1、材料科學與人類文明材料科學與人類文明梁國俐梁國俐唐山學機電工程系唐山學機電工程系第一章第一章 緒緒 論論第二章第二章 材料使用簡史材料使用簡史材料使用史(文明劃代史)；中華文明在材料史上的定位第三章第三章 材料與材料科學：材料與材料科學：材料分類、選用原則、材料科學第四章第四章 材料結構基礎：材料結構基礎：鍵、晶體結構與缺陷、合金 第五章第五章 材料性能基礎：材料性能基礎：熱、導電、超導、介電、光學、磁、力學第六章第六章 常用結構材料簡介：常用結構材料簡介：金屬、陶瓷與璃、高分子、復合材料第七章第七章 信息材料：信息材料：處理、傳遞、 存儲、 顯示材料第八章第八章 智能材料：智能材料：構成、應

2、用、種類第九章第九章 生物醫用材料：生物醫用材料：發展簡史、分類、特征與評價、常用材料第十章第十章 材料與環境的關系及環境材料：材料與環境的關系及環境材料：廢舊材料處理、新材料課程內容課程內容 第一章第一章 緒論緒論人和動物的本質區別?人可以利用工具從事生產、生活，積累經驗，創造財富，進而制造更先進的工具在制造工具時，材料是必需的 然而，不是所有的物質都能用于制造工具什么是材料？材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、工具、裝置等物品材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、工具、裝置等物品的物質的物質簡單地說，材料是人類可用來制造有用器件的物質材料是人類社會進步的物質基礎材料是人類社會

3、進步的主要標志材料是人類社會進步的里程碑在古代，材料首先用于統治階級的生活、祭祀、戰爭經驗的積累，先進武器、精美祭器的需求，嚴酷的管理制度，促進了新材料的應用在現代，材料廣泛用于大眾的生活、生產科學的知識體系，不斷更新的制造業技術，追求高品質生活、高性能器具，是新材料發展的動力材料與人類文明發展材料與人類文明發展人類文明進程的劃分依據是什么人類文明進程的劃分依據是什么 所使用的、占主導地位的材料 石器時代、銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代、合成材料時代、復合材料時代 發展得越來越快材料劃時代材料劃時代材料是人類文明、社會進步、科學技術發展的物質基礎材料是人類文明、社會進步、科學技術發展的物質基礎和

4、技術先導和技術先導在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當時的主導材在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當時的主導材料作為時代的標志，稱其為石器時代、青銅器時代和鐵料作為時代的標志，稱其為石器時代、青銅器時代和鐵器時代器時代在近代材料種類極其繁多，各種新材料不斷涌現，很難在近代材料種類極其繁多，各種新材料不斷涌現，很難用一種材料來代表當今時代的特征：新材料時代用一種材料來代表當今時代的特征：新材料時代人類文明進化時代是以材料的使用來劃分的人類文明進化時代是以材料的使用來劃分的從遠古的石器時代，到鐵器時代，再到如今的新材料時代，人從遠古的石器時代，到鐵器時代，再到如今的新材料時代，人類社會先后經過

5、了七個不同時代類社會先后經過了七個不同時代公元前公元前1010萬年萬年公元前公元前30003000年年公元前公元前10001000年年公元前公元前0 0年年18001800年年19501950年年19901990年年石器時代石器時代青銅器時代青銅器時代鐵器時代鐵器時代水泥時代水泥時代鋼時代鋼時代硅時代硅時代新材料時代新材料時代以材料區分的七個時代以材料區分的七個時代燧石：神奇的石頭石器時代石器時代(StoneAge)BC400,0004,500人類主要以石頭、骨頭、木制作簡單的工具陶器陶器(Pottery)n 陶器的出現是人類跨入新石器時代的重要標志新石器時代的重要標志之一n 中國陶器制作歷史

6、至少有80008000年年以上西安半坡人面網紋陶盆西安半坡人面網紋陶盆戰國陶制四通水管戰國陶制四通水管石器時代石器時代(StoneAge)BC400,0004,500青銅時代青銅時代(BronzeAge)BC4,5001,000大量使用青銅工具、青銅禮器的時期從礦石中提煉銅 冶金業的黎明人類學會了用炭加熱銅，造出純度更高的銅把銅和錫礦石熔合后可得一種堅度高的合金-青銅，以青銅來造出各種武器埃及古墓壁畫是人類冶金業的最早紀錄之一l 古稱金或吉金，是紅銅與其它元古稱金或吉金，是紅銅與其它元素素( (錫、鎳、鉛、磷等錫、鎳、鉛、磷等) )的合金的合金l 中國青銅時代大致對應夏商周至中國青銅時代大致對

7、應夏商周至秦漢，時間跨度約秦漢，時間跨度約20002000年年l 春秋戰國時期，齊國工匠寫成春秋戰國時期，齊國工匠寫成 考考工記工記 ，提出，提出 金有六齊金有六齊 ，是世界，是世界科技史上最早的冶銅經驗總結科技史上最早的冶銅經驗總結 青銅：第一種合金青銅：第一種合金夏鉞(yu)戈三星堆三星堆突目面具商代晚期，高64.5cm，寬138cm，眼球柱狀外突長達13.5cm三星堆立人像鑄于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青銅立人像青銅樂器青銅樂器錯金犀牛尊錯金犀牛尊( (戰國戰國) )越王勾踐寶劍越王勾踐寶劍( (湖北江陵楚墓出土湖北江陵楚墓出土) )注意劍紋注

8、意劍紋BC1450 鐵制車輪AD1500 廉價的冶鐵業鐵器時代鐵器時代(IronAge)BC1000人類使用鐵來制造工具和武器戰國鐵犁頭戰國鐵犁頭戰國鐵鋤戰國鐵鋤戰國凹形鐵鋤戰國凹形鐵鋤( (長沙砂子塘長沙砂子塘) )鐵器時代與之前時代的主要區別在于，農業發展、宗教信仰與文化模式實際上所說的鐵器時代指是的早期階段最先使用鐵器的是古埃及與蘇美，BC 4000已極少量使用鐵器，但大多鐵由隕石得到，而非由鐵礦提取BC 30002000，小亞細亞、埃及與美索不達米亞越來越多地由隕石提練鐵，多于禮儀當時鐵是極昂貴的金屬，比金還要昂貴有考古證據指出，鐵是當時煉銅生成的副產品，稱為海綿鐵對當時的冶練技術來說

9、，不可能大量生產 世界上最早進入鐵器時代的是西臺帝國，約BC 1400掌握了冶鐵技術BC1200，中東各地廣泛運用鐵，但并未取代青銅的主導地位BC 1000，歐洲出現鐵制工具，可能是由小亞細亞西傳而來BC 800，尼德蘭出現鐵制工具美洲及大洋洲沒有鐵器時代，鐵由歐洲人傳入中國是世界上利用鐵最早的國家之一19000年前，周口店“山頂洞人”就開始使用赤鐵礦粉作為赭紅色顏料，涂于裝飾品上或者隨葬撒在尸體周圍。為天然礦物顏料利用的開端新石器時代(距今100004000) 興起制陶業，發明繪制各種風格的彩陶。繪制赭紅色彩陶的原料就是赭石(赤鐵礦)1972，河北北藁(go)城臺西村商代(BC 13世紀)中

10、期遺址出土鐵刃青銅鉞。刃部是隕鐵加熱鍛造而成中國在BC 6世紀已出現了生鐵制品鐵硬度高、熔點高，鐵礦蘊含量高相對青銅來說，鐵來得便宜，可在各方面運用，其需求很快便遠超青銅水泥時代水泥時代(CementAge)0BCcement由拉丁文caementum發展而來，意為碎石、片石2000年前，希臘和古羅馬人在建筑中使用一種石灰和火山灰的混合物，它們在水中緩慢反應生成堅硬的固體。為最早應用的水泥19世紀初，英、法等將粘土化石灰(或泥灰巖)燒結成為水硬性材料，其中Al2O3、 SiO2含量之和達到2035%，稱為天然水泥1824，英國用石灰石和粘土的混合物燒成一種水硬性的膠凝材料，凝結硬固后的顏色、外

11、觀和當時英國用于建筑的優質波特蘭石頭相似，故稱為波特蘭水泥1825，波特蘭水泥在英國建廠生產水泥生產工藝以石灰石和粘土為主要原料，經破碎、配料、磨細制成生料，喂入水泥窯中煅燒成熟料，加入適量石膏，磨細而成18711871年，日本開始建造水泥廠年，日本開始建造水泥廠18891889年，中國在唐山建造了第一座水泥廠年，中國在唐山建造了第一座水泥廠鋼時代鋼時代(SteelAge)1800煉鐵、煉鋼的大工業生產分別于17世紀20年代、19世紀70年代最先在英國發展起來1875，全世界生鐵產量為1400萬噸，鋼產量190萬噸18751913，西歐、美國的工業化需要大量鋼鐵，相繼發展了轉爐和平爐，生鐵和鋼

12、產量都迅速增長1913，全世界生鐵產量為8000萬噸，鋼產量7650萬19141950，發生兩次世界大戰、多次資本主義經濟危機，鋼鐵生產發展緩慢1950，全世界生鐵產量為1.30億噸，鋼產量1.89億噸19501974，發展了氧氣頂吹轉爐煉鋼和連續鑄鋼技術、帶鋼熱連軋機和冷連軋機(技術進步)，鋼鐵生產能力提高1974，全世界生鐵產量為5.05億噸，鋼產量7.10億噸1973，開始石油調價和世界性的經濟蕭條，鋼鐵生產發展轉慢1979，世界生鐵和鋼的產量創造新的紀錄，分別達5.29億噸和7.47億噸硅時代硅時代(SiliconAge)1500第二次世界大戰中，開始用硅制作雷達的高頻晶體檢波器。所用

13、的硅純度低，不是單晶體1950，制出第1只硅晶體管1952，用直拉法培育硅單晶成功1953，用無坩堝區域熔化法拉制單晶1955，采用Zn還原SiCl4法生產純硅，但不能滿足制造晶體管的要求1956，氫還原SiHCl3法1960，用氫還原SiHCl3法進行工業生產，已具規模硅整流器、硅閘流管問世，促使硅材料的生產一躍而居半導體材料的首位1960年代，硅外延生長單晶技術和硅平面工藝硅晶體管制造技術趨于成熟，集成電路迅速發展1980年代初，全世界多晶硅產量達2500噸科學技術的發展史，就是材料發現、運用的發展史科學技術的發展史，就是材料發現、運用的發展史原理成品 發展時間電 機18211886 65

14、真空管 18821915 33無線電18871922 35X 光18951913 18雷 達19351940 5原子堆19391942 3半導體19481951 3激 光19581960 2科學原理的發現時間、產業化時間的對照科學原理的發現時間、產業化時間的對照車始于輪子的發明，輪子的使用是陸地交通工具變革的開始，是是人類歷史上最重要的發明之一人類歷史上最重要的發明之一有了車，人類的活動范圍變大，人與人之間的交往和物質的交流也增多了木柱是輪子的雛型BC 3500，古巴比倫的蘇美爾誕生了帶輪的車，是在橇板下面裝上輪子而成最原始的車輪就是圓木片，以后為了制作方便，采用木板拼接，將木紋走向不同的木板

15、交錯著釘在一起，可以防止開裂BC 2500，歐亞之間地區使用兩輪和四輪的木質馬車埃及古代墓葬中曾發現BC 1500前后的兩輪戰車BC 2000，中國中原地區開始制造以圓木板為行走部件的車輛(輪子) 發明有輻車輪，比實體車輪輕便許多裝有輻式車輪的車子用馬來拉，速度更快，車身更輕巧靈活，被用在戰爭中18世紀后，隨著第一次產業革命的興起，開始大量制造較耐用的金屬輪子時至今日，汽車輪子要求更高，金屬輪子的外圍更加上橡膠輪胎，以避震、增強附著摩擦力例例1: 1: 輪子的發展輪子的發展例例1: 1: 輪子的發展輪子的發展第一次產業革命發生于18世紀中葉的英國，而后遍及歐洲、北美第一次產業革命以紡織機械革新

16、為起點，以蒸汽機廣泛使用為標志，實現了工業生產從手工工具到機械化的轉變，使以機器為主體的工廠代替了以手工技術為基礎的手工工場，將人類推入蒸汽時代材料與產業革命材料與產業革命在開發了鐵和銅等新材料后，蒸汽機得以使用并逐步推廣，由此引發第一次產業革命是“鐵和煤的革命”第一次科技革命發生的條件第一次科技革命發生的條件技術條件：英國當時在開僻海外市場、掠奪殖民地、進行圈地運動，形成了資金、勞動力、原料和廣闊市場基礎；工場手工業迅速發展，技術水平提高，促進了操作過程的專業化和熟練程度，為用機器代替人手操作提供了準備條件科學條件：在17、18世紀，牛頓等一批科學家掌握了科學理論，創辦了各種學術團體，廣泛交

17、流學術思想，促使科技革命的發生產業條件：1860年代起，棉紡織業中出現一系列新工具機新工具機，工業上迫切需要制造出能夠產生巨大而穩定動力的機械裝置機械裝置。于是，以瓦特改進的蒸汽機為代表的動力機應運而生材料與產業革命材料與產業革命第二次產業革命處于19世紀后半期20世紀中葉，以新能源的廣泛利用、石油的開發、新機器和新產品的創制、遠距離傳遞信息手段的新發展等為特征，大力發展飛機、汽車和其他工業其間出現的電力、鋼鐵、化工“三大技術”和汽車、飛機、無線電通訊“三大文明第二次產業革命是“鋼和電以及石油業的革命”支撐第二次產業的仍是新材料開發，如合金鋼、鋁合金，以及各種非金屬材料的發展 材料與產業革命材

18、料與產業革命第二次產業革命主要表現在電氣工業、內燃機技術與石油業、材料革命與鋼鐵時代、化工時代、電信業的發達、電影業的興起等l使工業化國家之間經濟發展的不平衡加劇l使后起資本主義國家生產呈跳躍式發展，趕上并超過老牌資本主義國家l使工業化國家和非工業化國家在社會經濟發展水平上的差距也越來越大材料與產業革命材料與產業革命新材料時代新材料時代(NewMaterialAge)發射架上的長征三號運載火箭發射架上的長征三號運載火箭寶鋼高爐寶鋼高爐材料、能源、信息是當代社會文明和國民經濟的三大支柱，是人類社會進步和科學技術發展的物質基礎和技術先導材料是全球新技術革命的四大標志之一(新材料技術、新能源技術、信

19、息技術、生物技術)材料是科技進步的核心建筑、交通、能源、計算機、通信、多媒體、生物醫學工程等，無一不依賴材料科學與技術的發展來實現和突破l 沒有鋼鐵材料，就沒有今天的高樓大廈l 沒有專門為噴氣發動機設計的材料，就沒有靠飛機旅行的今天l 沒有耐高溫復合涂層材料，就沒有人類探索外空的飛船l 沒有固體微電子電路，就沒有計算機根據人們對材料物理和化學性能的了解，為了特定需要而設計、加工材料半導體單晶硅、砷化嫁、光導纖維、超導等新材料的開發和應用，促進了新工業的出現和發展，極大的推動了社會文明與經濟的發展 新材料 新技術 新工業材料是科技進步的核心材料的應用材料的應用鋁合金的鋁合金的主要應用領域主要應用

20、領域戰機艦船人造衛星鈦材料與日常生活鈦材料與日常生活鈦合金自行車：“自行車發燒友” 選擇鈦合金制自行車鈦合金是航空航天產品中采用的高性能材料它以其獨特的魅力，成為國際上公認的生產各類比賽及休閑用高檔自行車最先進、最理想的材料通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合 形狀記憶合金百葉窗形狀記憶合金百葉窗鈦材料與日常生活鈦材料與日常生活眼鏡架眼鏡架鈦材料與日常生活鈦材料與日常生活p鋅白銅眼鏡架是價格最低廉的金屬鏡架，但其耐蝕性差，容易形成綠色的銅銹p蒙乃爾合金(含有銅、鋅、鎳)、鎳合金的加工性能好，所制造的眼鏡架款式很多，受到青少年的喜愛，但其耐蝕性也不高；游離態的鎳離子容易造成皮膚過敏p貴金屬鏡

21、架價格昂貴，普通消費者難以承受p鈦合金、鈦合金及鈦鎳形狀記憶合金的耐蝕性好，且重量輕，現在中高擋的金屬眼鏡架大部分都用這三種材料制成p鈦鎳形狀記憶合金不易焊接，眼鏡架款式單一p鈦合金制成的眼鏡架重量輕(普通鎳基合金鏡架重量的48%-60%)、強度高、耐腐蝕、表面易著色、美觀、耐用p除普通鈦合金的優點外，鈦合金加工性能好、焊接技術優良p1990年代初，鈦合金眼鏡架于在國外發展成熟，并開始批量生產p1998前，鈦合金鏡架曾占據日本市場的60%以上眼鏡架眼鏡架鈦材料與日常生活鈦材料與日常生活目前市場出售的眼鏡架有純鈦制品、TiNi超彈性合金制品、以及和其它材料并用的不等通常合金架的比重約為8.9g/

22、cm3，純鈦架的比重約為4.5g/cm3用鈦制作的手表在國外市場已早有出售目前世界上有十多家表廠生產這種手表，其中有全鈦表殼，也有部分用鈦或用氮化鈦、碳化氮等此外，還有供運動員和潛水員使用的特制手表據說是鈦合金外殼哦！手表手表鈦材料與日常生活鈦材料與日常生活照相機純鈦戒指鈦金發王鈦手鏈用鈦制作的日用品有照相機、手提箱、保溫瓶、耳環、手鐲、戒指、項鏈、胸針等鈦材料與日常生活鈦材料與日常生活材料與計算機材料與計算機材料科學的發展是計算機飛速發展的基礎材料科學的發展是計算機飛速發展的基礎計算機的發展已經歷了4代。目前正在發展第5代l 電子管時代：第1代(1946-1958)，以電子管作為邏輯部件l

23、晶體管時代：第2代(1959-1964)，采用晶體管作為邏輯部件l 小規模集成電路時代：第3代(1965-1970)，用集成電路作為邏輯元件l 大規模及超大規模集成電路時代：第4代(1971-1989)，大規模集成電路應用于計算機，寄存器多，速度快l 計算機科學時代：第5代，主要有智能型計算機、分布式計算機系統、多媒體技術 材料與計算機材料與計算機計算機經歷：電子管計算機經歷：電子管晶體管晶體管集成電路時代集成電路時代 材料科學的發展是計算機飛速發展的基礎材料科學的發展是計算機飛速發展的基礎電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路鎢、鉬鎢、鉬電極鍺、硅半導體鍺、硅半導體單晶硅片，高純鈦、單晶硅

24、片，高純鈦、SiO2、鉻薄膜、鉻薄膜電子管電子管電極材料：鎢、鉬電極材料：鎢、鉬n16K內存器三級電子管三級電子管圖的大小與實物圖的大小與實物相當相當由大量電子管組成的第一臺計算機重300噸，用電相當于1個小城市由大量電子管組成的16K內存器。圖中的女士要用顯微鏡才能看到現在的集成電路16K內存器10萬3千萬l 1883，愛迪生在研制燈泡中發現愛迪生效應：把金屬板與燈絲一起密封在燈泡內，通電后給金屬板加正電壓，發熱的燈絲與金屬板間有電流流過，相反則沒有電流 1897，湯姆遜發現電子，人們才知道，原來燈絲加熱后有電子射出l 1904，弗萊明(英國)造出第1只二極管。在真空管中放置兩塊金屬板，加熱

25、負極時，就有電子射向正極。利用二極管可檢測到無線電信號，但無法控制電子流大小，電信號非常微弱l 1905，德福雷斯特(美國) 在二極管正、負極間加一金屬柵極，制成第1只三極管。后來發現，三極管有放大作用，改變柵極電壓，即可改變電流大小l 三極管的發明為無線電通訊和廣播開辟了道路。1906，費丁生(美國)發明調幅波，使高頻信號帶著聲音的振幅發射出去。費丁生成功地 進行了首次無線電廣播，收音機誕生了；1914，高真空管問世，無線電廣播 方有大規模發展。1920，美國威斯汀豪斯公司在匹茲堡建成第1座廣播電臺。 1926，美國成立全國廣播公司三極管放大系數只有330，陰極-柵極間電容太大，本身容易產生

26、振蕩l 1913，林格慕(美國)在三極管里增加第二柵極，制成四極管，放大倍數可達160600l 1926，荷蘭菲利浦公司首次發明五極管l 1928，茲沃里 金(美國)發明電視顯像管l 1939，美國無線電公司推出現代意義上的電子電視電子管電子管推動了無線電電子學的蓬勃發展l上世紀初，無線電愛好者發現，某些半導體礦石有單向導電性，很適合做檢波 器。這使科學家們想到，用半導體可制作與電子管同樣性能的晶體管l由于許多理論和 技術問題沒有解決，真正發明晶體管時已到了40年代末l1947，貝爾電話實驗室肖克利、巴丁、布拉坦研制成功第1只晶體管(1956諾貝爾物理獎)l1950，肖克萊等人又發明了晶體三極

27、管l與電子管相比，晶體管具有體積小、重量輕、耗能低、壽命長、制造工藝簡單、使用 時不需預熱等優點，大大加速了電子技術的發展 晶體管晶體管l1956，富勒和賴斯(美國)發明半導體生產的擴散工藝，為集成電路提供了工藝技術l1958，德克薩斯儀器公司(美國)用一塊硅晶制成包括電阻、電容在內的分立元件實驗電路，確定了集成電路的標準封裝尺寸，為大規模工業化生產做好了準備l 1959，仙童公司(美國)研究出SiO2擴散技術和PN結隔離技術，完成集成電路制作的全部工藝，推出了第一塊集成電路。接著，光刻技術等相繼發明l1961，德克薩斯公司同美空軍合作，利用集成電路制成第1臺試驗性計算機。該機有587塊集成電

28、路，只有285克，體積3640kgp馬赫數2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼，以減輕結構重量p美國SR-71高空高速偵察機(馬赫數為3，飛行高度26.212km)，鈦占飛機結構重量的93%，號稱“全鈦”飛機航空發動機的推重比從46提高到810，壓氣機出口溫度從200300C增加到500600 C時，原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，以減輕結構重量航天飛機用形狀記憶合金航天飛機用形狀記憶合金材料與航空技術材料與航空技術在美國卡拉維納爾角航天基地待升空的穿梭機應用了成千上萬種材料，特別是一些高技術的新型材料材料與航空技術材料與航空技術美國現役

29、未來新式材料與航空技術材料與航空技術未來的新式航天飛機在結構上將采用單級火箭式全部回收利用的方案外殼材料將使用Ni-Cr-Fe合金外層隔熱板由一層TiAl合金與一層絕熱材料組成各種載人、載物航天飛機每運載1kg有效載荷,成本費1萬美元這樣昂貴的費用使人類征服太空受到了很大限制現役航天飛機每次升空要丟掉一些部件,如輔助火箭和外部貯箱，外表面使用的是碳陶瓷片，二次飛行間需更換許多碳陶瓷片材料與建筑材料與建筑材料與建筑材料與建筑建筑材料可分為結構材料、裝飾材料和某些專用材料結構材料包括木材、竹材、石材、水泥、混凝土、金屬、磚瓦、陶瓷、玻璃、工程塑料、復合材料等裝飾材料包括各種涂料、油漆、鍍層、貼面、

30、各色瓷磚、具有特殊效果的玻璃等專用材料指用于防水、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔熱、保溫、密封等的材料建筑材料長期承受風吹、日曬、雨淋、磨損、腐蝕等，性能會逐漸變化，建筑材料的合理選用至關重要，首先應當安全、經久耐用建筑材料用量很大，直接影響到工程的造價，通常建材費用占工程總造價的一半以上。因此，在考慮技術性能時，必須兼顧經濟性中國傳統的建筑以木結構建筑為主，西方的傳統建筑以磚-石結構為主現代建筑以鋼筋混凝土為主材料與交通材料與交通福特2000與西納給2010，兩款由材料工程師設計的汽車汽車用高強鋼，比原先輕24%，而強度高34%材料與交通材料與交通汽車汽車汽車材料是汽車品質的基礎，汽車技術

31、的發展在很大程度上依托于汽車材料的發展材料與交通材料與交通汽車汽車車殼材料早期的轎車，車身沿用馬車車身結構，整個車身以木材料為主1912，由愛德華.巴特首次制成了全金屬的車身1925，文森卓.蘭西亞發明承載式車身。車身由鋼板沖壓成型的金屬結構件和大型復蓋件組成。這種金屬結構的車身一直沿用至今，得到不斷的完善和發展 復合材料 主要是碳纖維復合材料。重量極輕，可達到與剛質材料同樣的穩定性和安全性，大大提高汽車的靈敏性和操縱性，尤其是在轉彎處可提高車速 合金 主要是鋁合金。鋁合金車殼具有質量輕、節能、散熱好、耐腐蝕等特點 鋁 中高檔汽車越來越多使用鋁，鋁質車身比鋼質車身輕約40 鋼 主要有鍍鋅鋼、低

32、碳鋼、高強度鋼等 鍍鋅鋼板有良好的抗腐蝕能力，廣泛應用在汽車上 低碳鋼板有很好的塑性加工性能，能滿足車身拼焊的要求 高強度鋼板是在低碳鋼板的基礎上采用強化方法得到的，可在厚度減薄的情況下依然保持汽車車身的機械性能要求，從而減輕了汽車重量材料與交通材料與交通汽車汽車鋁合金是汽車上應用得最快最廣的輕金屬，這主要是因為鋁合金本身的性能已經達到重量輕、強度高、耐腐蝕的要求。早期鋁合金僅用于變速器外殼、汽油泵、化油器等不受強沖擊元件。到了現代，鋁材中添加強化元素后，鋁材的強度大大加強，仍具有質輕、散熱性好等特性，可滿足發動機活塞及汽缸蓋等較劇烈工作環境的要求鋁圈是鋁合金在車上的第二個應用廣泛的領域。因為

33、質輕、散熱性好，鋁制車圈降低了整車的質量，可及時將制動器的熱量散發出去，以免出現制動熱衰退使用鋁合金最經典的范例是德國奧迪汽車公司在1999年推出的奧迪A2，為世界第一款大批量生產的全鋁轎車。該車車身采用全鋁空間框架車身，是一種用于飛行器結構的高難技術，使車身重量比傳統鋼制車身輕40%以上，只有895kg20世紀初，人們成功地制取了液氦，獲得4K低溫 ，發現水銀在4K突然電阻全沒有了，成為超導體從20世紀初到80年代，約70年間，超導臨界溫度只提高了不到30度在80年代末，超導臨界溫度提高到125K在高溫超導材料的研究方面，我國處于世界領先水平1987，在世界上率先研制出超導臨界溫度90100

34、K的Y-Ba-O-Cu高溫超導體2001，清華大學試制成功500m的高溫超導帶材，進入產業化超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車材料與交通材料與交通乘坐平穩、安全、快捷、十分安靜1980s高溫超導體超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車超導首先應用于磁懸浮列車利用超導體中強電流引起的強磁場間同性相斥作用，使磁懸浮列車浮起來的日本、德國都已投入試用，時速500km1994，我國西南交通大學做成43m長的磁懸浮列車試驗線，車重4噸材料與國防現代化材料與國防現代化 B-2幽靈式轟炸機 當代戰爭表現出高技術的特點如美國對伊拉克作戰、對科索沃的空中打擊都使用了隱形飛機、反輻射導彈、巡航導彈等，實行高密度精確打擊美國轟炸伊

35、拉克使用的B-2幽靈式轟炸機，是一種隱形飛機隱形功能一方面由其外觀設計來保證，另一方面就是在飛機對雷達波強反射的部位覆蓋了吸波或反射波材料，它可以是蒙皮外的涂料，也可以是貼或鍍上去的材料。這種B-2型飛機機身的涂覆物厚達10mm，窗戶上鍍有金屬薄膜，整個機身由于采用碳纖維復合材料呈黑色防彈衣的高技術化是各國軍需裝備發展的重點1901，威廉麥肯雷總統被暗殺，防彈衣引起了美國國會的重視。當時，防彈衣可防住低速(彈速122m/s)手槍子彈，但無法防住步槍子彈第一次世界大戰中，出現以天然纖維織物為服裝襯里，配以鋼板制成的防彈衣。實際是鋼制鎧甲，重9 kg第二次世界大戰中，彈片殺傷力增加了80%，傷員中

36、70%因受傷而死亡。英、美兩國開始不遺余力地研制防彈衣材料與國防現代化材料與國防現代化 1942，英軍首先研制成功由三塊高錳鋼板組成的防彈背心1945，美軍研制成功鋁合金與高強尼龍組合的防彈背心朝鮮戰爭中，美陸軍裝備的是由12層防彈尼龍制成的T52型全尼龍防彈衣， 海軍陸戰隊裝備的是M1951型硬質“多隆”玻璃鋼防彈背心，重2.73.6kg 材料與國防現代化材料與國防現代化 70年代初，美國杜邦公司研制成功超高強度、超高模量、耐高溫的凱夫拉纖維美軍率先使用凱夫拉制作防彈衣，并研制了輕重兩種型號新防彈衣以凱夫拉纖維織物為主體材料，以防彈尼龍布作封套現在，完全用化學纖維制做防彈衣一種用18層尼龍和

37、凱芙拉纖維制成的防彈衣只有1.03kg在極熱的情況下，凱芙拉纖維不熔化也不流淌，而是凝固起來增加厚度，可以在身體周圍形成免受燒傷的保護層對于高速槍彈，尤其是步槍發射的子彈，純粹的軟體防彈衣仍是難以勝任的為此，人們又研制出了軟硬復合式防彈衣，以纖維復合材料作為增強面板或插板，以提高整體防彈衣的防彈能力材料與能源材料與能源p 能源材料能源材料是能源工業和能源技術所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節能材料和儲氫材料等p 新能源材料包括增值堆用核材料(鈾、氘、氚為代表)、聚變堆材料、太陽能電池(單晶硅、多晶硅、非晶硅等)p 節能材料包括非晶體金屬磁性材料(用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si

38、合金)和超導材料(Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料)p 儲氫材料(儲氫電極合金材料)以及高比能電池(如鈉硫電池、鎳氫電池、嵌鋰碳負極和LiCoO2正極為代表的鋰離子電池)等 目前鈉硫電池的比能量達137Wh/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有30W h/Kg 瑞士核電站 氧化鈾 鎢釩鋼（W-V steel）鉻釩鋼（Cr-V steel）鎳基高溫合金（Hastelloy material）核反應堆材料耐中子輻射、腐蝕、高溫燒結后燒結后燒結前燒結前材料與能源材料與能源核能材料核能材料2006年9月，美國金屬雜志(Journal of Metals)發起評選材料科學與工程歷史上“最偉大的材料事件最偉大

39、的材料事件”(GreatestMaterialsMoments)活動。JOM由美國礦物、金屬與材料學會(The Minerals, Metals & Materials Society)主辦“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”定義為：一項人類的觀測或者介入，導致人類對材料行為的理解產生標志性進展的關鍵或決定性事件。它開辟了材料利用的新紀元，或者產生了由材料引發的社會經濟重大變化評選出的50項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”清楚地展示，材料及其相關科學與技術的發展對人類文明與社會進步所做出的巨大貢獻，以及材料科學與技術毋庸置疑的重要地位50項項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”在在50項項

40、“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”中中材料制備技術及工藝材料制備技術及工藝17項項新材料和新器件的發明新材料和新器件的發明12項項提出新原理、新規律與揭示新結構、新現象提出新原理、新規律與揭示新結構、新現象18項項先進儀器設備的發明先進儀器設備的發明3項項從從50項項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”中可以看出中可以看出古代材料與技術方面的重大事件，古代材料與技術方面的重大事件，包括煉鐵術、煉鋼術、銅提取術及煉包括煉鐵術、煉鋼術、銅提取術及煉銅術、鐵鑄造技術、玻璃的發明等銅術、鐵鑄造技術、玻璃的發明等，大多出自中國、埃及、伊朗、印度，大多出自中國、埃及、伊朗、印度和土耳其等東方國家和土耳其

41、等東方國家中國古代金屬業勞動者開發的鐵鑄造工藝、制陶藝人使用中國古代金屬業勞動者開發的鐵鑄造工藝、制陶藝人使用高嶺土制備首批精細陶瓷榜上有名高嶺土制備首批精細陶瓷榜上有名然而，近代然而，近代(1900后后)材料發展中的重大事件材料發展中的重大事件，幾乎全部由美、英、德等，幾乎全部由美、英、德等西方科學家與發明家包攬，表明西方工業發達國家主導著近代材料科學西方科學家與發明家包攬，表明西方工業發達國家主導著近代材料科學與工程的發展與工程的發展50項項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”11864門捷列夫設計出門捷列夫設計出元素周期表元素周期表成為材料科學家、化學家和工程師普遍使用的參考工具2BC3

42、500埃及人首次熔煉鐵埃及人首次熔煉鐵(或許是銅精煉的副產品或許是銅精煉的副產品)，微量的鐵主要用于裝飾或禮儀，微量的鐵主要用于裝飾或禮儀揭開了將成為世界主導冶金材料的第一個制備秘密31948J.Bardeen、W.H.Brattain和和W.Shockley發明發明晶體管晶體管成為所有現代電子學的基石和微芯片與計算機技術的基礎4BC2200伊朗西北部人發明玻璃伊朗西北部人發明玻璃成為第二種偉大的非金屬工程材料(繼陶瓷之后)51668A.vanLeeuwenhoek制作出放大制作出放大倍數超過倍數超過200倍的光學顯微鏡倍的光學顯微鏡使人類能夠研究肉眼無法看到的自然世界及其結構61755J.S

43、meaton發明發明現代混凝土現代混凝土(水凝水泥水凝水泥)成為當代的主導建筑材料7BC300南印度的金屬業勞動者發展了南印度的金屬業勞動者發展了坩堝煉鋼坩堝煉鋼生產出幾百年后成為著名的“大馬士革”劍鋼的“伍茲鋼”，激發了數代工匠、鐵匠和冶金學家8BC5000在現代土耳其周邊，人們發現可以從孔雀石和藍銅礦中在現代土耳其周邊，人們發現可以從孔雀石和藍銅礦中萃取液體銅以及熔融萃取液體銅以及熔融的金屬可鑄成不同的形狀的金屬可鑄成不同的形狀成為冶金提取術開發地球礦物寶藏的手段91912勞厄發現勞厄發現晶體的晶體的X-射線衍射射線衍射創建了表征晶體結構的方法，并啟發了布拉格父子發展晶體衍射理論，深化了晶

44、體結構與材料性能關系的理解101856H.Bessemer申請底吹酸性過程專利申請底吹酸性過程專利引領出廉價、大噸位煉鋼時代，為運輸業、建筑物和通用工業帶來巨大進步50項項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”111876吉布斯發表論非均相物質之平衡著名論文(兩部分)的第一部分12BC28000最早的燒制陶瓷：發現于摩拉維亞的巴甫洛夫山遺址的以動物和人類為外形的小型雕塑、厚板和圓球，陶瓷的制作由此開始13400在印度德里，鐵匠鍛造并豎起一根高7米的鐵樁141896皮埃爾和居里發現放射性151844古特異發明了硫化橡膠161898奧斯汀發展了鐵碳相圖171925海森堡發展了矩陣力學，薛定諤創立了波

45、動力學和原子非相干薛定諤方程18BC3000在現代敘利亞和土耳其地區，金屬業勞動者發現在銅礦石熔煉前加入錫礦可以制造出青銅器191450古騰堡發明一種澆鑄在銅合金鑄模內、適于批量高精度印刷出版需求的鉛-錫-銻合金201913玻爾發表了他的原子結構模型50項項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”211822柯西向法蘭西科學院提出他的應力與應變理論221939哈恩和斯特拉斯曼發現用中子轟擊可分裂鈾原子核231934歐羅萬、保利尼和泰勒三篇獨立的論文提出韌性材料的塑性形變可以依據位錯理論解釋24BC200中國金屬業勞動者開發了鐵鑄造工藝中國金屬業勞動者開發了鐵鑄造工藝251886霍爾和希魯特同時獨立

46、發現氧化鋁可電解還原為鋁261965劍橋儀器公司開發出商業掃描電子顯微鏡271904古利特發展出第一個不銹鋼合金成分281933諾爾和盧斯卡建造出首臺透射電子顯微鏡29 BC1500 近東地區金屬業勞動者開發出熔模鑄造造型工藝301556阿格里科拉發表了論冶金50項項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”31BC100估計是現在敘利亞、黎巴嫩、約旦和以色列地區的某地，腓尼基估計是現在敘利亞、黎巴嫩、約旦和以色列地區的某地，腓尼基人發明人發明玻璃吹制技術玻璃吹制技術321807戴維從鹽的戴維從鹽的電解電解過程過程分離分離出鉀、鈣、鍶、鋇和鎂出鉀、鈣、鍶、鋇和鎂金屬金屬元素元素331709達拜發現達

47、拜發現熔煉鐵熔煉鐵鼓風熔爐中，使用鼓風熔爐中，使用焦炭焦炭可以有效可以有效替代木炭替代木炭341920施陶丁格發表關于聚合物是由短鏈分子共價鍵結合而構成的長鏈施陶丁格發表關于聚合物是由短鏈分子共價鍵結合而構成的長鏈351939奧爾、索斯沃恩、斯卡夫和塞若發現硅存在奧爾、索斯沃恩、斯卡夫和塞若發現硅存在P型和型和N型結構型結構361991飯島澄男發現碳原子呈管狀結構排列的飯島澄男發現碳原子呈管狀結構排列的納米管納米管371867諾貝爾申請炸藥的發明專利諾貝爾申請炸藥的發明專利381958基比將電阻器、二極管和晶體管集成為一個鍺的基比將電阻器、二極管和晶體管集成為一個鍺的單片集成電路單片集成電路(

48、即即微芯片微芯片)39BC8000最早的冶金學始于新石器時代，人類開發了最早的冶金學始于新石器時代，人類開發了裝飾性錘延銅材裝飾性錘延銅材401827尤勒尤勒分離出元素鋁分離出元素鋁50項項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”411911歐乃斯在研究極低溫下純金屬時發現超導性4242BC1500BC1500中國制陶藝人使用高嶺土制備出首批精細陶瓷中國制陶藝人使用高嶺土制備出首批精細陶瓷431909貝克蘭合成了熱硬化的塑料酚醛樹脂441926邁瑞卡申請在鎳-鉻合金中添加入少量鋁制備出首個“超合金”(高溫合金)的專利451863肖比采用光學顯微鏡揭示了鋼的微觀結構461935卡羅瑟斯和其他研究人員

49、申請聚合物尼龍的專利471805布魯納特利發明電鍍技術481959費曼在美國物理學會的一次會議上作“底部有廣闊的空間”的報告491890馬登斯在研究一組硬合金鋼的微觀結構時發現，不同于很少呈現共格條紋的其它低檔鋼，這種鋼具有多種條紋，特別是在不同取向微晶粒的帶狀區域501920格里菲斯發表“固體的斷裂和流變現象”，引出采用能量平衡原理解釋斷裂問題50項項“最偉大的材料事件最偉大的材料事件”2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 2020世紀前世紀前2020年的人類發明年的人類發明齊柏林齊柏林硬式飛艇硬式飛艇、揚聲器、揚聲器、空調空調、自動售貨機自動售貨機、圣誕樹彩燈

50、、圣誕樹彩燈、雙刃雙刃安全剃刀安全剃刀、飛機飛機、人造樹膠、霓虹燈、汽車電點火裝置、人造樹膠、霓虹燈、汽車電點火裝置、紙杯紙杯、不銹鋼不銹鋼、坦克坦克、 爆米花烤箱爆米花烤箱 2020世紀世紀2020年代的人類發明年代的人類發明機器人機器人、雪上汽車、自動手表、雪上汽車、自動手表、電動剃須刀電動剃須刀、1616毫米家庭型毫米家庭型電影攝影機、克里內克絲面巾紙、電影攝影機、克里內克絲面巾紙、電視機電視機、汽車無線電、紅、汽車無線電、紅綠燈綠燈2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 2020世紀世紀3030年代的人類發明年代的人類發明易拉罐易拉罐、寶麗來太陽鏡、自動洗衣

51、店、道路斑馬線、寶麗來太陽鏡、自動洗衣店、道路斑馬線、罐裝啤酒罐裝啤酒、原子筆原子筆、施樂復印機、家用電冰箱、施樂復印機、家用電冰箱、電腦電腦、立體聲、立體聲錄音機錄音機 2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 2020世紀世紀4040年代的人類發明年代的人類發明尼龍絲襪、尼龍絲襪、彩色電視彩色電視、塔伯家用塑料制品、原子彈、微波爐、塔伯家用塑料制品、原子彈、微波爐、吉普車、寶麗來照相機、慢轉密紋唱片、可多次使用的吉普車、寶麗來照相機、慢轉密紋唱片、可多次使用的尿布尿布、第一臺由軟件驅動的第一臺由軟件驅動的電腦電腦 2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相

52、關與材料密切相關 2020世紀世紀5050年代的人類發明年代的人類發明信用卡、信用卡、有線電視有線電視、動力方向盤、袖珍晶體管收音機、動力方向盤、袖珍晶體管收音機、錄像錄像機機、不粘鍋不粘鍋、壘高兒童拼裝玩具、氫彈、水翼船、調制解調、壘高兒童拼裝玩具、氫彈、水翼船、調制解調器、健身呼啦圈器、健身呼啦圈 2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 2020世紀世紀6060年代的人類發明年代的人類發明軟接觸鏡頭、軟接觸鏡頭、纖維筆尖鋼筆纖維筆尖鋼筆、體重計、用做隆胸的硅膠填充、體重計、用做隆胸的硅膠填充物、按鈕電話、電腦鼠標、石英手表、物、按鈕電話、電腦鼠標、石英手表、“傻

53、瓜傻瓜”照相機、渦照相機、渦流浴室、影碟、盒式錄音磁帶、流浴室、影碟、盒式錄音磁帶、手提電腦手提電腦、掃描儀、丙烯酸、掃描儀、丙烯酸樹脂涂料樹脂涂料 2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 2020世紀世紀7070年代的人類發明年代的人類發明電腦軟盤、袖珍計算器、可隨意粘貼便條、電腦軟盤、袖珍計算器、可隨意粘貼便條、BetaBeta制大尺寸磁制大尺寸磁帶錄像系統、自動調焦照相機、蘋果帶錄像系統、自動調焦照相機、蘋果第二代電腦第二代電腦、 手機手機、索、索尼尼隨身聽隨身聽2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 2020世紀世紀8080年代的

54、人類發明年代的人類發明光盤、一次性照相機、高清晰度電視、光盤、一次性照相機、高清晰度電視、人工合成皮膚人工合成皮膚、CD CD ROMROM、多普勒雷達多普勒雷達，高溫超導體高溫超導體、數字蜂窩電話、數字蜂窩電話 2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 2020世紀世紀9090年代的人類發明年代的人類發明“哈勃哈勃”太空望遠鏡太空望遠鏡、DVDDVD、氫氣燃料電池氫氣燃料電池、“奔騰奔騰”處理器處理器2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 2121世紀的人類發明世紀的人類發明蘋果蘋果iPodiPod音樂隨身聽音樂隨身聽、人造肝臟人造肝臟、

55、免清潔窗戶免清潔窗戶、SegwaySegway新型新型交通工具、適于在北極嚴寒氣候條件下騎行的交通工具、適于在北極嚴寒氣候條件下騎行的冰上自行車冰上自行車、防身夾克防身夾克 2020世紀科技發明史世紀科技發明史-與材料密切相關與材料密切相關 20世紀的重大發明世紀的重大發明塑料塑料高分子的概念始于高分子的概念始于20世紀世紀20年代，但應用更早年代，但應用更早19世紀以前，人們利用瀝青、松香、琥珀、蟲膠等天然樹脂世紀以前，人們利用瀝青、松香、琥珀、蟲膠等天然樹脂我國最早的梳蓖取材于竹木、蹄腳之類天然塑料我國最早的梳蓖取材于竹木、蹄腳之類天然塑料清代，常州梳篦在美國費城、德國萊比錫以及巴拿馬等國

56、際博覽會上榮獲金獎清代，常州梳篦在美國費城、德國萊比錫以及巴拿馬等國際博覽會上榮獲金獎1760，美國的羅伊斯用蹄腳制造裝飾梳，美國的羅伊斯用蹄腳制造裝飾梳當時萊明斯特成為著名的當時萊明斯特成為著名的“梳城梳城”，集中了一批制梳工廠，導致許多，集中了一批制梳工廠，導致許多塑料制造器械塑料制造器械的發展，經過不斷改進迄今仍在使用的發展，經過不斷改進迄今仍在使用1839美國人美國人Goodyear發明硫化橡膠發明硫化橡膠1855英國人英國人Parks用硝化纖維素與樟腦混合制得賽璐珞用硝化纖維素與樟腦混合制得賽璐珞1869海厄特在尋求制臺球的象牙代用品時，把硝化纖維、樟腦、乙醇海厄特在尋求制臺球的象牙代用品時，把硝化纖維、樟腦、乙醇的混合物在高壓下加熱、在常壓下硬化，研制出第一個合成塑料，的混合物在高壓下加熱、在常壓下硬化，研制出第一個合成塑料，是是一種堅韌材料，具有很大的拉伸強度，耐水，一種堅韌材料，具有很大的拉伸強度，耐水，耐油、耐酸，可耐油、耐酸，可低成本地生產各種顏色的產品，低成本地生產各種顏色的產品，為現代塑料工業發展開拓了道路為現代塑料工業發展開拓了道路1889法國人法國人DeChardonnet發明人造絲發明人造絲1907酚醛樹脂誕生酚醛樹脂誕生19101910，美籍比