材料与人类文明(课件)

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 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。 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。
第三节
1. 以电子、光子技术的发展史为 例，看新材料的作用 l906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； 1948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； 1958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。

①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 碳60 重新进入循环，直到最后废弃为止。
蒙特利尔

②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。
北京紫禁城
紫禁城
王汝聪堂前客厅
王汝聪堂前客厅
古埃及金字塔
古希腊巴特农神庙
三、材料的应用推动经济发展
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。 尤其是近300年来，两次世界范围的产业
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； 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。
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。
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。
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。
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。 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％。
16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； 1825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； 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
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 钢做铁轨； 铁轨的长度从很短的11.2m (震动和噪声 以及阻力都较大)发展到100m以上。现在 的轨道可预焊成400m的长轨，铺轨时再依 次焊接，可长达数公里，故火车在其上行 驶时，平稳、舒适、快捷； 功率相同时火车载重约为汽车的10倍，15 节火车车厢的装载量相当于约200辆卡车 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 大量生产和应用的基础上的。
革命都离不开材料的应用与新材料的开发。
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 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。

三、材料与环境 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。
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
二、材料对近、现代科学技术的 促进作用
作用： 提供新的物质和材料； 开发新的能源； 发明灵巧的机器。
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； 20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； 近现代新技术的发展又促 进了新材料的研制。
钢渣、生铁和钢 铸件
一次铝锭 硅酸盐水泥 一次铜(精炼) 玻璃器皿 沙砾石、碎石块 一次锌
注：1Btu＝1054.35 J
②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。
1985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
材料循环：材料、能源、 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
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。

材料循环具有以下特点:
表1-2 20世纪某年美国消耗能量最高的几种原材料工业
材 料 年吨位 ／104 t 152 4.53 90.5 1.97 12.4 1860 1.42 每吨耗能 年耗能 ／104Btu· t－1 ／1012 Btu 24.9 3800 244 7.6 112 17.4 0.056 65 1100 690 220 220 100 90
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。
材料、信息、能源是人类文
明的三大支柱，其中材料是物 质基础
二、材料的应用导致城市的建立 城市是世界文明和社 会进步的主要标志之一。 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。
第源使用 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。
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。
⑤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
①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。
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。

③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)。