材料科学与人类文明.答案

轮子的发展与材料发展的关系
轮子的发展与材料发展的关系
车始于轮子的发明，是陆地交通变革的开始，是人类历史上最重要的发明之 一。车使人类活动范围变大，人际的交往和物质的交流也增多了。 木柱是轮子的雏型，据说5500多年前，生活在美索不达米亚平原的苏美人首 先发明了车。最原始的车轮就是圆木片，以后为了制作方便，采用木板拼接，
材料科学与人类文明
何谓材料？
材料是人类社会可经济地制造有用物品的物质。
米-26直升机展示强悍起吊能力：采用8片16米长矩形桨叶旋翼，是 世界采用桨叶片数最多的单旋翼直升机，其桨毂由钛合金制成。
材料研究之美
材料研究之美
材料研究之美
200nm
绪 论
材料和人类文明发展史概述 材料的定义分类
材料的应用
战机 舰船 导弹
高层 建筑
火箭
铝合金的 主要应用领域
战车 人造 卫星 高速列车 汽车
新材料的特征 根据人们对材料物理和化学性能的了解，为了特定需要 而设计、加工材料
半导体单晶硅、砷化嫁、光导纤维、超导等新材料的开 发和应用，使得新技术得以生产和应用，从而促进新工 业的出现和发展，极大的推动了社会文明与经济的发展 新材料 新技术 新工业
宝钢高炉
长征三号运载火箭在发射架上的图片
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
汽车工业：金属、玻璃、各种塑料、涂料 航空航天：高温合金、隔热材料、轻型高强度材料
能源工业：储氢合金、燃料电池、太阳能电池
电子信息：半导体材料、超导材料、磁记录材料 生物技术：人工关节、人工皮肤、人工脏器 农业：人造土壤、地面覆盖 日常生活：包装材料、建筑材料
材料与日常生活
钛合金自行车：“自行车发烧友” 选择钛合金制自行车。 通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合
材料与日常生活
形状记忆合金百叶窗
材料与日常生活
眼镜架
目前市场出售的眼镜架有 纯钛制品、TiNi超弹性合金 制品等 其优点是耐腐蚀、不变色、 质轻
材料与日常生活
手表 用钛制作的手表在国外市场 已早有出售，目前世界上已 有十多家表厂生产这种手表， 其中有全钛表壳，也有部分 用钛或用氮化钛、碳化氮等 此外，还有供运动员和潜水 员使用的特制手表
• 材料是所有科技进步的核心
建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程 无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破
没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦
没有专门为喷气发动机用的高温材料，就没有靠飞机旅行交通
没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船 没有固体微电子电路，就没有计算机
火箭
材料与技术革命
第一次科技革命发生于18世纪中叶的英国，而后遍及欧洲和北美国家。这 次革命以纺织机械革新为起点，以蒸汽机的广泛使用为标志，实现了工业
生产从手工工具到机械化的转变，使以机器为主体的工厂制度化替了以手
工技术为基础的手工工场，从而把人类带进了蒸汽时代。 第一次科技革命发生的条件 当时英国正在开辟海外市场以及进行“圈地运动”, 具备大量资金、劳动力、 原料和广阔市场的基础，工场手工业迅速发展起来，技术水平的提高又促 进了操作过程专业化和熟练程度，为用机器代替人手操作提供了准备条件 在17~18世纪的英国，牛顿一批科学家掌握了力学理论，创办了各种学术
据说是钛合金外壳哦！
材料与日常生活
用钛制作的日用品还有照相机、手提箱、保温瓶、耳环、 手镯、戒指、项链、胸针等
照相机
纯钛戒指
钛Βιβλιοθήκη Baidu发王
钛手链
材料与建筑
材料与交通
汽车
汽车用高强钢，比原先轻 24%，而强度高34%。
福特2000与西纳给2010这两款 由材料工程师设计的汽车将成 为未来交通工具
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪30年代的人类发明
易拉罐、宝丽来太阳镜、自动洗衣店、道路斑马线、罐装啤酒、原子笔、施乐复 印机、家用电冰箱、电脑、立体声录音机
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪40年代的人类发明
尼龙丝袜、彩色电视、塔伯家用塑料制品、原子弹、微波炉、吉普车、宝丽来照 相机、慢转密纹唱片、可多次使用的尿布、第一台由软件驱动的电脑
戈
三星堆
三星堆立人像 铸于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m， 通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像
突目面具 铸于商代晚期，高64.5cm，宽 138cm，眼球柱状外突长达13.5cm
司母戊鼎
• 司母戊鼎，商代大鼎，1939年出 土，鼎高133cm，重875kg。为已 知的中国古代体量最大的青铜器
铁的性能更好，原料更易得。在现代仍在大 规模应用。
科学技术的发展史，就是材料的发展史
科学原理的发现时间与其产业化时间的对照 原理 电机 真空管 无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光 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
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪50年代的人类发明
信用卡、有线电视、动力方向盘、袖珍晶体管收音机、录像机、不粘锅、垒高儿 童拼装玩具、氢弹、水翼船、调制解调器、健身呼啦圈
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪60年代的人类发明
软接触镜头、纤维笔尖钢笔、体重计、用做隆胸的硅胶填充物、按钮电话、电脑 鼠标、石英手表、“傻瓜”照相机、涡流浴室、影碟、盒式录音磁带、手提电脑、 扫描仪、丙烯酸树脂涂料
如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。
材料与技术革命
第三次技术革命开始于20世纪中叶，以原子能应用为标志， 实现了合成材料、半导体材料等大规模工业化、民用化。
核能材料
瑞士核电站 烧 结 前 烧 结 后
核反应堆材料 耐中子辐射、腐蚀、高温
钨钒钢（W-V steel） 铬钒钢（Cr-V steel） 镍基高温合金（Hastelloy material）
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪90年代的人类发明
“哈勃”太空望远镜、DVD、可用于汽车上的氢气燃料电池、“奔腾”处理器
20世纪科技发明史--与材料密切相关
21世纪的人类发明
苹果iPod音乐随身听、人造肝脏、免清洁窗户、Segway新型交通工具、适于在 北极严寒气候条件下骑行的冰上自行车、防身夹克
• 铜禁，中国已知最早应用失蜡法 铸造的作品，春秋时代的楚国王 子午墓出土，年代为公元前6世纪
温文尔雅的四羊方尊
（战国）错金犀牛尊
战国曾侯乙青铜编钟
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
1000BC — 铁器时代 (Iron Age)
1450BC 铁制车轮
1500AD 廉价的冶铁业
战国铁犁头
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 战国铁锄
将木纹走向不同的木板交错着钉在一起，可以防止开裂。
据李约瑟考证，约在四千五百年到三千五百年前，中国出现了第一辆车子。 《左传》记载车是四千年前的夏代奚钟发明的。三千多年前殷代考古文物中
发现殉葬的车，由车厢、车辕和两个轮子构成，已是比较成熟的交通工具了。
公元前2000年，人类发明了有辐的车轮，比实体车轮轻便了许多，用马拉辐 式车轮的车子，速度快，运动轻巧灵活，被古人当作战车应用。 进入18世纪后，随着第一次产业革命的兴起，生产规模迅速扩大，人类开始 大量制造较耐用的金属轮子。 时至今日，汽车所用的轮子要求更高，金属轮子的外围更加上橡胶轮胎，以 作避震及增强附着摩擦力之用
从矿石中提炼铜 — 冶金业的黎明
青铜器时代
锡青铜（Bronze）—铜 - <25%锡合金+其它 元素，具备良好的强韧性、耐腐蚀性、良好 的加工性能等。
青铜：第一种合金
• 古称金或吉金，是紫铜与其它元素 （锡、镍、铅、磷等）的合金 • 中国青铜时代大致对应夏商周至秦 汉，时间跨度约两千年
夏钺
• 春秋战国时期，齐国工匠写成《考 工记》，提出[金有六齐]，是世界科 技史上最早的冶铜经验总结
团体，广泛交流学术思想；促使科技革命的发生
从18世纪60年代起，棉纺织业中一系列新工具机的出现，制造能产生巨大、 稳定的动力的机械装置成了工业上的迫切需要。于是，以瓦特改进的蒸汽
机为代表的动力机就应运而生
材料与技术革命
第二次技术革命开始于19世纪末，以电的发明和广泛 应用为标志，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，
氧化铀
材料与技术革命
第四次技术革命开始于20世纪70年代，以计算机、
微电子技术、生物工程技术与空间技术为主要标志。
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。材料是全球新技术革命的
四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。
西安半坡人面网纹陶盆
• 据考古资料，中国 陶器制作历史至少 有8000年以上
战国陶制四通水管
4,500 BC — 1,000 BC 青铜时代 (Bronze Age)
大量使用青铜工具及青铜礼器的时期
埃及古墓壁画 是人类冶金业的最早纪录之一 人类学会了用炭把铜加热以造出 纯度更高的铜, 而把铜和锡矿石 熔合后可得一种坚度高的合金 -青铜，以青铜来造出各种武器
不同历史阶段各类材料的相对重要性
石器时代
2百万年前开始，人类有目的地在生产生活中利用 天然材料（石头、木头、黏土、动物皮毛等）。
400,000 BC — 4,500 BC 石器时代 (Stone Age) 人类主要以石头、骨头、 木制作简单的工具
燧石：神奇的石头
陶器(Pottery)
• 陶器的出现是人类 跨入新石器时代的 重要标志之一
材料的未来发展
• 微型化——纳米材料与结构
• 智能材料
• 环保材料——可生物降解材料等
• 仿生材料 • 极限条件用材料
材料的分类—按价键结构
黑色金属：钢，铁，钨 金属材料
金属键
有色金属：铝，铜，钛，金，银等
无机非金属材料：陶瓷，玻璃，玻璃陶瓷等 材料
材料是人类社会进步的里程碑
材料与人类文明发展
• 人类文明进程的划分依据是什么
所使用的、占主导地位的材料
—— 石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成
材料时代、复合材料时代、信息材料时代……
—— 发展得越来越快
人类文明与材料
公元前8世纪古希腊哲学家赫西奥德的《劳动与时令》诗篇里，把人类的发 展划分成黄金、白银、青铜、英雄和铁5个世纪；
20世纪前20年的人类发明 齐柏林硬式飞艇、扬声器、空气调节装置、自动售货机、圣诞树彩灯、双刃安全 剃刀、飞机、人造树胶、霓虹灯、汽车上的电点火装置、纸杯、不锈钢、坦克、 爆米花烤箱
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪20年代的人类发明
机器人、雪上汽车、自动手表、电动剃须刀、16毫米家庭型电影摄影机、克里内 克丝面巾纸、电视机、汽车无线电、红绿灯
中国东汉袁康所撰的《越绝书》中把人类使用的工具，分成石、玉、铜、
铁四个阶段； 1836年丹麦学者C. J. 汤姆森提出石器时代、青铜时代和铁器时代的分期。
从远古的石器时代到铁器时代再到如今的新材料时代，先 后经过了七个不同时代
以材料区分的七个时代 公元前10万年 公元前3000年 公元前1000年 公元前0年 1800年 1950年 1990年 石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代 硅时代 新材料时代
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪70年代的人类发明
电脑软盘、袖珍计算器、可随意粘贴便条、Beta制大尺寸磁带录像系统、自动调 焦照相机、苹果第二代电脑、移动 电话(手机)、索尼随身听
20世纪科技发明史--与材料密切相关
20世纪80年代的人类发明
光盘、一次性照相机、高清晰度电视、人工合成皮肤、CD ROM、多普勒雷达， 高温超导体、数字蜂窝电话
本课程的主要内容及目的
人和动物的本质区别? 人可以利用工具从事生产、生活，创造财富，积累经验，进而 制造更先进的工具； 在制造工具时，材料是必需的，但不是所有的物质都能用于制
造工具。
什么是材料？
材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品 的物质。简单地说，材料是人类可用来制造有用器件的物质。