材料与人类文明.ppt

二、材料的应用导致城市的建立l城市是世界文明和社会进步的主要标志之一。l从经济落后时期的以物易物到商品流通的贸易集市的出现，逐渐发展为固定的城镇(城市的雏形)，最终建立起现代的大、中城市。在此进程中，材料起了极大推动作用。建筑物上的砖、瓦，街道上的石、土及城市交通工具及物件等，都离不开材料。更重要的是材料本身可直接导致城市的建立。如美国钢城(底特律)，先发迹于钢铁，后又靠钢铁发展汽车、飞机等；中国西北的酒钢公司和嘉峪关市(酒钢所在地)、镍都金川公司与金昌市等。北京紫禁城北京紫禁城紫 禁 城 王汝聪堂前客厅 王汝聪堂前客厅 王汝聪堂前客厅 王汝聪堂前客厅 古埃及金字塔古埃及金字塔古希腊巴特农神庙古希腊巴特农神庙三、材料的应用推动经济发展三、材料的应用推动经济发展l回顾人类的经济发展史，从原始社会的狩猎、刀耕火种，到封建社会的庄园经济和后来的小农经济，直到近代的工业经济，世界经济舞台发生了翻天覆地的变化，在这之中，材料起了关键作用。l尤其是近300年来，两次世界范围的产业革命都离不开材料的应用与新材料的开发。l 第一次产业(工业)革命 是以推广应用蒸汽机和纺织工业为突破口的，还有稍后的机械制造、轮船、火车等，而后都是以炼钢工业和钢铁材料的极大发展为基础的，当时，必须先开发出钢铁、铜合金等新材料而后使其实用化并得到推广。造就了造就了雾都伦敦雾都伦敦比如，火车铁轨的问世就是钢铁材料大量生产和应用的成功例子。l16世纪中期，英国用优质木材做轨道，让马车牵引车辆在其上行驶来运煤和矿石；l1825年英国的达林顿铁路营业，采用斯蒂芬森的蒸汽机车，马车业主的竭力反对；l直到1829年由斯蒂芬森儿子改进的“火箭号”机车在与马车比赛中获胜，才用火车取代了有轨马车，使英国进入了铁路时代l路轨材料最初是在木材上钉上铁板，这显路轨材料最初是在木材上钉上铁板，这显然承担不了较大负载，后来才使用高碳锰然承担不了较大负载，后来才使用高碳锰钢做铁轨；钢做铁轨；l铁轨的长度从很短的铁轨的长度从很短的11.2m(11.2m(震动和噪声震动和噪声以及阻力都较大以及阻力都较大)发展到发展到100m100m以上。现在以上。现在的轨道可预焊成的轨道可预焊成400m400m的长轨，铺轨时再依的长轨，铺轨时再依次焊接，可长达数公里，故火车在其上行次焊接，可长达数公里，故火车在其上行驶时，平稳、舒适、快捷；驶时，平稳、舒适、快捷；l功率相同时火车载重约为汽车的功率相同时火车载重约为汽车的1010倍，倍，1515节火车车厢的装载量相当于约节火车车厢的装载量相当于约200200辆卡车辆卡车的装载量。从此，铁路成了各国国民经济的装载量。从此，铁路成了各国国民经济的大动脉。而这一切又是建立在钢铁材料的大动脉。而这一切又是建立在钢铁材料大量生产和应用的基础上的。大量生产和应用的基础上的。第二次产业(工业)革命 是以石油开发和新能源使用为突破口的，一直延续到20世纪中叶。大力推动了汽车、飞机等其他工业。其支撑仍是新材料开发，离不开合金钢、铝合金以及其他非金属材料的发展。l 有人认为：20世纪前半期开始的以核能、飞机、汽车、化工和电子计算机的发明或发展为标志的第三次工业革命，是与航空材料的进步(涉及飞机的革新)和20世纪30年代继塑料以后，合成橡胶和合成纤维相继问世(使有机合成材料工业进入一个崭新阶段)密切相关的。这次工业革命使劳动生产方式开始向自动化发展。l当今世界，正面临又一场新的技术革命(有人称之为第四次工业革命)，它以信息科学、材料科学和生物科学为前沿，更是以各种新兴材料的出现和应用为前提的。世界权威人士认为，这场技术革命所带来的影响和创造的社会财富，将大大超过历次工业革命。l 材料、信息、能源是人类文明材料、信息、能源是人类文明的三大支柱，其中材料是物质的三大支柱，其中材料是物质基础基础 无钢铁材料无铁路等，美国就不能开发西部，英国不能实现工业化；无金属材料就无机械工业，也就不能为其他工业提供装备，其他工业也不可能建立和发展；无高分子材料就无电视机等家用电器、无轻工业；无新兴材料就无现代文明和经济发展。材料与经济关系的一个典型范例就是硅材料的应用。经济上，它触发了一个数十亿美元的工业。从助听器到全球性的遥测技术，通信已十分便利，并且通过文化娱乐、各种私人计算机的出现与使用，使人们的日常生活发生着巨大的变化。第三节 材料是社会现代化的物质基 础与先导一、材料与社会现代化一、材料与社会现代化 材料既是人类社会进步的里程碑，材料既是人类社会进步的里程碑，又是社会现代化的物质基础与先导。又是社会现代化的物质基础与先导。尤其是新材料的研究、开发与应用反尤其是新材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。映着一个国家的科学技术与工业水平。1.以电子、光子技术的发展史为例，看新材料的作用ll906年发明了电子管，从而出现了无线电技术、电视机、电子计算机；l1948年发明了半导体晶体管，导致了电子设备的小型化、轻量化、省能化以及成本的降低、可靠性的提高与寿命的延长；l1958年出现了集成电路，使计算机及各种电子设备发生一次飞跃。此后，集成电路的发展十分迅速，这就是以硅为主的半导体材料相应发展的结果。l进入20世纪90年代，集成电路的集成度进一步提高，加工技术达到0.3um(研究水平已达0.1um)，与存储器相关的硅片加工水平提高，这也是为什么计算机的功能愈来愈好而其价格却不断下降的重要原因。l随着计算机速度与容量的增加，以电子作为传输媒介受到限制，而利用光子作为携带信息的载体进行光传输将更理想，于是发展了光电子材料，用光子器件制成的光计算机具有大容量、高速度，而且有助于向智能化方向发展。现代计算机信息存储要求：1.容量大、密度高；2.易快速存取；3.能擦除和反复使用。如一张光盘可存储10万幅图像或50万页多的文字，比一般磁盘高几百倍。各种用途敏感材料的开发显得尤为重要。2.从通信技术的进步看新材料的作用从通信技术的进步看新材料的作用通信一般采用微波、电缆来传输信号；1966年在理论上提出可用光波通信；1976年出现了第一条试验光纤通信线路；1988年建成第一条横贯大西洋的海底光缆；光纤传输信号具有容量大、造价低、中继站少、保密性强等特点。l 光导纤维使“信息高速公路”的设想成为现实。除光导纤维以外，激光技术与电子技术的发展是其重要的促成因素，而这些都与材料密切相关。3.从航空航天技术的发展看新材料的作用l20世纪40年代出现了喷气技术。像歼击机、大型客机用的主要材料是高温合金和钛合金；l航空航天所用材料的比强度、比刚度尤为重要，因为飞机发动机每减重1kg，飞机可减重4kg；航天飞行器每减重1kg，就可使运载火箭减重500kg。所以对高速飞行器来说，要不惜一切代价来减轻质量。l大力发展纤维增强的树脂基及金属基复合材料：如高强度高分子纤维芳纶，其比强度比高强度钢高出近100倍。若用其造飞机的飞行速度快到从纽约到东京只需2h。再如用现代功能陶瓷制造热机，会使其热效率大幅提高。l综上所述，新材料与社会现代化和现代文明的关系十分密切：生活水平、国家安全、工业生产率、经济增长等。l美国2000年，先进材料在12项新技术中的产值居首位；全世界先进材料的产值为4000亿美元，占整个新兴技术产值10000亿美元的40。二、材料对近、现代科学技术的促进作用作用：l提供新的物质和材料；l开发新的能源；l发明灵巧的机器。l从世界科技发展史看，重大的技术革新往往起始于材料的革新与开发；l20世纪50年代镍基高温合金的出现导致超音速飞机问世；而高温陶瓷的出现则促进了航天飞机的发展；l近现代新技术的发展又促进了新材料的研制。l半导体材料计算机和信息革命；高温合金、高温陶瓷宇航科技；光导纤维光通信、信息高速公路；l因此，新材料与所有新兴产业都密切相关。材料对21世纪科技与经济发展的重要性中国在高校、各科研院所有众多的从事与材料有关的研究人员；世界上每年都召开与新材料有关的学术会议；美国新世纪的三大经济发展重点：信息、生物和纳米技术；纳米技术是对全世界都富有挑战性的新科技，其中必然包含纳米材料。l1985年至1987年，材料科学基础研究连续3年获得诺贝尔奖，奖励的成果分别为量子霍尔(Hall)效应的发现、隧道扫描电子显微镜的发明和高临界温度超导体的合成。这也充分表明材料科学技术对于人类科技事业的巨大贡献。第四节第四节 材料循环：材料、能源、材料循环：材料、能源、环境环境 一、地球一材料一地球 图1-1是在全球范围高度简化了的材料循环示意图。图的左半部属于材料供应，主要是为了获得工业材料，它属于矿业及农业科学与工程的范畴。右半部属于材料使用和消耗，主要是在制造结构件、器件、机器及其随后的应用中对工程材料的使用，它属于材料科学与工程的主要范畴。图1-1 简化的材料循环示意图 l 地球 矿石、煤、原油、石头、木材等原材料 经过选矿、精炼、提纯、制浆等工艺 金属、化学产品、纸张、水泥、纤维等 加工成各种晶体、合金、陶瓷、塑料、混凝土等 制造成各种有用产品 以废料的形式回到地球或经分解和材料回收再次进入材料循环。蒙蒙 特特 利利 尔尔碳碳60 材料循环具有以下特点:l 材料的循环总是一个从生到死的封 闭系统 从地球获取资源制成的材料用过后作为废料又回到大地，或者被再加工重新进入循环，直到最后废弃为止。l 材料循环是一项巨大的产业 世界上每年约生产出150亿吨原材料，其中美国消耗了l/3，人均25t/年。其他国家的人均原材料消耗量也同样在快速增长。l 材料循环已成为各国之间联系的 重要纽带 由于原材料、产品的出口与进口，各国之间的经济贸易往来频繁。如中国的宝山钢厂使用澳大利亚铁矿砂、中国现在较大量地出口以钢铁材料为主的机械装备(机床等)；日本的原材料绝大部分靠从世界各地输入，同时大量输出其产品(汽车、家电等)。l 材料循环中的增值 如矿产品铝矾土每吨约8美元，通过不同的制备(电解等)和加工工艺变成铸造半成品和铸件时每吨达1000美元，增长125倍。但考虑到在此制备、加工阶段，产品的质量减少到原来的1/5，故此类产品的总价值在材料循环中提高25倍。l材料循环与社会 材料循环受社会需要的推动，而社会发展又受材料循环的制约。在材料循环中，劳动、能源、资金和成本等所形成的价值都要加入到材料中，总的效果是材料的质量减少、价值上升。当然材料也具有了各种可用的性能和功能。二、材料与能源二、材料与能源 生产材料要消耗大量能源 表1-2列出20世纪某年美国消耗能量最高的几种原材料工业。铝、铜因为采用电加工工艺(电解)因而每吨位的能耗特别大。相反，砂子、砾石和石头只要略加处理即可把粗的原生材料变为最后使用的工程材料。钢铁的单位能耗居中等，但是因其吨位巨大，故成为主要耗能者而列置表内的首位。材材 料料年吨位年吨位104 t每吨耗能每吨耗能104Btut1年耗能年耗能1012 Btu钢钢渣、生渣、生铁铁和和钢钢铸铸件件 152 24.9 3800一次一次铝锭铝锭 4.53 244 1100硅酸硅酸盐盐水泥水泥 90.5 7.6 690一次一次铜铜(精精炼炼)1.97 112 220玻璃器皿玻璃器皿 12.4 17.4 220沙沙砾砾石、碎石石、碎石块块 1860 0.056 100一次一次锌锌1.426590 表表1-2 20世纪世纪某年美国消耗能量最高的几种原材料工业某年美国消耗能量最高的几种原材料工业 注：注：1Btu1054.35 J l 能源工业离不开材料的应用与发展目前所有先进的能量转化技术中，都受到材料性能和技术的限制。如燃气涡轮机、核反应堆、太阳能、磁流体发电、煤的转换、高密度电池和燃料电池等；太阳能是一种永恒能源，但由于长期没有发展出效率高、寿命长、价格低廉的光电转换材料而使使其利用率一直很低，目前太阳能热水器已实用化。三、材料与环境三、材料与环境 l 美国1976年工业污染控制成本高达工厂设备投资的5.7，而美国的原材料生产工厂的污染控制成本则还要高出1.5-2倍。l中国近20余年有较严重的环境问题。如频发水灾、黄河断流、草原沙化等。本章参考书本章参考书