師昌緒院士報告：材料與社會可持續(xù)發(fā)展.ppt

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1、北京青少年科技俱樂部－科技名家講座材料與社會可持續(xù)發(fā)展師昌緒2006.10月于北京國家自然科學(xué)基金委員會1前言一、材料在人類社會發(fā)展中的作用二、材料在開發(fā)過程中所遇到的問題及對策三、為了可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前材料科學(xué)技術(shù)應(yīng)重視的幾個環(huán)節(jié)結(jié)語報告內(nèi)容：2前言：當(dāng)前最關(guān)注的三大問題：資源、能源與環(huán)境都與材料有密切關(guān)系。材料是人類社會進步和人民生活水平提高不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。生產(chǎn)材料是消耗資源與能源的大戶，也是造成環(huán)境污染的主要源頭，但是材料又是開發(fā)能源和治理環(huán)境污染的重要保障。土木工程在社會發(fā)展中十分重要，2004年GDP13萬億元，51.3%為全社會固定資產(chǎn)投

2、資拉動的，其中60－65％是土木工程。3一、材料在人類社會發(fā)展中的作用1、以材料劃分人類發(fā)展的歷程青銅時代石器時代鐵器時代電子材料時代(Si)中國中東歐美9000700060005000400030002000100050005001000150018001900195019902000公元前公元材料與文明42、以鋼鐵為主要標志的工業(yè)革命(英國)1733年發(fā)明了飛梭促進了紡織工業(yè)大發(fā)展；1735年焦碳煉鐵；1750年坩堝煉鋼；1760年鼓風(fēng)機(加速煉鐵、煉鋼)；1765年蒸汽機；1785年蒸汽機船；1796年蒸汽機車；1856年轉(zhuǎn)爐煉鋼；1864年平爐

3、煉鋼；1868－1914年各種合金鋼出現(xiàn)；5中國3.5億噸自1870年以來世界粗鋼的產(chǎn)量發(fā)展報告63、材料在人類社會現(xiàn)代化過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用人類社會現(xiàn)代化的主要標志：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)電氣化和自動化，勞動生產(chǎn)率大幅度提高；人類活動的全球化和立體化；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)則是依靠科學(xué)技術(shù)的進步，逐步從以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)改造為以科學(xué)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)。78航空發(fā)動機對材料的依賴程度更高，達到80％以上，除高比強度和高比剛度，還要求耐高溫、抗疲勞、抗氧化和腐蝕能力。噴氣發(fā)動機起源于上世紀40年代初，當(dāng)時的工作溫度在700℃左右，而今民用機接近1500℃，而軍用機在2000℃左右。

4、這就要求發(fā)展耐高溫材料(高溫合金)。高溫合金的發(fā)展，先是鍛造鐵基或鎳基合金，1958年采用鑄造，以提高合金元素含量，而后又定向凝固(1965)、單晶(1970)，以消除晶界在高溫下強度變低的影響；為了減少偏析，有些大件(如渦輪盤)采用粉末冶金，這些材料再加冷卻技術(shù)，基本滿足了要求。9從民航機的發(fā)展歷程，說明每座·哩油耗逐年下降的情況，這一方面是設(shè)計與機型的擴大所致，另一方面是材料不斷改進的結(jié)果，PWA客機每減重1kg，多贏利$104。歷代民機座·哩的油耗燃油效率(每座·哩/加侖)初始服役年份客機從波音707到747，30年間每座·哩的油耗降低了2.5倍

5、2.5倍10科學(xué)技術(shù)對農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)也是決定性的。利用鋨作為催化劑，哈伯(Haber)于1909年合成了氨作為肥料，1940年發(fā)明的除草劑，及采取灌溉、農(nóng)膜育苗及機械化作業(yè)等措施，可使糧食大幅度增產(chǎn)。中國歷年糧食單產(chǎn)增加情況年度畝產(chǎn)(斤)1949137195217619783371983453目前，再加育種技術(shù)，畝產(chǎn)噸級以上，但是化肥用量過大，我國占世界7％的耕地用了1/3化肥，造成資源浪費和環(huán)境污染。1112此外，光傳播、光存儲的發(fā)展速度更快，也都是材料不斷進步的結(jié)果。目前，硅半導(dǎo)體占95％，隨著頻率和性能的提高，化合物半導(dǎo)體GaAs、InP、GaN等成

6、為第二代半導(dǎo)體材料，第三代將是SiC、金剛石等。自工業(yè)革命后，人類社會的進步主要是材料推動的結(jié)果！13二、材料在開發(fā)過程中所遇到的問題及對策資源＋能源材料＋廢物科學(xué)工程技術(shù)應(yīng)用廢品污染物循環(huán)經(jīng)濟(4R)ReduceReuseRecycleRemanufacture環(huán)境14全球重要金屬礦儲量及可采年限礦物單位儲量可開采年限中國排位Fe礦石(109T)153.41715Mn金屬(106T)907.2975Cr富礦(Cr2O335-45%)(106T)105710613Ni金屬(106T)52.6685W金屬(106T)2.8601Mo金屬(106T)5.4

7、4552V金屬(106T)4.351351Cu金屬(106T)340407Zn金屬(106T)170261Al鋁礬土(109T)212387Ti金屬(106T)15511Pt金屬(103T)31.11356稀土氧化物(106T)457811資源金屬材料有資源枯竭問題15可以看出，目前已探明的金屬礦床，多者可用不足200年，少者僅20－30年，可能解決的途徑有以下幾個方面：1、加強對地球資源深度勘探和采掘地球構(gòu)造剖面圖16世界資源大國，多數(shù)礦山開發(fā)深度已達到1000米以上，有的達4000米，我國只有幾百米。特別隨著科學(xué)技術(shù)的進步，探明儲量可大幅度增加，但

8、不可再生的資源，總有枯竭的一天。172、向海洋要金屬經(jīng)過億萬年的地球表面的風(fēng)化和雨水沖刷，海水