История материаловедения - History of materials science

Материаловедение сформировал развитие цивилизаций с самого начала человечества. Лучшие материалы для инструментов и оружия позволили человечеству распространяться и побеждать, а достижения в области обработки материалов, такие как производство стали и алюминия, продолжают влиять на общество сегодня. Историки рассматривали материалы как такой важный аспект цивилизации, что целые периоды времени определялись преобладающим используемым материалом (Каменный век, Бронзовый век, Железный век, так далее.). На протяжении большей части зарегистрированной истории контроль материалов осуществлялся в лучшем случае алхимическими или эмпирическими средствами. Изучение и развитие химии и физики способствовало изучению материалов, и в конечном итоге междисциплинарное изучение материаловедения возникло в результате слияния этих исследований.[1] В история материаловедения - это исследование того, как различные материалы использовались и развивались на протяжении истории Земли и как эти материалы повлияли на культуру народов Земли. Период, термин "Кремниевый век "иногда используется для обозначения современного периода истории с конца 20 до начала 21 века.

Предыстория

Кремневый топор длиной около 31 см.

Во многих случаях разные культуры оставляют свои материалы как единственные записи, которые антропологи можно использовать для определения существования таких культур. Постепенное использование более сложных материалов позволяет археологам характеризовать и различать народы. Частично это происходит из-за основного материала, используемого в культуре, и связанных с ним преимуществ и недостатков. Каменный век культуры были ограничены тем, какие породы они могли найти в местном масштабе и которые они могли приобрести путем торговли. Использование кремень около 300000 г. до н. э. иногда[когда? ] считается началом использования керамика. Использование полированного каменные топоры знаменует собой значительный прогресс, потому что гораздо более широкий спектр горных пород может служить в качестве инструментов.

Поздно Меч бронзового века - или кинжал-клинок.

Инновации в плавке и литье металлов в Бронзовый век начали менять способ развития культур и их взаимодействия друг с другом.[нужна цитата ] Начиная примерно с 5500 г. до н. Э., В начале кузнецы начал менять форму самородные металлы из медь и золото - без применения огня - для инструментов и оружия. Нагревание меди и ее формование с помощью молотков началось около 5000 г. до н. Э. Плавка и литье начались около 4000 г. до н. Э. Металлургия возникла с восстановлением меди из руды около 3500 г. до н. э. Первый сплав, бронза вошел в употребление около 3000 г. до н.э.

Каменный век

Использование материалов начинается еще в каменном веке. Обычно такие материалы, как кость, волокна, перья, ракушки, кожа животных и глина, использовались для изготовления оружия, инструментов, украшений и убежищ. Самые ранние орудия труда относились к эпохе палеолита и назывались Oldowan. Это были инструменты, созданные из колотых камней, которые использовались для уборки мусора. По мере того, как история продолжалась в эпоху мезолита, инструменты становились более сложными и симметричными по конструкции с более острыми краями. В эпоху неолита сельское хозяйство начало развиваться, поскольку были открыты новые инструменты для ведения сельского хозяйства.[2] Ближе к концу каменного века люди начали использовать в качестве материалов медь, золото и серебро. Из-за мягкости этих металлов они в основном использовались в церемониальных целях и для создания украшений или украшений и не заменяли другие материалы для использования в инструментах. Простота используемых инструментов отразилась на простом понимании человеческого вида того времени.[3]

Бронзовый век

Использование меди стало очень очевидным для цивилизаций, например, благодаря ее свойствам эластичности и пластичности, которые позволяют придавать ей полезные формы, наряду с ее способностью плавиться и литься в сложные формы. Хотя у меди было много преимуществ, материал был слишком мягким, чтобы найти применение в больших масштабах. В результате экспериментов или случайно добавки к меди приводят к повышению твердости нового металлического сплава, называемого бронзой.[4] Изначально бронза состояла из меди и мышьяка, образуя мышьяковую бронзу.[5]

Железный век

Утюг -работа стала известна примерно с 1200 г. до н.э.

В 10 веке до нашей эры стекло производство началось в древний Ближний Восток. В III веке до нашей эры люди в древняя Индия развитый Wootz Steel, первый тигельная сталь. В I веке до н.э. выдувание стекла методы процветали в Финикии. Во 2 веке н.э. стали -делание получило широкое распространение в династия Хан Китай. В 4 веке нашей эры были произведены Железный столб Дели, старейший из сохранившихся образцов коррозионно-стойкой стали.

Античность

В Пантеон в Рим.

Дерево, кость, камень, и земной шар некоторые из материалов, которые сформировали структуры Римская империя. Определенные сооружения стали возможными благодаря характеру земли, на которой они построены. Римляне смешали порошкообразный известняк, вулканический пепел с горы Везувий и воду, чтобы сделать цементную пасту.[6] Вулканический полуостров с каменными агрегатами и конгломераты содержащий кристаллический Материал будет производить материал, который отличается от мягких осадочных пород и ила. С открытием цементной пасты можно было строить конструкции из камней неправильной формы и использовать связующее для заполнения пустот для создания прочной структуры. Цемент набирает прочность по мере гидраты, тем самым создавая со временем более прочную связь. С падением запада Римская империя и рост Визанцы эти знания были в основном утеряны, за исключением католических монахов, которые были среди немногих, кто мог читать на латыни Витрувия и использовать бетонную пасту.[7] Это одна из причин того, что конкретный Пантеон из Рим может длиться 1850 лет, и почему соломенный сельские дома из Голландия зарисовал Рембрандт давно пришли в упадок.

Использование асбест как материал расцвел в Древняя Греция, особенно когда выявились огнезащитные качества материала. Многие ученые считают, что слово «асбест» происходит от греческого слова сасбест, что означает «неугасимый» или «неугасимый».[8] Одежда для знати, скатерти и другие украшения для духовки были переплетены из волокнистых материалов, так как материалы можно было очистить, бросив их прямо в огонь.[9] Однако использование этого материала не лишено недостатков: Плиний Старший, отметил связь между быстрой смертью рабов на работе на асбестовой шахте. Он рекомендовал рабам, работающим в этой среде, использовать шкуру болтуна в качестве временного приспособления. респиратор.[10]

После бедрокость кинжалы раннего охотники-собиратели были вытеснены деревянными и каменными топорами, а затем медь, бронза и утюг орудия римской цивилизации, тогда можно было искать и собирать более ценные материалы. Таким образом средневековый ювелир Бенвенуто Челлини мог искать и защищать золото, которое он должен был превратить в объекты желания герцоги и папы. Автобиография Бенвенуто Челлини содержит одно из первых описаний металлургического процесса.

Использование пробка, который недавно был добавлен в категорию материаловедения, первые упоминания начинаются с Гораций, Плиний и Плутарх.[11] Он имел много применений в древности, в том числе в рыболовстве и устройствах безопасности из-за его плавучести, средства гравировки, подошв сандала для увеличения роста, пробок контейнеров и изолятора. Он также использовался для лечения облысения во втором веке.[12]

В эпоху Древнего Рима выдувание стекла стало искусством с добавлением декора и оттенков. Они также могли создавать сложные формы благодаря использованию формы. Эта технология позволяла имитировать драгоценные камни.[13] Оконное стекло было отлито в плоские глиняные формы, затем снято и очищено.[13] Текстура витража зависит от текстуры песчаной формы, оставленной на той стороне, которая соприкасается с формой.[13]

Полимерные композиты также появились за это время в виде дерево. К 80 г. до н.э. окаменел смола и кератин использовались в аксессуарах как Янтарь и панцирь черепахи соответственно.[11]

В Александрии в первом веке до нашей эры выдувание стекла был разработан частично из-за новых печей, которые могли создавать более высокие температуры за счет использования тростниковой трубы, покрытой глиной.[13] В выдувных изделиях использовались растительная зола и натроновое стекло, последнее является основным компонентом. Прибрежные и полупустынные растения показали себя лучше всего из-за их низкого оксид магния и оксид калия содержание. В Левант, Северная Африка, и Италия здесь чаще всего использовались выдувные стеклянные сосуды.[14]

Средний возраст

Был обнаружен протофарфоровый материал, относящийся к периоду неолита, с осколками материала, найденными на археологических раскопках периода Восточной Хань в Китае. Эти изделия были обожжены при температуре от 1260 до 1300 ° C.[15] В 8 веке фарфор был изобретен в династия Тан Китай. Фарфор в Китае привел к методическому развитию широко используемых печей, которые повысили качество и количество производимого фарфора.[16] Оловянное остекление керамики изобретают Арабские химики и гончары в Басра, Ирак.[17]

В период раннего средневековья техника создания окон была больше ориентирована на выдувание не окрашенных шаров из стекла, которые позже были сплющены, но затем в позднем средневековье методология вернулась к этому из античности с несколькими незначительными изменениями, которые включали катание с помощью металлических роликов.[13]

В 9 веке каменная паста керамика были изобретены в Ирак,[17] и люстра появился в Месопотамия.[18]

В 11 веке Дамасская сталь разработан в Средний Восток. В 15 веке Иоганн Гутенберг развивается тип металл сплав и Анджело Баровье изобретает Cristallo, прозрачное стекло на содовой основе.

Ранний современный период

В 16 веке Ваннокчо Бирингуччо издает свою «Пиротехнику», первую систематическую книгу по металлургия, Георг Агрикола пишет De Re Metallica, влиятельную книгу о металлургия и добыча полезных ископаемых и стекло линза разработаны в Нидерланды и используется впервые в микроскопы и телескопы.

В 17 веке Галилео с Две новые науки (сопротивление материалов и кинематика ) включает первые количественные утверждения в материаловедении. В 18 веке Уильям Чемпион патентует процесс производства металлических цинк к дистилляция из каламин и уголь, Брайан Хиггинс был выпущен патент для гидравлического цемента (лепнина ) для использования в качестве экстерьера штукатурка, и Алессандро Вольта делает медь / цинк кислота аккумулятор.

В 19 веке, Томас Иоганн Зеебек изобретает термопара, Джозеф Аспин изобретает портландцемент, Чарльз Гудьир изобретает вулканизированная резина, Луи Дагер и Уильям Фокс Талбот изобретать серебро -основан фотографический процессы, Джеймс Клерк Максвелл демонстрирует цветную фотографию, и Чарльз Фриттс делает первый солнечные батареи с помощью селен вафли.

До начала 1800-х годов алюминий не производился как отдельный металл. Только в 1825 году Ганс Кристиан Эрстед открыли, как получить элементарный алюминий путем восстановления хлорида алюминия. Поскольку алюминий является легким элементом с хорошими механическими свойствами, его широко пытались заменить более тяжелыми и менее функциональными металлами, такими как серебро и золото. Наполеон III использовал алюминиевые тарелки и утварь для своих высоких гостей, а остальным - серебро.[19] Однако этот процесс все еще был дорогим и по-прежнему не позволял производить металл в больших количествах.[20] В 1886 г. Чарльз Мартин Холл и француз Поль Эру изобрели процесс, полностью независимый друг от друга, для производства алюминия из оксида алюминия посредством электролиза.[21] Этот процесс позволил бы производить алюминий дешевле, чем когда-либо прежде, и заложил основу для превращения этого элемента из драгоценного металла в легко доступный товар. Примерно в то же время в 1888 г. Карл Йозеф Байер работал в Санкт-Петербурге, Россия, над разработкой метода производства чистого глинозема для текстильной промышленности. Этот процесс включал растворение оксида алюминия в бокситовом минерале с образованием гиббсита, который затем можно очистить обратно в сырой оксид алюминия. В Процесс Байера и Процесс Холла-Эру до сих пор используются для производства большей части глинозема и алюминия в мире.[22]

Материаловедение как специальность

У большинства областей исследований есть отец-основатель, например, Ньютон в физике и Лавуазье по химии. С другой стороны, у материаловедения нет центральной фигуры, которая привела бы в движение исследования материалов.[23] В 1940-х годах сотрудничество в военное время в нескольких областях исследований для достижения технологических достижений стало структурой для будущей области исследований, которая станет известна как материаловедение и инженерия.[24] Во время холодной войны 1950-х годов Научно-консультативный комитет при президенте США (PSAC) сделал материалы приоритетом, когда понял, что материалы являются ограничивающим фактором для достижений в космической и военной технологии. Министерство обороны подписало контракт с 5 университетами (Гарвард, Массачусетский технологический институт, Браун, Стэнфорд и Чикаго) о выделении более 13 миллионов долларов на исследования материалов. В 1960-х годах кафедры нескольких институтов изменили названия с «металлургия» на «металлургия и материаловедение».[23]

Современное материаловедение

В начале ХХ века в большинстве инженерных школ имелись отделения металлургия и возможно керамика также. Много усилий было потрачено на рассмотрение аустенит -мартенсит -цементит фазы, обнаруженные в железо-углеродном фазовая диаграмма это лежит в основе стали производство. Фундаментальное понимание других материалов было недостаточно развитым, чтобы их можно было рассматривать в качестве учебных предметов. В послевоенную эпоху систематическое изучение полимеры продвигались особенно быстро. Вместо того, чтобы создавать новые факультеты науки о полимерах в инженерных школах, администраторы и ученые начали рассматривать материаловедение как новую междисциплинарную область, в которой все вещества, имеющие инженерное значение, рассматриваются с единой точки зрения. Северо-Западный университет основал первую кафедру материаловедения в 1955 году.[25]

Ричард Э. Тресслер был международным лидером в разработке высокотемпературных материалов. Он был пионером в области тестирования и использования высокотемпературных волокон, 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 Земли и минералов, Научного колледжа Эберли, Инженерного колледжа, Лаборатории исследования материалов и Лабораторий прикладных исследований в Пенсильвании. Положение на жаропрочных материалах. Его видение междисциплинарных исследований сыграло ключевую роль в создании Института исследования материалов. Вклад Тресслера в науку о материалах отмечен лекцией в Пенсильвании, названной в его честь.[26]

Общество исследования материалов (MRS)[27] сыграл важную роль в создании идентичности и сплоченности этой молодой области. MRS была детищем исследователей из Государственный университет Пенсильвании и вырос из дискуссий, инициированных проф. Растум Рой в 1970 г. Первое заседание MRS состоялось в 1973 г. По состоянию на 2006 г.[нуждается в обновлении ], MRS превратилась в международное сообщество, которое спонсирует большое количество ежегодных встреч и насчитывает более 13 000 членов. MRS спонсирует встречи, которые подразделяются на симпозиумы по широкому кругу тем, в отличие от более целенаправленных встреч, обычно спонсируемых такими организациями, как Американское физическое общество или IEEE. Принципиально междисциплинарный характер собраний MRS оказал сильное влияние на направление науки, особенно на популярность изучения мягкие материалы, которые находятся на стыке биологии, химии, физики, механики и электротехники. Благодаря существованию интегративных учебников, общества исследования материалов и кафедры университетов во всех частях света, программы бакалавриата, магистратуры и докторантуры, а также другие индикаторы формирования дисциплины, материаловедение (и инженерию) можно назвать дисциплиной.[28]

В 1958 году президент Дуайт Д. Эйзенхауэр создал Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA),[29] с 1996 года именуется Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA). В 1960 году ARPA поддержало создание междисциплинарных лабораторий (IDL) в университетских городках, которые будут посвящены исследованию материалов, а также обучению студентов. о том, как проводить исследования в области материаловедения.[30] ARPA предложила университетам четырехлетние IDL контракты, первоначально Корнелл Университет, Пенсильванский университет, и Северо-Западный университет, в итоге заключив еще 9 контрактов.[31] Хотя ARPA больше не контролирует программу IDL ( Национальный фонд науки принял программу в 1972 году[31]), первоначальное создание IDL стало важной вехой в Соединенные Штаты 'исследования и разработки в области материаловедения.

Кремниевый век

Дальнейшая информация: Кремниевый век

Поле кристаллография, куда Рентгеновские лучи просвечиваются сквозь кристаллы твердого материала, были основаны Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоуренс Брэгг на Институт Физики во время и после Вторая Мировая Война. Материаловедение стало одной из основных дисциплин после начала Кремниевый век и Информационный век, который начался с изобретения полевой транзистор металл – оксид – кремний (MOSFET) от Мохамед М. Аталла в Bell Labs в 1959 году. Это привело к развитию современных компьютеры а потом мобильные телефоны, с необходимостью сделать их меньше, быстрее и мощнее, что привело к разработке материалов меньшего размера и более легких материалов, способных выполнять более сложные вычисления. Это, в свою очередь, позволило использовать компьютеры для выполнения сложных кристаллографических расчетов и автоматизировать кристаллографические эксперименты, что позволило исследователям разрабатывать более точные и эффективные методы. Наряду с компьютерами и кристаллографией развитие лазер технологии с 1960 года привели к разработке светодиоды (используется в DVD плееры и смартфоны ), волоконно-оптическая связь (используется в глобальных телекоммуникации ), и конфокальная микроскопия, ключевой инструмент в материаловедении.[32]

Мохамед Аталла, в Hewlett Packard (Л.с.) Полупроводниковая лаборатория в 1960-х годах запустила программу исследований в области материаловедения, которая обеспечила базовую технологию для арсенид галлия (GaAs), фосфид арсенида галлия (GaAsP) и арсенид индия (InAs) устройства. Эти устройства стали основной технологией, используемой подразделением СВЧ HP для разработки подметальных машин и сетевые анализаторы которые увеличили частоту 20–40 ГГц, давая HP более 90% военная связь рынок.[33]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хуммель, Рольф Э. (2005). Понимание истории материаловедения, свойств, применения (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer-Verlag New York, LLC. ISBN  978-0-387-26691-6.
  2. ^ Виолатти, Кристиан. "Каменный век". Энциклопедия древней истории. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  3. ^ Хуммель, Рольф (2005). Понимание истории материаловедения, свойств, применения. С. 1–2.
  4. ^ Хуммель, Рольф. Понимание материаловедения: история, свойства, применение. п. 66.
  5. ^ Тайлекот, Р.Ф. История металлургии, второе издание. Лондон: Manley Publishing, для института металлов.
  6. ^ Картер, Барри (2013). Керамические материалы. Springer. С. 17–34. ISBN  978-1-4614-3523-5.
  7. ^ Идорн, Г. М. (1997). Конкретный прогресс: от античности до третьего тысячелетия. Томас Телфорд. ISBN  978-0-7277-2631-5.
  8. ^ «История асбеста - импорт, экспорт и использование во всем мире». Центр мезотелиомы - жизненно важные услуги для больных раком и их семей. Получено 2020-05-04.
  9. ^ Мюррей, Р. (июнь 1990 г.). «Асбест: хронология происхождения и воздействия на здоровье». Британский журнал промышленной медицины. 47 (6): 361–365. Дои:10.1136 / oem.47.6.361. ISSN  0007-1072. ЧВК  1035183. PMID  2088320.
  10. ^ «Греки, римляне и асбест (краткая история…)». Зеркало заднего вида. 2013-08-06. Получено 2020-05-04.
  11. ^ а б Эшби, Майк (сентябрь 2008 г.). «Материалы-Краткая история». Письма в философский журнал. 88 (9): 749–755. Bibcode:2008PMagL..88..749A. Дои:10.1080/09500830802047056. S2CID  137312591 - через EBSCO Publishing.
  12. ^ Перейра, Хелена (29 марта 2007 г.). Пробка: биология, производство и использование. ProQuest: Elsevier Science & Technology. С. 243–244. ISBN  9780080476865.
  13. ^ а б c d е Гнесин Г.Г. (24 февраля 2016 г.). «Пересмотр 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.
  14. ^ Хендерсон, Джулиан (31.01.2013). Древнее стекло: междисциплинарное исследование. ProQuest: Издательство Кембриджского университета. п. 235. ISBN  9781139611930.
  15. ^ Ли, Он (1996). Китайская керамика: руководство по новому стандарту. Лондон: Темза и Гудзон. ISBN  978-0-500-23727-4.
  16. ^ "Фарфор в династиях Тан (618–906) и Сун (960–1279)".
  17. ^ а б Мейсон, Роберт Б. (1995). Новый взгляд на старые горшки: результаты последних междисциплинарных исследований глазурованной керамики из исламского мира. Мукарнас: Ежегодник исламского искусства и архитектуры. XII. п. 5. ISBN  978-9004103146.
  18. ^ стр. 86–87, Десять тысяч лет керамики, Эммануэль Купер, University of Pennsylvania Press, 4-е изд., 2000 г., ISBN  0-8122-3554-1.
  19. ^ Геллер, Том (2 июня 2016 г.). «Алюминий: обычный металл, необычное прошлое». Институт истории науки. Получено 4 мая 2018.
  20. ^ «Производство алюминия: процесс Холла-Эру». Американское химическое общество. Американское химическое общество. Получено 4 мая 2018.
  21. ^ Тоттен, Джордж Э. (2003). Справочник по алюминию (10. печат. Ред.). Нью-Йорк [u.a.]: Деккер. ISBN  978-0-8247-0896-2.
  22. ^ «Процесс Байера для производства глинозема: историческое производство» (PDF). scs.illinois.edu. Фатхи Хабаши, Университет Лаваля. Получено 6 апреля 2018.
  23. ^ а б Винсент, Бернедетта. «Материаловедение и инженерия: искусственная дисциплина вот-вот взорвется». История новейшего материаловедения. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  24. ^ Олсон, Грегори. «Хронология материаловедения». Материалы World Modules. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  25. ^ "О компании | Материаловедение и инженерия | Северо-западное машиностроение".
  26. ^ Лекция Ричарда Э. Тресслера по материаловедению из Penn State
  27. ^ Общество исследования материалов
  28. ^ См. Cahn (2001) и Hentschel (2011) для дальнейших ссылок и подробного анализа.
  29. ^ «Директива Министерства Обороны создает Агентство перспективных исследовательских проектов». www.darpa.mil. Получено 23 февраля 2018.
  30. ^ Псарас, Питер А. (1987). Продвижение исследований материалов. Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press. С. 35–40.
  31. ^ а б «Избранная история инноваций DARPA». DARPA. Получено 23 февраля, 2018.
  32. ^ «100 невероятных лет физике - материаловедению». Институт Физики. Декабрь 2019 г.. Получено 10 декабря 2019.
  33. ^ House, Charles H .; Прайс, Раймонд Л. (2009). Феномен HP: инновации и трансформация бизнеса. Stanford University Press. С. 110–1. ISBN  9780804772617.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка