一張圖看懂材料發(fā)展史

材料，是人類文明的基石。

若以青銅器時代為起點，把約7000年的材料文明發(fā)展歷史壓縮到一天，鋼鐵、橡膠這些目前最常見的材料出現(xiàn)在幾點幾分？

9點？15點？

 如果把7000年的歷史壓縮到1天里，很明顯時間加速了。

在這一天里，每一秒相當(dāng)于30天，每一個小時相當(dāng)于291年。

在這一天里，由于材料的發(fā)展，人類社會生產(chǎn)力所經(jīng)歷的天翻地覆的變化，足以讓你震驚。

00:00:00

 

人類在尋找石器時發(fā)現(xiàn)了銅礦石，開采后砸碎筑爐冶煉，制成食器、水器，農(nóng)器工具與兵器，從此人類步入青銅時代。夏（BC2070~BC1600）是中國第一個王朝，雖國際上還有爭議，但夏代青銅器及相關(guān)技術(shù)，已屬于成熟的材料技術(shù)，這也是文明時代開始的重要特征。

 

 

12:00:00

 

老祖先們利用高溫?zé)嵩匆睙挸鲭E石中的鐵，發(fā)現(xiàn)將其加熱后會流動有可塑性，還越敲越強硬，于是，最適合制造工具的材料誕生了。我國最早在商代（約公元前1300年前）已經(jīng)有應(yīng)用隕鐵的記錄。

 

17:00:00

 

中國東漢的陶匠對陶器加以改善并制造出瓷器。從三國兩晉南北朝到唐代，制瓷材料和工藝技術(shù)不斷發(fā)展。瓷器在宋代達到高峰，這時期著名的汝、官、哥、定、鈞五大名窯，各領(lǐng)風(fēng)騷。

逐漸地，陶瓷憑借著它的特質(zhì)，成為了中國文化的圖騰之一和國力的展現(xiàn)。

 

17:15:00

 

古羅馬時期，人們把石灰和火山灰攪拌一下，制出建筑原料“羅馬砂漿”，它就是水泥的前身。

19世紀(jì)后，由于大量的工業(yè)與民用建筑的興建，各國競相開發(fā)耐水建筑材料，水泥的興起就在此時。1824年英國工匠約瑟夫·阿普丁發(fā)明的水泥，水硬性好、強度高、原料豐富、價格便宜，堪稱無機非金屬材料領(lǐng)域最重大的發(fā)明。

20:00:00

 

隨著技術(shù)的進步，人們發(fā)現(xiàn)鐵里面碳元素的含量可以影響鐵的性質(zhì)，基于此原理鋼誕生了，并伴隨蒸汽機的發(fā)明掀起了驚天動地的工業(yè)革命。隨后，新的冶金方法不斷出現(xiàn)，人類社會從大規(guī)模生產(chǎn)鋼鐵時代，轉(zhuǎn)向高質(zhì)量鋼時代。

23:00:00

 

現(xiàn)在被稱作高分子材料或聚合物材料中的一大類是天然材料，這就是橡膠。大約在11世紀(jì)，南美洲人就已使用橡膠球做游戲和做祭祀了。

但是橡膠真正成為一種實用材料，是在美國化學(xué)家古德伊爾研究成功硫化工藝之后才實現(xiàn)的。硫化橡膠后來被投入工業(yè)中用作輪胎，應(yīng)用于自行車和汽車，解決了振動和顛簸的問題。

23:07:00

 

進入電氣化時代，人們發(fā)明了發(fā)電機、電動機，同時制造了各種電器儀表，這時就有了永磁材料的需求。發(fā)展至今，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到了國民經(jīng)濟和國防的各個方面。

從20世紀(jì)初的軟磁材料、永磁材料和超導(dǎo)材料研究發(fā)明開始，功能材料已經(jīng)嶄露頭角。

23:11:00

 

德國化學(xué)家阿道夫·馮·拜耳首次合成酚醛樹脂，這是人類最早實現(xiàn)工業(yè)化的合成樹脂，也是合成粘膠劑領(lǐng)域用途最廣的品種之一。

23:12:30

 

隨著臺球在在西方國家的盛行，一名印刷工人發(fā)明了第一種人工合成塑料-賽璐珞，取代了原本制作臺球的昂貴且稀少的象牙。

這其實是最早塑料工業(yè)的雛形，“合成材料”賽璐珞的誕生，開啟了真正的人工合成材料的大門。

23:19:30

 

美國工人用鎢來冶煉鋼材，制作出了耐高溫、耐磨且強度高的硬質(zhì)合金，它是世界上第一種人工合成硬質(zhì)材料。

硬質(zhì)合金的應(yīng)用，不只作為金屬切削工具，也擴展到礦物挖掘、耐磨模具和冷加工工具等。圓珠筆剛發(fā)明時，還被建議用作“筆珠”。

23:25:00

 

鋁是地殼中含量第一的金屬元素，鋁材料的開發(fā)極具典型性，此中做出貢獻的任務(wù)可列出極長的名單。鋁合金，比鋼鐵更輕且比強度更高的材料，后來成為了重要的航空結(jié)構(gòu)材料，飛機從此變得便宜，加速了文化互動。

23:25:30

 

第一次世界大戰(zhàn)期間，冶金學(xué)家布雷爾利受雇鉆研合金以便改良槍管，意外制作出世界上第一塊不銹鋼。而后人們將其做成餐具，舌頭再也不會因為餐具的味道而受罪了。

 

下面所有這一切

發(fā)生在最后的30分鐘

23:32:00

 

功能陶瓷的各種新性能、新應(yīng)用不斷被人們所認(rèn)識，在我們的日常生活、汽車發(fā)動機、通信電子等方面發(fā)揮了重大的作用。

23:32:15

 

“不粘鍋”隨著“塑料王”特氟龍的發(fā)明而誕生，為無數(shù)現(xiàn)代家庭主婦帶來了便利。

23:32:30

 

1935年美國杜邦公司卡羅塞斯博士等完成了三大合成材料之一——人造纖維尼龍的發(fā)明。尼龍的出現(xiàn)使紡織品的面貌煥然一新，而且是工程塑料的第一品種，擁有“像蛛絲一樣細，像鋼絲一樣強，像絹絲一樣美”的贊譽。

23:33:00

 

當(dāng)鋼鐵迅速發(fā)展的時候，陶瓷和玻璃被丟入大工業(yè)生產(chǎn)里用作原材料，而不再僅僅是個容器。建筑師運用大規(guī)模生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)鋼和平板玻璃，創(chuàng)造出新的都市生活形態(tài)。

23:34:00

 

經(jīng)過20世紀(jì)初開始的50多年的探索，鎳基高溫合金有了巨大進步。在世界先進航空發(fā)動機研制中，高溫合金用量已占到發(fā)動機總量的40%-60%。

23:35:00

 

高分子、陶瓷、金屬都有難以克服的弱點，1930年代末，纖維化使人們找到克服這些弱點的新途徑——由纖維構(gòu)成復(fù)合，擔(dān)起重任的竟是平時脆弱不堪的玻璃。由于玻璃纖維增強塑料的發(fā)明，從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名詞。

23:35:30

 

隨著在硅晶片上印刷復(fù)雜電路的技術(shù)發(fā)展，鐵氧體等磁性材料和半導(dǎo)體材料使無線電技術(shù)的進步飛快，這樣你才可以跨時空地“網(wǎng)聊”。

 

23:36:30

 

英國Hardold Ridley等人共同設(shè)計了第一枚人工晶體，并在倫敦為病人進行植入，使得治愈白內(nèi)障成為了可能。

23:40:00

 

光伏材料把陽光轉(zhuǎn)化為源源不斷的能量。從太陽能電池在空間衛(wèi)星的供能領(lǐng)域首次得到應(yīng)用，時至今日小至自動停車計費器的供能、屋頂太陽能板，大至面積廣闊的太陽能發(fā)電中心，光伏在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)遍及全球。

23:40:30

 

鈦合金和“最輕金屬材料”鎂合金的成功研制，促進了航空工業(yè)和汽車工業(yè)快速發(fā)展。

23:41:00

 

碳纖維、芳綸纖維等高性能纖維逐一問世，基于它們強韌與堅固的特點，被廣泛用于制作宇航服和防彈衣等。

 

23:41:30

 

鋯合金制成的包殼材料用于核反應(yīng)堆的燃料組件，大大提高了核電站的安全性和可靠性，促進了核工業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

23:42:00

 

第一代半導(dǎo)體材料Si、Ge在以大規(guī)模集成電路為主要技術(shù)的計算機等電子產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用。

23:43:30

 

五大工程塑料誕生，以塑代鋼、以塑代木成為了國際趨勢，隨后又相繼誕生了特種工程塑料、導(dǎo)電塑料等功能塑料，以滿足工業(yè)發(fā)展的要求。

23:44:30

 

非晶合金變壓器帶來了卓越的節(jié)能與環(huán)保效益，打破了傳統(tǒng)變壓器產(chǎn)能過剩的局面。

23:45:30

 

形狀記憶合金等合金材料在醫(yī)學(xué)上大放異彩，擁有記憶功能的鎳鈦合金制成的醫(yī)用支架，輸入目標(biāo)血管后，其感受血液溫度時會發(fā)生形狀恢復(fù)，對狹窄病變區(qū)起到支撐作用。

不僅在醫(yī)療領(lǐng)域，形狀記憶合金因其特殊的記憶效應(yīng)，在機械、電氣、航空、能源等領(lǐng)域發(fā)揮著奇妙的作用。

23:48:30

 

液晶材料自1850年發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)歷了一個多世紀(jì)漫長的研究和開發(fā)過程才最終廣泛應(yīng)用于筆記本電腦和掌上計算機等顯示設(shè)備，豐富了我們的娛樂生活。

23:49:00

 

高溫超導(dǎo)體取得巨大突破，以液態(tài)氮代替液態(tài)氦用作超導(dǎo)制冷劑獲得超導(dǎo)體，使得超導(dǎo)材料開始走向大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。

23:50:00

 

隨著移動通信的飛速發(fā)展，以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)逐漸興起，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。

23:52:00

 

耐熱性能優(yōu)異的碳-碳復(fù)合材料被應(yīng)用于飛機上的摩擦部件，更好地保障了飛機的剎車性能，現(xiàn)也廣泛應(yīng)用于工業(yè)耐熱領(lǐng)域。

23:54:00

 

孔隙度高達90%的泡沫金屬具有優(yōu)異的沖擊能量吸收特性，被廣泛應(yīng)用于航天航空、石油化工、建筑交通等領(lǐng)域。

23:56:00

 

內(nèi)部體積99%由氣體構(gòu)成的氣凝膠，可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，隔熱保溫性能優(yōu)越，是航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行絕緣。

23:58:00

 

SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體材料滿足了現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高壓、高頻、高功率以及抗輻射等新要求，在眾多戰(zhàn)略性行業(yè)應(yīng)用中可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減75%以上，對人類科技的發(fā)展具有里程碑式意義。

23:59:30

 

石墨烯，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄且最堅硬的新型納米材料，科學(xué)家預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。除此之外，富勒烯、碳納米管的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)或?qū)㈤_啟電子設(shè)備的新時代。

 

……

人類始終走在發(fā)明和創(chuàng)新的道路上，

00：00點過去，

新的一天即將開啟，

新材料的發(fā)展將往何處去，

它們將如何改變我們的生活？

 

 

- END -

P.S.文中時間點均為粗略計算，如有不當(dāng)之處敬請諒解