材料科技史

自从人类出诞生以来，材料科学已经塑造了文明的发展，更好的工具和武器材料使人类得已传播发展及征服领土，如钢铁和铝等材料的生产或加工技术仍持续影响着当今的社会。历史学家认为材料是文明的一个重要方向，因此用整个时期的主要材料作为时代的命名(石器时代、青铜器时代、铁器时代等)。对于大多数有纪录的历史，材料的控制充其量只能透过炼金术或经验的累绩。化学和物理的研究及发展有助于材料的研究，从这些研究中融合产生材料科学的跨学科研究。材料科学史是研究地球历史和地球上的人类文明，是如何受到不同材料的影响。在许多情况下，不同的文化使他们的材料成为人类学家可以用来确定这种文化存在的唯一记录。逐渐使用更复杂的材料可以让考古学家描述与区分不同的民族，这部分是由于文化中使用的主要材料及其相关的优点和缺点。石器时代的文化受到他们在当地可以找到哪些岩石以及他们可以通过交易获得的岩石受限制。 在公元前300,000(三十万)年使用燧石有时被认为是陶瓷使用的开始。磨制石斧的使用则表示着重大的进步，因为更广泛的岩石可以作为工具。铜器时代冶炼和铸造金属的创新开始改变文化相互发展和作用的方式。 大约从公元前5500年开始，早期的铁匠开始重新塑造铜和金这类天然金属（英语：https://en.wikipedia.org/wiki/Native_metal）用于工具和武器（不使用火锻造 ），约公元前5000年开始加热铜，加上锤子的成形，于公元前4000年开始熔炼和铸造。冶金在公元前3500年时期从其矿石中减少了铜矿(加入其他金属)，第一种合金青铜器在公元前3000年左右投入使用，从公元前1200年左右开始，铁器就显得很突出。公元前10世纪，玻璃生产始于古代近东。公元前3世纪，古印度人开发了第一个坩埚钢（英语：Crucible steel），乌兹钢。公元前1世纪，在腓尼基繁盛着玻璃吹制（英语：Glassblowing）技术。公元2世纪，中国汉朝炼钢开始盛行。公元4世纪，德里铁柱被生产出来，这是现存最古老的耐腐蚀钢铁。木材、骨头、石头和泥土这些物质能形成含结晶物质的结构团聚体，会产生软质沉积岩和淤泥这种不同的物质。这是罗马用混凝土建成的万神殿可以持续1850年屹立不摇的原因之一。以及为什么伦勃朗描绘的荷兰茅草屋（英语：Thatching）农舍早已衰落。在早期狩猎采集者用的骨匕首被木头和石斧取代，再接着罗马文明的铜器、青铜器和铁器出现，人们开始寻找更多珍贵的材料并搜集在一起。因此，中世纪的金匠本韦努托·切利尼可以让公爵和教宗的支持他的创作。本韦努托·切利尼的自传还包含一项首次冶金的过程描述。在石器时代的材料使用，以骨头、纤维、羽毛、贝壳、动物皮及黏土等为主，用于武器、工具、珠宝和庇护所。最早的工具是在旧石器时代出现，称为“Oldowan”，是一种用碎石制成的工具，目的用于驱赶、消灭或清除。随着进入中石器时代，工具在设计上变得更加复杂和对称，边缘变得更加锋利。进入新石器时代后，因为新式农业工具的发明，农业开始发展。在石器时代末期，人类开始使用铜、金、银作为材料，由于这些金属较为柔软，一般用于服仪上的装饰，且不替代其他材料所制成的工具。所用的工具也反映当时人类的理解单纯。铜的使用对这个时代的文明已经相当普遍，其具有的弹性及可塑性，使其可以透过简单的敲打，制成所需要的形状，也可以透过融化或雕刻做成复杂的形状。虽然铜的优点很多，但材料要更坚硬才能有大规模的实用性。透过实验或偶然的情况下，在铜里添加其他物质，形成的新金属合金(称为青铜)硬度增加。青铜最初是由铜和砷组成的，形成砷青铜。原始的瓷器材料被发现可以追溯到新石器时代，在中国东汉时期的考古遗址中发现了碎片材料。据估计，这些器皿的烧制温度约1260至1300度(摄氏)。公元8世纪，瓷器是在中国唐代蓬勃发展。中国瓷器导致广泛使用的窑炉系统性发展，从而提高了瓷砖生产的质量和数量。陶瓷的锡釉是由阿拉伯化学家和制陶工在伊拉克的巴士拉发明的。公元9世纪，炻器是在伊拉克发明的，而美索不达米亚则出现了虹彩(陶瓷器上)。公元11世纪，大马士革钢在中东地区发展起来。公元15世纪，约翰尼斯·谷腾堡开发出用于活字印刷的金属合金，Angelo Barovier（英语：Angelo Barovier）发明了一种清澈的水晶玻璃。公元16世纪，万诺乔·比林古乔出版了他的第一本关于冶金学的系统性书籍《Pirotechnia》；格奥尔格·阿格里科拉则撰写了一本有影响力的冶金和采矿书《De Re Metallica》，玻璃透镜在荷兰开发，并首次用于显微镜和望远镜。公元17世纪，伽利略的《两个新科学》（材料和运动学）一书，包括材料科学的第一个定量表述。 公元18世纪，William Champion发明了一种用炉甘石洗剂和木炭蒸馏生产锌的方法，布莱恩·希金斯(Bryan Higgins)获得了用于外墙石膏的水硬水泥（粉饰灰泥）的专利，而伏打制造了铜锌酸电池。公元19世纪，托马斯约翰塞贝克（英语：Thomas Johann Seebeck）发明了电热偶，Joseph Aspin发明了波特兰水泥，查理斯·固特异发明了硫化橡胶，路易·达盖尔和亨利福克斯塔尔博特（英语：William Fox Talbot）发明了银底摄影，詹姆斯·克拉克·马克士威演示了彩色摄影，查尔斯弗里茨（英语：Charles Fritts）用硒做了第一颗太阳能电池。公元19世纪早期，铝并没有作为独立金属生产。直到1825年，汉斯·厄斯特才发现如何用氯化铝来还原元素铝。由于铝是具有良好的机械性质的轻金属，因此广泛替代了金或银这种较重且功能较少的金属。拿破仑三世为他的贵宾使用铝板和餐具，其余的则是使用银。 然而，金属的制作仍然很贵，以至于无法大量生产。 公元1886年，美国人查尔斯·马丁·霍尔和法国人保罗·埃鲁发明了一种完全独立的制程，透过电解氧化铝来产生铝。这个制程使铝的制造成本比以往更低，更为将元素从贵金属转变为易于获得的商品奠定了基础。约公元1888年，卡尔约瑟夫拜耳（英语：Carl Josef Bayer）在俄罗斯圣彼得堡工作时，开发出一种为纺织工业生产纯铝的方法。该方法包括将铝的氧化物从铝矿中溶解出来，用来生产三水铝石，以便将其提炼回原来的氧化铝中。拜耳法和霍尔－埃鲁法目前仍用于生产世界上大部分的氧化铝和铝。大多数研究领域都有一位创始人，如物理学中的牛顿和化学界中的拉瓦节，然而材料学并没有重要的核心人物。1940年代，多的研究领域因战争需求而合作，以求产生技术的进步，成为未来研究领域的架构，并被称作材料科学工程。1950年代(冷战时期)，美国的总统科学顾问委员会(PSAC)认为，材料是空间和军事技术进步的关键因素，因此将材料作为优先事项。美国国防部与5所大学(哈佛大学、麻省理工学院、布朗大学、史丹佛大学和芝加哥大学)签订了一项契约，为物质研究提供了超过1300万美金的资金。1960年代，几个机构部门将“冶金”改为“冶金和材料科学”。公元20世纪早期，大多数工程学院都有冶金科系，也许还有陶瓷科系。作为钢铁生产基础的铁-碳平衡图，其包含的沃斯田铁、麻田散铁、雪明碳铁等金相，在众多努力下大致成形。对其他材料的基本理解并不足以将他们视为学术科目。在二战后期，聚合物的研究进展迅速，但管理人员和科学家并没有在工程学院创建新的聚合物科系，而是开始将材料科学视为一个跨学科的新领域，从统一的角度思考所有具有工程，其在物质上的重要性。美国西北大学在1955年成立了第一个材料科学系。Richard E. Tressler博士是领导国际的高温材料开发者，他开创了高温光纤的测试和使用，用先进的热结构材料仪器和测试方法，做了陶瓷及复合材料的设计和性能检测，应用在高温的航空、航天、工业和能源领域中。他是先进材料中心(the Center for Advanced Materials ,CAM)的创始主任，该中心受宾州州立大学的地球和矿物科学学院、埃伯利理学院、工程学院、材料研究实验室和应用研究实验室的许多教师和学生提供支持，以陈述高温材料。他的跨学科愿景在材料研究所的创建中发挥了关键的作用，Tressler对材料科学的贡献，以宾州州立大学的讲座为荣。美国材料研究学会（英语：materials research societies）(MRS)一直致力于为这个年轻的领域创造一种身份和凝聚力，MRS是宾州州立大学研究孪的心血结晶，是鲁斯特鲁姆（英语：Rustum Roy）教授于1970年发起讨论的结果，并于1973年举行第一次的MRS会议。截至2006年，MRS已经发展成为一个赞助大量年会的国际协会，且拥有超过13,000(1.3万)名会员。MRS赞助的会议细分为各种主题的专题讨论会，不像美国物理学会或IEEE等组织，赞助于更集中主要领域的会议。MRS会议的根本是跨学科性质对科学方向产生的重要影响，特别是在研究软物质的普及，对其在生物学、化学、物理学和电机工程中的关系。由于世界各地都有综合教科书、材料研究学会（英语：materials research societies）和大学教席，BA、MA和PhD课程以及其他学科形成指标，因此将材料科学(及工程)称为学科是公平的。公元1958年，美国艾森豪总统创建了高等研究计划署(ARPA) ，并从公元1996年后被称为国防高等研究计划署(DARPA)。公元1960年，ARPA鼓励在大学校园内建立跨学科实验室(IDL)，这些实验室将致力于材料研究，以及学生如何进行材料科学研究的教育。ARPA向大学提供了为期4年的IDL合约，最初是康乃尔大学、宾州州立大学和西北大学，最后又签了9份合约。虽然ARPA不再控制IDL计划(于1972年被美国国家科学基金会接管该计划)，但IDL最初的建立象征着美国材料科学研究和发展的重要里程碑。