簡介:,,,,,人和動物的本質(zhì)區(qū)別人可以利用工具從事生產(chǎn)、生活,積累經(jīng)驗,創(chuàng)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(zhì)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(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)簡單地說,材料是人類可用來制造有用器件的物質(zhì),,,材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)材料是人類社會進步的主要標志,材料是人類社會進步的里程碑,在古代,材料首先用于統(tǒng)治階級的生活、祭祀、戰(zhàn)爭經(jīng)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(yīng)用在現(xiàn)代,材料廣泛用于大眾的生活、生產(chǎn)科學(xué)的知識體系,不斷更新的制造業(yè)技術(shù),追求高品質(zhì)生活、高性能器具,是新材料發(fā)展的動力,材料與人類文明發(fā)展,人類文明進程的劃分依據(jù)是什么所使用的、占主導(dǎo)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(fù)合材料時代發(fā)展得越來越快,材料劃時代,材料是人類文明、社會進步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)在歷史上,人們將石器、青銅器、鐵器等當時的主導(dǎo)材料作為時代的標志,稱其為石器時代、青銅器時代和鐵器時代在近代材料種類極其繁多,各種新材料不斷涌現(xiàn),很難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(jīng)過了七個不同時代,以材料區(qū)分的七個時代,,燧石神奇的石頭,石器時代STONEAGEBC400,0004,500,人類主要以石頭、骨頭、木制作簡單的工具,陶器POTTERY,陶器的出現(xiàn)是人類跨入新石器時代的重要標志之一中國陶器制作歷史至少有8000年以上,西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆,戰(zhàn)國陶制四通水管,石器時代STONEAGEBC400,0004,500,青銅時代BRONZEAGEBC4,5001,000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(yè)的黎明,人類學(xué)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(yè)的最早紀錄之一,古稱金或吉金,是紅銅與其它元素錫、鎳、鉛、磷等的合金中國青銅時代大致對應(yīng)夏商周至秦漢,時間跨度約2000年春秋戰(zhàn)國時期,齊國工匠寫成考工記,提出金有六齊,是世界科技史上最早的冶銅經(jīng)驗總結(jié),青銅第一種合金,夏鉞YUè,戈,三星堆,突目面具商代晚期,高645CM,寬138CM,眼球柱狀外突長達135CM,三星堆立人像鑄于商代晚期,高172M,底座高09M,通高262M,是世界上最大的青銅立人像,鐵器時代與之前時代的主要區(qū)別在于,農(nóng)業(yè)發(fā)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,BC4000已極少量使用鐵器,但大多鐵由隕石得到,而非由鐵礦提取BC30002000,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(jù)指出,鐵是當時煉銅生成的副產(chǎn)品,稱為海綿鐵對當時的冶練技術(shù)來說,不可能大量生產(chǎn)世界上最早進入鐵器時代的是西臺帝國,約BC1400掌握了冶鐵技術(shù)BC1200,中東各地廣泛運用鐵,但并未取代青銅的主導(dǎo)地位BC1000,歐洲出現(xiàn)鐵制工具,可能是由小亞細亞西傳而來BC800,尼德蘭出現(xiàn)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(yè),發(fā)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GǎO城臺西村商代BC13世紀中期遺址出土鐵刃青銅鉞。刃部是隕鐵加熱鍛造而成中國在BC6世紀已出現(xiàn)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CEMENTAGE0BC,CEMENT由拉丁文CAEMENTUM發(fā)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(yīng)生成堅硬的固體。為最早應(yīng)用的水泥19世紀初,英、法等將粘土化石灰或泥灰?guī)r燒結(jié)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(jié)硬固后的顏色、外觀和當時英國用于建筑的優(yōu)質(zhì)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(chǎn),水泥生產(chǎn)工藝以石灰石和粘土為主要原料,經(jīng)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,1871年,日本開始建造水泥廠1889年,中國在唐山建造了第一座水泥廠,鋼時代STEELAGE1800,煉鐵、煉鋼的大工業(yè)生產(chǎn)分別于17世紀20年代、19世紀70年代最先在英國發(fā)展起來,1875,全世界生鐵產(chǎn)量為1400萬噸,鋼產(chǎn)量190萬噸18751913,西歐、美國的工業(yè)化需要大量鋼鐵,相繼發(fā)展了轉(zhuǎn)爐和平爐,生鐵和鋼產(chǎn)量都迅速增長1913,全世界生鐵產(chǎn)量為8000萬噸,鋼產(chǎn)量7650萬19141950,發(fā)生兩次世界大戰(zhàn)、多次資本主義經(jīng)濟危機,鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展緩慢1950,全世界生鐵產(chǎn)量為130億噸,鋼產(chǎn)量189億噸19501974,發(fā)展了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼和連續(xù)鑄鋼技術(shù)、帶鋼熱連軋機和冷連軋機技術(shù)進步,鋼鐵生產(chǎn)能力提高1974,全世界生鐵產(chǎn)量為505億噸,鋼產(chǎn)量710億噸1973,開始石油調(diào)價和世界性的經(jīng)濟蕭條,鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展轉(zhuǎn)慢1979,世界生鐵和鋼的產(chǎn)量創(chuàng)造新的紀錄,分別達529億噸和747億噸,硅時代SILICONAGE1500,第二次世界大戰(zhàn)中,開始用硅制作雷達的高頻晶體檢波器。所用的硅純度低,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(qū)域熔化法拉制單晶1955,采用ZN還原SICL4法生產(chǎn)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(yè)生產(chǎn),已具規(guī)模硅整流器、硅閘流管問世,促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導(dǎo)體材料的首位1960年代,硅外延生長單晶技術(shù)和硅平面工藝硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟,集成電路迅速發(fā)展1980年代初,全世界多晶硅產(chǎn)量達2500噸,,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史,就是材料發(fā)現(xiàn)、運用的發(fā)展史,原理成品發(fā)展時間,電機1821188665,真空管1882191533,無線電1887192235,X光1895191318,雷達193519405,原子堆193919423,半導(dǎo)體194819513,激光195819602,,,,科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)時間、產(chǎn)業(yè)化時間的對照,新材料時代NEWMATERIALAGE,發(fā)射架上的長征三號運載火箭,寶鋼高爐,材料、能源、信息是當代社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱,是人類社會進步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)材料是全球新技術(shù)革命的四大標志之一新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù),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(yī)學(xué)工程等,無一不依賴材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展來實現(xiàn)和突破沒有鋼鐵材料,就沒有今天的高樓大廈沒有專門為噴氣發(fā)動機設(shè)計的材料,就沒有靠飛機旅行的今天沒有耐高溫復(fù)合涂層材料,就沒有人類探索外空的飛船沒有固體微電子電路,就沒有計算機,根據(jù)人們對材料物理和化學(xué)性能的了解,為了特定需要而設(shè)計、加工材料半導(dǎo)體單晶硅、砷化嫁、光導(dǎo)纖維、超導(dǎo)等新材料的開發(fā)和應(yīng)用,促進了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展,極大的推動了社會文明與經(jīng)濟的發(fā)展新材料新技術(shù)新工業(yè),,,材料是科技進步的核心,材料與能源,能源材料是能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料,按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等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、非晶硅等節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料用作變壓器鐵芯的FEMNBSI合金和超導(dǎo)材料NBTI、NBSN巨型磁體用材料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30WH/KG,瑞士核電站,氧化鈾,鎢釩鋼(WVSTEEL)鉻釩鋼(CRVSTEEL)鎳基高溫合金(HASTELLOYMATERIAL),核反應(yīng)堆材料耐中子輻射、腐蝕、高溫,燒結(jié)后,燒結(jié)前,材料與能源,核能材料,芯片除用于計算機外,還可制作其他各種電器如錄相機、洗衣機、廚房設(shè)備、家用電器,以及各種自動控制設(shè)備半導(dǎo)體材料是電子技術(shù)和計算機產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),一個國家在芯片技術(shù)方面的成就,決定著其整個戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)方面的成就現(xiàn)在,從計算機芯片的工作原理中獲得啟發(fā),創(chuàng)造性地將半導(dǎo)體技術(shù)和生物技術(shù)結(jié)合起來,開發(fā)出生物芯片,廣泛用于醫(yī)學(xué)臨床檢測、藥物開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測等,材料與信息,材料與信息,集成電路體積小,重量輕,引出線和焊接點少,壽命長,可靠性高,性能好,成本低,便于大規(guī)模生產(chǎn)不僅廣泛應(yīng)用在工、民用電子設(shè)備如收錄機、電視機、計算機等,同時廣泛的應(yīng)用在軍事、通訊、遙控等方面用集成電路來裝配電子設(shè)備,其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾千倍,設(shè)備的穩(wěn)定工作時間也大大提高,材料與信息,100年前,美國科學(xué)家貝爾做過用光傳輸語言的實驗1966,發(fā)現(xiàn)提高玻璃純度可減少光傳播過程中的損耗1970,美國康寧公司用高純石英玻璃制造出現(xiàn)代光導(dǎo)纖維,被譽為百年不遇的發(fā)明光纖是一種比頭發(fā)還細的高純度玻璃絲,一根細絲就能同時傳輸2000路通話,且不失真、不受環(huán)境干擾、不易被竊聽、傳輸特別快比銅纜快72000倍,沒有遠程通信技術(shù),整個世界的發(fā)展不會有今天這樣快遠程通信技術(shù)的發(fā)展與光導(dǎo)纖維的問世密切相關(guān),材料與計算機,材料科學(xué)的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎(chǔ),計算機的發(fā)展已經(jīng)歷了4代。目前正在發(fā)展第5代電子管時代第1代19461958,以電子管作為邏輯部件晶體管時代第2代19591964,采用晶體管作為邏輯部件小規(guī)模集成電路時代第3代19651970,用集成電路作為邏輯元件大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路時代第4代19711989,大規(guī)模集成電路應(yīng)用于計算機,寄存器多,速度快計算機科學(xué)時代第5代,主要有智能型計算機、分布式計算機系統(tǒng)、多媒體技術(shù),材料與計算機,計算機經(jīng)歷電子管→晶體管→集成電路時代,材料科學(xué)的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎(chǔ),電子管晶體管集成電路,鎢、鉬電極,鍺、硅半導(dǎo)體,單晶硅片,高純鈦、SIO2、鉻薄膜,電子管電極材料鎢、鉬,16K內(nèi)存器,三級電子管圖的大小與實物相當,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(nèi)存器。圖中的女士要用顯微鏡才能看到現(xiàn)在的集成電路16K內(nèi)存器,1883,愛迪生在研制燈泡中發(fā)現(xiàn)愛迪生效應(yīng)把金屬板與燈絲一起密封在燈泡內(nèi),通電后給金屬板加正電壓,發(fā)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(fā)現(xiàn)電子,人們才知道,原來燈絲加熱后有電子射出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(fā)現(xiàn),三極管有放大作用,改變柵極電壓,即可改變電流大小三極管的發(fā)明為無線電通訊和廣播開辟了道路。1906,費丁生美國發(fā)明調(diào)幅波,使高頻信號帶著聲音的振幅發(fā)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(guī)模發(fā)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(shù)只有330,陰極柵極間電容太大,本身容易產(chǎn)生振蕩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(shù)可達1606001926,荷蘭菲利浦公司首次發(fā)明五極管1928,茲沃里金美國發(fā)明電視顯像管1939,美國無線電公司推出現(xiàn)代意義上的電子電視,電子管,推動了無線電電子學(xué)的蓬勃發(fā)展,上世紀初,無線電愛好者發(fā)現(xiàn),某些半導(dǎo)體礦石有單向?qū)щ娦裕苓m合做檢波器。這使科學(xué)家們想到,用半導(dǎo)體可制作與電子管同樣性能的晶體管由于許多理論和技術(shù)問題沒有解決,真正發(fā)明晶體管時已到了40年代末1947,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1950,肖克萊等人又發(fā)明了晶體三極管與電子管相比,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(yù)熱等優(yōu)點,大大加速了電子技術(shù)的發(fā)展,晶體管,1956,富勒和賴斯美國發(fā)明半導(dǎo)體生產(chǎn)的擴散工藝,為集成電路提供了工藝技術(shù)1958,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(nèi)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(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)做好了準備1959,仙童公司美國研究出SIO2擴散技術(shù)和PN結(jié)隔離技術(shù),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(shù)等相繼發(fā)明1961,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塊集成電路,只有285克,體積3640KG馬赫數(shù)25的飛機用鈦主要是為了代替鋼,以減輕結(jié)構(gòu)重量美國SR71高空高速偵察機馬赫數(shù)為3,飛行高度26212KM,鈦占飛機結(jié)構(gòu)重量的93,號稱“全鈦”飛機航空發(fā)動機的推重比從46提高到810,壓氣機出口溫度從200300?C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(jié)構(gòu)重量,材料與國防現(xiàn)代化,B2幽靈式轟炸機,當代戰(zhàn)爭表現(xiàn)出高技術(shù)的特點如美國對伊拉克作戰(zhàn)、對科索沃的空中打擊都使用了隱形飛機、反輻射導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈等,實行高密度精確打擊美國轟炸伊拉克使用的B2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(shè)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B2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(fù)合材料呈黑色,防彈衣的高技術(shù)化是各國軍需裝備發(fā)展的重點1901,威廉麥肯雷總統(tǒng)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(zhàn)中,出現(xiàn)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9KG第二次世界大戰(zhàn)中,彈片殺傷力增加了80,傷員中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(xiàn)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(zhàn)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(zhàn)隊裝備的是M1951型硬質(zhì)“多隆”玻璃鋼防彈背心,重2736KG,材料與國防現(xiàn)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(xiàn)在,完全用化學(xué)纖維制做防彈衣一種用18層尼龍和凱芙拉纖維制成的防彈衣只有103KG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(fā)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(fù)合式防彈衣,以纖維復(fù)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,,2006年9月,美國金屬雜志JOURNALOFMETALS發(fā)起評選材料科學(xué)與工程歷史上“最偉大的材料事件”GREATESTMATERIALSMOMENTS活動。JOM由美國礦物、金屬與材料學(xué)會THEMINERALS,METALSMATERIALSSOCIETY主辦“最偉大的材料事件”定義為一項人類的觀測或者介入,導(dǎo)致人類對材料行為的理解產(chǎn)生標志性進展的關(guān)鍵或決定性事件。它開辟了材料利用的新紀元,或者產(chǎn)生了由材料引發(fā)的社會經(jīng)濟重大變化評選出的50項“最偉大的材料事件”清楚地展示,材料及其相關(guān)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)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(xué)與技術(shù)毋庸置疑的重要地位,50項“最偉大的材料事件”,50項“最偉大的材料事件”,50項“最偉大的材料事件”,,50項“最偉大的材料事件”,50項“最偉大的材料事件”,50項“最偉大的材料事件”,,,在50項“最偉大的材料事件”中材料制備技術(shù)及工藝17項新材料和新器件的發(fā)明12項提出新原理、新規(guī)律與揭示新結(jié)構(gòu)、新現(xiàn)象18項先進儀器設(shè)備的發(fā)明3項從50項“最偉大的材料事件”中可以看出古代材料與技術(shù)方面的重大事件,包括煉鐵術(shù)、煉鋼術(shù)、銅提取術(shù)及煉銅術(shù)、鐵鑄造技術(shù)、玻璃的發(fā)明等,大多出自中國、埃及、伊朗、印度和土耳其等東方國家中國古代金屬業(yè)勞動者開發(fā)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然而,近代1900后材料發(fā)展中的重大事件,幾乎全部由美、英、德等西方科學(xué)家與發(fā)明家包攬,表明西方工業(yè)發(fā)達國家主導(dǎo)著近代材料科學(xué)與工程的發(fā)展,50項“最偉大的材料事件”,
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