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盘点:材料从发现到大规模应用走过了怎样的历程?

关键词 材料发展历程|2014-11-08 09:36:15|涂附新闻|来源 材料人网
摘要   材料从古至今都对社会的发展起着举足轻重的地位,有着决定社会时代的作用。例如石器时代、青铜器时代、铁器时代、硅时代,这些都是由材料决定时代。如果谁掌握材料了的制作技术、使用技术、...
  材料从古至今都对社会的发展起着举足轻重的地位,有着决定社会时代的作用。例如石器时代、青铜器时代、铁器时代、硅时代,这些都是由材料决定时代。如果谁掌握材料了的制作技术、使用技术、或对某种材料具有决定性的拥有,那么可以说他就在该材料所涉及的领域具有领先的地位。然而凡事都有一个过程,任何一种材料从发现到应用也有一个时间的积累。那么本文试图选取三类材料——无机非金属、高分子、金属材料中典型的种类为例,一起来看看他们从发现到大规模的应用,走过了怎么样的路程。

  以水泥和玻璃为代表的无机非金属材料
  从人类使用材料的历史事件来看,人类对于水泥探索和应用可以说是最早的。早在公元前6000-公元前1200年,克里特岛、塞浦路斯、希腊和中东就已经出现了由煅烧石灰石制得的石灰浆。

  不过,真正意义上的现代水泥的诞生应该是1824年。10月21日,阿斯谱丁获得英国第5022号的“波特兰水泥”专利证书,从而成为了被后世永远牢记的水泥发明人。

  1845年,英国水泥专家强生确定了水泥制造的两个基本条件:第一是烧窑的温度必须高到足以使烧块含一定量玻璃体并呈黑绿色;第二是原料比例必须正确而固定,烧成物内部不能含过量石灰,水泥硬化后不能开裂。这些条件解决了阿斯谱丁无法解决的质量不稳定问题。从此,现代水泥生产的基本参数已被确定。

  据考古和玻璃历史研究成果判断,玻璃的发源地应该是拥有悠久文明史的两河流域(底格里斯河和幼发拉底河)所在地中东或尼罗河流域的古埃及。公元前1550年至公元前1500年之间,在古埃及和两河流域都出现了玻璃器皿。公元前4世纪埃及又发明了玻璃铸模工艺。公元前1世纪叙利亚人创造了吹制工艺,可以将玻璃液随心所欲地吹成各种形态的器皿。以后相继出现了模具吹制法,这是批量玻璃器皿生产的开始。

  到了11世纪,德国发明了手工吹筒法,就是把玻璃液吹成圆筒型,在玻璃仍热时切开、摊平,形成最初的平板玻璃。这种技术后来被13世纪威尼斯工匠继承。从那以后,玻璃开始被用在建筑物的窗户上,最典型的就是中世纪教堂里的彩色玻璃。不过,那个时候玻璃很贵,只有非常有钱的人才用得起。

  17世纪,欧洲的玻璃工业发展迅速,法国已经用铸造法生产大面积的玻璃镜和平板玻璃。英国人发明了两项最重要的技术:一是铅玻璃生产技术;二是熔化技术的革新,燃料由木材变为煤炭,并使用闭口坩埚。此外,瑞士人狄南还发明用搅拌法制造光学玻璃,为熔制高均匀度的玻璃开创了新途径。

  18世纪后期,产业革命对玻璃制造业的发展起了极大的推动作用,这一时期发明了路布兰制碱法。19世纪又发明了氨碱制造纯碱,使过去依靠天然碱和烧木制灰法的状态得到彻底的改变。直到1959年,现在生产平板玻璃的主体工艺——浮法工艺才被英国皮尔金顿公司研制成功。

  以橡胶为代表的高分子材料
  考古发掘表明,远在11世纪,南美洲人民就已使用橡胶球做游戏和祭品。欧洲的橡胶知识和应用最早是也由在南美洲的殖民者带回的。1493年,意大利航海家哥伦布第二次航行探险到美洲时,看到印第安人手拿一种从树中取出的乳汁制成的球在玩,球落在地上弹的很高。1736年,参加了南美洲科学考察队的法国科学家康达明从秘鲁将一些橡胶制品及记载橡胶树的有关资料带回法国,详述了橡胶树的产地、当地居民采集胶乳的方法和利用橡胶制成壶和鞋的过程。

  不过,天然橡胶真正的工业研究和应用始于19世纪初。1819年苏格兰化学家马金托希发现橡胶能被煤焦油溶解,此后人们开始把橡胶用煤焦油、松节油等溶解,制造防水布。世界上第一个橡胶工厂于1820年在英国哥拉斯格建立。为使橡胶便于加工,1826年汉考克发明了用机械使天然橡胶获得塑性的方法。1839年美国人固特异发明了橡胶的硫化法,使橡胶具有较高的弹性和韧性,橡胶才真正进入工业实用阶段。

  以铁、镁为代表的金属材料
  人们最早见到的铁都是陨铁,是由星体碎片穿过大气烧灼留下来的。大约在公元前2000年,生活在今天土耳其安纳托里亚高原的赫梯人发明了把氧化铁矿石变成铁的技术,这是人类最早练出的铁。不过,用这种方法冶炼出的铁的硬度不高,甚至不如青铜锋利。

  公元前1200年,生活在亚美尼亚和南高加索的力哈德人发明了增加铁器硬度的方法,也就是控制碳的含量。而后,人们还发明了“淬火这种工艺。由此,世界历史进入了铁器时代。
  
  不过,在相当长的一段时间内,铁器锻造性能很差,制造工艺也相对的粗糙,限制了铁器的发展。直到1720年,亚伯拉罕达尔贝,用焦炭代替木炭在高炉中炼铁,确立了大批量生产生铁的条件。1855年,英国发明家和工程师亨利贝塞麦发明转炉炼钢法,使炼钢生产由手工业规模进入了机器大工业规模,将人类社会带入“铁器时代”。

  镁的英文名为Magnesium,取自希腊文,原意是“美格尼西亚”,因为在希腊的美格尼西亚城附近当时盛产一种名叫苦土的镁矿(氧化镁)。不过,由于它不易从化合物中还原成单质状态,1808年,科学家戴维以汞为阴极电解氧化镁,在人类历史上第一次制取了金属镁。所以,镁的发现距今只有200年。

  而后,18世纪30年代法拉第第一次通过电解氯化镁得到了金属镁。第一次世界大战开始之前,法国、德国、英国和加拿大都实现了镁的工业生产,但产量有限。19 世纪80年代,才由德国首先建立工业规模上的电解槽,开创了电解法炼镁的工业化时代。直到现在,全球绝大部分镁都是由这种电解法生产的。

  总结:

  1、材料的发现有一个共同的特点,那就是谁也没法说清究竟是在什么具体的时间发现的,原因在于材料发展从根本上来说,是依托于人类的进化和演变的。人类从自然界中发现天然的、粗糙的材料,加以打磨、加工用以实现自我的需求。

  2、我们发现材料进化的过程,也就是天然材料一步一步被人类纯化或杂化的过程,这个过程在随着检测、表征技术的提高而加速,也随着工业革命、世界大战的发生而加速。

  3、尽管人类从诞生起就开始利用材料,但直到近代,材料的应用才开始加快。19世纪是材料的组成物质提纯并通过人工手段得到的快速发展期,从这个时候算起,大约经历100年左右,就可以让一个材料从新兴到大规模应用。
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