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 ]

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.

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 ]
Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Июль 2021 г. ) |
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 ]

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 этом разделе отсутствует информация практически обо всем. Его необходимо переписать или удалить. ( март 2023 г. ) |
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 ]
![]() | В этом разделе могут содержаться материалы, не относящиеся к теме статьи . ( Март 2023 г. ) |
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 ]
- Хронология технологии материалов
- История черной металлургии
- История шкуроматериалов
- История шелка
- Категория:Материаловеды и инженеры
Ссылки [ править ]
- ^ 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 .
- ^ Хаммель, Рольф (2005). Понимание истории, свойств и применений материаловедения . стр. 1–2.
- ^ Хаммель, Рольф. Понимание материаловедения: история, свойства, применение . п. 66.
- ^ Тайлекот, РФ История металлургии, второе издание . Лондон: Manley Publishing, для Института металлов.
- ^ Картер, Барри (2013). Керамические материалы . Спрингер. стр. 17–34. ISBN 978-1-4614-3523-5 .
- ^ Идорн, генеральный менеджер (1997). Конкретный прогресс: от древности до третьего тысячелетия . Томас Телфорд. ISBN 978-0-7277-2631-5 .
- ^ «История асбеста – импорт, экспорт и всемирное использование» . Центр мезотелиомы - жизненно важные услуги для онкологических больных и их семей . Проверено 4 мая 2020 г.
- ^ 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 .
- ^ «Греки, римляне и асбест (краткая история…)» . Зеркало заднего вида . 06.08.2013 . Проверено 4 мая 2020 г.
- ^ 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.
- ^ Перейра, Хелена (29 марта 2007 г.). Пробка: биология, производство и использование . ProQuest: Elsevier Наука и технологии. стр. 243–244. ISBN 9780080476865 .
- ^ 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.
- ^ Хендерсон, Джулиан (31 января 2013 г.). Древнее стекло: междисциплинарное исследование . ProQuest: Издательство Кембриджского университета. п. 235. ИСБН 9781139611930 .
- ^ Ли, Хэ (1996). Китайская керамика: новый стандартный справочник . Лондон: Темза и Гудзон. ISBN 978-0-500-23727-4 .
- ^ «Фарфор в династиях Тан (618–906) и Сун (960–1279)» . Архивировано из оригинала 16 марта 2018 г. Проверено 23 февраля 2018 г.
- ^ 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 ) - ^ стр. 86–87, Десять тысяч лет керамики , Эммануэль Купер, University of Pennsylvania Press, 4-е изд., 2000 г., ISBN 0-8122-3554-1 .
- ^ Геллер, Том (2 июня 2016 г.). «Алюминий: обычный металл, необычное прошлое» . Институт истории науки . Проверено 4 мая 2018 г.
- ^ «Производство алюминия: процесс Холла-Эру» . Американское химическое общество . Проверено 4 мая 2018 г.
- ^ Тоттен, Джордж Э. (2003). Справочник по алюминию (10-е печатное изд.). Нью-Йорк [ua]: Деккер. ISBN 978-0-8247-0896-2 .
- ^ «Процесс производства глинозема компании Bayer: историческое производство» (PDF) . scs.illinois.edu . Фатхи Хабаши, Университет Лаваля . Проверено 6 апреля 2018 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Винсент, Бернедетта. «Материаловедение и инженерия: искусственная дисциплина, готовая взорваться» . История новейшего материаловедения .
- ^ Олсон, Грегори. «Хронология материаловедения». Модули мира материалов .
{{cite web}}
: Отсутствует или пусто|url=
( помощь ) - ^ «Директива Министерства обороны США учреждает Агентство перспективных исследовательских проектов» . www.darpa.mil . Проверено 23 февраля 2018 г.
- ^ Псарас, Питер А. (1987). Прогрессивные исследования материалов . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Национальной академии. стр. 35–40.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Избранная история инноваций DARPA» . ДАРПА . Проверено 23 февраля 2018 г.
- ^ Прогрессивные исследования материалов . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. 1 января 1987 г. дои : 10.17226/10291 . ISBN 978-0-309-03697-9 .
- ^ «О компании | Материаловедение и инженерия | Северо-Западный инжиниринг» .
- ^ Лекция Ричарда Э. Тресслера по материаловедению из штата Пенсильвания
- ^ Общество исследования материалов
- ^ Дополнительные ссылки и подробный анализ см. в Can (2001) и Hentschel (2011).
- ^ «100 невероятных лет физики – материаловедения» . Институт физики . Декабрь 2019. Архивировано из оригинала 10 декабря 2019 года . Проверено 10 декабря 2019 г.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Бенвенуто Челлини (1500–1571) Автобиография .
- Галилей (1638) Две новые науки , Лейден: Луи Эльзевир.
- Д.Л. Вейре и К.Г. Виндзор (редакторы) (1987) Наука твердого тела: прошлое, настоящее и предсказание , ISBN 0-85274-584-2 .
- Роберт В. Кан (2001) Приход материаловедения , Оксфорд: серия «Пергам».
- Клаус Хентшель (2011) От исследования материалов к материаловедению , в: Клаус Хентшель и Карстен Рейнхардт (ред.) Об истории исследования материалов, специальный выпуск NTM 19.1: 5-40.
Внешние ссылки [ править ]
- Юбилейный, 20-й выпуск «Вестника МРС» 1973 года.
- Северо-Западного университета Пресс-релиз о 50-летии факультета материаловедения в 2005 году.
- Материаловедение в Американском химическом обществе .
- Историческое металлургическое общество
- Общество истории пластмасс
- Ассоциация истории стекла