第一章第一章 材料及其在人类社会发展材料及其在人类社会发展 进程中的地位和作用进程中的地位和作用1-1.材料是人类社会进步的里程碑1-2.材料是经济和社会发展的基础和先导1.1.新材料技术是工业革命和产业发展的先导新材料技术是工业革命和产业发展的先导2.2.新材料技术是高技术发展的基础新材料技术是高技术发展的基础2021/6/31 纵观人类利用材料的历史，可以纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进技术革命，大大地加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨程，给社会生产力和人类生活带来巨大的变革，把人类物质文明推向前进。大的变革，把人类物质文明推向前进。材料是人类社会进步的里程碑材料是人类社会进步的里程碑2021/6/32人类使用材料的七个时代的开始时间材料是人类社会进步的里程碑材料是人类社会进步的里程碑2021/6/33人类利用材料的历史，就人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的是一部人类进化和进步的历史历史。材料是人类社会进步的里程碑材料是人类社会进步的里程碑2021/6/341-2 材料是经济和社会材料是经济和社会发展的基础和先导发展的基础和先导新材料技术是工业革命和产业发展新材料技术是工业革命和产业发展的先导的先导新材料技术是高技术发展的基础新材料技术是高技术发展的基础2021/6/35两次工业革命都是以新材料两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的的发明和广泛应用为先导的第一次工业革命（第一次工业革命（1818世纪）：制钢工业的发展世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。第二次工业革命（第二次工业革命（2020世纪中叶以来）：单晶硅世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/36材材料料强强度度密密度度比比在在不不同同年年代代里里的的进进展展(由由图图中中可可以以看看出出,现现代代先先进进材材料料的的强强度度已已比比原原始始材材料料提提高高了了约约50倍倍)铝铝木材木材石料石料青铜青铜铸铁铸铁钢钢复合材料复合材料碳纤维碳纤维芳香族酰胺纤维芳香族酰胺纤维6新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/37现代涡轮喷气发动机现代涡轮喷气发动机年代气冷年代气冷式航空发动机式航空发动机蒸汽机蒸汽机在在本本世世纪纪内内由由于于采采用用了了现现代代材材料料使使发发动动机机工工作作温温度度急急剧剧上上升升，因而发动机的理论效率大大提高。因而发动机的理论效率大大提高。新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/38新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/391950196519551970197519601990198019952000198520053070504060100908020110120130座座mile/Usgal 航空材料的发展与飞机的燃放航空材料的发展与飞机的燃放年份年份Comet707-120707-120B880990727-100DC-9-30A320-200747-400MD112.5倍飞机燃油效率提高飞机燃油效率提高2.5倍倍新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导 航空材料的发展航空材料的发展2021/6/31019501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面温度材料的表面温度()1700单晶合金单晶合金普通铸件普通铸件定向凝固超级合金定向凝固超级合金共晶合金共晶合金弥散强化超级合金弥散强化超级合金隔热涂层隔热涂层陶瓷复合材料陶瓷复合材料碳碳-碳碳新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导在发动机上应用的年份在发动机上应用的年份叶片材料的发展历程叶片材料的发展历程纤维增强超级合金纤维增强超级合金2021/6/311109316495381490C3150C6490C10930C19270C发动机温度发动机温度一次大战水冷式一次大战水冷式30年代空冷式年代空冷式风扇喷气发动机风扇喷气发动机蜗轮喷气发动机蜗轮喷气发动机超音速燃烧冲压超音速燃烧冲压式喷气发动机式喷气发动机温度（温度（0C）新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/312110011001100110021972197120018001001200410950400飞船返回舱舱体温度情况飞船返回舱舱体温度情况新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/313小飞机小飞机 直升机直升机 运输机运输机 波音波音707战斗机战斗机喷气式机喷气式机 超音速飞机超音速飞机近地卫星近地卫星卫星卫星飞机速率速度与效益速度与效益10102103104每减少1kg所收获效益 新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/314新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导+175+390+595金属金属玻璃纤维玻璃纤维KavlarC/C复合材料复合材料K m导弹射程导弹射程火箭壳体材料与导弹射程火箭壳体材料与导弹射程2021/6/31530年代教练机年代教练机二次大战战斗机二次大战战斗机80年代截击机年代截击机航天飞机航天飞机东方快车号东方快车号10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同类型的飞行器蒙皮温度不同类型的飞行器蒙皮温度温度（温度（0C）新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/316碳素工具钢碳素工具钢钨钴铬硬质合金钨钴铬硬质合金烧结碳化钨烧结碳化钨金属陶瓷金属陶瓷陶瓷陶瓷多晶金刚石多晶金刚石高速钢高速钢立方氮化硼立方氮化硼新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导2021/6/317图图1.1 高技术体系示意图高技术体系示意图探索智力探索智力探索宇宙空间探索宇宙空间探索物质结构探索物质结构探索生命本质探索生命本质探索海洋奥秘探索海洋奥秘环境科学技术环境科学技术空间科学技术空间科学技术新材料科新材料科学技术学技术新能源与再生能源新能源与再生能源信息科学技术信息科学技术生物科学技术生物科学技术海洋科学技术海洋科学技术人人材料发展总的趋势材料发展总的趋势2021/6/31821世纪重点发展的高技术领域的材料选择世纪重点发展的高技术领域的材料选择材料发展总的趋势材料发展总的趋势2021/6/319材料发展总的趋势材料发展总的趋势u信息科学技术正在发生结构性变革，仍然信息科学技术正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量是经济持续增长的主导力量 通信网络技术为信息产业注入强大活力通信网络技术为信息产业注入强大活力宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术半导体技术进入纳米时代半导体技术进入纳米时代计算机智能技术日新月异计算机智能技术日新月异2021/6/320材料发展总的趋势材料发展总的趋势u生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成一个庞大的生物产业正在孕育和形成对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点科学的前沿与热点蛋白质科学正向深度和广度迅速发展蛋白质科学正向深度和广度迅速发展干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用转基因技术及应用呈现出高速发展的态势转基因技术及应用呈现出高速发展的态势2021/6/321材料发展总的趋势材料发展总的趋势u生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成一个庞大的生物产业正在孕育和形成对生命现象的本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段；对生命现象的本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段；基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点；科学的前沿与热点；蛋白质科学正向深度和广度迅速发展。蛋白质科学正向深度和广度迅速发展。干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用转基因技术及应用呈现出高速发展的态势转基因技术及应用呈现出高速发展的态势2021/6/322材料发展总的趋势材料发展总的趋势u航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间间 太空探索带动太空探索技术加速发展太空探索带动太空探索技术加速发展 研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势。未来趋势。 小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。 太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域。太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域。2021/6/323材料发展总的趋势材料发展总的趋势u能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实现可持续发展类实现可持续发展煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点。煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点。核能技术酝酿新的突破。核能技术酝酿新的突破。氢能技术研发和商业应用加速氢能技术研发和商业应用加速新能源和可再生能源技术展现良好前景新能源和可再生能源技术展现良好前景天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔2021/6/324材料发展总的趋势材料发展总的趋势u先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息化、先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息化、极端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关极端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关键技术键技术光机电一体化技术光机电一体化技术微电子光刻技术微电子光刻技术重大装备制造技术重大装备制造技术2021/6/325材料发展总的趋势材料发展总的趋势u新材料技术出现群体性突破，将对新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础世纪基础科学和几乎科学和几乎所有工业领域所有工业领域产生革命性影响产生革命性影响纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。发展最快和最有前途的电子信息材料。新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料）材料、生物医用材料）新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）2021/6/326新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础196019701980199011011021031081071061051041011021031年份每片集成电路芯片上元件的数量按指数规律增加，而最小特征尺寸则按指数规律减小（美国电话电报公司贝尔实验室）MOS存储器双极存储器MOS逻辑器双极逻辑(b)(a)SSIMSILSIVLSI二 维三 维界面最小特征长度（ M ）每个芯片上的元件数2021/6/327197019601950194019801990200010-1010-810-610-410-210010250100150250300200半导体器件半导体器件电子管电子管19481958晶体管晶体管集成电路集成电路40年间器件尺年间器件尺 寸降低寸降低100万倍万倍0.350.51.28线宽（线宽（ ，M)0.00520.2极大极大(10-7)大规模大规模(103-105)超大规模超大规模(106-107) (美分美分)芯片价格芯片价格器件尺寸器件尺寸相相 对对 值值晶晶 片片 直直 径径 ( MM )年年 代代新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/328新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/329无机非金属敏感材料新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/330 计算机的核心部件是集成电路其容量和速度每年以50%发展，计算速度已大约每秒万亿次，2000年可达100万亿次。 计算外设装置莫不决定于材料，如存储（光盘，磁盘等），显示（液晶、GaAs）。 计算机的控制精度与灵敏度决定于敏感材料（传感器）的灵敏度、精度与稳定性。计 算 机新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/3313000（公元前）101.00.19650101光学纤维光学玻璃埃及人的菲尼基人的1000（公元）190019661979198310-1010-100年份光学损耗（ dB/km)每公里透光率玻璃透光度的改进历史玻璃透光度的改进历史高高性性能能光光导导纤纤维维材材料料（低低光光学学 损损 耗耗 、高高透透光光率率）的的出出现现对对微微 电电 子子 、通通讯讯等等高高技技术术行行业业产产生生巨巨大大的的 影影 响响。新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/332新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/3331890191019301950197019902010203020501102104106108第一条电话第一条电话一对一对12路电话线路电话线同轴电缆同轴电缆同轴电缆与微波系统同轴电缆与微波系统通讯卫星通讯卫星光导纤维光导纤维年年不同通讯方式的相对信息量不同通讯方式的相对信息量相相对对信信息息量量新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/334总结：总结：正是由于这两类材料的发明和应用技正是由于这两类材料的发明和应用技术的主要缘故，才可能有当今术的主要缘故，才可能有当今“第三第三次革命次革命”-信息革命的产生；使人类信息革命的产生；使人类进入了一个新的时代进入了一个新的时代-信息时代。信息时代。新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/335上上述述事事例例雄雄辩辩的的表表明明，新新材材料料是是人人类类社社会会进进步步、世世界界革革命命和和提提高高人人类类生生活活品品质质中中具具有有特特别别重重要要的的基基础础和和先先导导作作用用，其其发发展展对对提提高高国国家家的的综综合合国国力力和和国国际际实实力力具具有有巨大的推动作用和深远的影响巨大的推动作用和深远的影响。新材料技术是高新材料技术是高技术发展的基础技术发展的基础2021/6/336部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！