1、現代新型材料與納米材料分類和特點 2拓寬學習納米材料和新材料的知識面達到提高文化素質教育的目的迎接知識經濟和國際競爭的挑戰揭示材料成分-組織(結構)-性能之間的關系為工程結構,機器零件和產品使用提供正確選擇材料和合理用材的基本原則和方法課程的研究對象和主要任務3劉穎 教授/博士生導師1965年生，99年博士生畢業并獲博士學位二級教授/材料學院副院長主要研究領域：金屬功能材料和納米材料主持國家863計劃和國家攻關計劃等課題三十余項主要榮譽和獎勵：寶鋼優秀教師/國務院政府特殊津貼專家/四川省學術帶頭人/教育部新世紀優秀人才四川杰出青年科技基金獲得者/四川省青年科技獎四川省有突出貢獻博士學位獲得者國

2、家科技進步二等獎（2006年）四川省科技進步獎一等獎（2004年）和二等獎（2000年）四川省教學成果獎二等獎和三等獎（2004年度）4唐正華1979-1983 成都科技大學本科學習1983-1985 重慶儀表材料所工作1985-1988 成都科技大學碩士學習1988-2002 四川大學講師，副教授2002-2006 南非 university of pretoria 博士科研經歷：一直從事鋼的質量與加工方面的研究，曾經擔任兩屆中國金屬學會夾雜物委員會理事兼秘書5第一講 材料發展歷史 6什么是材料？其重要作用是什么？材料是人們用來制成各種物品、器件和構件等具有某種特性的物質實體。材料是人類社會

3、生活的物質基礎，材料的發展引起時代的變遷，推動人類文明的發展和社會的進步。在知識經濟時代，材料、能源和信息并列為現代科學技術的三大支柱，其作用和意義尤為突出。7材料與人類社會的關系如何？ 人類社會和材料的關系非常廣泛、非常密切，非常重要，在這點上很少有其他領域能與之相比。人類文明的發展史是一部利用材料、制造材料和創造材料的歷史。材料是生產力的標志，是人類社會進步的里程碑。對材料認識和利用的能力決定社會形態和生活質量人類從未中斷過追求更好的材料，或使材料具有更優異的性質或新的功能。8一部人類文明史，從某種意義上說，也是世界材料的發展史。陶瓷、青銅和鐵等材料的興起和廣泛應用對社會進步起到關鍵性推動

4、作用，這些材料成為劃分一個時代的重要標志，如石器時代、青銅時代、鐵器時代等。9每種新材料的發現和應用，都會給人類社會帶來巨大改變，滿足人類社會發展中層出不窮的新需要，推動人類社會向前發展。沒有半導體單晶硅，不可能有當今發達的微電子工業；沒有低損耗光纖，不可能有當今蓬勃發展的網絡社會；沒有高分子復合材料，不可能有當今競爭的太空開發；單晶硅棒單晶硅片單晶芯片電子元件1011天然材料 陶-瓷 青銅 鐵 鋼 有色金屬 高分子材料 新型材料 材料發展的歷史演進12（1）天然材料大約25000年前，人類就學會使用材料。自然界中大量存在，人類從自然中可直接獲取，經過簡單的加工就可為人類所用。主要是骨、牙、皮

5、、毛、竹、木、石等天然材料，并進行粗糙加工，除此之外別無他物。竹筷骨針石制品皮毛制品13典型的天然材料石器區別、選用各種石頭，創造出刀、斧、針各種器具，用于生產、生活和戰爭。從挖掘的人類當年所使用的各種用途的鋒利石片，可以想象人類遠祖的艱苦。石刀石斧石針14舊石器時代的生產工具極其落后，人類社會的生產力也極端低下，社會發展極其緩慢，人類文明也是相當簡單和粗俗的。 舊石器工具簡單的人類文明15據考古學家分析，距今約一萬年前陶器開始出現，人們用粘土或以粘土、長石、石英為主的混合物，經成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200），得到堅硬的陶器。陶是人類制造的第一種“人造材料”，由于高溫燒制產生化學變化

6、，得到和粘土不一樣的新物質。 新石器時代晚期(公元前3000一前2800年) 黑陶陶體的黑色是因為碳的滲入（2）陶器（無機非金屬材料）16我國陶器大約出現在8000年前，具有悠久的歷史。半坡村出土的碗、缽、釜、罐、瓶等，甚至還有能吹氣發聲的陶塤。 半坡變體鳥紋盆 半坡小口尖底瓶 半坡陶盆 陶塤17從著名的仰韶和龍山文化遺址出土的陶器中，人們發現當時祖先已經掌握了燒制黑色陶器和白色陶器的配方和技術。 仰韶白陶瓶龍山黑陶瓶18聞名于世的秦始皇兵馬俑是典型的陶制品；著名的唐三彩創始于唐高宗時期，用白粘土作胎，以Cu、Fe、Co等礦物作釉的著色劑，兩次燒制后成為絢麗多彩的陶器精品；江蘇宜興紫砂壺 (紫

7、砂泥由粘土、云母、赤鐵礦等組成，其中Fe2O3含量約7-10，TiO21) 制造技術精湛，色澤淳樸，造型獨特，別具一格。兵馬俑唐三彩馬 方韻紫砂壺19商 陶酒尊唐 三彩俑陶的出現，人類可長時間儲存食物，可吃煮熟的谷物，喝煮開的水，促進人類進化。陶器也是最初的耐火材料，為以后的銅、鐵冶煉提供物質條件。 豬紋陶盆陶器的現實意義20陶器是人類第一次有意識地制造出自然界沒有的，并且具有全新性能的“新”材料，標志著人類能離開上天的賜予，開始進入自力創造材料的時代。恩格斯論述：人類從低級階段向文明階段的發展就是從學會制陶開始的。陶器的出現成為新石器時代開始的標志之一。 陶器的理論意義磨制石器養畜業21陶器

8、不致密、易滲漏、強度也不高。 3000多年前的殷、周時期，發明了釉瓷。爐窯溫度達到1200，能將金屬氧化物燒制成釉瓷，標志著人類改造自然的能力增強。 瓷的質地比陶更細膩，外觀更美觀，用途更廣泛， 陶向瓷的過渡 商朝釉瓷22什么是瓷器？瓷土與陶土相比，CaO、MgO等助熔劑明顯減少，SiO2含量降至70以下，Al2O3含量顯著增加。 釉料是用礦物(長石、方解石、石英等)和顏料按一定比例配制而成，高溫下釉料熔融并均勻覆蓋在瓷器表面，冷卻后質地堅硬、光滑、不粘污，并可調配成各種顏色。縱有家財萬貫不如鈞瓷一片汝瓷蓮花碗定瓷刻花碗官瓷弦文瓶23瓷器中的材料知識宋五大名窯（官、哥、汝、定、鈞窯）之一：哥窯

9、瓷器 開片即是瓷器釉面出現裂紋的現象金絲鐵線。開片原因：胎、釉材料的膨脹系數不同，在冷卻過程中收縮率也有差異，形成開片。掌握開片規律，宋代開始將開片作為裝飾。 青花瓷青花瓷器以鈷的化合物為發色劑，繪制在燒制胎體上，掛釉后再經過一次燒制而完成。哥瓷八方碗哥瓷瓶元青花瓷瓶24江西景德鎮的薄胎瓷器被贊為潔如玉、明如鏡、薄如紙、聲如磐。瓷器作為中華文明象征，大量流傳：9世紀傳至阿拉伯國家，13世紀傳到日本，15世紀傳到歐洲，以其福美絕倫征服了西方。輝煌的瓷器之國景德鎮四大名瓷粉彩、青花、玲瓏、顏色釉清乾隆青花穿花龍紋梅瓶薄瓷碗2526（3）青 銅 我國青銅的冶煉已可追溯到公元前3600年。 晚于埃及和

10、西亞民族（伊朗、伊拉克）。 發展快、水平高。 到殷、西周時期已經發展到較高水平。青銅即銅錫合金，其冶煉溫度較低，制作器具的成型性好，是人類最早大規模利用的金屬材料。蘇美爾文明中的青銅塑像，出現年代-公元前4000年27青銅錢幣刀幣、布幣、環錢、銅貝等青銅的出現表明人類能夠從礦石中提取金屬并冶煉合金，再用它去制造工具，用于改造自然。生產力發展到一個新階段的標志，也是科學技術進步的一個重要標志。 28銅爵高厘米、口徑17-18厘米，距今3600年河南堰師二里頭文化 青銅錛越絕書載：禹穴之時，以銅為兵，以鑿伊闕，通龍門，東注入海牛首獸面紋鼎西周，器形端莊，文飾在商代基礎上進一步發展，是今已知我國最大

11、青銅器之一， 29 四羊紋銅尊 商 青銅器的最大歷史貢獻在于社會秩序的建立，人類文明第一次將人與工具二者的意義聯系起來。西周中晚期有嚴格的列鼎制度，用形狀花紋相同而大小依次遞減的奇數組鼎來代表貴族身份。春秋公羊傳記載：天子用九鼎，諸侯用七鼎，卿大夫用五鼎，士用三鼎或一鼎。 青銅禮器鼎 周 青銅武器越王勾踐劍青銅戈青銅頭盔 青銅的一個重要用途就是鑄造武器，如鉞、戈、矛、戟、刀、劍、弩、鏃、盔等。青銅武器相對于石制和木制武器來說，其威力如同槍炮對刀戟；當軍隊和戰爭成為一個國家的暴力機器和手段的時候，青銅以它的強度和硬度頻頻向統治貴族領取赫赫戰功。 31 青銅工具青銅斧青銅犁春秋初期，出現大量青銅工

12、具（斧、鋸、鑿、錐等）和青銅農具（鋤、鏟等），極大促進農業技術的提高，相關的冶鑄技術獲得飛速發展。時代石器銅器鐵器新石器時代晚期33夏商西周2752春秋153戰國440青銅時代農具統計（372件）32 銅三足鳥 西周 銅奔馬(馬踏飛燕) 漢 秦始皇陵銅車馬 秦 爵 商 其它青銅制品33西漢長信宮燈的特點將表面處理、鑄造、結構學、環境保護巧妙地結合在一起；創“技術精華”于一身，集“優美實用”于一體；青銅表面處理工藝鎏金-以水銀溶解金箔，然后涂附在銅器表面，蒸干水銀后使一層薄金緊密地附著在器物表面；防止銅器發生氧化的表面處理工藝。34長信宮燈的特點刻畫出宮女盡職盡責的逼真形象；燈座鑄成跪姿的宮女狀

13、，跪坐的姿態端莊典雅；宮女左臂緊身，左手緊握托座，右臂高抬過頂，穩扶燈罩油燈設計別致，托座上裝有燈碗，燈碗上鑄有油池、燈芯座、手柄、轉動槽和轉門等；撥動手柄，可使燈碗以托座為軸，繞右袖圓口作近360度轉動，使光照方向轉動；拉動轉門還能改變遮光角度；35巧妙的消煙滅塵裝置。宮燈是空心的，壁厚均勻，而且較薄；宮女的右袖連通空心，形成一條煙道，油煙及未完全燃燒的殘碳由袖部進入腔體內，碰到腔壁冷卻后附著在腔體內側；宮女的頭部是可拆卸的，可定期清除積垢。36有影響的青銅文物：河南安陽晚商遺址出土的司母戊大方鼎，商王祖庚祭母所用；外形尺寸：高133cm，寬78cm，長110cm；重量：857kg，是迄今為

14、止世界上最古老的大型青銅器。分別鑄成鼎身、鼎耳、鼎足等部，然后合鑄成一個整體。A. 司母戊鼎37B.湖北隋縣出土的戰國青銅編鐘 編鐘鑄造水平相當高； 全部用青銅鑄造； 共有65個，總重量2500kg； 最大編鐘重203kg； 最小編鐘重僅； 音侓準確、音色優美；曾侯乙編鐘38C. 四川廣漢三星堆遺址介紹 遺址位于廣漢市南興鎮北南距成都40公里遺址面積達12平方公里范圍最廣、延續時間最長、文化內涵最為豐富的古蜀文化遺址三星堆博物館391929年春天，當地農民燕道誠勞動時發現一坑精美的玉石器；1933年，華西大學美籍教授葛維漢，林名均教授組成考古發掘隊，首次對三星堆進行發掘，由此拉開對三星堆的發掘

15、研究歷程；1988年大規模發掘，主要由四川大學師生參與；三星堆遺址名揚四海1986年7-9月發現兩個商代大型祭祀坑，上千件國寶重器轟然顯世，震驚世界；被定性為“古文化、古國遺址”。40三星堆遺址世界第9大奇跡，有很高的歷史價值和藝術價值；填補了中國考古學、青銅文化、青銅藝術史上的諸多空白；展示了三四千年前古蜀豐富的物質文化，揭示了“開國何茫然”的古蜀國的文化面貌，把巴蜀歷史向前推了一千多年；雄辯的證明：商周時期的古蜀國已有高度發達的青銅文化，顯示了中華民族起源的多元性；41三星堆青銅文物文物出土轟動整個世界，品種多，鑄造水平高； 有的文物只有4mm厚，在當時需要有相當高的冶鑄技術； 青銅冶鑄技

16、術和文化藝術相當發達，否定了古蜀國文化比中原文化發展緩慢的論斷；42四川廣漢三星堆青銅文物 商代晚期鑄造金面平頂人頭像 人頭像頭上冠形物似遙感天線，是否用來接收宇宙的神秘信號？青銅獸面43迄今為止發現的世界上最大的青銅面具是1986年從三星堆2號祭祀坑內出土的，高約80厘米、寬138厘米、重約100公斤。 44（4）鐵器鐵是地球上儲量居于第三的元素，來源于大型恒星的聚變。中國同埃及、美索不達米亞等古國一樣，對鐵的認識都是從隕鐵開始的。隕鐵世界最早的鐵器赫梯鐵器45青銅器到鐵器并不是偶然的青銅的精煉帶動鐵的冶煉；赤鐵礦(Fe2O3)與赤銅礦(CuO)極為相似，青銅冶煉所需的高溫和還原氣氛，為一氧

17、化碳與鐵礦石接觸還原金屬鐵創造極為有利的條件；青銅熔煉時，為造渣往往加入氧化鐵作為熔劑，為鐵礦石還原積累經驗；46鐵戈鐵農具鐵器的崛起宣告青銅退出歷史舞臺：鐵制農具的強度和硬度比銅高，更加耐用；來源廣泛，價格便宜，迅速占領生產資料市場，對農業生產有更大的促進作用。鐵制盔甲比銅制盔甲輕，增加戰士的靈活性；鐵制兵器比銅制兵器輕巧、鋒利和耐用，鐵制裝備大大提高軍隊的戰斗力，迅速占領軍備材料市場。47中國在春秋戰國時期發明了生鐵冶鐵技術，用鐵水澆鑄農具、工具，大量使用。中國最早關于使用鐵制工具的文字記載是左傳中的晉國鑄鐵鼎。晉國鐵鼎左傳昭公二十九年，晉趙秧、荀寅率師城汝濱，以鑄刑鼎，著范宣子所為刑書焉

18、。秦始皇收天下之兵聚之咸陽，銷鋒鑄以為金人十二。48中國古代的大型鑄鐵件：河北滄州鐵獅五代后周廣順三年（公元953年）鑄造。總高米，頭高米。身長米，寬3米，總重量達40噸 。49湖北當陽鐵塔北宋嘉祐六年(公元1061年)鑄造。鐵塔高七丈，重106600斤，由基座、塔身及塔頂組成。塔身13層，每層均有平座、塔身和腰檐；腰檐上鑄有瓦壟、屋檐；檐角上鑄有凌空的龍首。鐵塔的基座和塔身上鑄有許多神態各異的佛像及紋飾，基座八角各立一金剛武士。50山西晉祠鐵人北宋紹圣四年（公元1097年）鑄造鑄造屬于分節、疊鑄而成高2米以上河南南陽漢代冶鐵遺址出土的鐵斧 直徑2米左右隋朝鑄造的大鐵佛像，高70尺河南登封大鐵

19、人鐵人鑄于公元1064年每尊鐵人高達十一尺余51鐵器的廣泛使用使人類的工具制造進入了一個全新的領域，生產力得到極大提高。戰國初期，中農食五人；戰國晚期，中農食七人；糧食畝產：戰國-85斤，西漢-120斤；人口：夏朝-1355萬，西漢-5959萬；糧食年產：以人均口糧500斤計算，西漢糧食年產量達到300億斤；強漢盛唐堅實的農業基礎，很大程度依靠鐵制農具和鐵制工具的推廣使用。鐵器使一些民族從原始社會發展到奴隸社會，也推動一些民族脫離奴隸制的枷鎖而進入封建社會。 鐵器應用的意義52含碳量在P-E之間的鐵碳合金為鋼。 距今1800年前出現兩步煉鋼技術，即先煉成鐵，再煉成鋼。直到19世紀前半期，人類始

20、終生活在“鐵器時代”。 Fe-C合金相圖（5）鋼53我國古代最早煉鋼法可追溯到春秋戰國時期，以海綿狀煉鐵為原料經加熱滲碳，碳由表及里滲入，然后反復進行鍛打，形成滲碳鋼。這種方法不要特殊設備，也不要復雜技術，易于實現，成為中國最早的煉鋼方法。河北易縣燕下都出土一些滲碳鋼器物，如劍、戟、矛等，經檢驗均為含碳量不同的鋼制成。燕下都遺址，今保定市易縣城東南 54兩漢是中國古代煉鋼技術的大發展時期，如生鐵脫碳鋼、炒鋼、百煉鋼等都是在這個時期發展的。“何意百煉剛，化為繞指柔”(晉劉琨詩，慷慨激昂的韻調中透出無限凄涼的意緒，將英雄失落的百端感慨表達得感人至深)漢軍主戰兵器-環首長刀（百煉鋼打制）55現代煉鋼

21、起始于1856年英國人發明的酸性底吹轉爐煉鋼法，該法首次解決大規模生產液態鋼的問題，奠定近代煉鋼工藝方法的基礎。由于空氣與鐵水直接作用，Bessemer法具有很快的冶煉速度，成為當時主要的煉鋼方法。 HBessemerBessemer在謝菲爾德開辦的煉鋼廠 561879年12月29日，一列火車經過蘇格蘭泰河大鐵橋時，大橋坍塌，78人喪生。橋斷的主要原因是鑄造缺陷和材質問題等。血的教訓使人們正視到當時已能大規模生產的鋼是更適合的工程材料，于是，鋼軌、鋼橋、鋼船、鋼槍、鋼炮等逐步取代了鑄鐵。泰河大橋571910年發明的工具鋼W18Cr4V有很高的硬度溫度達到600也不下降，大大提高刀具耐用度，使機

22、床切削速度成倍增長，被譽為“高速鋼”，對機械工業的發展起了極其重要的推動作用。不銹鋼的發明是鋼鐵發展史上又一項重大成就，從20世紀20年代開始工業規模生產，為化學工業的發展做出重大貢獻。高速鋼刀具不銹鋼容器58艾菲爾鐵塔著名的鋼結構建筑舊金山金門大橋國家體育場悉尼歌劇院59（6）有色金屬人們除發展鋼鐵材料外，進一步發展金、銀、銅、鈦、鋁、鎂、鉬等有色金屬及合金材料。有色金屬資源的開發和利用，不只是對鋼鐵材料的補充，更重要的是可開發鋼鐵材料不具備的各種特殊性能。在特定領域中，還必須采用有色金屬才能最大限度滿足現代科技對材科性能提出的要求。 60Al合金強度達到700MPa(合金化和時效強化)，比

23、強度(強度/密度)為106cm，是鋼106cm)的4倍多(達到同樣強度Al合金用量只需鋼的1/4 ) ，這對結構材料來說無疑是一個飛躍。沒有高比強度Al合金，就沒有現代航天航空成就。 鋁合金61鋁合金車體鋁合金材料鋁合金航空材料鋁合金輪轂62有色金屬重要用途。噴氣發動機、火箭、煤炭、石油化工等現代化工業技術所需超耐熱合金(高溫Ni基合金)；電力、電工、電子工業所需要的導體材料、電阻和儀表材料(Cu基合金) ；原子能核技術所需要的核材料U、Pu、Be、Hf、Zr等；大規模集成電路和計算機所需要的Au、Ag等良導體和Ga、In、Ge等半導體；高性能永磁材料所需的Nd、Pr、Dy等稀土金屬，這些都需

24、要有色金屬材料，其特殊的物理是鋼鐵無法替代的。 63銅襯電路板稀土NdFeB永磁合金鋯殼核燃料管鎂合金發動機部件64(7) 高分子材料人類文明出現以來，高分子材料就一直陪伴人們。天然高分子(絲、皮、毛等)從遠古就被人發現利用。不斷改進加工技術，將棉、麻、絲、皮、毛等用于建筑、工具、紡織、造紙、制衣制革等；把植物體內的“樹脂”(樹流出的油脂)用于涂料、粘合劑、藥物和溶劑等。 天然橡膠絲綢65質量輕、自重小宇宙飛船、戰略導彈除要求有強大的推力系統外，質輕、耐燒蝕、高強度的殼體材料也十分重要。高分子材料的密度在3之間，對要求減輕自重的飛機、導彈、人造衛星、宇宙飛船有特殊意義。由高分子粘合劑與聚丙烯晴

25、制成的高強度、高模量碳纖維復合材料成為這些飛行器理想的殼體。波音787是世界上首款主體結構采用碳纖維復合材料制造的大型客機 奔馳SLR跑車車身由碳纖維復合材料制成，車速可達334公里/小時 66良好的電絕緣性能常用塑料的體積電阻率高達1016-1020，低密度聚乙烯的介電強度高達1000V/mil，在電子和電工技術中合成高分子材料已大量取代天然橡膠制作絕緣材料。酚醛樹脂絕緣層壓材料67 低的熱導性能熱導系數比金屬小上百倍甚至近千倍，制成的泡沫材料是十分理想的隔熱體，在冷藏、建筑、節能裝置中廣泛用作保溫材料，良好的化學穩定性部分高分子材料可抵抗酸、堿、鹽溶液和蒸汽等腐蝕的功能，如聚四氟乙烯，可抵御王水的腐蝕。PTFE材料68高分子材料發展之迅速，對人類生活影響之深入和廣泛在當前各高新技術中發揮作用之重大，是一般傳