1、當代新型材料與納米材料 New Materials and Nanometer-Materials第一講 材料發(fā)展歷史 材料的發(fā)展史講義第1頁什么是材料？其主要意義是什么？例子：7080年代電話80年代后期程控電話（進入家庭）90年代光纖通信（個人移動電話普及）90年代電腦內(nèi)存28M后期到56M二十一世紀初256M現(xiàn)在12G磁記錄：錄像帶VCDDVD電視機：顯像管等離子液晶手機變化材料的發(fā)展史講義第2頁世界是由物質(zhì)構(gòu)成，材料就是人們用來制成各種機器、器件、結(jié)構(gòu)等具有某種特征物質(zhì)實體。材料是人類社會生活物質(zhì)基礎(chǔ)，材料發(fā)展導致時代變遷，推進人類物質(zhì)文明和社會進步。在人類即將進入知識經(jīng)濟新時代，材料

2、與能源和信息并列為現(xiàn)代科學技術(shù)三大支柱、其作用和意義尤為重要。材料的發(fā)展史講義第3頁材料與人類社會關(guān)系怎樣？ 在人類社會發(fā)展和進步過程中，材料是一個帶有時代和文明標志基礎(chǔ)。人類和材料關(guān)系非常廣泛、非常親密。也非常主要，在這點上極少能有其它領(lǐng)域與之相比。其實，人類文明發(fā)展史，就是一部學習利用材料、制造材料、創(chuàng)新材料歷史。材料的發(fā)展史講義第4頁材料是人類一切生產(chǎn)和生活活動物質(zhì)基礎(chǔ)，從來是生產(chǎn)力標志，被看成是人類社會進步里程碑。對材料認識和利用能力，決定著社會形態(tài)和人類生活質(zhì)量，所以人類從來沒有中止過追求更加好材料，讓材料含有更優(yōu)異性質(zhì)或者前所未有功效來滿足人類世世代代發(fā)展中層出不窮新需要和追求。材

3、料的發(fā)展史講義第5頁所以，一部人類文明史，從某種意義上說，也能夠稱之為世界材料發(fā)展史。每一個新材料發(fā)覺，每一項新材料技術(shù)應用，都會給社會生產(chǎn)和人類生活帶來巨大改變，把人類社會推向前進。 材料的發(fā)展史講義第6頁天然材料 陶瓷 青銅 鐵 鋼 有色金屬 高分子材料 新型材料 材料發(fā)展歷史演進材料的發(fā)展史講義第7頁在人類發(fā)展歷史長河中，材料起著舉足輕重作用，人類對材料應用一直是社會文明進程里程碑。古代石器、青銅器、鐵器等興起和廣泛利用，極大地改變了人們生活和生產(chǎn)方式，對社會進步起到了關(guān)鍵性推進作用，這些詳細材料(石器、青銅器、鐵器)被歷史學家作為劃分某一個時代主要標志。如石器時代、青銅器時代、鐵器時代

4、等。 材料的發(fā)展史講義第8頁(1) 天然材料包含竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。自然界當中大量存在，人類可以直接從自然當中獲取。經(jīng)過比較簡單加工就可認為人類所利用。竹筷骨針石制品皮毛制品材料的發(fā)展史講義第9頁經(jīng)典天然材料石器大約25,0前人類就學會使用材料。今天人們從考古學家挖掘人類當年所使用各種用途尖銳石片，能夠想象人類遠祖艱辛和聰明。他們能區(qū)分、選取各種石頭創(chuàng)造出各種用具，用于生產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭。 石刀石斧材料的發(fā)展史講義第10頁人類只能利用巖石、樹木、獸皮、骨骼等天然材料并進行粗糙加工，除此之外別無他物。所以，石器時代生產(chǎn)工具極其落后，人類社會生產(chǎn)力也是極端低下，所以社會發(fā)展極其遲緩，人

5、類文化也是相當簡單和粗鄙。 石器工具材料的發(fā)展史講義第11頁 (2) 陶器（無機非金屬材料）陶器是由粘土或以粘土、長石、石英等為主混合物，經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200）而成制品總稱。約50萬年前人類學會了用火。6-7千年以前原始社會末期，我們祖先開始用火燒制陶器。 新石器時代晚期(公元前3000一前2800) 黑陶豆陶體黑色是因為滲透了碳材料的發(fā)展史講義第12頁商 陶酒尊唐 三彩俑陶土可塑性強，能夠取得人們希望形狀器物。陶出現(xiàn)，使蒸煮食物更為方便，促進人類進化。陶俑出現(xiàn)，代替了以人殉葬橫蠻做法。 豬紋陶盆材料的發(fā)展史講義第13頁陶器在中國含有悠久歷史沉淀。半坡村出土碗、缽、釜、罐、

6、瓶等，甚至還有吹氣能發(fā)聲陶塤。 半坡變體鳥紋盆 半坡小口尖底瓶 半坡陶盆 陶塤材料的發(fā)展史講義第14頁 從著名仰韶和龍山文化遺址出土陶器中，人們發(fā)覺當初祖先們已經(jīng)掌握了燒制黑色陶器和白色陶器配方和技術(shù)。 仰韶白陶瓶龍山黑陶瓶材料的發(fā)展史講義第15頁小節(jié)：陶器能夠說是人類創(chuàng)造第一個無機非金屬材料。這個劃時代創(chuàng)造不但意味著使用材料改變，而且比這更深遠主要是人類第一次有意識地創(chuàng)造創(chuàng)造了自然界沒有，而且全新性能“新”材料。從此人類能離開上天賜予而進入自力創(chuàng)造材料時代。恩格斯曾敘述人類從低級階段向文明階段發(fā)展是從學會制陶開始。 材料的發(fā)展史講義第16頁3000多年前殷、周時期創(chuàng)造了釉陶。爐窯溫度到達12

7、00，能將金屬氧化物燒制成釉瓷用途更為廣泛，質(zhì)地比陶更為細膩、外觀美觀。 陶向瓷過渡 商朝 釉瓷材料的發(fā)展史講義第17頁什么是瓷器？在設計陶瓷配方時，依據(jù)使用要求，加入了較多熔劑原料，而且配方中所使用原料在焙燒過程中所產(chǎn)生氣體也較少，這么焙燒后產(chǎn)生空洞少，有足夠玻璃相物質(zhì)填充，制品形成氣孔較少，這種吸水率小于0.5%陶瓷稱瓷器。另外，瓷器普通表面有釉，也是屬于燒制產(chǎn)生玻璃質(zhì)物質(zhì)。 材料的發(fā)展史講義第18頁瓷器中材料知識宋五大名窯（官、哥、汝、定、柴窯）之一：哥窯瓷器 開片即是瓷器釉面出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。開片主要是兩種原因造成，一是成形時坯泥沿一定方向延伸，影響分子排列；二是胎、釉材料膨脹系數(shù)不一樣，

8、在冷卻過程中收縮率也有差異，形成開片。因而，開片是瓷器燒成過程中一個缺點。宋以前瓷器中常有開片現(xiàn)象，只是到了宋代才開始將開片作為裝飾。 青花瓷器 青花瓷器以鈷化合物為發(fā)色劑，繪制在燒制過胎體上，掛釉后再經(jīng)過一次燒制而最終完成。材料的發(fā)展史講義第19頁瓷器9世紀傳至非洲和阿拉伯國家。瓷器13世紀傳到日本。瓷器15世紀傳到歐洲。瓷器成了中國文化象征“CHINA”。瓷器對世界文明產(chǎn)生了很大影響。輝煌瓷器之國瓷器用途：禮儀用途（如古代祭奠等）、生活用途（食物容器等）等。 材料的發(fā)展史講義第20頁材料的發(fā)展史講義第21頁材料的發(fā)展史講義第22頁(3) 青 銅 我國青銅冶煉在公元前2140-17開始。 晚

9、于埃及和西亞民族（伊朗、伊拉克）。 發(fā)展快、水平高。 到殷、西周時期已經(jīng)發(fā)展到較高水平。 青銅即銅錫合金，其冶煉溫度較低，制作器具成型性好，是人類最早大規(guī)模利用金屬材料。Cu-Sn二元合金相圖材料的發(fā)展史講義第23頁 青銅工具青銅斧青銅犁 青銅逐步取代部分石器、木器、骨器和紅銅器，成為生產(chǎn)工具主要組成部分。青銅工具出現(xiàn)，在生產(chǎn)力發(fā)展上起了劃時代作用。青銅工具如斧、鋸、鑿、錐等，青銅農(nóng)含有鋤、鏟等已廣泛使用，青銅工具在生產(chǎn)中效用，使青銅冶鑄技術(shù)日益主要，因而取得飛速發(fā)展。 材料的發(fā)展史講義第24頁青銅錢幣刀幣、布幣、環(huán)錢、銅貝等材料的發(fā)展史講義第25頁 四羊紋銅尊 商 青銅器最大歷史貢獻并不在于

10、對生產(chǎn)力推進，而在于社會秩序建立。西周中晚期有著嚴格列鼎制度，即用形狀花紋相同而大小依次遞減奇數(shù)組鼎來代表貴族身份。春秋公羊傳記載，天子用9鼎，諸侯用7鼎，卿大夫用5鼎，士用3鼎或1鼎。 青銅禮器 鼎 周 材料的發(fā)展史講義第26頁 青銅武器越王勾踐劍青銅戈青銅頭盔 青銅一個主要用途就是用來鑄造武器，如鉞、戈、矛、戟、刀、劍、弩、鏃、盔等。青銅武器相對于石制和純銅武器來說，其威力如同槍炮對刀戟，當軍隊和戰(zhàn)爭成為一個國家暴力機器和伎倆時候，青銅以它4.7倍于純銅硬度頻頻向統(tǒng)治貴族領(lǐng)取赫赫戰(zhàn)功。 材料的發(fā)展史講義第27頁秦始皇陵銅車馬 秦 銅三足鳥 西周 銅奔馬(馬踏飛燕) 漢 爵 商 其它青銅制品

11、材料的發(fā)展史講義第28頁西漢長信宮燈特點將鑄造、表面處理、結(jié)構(gòu)學、環(huán)境保護巧妙地結(jié)合在一起；創(chuàng)“技術(shù)精華”于一身，集“優(yōu)美實用”于一體；青銅表面處理工藝-鎏金,即以熱水銀溶解金箔，然后涂附在銅器表面并蒸干水銀，使一層薄金緊密地附著在器物表面，是一個預防銅器發(fā)生氧化表面處理工藝。材料的發(fā)展史講義第29頁長信宮燈功效：燈座鑄成跪姿宮女狀；宮女跪坐姿態(tài)端莊典雅；宮女左臂緊身，左手緊握托座；宮女右臂高抬過頂，穩(wěn)扶燈罩；刻劃出宮女盡職盡責逼真形象；油燈設計別致，托座上裝有燈碗。材料的發(fā)展史講義第30頁燈碗上鑄有油池、燈芯座、轉(zhuǎn)動手柄及半圈弧形壁。油燈周圍有槽,可使轉(zhuǎn)門轉(zhuǎn)動。撥動平板，可使燈碗以托座 為軸

12、繞右袖圓口作近360度轉(zhuǎn)動，使光照方向轉(zhuǎn)動，拉動轉(zhuǎn)門又能改變遮光角度有巧妙消煙滅塵裝置。材料的發(fā)展史講義第31頁宮燈是空心,壁厚均勻且較薄； 宮女右袖是連通空心，形成一條煙道。油煙及未完全燃燒殘?zhí)加尚洳窟M入頭腔內(nèi),碰到腔壁冷卻減速以后就會附著在腔體內(nèi)側(cè)；宮女頭部是可拆卸，可定時去除積垢。材料的發(fā)展史講義第32頁 下面再舉幾個有影響青銅文物： 河南省安陽晚商遺址出土司母戊鼎，重量857kg,外形尺寸：長寬高（13378110cm），此鼎重量是迄今為止世界上最古老大型青銅器A. 司母戊鼎材料的發(fā)展史講義第33頁B.湖北隋縣出土戰(zhàn)國青銅編鐘 共有65個，總重量2500kg 最大編鐘重203kg 最小

13、編鐘重僅有2.4kg 編鐘全部用青銅鑄造 編鐘鑄造水平相當高 音侓準確、音色優(yōu)美曾侯乙編鐘材料的發(fā)展史講義第34頁C. 四川廣漢三星堆遺址介紹 遺址位于廣漢市南興鎮(zhèn)北南距成都40公里遺址面積達12平方公里是四川境內(nèi)當前所知一處范圍最廣延續(xù)時間最長文化內(nèi)涵最為豐富古蜀文化遺址三星堆博物館材料的發(fā)展史講義第35頁1929年春天，當?shù)剞r(nóng)民燕道誠掏水溝時發(fā)覺一坑精美玉石器1933年，前華西大學美籍教授葛維漢，林名均教授組成考古發(fā)掘隊首次對三星堆進行發(fā)掘由此拉開了對三星堆半個世紀發(fā)掘研究歷程1988年大規(guī)模發(fā)掘，主要由四川大學師生參加。材料的發(fā)展史講義第36頁三星堆青銅文物 闊眉大眼，眼球呈柱狀外突，中

14、間有一道箍 似可旋轉(zhuǎn)，極像當代望遠鏡巨大鷹鉤鼻，上翹至耳根大嘴一雙豬耳朵狀大耳朵，離奇怪異且巨大青銅像材料的發(fā)展史講義第37頁真正使三星堆遺址名揚四海是1986年7-9月兩個商代大型祭奠坑發(fā)覺遺址兩坑上千件國寶重器轟然顯世,震驚了世界被定性為“古文化、古國遺址”三星堆祭奠坑材料的發(fā)展史講義第38頁三星堆遺址被譽為世界第9大奇跡填補了中國考古學、青銅文化、青銅藝術(shù)史上很多空白向人們展示了早在三四千年蜀族物質(zhì)文化遺存揭示了“開國何茫然”古代蜀國文化面貌把巴蜀早期歷史向前推1000多年揭示了中華民族起源多元性材料的發(fā)展史講義第39頁三星堆否定了古蜀國文化比中原文化發(fā)展遲緩遺址文化距今有4800-28

15、蜀文化逐步溶入漢文化中，為秦建立統(tǒng)一國家作出了卓越貢獻材料的發(fā)展史講義第40頁三星堆青銅文物 鑄造水平高 有文物只有4 mm厚 要鑄造壁厚只有4 mm鑄件在當初需要相當高技術(shù) 文物出土轟動整個世界 青銅冶鑄技術(shù)和文化藝術(shù)相當發(fā)達材料的發(fā)展史講義第41頁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，是否用來接收宇宙神秘信號？青銅獸面材料的發(fā)展史講義第42頁青銅人立像 國寶級文物 世界上當前發(fā)覺最大 最完整青銅大立人像 號稱“銅像之王”材料的發(fā)展史講義第43頁青銅神樹造型巧奪天工將美發(fā)揮到極致杰作樹干高384 cm是當前世界上最早、樹株最高青銅神樹材料的發(fā)展史講義

16、第44頁青銅人面具 青銅龍夔柱形器，高41.1 cm,寬15.56 cm青銅鷹頭鈴材料的發(fā)展史講義第45頁（4）鐵器鐵是地球上儲量居于第三元素（前兩位為硅、鋁），起源于大型恒星聚變。鐵碳合金硬度大于各種銅合金，鐵冶煉溫度比銅更高。青銅器到鐵器是生產(chǎn)工具重大發(fā)展。春秋戰(zhàn)國時期創(chuàng)造了生鐵冶煉技術(shù)，用鐵水澆鑄成農(nóng)具、工具，開始大量使用鐵器。中國冶鐵歷史比歐洲早19。材料的發(fā)展史講義第46頁鐵戈鐵農(nóng)具 鐵價格廉價，鐵制農(nóng)具大面積推廣應用；鐵耐磨性能高于青銅，鐵制農(nóng)具愈加耐用，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有更大促進作用，鐵制農(nóng)具快速占領(lǐng)了生產(chǎn)材料市場。鐵密度比銅小，強度和硬度比銅高，鐵制盔甲比銅制盔甲輕多，增加了戰(zhàn)士靈活

17、性；鐵制兵器也比銅制兵器尖銳、耐用。所以，鐵制武器裝備大大提升了軍隊戰(zhàn)斗力，快速占領(lǐng)了軍備材料市場。材料的發(fā)展史講義第47頁晉國鐵鼎中國最早關(guān)于使用鐵制工具文字記載，是左傳中晉國鑄鐵鼎。在春秋時期，中國已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、手工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用鐵器。我國從公元前7世紀開始大量使用鐵器。材料的發(fā)展史講義第48頁中國古代大型鑄鐵件：河北滄州鐵獅五代后周廣順三年（公元953年）鑄造。總高5.4米，身高3.9米，頭高1.5米。身長6.8米，寬3米，總重量40噸 。材料的發(fā)展史講義第49頁湖北當陽鐵塔宋朝嘉祐六年（公元1061年）鑄造。鐵塔在殿前十三級，高七丈，重53,300kg，由基座、塔身及塔頂組成。 塔身1

18、3層, 除第一層外，每層都有平座、塔身和腰檐。腰檐上鑄有瓦壟、屋檐、檐角上鑄有凌空龍首。鐵塔基座和塔身上鑄有許多神態(tài)各異佛像及紋飾，基座八角各立一金剛武士。材料的發(fā)展史講義第50頁山西晉祠鐵人北宋紹圣四年（公元1097年）鑄造鑄造屬于分節(jié)、疊鑄而成高2米以上河南南陽瓦房莊漢代冶鐵遺址出土鐵斧 直徑2米左右隋朝鑄造大鐵佛像，高70尺河南登封大鐵人鐵人鑄于公元1064年每尊鐵人高達十一尺余材料的發(fā)展史講義第51頁（5）鋼含碳量在0.0218%-2.11%之間鐵碳合金稱為鋼。冶煉溫度更高，強度較高，用途更廣。 距今18前出現(xiàn)了兩步煉鋼技術(shù)，即先煉成鐵，再煉成鋼，并一直沿用至今。但其工藝復雜，未能大面

19、積推廣。一直到19世紀前半期，人類一直生活在“鐵器時代”。 材料的發(fā)展史講義第52頁Fe-C合金相圖純鐵鋼鑄鐵貝西默設計了空氣吹入法，在鐵水排出之前吹入空氣，讓其中氧氣與鐵水中碳進行反應，降低碳含量，到達鋼含碳量標準(小于2.11%)。材料的發(fā)展史講義第53頁艾菲爾鐵塔鋼應用舊金山金門大橋建筑設備材料的發(fā)展史講義第54頁（6）有色金屬近代以來，人們除了發(fā)展鋼鐵材料以外，還深入發(fā)展了金、銀、銅、鈦、鋁、鎂、鉬等有色金屬及其合金材料。全世界每年金屬材料總產(chǎn)量約達八億噸，其中黑色金屬約占95，有色金屬只占5。有色金屬資源開發(fā)和利用，不只是對鋼鐵材料補充，更主要是能夠發(fā)揮和開發(fā)鋼鐵材料不具備各種特殊性

20、能，在特定領(lǐng)域中，還必須采取有色金屬才能最大程度滿足當代科學技術(shù)對各種材科性能所提出要求。 材料的發(fā)展史講義第55頁鋁合金 20世紀上半葉，材料科學家利用合金化和時效強化，把Al合金強度提升到700MPa，鋁合金比強度為(強度/密度)2.64106cm是鋼比強度(0.61106cm)4倍有余。這意味著到達一樣強度, Al合金用量只有鋼1/4，這就為Al合金作為一個結(jié)構(gòu)材料帶來極大優(yōu)勢，對于結(jié)構(gòu)材料來說無疑是幾千年來一個飛躍。沒有高比強度Al合金做基礎(chǔ)，就沒有當代航天航空成就。 材料的發(fā)展史講義第56頁鋁合金車體鋁合金材料鋁合金航空材料鋁合金輪轂材料的發(fā)展史講義第57頁有色金屬在其它方面也有主要

21、用途。噴氣發(fā)動機、火箭、煤炭、石油化工等當代化工業(yè)技術(shù)所需要超耐熱合金；電力、電工、電子工業(yè)所需要導體材料、電阻和儀表材料；原子能發(fā)電和核技術(shù)所需要核燃料和稀有金屬Be、Nb、V等；大規(guī)模集成電路和計算機所需要Au、Ag、Cu、Al等良導體；高性能永磁材料所需要Nd、Pr、Dy等，以及能源、信息技術(shù)所需要半導體、超導體和貯能材料等。這些都是有色金屬材料，其性能是鋼鐵材料所無法替換。 材料的發(fā)展史講義第58頁銅襯電路板稀土NdFeB永磁合金鋯殼核燃料管鎂合金發(fā)動機部件材料的發(fā)展史講義第59頁(7) 高分子材料從人類文明出現(xiàn)以來，高分子材料就一直陪同著人們。天然高分子，如絲、皮、毛等從遠古開始就被

22、人們發(fā)覺并利用。在利用過程中，人們還不停改進加工技術(shù)，將木、棉、麻、絲、皮、毛等用于建筑、工具、用具、紡織、造紙、制衣制革、防寒制品把植物體內(nèi)“樹脂”(樹流出油脂)用于涂料、粘合劑、藥品和溶劑等。 天然橡膠絲綢材料的發(fā)展史講義第60頁 1839年英國人古特異(Goodyear)在天然橡膠中加入硫磺，首次合成硫化橡膠；硫化橡膠天然橡膠高分子改性材料的發(fā)展史講義第61頁 1832-1845年，人們用硝酸處理纖維索，得到硝化纖維； 1872年，革新硝化纖維工藝，取得celluloid“賽璐璐”材料； 1884年，賽璐璐用來制作攝影底片、電影膠片等； 1855年，法國人奧德馬爾制得硝化纖維人造絲；賽璐

23、璐人造絲材料的發(fā)展史講義第62頁1872年，德國拜爾(ABaycr)發(fā)覺苯酚和甲醛在酸性介質(zhì)中反應形成樹脂狀物質(zhì) 19，比利時人貝克蘭德(Bakeland)在拜爾等人研究基礎(chǔ)上制得酚醛樹脂 ；1927年，美國杜邦企業(yè)合成尼龍66；酚醛樹脂尼龍66高分子合成材料的發(fā)展史講義第63頁聚乙烯1933年，英國Robsin 制得聚乙烯；1941年，英國制備出滌綸纖維，在中國俗稱就是大家熟悉“確實良”；1950年起，齊格勒催化劑出現(xiàn)促使新型分子材料大量出現(xiàn)。滌綸纖維確良布料材料的發(fā)展史講義第64頁材料復合 20世紀人類進入新材料時代，衣、食、住、行以及科學技術(shù)發(fā)展都離不開新材料，同時出現(xiàn)了各種材料復合技術(shù)

24、。金屬與無機材料復合金屬與高分子材料復合無機材料與高分子材料復合金屬/高分子復合材料-粘結(jié)NdFeB磁體金屬/無機復合材料-景泰藍高分子/無機復合材料-絕緣板材材料的發(fā)展史講義第65頁對材料發(fā)展歷史小結(jié)從歷史角度看，20世紀之前材料進步大量依靠人們經(jīng)驗、技巧和積累。這個過程之所以如此遲緩，原因在于人們還沒能夠?qū)Σ牧显诳茖W上有深刻認識和了解，因而也缺乏科學對材料發(fā)展指導。材料的發(fā)展史講義第66頁繼19世紀三大發(fā)覺(x射線、放射性、電子)后，20世紀前30年物理學產(chǎn)生相對論和量子力學，這些科學上突破，成功地揭示了微觀物質(zhì)世界基本規(guī)律，加速了人們對材料聲、光、電、磁、熱現(xiàn)象以及材料內(nèi)部種種鍵力、結(jié)構(gòu)、缺點認識。這一切既造成了各種新材料誕生，也開辟了20世紀后半葉一系