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材料科学 材料的历史 |
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材料与人类文明 简单回顾一下历史便可知晓，正是在历史发展过程中以及与此相联系的人类知识和经验的增长过程中，材料的使用才得以发展。我们可从中得知：是哪些或哪类材料在一定的历史条件下最能满足技术和经济的需要；同时还可看到，材料的发展与社会的发展以及人类文明之间贯穿着一条辩证的线索。 在人类发展史的早期阶段，直接获取的自然财富被用于满足最简单的需要。自然财富、原料、材料、产品阶段几乎是协调一致的。由于没有分工，并且只不过是满足自身的直接需要，所以精加工的劳动比重很小。随着分工程度的深化，对在自然界寻觅到的原始材料进行加工的兴趣提高了。此后，长期以来所形成的社会关系，不断提供新的途径来更多地生产消费品和改善居住条件。如果人类想要改善生活条件，那么无论在哪个社会阶段，都必须发展技术及与此相联系的材料使用为前提。人身体上的“工具”、“发动设备”和感官均有局限性。如果没有具备相应数量、质量、形式和布局的一定材料，没有必要的知识和技能，人类便会停留在原始阶段。 数百万年前，人类摆脱了动物界，开始有意识地使用石头。除了骨头之外，石头是人类最早使用的材料之一。起初这种材料造型粗糙，但后来经过加工，使人类得以掌握多倍于体力的力量，人类被迫发展那些在与环境斗争中取胜的能力。人类先是用石头和骨头制成简单、基本的工具来补充手掌、手指、指甲和牙齿的功能。这些工具是手握的。当他们获得了不仅使用原始石头，而且进行加工的能力后，几乎等于完成了一次革命。当人类约在 50万年前使用火时，石料的价值就更大了。人类是由劳动创造的，劳动又是从制造工具开始的。在已经发现的旧石器时代的人类遗址里，可以看到我们的祖先用石头打磨制成的石刀、石斧、刮削器等，这些就是人类早期曾经用过的工具。劳动工具的出现，也带来了社会物质和人类文明的进步。 四、五十万年前北京猿人群居洞穴，狩猎为生，使用的工具主要源于石头和骨头，制作粗糙，用途尚未分化。他们的生产力水平低下，生活维艰，甚至弱肉强食。考古学家还发现猿人有食人之风，也许猿人根本没有意识到这样做是否道德。至于打扮自己——美的概念，他们连想也不会想。 在18，000年前山顶洞人的洞穴里，曾发现七件穿孔的石珠，五件穿孔的海蚶壳和一百多只穿孔的象牙。这说明了比较温饱的人类萌发了爱美之心。山顶洞人掌握了磨制和钻孔技术，能制造比较精致的石器和骨器，用骨针把兽皮缝制成衣服。 古生物学研究证明：在这个时期，除了能加工粗糙的石器外，还能制造工具。除了拳状锲之外，还有刮刀和刮板。骨头、象牙、石头和植物编织物被用来制造鱼叉、鱼钩和鱼网等。原始时代和史前时期用“划时代材料”来命名历史阶段，形象地说明了材料在人类历史上的重要性。 公元前15，000到10，000年之间，形成了早期的农业。此间产生的初期劳动生产力革命——农业革命的必然结果，是原始社会的解体。虽然材料仍局限在传统原料之内，但人的能力提高了。他们可以把材料加工得更加精细，而且富有艺术性。 约在公元前7000年，开始了最早的社会分工，形成了游牧部落和农耕。同时，材料及其产品有了进一步的发展，如罐壶、纺织和编织产品。至此，人类活动的产物主要来自直接支出的劳动，即活劳动。直到劳动分工和出现专式的制作时，劳动过程的组成部分才被加以区别。这就是劳动力、劳动工具和劳动对象。这个时期 （其演变过程长达数千年）可看作是材料诞生的时期，劳动是慢慢地被物化了。 六千多年前的西安半坡遗址为我们提供了丰富的文物和史料。出土的汲水用尖底陶罐、鱼纹彩陶盆、口沿有几十种符号的陶钵都十分精美。半坡人普遍使用磨制的石铲、石刀等石器。他们还把骨、角制成针、锥、鱼钩、鱼叉和弓箭。岩石、兽骨和陶土成为他们熟悉的材料。 石器的使用历史最为漫长，达二、三百万年之久。后来由于生产力的发展，我们的祖先在不断改进石器和寻找石料的劳动中，发现了天然铜块 （自然铜），把它加热锻打，加工成各种器物，铜首次被有意识地用来作为材料。后来又发现把锡矿石加到铜里一起熔炼，制成的物品更加坚韧耐磨，这就是青铜。一般来说，原始的农业、手工业和文字是青铜时代的特征。 公元前5500到4000年之间，随着灌溉技术的出现以及顺乎自然而形成的手工业，人类进入其生存的一个新的历史阶段。早期东方人在河谷地区居住，使农业和手工业分开。这是第二次大的社会分工，它使劳动生产率急剧增长，从而使少数人能够占有剩余产品和行使他们的权力。可以想像，一个古代狩猎者为保障其生存基础，需要有20平方公里的猎区；而以农田为生存基础的耕农，则可在相同的面积上养活9000人。显然，这个时期的初期已取得了巨大的进步，而后来的自然手工业和灌溉技术更使其大大向前迈进，彩陶是这个时期引人注目的改进。考古人员除发现了简单的用品外，还发现大量的容器，尤其是有相当艺术价值的绘画的容器。金属铜比石头具有更广泛的用途，这使它更广泛被采用，而石头作为材料已退居第二位。更主要的发展成果是青铜，铜具有这种形式后，才大大优于石器。起初，人们只是无意识地在铜内加入其它金属，如铅、锌、银和锡而得到合金。但不久便认识到，这些真铜和假铜具有比纯铜更好的性质，而用 6～20％的锌制成铜合金的效果最佳。 在青铜时代早期，就发明了金属浇铸这一重要工艺技术。它主要用于合金成分大于10％的合金，因为这时已经不能再用锤打的方式进行加工。青铜熔炼是个突破，此后便能生产成分不同的新材料，冶金迈入技术历史的前列。随之而来的是金属分割、成型、焊接等不同的金属加工技术，同时，也使社会物质水平和人类文明得到不同程度的提高。 在五千多年前的仰韶文化遗址中，发现了陶制纺轮和骨针，有的陶器上留有麻布纹的痕迹，说明人们已懂得纺织。在3500～3000年前的商代遗址中，出土了大量青铜器，包括青铜乐器铜铙。河南安阳出土的商代晚期大司母戊鼎重达875千克，以其精美壮丽闻名中外。商代的墓葬物中已经有镀锡的铜器和锡、铅、金器，商代的甲骨文字中，有不少“车”、“舟”、”帆”字，反映出当时的交通已有相当高的水平。 我国的青铜冶炼始于夏代 （公元前2140～公元前1711年）。进入奴隶社会以后，炼钢技术发展很快。所使用的劳动工具、武器、食具、货币、日用品和车马装饰，都是用青铜制造的，显示出我们祖先精湛的艺术才能。更主要的是青铜材料代表一种新的生产力登上了历史舞台，有力地促进了生产的发展和人类文明的进步。 铁的出现，在很大程度上与陨铁的发现有关，但铁矿开采可能与铜矿开采有关。铁加工曾有两个技术中心，一个中心是西亚，另一个中心是中国。在那里，当时正向最早期的机械过渡 （使用动物和水轮作动力的最老的机器），直到18、19世纪的工业革命才从数量和规模上超越了这个阶段。越来越多的手工业者能自力开采和加工金属。少数锻工场掌握了加工和制作最精良铜材的技术。淬火钢获得了声誉，古代称之为塞乐铁。为获得熔化金属矿石达到的温度，使用了木炭。但如果没有充分的氧气，木炭最高只能达到900℃，被熔碴污染的初级产品在炽热状态下加以锤打，使其净化，从而可得到可锻铁。根据考古挖掘和现有的文献来判断，铁在公元前12世纪最终占据了统治地位。 2700～2400年前的春秋时代，我国人民已经掌握了冶铁技术，比欧洲早1800年左右。那时是战国时代，铸铁的生产和应用显著扩大，已经使用铁模铸造农具，白口铁、展性铸铁、麻口铁等品种相继出现，进而由铸铁发展到炼钢，并且发展了三种不同的炼钢方法。 我国的传统冶炼和浇铸技术，包括精密浇铸技术延续发展了一千多年，直到六百多年前的明朝还在世界上处于遥遥领先地位，这也是我国灿烂的古代文化繁荣的基础，我国劳动人民对人类文明作出了巨大贡献。 在公元一世纪来临时，技术发展达到了第一个高潮。罗马帝国的崩溃和此后许多世纪许多社会生活领域的停滞不前，禁锢了技术的进步。 工业革命与新兴材料 公元1000年以后，技术领域才开始了一个新时代。原料的开采和加工技术经历了重要的繁荣阶段，当时以水力为驱动能代替以往动物和人的力量。利用水力驱动的鼓风机使冶炼达到的温度，可将铁化为液体，铁在炉火中被加工成可锻铁，从而发明了精炼法。此法直到18世纪末才被其它方法淘汰，直到这时才可以大量生产质量较高的铁。 18世纪是技术革新的世纪。对行将到来的基础材料工业发展来说，最重要的发明是人们掌握了用硬煤炼焦并用于为炼铁输入能量。后来很快就发明了搅炼法，这种炼钢法可使用硬煤而不使其接触铁。1856年，在把常压空气鼓进一个转炉内将铁变为钢的时候，引起了极大轰动。19世纪，西汀丁——马丁法和托马斯法标志着炼钢技术的完善。 在此，涉及到材料史上一个新的历史阶段。因为它是科学技术革命以前人类历史上整个生产力系统第一次革命性转变的标志，故对其作几点重要说明。 18世纪中期，可以看出当时最进步的国家（如英国）的技术发展趋势，这种发展在数十年内即导致阶级结构发生史无前例的变化，这就是 18、19世纪的工业革命。当（1879年）革命的风暴席卷法国时，英国正在发生比较安静的、但同样是巨大的变革。蒸汽和新的工作母机把手工工场转变为现代化大工业，从而使市民社会的全部基础发生了革命性变化。手工工场的缓慢发展过程转变为一个真正暴风雨般、突飞猛进的生产阶段。 劳动手段的变化，即从工具到机器的飞跃，促使其它工业部门也不能停滞不前。机器在重工业和交通中的应用也具有同样重要意义。这种变化与材料有多大关系呢？ 18世纪中期，由于生产金属所需的木炭不断增加，使英国的森林遭到严重砍伐。如果仍然不控制砍伐，便威胁到水土的保持。寻求新的、利用硬煤炼钢方法，不但能使生产保持当时的水平，而且能加以提高，以适应国民经济增长的需要。经过许多试验终于达到目的，1759年卡龙制铁厂首次用煤代替木材。1750年一炉的产量约为300吨，而1800年之后已达到1500吨，1783年首次使用的炒钢法使钢铁生产发生了一次革命，它提高了钢的产量，最后还成功地把蒸汽机用在钢铁的生产中。在此之前，蒸汽机已经用在深度日益增加的矿山，以解决排水问题。 随着纺织工业建设对机器需求的不断增长，出现了新的工业部门——机械制造工业。这个工业的劳动对象很久以来始终是木材，而且动工方式最初大多是木材加工，后来对铁、钢、黄铜和其它材料逐渐增多加工。在资本主义生产把国民经济立于新的基础上、将它所占领的市场统一为国内市场的情况下，必须用新的交通系统把生产与消费、原料与销售市场联系起来。因而，建造铁路就成为工业革命的巨大推动力，“钢铁时代”来临了。但这个时代几乎没能达到其骄傲的顶峰，因为新的材料已经问世了，那就是塑料。 天然产物的转换及合成材料的历史同焦油染料工业的历史有密切联系。焦油染料工业在19世纪末期是作为过去有机化学的工业结晶而形成的。随着硬煤炼焦的增多，焦油产量也增加了，因此人们普遍寻求利用这种废物的方法。1856年，英国人威廉·亨利·泊金找到了一种大规模生产有用染料苯胺紫的工艺。当科库勒斯于1865年发现苯的化学式——碳化物的关键，一个新的工业就诞生了，最初主要生产染料和药品。19世纪70年代至90年代是以电磁理论的建立及其在工业上的应用为主要标志的。法拉第发现了电磁感应现象以后，有实用价值的发电机已经制成。但是，电在工业上的应用，并不是从制造发电机开始的。也就是说，电不是首先作为能源使用，而是用于电报和电话等通信事业。因为那时候电灯、电动机等一类电器还未出现，发电机发出的电用不了，电没有多大销路，因此电力工业得不到大发展。自从1879年美国大发明家爱迪生发明了白炽电灯以后，每家每户都用电照明，用电量猛增，大规模工业发电才迅速发展，电力革命的曙光才照到人间。 白炽灯泡的发明，是与灯丝试验成功密切相关的。爱迪生花费了一年多时间，一共试验了一千多种灯丝材料，最后采用碳纤维才获得初步成功，以后又改用高熔点的钨作灯丝。大大小小的电灯泡推动了美国工业发展，发电厂 （站）像雨后春笋般建立起来。电力工业发展的需要，促进了发电机、电动机、变压器、电线和电缆工业的诞生和发展。同时，还推动了材料与工艺技术的发展。例如，各种导体、绝缘体以及后来半导体材料的发现；电镀、电解、电焊、电火花加工等新工艺的应用。 工业革命后英国的钢铁产量大幅度上升，年产量从一万吨猛增到130万吨。钢铁、无机化工材料、机械等工业产品占世界总产量一半以上，获得了 “世界工厂”的称号。这次工业革命，正如1848年《共产党宣言》中所说的： “资产阶级在它的不到100年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代创造的全部生产力还要多，还要大。” 本世纪前半期，则以核能、飞机、汽车、化工和电子计算机的发明或发展作标志的。放射性材料镭和钋发现以后，核裂变原理取得重要成果，核能开始被利用。飞机的革新是与航空材料的进步密切相关的；1927～1931年是化工技术发生转折的时期，继塑料以后，合成橡胶和合成纤维材料相继问世，使有机合成材料工业进入一个崭新阶段；本世纪初，内燃机技术取得突破，汽车开始大量生产；还有1945年世界上第一台电子计算机的发明；1957年第一颗人造卫星上天等。 当今世界，我们正面临着又一场新的技术革命——有人称之为第四次工业革命。这次革命是以信息科学、材料科学和生物科学为前沿的。世界科技界权威人士认为，这场工业技术革命所带来的影响和创造的社会财富，将远远超过历次工业革命。 在回顾历史时，不仅要看到质的问题，也要看到量的问题。从时代上看，材料的发展是相当缓慢的。用于材料的原料长期以来是有限的，只是随着工业革命及其产生的社会效果，才发生了变化。不同材料领域的科技迅速进步，在很大程度上标志并丰富了我们的时代。 原料能提供无穷财富吗 原料的基础包含于物质世界之内。人类通过劳动，将天然状态下的物料 （其中有75％属于天然宝藏，25％来自农业、林业和海洋经济）略加处理，便取得原料。实践中还分为一次原料和二次原料。前者从自然界中分化出来，并只经过一个阶段的加工；后者是在生产消费或个人消费的一定阶段上分出并返回生产过程。物料 （天然资源）经过人类的劳动转变为原料。人类把原始的、天然的物料从其自然结构中分化出来，在这个阶段，原料成为社会上的消费对象或生产资料。由此可以得出结论：要满足人类的任何物质需要，都要有原料。因此，对原料的需要将经历长期的、然而却是根本的转变。动、植物产物用来维持生命，这是原料的第一个和最低级 （然而也是最必要的）形式。人类当时对于物料变化的过程认识很有限，千万年来，寻找到的天然宝藏和财富很少得到精加工。随着手工工场的出现，劳动分工和专业化的进一步发展；随着生产率的提高，人们曾努力深入认识生产所用原料的奥秘。开始时根据经验成功发现的方法，可以反复出现，这就促使人们更深入地认识物质，寻找规律。人们开始掌握了这方面的必要知识，出现了关于物质内在联系的最早的科学研究。有趣的是，其起源是地质学。起初地质学的研究方向只是天然宝藏，探明矿床和开采方法。后来，社会需要要求地质学从一种寻找和发现的学说向着原料方法方面进一步发展并实现专门化。这个时期的特点是：人类利用附近环境的资源可以满足他们对原料的需要，而且用这种形式也可以满足在数量和质量上更高的要求。 最近25年，全世界生产了约400亿吨石油，这相当有史以来全部产量的80％；同样，煤产量约为600亿吨，铁矿约为120亿吨，分别相当于有史以来产量的40％和60％。过去的25年，世界人口增长到原来的1.6倍，煤和铁矿等重要原料的产量增加到原来的二倍，石油增加到五倍，天然气增加到四倍。为了扩大生产，要求探明更多、更好的矿床。一方面要勘查新的矿床，另一方面也要采用新的开采和选矿工艺，以利用品位低的原料。 地球上的五十多亿居民的原料需要取决于以下两个重要因素：用作能源和主要材料的原料的人均消耗量以及用于个人消费的原料的人均消耗量；工业国家居民所占的百分比。 20％的世界居民消耗80％的原料，而其余的80％居民则仅用20％的原料以满足其基本的生活需要。工业发达国家所消耗的原料，超过世界水平的2～3倍，而发展中国家的人均消耗量仅为世界平均水平的10％。一方面，为了满足工业国家不断增长的需要而要求更多的原料；另一方面，发展中国家为补足自己也要巨量材料。因此，为满足对原料日益增长的需要，开发新原料，研究利用现有原料或开发已查明储备原料等，都具有世界性的社会意义。 社会的需要决定了对原料的需求。 在所有国家，有效开发和利用原料，尤其是国内原料，是发展经济的重要前提。在其他工业高度发达的国家里，各种原料供应也很紧张。发达国家的原料出口，1955年约为94％，1960年约为90％，而1966年已下降到88％，这种每隔十年下降6％的趋势将持续下去，而就地加工原料的趋势正在增加。有些原料的世界需求增加速度超出其生产增长速度，例如有色金属，在这种情况下，提高原料生产回收率具有重要意义。较合理的工艺和能源消耗相结合，对材料经济具有决定性的意义。 |
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