浅谈材料历史发展与材料成型技术

浅谈材料历史发展与材料成型技术

前言：作为一名材料成型及其控制工程的在校本科生，研究材料发展与本专业的关系是一种专业知识的扩展也是对自身能力的增强。本文主要简单地介绍材料发展史以及相应材料成型技术的发展史。

摘要：石器时代第一次材料技术革命铜的熔炼以及铸造技术

铁器时代铁的规模冶炼技术、锻造技术第二次材料技术革命”

钢铁陶瓷有色金属混凝土高分子材料

一、历史沿革

从人类社会的发展和历史进程的宏观来看，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物质基础和先导。而材料和材料技术的进步和发展，首先应归功于金属材料制备和成型加工技术的发展。人类从漫长的石器时代进化到青铜时代（有学者称之为“第一次材料技术革命”），首先得益于铜的熔炼以及铸造技术进步和发展，而由铜器时代进入到铁器时代，得益于铁的规模冶炼技术、锻造技术的进步和发展（所谓“第二次材料技术革命”）。直到16世纪中叶，冶金（金属材料的制备与成型加工）才由“技艺”逐渐发展成为“冶金学”，人类开始注重从“科学”的角度来研究金属材料的组成、制备与加工工艺、性能之间的关系，迎来了所谓的“第三次材料技术革命”——人类从较为单一的青铜、铸铁时代进入到合金化时代，催生了人类历史的第一次工业革命，推动了近代工业的快速发展。

进入20世纪以后，材料合成技术、符合技术的出现和发展，推动了现代工业的快速发展，而电子信息、航天航空等尖端技术的发展，反过来对高性能先进材料的研究开发提出了更高的要求，起到了强大的促进作用，促成了一系列新材料和新材料技术的出现和发展。

一般而言，材料需要经历制备、成型加工、零件或结构的后处理等工序才能进入实际应用，因此，材料制备与成型加工技术，与材料的成分和结构、材料的性质一起，构成了决定材料使用性能的最基本的三大要素。

先进工业国家对材料制备与成型加工技术的研究开发十分重视。美国制定了“为了工业材料发展计划”，其核心是开放先进的制备与成型加工技术，提高材料性能，降低生产成本，满足未来工业发展对材料的需求。德国开展的“21世纪新材料研究计划”将材料制备与成型加工技术列为六个重点内容之一。在欧盟的“第六框架”计划中，先进制备技术时新材料领域的研究重点之一。日本在20世纪90年代后期，先后实施了“超级金属”、“超钢铁”计划，重点是发展先进的制备加工技术，精确控制组织，大幅度提高材料的性能，达到减少材料用量、节省资源和能源的目的。

新材料的研究、开发与应用，综合反应了一个国家的科学技术与工业化水平，而先进制备与成型加工技术的发展，对于新材料的研制、应用和产业化具有决定性的作用。先进制备与成型加工技术的出现与应用，加上了新材料的研究开发、生产和应用进程，促成了诸如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成，促进了现代航天航空，交通运输，能源环保等高技术产业的发展。

传统结构材料向高性能“，复合化，结构功能一体化发展，尤其需要先进制备与成型加工技术及装备，可使材料的生产过程更加高效，节能和洁净，从而提高传统材料产业的国际竞争力。

另一方面，开展本科学领域色前沿和基础研究，并综合利用相关学科基础理

论和科技发展成果，提供预备新材料的新原理新方法，也是材料科学与工程学科自身发展的需求。

因此，材料先进制备与成型加工技术发展，对提高国家综合实力，突破先进工业国家的技术壁垒与封锁，保障国家安全，改善人民生活质量，以及促进材料科学与技术自身的进步与发展，具有十分重要的作用，也是国民经济和社会可持续发展的重大需求。

二、材料发展与成型技术发展的历史

Ⅰ、基础材料篇

1、石器时代的材料与成型技术

数百万年前，人类摆脱了动物界，开始有意识地使用石头。除了骨头之外，石头是人类最早使用的材料之一。由于人类的自身能力有限，人们开始注重利用外物对自身进行强化，自然产生的岩石通过远古人类的打磨变成石刀、石斧、刮削器等工具。在这个时代材料类型单一，无法进行人工合成，全部依靠自然产生。而岩石的主要成分是二氧化硅，及少量金属及金属化合物。

相应的加工技术也是极其单一和低效率的，主要依靠认为的打磨，粗糙的成型。但是我们依然可以认为这是一次材料技术的改革，人们通过对自己周边事物的认识开始了工具的制造，开启了人类进发的以及繁荣的人类文明的大门。

2、新石器时代陶瓷材料

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。在古代人们主要利用陶瓷材料加工成日常生活中的用具，比如花瓶、碗、盘等等。

陶瓷有分为普通陶瓷和特种陶瓷材料。

普通陶瓷采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。

特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。

3、青铜器时代的到来铜金属的冶炼加工

我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁,人们在寻找石料和加工的工程中，逐步识别了自然铜与铜矿石。例如孔雀石很可能是人们最早用于冶炼的铜矿石。当时冶炼铜矿石的方法是将矿石与木炭在冶炼炉中进行冶炼。由于这些矿石是氧化矿，因此这种冶炼被称作氧化矿还原熔炼。在青铜时代早期，就发明了金属浇铸这一重要工艺技术。它主要用于合金成分大于10％的合金，因为这时已经不能再用锤打的方式进行加工。青铜熔炼是个突破，此后便能生产成分不同的新材料，冶金迈入技术历史的前列。

在前期新旧石器时代，在烧制陶器的过程中积累起来的丰富经验，为青铜的冶铸业提供了必要的高温知识、耐火材料、造型材料与造型技术等条件。至于加工方面就只有通过高温和大量的锻造成型，例如战场上的兵器绝大多数都是通过对天然铜矿石的冶炼，铸造，锤锻而形成的。经过历史的检验，我们可以发现古代先人的锻造技术以及相应材料的除杂技术都是非常成熟的，相较于同时期的西