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1、材料结构与性能（）-现名为“聚合物结构与性能”,学习这门课的要求和建议,这门课涉及的方面很广，对知识多方面的了解非常必要，所以在学习过程中要广泛的阅读各方面的参考书因为课程内容较深，需要大家集中精力来领会讲课的实质，勤记笔记，多思考，真正掌握课程的内容为了使大家能够深入了解课程的内容，课堂上提问多，大家随时准备回答问题，回答的对错不影响学习成绩，大胆的发表自己的看法期末考试是闭卷考试，但是考前提供复习提纲以便大家更深入的学透课程的主要内容最后按笔记和考试情况打分,课程大体目录,序言第一章 物质世界的普遍规律及其层次结构第二章 元素周期律和元素的基本特征第三章 凝聚态材料的形成（包括四大材料）,
2、序言,材料科学与工程和当代科技发展的关系,第一节、概括了解材料,材料的定义：可以用来制备有用物件的物质为了某种利用的目的而具备必要性质的物质材料的意义：是人类从事生产和生活的物质基础 是人类文明的重要支柱 其进步取决于社会生产力和科技进步 其发展将推动社会经济和科技的发展,3.材料发展的历史 材料应用的发展是人类发展的里程碑。人类所有的文明进程都是一他们使用的材料来分类的。,4.五次产业革命,(1)石器时代：,燧石，一种容易制成工具的石头,300,000 BC 3,500 BC,新石器时代陶绘,钻木取火,(2)青铜器时代,蟠龙方壶,3,000 BC 十六世纪,素身铜爵,越王勾践宝剑,青铜：铜和
3、锡的合金,(3)蒸汽机时代,以英国为中心，瓦特发明了蒸汽机铸铁，铁金属,1600AD-20世纪,图为矗立在伯明翰市中心、纪念詹姆斯瓦特（右）等发明蒸汽机的铜雕像,蒸汽机,伦敦塔桥,(4)化学工业兴起时代,以德国为中心煤焦化得到煤焦油等有机物，从而进行各种反应,20世纪,德国化学家拜耳,柏林,(5)电气和微电子产业时代,以美国为中心计算机，半导体等电与机械统一的控制论,20世纪下,芯片,高温超导体,冯诺伊曼,(6)新时代来临的预兆,生命科学和生物技术的发展包括纳米材料在内的新型材料的发展,21世纪,据专家估计本世纪20年代人类将迎接下一个经济时代，即生物技术经济产业时代的到来,第二节、当今世界科
4、技发展的现状和趋势,生命科学与生物技术信息科学与工程材料科学与工程新型能源科学环境科学海洋科学宇航科学安全科学,21世纪人类面临的八大领域：,此八大领域均与材料的重要性有关,1.生命科学和生物技术,21世纪的生命科学将向最基本的、最复杂的微观和宏观两极发展：一方面分子生物学和量子生物学将广泛地向其分支 学科领域渗透一方面生态学又向研究具有复杂功能的生态系统乃 至生物圈方向发展。,最后，必将把微观与宏观整体地联系起来，即把分子、细胞、个体、群体、群落等生命不同结构层次作为一个有机系统进行深入研究。因此，分子生物学、细胞生物学、脑科学和生态学仍然是人们关注的焦点。,1.1 生命科学将成为 自然科学
5、的带头学科,DNA分子是双螺旋结构，其螺旋的骨架是由核苷酸的糖（脱氧核糖）和磷酸相结合而成的，从彼此反向的两根螺旋分别伸长开来的碱基相互结合而形成双螺旋,分子生物学将在生命科学中保持主流地位,20世纪末，人类基因组全部测试工作基本完成预示着新世纪生命科学必将酝酿着一系列新的宏大突破。,基因组学,这个计划与曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划并称20世纪人类三大科学计划。,蛋白质组学:以基因组全序列为基础，从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构-功能出发去了解生命活动的全貌。,2001年以来，国际人类蛋白质组组织(HUPO)正式成立,人类基因组计划的成功实施，为了真正破译、读懂遗传信息，各国科学家随即
6、将生命科学的战略重点转到以阐明人类基因组整体功能为目标的功能基因组学上。这样蛋白质自然成为新的研究焦点。以研究一种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质为特征的蛋白质组学自然就成为功能基因组学中的“中流砥柱”，构成了功能基因组学研究的战略制高点。,细胞生物学还作为生命科学的基础科学继续发展,动物细胞结构,植物细胞结构,细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了个体的特殊性，因此，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。,现代细胞生物学从显微水平，超微水平和分子水平等不同层次研究细胞的结构、功能及生命活动。在我国基础学科发展规划中，细胞生物学与分子生物学，神经生物学和生态学并列
7、为生命科学的四大基础学科。,脑科学将代表生命科学发展的一个高峰,关于大脑功能的研究，已经成为现代科学最深奥的课题，也是最难攻克的科学堡垒。为了探索人脑奥秘，攻克各种疾病，开发人工智能技术，欧美等国家纷纷制定了脑科学研究的长远计划，并宣布21世纪是“脑科学时代”。,1.2生物技术,21世纪科学技术的核心是生命科学。以基因克隆和重组技术日趋成熟,在农业、工业、医药和疾病防治景，对人类的生活将产生重大影响,基因技术对人类的贡献程度取决于对基因组的研究进展。耗资数十亿美元的人类基因组计划在2003年已经提前完成，为揭示人类的生长、衰老、疾病、死亡的秘密打下坚实的基础。,用 转 变 基 因 技 术 繁
8、殖 的 一 头 牛,人工合成牛胰岛素,杂交水稻,转基因鲤鱼,生物芯片,生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。,生物芯片技术广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。成为与晶体管芯片一样重要的产业。,史前人类金字塔的特殊结构秘密及UFO 地球上的生命起源的奥秘原始地球上积聚的前生物有机分子（类蛋白质、类核酸、类脂、糖类等有机物质）是如何进化成生命的呢？其他物种的遗传基因密码子使用频率遗传基因与微观环境对D
9、NA基因结构的影响 氨基酸和遗传密码子碱基结构之间化学进化的耗散过程四碱基内聚能密度类型对遗传密码子分布的调控机理染色体结构与“怪数”之说,尚需我们努力的方向：,有关金字塔的许多参数具有特殊意义:,金字塔高10亿=地球到太阳距离=1.5亿公里。,塔的周长正好365.24埃及米=1年的天数。塔的自重1015=地球重量。金字塔锥角正好是自然塌落现象的稳定角515049，四边边长误差不到20厘米，它的辅角和西北角的高度相差仅1.27厘米，东西轴和南北轴线的方位误差不超过5弧秒，是最稳定锥角结构，这样的高精度建筑连现代建筑科学与工程技术也难以达到，不可思议。一座金字塔大约由260万块巨石组成，每块巨石
10、平均重约512吨，其中最重的达1600吨，连现代工程技术也难作到。金字塔处于地球北伟30的陆地重力中心，把陆地平分为两半，地球两极轴心的位置每一天都有一定的变化，但在经25827年周期后，轴心位置又回到原来的位置，而有意思的是金字塔对角线之和也正符25827.6这个数字。塔内有一种力量，可使金属不生锈，一枚锈迹斑斑的金属变得金光灿烂，牛奶保鲜，水果保质，病人康复，头痛，牙痛者进金字塔内过一小时左右就不痛了。一些菜籽进金字塔就能发芽，且苗长4倍，叶绿素多4倍。看起来金字塔是一个非常好的微波振谐腔体，形成各种生命的能量。现在用类似金字塔结构的建筑，或随便用纸、木板、铁质造的模型也有类似上述“金字塔
11、效应”；作者也发现用纸做的金字塔盖在脸上睡觉，睡得很香，并进入一些怪梦中。,通信卫星,信息人脑的延续,2.信息技术,莱布尼茨发明的二进制在计算机以及信息理论中的运用，使得信息技术将继续在所有方面深刻地影响世界,单晶硅为代表的半导体微电子材料激光晶体为代表的光电子材料；介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料钕铁硼（NdFeB）永磁材料为代表的磁性材料；光纤通信材料磁存储和光盘存储为主的数据存储材料压电晶体与薄膜材料贮氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料,这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。,电子信息材料 是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产
12、品领域中所用的材料，主要包括：,全球定位系统技术GPS,俄罗斯Glonass(格洛纳斯全球导航系统),信息技术全方位的发展正在改变着人们几千年来形成的信息传递方式、人际间的沟通方式和社会管理的组织方式，并深刻地影响着社会生活、企业和政府运作的方式。,欧洲的Galileo定位系统,中国北斗定位系统,光子计算机、生物计算机、量子计算机都在加速研究,量子计算,以色列已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型“生物计算机”，一万亿个这样的计算机仅一滴水那样大。,大规模神经集成电路进行检测,第六代电子计算机的心脏,经过特殊培养后制成的生物芯片，可作为一种新型高速计算机的集成电路,我国最小遥感卫星,遥感
13、技术,家电信息技术,尚需我们努力的方向：,目前计算机一切信息信号就是由八种信息密码的排序来实现的。但是这种计算机智能与人类脑力仍有很大差距。为了使电子计算机的功能进一步提高，以色列最近发明的DNA计算机，正在向实用方向发展。,计算机科技还要进一步向深亚米化、超大规模集成、网格化、智能化方向发展生物计算机（8*8种信息密码排序）实用化还有很长的路要走,3.新材料继续成为人类文明的基石,材料应用的发展是人类发展的里程碑。人类所有的文明进程都是一他们使用的材料来分类的。石器时代、铜器时代、铁器时代等。,纳米材料电子信息材料先进陶瓷材料复合材料生物材料高分子材料,神州6号有望用上“纳米铁纸”比纸还薄,
14、3.1 纳米材料具有特殊的量子效应、界面效应、表面效应等等，使材料表现出物理和化学上的奇异现象，将会带来很多的工业应用,当前的研究热点和技术前沿包括：以碳纳米管为代表的纳米组装材料；纳米陶瓷和纳米复合材料等高性能纳米结构材料；纳米涂层材料的设计与合成；单电子晶体管、纳米激光器和纳米开关等纳米电子器件的研制、C60超高密度信息存贮材料等。,光子晶体与光子晶体光纤,有机显示材料,光导纤维,3.2 电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。,当前的研究热点和技术前沿：包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第
15、三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。,3.3 先进陶瓷材料,高性能低温烧结陶瓷陶瓷电容器,压电陶瓷换能晶片,当前的研究热点：包括陶瓷材料的强韧化技术、纳米陶瓷材料的制备合成技术、先进结构陶瓷材料体系的设计以及电子陶瓷材料的高匀、超细技术。,透明陶瓷镜头,纳米陶瓷,未来复合材料的研究方向:主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料和多功能、智能复合材料等领域。,超塑铝合金制造的汽车外形,用无压渗透法制备的铝基复合材料,3.4 复合材料,全复合材料机体无人直升机,3.5 生物材料：材料科学技术中的一个正在发展的新领域，不仅技术含量和经济价值高,人工骨,我国第一项纳米医药产品纳米人工骨颗粒
16、,人工皮肤,人造心脏,3.6 高分子材料,塑料,橡胶,纤维,表面材料（涂料）,注：此部分将在以后进行详细讲解,3.6.1 功能高分子材料,近年来一些功能高分子材料的出现，如光敏高分子、导电性高分子、医用高分子、高分子膜等，将加速合成材料工业的发展，对国民经济起一定的推动作用。,聚合物锂电池,超级吸水聚合物,聚合物光纤,脂质水凝胶,超强度(每平方厘米2000公斤以上);超微比重(每立方厘米0.001克以下）；多功能；无污染（可自毁）；可再生。,在新的世纪我们对材料提出了前所未有的高要求：,生物材料功能化干细胞,应用于组织工程,4.能源科学,能源是人类社会存在和发展的基石，使经济发展和文明进步的基
17、本约束条件,化石燃料高效与清洁利用技术广泛应用，节能技术和能源高效利用技术越来越受到广泛重视,煤直接液化高效催化剂,能源生产与节能先进技术无不建立在新材料不断发展的基础之上,化石能源的高效与清洁生产需要材料的不断改进核能仍将不断得到发展，材料是关键之一再生能源（特别是太阳能）的利用虽然诱人，但材料是瓶颈超导材料、磁性材料、蓄电池及燃料电池发挥越来越重要的作用，需要高效率的正电极和负电极新材料因此，随着材料科学技术，特别是纳米技术受到高度重视，21世纪能源新材料将会得到迅速发展,硅太阳能电磁,加大利用各种可再生能源,高空发电机“捕捉风能”,风车发电,生物能,开发新能源技术方面有所突破,通用公司的
18、氢动力车Hy-wire,秦山核电站,美国开始研制核能飞船 地球到火星不到60天,中国新型核潜艇,我们尚需努力的方向：,降低各种新能源的成本，使他们进一步产业化 研制出高效、安全、洁净的核能系统 进一步开发新的能源：波能、可燃冰、煤成气、微生物、绿藻现有煤向油的直接转化利用化学方法研制出更加高效的燃料电池以及太阳能电池与能源相关领域如新型材料的开发,5.环境科学,随着社会的发展和科技的进步，人类越来越觉得环境的重要，从而诞生一门从生态观点出发，将资源的合理利用和环境保护运用到生产和环境建设领域的综合性学科资源环境科学,环境污染使人类的生存遭到威胁,水、空气、土地是我们生存的基础，可当水的清澈，空
19、气的自由呼吸，土地的肥沃被满眼的油污，被刺鼻的化学味，被漂浮的粉尘侵蚀后，我们面对的将是无法挽回的伤痛，是癌症、是白血病、是中毒，甚至是死亡的代价！,污染的河流,酸雨,沙漠化,南极上空的臭氧空洞,白色污染,污染的河流,白色污染,要解决“白色污染”问题，应该从以下几个方面着手：1.减少使用不必要的塑料制品，如用布袋代替塑料袋等 2.重复使用某些塑料制品如塑料袋、塑料盒等；3.分类回收各种废弃塑料4.使用一些新型的、可降解的塑料，如微生物降解塑料和光降解塑料等,可降解塑料的降解过程,从生态观点出发，将资源的合理利用和环境保护运用到生产和环境建设领域中先进资源的化学制控和工程技术及各种废弃资源回收与
20、提升新型环境友好型材料的开发：可降解材料、可回收材料、抑菌材料等防止沙漠化和沙漠的利用,保护环境,6.海洋技术,海洋科技事关人类的可持续发展，事关国家安全、世界政治和经济格局，因此越来越引起各国的重视。,海洋监测技术海床基动力要素综合自动检测系统,BY8-水下金属探测仪在军事领域被广泛使用，同时也被应用于沉船打捞、渔业、水下考古等,海洋资源的开发，深水作业需要其他相关领域科技的支持，材料科学的发展，高强超韧材料的研发可以为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。,海洋资源的开发需要材料学的发展,不久前美国一权威著作预言：21世纪国家对航天能力的依赖可与1920世纪国家对电力、石
21、油的依赖相比拟。,7.空间技术帮助人类实现远古梦想,这些航天运载工具的外壳一般为玻璃钢，用碳纤维浸渍于酚醛树脂或环氧树脂上，然后手工覆上，最后用超声波检验，保证无气泡。航天器的发展必须以高性能材料的发展为基础，有极轻的重量和极高的强度，从而使它们性能先进、有效载荷大和耐航性长,“神舟”五号载人飞船成功发射,材料在航天领域有着至关重要的作用,“发现号”外挂油箱上绝热泡沫的脱落曾让许多美国人心惊胆战而三年前，正是由于塑料泡沫部件在发射时撞坏了一片防热瓦，导致“哥伦比亚”号在返航时空中解体,“发现号”航天飞机,国际号空间站,和平号空间站,哈勃空间望远镜,美国全球定位系统,全球卫星导航,欧洲Galil
22、eo（伽利略卫星导航系统）,俄罗斯Glonass(格洛纳斯全球导航系统),已经建成的月球资源开发基地,月球地形图，蓝色区域主要由月海玄武岩所覆盖,我们尚需努力的方向：,更全面地认识地球。由于地球面积辽阔，人们仅从地面上认清地球非常困难，所以必须发展空间技术获取新的资源，因为地球资源十分有限，所以人类必须寻找、开发和利用空间资源。开发新的高性能材料,火星探索“漫游者”,绿色农业园,立体种植,8.安全科学,如何认识转基因食品补品食品的包装材料,转基因食品,食品包装袋,？,？,食品安全,尚需努力的方向,加强生产过程的安全问题发展高效农业，解决人类的温饱问题加强食品监管体制，加大打击力度加深对转基因食品的认识深入对中药的研究开发具有优异性能的食品包装材料,八大领域的关系,彼此相互联系，渗透交叉整个科技群体构成了协同发展的复杂世界,新技术的产生和发展往往是“连锁反应”，全面爆发，相互激发，形成技术的“群体革命”,这八个领域的技术，最终还是为了进一步发展生命科学，为人类的健康长寿服务,生命科学与生物技术信息科学与工程材料科学与工程新型能源技术环境科学技术海洋科学技术宇航科学技术高效农业和食品安全,新型材料,八大领域关系,信息科学,海洋科学,宇航科学,新能源科学,环境科学,安全科学,生命科学,生物脏器组织,功能材料,生物食品化学资源开发,生态环境友好材料,
