淺析材料發(fā)展與人類文明

1、淺析材料發(fā)展與人類文明淺析材料發(fā)展與人類文明【摘 要】我們生活的世界資源是有限的，而我們的生活又如此 依賴各種材料。我們看到的和用到的每樣?xùn)|西都是分離自地球上的物 質(zhì)：汽車、飛機(jī)、電腦、電視、盤子甚至還有人造關(guān)節(jié)。本文介紹了 材料的發(fā)展史和材料對人類古代和近現(xiàn)代文明的貢獻(xiàn)。【關(guān)鍵詞】材料；人類文明；發(fā)展能為人類制造有用器件的物質(zhì)是材料。金屬、陶瓷、塑料、玻璃、 纖維、木材、砂子、石子等都可以稱為材料。人類社會(huì)形態(tài)和生活質(zhì) 量都取決于人類對材料的認(rèn)識和利用的能力。人類的衣、食、住、行 均離不開材料。人類社會(huì)的文明進(jìn)程也是依據(jù)可以使用的占主導(dǎo)地位 的材料而劃分的，歷史學(xué)家據(jù)此將人類歷史劃分為石器時(shí)

2、代、銅器時(shí) 代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代、復(fù)合材料時(shí)代等等。當(dāng)人類開始用壓制法從石核上取得長而鋒利的薄片即“石刀” 時(shí)，人類就進(jìn)入了石器時(shí)代。石器時(shí)代的人類從食物采集者成為食物 生產(chǎn)者，石器時(shí)代按時(shí)間推進(jìn)，分為舊石器時(shí)代和新石器時(shí)代。舊石 器時(shí)代從公元前250萬年延續(xù)至公元前1萬年左右，這時(shí)的人類學(xué)會(huì) 了對自然材料進(jìn)行加工，改變材料的外在形態(tài)。這時(shí)對石器加工的方 式主要是打制法。當(dāng)打制法進(jìn)一步優(yōu)化為磨制法后人類進(jìn)入了新石器 時(shí)代。比如石鐮，是一種收割用農(nóng)具，其作用與石刀相同。石鐮有平 刃和凹刃兩種，分有齒和無齒兩類，用磨制法制作。河南新鄭的裴李 崗村出土的鋸齒刃石鐮距今大約8000年。新石器因采用了

3、新的加工 方法而更鋒利和經(jīng)久耐用。這時(shí)期人類還發(fā)明了陶器，制陶是通過火 燒制泥土改變其內(nèi)在性質(zhì)。這是人類第一次有意識的創(chuàng)造自然界原本 沒有的“新”材料?？脊虐l(fā)掘證明我國在八千多年前已經(jīng)制成實(shí)用的 陶器，河南省三門峽市仰韶村出土的魚紋陶器、彩陶人面魚紋盆等是 距今約5000年到7000年間最有代表性的陶器。公元前4500年到公元前1000年左右，人類學(xué)會(huì)了從礦石中提煉 銅，這是人類的青銅時(shí)代，人類形成了早期的歐亞大陸文明。銅和青 銅及其昂貴和稀少，不能廣泛地用來制造武器和工具。人類最初把天 然金屬看做堅(jiān)韌可鍛打的石頭，采用石器加工法對天然金屬進(jìn)行冷加 工。后來才學(xué)會(huì)用熔煉的方法從礦石中提煉銅。之

4、后發(fā)現(xiàn)銅經(jīng)過熱處 理能成為液體，并能通過模型表現(xiàn)出各種形狀，冷卻之后的銅硬度高， 邊刃鋒利優(yōu)于石器。人類學(xué)會(huì)提煉銅后，又掌握了在冶煉銅時(shí)加入一 些其他金屬冶煉更為經(jīng)久耐用的銅合金。摻入錫產(chǎn)生的青銅制造武器 因不易碎比石器更可靠，更受歡迎。青銅，是人類歷史里的第一種合 金，青銅鑄造工藝的出現(xiàn)使人們得到了他們需要的形狀和性質(zhì)。春秋 戰(zhàn)國時(shí)期，齊國工匠寫成的考工記一書中，提出了 “金有六齊”， 這是世界科技史上最早的冶銅經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。中國著名的青銅器有四川廣 漢南興鎮(zhèn)三星堆出土的立人像、突目面具，河南安陽武官村出土的司 母戊鼎，陜西寶雞出土的銅禁等。人們在青銅時(shí)代從隕石中認(rèn)識了純鐵并制作了隕鐵制品。但當(dāng)

5、時(shí) 的人類不知道地球上以鐵礦石化合物的形式存在的鐵元素遠(yuǎn)比銅豐 富。鐵的熔點(diǎn)比銅高很多，鐵在古代熔爐里不能完全液化，得不到純 鐵，只能得到一種灰色的多孔體即生鐵。這種新金屬不易鑄造，還要 耗費(fèi)更多的燃料。由于容易生銹，鋒刃較易失去。從鐵的性質(zhì)來看， 跟銅相比不是一種更好的金屬材料。以后才發(fā)現(xiàn)將熾熱的生鐵反復(fù)錘 打、加熱、投入冷水即淬火，并與木炭燃料接觸，可使性質(zhì)堅(jiān)硬。但 冶煉鐵礦的工藝與冶煉銅和銅合金的工藝是根本不同的。所以發(fā)現(xiàn)的 不僅僅是一種新金屬，而且要找到這種金屬對應(yīng)的新冶金術(shù)，難度較 大。因此鐵的發(fā)現(xiàn)較早，但應(yīng)用來得較遲。出土的最早鐵制車輪制造 于公元前1450年。用新的冶鑄方法之后的

6、鐵可以獲得堅(jiān)硬的性質(zhì)， 但是生銹的缺點(diǎn)并沒有改變。但由于鐵礦比銅和錫礦的分布大大廣 泛，使制鐵成本相應(yīng)低廉。因此易銹的缺陷得到了補(bǔ)償。公元前2000年左右小亞細(xì)亞率先發(fā)展冶鐵技術(shù)，該地區(qū)的赫梯 帝國壟斷了冶鐵技術(shù)，導(dǎo)致鐵制品少而昂貴。公元前1200年左右由 于戰(zhàn)爭赫梯帝國滅亡，當(dāng)?shù)氐蔫F匠分散到各地，使冶鐵技術(shù)廣泛傳播， 鐵器時(shí)代才真正來臨。冶煉鐵和日益廣泛的使用鐵是歐亞大陸趨于整 體化的基礎(chǔ)。從提煉鐵到日常生活中能大量使用鐵器，經(jīng)過了幾百年 歷史。當(dāng)鋤頭、斧、犁等農(nóng)具同武器一樣，用鐵來制造時(shí)，立刻產(chǎn)生 了深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和政治影響。普通農(nóng)民買得起鐵制工具，使得農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)率大大提高，農(nóng)業(yè)范圍擴(kuò)展

7、到從前石斧工具無法對付的森林茂 密區(qū)。農(nóng)民們用堅(jiān)固、鋒利的鐵斧和鐵犁將農(nóng)業(yè)由中東向東，經(jīng)伊朗 高原推廣到中歐；向西經(jīng)地中海地區(qū)，推廣到北歐。中國的農(nóng)民將活 動(dòng)范圍從黃河流域向南擴(kuò)展到長江流域；入侵印度的雅利安人向東推 進(jìn)砍伐恒河流域的森林。廉價(jià)的鐵制武器對歐亞大陸的軍事也有重大 影響。在青銅時(shí)代游牧民不能像城市的統(tǒng)治者那樣以大量昂貴的青銅 武器來裝備自己。而冶鐵技術(shù)普及后，每個(gè)村子都有鐵匠能鍛制優(yōu)良 便宜的新武器。游牧民除了在靈活機(jī)動(dòng)上占有優(yōu)勢，在武器裝備上也 不再落后了。新的鐵制工具也使人們能制造更大性能更好的船舶，使 航海的距離更遠(yuǎn)，使貿(mào)易經(jīng)濟(jì)規(guī)模更大。公元1500年，紡織機(jī)和蒸汽機(jī)的發(fā)明

8、推動(dòng)了煉鐵的巨大需要， 促使了鼓風(fēng)機(jī)與熔爐的發(fā)明。1770年1840年間英國發(fā)展了高爐， 能成批生產(chǎn)鐵。此時(shí)鐵的產(chǎn)量已經(jīng)豐富并且便宜，足以用于一般的建 設(shè)。中國在漢代，曾用“百煉鋼法”煉出了鋼。這種方法是在熟鐵中 加進(jìn)適量的碳，經(jīng)過反復(fù)加熱冶煉，最大化去除雜質(zhì)，煉出具有更高 強(qiáng)度和硬度的鋼。但鑄鐵時(shí)代的人類沒有形成鋼材規(guī)?；a(chǎn)。1850 年“克里米亞戰(zhàn)爭”期間，貝西默發(fā)明了一種大炮，為改進(jìn)鑄鐵材料 的炮膛，需要生產(chǎn)鋼。貝西默發(fā)明了 “空氣吹入法”來氧化鐵水里的 碳，并設(shè)計(jì)了固定式轉(zhuǎn)爐。4年后又發(fā)明了移動(dòng)式轉(zhuǎn)爐。就這樣，現(xiàn) 代轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的出現(xiàn)，使鋼鐵制品性能大大改觀而成本也降低不 少，人類才

9、真正進(jìn)入了鋼鐵時(shí)代。鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的 重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，日漸擴(kuò)大的采礦作業(yè)促進(jìn)了化學(xué)的發(fā)展， 使新礦石新金屬被提煉出來。1886年出現(xiàn)電化學(xué)方法冶煉鋁使鋁成 為一種常用金屬。鋼鐵時(shí)代使人類有了新的全球性視野。1939年發(fā)明了尼龍。尼龍的商業(yè)發(fā)展，標(biāo)志著高分子這種物質(zhì) 開始進(jìn)入材料的范疇。高分子材料廣泛應(yīng)用僅半個(gè)世紀(jì)時(shí)間，在年產(chǎn) 量上已超過了鋼，成為人類社會(huì)不可缺少的材料。1950年，陶瓷材 料和陶瓷工藝出現(xiàn)了從傳統(tǒng)陶瓷向先進(jìn)陶瓷的轉(zhuǎn)變，許多新型功能陶 瓷形成了產(chǎn)業(yè)，滿足各類行業(yè)的發(fā)展和需要。1960年電子管被硅芯 片所代替，而后者向體積越來越小的方向發(fā)展。1980年發(fā)現(xiàn)高

10、溫超 導(dǎo)體。2000年，中國西南交通大學(xué)磁懸浮列車與磁浮技術(shù)研究所研 制成功世界首輛高溫超導(dǎo)載人磁懸浮實(shí)驗(yàn)車。2002年世界第一條磁 懸浮列車示范運(yùn)營線上海磁懸浮列車建成后，從浦東龍陽路站到浦東 國際機(jī)場，30多公里只需8分鐘。人類進(jìn)入了復(fù)合材料的時(shí)代。如果按化學(xué)成分的不同可以將材料劃分為金屬材料、有機(jī)高分子 材料以及他們的復(fù)合材料和無機(jī)非金屬材料三大類。21世紀(jì)，新技 術(shù)革命將繼續(xù)改變我們的生活，材料科學(xué)家們將研究出更多具有特殊 性能的材料。參考文獻(xiàn)潘金生，仝健民，田民波材料科學(xué)基礎(chǔ)M.北京：清華大學(xué) 出版社，2011（1）王培銘，許乾慰材料研究方法M.北京：科學(xué)出版社，2010（12）Da