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材料与人类文明

中南大学多媒体课件. The course of. 材料与人类文明. Time: 16 hrs. 材料科学与工程学院 . 材料科学与工程学院 . 第一、二讲. 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. 材料科学与工程学院 . 什么是材料 ( materials )?. 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。. Materials is the stuff from which a thing is made for using . 天然材料. 人工材料.

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Presentation Transcript

  1. 中南大学多媒体课件 The course of 材料与人类文明 Time: 16 hrs 材料科学与工程学院 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  2. 材料科学与工程学院 第一、二讲 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 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  3. 材料科学与工程学院 什么是材料(materials)? 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。 Materials is the stuff from which a thing is made for using. 天然材料 人工材料 人工材料 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  4. 材料科学与工程学院 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） 属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料 几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料 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, ...） Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  5. 材料科学与工程学院 Man made materials Materials Science and Engineering • The broad field of materials science and engineering seeks to explain and control one or more of the four basic elements: • 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). • The synthesis and processing by which the particular arrangement of atoms achieved. • The properties of the material resulting from the atoms and their arrangement, that make material interesting or useful. • The performance of the material, that is, the measurement of its usefulness in actual conditions, taking account of economic and social costs and benefits. Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  6. 材料科学与工程学院 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。 Computer Aluminum in 19th century. 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 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  7. 材料科学与工程学院 b(MPa) 0.2(MPa) (%) s d 382 310 6 纵向 488 478 12 360 280 4 横向 482 472 9 330 250 2 高 Fig. 1. Relation between s and d. 440 290 6 * 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) 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%。 鍛铝2014（LD10）的力学性能 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。 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  8. 材料科学与工程学院 导弹 舰船 战机 高层 建筑 火箭 战车 人造卫星 汽车 高速列车 铝合金的 主要应用领域 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  9. 材料科学与工程学院 f • 导弹的眼睛 —— 窗口材料 • （ZnS, ZnSe, Al2O3, diamond, …） 导弹头罩 窗口材料： 蓝宝石 金刚石 ZnS/金刚石 窗口 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  10. 材料科学与工程学院 表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照 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 二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。 中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  11. 材料科学与工程学院 人类对材料微观结构认识的发展过程 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》） Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  12. 材料科学与工程学院 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 Earth - cube Water - icosahedron Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU Ether - dodecahedron

  13. 材料科学与工程学院 晶体的结构与形状 晶体的结构 晶体的形状 介 观 宏 观 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  14. 材料科学与工程学院 Morphology of PbS crystal with NaCl structure Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  15. 材料科学与工程学院 Morphology of Diamond Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  16. 材料科学与工程学院 60 1 mm Snow flake SOURCE: W. Bentley & W. Humpbreys, Snow Crystals, (McGraw-Hill Book Company, 1931), p.147. Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  17. 材料科学与工程学院 O H a B b A a STRUCTURE OF ICE (H2O) Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  18. 材料科学与工程学院 雪花 —“六出”、“六花” 宋（960-1279 A.D.）•楼钥,《谢林景思和韵》 黄昏门外六花飞，因倚胡床醉不知。 南朝•陈（557-589 A.D.）•徐陵，《咏雪》 岂苦天庭瑞，轻雪带风斜。 三农喜盈尺，六出舞崇花。 西汉（206 B.C.-24 A.D.）,《韩诗外传》： 凡草木花五出，独雪花六出 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  19. 材料科学与工程学院 材料科学的发展过程 1669, N. Steno, 晶面角守恒定律 1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说 1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg** X射线晶体结构分析方法 电子显微镜（SEM、TEM） 扫描探针显微术***（STM、AFM） Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU * 1914’s Nobel prize; **1915’s, ***1987’s.

  20. 材料科学与工程学院 ATOMIC PACKING ABCA ABA Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  21. 材料科学与工程学院 Packing mode 1 (ABCABC…) Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  22. 材料科学与工程学院 Packing mode 2 (ABCABC…) Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  23. 材料科学与工程学院 Packing mode 3 (AaBbCcAaBbCc…) Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  24. 材料科学与工程学院 七大晶系、14种Bravais点阵 c 晶系 单胞特征 Bravais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 b g b a a 单胞 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  25. 材料科学与工程学院 2D 3D Bravais lattice 5 14 Point group* 10 32 Space group** 17 230 The structures and symmetry of 2D and 3D crystals * ГАДОЛИН(加多林), 1869. ** ФЕДОРОВ(费多罗夫), 1890, Schoenflies (熊夫利), 1891. Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  26. 材料科学与工程学院 量子力学：波粒二象性 光的波动性X射线光谱学 晶体微观周期性结构固体物理 “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, P. Ewald ZnS 的劳厄衍射照片 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU 显示其四重对称轴 显示其三重对称轴

  27. 材料科学与工程学院 l o q q d d q q R P X-ray Diffraction (Bragg condition) dsinq l/2 2d·sinq = l Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  28. 材料科学与工程学院 Ψ t 2Ψ + U(r)Ψ ih 2 h 晶体的微观周期性结构 晶体的宏观 几何形貌 电子在周期势场中的运动 晶体点阵中的缺陷 量子力学 Schrödinger方程 位错在晶体中运动 表 面 组 装 能 带 理 论 固体半导体理论 金属材料强化理论 晶体生长理论 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  29. 材料科学与工程学院 A B c A Diamond A c B Lonsdaleit C d0 A c B A Graphite Fullerenes (C60) Crystalline Structures of Carbon Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  30. 材料科学与工程学院 A Fuller dome built for the Union Tank Car Company in Baton Rouge, Louisiana (Oct. 1958) Buckerminster Fuller - an American architect Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  31. 材料科学与工程学院 Accident discovery C60 The time-of-flight mass spectrum annotated by Kroto Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  32. 材料科学与工程学院 Bob Curl Jim Heath Sean O’Brien Rick Smalley Harry Kroto The ultimate five-a-side soccer team Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  33. 材料科学与工程学院 2D  3D Flat sandwich structure for C60. 32 faces = 20 hexagons + 12 pentagons C60 – Truncated icosahedron William Veech, the chairman of Rice University’s Mathematics Dept. Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  34. 材料科学与工程学院 vertex face edge 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 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. Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  35. 材料科学与工程学院 See you next time ! See you next time ! 10mm 0 2 4 6 8 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  36. Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  37. 功能薄膜材料研究室 m 101 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 10-10 10-11 10-12 微 观 (Micro-) 介 观 (Meso-) 宏 观 (Macro-) 纳 米 (Nano-) Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

  38. 材料科学与工程学院 波的干涉 (a) 同位相，相长干涉 (c) 存在一定位相差 (b) 反位相，相消干涉 Zhiming YU, Dept. of MSE, CSU

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