材料科学与人类文明.ppt

材料与冶金工程学院 胡劲 人类文明社会的先导 -新材料 一、材料的发展史，就是人类社会的发展史 二、材料的发展史，就是科学技术的发展史 第一、二讲 材料与冶金工程学院 胡劲 人类的三次工业革命 蒸气机、内燃机的发展和完善，使人类从 农业社会进入工业社会 第一次工业革命； 电力、石油和自动生产线 第二次工业 革命； 电脑、电信革命，信息时代、知识经济时 代 第三次工业革命 。 物质世界的美丽 简洁性 描述经验资料 ， 具有最少量的定义和独立 假设的模型 最好的理论； “ 遥望 ” 从整体上把握万物 ， 星星繁多 ， 却个个清晰 ， 万里长城 （ 单块石头 ） ； 质点 、 刚体 、 黑体 、 谐振子 、 理想气体等 ， 小到原子大到太阳可以有同一名称 质 点 。 对称性 对称、平衡、和谐是人类共同的审美心态； 古罗马的建筑、中国的宫殿、 周易 中的阴阳、 八卦； 作用力与反作用力、正负电荷、 S极 N极、电流周 围的磁场及变化磁场周围的电场、杨振宁和李政 道的宇称守恒。 普遍性 “1 1 2”数学抽象， “ 1头牛 2头牛 3头 牛； 1个原子 2个原子 3个原子 ” ； 0、 1、 2所包含的的哲学思想； 普朗克在瑞利和维恩定律后，为追求二者 的统一，引出普朗克常数。 稳定感 人类审美心态的又一要素 表现了对封闭、 独立系统的向往； 联合国宪章规定了一百多个国家的边界不可侵 犯；互不干涉内政也体现了这种心态； 整个宇宙（有限）中，质量 (能量 )守恒、电荷 守恒； 二千多年前孔子望着川流不息的江河感慨： “ 逝者如斯夫，不舍昼夜 ” 。 人们渴望永恒，真空中的光速、普朗克常数、 电子电荷、阿伏加德罗常数等等。 延伸性 “落霞与孤骛齐飞，秋水共长天一色 ” 唐代王勃把视野 引向无穷、无尽、无限和无数。 仿佛看到在一块无限大平板上，放着一个刚球，伽利略 一推，刚球保持初速直线前进，向前，向前，直到无 边 否定亚力斯多德的经验结论。 材料科学与高素质人才 提高科学素质和能力以适应高新技术 市场经济的发展 现代工业技术工程师类型 工程科学家型 革新发明家型 现场工程专家型 管理规划专家型 要求良好的科学素质 ! 什么是材料 (materials)? Materials is the stuff from which a thing is made for using. 材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有 用物品的物质。 天然材料 人工材料 人工材料 材料与冶金工程学院 胡劲 材料的分类 用途：结构材料 （受力，承载） 功能材料 （半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等） 物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料 属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料 材料与冶金工程学院 胡劲 发展：传统材料 （钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷， . ） 新材料 （金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料 , .） The broad field of materials science and engineering seeks to explain and control one or more of the four basic elements: 1. The structure and composition of a material, including the type of atoms and their arrangement as viewed over the range of length scales (nano-, meso-, micro-, macro-scale). 2. The synthesis and processing by which the particular arrangement of atoms achieved. 3. The properties of the material resulting from the atoms and their arrangement, that make material interesting or useful. 4. The performance of the material, that is, the measurement of its usefulness in actual conditions, taking account of economic and social costs and benefits. Man made materials Materials Science and Engineering 材料与冶金工程学院 胡劲 一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。 人类历史的划分 石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代。 现代社会 三 大 支 柱 能源、信息和 材料 （ 1998） 生物工程，信息技术和 新材料 Aluminum in 19th century. Computer 材料与冶金工程学院 胡劲 * 航空航天的物质基础 三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度 ) b(MPa) 0.2(MPa) (%) 382 310 6 488 478 12 360 280 4 482 472 9 330 250 2 440 290 6 纵向 横向 高 鍛铝 2014（ LD10）的力学性能 卫星发射，节省 1公斤重量将降低费用 $20000。一次发射节约费用 20%。 铝的理论强度为 4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过 1000MPa。 Fig. 1. Relation between and . 材料与冶金工程学院 胡劲 铝合金的 主要应用领域 战机 舰船 导弹 火箭 人造 卫星 战车 高速列车 汽车 高层 建筑 材料与冶金工程学院 胡劲 f 导弹头罩 窗口 窗口材料： 蓝宝石 金刚石 ZnS/金刚石 材料与冶金工程学院 胡劲 导弹的眼睛 窗口材料 （ ZnS, ZnSe, Al2O3, diamond, ） 二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。 原理 成品 发展时间 电机 1821 1886 65 真空管 1882 1915 33 无线电 1887 1922 35 X光 1895 1913 18 雷达 1935 1940 5 原子堆 1939 1942 3 半导体 1948 1951 3 激光 1958 1960 2 表 1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照 中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷 材料与冶金工程学院 胡劲 1）逻辑推理 (古代哲学家， 432 BC.) 2）宏观形貌观察、观测（ by eye, 1669） 3）数学理论计算 4）科学测定（ X-ray diffraction, electron diffraction,等） 1、古代中国： “ 日取其半，万世不竭 ” “ 道生一，一生二，二生三，三生万物 ” （ 老子 ）； “ 以土与金、木、水、火杂以成百物 ” （ 国语 正语 ）； “ 太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物 ” （ 易经 ） 人类对材料微观结构认识的发展过程 材料与冶金工程学院 胡劲 2、 Europe: Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.) 5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, earth, water, ether) which were used for describing every thing in the world. Fire - tetrahedron Air - octahedron Ether - dodecahedron Earth - cube Water - icosahedron 材料与冶金工程学院 胡劲 介 观 宏 观 晶体的结构与形状 晶体的结构 晶体的形状 材料与冶金工程学院 胡劲 Morphology of PbS crystal with NaCl structure 材料与冶金工程学院 胡劲 材料与冶金工程学院 胡劲 Morphology of Diamond Snow flake 1 mm 60 SOURCE: W. Bentley *1915s, *1987s. 电子显微镜（ SEM、 TEM） 扫描探针显微术 *（ STM、 AFM） 材料与冶金工程学院 胡劲 ABA ABCA ATOMIC PACKING 材料与冶金工程学院 胡劲 Packing mode 1 (ABCABC) 材料与冶金工程学院 胡劲 Packing mode 2 (ABCABC) 材料与冶金工程学院 胡劲 Packing mode 3 (AaBbCcAaBbCc) 材料与冶金工程学院 胡劲 a b c a g b 单胞 晶系 单胞特征 Bravais点阵 三斜 abc, 简单三斜 abg90 单斜 abc, 简单单斜 ag 90=b 底心 单斜 正交 abc, 简单正交，底心正交 a=b=g=90 体心正交，面心正交 三角 a=b=c, 简单三角 a=b=g120 90, 60 四方 a=bc, 简单四方 a=b=g=90 体心四方 六角 a=b, 六角 b=g=90, a=120 立方 a=b=c, 简单立方，体心立方 a=b=g=90 面心立方 七大晶系、 14种 Bravais点阵 材料与冶金工程学院 胡劲 The structures and symmetry of 2D and 3D crystals 2D 3D Bravais lattice 5 14 Point group* 10 32 Space group* 17 230 * (加多林 ), 1869. * (费多罗夫 ), 1890, Schoenflies (熊夫利 ), 1891. 材料与冶金工程学院 胡劲 量子力学：波粒二象性 物理学最美的实验” 一箭双雕 慕尼黑事件” 科学史上的大事 1912年， Laue, Friedrich, Knipping, ZnS 的劳厄衍射照片 显示其四重对称轴 显示其三重对称轴 光的波动性 X射线光谱学 晶体微观周期性结构 固体物理 材料与冶金工程学院 胡劲 P. Ewald q q o P R X-ray Diffraction (Bragg condition) q q 2dsinq = l d d l/2 dsinq l 材料与冶金工程学院 胡劲 晶体的微观周期性结构 电子在周期势场中的运动 量子力学 Schrdinger方程 能 带 理 论 固体半导体理论 2 + U(r) ih t h 2 晶体点阵中的缺陷 金属材料强化理论 位错在晶体中运动 晶体的宏观 几何形貌 晶体生长理论 表 面 组 装 材料与冶金工程学院 胡劲 A B A c Graphite A B C c d 0 Diamond A B A c Lonsdaleit Crystalline Structures of Carbon Fullerenes (C60) 材料与冶金工程学院 胡劲 A Fuller dome built for the Union Tank Car Company in Baton Rouge, Louisiana (Oct. 1958) Buckerminster Fuller - an American architect 材料与冶金工程学院 胡劲 The time-of-flight mass spectrum annotated by Kroto Accident discovery C60 材料与冶金工程学院 胡劲 Bob Curl Sean OBrien Rick Smalley Harry Kroto Jim Heath The ultimate five-a-side soccer team 材料与冶金工程学院 胡劲 Flat sandwich structure for C60. William Veech, the chairman of Rice Universitys Mathematics Dept. 32 faces = 20 hexagons + 12 pentagons C60 Truncated icosahedron 2D 3D 材料与冶金工程学院 胡劲 Leonhard Euler (1752): V + F = E + 2 V = 60 E = 3(1/2) x 60 = 90 F = 2(1/6) x 90 = 30 V+ F = 90 E + 2 = 92 材料与冶金工程学院 胡劲 How dose the Fulleren form ?! It seemed only slight less likely a possibility than a bunch of monkeys toying randomly with words of the English language, and coming up with a Shakespeare play. Jim Baggott, Perfect Symmetry, 1994. vertex face edge 0 2 4 6 8 10m 材料与冶金工程学院 胡劲 See you next time ! See you next time ! 微 观 (Micro-) 介 观 (Meso-) 宏 观 (Macro-) 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 m 10-10 10-11 10-12 101 纳 米 (Nano-) 材料与冶金工程学院 胡劲 波的干涉 (a) 同位相，相长干涉 (b) 反位相，相消干涉 (c) 存在一定位相差 材料与冶金工程学院 胡劲 材料专业的演 变与发展 工业的迅猛发展要求与之相适应的科学技术与专门人才：十七 世纪中叶英国成立了皇家学会，之后又在大学设立工程学科，大大 促进了科技人才的培养和发展。在冶金 /材料领域： Reaumur (1722) Hill (1748) 在放大镜下观察出晶粒。 Sorbit 发现并描述了细珠光体。 Young(1807)提出材料弹性模量概念。 Barlow(1826)关于材料强度的测定。 Tehernoff(1861)发表了钢临界点的实验报告。 Wshery(1860-1870)关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及得 出的第一条 S-N曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的 科学研究。 一、材料学科的演变与发展欧美国家 大学中最早设立冶金系 美国 (1865)年建立第一批矿冶系 Michigan technological Univ. (后归 Michigan大学 ) Columbia 大学 Carnigie-Mellon 大学 英国（ 1865-1870）大学开始设立矿冶系 Sheffield 大学 侧重炼钢 Birmingham 大学 侧重铸铁 Emperical mining college 学院 侧重冶炼工艺 一、材料学科的演变与发展欧美国家 20世纪 40年代后非金属材料有了新的发展 ， 1945年晶 体管的出现， 半导体材料异军突起 。 为适应新材料发展需要， 1955-1956， Birmingham大 学教授 Raynor 把该校原来的 理论冶金系 （物理冶金）与 工 业冶金系 （化学冶金及冶金加工）合并，组建并更名为 冶金 与材料系 ，同时， Cambridge大学教授 Cottrell 把该校冶金 系改名材料与冶金系。 欧洲大学首次明确设置材料系与相应的教学计划。 一、材料学科的演变与发展欧美国家 20世纪前半叶，美国材料学科教育也主要在冶金系，以金属材料为主， 二战后，在教学计划中加入了 “ 广泛材料 ” 基础理论及非金属材料课程。 60至 70年代，原设置冶金系的大学逐步将系名更改为材料系或冶金与 材料系。 80年代美国大学相应系多以材料科学与工程命名 (MSE)。 历史上看，材料系多由冶金系演进而来。 60年代之后随着非金属材料 发展化学化工系也部分转向材料。 统计： 英国著名大学牛津、剑桥、伯明翰大学均以冶金材料系命名。 1985年统计 美国 90所设材料教学计划的系中有 36所为冶金系 或材料冶金系，有 6所为化工与材料系。 目前美国有 104所大学设有从事材料学科的系，其中 95个归属 材料 /冶金类， 9个归属非金属的材料系。 一、材料学科的演变与发展欧美国家 一、材料学科的演变与发展中国 中国的材料科学与工程教育起源于部分高校的采矿系、矿 冶系，可以分为五个历史阶段： 1949年以前： 北洋西学学堂的矿冶学科（ 1895 年创建 ），国立唐山工学 院 (1905) 、东北大学 (1912) 、武汉大学 (1913) 、国立贵州大 学 (1941) 。 1946 年，国立清华大学从西南联合大学回北京复校后，在 工学院中又增设了化学工程系，把材料学科教育扩宽到非金属领 域。 材料教育主要是培养矿冶人才，突出特点是不划分专业，教 学内容包括采矿、选矿、冶金、材料等内容，是一种宽领域培养 模式，许多材料界前辈专家就是在这种宽口径学科背景下培养出 来的。 一、材料学科的演变与发展中国 1949 1966年 苏联模式 1951 年将大连大学 ( 现大连理工大学 ) 的冶金系调到东北 工学院 ( 现东北大学 ) ，以加强其金属材料学的教学规模。 1952 年 4 月，以北洋大学 ( 现天津大学 ) 、唐山铁道学院 ( 北方交通大学分部 ) 、北京工业学院、国立西北工学院 ( 现西 北工业大学 ) 、山西大学等五所院校的矿冶和材料系为基础创建 了北京钢铁学院 ( 现北京科技大学 ) ， 同年，将武汉大学、湖南大学、广西大学的矿冶工程系， 中山大学地质 系以及 南昌大学的 采矿科 调整出来在长沙成立 了中南矿冶学院 ( 现中南工业大学 ) ， 新成立的北京航空航天学院 ( 现北京航空航天大学 ) 增设了 高分子材料 ( 含复合材料 ) 等专业。 我国的材料科学技术人才被分割在十几个专业内培养，分属 于冶金、机械、化工等系 一、材料学科的演变与发展中国 1978 1990初 向欧美学习 浙江大学率先设立材料科学与工程系；此后，北京科技大学、复旦 大学、清华大学等重点院校相继设立材料科学与工程 ( 或相近名称 ) 系。 改革的主要内容：在原设置专业基础上扩充内容，试办新专业，总 体上体现了逐步打破原专业设置界限、加强专业间的渗透与联系的改革 趋势 20 世纪 90 年代后期 1997 年至 1999 年，专业进行了第四次大规模修订由行业划分专 业向以学科划分专业过渡。厚基础、宽专业、高素质、强能力，以适应 市场需要。新的专业目录由 504 个减少到 232 个。 本科新旧专业对照 0713 材料科学类 (注 :可授理学或工学学士学位 ) 071301 材料物理 071302 材料化学 0802 材料类 080201 冶金工程 080202 金属材料工程 080204 高分子材料与工程 071301 材料物理 071302 材料化学 071303W 矿物岩石材料 080201 钢铁冶金 080202 有色金属冶金 080203 冶金物理化学 080213W 冶金 080205 金属压力加工 080209 粉末冶金 080210 复合材料 (部分 ) 080211 腐蚀与防护 080303 铸造 (部分 ) 080304 塑性成形工艺及设备 (部分 ) 080305 焊接工艺及设备 (部分 ) 080206 无机非金属材料 080207 硅酸盐工程 080208 高分子材料与工程 081215W 高分子材料及化工 (部分 ) 080202 无机非金属材料 工程 一、材料学科的演变与发展中国 本科引导性专业目录 080205Y材料科学与工程 080201 冶金工程 080202 金属材料工程 080203 无机非金属材料工程 080203 高分子材料与工程 一、材料学科的演变与发展中国 材料科学与工程“四要素” 1、 “ 四要素 ” 与结构 三要素 四要素 等边四面体结构 成 分 （ 组 成 ） 与 结 构 合 成 与 加 工 性 质 使 用 行 为使用 行为 合成 与加工 材料科学与工程的定义（国际公认）是：研究有关材料成份 /结构、制备 /合成、 性能 /组织和使用效能及其关系的科学技术与生产。对材料四要素的认识和理解，要有 动态的观念，材料科学与工程四个基本要素的说明和控制应放在更高、更深的层次， 即分子、原子尺度来阐释和控制。 材料的结构与成分应更着重于包括分子、原子的类型及所观察尺度范围（纳 米、 介观、微 观、宏观）内分子、原子的排列组合。 使原子（原子团），分子可得到特定排列组合的合成与加工； 由不同原子（原子团）、分子及其排列组合所得到的使材料具有值得研究和使用的 性能； 考虑经济和社会效益的材料使用服役实际条件及其有效性的度量。 四要素是一个整体，内部有机联系是其核心与活力所在。 （ 1）成分、组成与结构 从电子、原子尺度到宏观尺度 成分与分布 结构无限变化导演材料复杂性能 成分与结构表征 分析与建模技术 四要素 ” 基本内涵 （ 2）合成与加工 所有尺度上原子 、 分子及分子团对结构的控制 新结构转化为材料与结构的演化过程 宏观操作引发的微观结构变化与 “ 意外 ” 现象 四要素 ” 基本内涵 决定工业生产效率与竞争力 材料科学与工程的纵向或横向分类方法 陶瓷 电子材料 金属 高分子材料 材 料 科 学 与 工 程 材料科学与工程 使用 /效能 合成 /加工 组织 /性能 成分 /结构