Jump to content

История материаловедения

Материаловедение определяло развитие цивилизаций с момента зарождения человечества. Улучшение материалов для инструментов и оружия позволило людям распространяться и завоевывать, а достижения в обработке материалов, таких как производство стали и алюминия, продолжают оказывать влияние на общество и сегодня. Историки считали материалы таким важным аспектом цивилизаций, что целые периоды времени определялись преобладающим используемым материалом ( каменный век , бронзовый век , железный век ). На протяжении большей части письменной истории контроль над материалами осуществлялся в лучшем случае с помощью алхимии или эмпирических средств. Изучение и развитие химии и физики способствовало изучению материалов, и в конечном итоге в результате слияния этих исследований возникло междисциплинарное исследование материаловедения. [1] История материаловедения — это изучение того, как различные материалы использовались и развивались на протяжении истории Земли и как эти материалы повлияли на культуру народов Земли. Термин « кремниевый век » иногда используется для обозначения современного периода истории конца 20-начала 21 веков.

Предыстория [ править ]

Кремневый топор длиной около 31 см.

Во многих случаях представители разных культур оставляют свои материалы в качестве единственных записей; которые антропологи могут использовать для определения существования таких культур. Прогрессивное использование более сложных материалов позволяет археологам характеризовать и различать народы. Частично это связано с основным материалом, используемым в культуре, и связанными с ним преимуществами и недостатками. Культуры каменного века были ограничены тем, какие камни они могли найти на месте и какие они могли приобрести путем торговли. использование кремня около 300 000 г. до н.э. Иногда упоминается [ когда? ] считается началом использования керамики . Использование полированных каменных топоров знаменует собой значительный прогресс, поскольку инструментами могли служить гораздо более широкий спектр камней.

Меч позднего бронзового века или клинок кинжала.

Инновации в выплавке и литье металлов в бронзовом веке начали менять способы развития и взаимодействия культур друг с другом. [ нужна ссылка ] Начиная примерно с 5500 г. до н. э., ранние кузнецы начали обрабатывать самородные металлы из меди и золота без использования огня, инструментов и оружия. Нагревание меди и обработка ее молотками начались около 5000 г. до н.э. [ нужна ссылка ] Плавка и литье начались около 4000 г. до н.э. Расцвет металлургии начался с извлечения меди из руды около 3500 г. до н.э. Первый сплав , бронза, вошёл в употребление около 3000 г. до н.э. [ нужна ссылка ]

Каменный век [ править ]

Использование материалов началось еще в каменном веке. Обычно такие материалы, как кости, волокна, перья, панцири, шкуры животных и глина, использовались для изготовления оружия, инструментов, украшений и убежищ. Самые ранние инструменты относятся к эпохе палеолита, называемой Олдован . Это были инструменты, созданные из расколотых камней, которые использовались для сбора мусора. [ нужна ссылка ] По мере того как история продолжалась в эпоху мезолита, инструменты становились более сложными, симметричными по конструкции и с более острыми краями. В эпоху неолита сельское хозяйство начало развиваться по мере открытия новых способов изготовления орудий земледелия. Ближе к концу каменного века люди начали использовать в качестве материала медь, золото и серебро. Из-за мягкости этих металлов их обычно использовали в церемониальных целях, а также для создания украшений и украшений, и они не заменяли другие материалы для использования в инструментах. Простота используемых инструментов отражалась на простом понимании человеческого рода того времени. [2]

Бронзовый век [ править ]

Использование меди стало очень очевидным для цивилизаций, например, ее свойства эластичности и пластичности, которые позволяют придавать ей полезные формы, а также ее способность плавиться и придавать сложные формы. Несмотря на то, что у меди было множество преимуществ, материал был слишком мягким, чтобы его можно было использовать в больших масштабах. Экспериментально или случайно добавки меди приводят к увеличению твердости нового металлического сплава, называемого бронзой. [3] Первоначально бронза состояла из меди и мышьяка, образуя мышьяковистую бронзу. [4]

Железный век [ править ]

Обработка железа приобрела известность примерно с 1200 г. до н.э. В 10 веке до нашей эры стекла началось производство на древнем Ближнем Востоке . В III веке до нашей эры люди в древней Индии разработали вуцовую сталь , первую тигельную сталь . В I веке до нашей эры выдувания стекла процветала техника в Финикии . Во II веке производство стали CE получило широкое распространение в при династии Хань Китае был изготовлен . В 4 веке нашей эры в Дели Железный столб , старейший сохранившийся образец коррозионностойкой стали.

Античность [ править ]

Пантеон в Риме .

Дерево , кость , камень и земля — вот некоторые из материалов, из которых формировались постройки Римской империи . Определенные сооружения стали возможными благодаря характеру земли, на которой эти сооружения построены. Римляне смешивали известняковый порошок, вулканический пепел, найденный на горе Везувий, и воду, чтобы получить цементное тесто. [5] Вулканический полуостров с каменными агрегатами и конгломератами, содержащими кристаллический материал, будет производить материал, который выветривается иначе, чем мягкие осадочные породы и ил. С открытием цементной пасты конструкции можно было строить из камней неправильной формы, а связующее заполняло пустоты, создавая прочную структуру. Цемент приобретает прочность по мере гидратации , тем самым со временем создавая более прочную связь. С падением Западной Римской империи и возвышением Визании эти знания были по большей части утеряны, за исключением католических монахов, которые были одними из немногих, кто мог читать латынь Витрувия и использовать бетонную пасту. [6] причин того, что бетонный Пантеон Рима , мог простоять 1850 лет, и почему с соломенными крышами фермерские дома голландские Это одна из нарисованные Рембрандтом, уже давно пришли в упадок.

Использование асбеста в качестве материала расцвело в Древней Греции , особенно когда стали известны огнезащитные свойства материала. Многие ученые полагают, что слово асбест происходит от греческого термина сасбест, что означает неугасимый или неугасимый. [7] Одежда для знати, скатерти и другие украшения для духовки изготавливались из волокнистых материалов, поскольку материалы можно было очистить, бросив их прямо в огонь. [8] Однако использование этого материала не обошлось без недостатков: Плиний Старший отмечал связь между быстрой смертью рабов и работой на асбестовой шахте. Он рекомендовал рабам, работающим в этой среде, использовать кожу мочевого пузыря в качестве импровизированного респиратора . [9]

После того, как из бедренной кости кинжалы первых охотников-собирателей были заменены деревянными и каменными топорами, а затем медными , бронзовыми и железными орудиями римской цивилизации, появилась возможность искать и собирать вместе более ценные материалы. Таким образом, средневековый ювелир Бенвенуто Челлини мог искать и защищать золото, которое ему приходилось превращать в предметы вожделения герцогов и пап . Автобиография Бенвенуто Челлини содержит одно из первых описаний металлургического процесса.

Использование пробки , которая недавно была добавлена ​​в категорию материаловедения, впервые упоминается у Горация , Плиния и Плутарха . [10] В древности он имел множество применений, в том числе в рыболовных и предохранительных устройствах из-за своей плавучести, в качестве средства для гравировки, в подошвах сандалий для увеличения роста, в пробках для контейнеров и в качестве изолятора. Во втором веке его также использовали для лечения облысения. [11]

В эпоху Древнего Рима выдувание стекла стало искусством, включающим добавление декора и оттенков. Они также смогли создавать сложные формы благодаря использованию формы. Эта технология позволила им имитировать драгоценные камни. [12] Оконное стекло было отлито в плоские глиняные формы, затем снято и очищено. [12] Текстура витража получается из текстуры, которую оставляет песчаная форма на стороне, соприкасающейся с формой. [12]

В это время также появились полимерные композиты в виде древесины . К 80 г. до н.э. окаменевшая смола и кератин использовались в аксессуарах в виде янтаря и панциря черепахи соответственно. [10]

В Александрии в первом веке до нашей эры выдувание стекла было развито отчасти благодаря новым печам, которые могли создавать более высокие температуры с помощью тростниковой трубки, покрытой глиной. [12] Для выдувных изделий использовалась растительная зола и натроновое стекло, последнее является основным компонентом. Прибрежные и полупустынные растения работали лучше всего из-за низкого содержания оксида магния и оксида калия . В Леванте , Северной Африке и Италии сосуды из выдувного стекла были наиболее распространены. [13]

Средневековье [ править ]

Был обнаружен материал протофарфора, относящийся к периоду неолита, а осколки материала были найдены в археологических раскопках периода Восточной Хань в Китае. По оценкам, эти изделия были обожжены при температуре от 1260 ° C до 1300 ° C. [14] В VIII веке фарфор был изобретен при династии Тан в Китае. Производство фарфора в Китае привело к методическому развитию широко используемых печей, которые повысили качество и количество производства фарфора. [15] Оловянная глазурь керамики изобретена арабскими химиками и гончарами в Басре , Ирак . [16]

В период раннего средневековья техника создания окон больше сводилась к выдуванию неокрашенных шаров из стекла, которые позже расплющивались, но затем в позднем средневековье; методология вернулась к античности с некоторыми незначительными изменениями, которые включали прокатку металлическими роликами. [12]

В 9 веке керамика из каменной пасты была изобретена в Ираке . [16] и люстры появились в Месопотамии . [17] В 11 веке дамасскую сталь разрабатывают на Ближнем Востоке . В 15 веке Иоганн Гутенберг разрабатывает металлический сплав, а Анджело Баровье изобретает кристалло — прозрачное стекло на основе соды.

Ранний современный период [ править ]

В 1540 году Ванноччо Бирингуччо публикует свою De la pirotechnia , первую систематическую книгу по металлургии , в 1556 году Георг Агрикола пишет De Re Metallica , влиятельную книгу по металлургии и горному делу стеклянные линзы разработаны , а в Нидерландах , которые впервые используются в микроскопы и телескопы . [ нужна ссылка ]

В 17 веке « Галилея » Две новые науки ( сопротивление материалов и кинематика ) включают первые количественные положения в науке о материалах. [ нужна ссылка ]

В 18 веке Уильям Чемпион запатентовал процесс производства металлического цинка путем перегонки каламина ) для использования в качестве и древесного угля, Брайану Хиггинсу был выдан патент на гидравлический цемент ( штукатурку наружной штукатурки , а Алессандро Вольта изготавливает медный или цинковый цемент. кислотный аккумулятор . [ нужна ссылка ]

В 19 веке Томас Иоганн Зеебек изобретает термопару , Джозеф Аспин изобретает портландцемент , Чарльз Гудиер изобретает вулканизированную резину , Луи Дагер и Уильям Фокс Талбот изобретают серебра на основе фотографические процессы , Джеймс Клерк Максвелл демонстрирует цветную фотографию, а Чарльз Фриттс делает первый солнечные элементы с использованием селеновых вафель. [ нужна ссылка ]

До начала 1800-х годов алюминий как изолированный металл не производился. Так было только в 1825 году; Ганс Кристиан Эрстед открыл, как получить элементарный алюминий путем восстановления хлорида алюминия. Поскольку алюминий — легкий элемент с хорошими механическими свойствами, его широко пытались заменить более тяжелыми и менее функциональными металлами, такими как серебро и золото. Наполеон III использовал для своих высоких гостей алюминиевые тарелки и посуду, остальным же дарили серебро. [18] Однако этот процесс по-прежнему был дорогим и не позволял производить металл в больших количествах. [19]

В 1886 году американец Чарльз Мартин Холл и француз Поль Эру изобрели совершенно независимый друг от друга процесс получения алюминия из оксида алюминия посредством электролиза. [20] Этот процесс позволит производить алюминий дешевле, чем когда-либо прежде, и заложит основу для превращения этого элемента из драгоценного металла в легкодоступный товар. Примерно в то же время, в 1888 году, Карл Йозеф Байер работал в Санкт-Петербурге, Россия, над разработкой метода производства чистого глинозема для текстильной промышленности. Этот процесс включал растворение оксида алюминия из минерала боксита с образованием гиббсита, который затем можно было снова очистить до сырого глинозема. Процесс Байера и процесс Холла-Эру до сих пор используются для производства большей части мирового глинозема и алюминия. [21]

Материаловедение как область исследования [ править ]

У большинства областей исследований есть отец-основатель, например, Ньютон в физике и Лавуазье в химии. С другой стороны, в материаловедении нет центральной фигуры. [22] В 1940-х годах сотрудничество различных областей исследований во время войны для достижения технологических достижений стало структурой будущей области исследований, которая впоследствии стала известна как материаловедение и инженерия. [23] Во время холодной войны 1950-х годов Научный консультативный комитет при президенте США (PSAC) сделал материалы приоритетом, когда понял, что материалы являются ограничивающим фактором для достижений в области космических и военных технологий. В 1958 году президент Дуайт Д. Эйзенхауэр создал Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA). [24] с 1996 года называется Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA). В 1960 году ARPA поощряло создание междисциплинарных лабораторий (IDL) в университетских кампусах, которые будут заниматься исследованием материалов, а также обучением студентов. о том, как проводить материаловедческие исследования. [25] ARPA предложила 4-летние контракты IDL университетам, первоначально Корнеллскому университету , Пенсильванскому университету и Северо-Западному университету , в конечном итоге предоставив еще девять контрактов. [26] Хотя ARPA больше не контролирует программу IDL ( Национальный научный фонд взял на себя программу в 1972 году). [26] ), первоначальное создание IDL ознаменовало важную веху в в Соединенных Штатах исследованиях и разработках в области материаловедения . В 1960-х годах кафедры нескольких институтов изменили название с «Металлургия» на «Металлургия и материаловедение». [22] [27]

Современное материаловедение [ править ]

В начале 20 века в большинстве инженерных школ имелись отделения металлургии и , возможно, керамики . Много усилий было затрачено на рассмотрение фаз аустенит - мартенсит - цементит, железо-углерод присутствующих в диаграмме состояния , лежащей в основе производства стали . [ нужна ссылка ] Фундаментальное понимание других материалов не было достаточно развитым, чтобы их можно было рассматривать как академические предметы. В послевоенную эпоху систематическое изучение полимеров развивалось особенно быстро. Вместо того, чтобы создавать новые кафедры полимерной науки в инженерных школах, администраторы и ученые начали рассматривать материаловедение как новую междисциплинарную область, которая рассматривает все вещества, имеющие инженерное значение, с единой точки зрения. Северо-Западный университет открыл первый факультет материаловедения в 1955 году. [28]

Ричард Э. Тресслер был международным лидером в разработке высокотемпературных материалов. Он был пионером в испытаниях и использовании высокотемпературных волокон, в разработке передовых приборов и методологий испытаний термоструктурных материалов, а также в разработке и проверке характеристик керамики и композитов в высокотемпературных аэрокосмических, промышленных и энергетических приложениях. Он был директором-основателем Центра перспективных материалов (CAM ), который поддерживал многих преподавателей и студентов из Колледжа геологии и минераловедения , Научного колледжа Эберли , Инженерного колледжа, Лаборатории исследования материалов и Лабораторий прикладных исследований в Пенн Стейт о высокотемпературных материалах. Его видение междисциплинарных исследований сыграло ключевую роль в создании Института исследования материалов. Вклад Тресслера в материаловедение отмечен лекцией в Пенсильванском университете, названной в его честь. [29]

Общество исследования материалов (MRS) [30] сыграл важную роль в создании идентичности и сплоченности этой молодой области в США. MRS был детищем исследователей из Университета штата Пенсильвания и вырос из дискуссий, инициированных профессором Рустумом Роем в 1970 году. Первое заседание MRS состоялось в 1973 году. По состоянию на 2006 год [ нужно обновить ] , MRS превратилась в международное общество, которое спонсирует большое количество ежегодных собраний и насчитывает более 13 000 членов. MRS спонсирует встречи, которые подразделяются на симпозиумы по широкому кругу тем, в отличие от более целенаправленных встреч, которые обычно спонсируются такими организациями, как Американское физическое общество или IEEE . Фундаментально междисциплинарный характер встреч MRS оказал сильное влияние на направление науки, особенно на популярность изучения мягких материалов , которые находятся на стыке биологии, химии, физики, механики и электротехники. Из-за существования интегративных учебников, обществ по исследованию материалов и университетских кафедр во всех частях мира, программ бакалавриата, магистратуры и докторантуры, а также других показателей формирования дисциплины, справедливо называть материаловедение (и инженерию) дисциплиной. [31]

Кремниевый век [ править ]

Область кристаллографии , где рентгеновские лучи просвечивают через кристаллы твердого материала, была основана Уильямом Генри Брэггом и его сыном Уильямом Лоуренсом Брэггом в Институте физики во время и после Второй мировой войны . [ нужна ссылка ] Материаловедение стало основной признанной дисциплиной с наступлением кремниевого века и века информации . Это привело к разработке современных компьютеров , а затем и мобильных телефонов , с необходимостью сделать их меньше, быстрее и мощнее, что привело к разработке в области материаловедения меньших и более легких материалов, способных выполнять более сложные вычисления. Это, в свою очередь, позволило использовать компьютеры для решения сложных кристаллографических расчетов и автоматизации кристаллографических экспериментов, что позволило исследователям разрабатывать более точные и мощные методы. Наряду с компьютерами и кристаллографией, развитие лазерных технологий с 1960 года привело к развитию светодиодов (используемых в DVD-плеерах и смартфонах ), волоконно-оптической связи (используемой в глобальных телекоммуникациях ) и конфокальной микроскопии , ключевого инструмента в материаловедении. [32]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хаммель, Рольф Э. (2005). Понимание истории, свойств и применений материаловедения (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer-Verlag New York, LLC. ISBN  978-0-387-26691-6 .
  2. ^ Хаммель, Рольф (2005). Понимание истории, свойств и применений материаловедения . стр. 1–2.
  3. ^ Хаммель, Рольф. Понимание материаловедения: история, свойства, применение . п. 66.
  4. ^ Тайлекот, РФ История металлургии, второе издание . Лондон: Manley Publishing, для Института металлов.
  5. ^ Картер, Барри (2013). Керамические материалы . Спрингер. стр. 17–34. ISBN  978-1-4614-3523-5 .
  6. ^ Идорн, генеральный менеджер (1997). Конкретный прогресс: от древности до третьего тысячелетия . Томас Телфорд. ISBN  978-0-7277-2631-5 .
  7. ^ «История асбеста – импорт, экспорт и всемирное использование» . Центр мезотелиомы - жизненно важные услуги для онкологических больных и их семей . Проверено 4 мая 2020 г.
  8. ^ Мюррей, Р. (июнь 1990 г.). «Асбест: хронология его происхождения и воздействия на здоровье» . Британский журнал промышленной медицины . 47 (6): 361–365. дои : 10.1136/oem.47.6.361 . ISSN   0007-1072 . ПМЦ   1035183 . ПМИД   2088320 .
  9. ^ «Греки, римляне и асбест (краткая история…)» . Зеркало заднего вида . 06.08.2013 . Проверено 4 мая 2020 г.
  10. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Эшби, Майк (сентябрь 2008 г.). «Материалы-Краткая история». Письма философского журнала . 88 (9): 749–755. Бибкод : 2008PMagL..88..749A . дои : 10.1080/09500830802047056 . S2CID   137312591 – через EBSCO Publishing.
  11. ^ Перейра, Хелена (29 марта 2007 г.). Пробка: биология, производство и использование . ProQuest: Elsevier Наука и технологии. стр. 243–244. ISBN  9780080476865 .
  12. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Гнесин, Г.Г. (24 февраля 2016 г.). «Возвращаясь к истории материаловедения стекла, глазури и эмали на протяжении тысячелетий I. Стекло». Порошковая металлургия и металлокерамика . 54 : 624–630. дои : 10.1007/s11106-016-9756-5 . S2CID   138110010 – через SpringerLink.
  13. ^ Хендерсон, Джулиан (31 января 2013 г.). Древнее стекло: междисциплинарное исследование . ProQuest: Издательство Кембриджского университета. п. 235. ИСБН  9781139611930 .
  14. ^ Ли, Хэ (1996). Китайская керамика: новый стандартный справочник . Лондон: Темза и Гудзон. ISBN  978-0-500-23727-4 .
  15. ^ «Фарфор в династиях Тан (618–906) и Сун (960–1279)» . Архивировано из оригинала 16 марта 2018 г. Проверено 23 февраля 2018 г.
  16. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Мейсон, Роберт Б. (1995). Новый взгляд на старые горшки: результаты недавних междисциплинарных исследований глазурованной керамики исламского мира . Том. XII. п. 5. ISBN  978-9004103146 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
  17. ^ стр. 86–87, Десять тысяч лет керамики , Эммануэль Купер, University of Pennsylvania Press, 4-е изд., 2000 г., ISBN   0-8122-3554-1 .
  18. ^ Геллер, Том (2 июня 2016 г.). «Алюминий: обычный металл, необычное прошлое» . Институт истории науки . Проверено 4 мая 2018 г.
  19. ^ «Производство алюминия: процесс Холла-Эру» . Американское химическое общество . Проверено 4 мая 2018 г.
  20. ^ Тоттен, Джордж Э. (2003). Справочник по алюминию (10-е печатное изд.). Нью-Йорк [ua]: Деккер. ISBN  978-0-8247-0896-2 .
  21. ^ «Процесс производства глинозема компании Bayer: историческое производство» (PDF) . scs.illinois.edu . Фатхи Хабаши, Университет Лаваля . Проверено 6 апреля 2018 г.
  22. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Винсент, Бернедетта. «Материаловедение и инженерия: искусственная дисциплина, готовая взорваться» . История новейшего материаловедения .
  23. ^ Олсон, Грегори. «Хронология материаловедения». Модули мира материалов . {{cite web}}: Отсутствует или пусто |url= ( помощь )
  24. ^ «Директива Министерства обороны США учреждает Агентство перспективных исследовательских проектов» . www.darpa.mil . Проверено 23 февраля 2018 г.
  25. ^ Псарас, Питер А. (1987). Прогрессивные исследования материалов . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Национальной академии. стр. 35–40.
  26. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Избранная история инноваций DARPA» . ДАРПА . Проверено 23 февраля 2018 г.
  27. ^ Прогрессивные исследования материалов . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. 1 января 1987 г. дои : 10.17226/10291 . ISBN  978-0-309-03697-9 .
  28. ^ «О компании | Материаловедение и инженерия | Северо-Западный инжиниринг» .
  29. ^ Лекция Ричарда Э. Тресслера по материаловедению из штата Пенсильвания
  30. ^ Общество исследования материалов
  31. ^ Дополнительные ссылки и подробный анализ см. в Can (2001) и Hentschel (2011).
  32. ^ «100 невероятных лет физики – материаловедения» . Институт физики . Декабрь 2019. Архивировано из оригинала 10 декабря 2019 года . Проверено 10 декабря 2019 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: dcdbca9bfdae02dc22fc9fb9e439f103__1717983360
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/dc/03/dcdbca9bfdae02dc22fc9fb9e439f103.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
History of materials science - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)