第2章第1节材料在国民经济中的作用.ppt

生态环境材料学,主讲教师:王振峰 E-mail:wangzfzzu.edu.cn,第二章 材料与生态环境系统,第1节 材料在国民经济中的作用 第2节 材料元素的环境和资源 第3节 材料系统与自然系统 第4节 材料与当代资源问题 第5节 材料与当代环境问题 第6节 材料工业可持续发展的障碍,第1节 材料在国民经济中的作用,2.1.1. 材料在国民经济中的作用 2.1.2.材料工业对环境的影响,1.1. 材料在国民经济中的作用,2.1.1.1 材料是国民经济和社会发展的基础和先导 2.1.1.2 材料的发展为产业革命奠定基础 重大的技术革新往往起始于材料的革新 经济发展和生活水平提高，对新材料发展和应用提出更高、更迫切的要求 材料在中国是国民经济的基础性、关键性支柱产业之一,材料是国民经济和社会发展的 基础和先导,材料与能源、信息并列为现代高科技的三大支柱。在历史上，材料曾被作为社会文明进化的标志，如将历史时期分为石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代，直至现代的高分子时代等等。其中，材料既是一个独立的领域，又与几乎所有其他新兴产业密切相关。,水泥,陶瓷,耐火材料,玻璃,1756年，英国工程师J.斯米顿发现采用含有粘土的石灰石烧制的石灰；用于水下建筑的砌筑比优质石灰更坚固结实. 1796年，英国人J.帕克用泥灰岩烧制出了一种呈棕色的水泥，外观很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物，命名为罗马水泥。 1813年，法国的土木技师毕加发现了石灰和粘土按三比一混合制成的水泥性能最好。1824年，英国建筑工人J.阿斯普丁取得了波特兰水泥专利权。1907年，法国比埃利用铝矿石的铁矾土代替粘土，混合石灰岩烧制成了“矾土水泥”。 1877年，英国的克兰普顿发明了回转炉，于1885年经兰萨姆改革成更好的回转炉。 1893年，日本远藤秀行和内海三贞二人发明了不怕海水的硅酸盐水泥。 20世纪，人们在不断改进波特兰水泥性能的同时，研制成功了一批适用于特殊建筑工程的水泥，如高铝水泥，特种水泥等。全世界的水泥品种已发展到100多种。 中国在1952年制订了第一个全国统一标准，确定水泥生产以多品种多标号为原则，并将波特兰水泥按其所含的主要矿物组成改称为矽酸盐水泥，后又改称为硅酸盐水泥至今。,水泥对国民经济和文化的影响,大坝用水泥,核电站用水泥,水泥是建筑工程的重要基本材料之一。水泥被广泛应用于工业建筑、民用建筑、交通工程、水利工程、海港工程、核电工程、国防建设等新型工业和工程建设等领域 。,水泥在国民经济中的作用,中国最大水泥企业海螺集团,水泥工业是国民经济中非常重要的产业。新工艺、新技术的发展必然会促进传统水泥工业的技术进步，新工艺的变革、新技术的发展和新品种的出现必将开拓新的应用领域。如宇航工业、核能工业以及其他新型工业的建设，也需要各种无机非金属材料，其中最为基本的都是以水泥基为主的新型复合材料。 水泥对人类的物质和文化生活产生了积极的影响，对人类的文明和进步发挥着重要作用。,玻璃最初由火山喷出的酸性岩凝固而得。约公元前3700年前， 古埃及人已制出玻璃装饰品和简单玻璃器皿。 3000多年前，一艘欧洲腓尼基人的商船，满载着晶体矿物“天然苏打”，航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。由于海水落潮，商船搁浅了。于是船员们纷纷登上沙滩。船员还抬来大锅，搬来木柴，并用几块“天然苏打”作为大锅的支架，在沙滩上做起饭来。船员们吃完饭，潮水开始上涨了。他们正准备收拾一下登船继续航行时，突然有人高喊：“大家快来看啊，锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西！”; 船员们把这些闪烁光芒的东西，带到船上仔细把玩起来发现，这些亮晶晶的东西上粘有一些石英砂和融化的天然苏打。原来，这些闪光的东西，是他们做饭时用来做锅的支架的天然苏打，在火焰的作用下，与沙滩上的石英砂发生化学反应而产生的晶体，这就是最早的玻璃。后来腓尼基人把石英砂和天然苏打和在一起，然后用一种特制的炉子熔化，制成玻璃球，使腓尼基人发了一笔大财。 1873年，比利时首先制出平板玻璃。1906年，美国制出平板玻璃引上机。玻璃生产工业化和规模化，各种用途和各种性能的玻璃相继问世。玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。约公元前1000 年前，中国制造出无色玻璃。,玻璃对国民经济和文化的影响,普通平板玻璃：窗户、门扇、室内屏风等；,玻璃的应用,深加工玻璃：钢化玻璃、磨砂玻璃、压花玻璃、夹丝玻璃、中空玻璃、夹层玻璃、防弹玻璃、热弯玻璃、玻璃砖、玻璃纸、LED光电玻璃、调光玻璃等。,上海世博会联合国馆 空心玻璃砖,钢化玻璃,陶器的发明是原始社会新石器时代的一个重要标志。 我国已发现距今约10000年新石器时代早期的残陶片。 河北徐水县南庄头遗址发现的陶器碎片经鉴定为10800-9700年的遗物。此外，在江西万年县、广西桂林甑皮岩、广东英德县青塘等地也发现了距今10000-7000年的陶器碎片； 1973年在河北武安磁山首次发现而得名的磁山文化，据放射性碳素测定，距今7900年以上； 1977年考古人员在河南新郑裴李岗发现了与磁山文化时代相当、内容近似的文化遗存，因此合称为“磁山·裴李岗文化”。,瓷器是中国人发明的，这是举世都公认的。瓷器的发明是在陶器技术不断发展和提高的基础上产生的。商代的白陶以是用瓷土（高岭土）作原料，烧成温度达1000°C以上，它是原始瓷器出现的基础。,陶瓷对国民经济和文化的影响,陶瓷材料多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等，如粘土、氧化铝、高岭土 按用途不同可分为： 日用陶瓷：餐具、茶具、缸、盆、碟、碗等； 艺术陶瓷：花瓶、园林陶瓷、器皿等； 工业陶瓷：建筑-卫生陶瓷、化工陶瓷、电瓷、特种陶瓷等。,磨削工具,中国工业陶瓷最大的 生产基地江西省萍乡市,中国在4000年前就使用杂质少的粘土，烧成陶器，并已能铸造青铜器。 东汉时期（公元25-220年）用粘土质耐火材料做烧瓷器的窑材和匣钵。 20世纪初，耐火材料向高纯、高致密和超高温制品方向发展，同时发展了不需烧成、能耗小的不定型耐火材料和高耐火纤维。 1914年，W. A. L. Schaefer在美国芝加哥建立了名叫Pliable Fire-brick Company的公司来生产其新开发的耐火材料和推广其应用技术。该公司的最初产品是用来修补锅炉炉壁的耐火可塑料。 1932年，水泥粉料状的耐火浇注料产生。此外，气硬性的耐火可塑料也出现，这是现代不定形耐火材料的先驱。 1932年，水泥粉料状的耐火浇注料产生。此外，气硬性的耐火可塑料也出现，这是现代不定形耐火材料的先驱。,耐火材料对国民经济和文化的影响,钢水温度： 1600-1750 ,玻璃液温度：1400-1500 ,铁水温度：1400-1500,材料的发展为产业革命奠定基础,世纪以来，人类经历了三次世界范围的产业革命，每次产业革命的成功都 离不开新材料的开发。 第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机。瓦特发明了蒸汽机，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，这种蒸汽机才得以实用并逐步推 广。 第二次产业革命以发电机、内燃机的广泛使用为突破口，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，如铜合金、铝合金以及各种 非金属材料的发展。 第三次产业革命是以电子计算机、原子能技术和航天技术为代表，尤其是电子计算机的迅速发展和广泛应用，拉开了信息技术革命的序幕。人类正面临着以电子和信息、材料、航空航天、生物工程、海洋开发、石油化工、原子能等工业为主体的一场更深刻、更高水平的产业革命。,1698年，世界上第一台工业用蒸汽机是取得标名为“矿工之友”的英国专利。英国的萨弗里将一个蛋形容器先充满蒸汽，然后关闭进汽阀，在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打开进水阀，矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中；关闭进水阀，重开进汽阀，靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时，关闭进汽阀和排水阀，重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环，用两个蛋形容器交替工作，可连续排水。 1705年，纽科门及其助手卡利发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。它的改型产品直到19世纪初还在制造。因被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，纽科门大气式蒸汽机的热效率很低。 1764年，英国的仪器修理工詹姆斯·瓦特为格拉斯哥大学修理纽可门蒸汽机模型时，注意到了这一缺点，并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵，为了从凝汽器中抽除凝结水和空气，瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。 1782年前后，瓦特完成了两项重要发明：在活塞工作行程的中途，关闭进汽阀，使蒸汽膨胀作功以提高热效率；使蒸汽在活塞两面都作功(双作用式)，以提高输出功率。瓦特使发明了平行四边形机构，于18世纪末将曲柄连杆机构用在蒸汽机上。,材料为产业革命和科学技术革命的先导,蒸汽机的发明,电子计算机，是由早期的电动计算器发展而来的。 电动计算器是1946年面世的，它主要是用于计算弹道。是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院制造的，但它的体积庞大，占地面积170多平方米，重量约30吨，消耗近140千瓦的电力。被大多数人错误的认为 “世界上第一台电子数字计算机ENIAC” 。 1973年美国最高法院的裁定,最早的电子数字计算机,应该是美国爱何华大学的物理系副教授约翰·阿坦那索夫和其研究生助手克利夫·贝瑞Clifford E.Berry ，1818-1963）于1939年10月制造的“ABC”(Atanasoff- Berry-Computer）。之所以会有这样的误会，是因为“ENIAC”的研究小组中的一个叫莫克利的人于1941年剽窃了翰·阿坦那索夫的研究成果，并在1946年时，申请了专利。由于种种原因直到1973年这个错误才被扭转过来。 后来为了表彰和纪念约翰·阿坦那索夫在计算机领域内作出的伟大贡献，1990年美国前总统布什授予约翰·阿坦那索夫全美最高科技奖项-“国家科技奖”。 1956年，晶体管电子计算机诞生了，这是第二代电子计算机。只要几个大一点的柜子就可将它容下，运算速度也大大地提高了。1959年出现的是第三代集成电路计算机。,材料为产业革命和科学技术革命的先导,手写电脑,重大的技术革新往往起始于材料的革新,从世界科技发展史看，没有先进的材料，就没有先进的科学技术和现代化的工业。例如： 世纪年代出现的镍基高温合金，将材料使用温度由原来的提高到，从而导致了超音速飞机的问世；而高温陶瓷的发明则促进了表面温度高达的航天飞机的发展。 反过来，近代新技术的发展，如原子能、计算机、集成电路、航天工业等又促进了新材料的研制。目前已涌现出了各种各样的新材料，以致有人将我们的时代称为精密陶瓷时代、复合材料时代、塑料时代等。,经济发展和生活水平提高，对新材料发展和应用提出更高、更迫切的要求,随着世界经济的快速发展和人类生活水平的提高，对材料及其产品的需求日益增长，对新材料的发展和应用提出了更高、更迫切的要求。 世纪年代以来，随着科学技术的发展，又面世一大批高新材料，如新型轻质、高比强、高比模结构材料，超高温和低温材料，先进复合材料，以及各种具有特异功能的材料。 到世纪年代末，全世界项新兴产业的年销售额已达近万亿美元，其中新材料约占。可以说，新材料技术既是当代高技术的重要组成部分，又是发展高技术的重要支柱和突破口。,我国“十二五”规划，对高强轻型合金材料、高性能钢铁材料、功能膜材料、新型动力电池材料、碳纤维复合材料、稀土功能材料等6类新材料进行重点支持。,轻质合金钢制作的伸缩楼梯,上海世博会新型超级电容公交车,材料在中国是国民经济的基础性、 关键性支柱产业之一,我国是一个人口大国，材料产业历来受到政府的重视，得到了大力的支持，钢铁、有色金属、化工、建材等主要行业，建国以来得到迅速的发展。到世纪年代末，每年进入经济循环的原材料达亿吨，成为支持国民经济发展和国防现代化的基础产业和发展高新技术的支柱和关键。可以说，经过5多年的发展，我国原材料工业从无到有，从小到大，品种门类齐全，基本满足了国民经济发展的需要。,1.2.材料系统对生态环境的影响,材料在国民经济发展中发挥着重要的作用；但材料业对资源的掠夺性使用会使经济发展走向歧途。 材料在生产、加工、使用和废弃过程中对资源和能源的消耗，各种排放物，如废气、废水和废渣等对环境的负面影响和破坏。 材料的生产和使用对全球生态及人体健康也能造成不良影响，如全球温室效应，臭氧层破坏，光、电磁、噪声，以及放射性污染等。,