審計(jì)學(xué)院-走近材料科學(xué)課件

新能源與材料科學(xué)1.走近材料科學(xué)(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning新能源及材料科學(xué)基礎(chǔ)與進(jìn)展2I從2009年世界游泳錦標(biāo)賽的泳衣說(shuō)起“羅馬世錦賽高科技最后的瘋狂：43人次打破世界紀(jì)錄”詳細(xì)：3據(jù)悉，Jaked新款泳衣表面布滿非滲透性材料之一的聚氨酯，其具有良好的伸縮性，在專業(yè)泳衣中普遍使用。

在2008年幫助選手創(chuàng)造了73項(xiàng)世界紀(jì)錄的SpeedoLZRRacer(“鯊魚(yú)皮四代”)正是擁有聚氨酯的尖端技術(shù)。Speedo中國(guó)網(wǎng)站曾分析說(shuō)，SpeedoLZRRacer表面多加一層聚氨酯，能夠有效將水阻力降低10%，減少5%的耗氧量，泳裝整體吃水量得以減少約69%，菲爾普斯曾形容自己穿上它后就“感覺(jué)自己像一支被發(fā)射的火箭”。

使用了ETFE膜，“水立方”還更加節(jié)能。陽(yáng)光穿過(guò)“水立方”表面透明的ETFE膜，可以直接加熱游泳池水溫和室溫。這使得“水立方”整體節(jié)能9％左右。另外，采用ETFE膜結(jié)構(gòu)，館內(nèi)透光性大大提高，可保證90％的自然光進(jìn)入場(chǎng)館，夏季自然光照明平均每天近10個(gè)小時(shí)。

“鳥(niǎo)巢”這個(gè)輻射式旋轉(zhuǎn)而成的夢(mèng)幻般造型，讓4.2萬(wàn)噸鋼的受力點(diǎn)集中在24根柱子和柱腳上?！傍B(niǎo)巢”7凱夫拉防彈衣（

2～3公斤）凱夫拉手套KEVLAR?（美國(guó)杜邦公司發(fā)明）成為在世界范圍內(nèi)制造和穿著的兩百多萬(wàn)件防彈背心中最為關(guān)鍵的防護(hù)材料神奇的凱夫拉下一代飛機(jī)波音787和空客A3809與其他任何同級(jí)別飛機(jī)相比，波音787可以節(jié)省20%的燃油，且排放相當(dāng)，其噪聲水平比當(dāng)前同座級(jí)的飛機(jī)小60%以上。50%復(fù)合材料78712%復(fù)合材料777l座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%～20%。A380起飛時(shí)發(fā)出的噪聲也將是目前所要求的一半。10伊辛巴耶娃的撐桿11伊辛巴耶娃的撐桿1930年代，各國(guó)運(yùn)動(dòng)員使用的撐桿是日本產(chǎn)的竹子，跳躍高度不超過(guò)4米。第二次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了鋁合金金屬桿，成績(jī)提高到4.77米。1960年代，撐桿跳高發(fā)生了劃時(shí)代的變化，運(yùn)動(dòng)員改用尼龍撐桿，不久又換為碳纖維桿。從此，世界紀(jì)錄屢屢被刷新。13生活中的材料科學(xué)

Freeze-driedcoffee（凍干咖啡）14

Howiceskatermovesoeasilyonice？15

世界上的山到底能有多高？17材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-2集成電路integratedcircuit

集成電路是采用專門的設(shè)計(jì)技術(shù)和特殊的集成工藝，把構(gòu)成半導(dǎo)體電路的晶體管、二極管、電阻、電容等基本元器件，制作在一塊半導(dǎo)體單晶片（例如硅或砷化鎵）或絕緣基片上，能完成特定功能或者系統(tǒng)功能的電路集合。18材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-2CPU45納米工藝

英特爾、德州儀器、AMD、中芯國(guó)際CPU32納米工藝

英特爾完成32納米工藝開(kāi)發(fā)計(jì)劃第四季度投產(chǎn)CPU28納米工藝

臺(tái)灣半導(dǎo)體制造公司（TSMC）應(yīng)用金屬柵極解決方案的

28納米節(jié)點(diǎn)可能已經(jīng)準(zhǔn)備就緒19材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-3航空航天工業(yè)

質(zhì)量輕、高強(qiáng)度的鋁合金和鈦合金——機(jī)架鎳基高溫合金——強(qiáng)力高效的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料和陶瓷材料隱身材料F22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)航天飛機(jī)21III材料的主要類別1金屬

金屬的定義：具有電阻隨溫度升高而升高的材料

金屬通常是電的良好導(dǎo)體、強(qiáng)度高、較致密應(yīng)用：結(jié)構(gòu)材料、導(dǎo)電材料鋼鐵，有色金屬，貴金屬，稀土

四鳥(niǎo)扁足方鼎西周晚期22材料的主要類別2陶瓷（無(wú)機(jī)非金屬材料）

高溫穩(wěn)定性、抗化學(xué)侵蝕性、不吸收外來(lái)物質(zhì)脆性、良好的絕緣體陶瓷材料的重要影響：汽車工業(yè)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7

下一代計(jì)算機(jī)將采用陶瓷光-電元件23材料的主要類別3聚合物

強(qiáng)度低、易于加工、密度低潛在應(yīng)用：可生物降解的聚合物液晶聚合物技術(shù)有助開(kāi)發(fā)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)電聚合物(聚乙炔)1977年白川英樹(shù)、

AlanJ.Heeger、

AlanG.MacDiamid

HeegerCenterforPolymersandOrganicSolids25C/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用C/C作為剎車盤碳/碳復(fù)合材料（C/C）

26材料的主要類別5半導(dǎo)體（大部分半導(dǎo)體都是陶瓷）

Si、Ge、GaAs、CdTe、InP

需要注意的是近年來(lái)發(fā)展的“Organicsemiconductor”

能源材料

薄膜太陽(yáng)能電池

（有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)展非常快）

27IV材料科學(xué)的核心問(wèn)題材料科學(xué)的核心問(wèn)題：結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系材料的性能是指材料對(duì)光、電、磁、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)，而這些性能主要取決于材料的組成與結(jié)構(gòu)，而組成結(jié)構(gòu)又取決于材料的成分和制備與加工工藝。實(shí)例：（1）在鐵中加入0.4%的碳可以使得材料的強(qiáng)度提高兩個(gè)量級(jí)；（2）100萬(wàn)個(gè)硅原子中加入2個(gè)磷原子，電導(dǎo)率提高500萬(wàn)倍;（3）應(yīng)用抗靜電涂層或在大塊聚合物中加入離子，可使得紡織纖維電導(dǎo)率提高5個(gè)數(shù)量級(jí)，防止降落傘打不開(kāi)這樣嚴(yán)重的靜態(tài)放電問(wèn)題。291986年1月28日，美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)升空后爆炸，機(jī)上7名宇航員全部遇難。根據(jù)調(diào)查這一事故的總統(tǒng)委員會(huì)的報(bào)告，爆炸是一個(gè)O形橡膠封環(huán)失效所致。這個(gè)封環(huán)位于右側(cè)固體火箭推進(jìn)器的兩個(gè)低層部件之間。失效的封環(huán)使熾熱的氣體點(diǎn)燃了外部燃料罐中的燃料柔軟的橡膠在低溫下變硬301988-1989年，阿拉斯加的冬季異常寒冷，在那年發(fā)生了異乎尋常的大量汽車軸斷裂事故。1988年4月28日，一架阿羅哈Aloha航空的波音737-200型客機(jī)在飛往檀香山國(guó)際機(jī)場(chǎng)途中發(fā)生爆裂性失壓事故，導(dǎo)致約頭等艙部位的上半部外殼完全破損，機(jī)上一名機(jī)組人員墮海失蹤，飛機(jī)最后奇跡地安全迫降茂宜島的卡富魯伊機(jī)場(chǎng)。艙蓋的強(qiáng)度因嚴(yán)重腐蝕和疲勞而降低31二次世界大戰(zhàn)，德國(guó)軍隊(duì)所供應(yīng)的食物是裝在錫罐重大，在蘇聯(lián)冬季戰(zhàn)役中，德國(guó)士兵發(fā)現(xiàn)錫罐破碎并且他們的食物完全被金屬碎片隨污染。低溫下錫由體心四方向鉆石立方轉(zhuǎn)變，體積增大27%32

雪花的形狀VI材料中的微觀世界

Haüy

從理論推斷晶體具有規(guī)則的幾何外形，是原子分子規(guī)則排列的結(jié)果；20世紀(jì)30年代，Laue等提出X射線衍射方法；1983年，Binning等發(fā)明了STM，直接觀察晶體表面的原子(離子或分子)的規(guī)則排列33

Ni(110)surface，IBM341989年（IBMFellow）DonEigler成為第一個(gè)能夠?qū)蝹€(gè)原子表面進(jìn)行操作的人，通過(guò)用一臺(tái)“掃描隧道顯微鏡”操控35個(gè)氙原子的位置，拼寫出了“I-B-M”3個(gè)字母。

IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室工作的兩位諾貝爾獎(jiǎng)得主HeinrichRohrer(左)和GerdBinning(右)與第一代掃描隧道顯微鏡（STM）。35BShearBandaroundtheindentationnanoindentationNano-crystal

ACDCrackalonggrainboundaryofnc-Cu

高分辨掃描電鏡應(yīng)用(沈陽(yáng)金屬所)36納米金剛石的高分辨圖像

37顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響非常大。下面的照片是光學(xué)顯微鏡下拍攝的。38（Al-Si）共晶組織（針狀）39共晶組織（點(diǎn)狀Cu-Cu2O）40（Zn-MgZn）共晶組織（螺旋狀）41共晶組織（蛛網(wǎng)狀）42（Cu-P）共晶組織（放射狀）43亞共晶組織（50%Sn的Pb-Sn