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浅谈材料历史与材料成型技术——《基础材料与新材料》

浅谈材料历史发展与材料成型技术
前言：作为一名材料成型及其控制工程的在校本科生,研究材料发展与本专业的关系是一种专业知识的扩展也是对自身能力的增强。本文主要简单地介绍材料发展史以及相应材料成型技术的发展史.
摘要：石器时代 第一次材料技术革命 铜的熔炼以及铸造技术
铁器时代 铁的规模冶炼技术、锻造技术 第二次材料技术革命"
钢铁 陶瓷 有色金属 混凝土 高分子材料
一、 历史沿革
从人类社会的发展和历史进程的宏观来看，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物质基础和先导.而材料和材料技术的进步和发展，首先应归功于金属材料制备和成型加工技术的发展。人类从漫长的石器时代进化到青铜时代（有学者称之为“第一次材料技术革命”），首先得益于铜的熔炼以及铸造技术进步和发展，而由铜器时代进入到铁器时代，得益于铁的规模冶炼技术、锻造技术的进步和发展（所谓“第二次材料技术革命"）。直到16世纪中叶,冶金（金属材料的制备与成型加工）才由“技艺”逐渐发展成为“冶金学"，人类开始注重从“科学”的角度来研究金属材料的组成、制备与加工工艺、性能之间的关系，迎来了所谓的“第三次材料技术革命"—-人类从较为单一的青铜、铸铁时代进入到合金化时代，催生了人类历史的第一次工业革命，推动了近代工业的快速发展。
进入20世纪以后，材料合成技术、符合技术的出现和发展，推动了现代工业的快速发展，而电子信息、航天航空等尖端技术的发展，反过来对高性能先进材料的研究开发提出了更高的要求,起到了强大的促进作用，促成了一系列新材料和新材料技术的出现和发展。
一般而言，材料需要经历制备、成型加工、零件或结构的后处理等工序才能进入实际应用，因此，材料制备与成型加工技术,与材料的成分和结构、材料的性质一起，构成了决定材料使用性能的最基本的三大要素。
先进工业国家对材料制备与成型加工技术的研究开发十分重视。美国制定了“为了工业材料发展计划",其核心是开放先进的制备与成型加工技术，提高材料性能，降低生产成本，满足未来工业发展对材料的需求。德国开展的“21世纪新材料研究计划"将材料制备与成型加工技术列为六个重点内容之一.在欧盟的“第六框架”计划中，先进制备技术时新材料领域的研究重点之一。日本在20世纪90年代后期，先后实施了“超级金属"、“超钢铁”计划，重点是发展先进的制备加工技术,精确控制组织,大幅度提高材料的性能，达到减少材料用量、节省资源和能源的目的.
新材料的研究、开发与应用，综合反应了一个国家的科学技术与工业化水平,而先进制备与成型加工技术的发展，对于新材料的研制、应用和产业化具有决定性的作用。先进制备与成型加工技术的出现与应用，加上了新材料的研究开发、生产和应用进程，促成了诸如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成，促进了现代航天航空，交通运输,能源环保等高技术产业的发展。
传统结构材料向高性能“，复合化，结构功能一体化发展，尤其需要先进制备与成型加工技术及装备,可使材料的生产过程更加高效，节能和洁净，从而提高传统材料 产业的国际竞争力。
另一方面，开展本科学领域色前沿和基础研究,并综合利用相关学科基础理论和科技发展成果,提供预备新材料的新原理新方法，也是材料科学与工程学科自身发展的需求。
因此，材料先进制备与成型加工技术发展，对提高国家综合实力，突破先进工业国家的技术壁垒与封锁,保障国家安全,改善人民生活质量，以及促进材料科学与技术自身的进步与发展，具有十分重要的作用，也是国民经济和社会可持续发展的重大需求.
二、 材料发展与成型技术发展的历史
Ⅰ、基础材料篇
1、石器时代的材料与成型技术
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.由于人类的自身能力有限,人们开始注重利用外物对自身进行强化，自然产生的岩石通过远古人类的打磨变成石刀、石斧、刮削器等工具.在这个时代材料类型单一，无法进行人工合成,全部依靠自然产生。而岩石的主要成分是二氧化硅，及少量金属及金属化合物。
相应的加工技术也是极其单一和低效率的，主要依靠认为的打磨,粗糙的成型。但是我们依然可以认为这是一次材料技术的改革，人们通过对自己周边事物的认识开始了工具的制造，开启了人类进发的以及繁荣的人类文明的大门。
2、新石器时代 陶瓷材料
陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料.在古代人们主要利用陶瓷材料加工成日常生活中的用具，比如花瓶、碗、盘等等.
陶瓷有分为普通陶瓷和特种陶瓷材料.
普通陶瓷采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成,是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%,普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。
特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。
3、青铜器时代的到来 铜金属的冶炼加工
我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁，人们在寻找石料和加工的工程中，逐步识别了自然铜与铜矿石.例如孔雀石很可能是人们最早用于冶炼的铜矿石.当时冶炼铜矿石的方法是将矿石与木炭在冶炼炉中进行冶炼。由于这些矿石是氧化矿，因此这种冶炼被称作氧化矿还原熔炼。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。
在前期新旧石器时代,在烧制陶器的过程中积累起来的丰富经验，为青铜的冶铸业提供了必要的高温知识、耐火材料、造型材料与造型技术等条件。至于加工方面就只有通过高温和大量的锻造成型，例如战场上的兵器绝大多数都是通过对天然铜矿石的冶炼,铸造，锤锻而形成的。经过历史的检验，我们可以发现古代先人的锻造技术以及相应材料的除杂技术都是非常成熟的，相较于同时期的西方欧洲国家我们的祖先更加先进。铜器虽然在现代不再像“青铜时代"那么大量运用，但是它作为材料发展史上璀璨的明星,是基础材料.
4、铁器时代 钢铁技术的发展
铁器时代是人类发展史中一个极为重要的时代,人们最早知道的铁是陨石中的铁,古代埃及人称之为神物。在很久以前,人们就曾用这种天然铁制作过刀刃和饰物，这是人类使用铁的最早情况。地球上的天然铁是少见的,所以铁的冶炼和铁器的制造经历了一个很长的时期.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.当人们在冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了。
中国古代掌握制铁技术，大约是在春秋末年以后，战国期间已逐渐成熟。
制铁的基本原理,跟现在的基本相同。首先是冶铁,采用碳还原法。然后将这些软铁块锻打成所要的形状，形状比较粗糙。后来发明了鼓风的工具，从而建造了大的鼓风炉，提高了炉温，能够炼出液体的生铁。于是有了铸铁技术，用陶土或铁制做模范，把铁水浇铸进去，从而造出了精细的产品，于是铁制的农具和精良的武器得以普及。再进一步就是进一步制含碳量更少、柔韧性更好的钢,但是中国古代无法达到足够的炉温，因此只能用长期加热和锻打的方法进行渗碳，制出“不合格”的钢,但比一般生铁已有了很大进步。
进入现代，经过第一、二次工业革命，生产力大大提高，对于钢铁技术的研究更加系统更加深入，一直到19世纪前半期，人类始终生活在“铁器时代"如今，钢铁已经成为人类生活中不可或缺的基础材料。
5、混凝土的森林
1900年，万国博览会上展示了钢筋混凝土在很多方面的使用，在建材领域引起了一场革命。法国工程师艾纳比克1867年在巴黎博览会上看到莫尼尔用铁丝网和混凝土制作的花盆、浴盆、和水箱后,受到启发,于是设法把这种材料应用于房屋建筑上。1879年，他开始制造钢筋混凝土楼板，以后发展为整套建筑使用由钢筋箍和纵向杆加固的混凝土结构梁。仅几年后，他在巴黎建造公寓大楼时采用了经过改善迄今仍普遍使用的钢筋混凝土主柱、横梁和楼板。1884年德国建筑公司购买了莫尼尔的专利，进行了第一批钢筋混凝土的科学实验，研究了钢筋混凝土的强度、耐火能力。钢筋与混凝土的粘结力。1887年德国工程师科伦首先发表了钢筋混凝土的计算方法；英国人威尔森申请了钢筋混凝土板专利;美国人海厄特对混凝土横梁进行了实验.1895年——1900年，法国用钢筋混凝土建成了第一批桥梁和人行道。1918年艾布拉姆发表了著名的计算混凝土强度的水灰比理论.钢筋混凝土开始成为改变这个世界景观的重要材料.混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，我们生活的城市，我们居住的房屋大多都是以钢筋混凝土为框架建成的,是当之无愧的基础材料。
Ⅱ、新材料篇
1、 有色金属
近代以来,人们除了发展钢铁材料以外，还进一步发展了金、银、铜、钛、铝、镁、钼等有色金属及其合金材料。全世界每年金属材料总产量约达八亿吨，其中黑色金属约占95％，有色金属只占5％。
有色金属资源的开发和利用，不只是对钢铁材料的补充，更重要的是可发挥和开发钢铁材料不具备的各种特殊性能。
在特定领域中，还必须采用有色金属才能最大限度满足现代科学技术对各种材科性能所提出的要求。
铝合金:20世纪上半叶,材料学家用合金化和时效强化，把Al合金强度提高到700MPa，其比强度为（强度/密度）2。64×106cm，是钢(0。61×106cm）的4倍多,这意味着达到同样强度Al合金用量只有钢的1/4,这为Al合金作为一种结构材料带来极大优势,对于结构材料来说无疑是一个飞跃.没有高比强度的Al合金，就没有现代的航天航空成就
有色金属重要用途.
喷气发动机、火箭、煤炭、石油化工等现代化工业技术所要的超耐热合金(Ni基合金）;
电力、电工、电子工业所需要的导体材料、电阻和仪表材料（Cu基合金） ；
原子能发电和核技术所需要的核燃料和稀有金属Be、Nb、Zr、Hf、V等；
大规模集成电路和计算机所需要的Au、Ag等良导体和Ga、In、Ge等半导体;
高性能永磁材料所需要的Nd、Pr、Dy等稀土金属，
这些都需要有色金属材料，其性能是钢铁材料无法替代的.
2、 高分子材料
高分子材料,以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。高分子材料按来源分为天然、半合成(改性天然高分子材料）和合成高分子材料.天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料,并掌握了其加工技术.如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等.19世纪30年代末期,进入天然高分子化学改性阶段,出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂,标志着人类应用合成高分子材料的开始。现代,高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的重要材料.
高分子的特性:质量轻，自重小；良好地绝缘性能；低的热导性能；良好地化学稳定性能;宽范围的力学可选择性;良好地耐磨耐疲劳性。
高分子材料发展之迅速，对人类生活各领域影响之深入和广泛．在当前各高新技术中发挥作用之重大,是一般传统材料难以比拟的。
没有高分子材料,探测宇宙的空间飞船、高密度存储光盘、飞机跨越太平洋的不停站飞行、飞行器的红外隐身，都只能是停留在脑子里的幻想。
可以预言，在人类面临能源和资源挑战的21世纪，高分子材料将为人类社会做出更大的贡献.
3、 复合材料
20世纪人类进入新材料时代，衣、食、住、行以及科学技术的发展都离不开新材料,同时出现了各种材料的复合技术。金属与无机材料的复合;金属与高分子材料的复合；无机材料与高分子材料的复合。在此不再赘述。
三、 材料发展历史小结
材料的发展就是人类文明发展的过程，有了更加先进的材料进入我们的视野才会有便捷的生活发达的文明。另一方面，不管科学发展到何种程度，基础材料与新材料的研究和开发是持之以恒的课题。
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