材料的定義及發展第1頁/共90頁原始人居住的洞第2頁/共90頁用茅草搭起來的房屋第3頁/共90頁用樹枝做的房屋第4頁/共90頁用石頭砌起來的房屋第5頁/共90頁用磚,水泥,蓋的房脊第6頁/共90頁高樓大廈第7頁/共90頁思考:看了這些圖片以后，想到了什么？第8頁/共90頁

在人類社會發展過程中，大自然饋贈予人類的材料，已經遠遠不能滿足人類社會發展的需要，為了人類自身發展的需要，人們總是在大自然的饋贈之外，用自己的聰明，用自己的聰明才智和勤勞的雙手，不斷地研制，創造著各種各樣的新材料，以滿足人類素質文明和科技技術不斷發展的需要。第9頁/共90頁第10頁/共90頁第11頁/共90頁第12頁/共90頁第13頁/共90頁第14頁/共90頁第15頁/共90頁第16頁/共90頁門窗玻璃第17頁/共90頁第18頁/共90頁第19頁/共90頁第20頁/共90頁第21頁/共90頁第22頁/共90頁第23頁/共90頁汽車與高速公路第24頁/共90頁鐵路第25頁/共90頁材料無處不在,無處不有工農業生產國防科學技術人民生活材料是人類社會生活中廣泛使用的物質，第26頁/共90頁

材料的定義材料cáiliào[material]∶原料;可供制成成品的東西第27頁/共90頁材料的定義材料是人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產品的那些物質。材料是物質，但不是所有物質都可以稱為材料。如燃料和化學原料、工業化學品、食物和藥物，一般都不算是材料。但是這個定義并不那么嚴格，如炸藥、固體火箭推進劑，一般稱之為“含能材料”，因為它屬于火炮或火箭的組成部分。第28頁/共90頁材料的定義材料是人類社會賴以生存和發展、征服自然和改造自然的物質基礎。材料是人類社會生活中廣泛使用的物質。材料是社會進步的物質基礎和先導，是人類社會進步的里程碑。第29頁/共90頁材料的定義20世紀70年代人們把信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱。80年代以高技術群為代表的新技術革命，又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。這主要是因為材料與國民經濟建設、國防建設和人民生活密切相關。材料的品種、數量和質量已成為衡量一個國家科技和國民經濟水平及國防力量的重要標志。

第30頁/共90頁材料的發展人類從猿人發展為現代人、發展到有文字記載的文明人的歷史，可以說就是一部材料和技術的演變史。材料的發展史=人類的文明史第31頁/共90頁100萬年前1萬年前5千年前3千年前20世紀中葉材料——人類社會進步的里程碑第32頁/共90頁縱觀人們利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要的新材料的發展和應用，都把人類支配自然的能力提高到一個新水平。材料科學技術的每一次重大突破都會引起生產技術的革命，大大加速社會發展的進程，給社會生產和人們生活帶來巨大的變化，把人類物質文明推向前進。復合材料鐵器材料銅器材料石器材料現代社會原始社會材料的發展第33頁/共90頁材料與新技術革命新材料的每次使用都引起人類社會的巨大變革和生產力革命。18世紀以來世界范圍內的生產力變革和技術革命都以新材料使用為龍頭：

第一次技術革命——產業革命始于18世紀的英國產業革命，使得以手工技術為基礎的資本主義工場手工業過渡到采用機器大生產的資本主義工廠制度。這場工業革命的物質基礎是鋼鐵材料，而伴隨的新技術則是蒸汽機的發明；材料的發展第34頁/共90頁第二次技術革命——電氣革命1879年愛迪生發明了電燈，把電力革命的曙光帶給了人類，一系列電氣材料相繼誕生與廣泛應用，產生了巨大的生產力變革；材料的發展第35頁/共90頁第三次技術革命——電子革命20世紀中葉，新導電、導磁材料和半導體材料的發明和應用，使大規模集成塊問世，帶來了計算機的廣泛應用，以及原子能的利用，大大發展了生產力和科學技術；材料的發展第36頁/共90頁第四次技術革命有人說目前正處在第四次技術革命的前夜。這次技術革命以信息技術、新材料技術、新能源技術和生物工程技術為基礎。亦有人把材料、能源和信息科學看作是現代科學技術的三大支柱，而材料科學技術稱為三大科學技術支柱之首。材料的發展第37頁/共90頁材料的發展材料是人類生活和生產的物質基礎，是人類認識自然和改造自然的工具。可以這樣說，自從人類一出現就開始了使用材料。材料的歷史與人類史一樣久遠。從考古學的角度，人類文明曾被劃分為舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代等，由此可見材料的發展對人類社會的影響。材料也是人類進化的標志之一，任何工程技術都離不開材料的設計和制造工藝，一種新材料的出現，必將支持和促進當時文明的發展和技術的進步。從人類的出現到20世紀的今天，人類的文明程度不斷提高，材料及材料科學也在不斷發展。在人類文明的進程中，材料大致經歷了以下五個發展階段。第38頁/共90頁1．使用純天然材料的初級階段在原古時代，人類只能使用天然材料（如獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等），相當于人們通常所說的舊石器時代。這一階段，人類所能利用的材料都是純天然的，在這一階段的后期，雖然人類文明的程度有了很大進步，在制造器物方面有了種種技巧，但是都只是純天然材料的簡單加工。材料的發展第39頁/共90頁石斧，鑿、刀、鏟、箭頭、紡輪、缽（西安半坡遺址）第40頁/共90頁2．人類單純利用火制造材料的階段這一階段橫跨人們通常所說的新石器時代、銅器時代和鐵器時代，也就是距今約10000年前到20世紀初的一個漫長的時期，并且延續至今，它們分別以人類的三大人造材料為象征，即陶、銅和鐵。這一階段主要是人類利用火來對天然材料進行煅燒、冶煉和加工的時代。例如人類用天然的礦土燒制陶器、磚瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及從各種天然礦石中提煉銅、鐵等金屬材料，等等。材料的發展第41頁/共90頁青銅器時代巨型司母毋鼎（河南安陽晚商遺址）虎耳鼎(江西清江縣博物館)第42頁/共90頁湖北江陵楚墓出土越王勾踐青銅寶劍鳥篆銘文“越王鳩潛,自乍（作）用劍”。第43頁/共90頁湖南長沙砂子塘戰國凹形鐵鋤中國古代鐵器金相組織鐵器時代第44頁/共90頁身長6.5米，身高5.48米，體寬3.17米，重約29.3噸，素有“獅子王”的美譽

鐵器時代滄州鐵獅子第45頁/共90頁3．利用物理與化學原理合成材料的階段20世紀初，物理和化學等科學理論在材料技術中的應用，從而出現了材料科學。在此基礎上，人類開始了人工合成材料的新階段。這一階段以合成高分子材料的出現為開端，一直延續到現在，而且仍將繼續下去。另外，超導材料、半導體材料、光纖等材料都是這一階段的杰出代表。從這一階段開始，人們不再是單純地采用天然礦石和原料，經過簡單的煅燒或冶煉來制造材料，而且能利用一系列物理與化學原理及現象來創造新的材料。材料的發展第46頁/共90頁1839年，美國人Goodyear發現天然橡膠與硫磺共熱后呈現奇特性能。第47頁/共90頁1887年，CountHilairedeChardonnet用硝化纖維素的溶液進行紡絲，制得了第一種人造絲。第48頁/共90頁合成纖維第49頁/共90頁4．材料的復合化階段20世紀50年代金屬陶瓷的出現標志著復合材料時代的到來。隨后又出現了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及最近出現的抗菌材料的熱潮，都是復合材料的典型實例。它們都是為了適應高新技術的發展以及人類文明程度的提高而產生的。

現代復合材料最根本的思想不只是要使兩種材料的性能變成3加3等于6，而是要想辦法使他們變成3乘以3等于9，乃至更大。材料的發展第50頁/共90頁5．材料的智能化階段

自然界中的材料都具有自適應、自診斷合資修復的功能。如所有的動物或植物都能在沒有受到絕對破壞的情況下進行自診斷和修復。人工材料目前還不能做到這一點。但是近三四十年研制出的一些材料已經具備了其中的部分功能。這就是目前最吸引人們注意的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等等。材料的發展第51頁/共90頁材料的分類由于多種多樣，分類方法也就沒有一個統一標準。從物理化學屬性來分，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和不同類型材料所組成的復合材料。從用途來分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常見的兩種分類方法則是結構材料與功能材料；傳統材料與新型材料。第52頁/共90頁金屬材料高分子材料粉末金屬有色金屬鋼鐵塑料橡膠粘合劑涂料纖維復合材料陶瓷材料玻璃結晶陶瓷碳材料半導體材料家族材料的分類第53頁/共90頁材料的分類金屬材料人類文明的發展和社會的進步同金屬材料關系十分密切。繼石器時代之后出現的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應用為其時代的顯著標志。現代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發展的重要物質基礎。由金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱。第54頁/共90頁埃菲爾(Eiffel)鐵塔1889年324米高用金屬7300噸第55頁/共90頁世界近代史上,鋼鐵是國力最重要的標志.盡管三千多年前商代的青銅器已表明我國古代無與倫比的冶煉技術，但直到晚清的洋務運動才開始發展鋼鐵工業，而1949年共和國建立時只有區區的15萬噸。第56頁/共90頁1996年起，我國鋼產量突破了一億噸，躍居世界第一.2006年我國鋼產量達到4億噸，比2003年增長18.48%。第57頁/共90頁材料的分類金屬材料金屬材料種類最多，被人類使用的歷史也最長，在所有種類的材料在紅，人們對金屬材料的加工工藝最為成熟和完善，應用也最為廣泛。人類歷史的進步和社會的發展，如果離開了金屬材料真是不可想象。金屬材料制造的東西，大到飛機、大炮、航天飛機，小到吃飯的勺、開門的鑰匙，都關系到我們生活的方方面面。第58頁/共90頁材料的分類金屬材料金屬材料通常分為：黑色金屬：鐵、鉻、錳及其合金有色金屬：指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬和稀土金屬等。第59頁/共90頁材料的分類金屬材料銅是古代就已經知道的金屬之一。一般認為人類知道的第一種金屬是金，其次就是銅。銅在自然界儲量非常豐富，并且加工方便。銅是人類用于生產的第一種金屬，最初人們使用的只是存在于自然界中的天然單質銅，用石斧把它砍下來，便可以錘打成多種器物。隨著生產的發展，只是使用天然銅制造的生產工具就不敷應用了，生產的發展促使人們找到了從銅礦中取得銅的方法。

第60頁/共90頁材料的分類金屬材料銅純銅制成的器物太軟，易彎曲。人們發現把錫摻到銅里去，可以制成銅錫合金──青銅。銅，COPPER，源自Cuprum，是以產銅聞名的塞浦路斯島的古名，早為人類所熟知。它和金是僅有的兩種帶有除灰白黑以外顏色的金屬。銅與金的合金，可制成各種飾物和器具。加入鋅則為黃銅；加進錫即成青銅。第61頁/共90頁材料的分類金屬材料銅被廣泛地應用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業、國防工業等領域，在我國有色金屬材料的消費中僅次于鋁。銅用于各種電纜和導線，電機和變壓器的繞阻，開關以及印刷線路板等。在國防工業中用以制造子彈、炮彈、槍炮零件等，每生產100萬發子彈，需用銅13--14噸。

在建筑工業中，用做各種管道、管道配件、裝飾器件等。

第62頁/共90頁材料的分類金屬材料鐵人類最早發現鐵是從天空落下的隕石，隕石含鐵的百分比很高（鐵隕石中含鐵90.85%），是鐵和鎳、鈷的混合物。考古學家曾經在古墳墓中，發現隕鐵制成的小斧；在埃及第五王朝至第六王朝的金字塔所藏的宗教經文中，記述了當時太陽神等重要神像的寶座是用鐵制成的。鐵在當時被認為是帶有神秘性的最珍貴的金屬，埃及人干脆把鐵叫做“天石”。在古希臘文中，“星”和“鐵”是同一個詞。第63頁/共90頁材料的分類金屬材料鐵它的最大用途是用于煉鋼；也大量用來制造鑄鐵和煅鐵。鐵和其化合物還用作磁鐵、染料（墨水、藍曬圖紙、胭脂顏料）和磨料（紅鐵粉）。還原鐵粉大量用于冶金。鐵的冶煉：高爐冶煉鋼的冶煉：平爐煉鋼第64頁/共90頁材料的分類金屬材料鋁傳說在古羅馬，一天，一個陌生人去拜見羅馬皇帝泰比里厄斯，獻上一只金屬杯子，杯子像銀子一樣閃閃發光，但是分量很輕。它是這個人從黏土中提煉出的新金屬。但這個皇帝表面上表示感謝，心里卻害怕這種光彩奪目的新金屬會使他的金銀財寶貶值，就下令把這位發明家斬首。從此，再也沒有人動過提煉這種“危險金屬”的念頭，這種新金屬就是現在大家非常熟悉的鋁。而法國皇帝拿破侖三世，為顯示自己的富有和尊貴，命令官員給自己制造一頂比黃金更名貴的王冠——鋁王冠。他戴上鋁王冠，神氣十足地接受百官的朝拜，這曾是轟動一時的新聞。拿破侖三世在舉行盛大宴會時，只有他使用一套鋁質餐具，而他人只能用金制、銀制餐具。

第65頁/共90頁材料的分類金屬材料鋁可做日用器皿，因其具有氧化膜，不會銹蝕。鋁的合金可作飛機、船舶、火箭的結構材料，利用的是它密度小、質量輕的特點。純鋁可做超高壓電纜。

第66頁/共90頁材料的分類金屬材料鈦是以希臘神話中大力神泰坦的名字命名的，它具有鋼鐵的強度，卻不象鋼鐵那樣沉重；它象鋁那樣輕，抗腐蝕，但強度比鋁要高的多。鈦和鈦的合金大量用于航空工業，有“空間金屬”之稱；另外，在造船工業、化學工業、制造機械部件、電訊器材、硬質合金等方面有著日益廣泛的應用。

此外，由于鈦合金還與人體有很好的相容性，所以鈦合金還可以作人造骨。

第67頁/共90頁金屬材料的優點：良好的導電、傳熱性、高的機械強度，較為廣泛的溫度使用范圍，良好的機械加工性能等。金屬材料的缺點：易被腐蝕和難以滿足高新技術更高溫度的需要。思考：911事件中紐約世貿大廈坍塌的原因？合金鋼強度經得起12級臺風、各種龍卷風的襲擊，也耐得住地震、雷電或爆炸的侵擾。但其優良的導熱性，使他經不起高溫，整體變軟，促成大廈迅速倒塌。第68頁/共90頁第69頁/共90頁材料的分類高分子材料高分子材料：macromolecularmaterial，以高分子化合物為基礎的材料。高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。第70頁/共90頁材料的分類橡膠橡膠（Rubber）：具有可逆形變的高彈性聚合物材料。在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產生較大形變，除去外力后能恢復原狀。橡膠屬于完全無定型聚合物，它的玻璃化轉變溫度（Tg）低，分子量往往很大，大于幾十萬。橡膠一詞來源于印第安語cau-uchu，意為“流淚的樹”。天然橡膠就是由三葉橡膠樹割膠時流出的膠乳經凝固、干燥后而制得。1770年，英國化學家J.普里斯特利發現橡膠可用來擦去鉛筆字跡，當時將這種用途的材料稱為rubber，此詞一直沿用至今。橡膠是橡膠工業的基本原料，廣泛用于制造輪胎、膠管、膠帶、電纜及其他各種橡膠制品。第71頁/共90頁材料的分類塑料

我們通常所用的塑料并不是一種純物質，它是由許多材料配制而成的。其中高分子聚合物(或稱合成樹脂)是塑料的主要成分，此外，為了改進塑料的性能，還要在聚合物中添加各種輔助材料，如填料、增塑劑、潤滑劑、穩定劑、著色劑等，才能成為性能良好的塑料。第72頁/共90頁材料的分類纖維纖維（Fiber）：聚合物經一定的機械加工（牽引、拉伸、定型等）后形成細而柔軟的細絲，形成纖維。纖維具有彈性模量大，受力時形變小，強度高等特點，有很高的結晶能力，分子量小，一般為幾萬。

纖維大體分天然纖維、人造纖維和合成纖維

第73頁/共90頁材料的分類天然纖維植物纖維：是由植物的種籽、果實、莖、葉等處得到的纖維，是天然纖維素纖維。植物纖維的主要化學成分是纖維素，故也稱纖維素纖維。

動物纖維：動物纖維是由動物的毛或昆蟲的腺分泌物中得到的纖維。從動物毛發得到的纖維有羊毛、兔毛、駱駝毛、山羊毛、牦牛絨等；從動物腺分泌物得到的纖維有蠶絲等。動物纖維的主要化學成分是蛋白質，故也稱蛋白質纖維。

第74頁/共90頁材料的分類人造纖維是利用自然界的天然高分子化合物——纖維素或蛋白質作原料(如木材、棉籽絨、稻草、甘蔗渣等纖維或牛奶、大豆、花生等蛋白質)，經過一系列的化學處理與機械加工而制成類似棉花、羊毛、蠶絲一樣能夠用來紡織的纖維。如人造棉、人造絲等。合成纖維的化學組成和天然纖維完全不同，是從一些本身并不含有纖維素或蛋白質的物質如石油、煤、天然氣、石灰石或農副產品，加工提煉出來的有機物質，再用化學合成與機械加工的方法制成纖維。如滌綸、錦綸、腈綸、丙綸、氯綸等。

第75頁/共90頁材料的分類纖維各行各業好幫手日常穿著；導彈“防熱衣”；聚酰亞胺纖維可以做高溫防火保護服、賽車防燃服、裝甲部隊的防護服和飛行服；碳納米管可用作電磁波吸收材料，用于制作隱形材料、電磁屏蔽材料、電磁波輻射污染防護材料和“暗室”（吸波）材料。纖維在醫藥方面的應用已非常廣泛。甲殼素纖維做成醫用紡織品，具有抑菌除臭、消炎止癢、保濕防燥、護理肌膚等功能，因此可以制成各種止血棉、繃帶和紗布，廢棄后還會自然降解，不污染環境；聚乳酸或者脫乙酰甲殼素纖維制成的外科縫合線，在傷口愈合后自動降解并吸收，病人就不用再動手術拆線了。

第76頁/共90頁材料的分類涂料指涂布于物體表面在一定的條件下能形成薄膜而起保護、裝潢或其他特殊功能（絕緣、防銹、防霉、耐熱等）的一類液體或固體材料。因早期的涂料大多以植物油為主要原料，故又稱作油漆。現在合成樹脂已大部分或全部取代了植物油，故稱為涂料。涂料及各種有機溶劑里都含有苯。苯是一種無色具有特殊芳香氣味的液體，所以專家們把它稱為“芳香殺手”。

第77頁/共90頁材料的分類復合材料

是以一種材料為基體，另一種材料為增強體，組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。第78頁/共90頁材料的分類復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料第79頁/共90頁材料的分類復合材料的主要應用領域有：①航空航天領域。用于制造飛機機翼和前機身、衛星天線及其支撐結構、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的殼體、發動機殼體、航天飛機結構件等。②汽車工業。可用于制造汽車車身、受力構件、傳動軸、發動機架及其內部構件。第80頁/共90頁材料的分類③化工、紡織和機械制造領域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復合而成的材料，可用于制造化工設備、紡織機、造紙機、復印機、高速機床、精密儀器等。④醫學領域。碳纖維復合材料具有優異的力學性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫用X光機和矯形支架等。碳纖維復合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環境下穩定性好，也用作生物醫學材料。此外，復合材料還用于制造體育運動器件和用作建筑材料等。未來復合材料的研究方向主要集中在納米復合材料、仿生復合材料、和發展多功能、機敏、智能復合材料等領域。第81頁/共90頁（1）宇宙飛船或衛星返回地面若不控制，外表溫度可達4000℃。合金鋼2000℃也熔化了。目前沒有任一種單一材料可抵此溫度。飛船宇宙飛行時，外壁溫度為零下110℃，返回地面，高溫沖擊時間30min，外壁溫度為1250℃。美國航天飛機“哥倫比亞號”外表覆蓋了可重復使用的聚合物基復合材料隔熱瓦片30757塊，成功解決了難題。(2).宇宙飛行器上的雷達天線，稱為“飛行器眼睛”。為降低信號損失，對其尺寸穩定性有嚴格要求：變形小于萬分之一，重量輕強度高。工作環境卻非常嚴苛：發射加速度沖擊與振動，-200℃~70℃。高模量碳纖維/環氧樹脂復合材料幾乎為唯一滿足要求的材料。人造衛星減重1kg，運載火箭可減輕500kg。美國MX導彈發動機由碳纖維/環氧纏繞殼體取代鈦合金，射程由1千公里增至4千公里,CFWRP的比重僅為合金鋼的1/5。例4，美國航天飛機采用了各種先進復合材料：發動機殼體硼纖維/環氧聚合物基復合材料壓力容器硼纖維/聚酰亞胺,后部機體碳纖維/聚酰亞胺，機體中央部分硼纖維/鋁金屬基復合材料機頭及主翼前緣碳/碳復合材料.哈爾濱飛機公司引進的法國海豚直升機，碳纖維、Kevlar纖維增強環氧先進復合材料用量占70%以上。（3）地球上金屬資源與化石能源越用越少，石油天燃氣等本世紀末將用盡，開發與節約能源為當務之急。據報導，全世界汽車每天用油約300萬噸，約占世界產油總量的30—40%。采用陶瓷基復合材料制造汽車發動機，熱效率提高50%，可減重20%，省油30%。碳纖維增強塑料汽車可省油20%。復合材料—21世紀的鋼第82頁/共90頁材料的分類結構材料是以力學性能為基礎，以制造受力構件所用材料，當然，結構材料對物理或