材料科学与人类文明.ppt

材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲一、材料的发展史，就是人类社会的发展史一、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材料与冶金工程学院 胡劲胡劲人类的三次工业革命人类的三次工业革命v蒸气机、内燃机的发展和完善，使人类从蒸气机、内燃机的发展和完善，使人类从农业社会进入工业社会农业社会进入工业社会——第一次工业革命；第一次工业革命；v电力、石油和自动生产线电力、石油和自动生产线——第二次工业第二次工业革命；革命；v电脑、电信革命，信息时代、知识经济时电脑、电信革命，信息时代、知识经济时代代——第三次工业革命第三次工业革命物质世界的美丽§ 简洁性简洁性§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材料科学与高素质人才h提高科学素质和能力以适应高新技术提高科学素质和能力以适应高新技术h市场经济的发展市场经济的发展b现代工业技术工程师类型现代工业技术工程师类型i工程科学家型工程科学家型i革新发明家型革新发明家型i现场工程专家型现场工程专家型i管理规划专家型管理规划专家型要求良好的科学素质要求良好的科学素质! !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。

用物品的物质人工材料人工材料材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Man made materialsMaterials Science and Engineering材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代三三大大支支柱柱Aluminum in 19th century.Computer材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲* * 航空航天的物质基础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 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6纵向横向高鍛铝鍛铝2014（（LD10））的力学性能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%铝的理论强度为铝的理论强度为4700MPa，，当今高强铝合金的最高强度没有超过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材料与冶金工程学院 胡劲胡劲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材料与冶金工程学院 胡劲胡劲f窗口窗口材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲•导弹的眼睛导弹的眼睛 —— 窗口材料窗口材料 （（ZnS, ZnSe, Al2O3, diamond, …））原理成品 发展时间电机18211886 65真空管 18821915 33无线电18871922 35X光18951913 18雷达19351940 5原子堆19391942 3半导体19481951 3激光19581960 2表表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照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材料与冶金工程学院 胡劲胡劲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）材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Fire - tetrahedronAir - octahedronEther - dodecahedronEarth - cubeWater - icosahedron材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Morphology of PbS crystal with NaCl structure材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Morphology of Diamond Snow flake1 mm60SOURCE:W. Bentley & W. Humpbreys, Snow Crystals, (McGraw-Hill Book Company, 1931), p.147.材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲OHSTRUCTURE OF ICE (H2O)AbBaa材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲* 1914’s Nobel prize; **1915’s, ***1987’s.材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲ABAABCA材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Packing mode 1 (ABCABC…)材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Packing mode 2 (ABCABC…)材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Packing mode 3 (AaBbCcAaBbCc…)材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲abcagb单胞晶系晶系单胞特征单胞特征Bravais点阵点阵三斜abc, 简单三斜abg90单斜abc, 简单单斜ag 90=b底心单斜正交abc, 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=g<120 90, 60四方a=bc, 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材料与冶金工程学院 胡劲胡劲The structures and symmetry of 2D and 3D crystals2D3DBravais lattice 514Point group* 1032Space group** 17230* ГАДОЛИН(加多林), 1869.** ФЕДОРОВ(费多罗夫), 1890, Schoenflies (熊夫利), 1891.材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲量子力学：波粒二象性量子力学：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四重对称轴显示其三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材料与冶金工程学院 胡劲胡劲P. EwaldoPR X-ray Diffraction (Bragg condition) 2d·sinq = lddl/2dsinql材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲2Ψ + U(r)ΨihΨ th2 材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲ABAcGraphiteABCcd0DiamondABAcLonsdaleitCrystalline Structures ofCarbonFullerenes (C60)材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲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材料与冶金工程学院 胡劲胡劲The time-of-flight mass spectrum annotated by KrotoAccident discoveryC60材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Bob CurlSean O’BrienRick SmalleyHarry KrotoJim HeathThe ultimate five-a-side soccer team材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Flat sandwich structure for C60. William Veech, the chairman of Rice University’s Mathematics Dept. 32 faces = 20 hexagons + 12 pentagonsC60 – Truncated icosahedron 2D  3D材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲Leonhard Euler (1752): V + F = E + 2V = 60E = 3(1/2) x 60 = 90F = 2(1/6) x 90 = 30V+ F = 90E + 2 = 92材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲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 faceedge0246810mm材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲See you next time !See you next time !10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-12101材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲波的干涉波的干涉材料与冶金工程学院材料与冶金工程学院 胡劲胡劲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。

在冶金促进了科技人才的培养和发展在冶金/材料领域：材料领域： Reaumur (1722) Hill (1748) 在放大镜下观察出晶粒在放大镜下观察出晶粒  Sorbit 发现并描述了细珠光体发现并描述了细珠光体  Young(1807)提出材料弹性模量概念提出材料弹性模量概念  Barlow(1826)关于材料强度的测定关于材料强度的测定  Tehernoff(1861)发表了钢临界点的实验报告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关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及得 出的第一条出的第一条S-N曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的 科学研究科学研究一、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－欧美国家大学中最早设立冶金系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－欧美国家一、材料学科的演变与发展－欧美国家 2020世纪世纪4040年代后非金属材料有了新的发展年代后非金属材料有了新的发展，，19451945年晶体年晶体管的出现，管的出现，半导体材料异军突起半导体材料异军突起。

为适应新材料发展需要，为适应新材料发展需要，1955-19561955-1956，，BirminghamBirmingham大学大学教授教授 RaynorRaynor 把该校原来的把该校原来的理论冶金系理论冶金系（物理冶金）与（物理冶金）与工业工业冶金系冶金系（化学冶金及冶金加工）合并，组建并更名为（化学冶金及冶金加工）合并，组建并更名为冶金与冶金与材料系材料系，同时，，同时，CambridgeCambridge大学教授大学教授Cottrell Cottrell 把该校冶金系把该校冶金系改名改名材料与材料与冶金系 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－欧美国家一、材料学科的演变与发展－欧美国家 2020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主，二战后，在教学计划中加入了““广泛材料广泛材料””基础理论及非金属材料课程基础理论及非金属材料课程。

60 60至至7070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 80年代美国大学相应系多以材料科学与工程命名年代美国大学相应系多以材料科学与工程命名(MSE)(MSE) 历史上看，材料系多由冶金系演进而来历史上看，材料系多由冶金系演进而来6060年代之后随着非金属材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料发展化学化工系也部分转向材料 统计：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英国著名大学牛津、剑桥、伯明翰大学均以冶金材料系命名  19851985年统计年统计美国美国9090所设材料教学计划的系中有所设材料教学计划的系中有3636所为冶金系所为冶金系 或材料冶金系，有或材料冶金系，有6 6所为化工与材料系所为化工与材料系 目前美国有目前美国有104104所大学设有从事材料学科的系，其中所大学设有从事材料学科的系，其中9595个归属个归属 材料材料/ /冶金类，冶金类，9 9个归属非金属的材料系。

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－欧美国家一、材料学科的演变与发展－中国一、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：系，可以分为五个历史阶段：u19491949年以前：年以前： 北洋西学学堂的矿冶学科（北洋西学学堂的矿冶学科（ 1895 年创建年创建 ），国立唐山工学），国立唐山工学院院 (1905) 、东北大学、东北大学 (1912) 、武汉大学、武汉大学 (1913) 、国立贵州大、国立贵州大学学 (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。

来的一、材料学科的演变与发展－中国一、材料学科的演变与发展－中国u19491949－－19661966年年 苏联模式苏联模式 1951 年将大连大学年将大连大学 ( 现大连理工大学现大连理工大学 ) 的冶金系调到东北的冶金系调到东北工学院工学院 ( 现东北大学现东北大学 ) ，以加强其金属材料学的教学规模以加强其金属材料学的教学规模 1952 年年 4 月，以北洋大学月，以北洋大学 ( 现天津大学现天津大学 ) 、唐山铁道学院、唐山铁道学院 ( 北方交通大学分部北方交通大学分部 ) 、北京工业学院、国立西北工学院、北京工业学院、国立西北工学院 ( 现西北现西北工业大学工业大学 ) 、山西大学等五所院校的矿冶和材料系为基础创建了、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北京钢铁学院 ( 现北京科技大学现北京科技大学 ) ，， 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，中山大学地质山大学地质 系以及系以及 南昌大学的南昌大学的 采矿科采矿科 调整出来在长沙成立了中调整出来在长沙成立了中南矿冶学院南矿冶学院 ( 现中南工业大学现中南工业大学 ) ，， 新成立的北京航空航天学院新成立的北京航空航天学院 ( 现北京航空航天大学现北京航空航天大学 ) 增设了增设了高分子材料高分子材料 ( 含复合材料含复合材料 ) 等专业。

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、化工等系于冶金、机械、化工等系 一、材料学科的演变与发展－中国一、材料学科的演变与发展－中国u19781978－－19901990初初 向欧美学习向欧美学习 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趋势 u20 20 世纪世纪 90 90 年代后期年代后期 1997 年至年至 1999 年，专业进行了第四次大规模修订由行业划分专业年，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场需要新的专业目录由 504 个减少到个减少到 232 个 本科新旧专业对照本科新旧专业对照0713 材料科学类材料科学类( (注注: :可授理学或工学学士学位可授理学或工学学士学位) )u 071301 材料物理材料物理u 071302 材料化学材料化学0802 材料类材料类u080201 冶金工程冶金工程u080202 金属材料工程金属材料工程u080204 高分子材料与工程高分子材料与工程u 071301 071301 材料物理材料物理u 071302 071302 材料化学材料化学u 071303W 071303W 矿物岩石材料矿物岩石材料u080201 080201 钢铁冶金钢铁冶金u080202 080202 有色金属冶金有色金属冶金 u080203 080203 冶金物理化学冶金物理化学u080213W 080213W 冶金冶金u080205 080205 金属压力加工金属压力加工u080209 080209 粉末冶金粉末冶金u080210 080210 复合材料复合材料( (部分部分) )u080211 080211 腐蚀与防护腐蚀与防护u080303 080303 铸造铸造( (部分部分) )u080304 080304 塑性成形工艺及设备塑性成形工艺及设备( (部分部分) )u080305 080305 焊接工艺及设备焊接工艺及设备( (部分部分) )u080206 080206 无机非金属材料无机非金属材料u080207 080207 硅酸盐工程硅酸盐工程u080208 080208 高分子材料与工程高分子材料与工程u081215W 081215W 高分子材料及化工高分子材料及化工( (部分部分) )u080202 无机非金属材料无机非金属材料工程工程一、材料学科的演变与发展－中国一、材料学科的演变与发展－中国本科引导性专业目录本科引导性专业目录080205Y材料科学与工程材料科学与工程u080201 冶金工程冶金工程u080202 金属材料工程金属材料工程u080203 无机非金属材料工程无机非金属材料工程u080203 高分子材料与工程高分子材料与工程一、材料学科的演变与发展－中国一、材料学科的演变与发展－中国u 材料科学与工程材料科学与工程“四要素四要素”1 1、、““四要素四要素””与结构与结构三要素三要素 四要素四要素等边四面体结构等边四面体结构使用使用行为行为合成合成与加工与加工 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 1）成分、组成与结构）成分、组成与结构 ● ● 从电子、原子尺度到宏观尺度从电子、原子尺度到宏观尺度 成分与分布成分与分布 ● ● 结构无限变化导演材料复杂性能结构无限变化导演材料复杂性能 ● ● 成分与结构表征成分与结构表征 ● ● 分析与建模技术分析与建模技术Ø四要素四要素””基本内涵基本内涵 （（2）合成与加工）合成与加工l所有尺度上原子所有尺度上原子、、分子及分子团对结构的控制分子及分子团对结构的控制 l 新结构转化为材料与结构的演化过程新结构转化为材料与结构的演化过程l 宏观操作引发的微观结构变化与宏观操作引发的微观结构变化与““意外意外””现象现象 Ø四要素四要素””基本内涵基本内涵决定工业生产效率与竞争力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材料科学与工程的纵向或横向分类方法陶瓷陶瓷 电子材料电子材料金属金属 高分子材料高分子材料材材料料科科学学与与工工程程材料科学与工程材料科学与工程使用使用/ /效能效能合成合成/ /加工加工组织组织/ /性能性能成分成分/ /结构结构。