳光下的 土地”，重新划分势力范围
WWII—三个法西斯向世界宣战
1982 1991 1999 2001
英国—阿根廷 马岛战争 美英等国—伊拉克 海湾战争 北约—南斯拉夫 科索沃战争 美英等—阿富汗 阿富汗战争
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远程精确打击能力 巡航导弹（~2000 km）、反辐射导弹、 空空导弹（~120 km）、 反舰导弹（~400 km）等
全天候作战能力 红外夜视装备
光通讯发展简史 1876 Bell发明电话 1880 Bell发明光电话 1960 Maien发明Laser 1966 高琨发表论文， 认为可以将石英光纤的损耗从当时 的1000 dB/km降到20 dB/km
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1970 美国康宁公司率先制成损耗低 于20 dB/km的石英光纤 1972 石英光纤损耗低于4 dB/km 1981 石英光纤系统开始商业化 1988 横跨大西洋的海底光缆投入使用 （5747 km） 1989 横跨太平洋的海底光缆投入使用 （15927 km）
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1883 1911 1926 1946 1947 1950 1952 1954
硒整流器 硅整流器 锗整流器 锗单晶 锗接触三极管（Transistor） 锗结型三极管（PNP或NPN型） 高质量硅单晶 Integrated Circuit（IC）问世
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1958 IC 集成度10个元件/cm2 1978 IC 集成度10万个元件/cm2 1999 IC 集成度10000万个元件/cm2
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1937年 日本 航空母舰 2 飞机 700 坦克 300 大炮 2500 机枪 7000 步枪 180000
中国 0 0 0 580 3500 150000
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1937年 军事实力对比 日本 飞机 2600 架 舰艇 77 万吨 航空母舰 4 艘 坦克 650 辆 火炮 15000 门
光电子材料——信息产业的基础
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纳米材料—纳米碳管、C60、纳米粉体 （ZnO,TiO2，Au, Ag, Pd等） 生物材料—人工骨、人工心脏、人工血 管、人工皮肤等
磁性材料—高密度存储信息
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功能高分子材料—轻、揉性、光、电、 磁应用 清洁能源材料—石油、煤的替代 太阳能电池材料、 固体燃料电池材料 环境材料—人类可持续发展的需要
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三、材料科学是新兴交叉学科 融会多个学科——如物理、化学、计 算机、固体科学、结晶学、量子力学等， 与多个学科交叉——化学工程、电子 工程、土木工程、环境工程、航空工程、 核工程、生物医学工程等
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性能 成分 结构 环境
加工 工艺
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