第1讲-材料的应用与发展-2011

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1、工程材料学——材料的应用与发展材料学院：杨光昱第一章材料的应用与发展n材料与人类文明n新技术革命与材料n材料的内涵和外延n材料的判据n材料科学与工程的概念n材料的应用和失效n本门课的目的和要求（一）材料与人类文明在地球上，人类赖以生活和生存的，有物质、能量和知识。而在这三个方面，人类与其它动物有着很大的差别。（1）虽然所有的动物都是由物质组成的，并且都需要食物来维持生命，但是，“人是能够制造和使用生产工具的动物”。人属于“动物”，人与其它动物的差别---“种差”，就是上述语句中的定语。制造工具时，又需要物质；不是所有的物质都能用于工具，从这个概念，可以定义材料：“材料是

2、能够为人类制造有用器件的物质”。同理，材料“属”于物质，而上述语句中的定语便是“种差”。n历史学家曾用“材料”来划分历史，例如石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代、……。n原始的人类逐渐使用天然材料，如石头、骨骼、木材、兽皮等，来制造工具、武器、住所、衣服、用品等，这个时代叫做石器时代。n随后，人们发现可塑性好的粘土加热变硬，从而制造了陶器，进入了陶器时代。在人类进化史上，这是一个里程碑，因为人类的智慧发展到将天然材料改造为人工材料。n耗费更大的能量，人类将铜矿石及铁矿石分别还原为铜及铁，因而分别进入铜器时代及铁器时代。（2）人类与其他动物的第二个重要区别在于能量的利

3、用。原始的人类起初和陆上的许多动物一样，采用穴居来利用储存的太阳能。火的发现，是人类利用能源的一个革命性的转变点，人类已不再仅仅直接地依靠太阳能，而且能够将生物的化学能转变为热能。人类用火来烧林、开荒、烹煮食物；用火来加热燧石时之易于成形为工具，加热能使粘土器皿变为陶器，加热手段和还原剂的连用使矿石变为金属。火这个能源的利用，促进了材料及人类文明的发展。另一方面，人类保存和利用能量，一点也离不开材料。远古人类住在洞穴里，依赖天然材料储存太阳能；火的利用，离不开木材和其它燃料，若将材料定义中的“器件”扩大为“物品”，则燃料也是广义的材料。而燃料的砍伐和采掘，当然需要材料。

4、现代的先进能源转换技术中，如发电机、汽轮机、燃气轮机、核反应堆、磁流体发电、煤的汽化和液化、太阳能的转换、高能密度电池等，为了实现能量转换，为了提高效率、安全性、经济性，都依赖于材料的改进和新材料的发现。而材料的生产和利用，也需要能量。今天的社会，材料与能源是相互依靠的。为了强调这种关系，“将用于能量的开发、转换、运输、储存等所需的材料，通称为能源材料”。8而“能源”是属于“能量”的，“自然界中的能量，可被人类经济利用的那一部分能量，就叫做能源”。（3）人类与其他动物的差别还在于信息的传播和保存。“知识”和“信息”之间是难于分别的，可以这样定义：“人类社会中的知识，需要

5、利用和传播的，叫做信息”。远古的人类同其它动物相似，用姿势、表情和简单的语言来传递信息。随后，人类不仅发展了有别于其它动物的高级语言，更重要的是创造了文字，并且发明了印刷术，使知识能够积累和保存，信息可以在空间和时间的多维坐标中广为传播。古代的人类用简单的材料如石片、龟甲、芦苇叶、竹片、粘土板、布片等记录知识。我国夏商时代，在铜鼎、竹筒上长期保存了文化。十一世纪中期，我国比升发明了活字印刷术，这是信息传播的一个跃进。显然，这些信息和传播方面的进展，丝毫不能离开材料。现代的信息储存、处理和传播的先进技术，如电话、收音机、照相机、录音机、计算机等的出现、改进和换代，都依赖于

6、材料。另一方面，信息技术的发展，会促使材料的生产和应用。因此，信息与材料是相互依靠的。为了强调这种关系，“将用于信息的接收、处理、储存和传播所需的材料，统称为信息材料”。n在人类历史的进程中，材料本身也经历了巨大的变化。从天然材料的木、石等发展到简单的人造材料如陶瓷、玻璃、金属、高分子化合物、半导体等，进一步发展到用优异材料巧妙地组合成和谐而有高性能的器件和装备，如集成电路、计算机、飞机、潜艇、核反应器、宇宙飞船、人造卫星等。这些巨大的进展，不是其它动物能达到的！这是因为只有人类才能够有意识地利用其祖先积累的信息和各种能源。还应该指出，人类的生活和生存所依赖的衣食原料，

7、依赖于农业科学技术，随着农业现代化和工业化的发展，材料的作用将越来越重要。甚至人类延年益寿的一条途径如依赖生物材料来更换器官，如遗传工程的实施也需要生物材料的保证。尤其是进入二十一世纪以来，生物工程和遗传生物技术的飞速发展，促使材料家族出现了第四种材料，即”生物材料”。材料、能源、信息和生物这四根支柱，一直在支撑着人类赖以生存的空间。随着科学技术的日新月异，这四根支柱的联系会更加紧密。通过回顾人类超越动物的历史，可以看到材料的重要性，可以看到材料、能源和信息在发挥人类聪明才智方面的重要作用。下面我们予以简单回顾。在人类文明的进程中，材料发