1、材料科学与人类文明绪 论,郑 强高分子科学与工程学系,第一章 绪论,人和动物的本质区别?人可以利用工具从事生产、生活，创造财富，积累经验，进而制造更先进的工具在制造工具时，材料是必需的但不是所有的物质都能用于制造工具什么是材料？ 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质 简单地说，材料是人类可用来制造有用器件的物质,材料是人类社会进步的里程碑,材料是社会进步的物质基础材料是人类进步的主要标志,材料与人类文明发展,人类文明进程的划分依据是什么所使用的、占主导地位的材料, 石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代 发展得越来越快,材料划时代,材料
2、是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代在近代材料种类极其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征：新材料时代,人类文明进化时代是以材料的使用来划分的从远古的石器时代到铁器时代再到如今的新材料时代，先后经过了七个不同时代,以材料区分的七个时代,燧石：神奇的石头,400,000 BC 4,500 BC 石器时代 (Stone Age),人类主要以石头、骨头、木制作简单的工具,陶器(Pottery),陶器的出现是人类跨入新石器时代的重要标志之一据考古资料，中国陶器
3、制作历史至少有8000年以上,西安半坡人面网纹陶盆,战国陶制四通水管,4,500 BC 1,000 BC 青铜时代 (Bronze Age) 大量使用青铜工具及青铜礼器的时期,从矿石中提炼铜 冶金业的黎明,埃及古墓壁画 是人类冶金业的最早纪录之一,人类学会了用炭把铜加热以造出纯度更高的铜, 而把铜和锡矿石熔合后可得一种坚度高的合金 - 青铜，以青铜来造出各种武器,古称金或吉金，是红铜与其它元素（锡、镍、铅、磷等）的合金中国青铜时代大致对应夏商周至秦汉，时间跨度约两千年春秋战国时期，齐国工匠写成考工记，提出金有六齐，是世界科技史上最早的冶铜经验总结,青铜：第一种合金,夏钺,戈,三星堆,突目面具
4、铸于商代晚期，高64.5cm，宽138cm，眼球柱状外突长达13.5cm,三星堆立人像 铸于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像,司母戊鼎,司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133cm，重875kg。为已知的中国古代体量最大的青铜器铜禁，中国已知最早应用失蜡法铸造的作品，春秋时代的楚国王子午墓出土，年代为公元前6世纪,温文尔雅的四羊方尊,青铜乐器,（战国）错金犀牛尊,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,1450BC 铁制车轮,1500AD 廉价的冶铁业,1000BC 铁器时代 (Iron Age),战国铁犁头,战国铁锄,湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄,科
5、学技术的发展史，就是材料的发展史,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,科学原理的发现时间与其产业化时间的对照,车的发展始于轮子的发明，轮子的使用无疑是陆地交通工具变革的开始，它是人类历史上最重要的发明之一 有了车，人类的活动范围变大，人与人之间的交往和物质的交流也增多了木柱是轮子的雏型 据说5500多年前，生活在美索不达米亚平原的苏美人首先发明了车。最原始
6、的车轮就是圆木片，以后为了制作方便，采用木板拼接，将木纹走向不同的木板交错着钉在一起，可以防止开裂 公元前2000年，人类发明了有辐的车轮，比实体车轮轻便了许多，装有辐式车轮的车子用马来拉，速度就快多了，车身也变得轻巧灵活，被古人当作武器用在战争中 进入18世纪后，随着第一次产业革命的兴起，生产规模迅速扩大，人类开始大量制造较耐用的金属轮子 时至今日，汽车所用的轮子要求更高，金属轮子的外围更加上橡胶轮胎，以作避震及增强附着摩擦力之用 未来磁浮的采用可使得轮子有完全被取缔,例1: 轮子的发展,例1: 轮子的发展,第一次科技革命发生于18世纪中叶的英国，而后遍及欧洲和北美国家。这次革命以纺织机械革
7、新为起点，以蒸汽机的广泛使用为标志，实现了工业生产从手工工具到机械化的转变，使以机器为主体的工厂制度化替了以手工技术为基础的手工工场，从而把人类带进了蒸汽时代 第一次科技革命发生的条件 当时英国正在开僻海外市场、掠夺殖民地以及进行“圈地运动”, 这情况下有大量资金、劳动力、原料和广阔市场的基础，工场手工业迅速发展起来，技术水平的提高又促进了操作过程的专业化和熟练程度，为用机器代替人手操作提供了准备条件 在17、18世纪的英国，牛顿一批科学家掌握了科学理论，创办了各种学术团体，广泛交流学术思想；促使科技革命的发生 从18世纪60年代起，棉纺织业中一系列新工具机的出现，令制造能产生巨大、稳定的动力
8、的机械装置，成了工业上的迫切需要。于是，以瓦特改进的蒸汽机为代表的动力机就应运而生,在开发了铁和铜等新材料后，蒸汽机得以使用并逐步推广，由此引发第一次产业革命,第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发，如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展,材料与产业革命,新材料时代 (New Material Age),长征三号运载火箭在发射架上的图片,宝钢高炉,材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技
9、术、新能源技术、信息技术、生物技术）。,材料是所有科技进步的核心,建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程 无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破,没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦 没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天 没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船 没有固体微电子电路，就没有计算机,新材料的特征根据人们对材料物理和化学性能的了解，为了特定需要而设计、加工材料半导体单晶硅、砷化嫁、光导纤维、超导等新材料的开发和应用，使得新技术得以生产和应用，从而促进新工业的出现和发展，极大的推动了社会文明与经济的发展新材料 新技术 新工业,材料的应用,铝合
10、金的 主要应用领域,战机,舰船,导弹,火箭,人造卫星,战车,高速列车,汽车,高层 建筑,材料与日常生活,钛合金自行车：“自行车发烧友” 选择钛合金制自行车。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合,材料与日常生活,形状记忆合金百叶窗,材料与日常生活,目前市场出售的眼镜架有纯钛制品、TiNi超弹性合金制品以及和其它材料并用的不等 其优点是耐腐蚀、不变色、质轻,眼镜架,材料与日常生活,用钛制作的手表在国外市场已早有出售，目前世界上已有十多家表厂生产这种手表，其中有全钛表壳，也有部分用钛或用氮化钛、碳化氮等 此外，还有供运动员和潜水员使用的特制手表,据说是钛合金外壳哦！,手表,材料与日常生活,照相机
11、,纯钛戒指,钛金发王,钛手链,用钛制作的日用品还有照相机、手提箱、保温瓶、耳环、手镯、戒指、项链、胸针等,材料与信息,信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料,材料与信息,人类在步入信息时代的同时，也进入信息材料竞争的时代,材料与计算机,计算机经历：电子管 晶体管 集成电路时代,材料科学的发展是计算机飞速发展的基础,电子管 晶体管 集成电路,钨、钼电极。,锗、硅半导体。,单晶硅片，高纯钛、SiO2、铬薄膜,16K内存器,材料与计算机,材料与计算机移动存储器,材料与信息,制
12、造大规模集成电路的主要材料是单晶硅片 1965，摩尔提出摩尔定律，预言芯片容量每18个月就要加倍 1971，一个芯片上有3000个晶体管 1998，一个芯片上有107个 1999年，德国研究人员研制成锗处理器，运算速度比硅处理器提高1倍芯片除去用于制造计算机外，还可以制作其他各种电器，如录相机，洗衣机、厨房设备、家用电器，以及各种自动控制设备半导体材料是电子技术和计算机产业的基础，一个国家在芯片技术方面的成就决定着这个国家在整个战略产业，高技术产业方面的成就 现在，从计算机芯片的工作原理中获得启发，创造性地将半导体技术和生物技术结合起来，开发研制出生物芯片。生物芯片可广泛用于医学临床检测及药物
13、开发、环境监测等领域,材料与信息,没有远程通信技术，整个世界的发展不会有今天这样快，而远程通信技术的发展又与光导纤维的问世密切相关美国科学家贝尔100年前就做过用光传输语言的实验 1966，人们发现提高玻璃纯度可减少光传播过程中的损耗；1970，美国康宁公司将该科研成果开发为商品，用高纯石英玻璃制造出了现代光导纤维，被誉为百年不遇的发明 光纤是一种比头发还细的高纯度玻璃丝，一根细丝就能同时传输2000路通话，并且不失真、不受环境干扰、不易被窃听、还传输特别快（比铜缆快72000倍）,材料与航空技术,航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、
14、烧蚀防热材料和新型复合材料 此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料,材料与航空技术,三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度),鍛铝2014（LD10）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4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。,材料与航空技术,材料和飞机 从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强
15、度，即强度/比重之比 因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用,材料与航天技术,钛合金高强度高韧性耐腐蚀质地轻,航天飞机用形状记忆合金,在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的穿梭机应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料,材料与航天技术,美国现役,未来新式,材料与航天技术,材料与建筑,材料与交通,福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具,汽车用高强钢，比原先轻24%，而强度高34%。,汽车,20世纪初，人们成功地制取了液氦，获得4K低温 ，于是发现了
16、水银在4K突然电阻全没有了，成为超导体从20世纪初到80年代约70年间，超导临界温度只提高了不到三十度。但在80年代末，超导临界温度提高到125K 在高温超导材料的研究方面，我国处于世界领先水平，1987年在世界上率先研制出了超导临界温度90100K的Y-Ba-O-Cu高温超导体 2001，清华大学试制成功500米的高温超导带材，进入产业化,乘坐平稳、安全、快捷、十分安静,1980s高温超导体,超导磁悬浮列车,超导首先应用于磁悬浮列车。它是利用超导体中强电流引起的强磁场间同性相斥的作用浮起来的。日本、德国都已投入试用，时速500km我国西南交通大学于1994年做成了43m长的磁悬浮列车试验线，
17、车重4吨,材料与国防现代化,B-2幽灵式轰炸机,当代战争表现出高技术的特点，如美国对伊拉克作战、对科索沃的空中打击都使用了隐形飞机、反辐射导弹、巡航导弹等 ，实行高密度精确打击美国轰炸伊拉克使用的B-2幽灵式轰炸机，是一种隐形飞机。它的隐形功能一方面是由其外观设计来保证的，另一方面就是在飞机对雷达波强反射的部位覆盖了吸波或反射波材料，它可以是蒙皮外的涂料，也可以是贴或镀上去的材料。这种B-2型飞机机身的涂覆物厚达10mm，窗户上镀有金属薄膜，整个机身黑色是由于采用了碳纤维复合材料,材料与国防现代化,防弹衣的高技术化是各国军需装备发展的重点在第一次世界大战期间，防弹衣实际是钢制的铠甲，重9kg后
18、来采用用尼龙和铝片制作，然后是用玻璃钢（一种高分子基复合材料）现在完全用化学纤维制做，一种用18层尼龙和凯芙拉纤维（一种芳香族纤维，强度很高）制成的防弹衣只有1.03kg。这种凯芙拉纤维在极热的情况下，不熔化也不流淌，而是凝固起来增加厚度，可以在身体周围形成免受烧伤的保护层,材料与能源,能源材料是能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等 新能源材料包括增值堆用核材料(铀、氘、氚为代表)、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等） 节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体
19、用材料） 储氢材料（储氢电极合金材料）以及高比能电池（如钠硫电池、镍氢电池、嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池）等目前钠硫电池的比能量达137W.h/Kg，而铅蓄电池的比能量只有30W.h/Kg,核能材料,瑞士核电站,氧化铀,钨钒钢（W-V steel） 铬钒钢（Cr-V steel） 镍基高温合金（Hastelloy material）,核反应堆材料 耐中子辐射、腐蚀、高温,烧结后,烧结前,2006年9月，美国金属杂志（Journal of Metals, JOM）发起了评选材料科学与工程历史上“最伟大的材料事件”（Greatest Materials Moments）活动。JO
20、M由美国矿物、金属与材料学会（The Minerals, Metals & Materials Society, TMS）主办。“最伟大的材料事件”被定义为：一项人类的观测或者介入，导致人类对材料行为的理解产生标志性进展的关键或决定性事件，它开辟了材料利用的新纪元，或者产生了由材料引发的社会经济重大变化。评选出的50项“最伟大的材料事件”清楚地展示，材料及其相关科学与技术的发展对人类文明与社会进步所做出的巨大贡献，以及材料科学与技术毋庸置疑的重要地位。在前50项“最伟大的材料事件”中，材料制备技术及工艺占17项新材料和新器件的发明占12项提出新原理、新规律与揭示新结构、新现象占18项先进仪器设
21、备的发明占3项从50项“最伟大的材料事件”中可以看出，古代材料与技术方面的重大事件大多出自中国、埃及、伊朗、印度和土耳其等东方国家，包括炼铁术、炼钢术、铜提取术及炼铜术、铁铸造技术、玻璃的发明等等。中国古代金属业劳动者开发的铁铸造工艺和制陶艺人使用高岭土制备首批精细陶瓷榜上有名。 然而，近代材料发展中的重大事件（1900年后）几乎全部由美、英、德等西方科学家与发明家包揽，表明西方工业发达国家主导着近代材料科学与工程的发展。,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,50项“最伟大的材料事件”,20
22、世纪科技发明史-与材料密切相关,20世纪前20年的人类发明 齐柏林硬式飞艇、扬声器、空气调节装置、自动售货机、圣诞树彩灯、双刃安全剃刀、飞机、人造树胶、霓虹灯、汽车上的电点火装置、纸杯、不锈钢、坦克、 爆米花烤箱,20世纪科技发明史-与材料密切相关,20世纪20年代的人类发明机器人、雪上汽车、自动手表、电动剃须刀、16毫米家庭型电影摄影机、克里内克丝面巾纸、电视机、汽车无线电、红绿灯,20世纪科技发明史-与材料密切相关,20世纪30年代的人类发明易拉罐、宝丽来太阳镜、自动洗衣店、道路斑马线、罐装啤酒、原子笔、施乐复印机、家用电冰箱、电脑、立体声录音机,20世纪科技发明史-与材料密切相关,20世
23、纪40年代的人类发明尼龙丝袜、彩色电视、塔伯家用塑料制品、原子弹、微波炉、吉普车、宝丽来照相机、慢转密纹唱片、可多次使用的尿布、第一台由软件驱动的电脑,20世纪科技发明史-与材料密切相关,20世纪50年代的人类发明信用卡、有线电视、动力方向盘、袖珍晶体管收音机、录像机、不粘锅、垒高儿童拼装玩具、氢弹、水翼船、调制解调器、健身呼啦圈,20世纪科技发明史-与材料密切相关,20世纪60年代的人类发明软接触镜头、纤维笔尖钢笔、体重计、用做隆胸的硅胶填充物、按钮电话、电脑鼠标、石英手表、“傻瓜”照相机、涡流浴室、影碟、盒式录音磁带、手提电脑、扫描仪、丙烯酸树脂涂料,20世纪科技发明史-与材料密切相关,2
24、0世纪70年代的人类发明电脑软盘、袖珍计算器、可随意粘贴便条、Beta制大尺寸磁带录像系统、自动调焦照相机、苹果第二代电脑、移动 电话(手机)、索尼随身听,20世纪科技发明史-与材料密切相关,20世纪80年代的人类发明光盘、一次性照相机、高清晰度电视、人工合成皮肤、CD ROM、多普勒雷达，高温超导体、数字蜂窝电话,20世纪科技发明史-与材料密切相关,20世纪90年代的人类发明“哈勃”太空望远镜、DVD、可用于汽车上的氢气燃料电池、“奔腾”处理器,20世纪科技发明史-与材料密切相关,21世纪的人类发明苹果iPod音乐随身听、人造肝脏、免清洁窗户、Segway新型交通工具、适于在北极严寒气候条件
25、下骑行的冰上自行车、防身夹克,20世纪的重大发明塑料,高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早早在19世纪以前，人们就已经利用沥青、松香、琥珀、虫胶等天然树脂 我国最早的梳蓖取材于竹木、蹄脚之类的天然塑料物质。常州的梳篦清代在美国费城、德国莱比锡以及巴拿马等国际博览会上荣获金奖 1760，美国的罗伊斯用蹄脚制造装饰梳，当时美国的莱明斯特成为著名的“梳城”，集中了一批制梳工厂，导致许多塑料制造器械的发展，经过不断改进迄今仍在使用 1839，美国人Goodyear发明硫化橡胶。 1855，英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞 1869，海厄特在寻求制台球的象牙代用品时，把硝比纤维、
26、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热使它于模型，然后在常压下硬化，研制出第一个合成塑料，是一种坚韧材料，具有很大的抗张强度，耐水， 耐油、耐酸，能够低成本地生产各种颜色的产品，为现代塑料工业的发展开拓了道路 1889，法国人De Chardonnet（夏尔多内）发明人造丝 1907，酚醛树脂诞生,20世纪的重大发明塑料,第一种合成塑料是将酚醛树脂加热模压制得，是1910年美籍比利时化学家贝克兰德制成 贝克兰德将酚醛树脂添加木屑加热、加压模塑成各种制品，以他的姓氏命名为贝克里特，俗称称为电木。一次世界大战后，无线电、收音机等电气工业迅猛发展，增加了对电木的需求，一直被使用到今天,贝克兰（1863-19
27、44) 美国化学家，1909年发明酚醛塑料,1926年3月，美国塑料杂志对塑料这样定义: “一种物质的性质，使它可以形成任何想要的形状，而不像非塑性物质那样需要切凿”,20世纪的重大发明塑料,1918年，奥地利化学家约翰制得脲醛树脂，用它制成的塑料无色而有耐光性，并有很高的硬度和强度，更不易燃，能透过光线，又称电玉20世纪20年代，电玉曾在欧洲被用作玻璃代用品到20世纪30年代，又出现了三聚氰胺甲醛树脂，是以尿素为原料的。三聚氰胺甲醛树脂可以制造耐电弧的材料，它耐火、耐水、耐油30年代，一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业化 PVC(19271937), PVAc(1936), PMMA(192
28、71931), PS(19341937), LDPE(1939),20世纪的重大发明塑料,卡罗瑟斯,1928年美国最大的工业公司杜邦公司成立基础化学研究所，年仅32岁的卡罗瑟斯博士担任该所有机化学部的负责人 1935年，卡罗瑟斯以己二酸与己二胺为原料制得聚合物，由于这两个组分中均含有6个碳原子，时称聚合物66。他又将这一聚合物熔融后经注射针压出，在张力下拉伸称为纤维。这种纤维即聚酰胺66纤维，1939年实现工业化后定名为耐纶（Nylon），是最早实现工业化的合成纤维品种 尼龙的合成奠定了合成纤维工业的基础，使纺织品的面貌焕然一新 1939年10目24日杜邦公在总部所在地公开销售尼龙丝长袜时引起
29、轰动，被视为珍奇之物争相抢购，人们曾用“象蛛丝一样细，象钢丝一样强，象绢丝一样美”的词句来赞誉这种纤维 到1940年5月尼龙纤维织品的销售遍及美国各地,二次世界大战后，90%的尼龙转向内衣生产，尼龙丝袜风靡全球,20世纪的重大发明塑料,从二次世界大战爆发到1945年，尼龙工业被转向制降落伞、飞机轮胎帘子布、军服等军工产品 由于尼龙的特性和广泛的用途，第二次世界大战后发展非常迅速，尼龙的各种产品从丝袜、衣着到地毯，渔网等，以难以计数的方式出现，是三大合成纤维之一,用尼龙制成的热气球可以做得很大,20世纪的重大发明塑料,从20世纪60年代到70年代，高分子材料每年以14的速度增长，而金属材料的年增
30、长率仅为4。到70年代中期，全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等除了用作结构材料代替钢铁外，目前正在研究和开发具有良好导电性能和耐高温的高分子材料,涤纶安全带,尼龙齿轮,中华文明在材料史上的定位,石器与陶器在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。我们的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄早在新石器时代(BC60005000)，中华民族的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。马家窑(甘肃)文化时期的陶器以砂质和泥质红陶为主，表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等,石器,陶器,中华文明在材料史上的定位,青铜是人类历史
31、上一项伟大发明，它是红铜和锡、铅的合金，也是金属治铸史上最早的合金。青铜发明后，立刻盛行起来，从此人类历史也就进入新的阶段-青铜时代。 中国使用铜的历史年代久远。大约在六、七千年以前就发现并开始使用铜 西亚、南亚及北非于距今约6500年前先后进入青铜时代 中国青铜时代的到来较晚，却是独立起源的，因为中国存在一个铜器与石器并用时代，年代距今约为55004500年“国之大事，在祀及戎”。对于中国先秦中原各国而言，最大的事情莫过于祭祀和对外战争。作为代表当时最先进的金属治炼、铸造技术的青铜，主要用在祭祀礼仪和战争一般把中国青铜器时代划分为形成期、鼎盛时期和转变期三大阶段形成期是指龙山时代，距今450
32、04000年，尧舜禹时代 鼎盛期包括夏、商、西周、春秋及战国早期，延续时间约1600余年 转变时期指战国末期-秦汉时期，青铜器逐步被铁器取代,中华文明在材料史上的定位,铁器 我国从青秋战国时期(公元前770年公元前221年)已开始大量使用铁器。 从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模，说明冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸造的高级阶段 到了西汉时期, 炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。可见当年生产规模之壮观我国古代创造了三种炼钢方法。第一种是从矿石中直接
33、炼出自然钢。用这种钢作的剑在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲；第二种是西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢；第三种是南北朝时期生产的灌钢。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早1600多年,黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸),铁人,中华文明在材料史上的定位,瓷器-华夏文明的独特贡献 China-CHINA 陶瓷-中国,世界四大文明古国对于掌握制陶技术与生产陶器都是独立发明的，发展时间也相差不远目前难以确知陶器出现的具体年代，考古估计出现于80009000年前的新石器时代，由于烧造工艺的不同，出现了红陶、灰陶和黑陶等不同品种的陶器。从原始瓷器到成熟瓷器的提高几乎经历了1500 年之久，东
34、汉晚期，中国已能烧制出成熟的青瓷，完成了由原始瓷器向标准瓷器的过渡17世纪，中国瓷器在欧洲价重黄金。,江苏南京出土的吴国青瓷羊，是成熟青瓷的代表作,瓷器是中国先民的伟大发明，比国外早1500 年以上，是中华民族的宝贵历史遗产之一,中华文明在材料史上的定位,鹳鱼石斧图彩陶缸,仰韶文化，彩陶为其主要特征，距今70005000年。陶器皿主要有盆、罐、钵和小口尖底瓶等，质地有泥质陶和夹砂陶,屈家岭文化，是继仰韶文化之后江汉流域的一种文化，距今4000多年。早期以黑陶为主，晚期灰陶为主，少量红陶,红陶瓮,白陶鬹形盉,龙山文化，距今约43003800年，黑陶最具代表，尤以“蛋壳黑陶”最为精美。龙山文化晚期
35、还出现用高岭土烧制的白陶，为后来原始瓷器的发明奠定了基础,青瓷釉下彩盘口壶,中华文明在材料史上的定位,陶器的产生是和农业经济的发展联系在一起的 人类进入新石时代后，由于农业和牧畜业的出现，开始了定居、半定居的生活，谷物、剩余食物需要储藏起来 随着农业经济的发展和定居生活的需要，人们对于烹调、盛放和储存食物及汲水器皿的需要越来越迫切，从而促使人们创造出陶器 为防止陶器经火烧或水浸泡断裂，而在泥土中掺入砂子，烧制成泥质夹砂灰陶和夹砂红陶。此类陶器多用于烹调器、汲水器和大型容器。故又有泥质陶和夹砂陶之分,中华文明在材料史上的定位,在中国的陶瓷发展史上，先有陶后有瓷，瓷器由陶器脱胎而来粗陶即普陶，其工
36、艺材料和工艺技术一般是就地取材，造型简单，注重实用，讲究坚固耐用 细陶指对原料加工制备较精，工艺制作较细致，胎质细腻，有较好的实用性 精陶指表面覆盖易熔的透明釉，呈白色或象牙色，有一定气孔的细质陶器 色釉陶主要是指釉子的颜色有特点，具有一定装饰效果的色釉陶器，包括单色釉、复色釉、花釉等品种 无釉陶表面不施釉，胎骨裸露，一般有胎质较细致，表面平整光滑，典型的有宜兴紫砂与山东黑陶,中华文明在材料史上的定位,古人把粘土加水混和，制成各种器物，干燥后经火焙烧，产生质的变化，形成陶器。陶器的出现，标志着新石器时代的开端 陶器究竟是怎样发明的，目前还缺乏可靠的史材料予以说明 摩尔根古代社会一书的注引中指出
37、：“古奎是九世纪最早提出陶器发明的第一个人，即人们将粘土涂于可以燃烧的容器上以防火，其后，他们发现只是粘土一种可以达到这种目的。因此，制陶术便出现于世界之上了” 思格斯在家庭、私有制和国家的起源中指出：“在许多地方，也许是一切地方，陶器的制造都是由于在编制的或木制的容器上涂上粘土使之能够耐火而产生的。在这样做时，人们不久便发现，成型的粘土不要内部的容器，也可以用于这个目的”,中华文明在材料史上的定位,在黄河流域和长江流域众多的新石器时代遗址中，出土了大量的陶器和陶器碎片。其中有许多已不仅仅是生活日用品，而具有明显的艺术倾向，成为陶制艺术品，如代表制陶业突出成就的彩陶和陶塑 随着制陶业的发展，制
38、陶技术从泥条盘筑进步到轮盘拉坯，结构简单的横穴窑与竖穴窑已取代了落后的平地起烧，对窑的温度、气氛的控制已取得了一定经验，当时最高的烧成温度已经到达了1100，已接近陶与瓷的“临界”温度 自殷商时代早期，即已出现了以瓷土为胎料的白陶器和烧成温度达1200的印纹硬陶，开始了由陶向瓷的过渡 原始青瓷不同于陶之处，在于质地坚硬耐用，且器表施釉，敲击声清脆悦耳。但原始青瓷原料处理和坯泥炼制还比较粗糙，没有经过精细的过滤、淘洗、捏练、陈腐等工艺过程，因为胎料可塑性较小、造型比较单调；胎料中杂质较多，胎体会产生裂纹；釉色不稳，薄厚不均，且有露胎流釉现象 早期青瓷发展到东汉时期，成型采用快轮拉坯成器身，在粘接
39、器底而成，器型规整，器表光滑，釉层增厚，胎釉结合大为改进，脱釉现象很少发生，迈入成熟的青瓷阶段,中华文明在材料史上的定位,从近代材料科学角度来看，一些陶土可能在窑烧中熔解，在窑炉内衬有一层窑渣的薄膜，烧结时所使用之木灰沉积于陶器而熔烧为玻璃层。釉是一种硅酸盐混合物，按比例调配后，在高温中熔融而被覆在坯体表面，形成一层有光泽而类似玻璃质的物质瓷器纯净的粘土（又叫瓷土、高岭土）和石英、长石等原料配成泥浆，作成毛坯，烧好粗坯，再上釉，在一千三百度左右高温下，经过复杂的化学变化，同釉密切的结合而成，质地细致，半透明，不吸水,中华文明在材料史上的定位,陶瓷的原料,高岭土,天工开物陶埏篇说：“一名高梁山，
40、出粳米土，其性坚硬；一名开化山，出糯米土。其性粢软。两土相合，瓷器即成。”,“烈火金钢”-耐火土,石英对坯体的机械强度有很大影响，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度，提高釉的熔融温度与粘度，并减少釉的热膨胀系数,中华文明在材料史上的定位,唐三彩：一种低温铅釉的陶器，采用黄、绿、褐等色釉在器皿构成花朵、斑点或不规则的几何纹等，色彩斑斓的色釉装饰 虽称为三彩，实际上并不限于三种色彩，往往采用二次烧成法 第一次素烧，温度约在摄氏1000度，烧成坯胎 第二次在素胎上施釉，另行釉烧而温度800度,创造性地运用低温铅釉,中华文明在材料史上的定位,纤维素的利用造纸,文字发明后，人类尝试了各种天然物品来记
41、录文字。据历史推测，大约在6000前中国出现了最早的文字记录。最初，人们将文字记录在兽骨，龟甲，或者石头上，后来又逐渐发展为用丝绸，以及更为普遍的竹简、木牍 中国最古老的书籍就是用竹简或木牍穿在一起制成的，书籍分量沉，体积重，阅读和携带起来都非常的不方便。据说，西汉的东方硕曾经向皇帝提交的晋见书就是由3千个竹简组成的，必须要有2个强壮的侍卫抬到大殿上。当时的所谓“学富五车”书的大学者，其实也没有读过多少书，只不过看过五车竹简、木牍而已为了减轻书写材料的重量，人们又开始将丝绸作为新的书写材料。不过由于丝绸本身的价格不菲，使其很难得到推广。汉代一匹缣（2.2汉尺宽，4.0汉尺长）值六石（720汉斤
42、）大米，只有少数皇家贵族才能享用，一般人根本消受不起在西汉新型的学校教育受到了前所未有的繁荣，学校和学生都需要更加便宜和方便的书写用具。因此，一种更好的书写材料-纸，便应运而生了,中华文明在材料史上的定位,纤维素的利用造纸 东汉（公元105年）蔡伦造纸,博物志 “蔡伦煮树皮以造纸”，“蔡伦始捣故鱼网造纸” 后汉书集解“蔡伦挫捣故布网抄作纸”。 挫、煮、捣、抄，相当于现在的切料、蒸煮、打浆、抄纸等主要造纸工序，说明蔡伦首先以破布、鱼网和韧皮植物的茎皮为原料，制造出可用于书写的植物纤维纸 蔡伦造纸的基本原理和主要制造工艺仍为当今世界所共用 中国人无疑知道蔡伦的发明的重要性，因而将这一技术保密了好几
43、百年，直到公元6世纪初才传到日本，后于公元750年前后传到中亚。公元800年，造纸术被传到埃及和摩洛哥，由摩尔人传到欧洲。西班牙可能在征服者威廉一世登陆黑斯延斯之前就已经有了造纸厂,蔡伦经过多次试验发明了将竹子做成竹浆、再压感薄片的造纸术。后来蔡伦还将原料范围扩大于其他植物 “任何有在足够弹性的植物都可以用作造纸的原材料”，这是中国古书上的一段记载,中华文明在材料史上的定位,纤维素是世界上蕴藏量最大的可再生资源，估计自然界每年产1000亿吨 纤维素的最重要的应用之一就是造纸。 造纸的步骤大致可分为三步： 1. 打浆2. 抄造3. 施胶,中华文明在材料史上的定位,蛋白质的利用练丝、鞣革练丝：一根
44、蚕丝由两根丝纤合并组成，外围包着丝胶，“练”就是用浓碱去掉丝胶，才成为可染色的熟丝鞣革：兽皮的主要成分是动物蛋白质纤维。鞣革剂与蛋白质中的氨基交联反应。最原始的方法是烟薰法，烟中的醛为鞣革剂,中华文明在材料史上的定位,丝绸天然高分子材料 在我国有着悠久的历史，我国丝绸质地柔软，色彩鲜艳，美观华丽，光彩夺目。于11世纪传到波斯、阿拉伯、埃及，于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲中国丝绸，名扬四海,中华文明在材料史上的定位,最早的涂料生漆 （国漆、大漆、土漆）主成分是具有双键侧链的漆酚，经氧化后聚合成高分子链漆树在秦汉时期主要分布在黄河流域，后来由于中原气候变冷，漆树现主要分布在四川盆地。,漆 （木汁如水滴而下，形象表现割漆的情形。）,中华文明在材料史上的定位,东周时期，铁制的刀、凿、锛、斧等木作工具的普遍使用，使以木胎为主的漆器生产，不仅提高了产量，也改进了质量 战国时期，以青铜器的轻重多寡来显示统治者身份地位的礼制已趋没落，陵墓中的随葬品，漆器逐渐增多,中华文明在材料史上的定位,最早的黏合剂中国墨中国墨的发明人是韦诞（公元179253）烟灰用松木烧成的松烟最好，碳颗粒极细 明胶由动物的皮、骨骼和甲壳等熬制而成 以徽州人最擅长制墨，所以有“徽墨”之称,墨烟灰明胶（粘合剂）,
