第一章 人类、材料和技术的演变史

1§1-2材料的定义及分类

制作物品的来源即原料或材料。其中“来源”指物质。

(开拓未来的尖端材料—蔡可芬译，冶金工业出版社)

“迈尔新百科全书”：“∙∙∙∙∙∙材料是由原料中取得的、为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木材、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等∙∙∙∙∙∙”。详细解释这句话：材料是从原料中取得的并且是生产产品的原始物料，包括人类在动物、植物或矿物原料基础上转化的所有物质。

(材料和材料的未来—李新立，黄阿华，陆中正译，科学普及出版社)材料的定义：什么是材料？2

材料：是由一种化学物质为主要成分、并添加一定的助剂作为次要成分所组成的，可以在一定温度和一定压力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形状，冷却后在室温下能保持既定形状，并可在一定条件下使用的制品，其生产过程必须实现最高的生产率、最低的原材料成本和能耗，最少地产生废物和环境污染物，并且其废弃物可以回收、再利用。

(材料概论—周达飞主编，化学工业出版社)。3材料的分类：

按组成、结构特点进行分类：金属材料；无机非金属材料；高分子材料；复合材料。

按使用性能分类：利用材料力学性能的称为结构材料；而利用材料物理和化学性能的则称为功能材料。4

按用途分类：航天航空材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包装材料、电工电器材料、机械材料、农用材料、日用品及办公用品材料等。

也可将材料分为传统材料和新型材料。两者无严格区别，是互相依存、互相转化的。传统材料的特征：需求量大、生产规模大，但环境污染严重；新型材料的特征：投资强度较高、更新换代快、风险性大、知识和技术密集程度高，一旦成功，回报率也较高，且不以规模取胜。56§1-3材料的演变史第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然材料。第二代材料：陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料。第三代材料：高分子材料。第四代材料：复合材料。第五代材料：智能材料。1980年前后，日本机械技术研究所的岛村昭治提出将材料的发展历史划分为五代。其实，在第三代之前，还可以加入钢铁材料时代；在第四代之前，还有先进陶瓷材料时代；而后面几代之间都没有明显的界限。7

从树上下到地面、开始直立行走的人类祖先，为了生存、抵御猛兽袭击和猎取食物，逐渐学会使用天然的材料—木棒、石块、骨头等；(这种纯天然的材料使用起来并不得心应手，也不够犀利)

先民们开始人工打制石器—石矢、石刀、石铲、石凿、石斧、石球等；(打制石器用的材料大多数是石英石，少部分是燧石（俗称火石）

燧石的使用，是人类文明的一个重要里程碑。学会了人工取火，结束了人类茹毛饮血的生活；熟食是人类的一大进步。旧石器时代

(250万年前～1万多年前)8

旧石器时代的工具是利用一块较硬的石头砍砸另一块较软的石头打击而成，所以称砍砸器，其形状既不规则，又不固定，加工十分粗糙。不管怎么说，这是人类制造的第一种原始材料。注：旧石器是人类制造并保留下来的的第一种原始材料。9

在一万八千年前山顶洞人的洞穴里，曾发现七件穿孔的石珠、五件穿孔的海壳和一百多只穿孔的兽牙。表明山顶洞人掌握了磨制和钻孔技术，能制造比较精致的石器和骨器，用骨针把兽皮缝成衣服。

六千多年前的西安半坡遗址为我们提供了丰富的文物和史料。半坡人普遍使用磨制的石铲、石刀等石器，光滑锋利。他们还把骨、角制成阵、锥、鱼钩、鱼叉和弓箭。岩石、兽骨成为他们熟悉的材料。新石器时代

(始于1万多年前)10说明人类已经懂得对石器进行选择、加工（切割、钻孔、磨制、雕刻等）。同时还出现了制陶、纺织等原始手工业。六千多年前的西安坡遗址中发现，烧制陶器的竖穴窑和横穴窑，还有烧制的汲水底陶罐、鱼纹彩瓷盆、陶铂等制品。在五前多年前的仰韶文化遗物中发现了陶瓷纺轮和骨针，在有些陶器上发现了麻布纹的痕迹，说明新石器时代的人们已经懂得纺织。恩格斯把陶器的出现作为人类文明开始的标志。11

早在1万多年前的旧石器时代末期，人类已会在用树枝条编成的容器上涂抹粘土，晒干后用来盛物，但这种容器既不牢固又怕浸水。

在一些偶然的机会，例如森林着火，这种容器经受了火烧。人们发现，其内部的树枝条烧成了炭，剩下了坚硬的、耐火的坯料。

后来，人们有意识地把粘土搓捏成形，烧制成器皿，用来盛水，存放、烧煮食物等。这就是最古老的制陶技术。陶器的出现∙∙∙∙∙∙12

陶瓷实际上是陶和瓷“两兄弟”的总称。瓷是陶的“弟弟”，但年龄要小好几千岁。

制瓷技术是在制陶技术基础上逐渐发展而形成的。从制陶到制瓷，主要在以下三方面技术上取得了进展：(1)精选原材料。瓷器是以含铝成分较多的高岭土为原料烧制而成的。(2)改进窑炉，提高烧成温度；(3)发明和利用釉。釉是以石英、长石、粘土等为原料，烧结在陶瓷表面的玻璃质薄层。瓷器的出现∙∙∙∙∙∙13青铜器时代

(公元前8000年左右)

公元前8000年左右，铜首次被有意识地用来作为原料。先民们发现并利用天然铜块制作铜兵器和铜工具。

到公元前5000年，人们已逐渐学会用铜矿石炼铜。

公元前4000年，铜器及其制造就已推广，而石头作为材料已退居第二位。注：铜是人类获得的第二种人造材料，也是人类获得的第一种金属材料。铜的发现和应用：14铁器时代

在文明古国埃及、美索不达米亚和中国，人类最早利用的铁都是陨铁，埃及人称之为“天铁”；

1977年，北京市郊区平谷县刘家河村发现了一批商朝（距今已有3100~3600年）中期的墓穴。古墓中发现了一件古老的兵器——铁刃铜钺。这是一件镶有铁刃的青铜斧状兵器，是迄今所见最早的铁制古兵器；陨铁的发现和应用：15

是陨铁让人类有意识地寻找铁矿石，研究炼铁方法；

大约在4000年前，地处西亚的安纳脱利亚地区的赫梯人在炼铜是很可能是在无意中发现铁矿石有助熔作用，能降低铜矿石的熔化温度，因而常在炼铜炉里加进一些铁矿石。这时，如果炼铜炉的温度超过1000ºC，会有一些海绵状的铁被还原出来。所以，可以说，赫梯人是世界上最早步入铁器时代的民族；铁的冶炼：16

早在2600年前的春秋时代中后期，我们的祖先就发明了生铁冶炼技术，比欧洲国家要早1000多年；世界上冶炼、浇铸生铁的最早文字，也记载于我国古代典籍名著《左传》中；

最早的钢是在大约1200ºC的较低温度下，用木炭还原出铁矿石里的混杂铁（含铁、矿渣和没烧尽的木炭混杂在一起的炼铁块）为原料，在炭火中反复锻打，反复渗碳而逐步形成的。从铁器时代向钢铁时代过渡17

钢和生铁的最大区别是含碳量的多少，前者少而后者多，以2.11％为界。

生铁硬而脆，韧性不好；很少作为结构材料使用（跟碳含量有关）炼钢跟炼铁的主要区别是消耗掉多余的碳，最简单的方法是利用空气中的氧气去除碳，以降低碳含量；钢的冶炼：18随着钢铁的出现（已经到了十八世纪），带动了资本主义国家的工业革命。在18-19世纪，钢铁的发展直接决定了工业的发展成度。就在上世纪五六十年代，钢铁的产量还是决定这一个国家的工业发展水平。所以，我国的大跃进运动，最先在钢铁行业开刀，当然，那时候的钢铁冶炼是违背了科学原理的。（木材燃烧的温度远远达不到钢铁冶炼的温度）钢的冶炼：19高分子时代随着化工技术的发展，高分子材料应运而生。许多自然界中不存在的材料，都可以人工合成。如：塑料等，有些自然界中缺少的材料，也可以通过人工合成来补充，如：橡胶等，但高分子材料也有其局限性，如：使用温度不太高，不导电等等。但是我们从日常生活中能感受到，无论是日用品还是衣服等，高分子都占据了不可或缺都位置。20先进陶瓷时代在原来陶瓷的基础上，诞生了先进陶瓷，不但改变了原来陶瓷性脆、延伸率低、强度低等缺点，而且还大大发挥了陶瓷本身耐磨、耐高温等优异性能，特别在电子通信领域及航空航天领域，发挥着日益重要的作用。21先进复合材料时代人们针对单一材料的缺点，将不同种类的材料复合，制备出能克服单一材料缺点，发挥单一材料特长的复合材料。即所谓扬长补短。如：将金属与陶瓷复合，希望得到即能导电，又能耐高温，而且还不脆的新型复合材料。不但在军工还是民用上，复合材料都占据着重要的地位。21世纪是复合材料的世纪。22智能材料时代人们根据自然界生物自然生长的规律，开发了能够根据环境改变自适应的智能材料。这也是未来材料发展的一个主要方向。23第一次技术革命发端于18世纪后期，以蒸汽机的发明及广泛应用为主要标志，由此引发的纺织工业、冶金工业、机械工业、造船工业等的工业大革命，是这次技术革命的产物，使人类从手工工艺时期跃进到机器工业时代，开创了工业社会的文明。其主要的材料依靠是钢铁的飞速发展，实现了高炉、转炉、平炉制造优质钢材的工业化。24第二次技术革命开始于19世纪末，以电的发明和广泛应用为标志，由于远距离送电材料以及通讯、照明用的各种材料的工业化，实现了电气化。其结果是石油开采、钢铁冶炼、化学工业、飞机工业、电气工业、电报电话等迅猛发展，组成了现代产业群，使人类跨进了一个新的时代，实现了向现代社会的转变。其主要