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材料,是人类文明的基石。
若以青铜器时代为起点,把约7000年的材料文明发展历史压缩到一天,钢铁、橡胶这些目前最常见的材料出现在几点几分?
9点?15点?
如果把7000年的历史压缩到1天里,很明显时间加速了。
在这一天里,每一秒相当于30天,每一个小时相当于291年。
在这一天里,由于材料的发展,人类社会生产力所经历的天翻地覆的变化,足以让你震惊。
人类在寻找石器时发现了
铜矿石
,开采后砸碎筑炉冶炼,制成食器、水器,农器工具与兵器,从此人类步入青铜时代。夏(BC2070~BC1600)是中国第一个王朝,虽国际上还有争议,但夏代青铜器及相关技术,已属于成熟的材料技术,这也是文明时代开始的重要特征。
老祖先们利用高温热源冶炼出陨石中的
铁
,发现将其加热后会流动有可塑性,还越敲越强硬,于是,最适合制造工具的材料诞生了。我国最早在商代(约公元前1300年前)已经有应用陨铁的记录。
中国东汉的陶匠对陶器加以改善并制造出瓷器。从三国两晋南北朝到唐代,制瓷材料和工艺技术不断发展。瓷器在宋代达到高峰,这时期著名的汝、官、哥、定、钧五大名窑,各领风骚。
逐渐地,
陶瓷
凭借着它的特质,成为了中国文化的图腾之一和国力的展现。
古罗马时期,人们把石灰和火山灰搅拌一下,制出建筑原料“罗马砂浆”,它就是
水泥
的前身。
19世纪后,由于大量的工业与民用建筑的兴建,各国竞相开发耐水建筑材料,水泥的兴起就在此时。1824年英国工匠约瑟夫·阿普丁发明的水泥,水硬性好、强度高、原料丰富、价格便宜,堪称无机非金属材料领域最重大的发明。
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随着技术的进步,人们发现铁里面碳元素的含量可以影响铁的性质,基于此原理
钢
诞生了,并伴随蒸汽机的发明掀起了惊天动地的工业革命。随后,新的冶金方法不断出现,人类社会从大规模生产钢铁时代,转向高质量钢时代。
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现在被称作高分子材料或聚合物材料中的一大类是天然材料,这就是橡胶。大约在11世纪,南美洲人就已使用橡胶球做游戏和做祭祀了。
但是橡胶真正成为一种实用材料,是在美国化学家古德伊尔研究成功硫化工艺之后才实现的。硫化橡胶后来被投入工业中用作轮胎,应用于自行车和汽车,解决了振动和颠簸的问题。
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进入电气化时代,人们发明了发电机、电动机,同时制造了各种电器仪表,这时就有了
永磁材料
的需求。发展至今,其应用已经渗透到了国民经济和国防的各个方面。
从20世纪初的软磁材料、永磁材料和超导材料研究发明开始,功能材料已经崭露头角。
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德国化学家阿道夫·冯·拜耳首次合成
酚醛树脂
,这是人类最早实现工业化的合成树脂,也是合成粘胶剂领域用途最广的品种之一。
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随着台球在在西方国家的盛行,一名印刷工人发明了第一种人工合成塑料-
赛璐珞
,取代了原本制作台球的昂贵且稀少的象牙。
这其实是最早塑料工业的雏形,“合成材料”赛璐珞的诞生,开启了真正的人工合成材料的大门。
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美国工人用钨来冶炼钢材,制作出了耐高温、耐磨且强度高的
硬质合金
,它是世界上第一种人工合成硬质材料。
硬质合金的应用,不只作为金属切削工具,也扩展到矿物挖掘、耐磨模具和冷加工工具等。圆珠笔刚发明时,还被建议用作“笔珠”。
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铝是地壳中含量第一的金属元素,铝材料的开发极具典型性,此中做出贡献的任务可列出极长的名单。
铝合金
,比钢铁更轻且比强度更高的材料,后来成为了重要的航空结构材料,飞机从此变得便宜,加速了文化互动。
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第一次世界大战期间,冶金学家布雷尔利受雇钻研合金以便改良枪管,意外制作出世界上第一块
不锈钢
。而后人们将其做成餐具,舌头再也不会因为餐具的味道而受罪了。
下面所有这一切
发生在最后的30分钟
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功能陶瓷
的各种新性能、新应用不断被人们所认识,在我们的日常生活、汽车发动机、通信电子等方面发挥了重大的作用。
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“不粘锅”随着“塑料王”
特氟龙
的发明而诞生,为无数现代家庭主妇带来了便利。
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1935年美国杜邦公司卡罗塞斯博士等完成了三大合成材料之一——人造纤维
尼龙
的发明。尼龙的出现使纺织品的面貌焕然一新,而且是工程塑料的第一品种,拥有“像蛛丝一样细,像钢丝一样强,像绢丝一样美”的赞誉。
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当钢铁迅速发展的时候,
陶瓷和玻璃
被丢入大工业生产里用作原材料,而不再仅仅是个容器。建筑师运用大规模生产的结构钢和平板玻璃,创造出新的都市生活形态。
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经过20世纪初开始的50多年的探索,镍基
高温合金
有了巨大进步。在世界先进航空发动机研制中,高温合金用量已占到发动机总量的40%-60%。
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高分子、陶瓷、金属都有难以克服的弱点,1930年代末,纤维化使人们找到克服这些弱点的新途径——由纤维构成复合,担起重任的竟是平时脆弱不堪的玻璃。由于
玻璃纤维
增强塑料的发明,从此出现了复合材料这一名词。
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随着在硅晶片上印刷复杂电路的技术发展,
铁氧体等磁性材料和半导体材料
使无线电技术的进步飞快,这样你才可以跨时空地“网聊”。
英国Hardold Ridley等人共同设计了第一枚
人工晶体
,并在伦敦为病人进行植入,使得治愈白内障成为了可能。
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光伏材料
把阳光转化为源源不断的能量。从太阳能电池在空间卫星的供能领域首次得到应用,时至今日小至自动停车计费器的供能、屋顶太阳能板,大至面积广阔的太阳能发电中心,光伏在发电领域的应用已经遍及全球。
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钛合金
和“最轻金属材料”
镁合金
的成功研制,促进了航空工业和汽车工业快速发展。
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碳纤维、芳纶纤维
等高性能纤维逐一问世,基于它们强韧与坚固的特点,被广泛用于制作宇航服和防弹衣等。
锆合金
制成的包壳材料用于核反应堆的燃料组件,大大提高了核电站的安全性和可靠性,促进了核工业的稳步发展。
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第一代半导体材料
Si、Ge在以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品上广泛应用。
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五大
工程塑料
诞生,以塑代钢、以塑代木成为了国际趋势,随后又相继诞生了
特种工程塑料、导电塑料
等功能塑料,以满足工业发展的要求。
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非晶合金
变压器带来了卓越的节能与环保效益,打破了传统变压器产能过剩的局面。
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