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材料科学及其新进展 贺志荣 （材料科学与工程学院） 目 录 前言 1 材料发展简史 2 金属材料 3 非晶态材料 4 超导材料 5 半导体材料 6 无机非金属材料 7 有机高分子材料 8 功能高分子材料 9 复合材料 10 薄膜材料 11 纳米材料 前 言 材料是从原料中取得的生产产品的原始物料，包括人类在动物、植物或矿物原料上转化出来的所有物质。 材料、能源、信息和生物技术是现代文明的四大支柱，其中材料是其他技术的基础。 材料按化学组成可分为金属、陶瓷、聚合物和复合材料；按效能可分为结构材料和功能材料。 人类和材料的关系非常密切，人类文明的发展史，就是一部利用、制造和创新材料的历史，一种新材料的广泛使用往往会极大的推动工农业生产，甚至影响人类的生活。这一点很少有其他领域能与之相比。 例如，钢铁材料的发明和应用，使纺织机械和蒸汽机得以制造，从而引发了人类历史上的工业革命。罗马人发明的水泥和公元前7世纪腓尼基人发明的玻璃，使高楼大厦得以建造，至今仍大量使用。20世纪70年代发明的光导纤维使光强度几乎不衰减，造就了现代光通信。随后高纯度大直径硅单晶的成功制作，促进了超大规模集成电路的发展，成就了今天发达的计算机和电子信息业。 1 材料发展简史 材料是一条长河，比人类有记载的历史长的多。 表1 人类使用材料的7个时代的开始时间 公元前10万年 石器时代 公元前3000年 青铜器时代 公元前1000年 铁器时代 公元0年 水泥时代 1800年 钢时代 1950年 硅时代 1990年 新材料时代 大约从公元前10万年开始，人类就学会了使用材料，能选用优质石头制造各种用具。我们的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的火遂石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。这是一段漫长的进化过程，历史学家称之为“石器时代”。 材料作为一种“工程”，始于公元前8000年陶器的发明。我们的祖先用粘土（主要成分为SiO2，Al2O3）烧制成陶器。小到新石器时代半坡村出土的碗、钵、罐、瓶，大到秦兵马俑壮观的军阵。陶器是人类第一次有意识创造的自然界中没有的新材料，这是人类智慧和创造力的一次飞跃。 我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器于九世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，十三世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。直到今天，中国瓷器仍畅销全球，名誉四海。瓷器的英文名称“China”和“中国”交相辉映。 除陶瓷外，我国在青铜器和铁器的发明和应用方面有着辉煌的成就。我国青铜的冶炼在夏朝（公元前2140年）以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。河南安阳晚商遗址出土的铜鼎重达8750N, 外型尺寸为1.33m×0.78m×1.10m, 是迄今世界上最古老的大型青铜器。湖北隋县出土的战国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化。 20世纪前，材料的进步，主要靠人们的经验、继承和积累，原因是缺乏科学的指导。材料科学不是孤立的，没有先进的理论和技术指导，就谈不上材料科学。19世纪热力学、电磁学、化学原子论的创立，X射线、电子的发现，以及20世纪前30年的相对论和量子力学的提出，对20世纪材料科学的发展起到了不可估量的作用。 1900年普朗克创立了量子理论，1905年爱因斯坦提出了相对论，1913年玻尔把量子化概念引入原子结构理论，1923年德布洛伊提出物质波理论。这些科学上的突破，成功地揭示了微观物质世界的基本规律，加速、加深了人们对材料的声、光、电、磁、热现象以及材料内部的键力、结构和缺陷的认识。不仅产生了各种各样的新材料，也导致了材料科学与工程学科的诞生。 本课介绍的材料主要有：金属材料、非晶态材料、超导材料、半导体材料、无机非金属材料、有机高分子材料、功能高分子材料、复合材料、薄膜材料和纳米材料等。 2 金属材料 金属材料是人类较早开发利用的材料，目前仍是世界主流材料。金属材料一般分为钢铁和有色金属（铝、钛、铜等及其合金）两大类。 2.1 钢铁 钢铁是目前应用最广泛的材料。目前全球每年钢产量超过4 亿吨。修房造屋、铺路架桥、制造机器、飞机、轮船、武器等都要用钢铁。在战争期间，钢铁的消耗量更为惊人。1973 年埃及和以色列之间爆发