材料应用：人类文明进步的里程碑

材料是人类社会用于制造有用物件的物质。

人类的文明史是以材料划分的，它经历了石器时代、青铜器时代（包括红铜和青铜时代）和铁器时代，现在进入了人工合成材料的新时代。

石器时代经历了200万年至300万年，由红铜时代到青铜时代经历了大约1 600年，由青铜器时代进入到铁器时代又经历了1 000年。由铁器时代开始，至今已经历了约5 000年。这也就是说，随着金属冶炼被人类应用的发展，人类由石器应用的几百万年缩短至金属材料（青铜器与铁器时代）应用的几千年。人类进入文明社会是以使用金属材料（铜与铁）开始的。早在公元前4500年，古埃及人便掌握了炼铜技术，我国用矿石炼铜始于公元前2000年（夏代早期），晚商和西周是我国青铜时代的鼎盛时期，重达875kg的“司母戊”大方鼎迄今仍珍藏在我国的博物馆里。铜是人类最先使用的金属，在青铜器时代，铁比铜要宝贵，这是因为当时炼铜比炼铁更容易，并且在地球表层中往往有呈自然金属状态存在的自然铜，以“露头”形式存在，因而容易被发现与开采。

人类最早使用的铁是陨石铁（又称自然铁，也叫陨铁）。古埃及在5 000年以前的前王朝时期，曾用含镍7.5%的陨石铁做成铁珠。从美索不达米亚出土的文物证明，在公元前3000年就有了铁器，在公元前2000年人类就掌握了铸铁技艺。我国重达270kg的铸铁刑鼎是公元前513年铸造的。铸铁的历史经历了5 000年的漫长岁月，只是到了瓦特发明蒸汽机以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上了工业发展的道路，而在此以前，铸铁只用来制造祭器、艺术品、兵器和农具。15世纪初，炼铁高炉首先在欧洲迅速发展，到17世纪，已有高达9m、日产铁1t的高炉出现。炼钢技术则是在蒸汽机出现（1755年）并且能够提供强大的鼓风和动力以后才得以发展的。贝塞麦（H.Bessemer）于1856年发明了酸性转炉炼钢；1879年，托马斯（S.G.Thomas）发明了碱性转炉炼钢；1855年，西门子兄弟（K.W.F.Siemens）发明蓄热室以及1864年马丁（P.E.Martin）利用这种蓄热室发明了平炉炼钢；随后，在1899年赫鲁特（P.L.T.Heroult）发明了电弧炼钢。由此，奠定了近代钢铁工业的基础。

除了钢铁以外，有色金属也得到了发展。1866年，哈尔（C.M.Hall）发明了电解铝，至今它已成为用量仅次于钢铁的金属。1910年，用钠还原得到了纯钛，从而满足了航空工业的需求，核工业的需要促进了铀及其他核燃料的发展，而电子和半导体工业则促进了超纯材料（单晶硅等）的发展。

此外，在非金属材料领域，特别是进入20世纪，取得了重大进展。人工合成高分子材料从20世纪20年代至今，其产量之大、应用之广可以和传统的钢铁材料相比。1984年，全世界合成高分子聚合物产量已达1亿t，其中包括塑料、合成橡胶和合成纤维。(www.xing528.com)

陶瓷是人类文明的象征。50万年以前，人类学会用火以后，就开始烧制陶器，这是经过热处理改变材料性质的开始。在新石器时期，世界先后在不同地区制出了原始陶器。我国出现原始陶器可追朔至距今10 000年左右。至于玻璃的生产，早在公元前1600年的古埃及就已经开始。在古希腊和罗马，已有石灰和火山灰混合成的胶结材料，而近代的硅酸盐水泥则是1824年由阿斯普丁发明的。混凝土用于建筑材料已有数百年历史，但在现代结构工程中所使用的混凝土则是19世纪一次偶然的机会，一位花匠把水泥撒在花盆中，因而得到了混凝土。随着材料科学技术的发展，陶瓷材料在冶金、建筑、机械、化工及尖端技术领域，已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要来源。例如，耐高温、耐腐蚀的氧化铝；将电信息转变为光信息的铌酸锂；用于切削刀具的氮化硅；具有高温超导性能的氧化钇等。

金属材料、陶瓷材料和人工合成高分子材料一起构成了当今工程材料的三大支柱。

材料一直在面临着人类社会的选择，而这种选择是由社会需要所决定的。材料能否被社会需要，这要由5个判据来决定：资源、能源、环境保护、经济和性能。材料的发展始终处于激烈的竞争之中，首先是三大类材料，即金属材料、陶瓷材料和高分子材料之间的竞争，另外是材料大类中不同种类间的竞争，例如金属材料中黑色金属与有色金属的竞争。材料之间也存在着共生关系，如高炉炼铁的炉渣可用做水泥的原料；炼焦的副产品——炼焦油，则是重要的化工原料。

关于材料的进一步开发，可以从传统材料的改进和新材料的开发两方面来论述。