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第一章材料及其在人类社会发展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 新材料技术是工业革命和产业发展的先导2 新材料技术是高技术发展的基础 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 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 人类利用材料的历史 就是一部人类进化和进步的历史 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 新材料技术是工业革命和产业发展的先导新材料技术是高技术发展的基础 两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的 第一次工业革命 18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 第二次工业革命 20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 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 在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升 因而发动机的理论效率大大提高 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 1950 1965 1955 1970 1975 1960 1990 1980 1995 2000 1985 2005 30 70 50 40 60 100 90 80 20 110 120 130 座 mile Usgal 航空材料的发展与飞机的燃放 年份 Comet 707 120 707 120B 880 990 727 100 DC 9 30 A320 200 747 400 MD11 新材料技术是工业革命和产业发展的先导 航空材料的发展 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 900 1100 1500 1300 材料的表面温度 1700 单晶合金 普通铸件 定向凝固超级合金 共晶合金 弥散强化超级合金 隔热涂层 陶瓷复合材料碳 碳 新材料技术是工业革命和产业发展的先导 在发动机上应用的年份 叶片材料的发展历程 纤维增强超级合金 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 小飞机 直升机 运输机 波音707 战斗机 喷气式机 超音速飞机 近地卫星 卫星 飞机速率 速度与效益 10 102 103 104 每减少1kg所收获效益 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 火箭壳体材料与导弹射程 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 图1 1高技术体系示意图 探索智力 探索宇宙空间 探索物质结构 探索生命本质 探索海洋奥秘 环境科学技术 空间科学技术 新材料科学技术 新能源与再生能源 信息科学技术 生物科学技术 海洋科学技术 人 材料发展总的趋势 21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 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半导体技术进入纳米时代计算机智能技术日新月异 材料发展总的趋势 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科学的前沿与热点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 材料发展总的趋势 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科学的前沿与热点 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 材料发展总的趋势 航天技术快速发展 不断开辟人类探索的新空间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未来趋势 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 材料发展总的趋势 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 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天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔 材料发展总的趋势 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键技术光机电一体化技术微电子光刻技术重大装备制造技术 材料发展总的趋势 新材料技术出现群体性突破 将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域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 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 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 新材料技术是高技术发展的基础 1960 1970 1980 1990 1 101 102 103 108 107 106 105 104 101 102 103 1 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 SSI MSI LSI VLSI 二维 三维 界面 最小特征长度 M 每个芯片上的元件数 1970 1960 1950 1940 1980 1990 2000 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 100 102 50 100 150 250 300 200 半导体器件 电子管 1948 1958 晶体管 集成电路 40年间器件尺寸降低100万倍 0 35 0 5 1 2 8线宽 M 0 005 2 0 2 极大 10 7 大规模 103 105 超大规模 106 107 美分 芯片价格 器件尺寸 相对值 晶片直径 MM 年代 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 无机非金属敏感材料 新材料技术是高技术发展的基础 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 新材料技术是高技术发展的基础 玻璃透光度的改进历史 高性能光导纤维材料 低光学损耗 高透光率 的出现对微电子 通讯等高技术行业产生巨大的影响 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 新材料技术是高技术发展的基础 总结 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 第三次革命 信息革命的产生 使人类进入了一个新的时代 信息时代 新材料技术是高技术发展的基础 上述事例雄辩的表明 新材料是人类社会进步 世界革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用 其发展对提高国家的综合国力和国际实力具有巨大的推动作用和深远的影响 新材料技术是高技术发展的基础