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材料的发展历程

2015-2-11 10:00:53      点击:
所谓材料,是指人类利用化合物的某些功能来制作物件时所用到的化学物质。材料对人类社会的发展贡献巨大,它是人类赖以生存和发展的重要物质基础。没有半导体材料,就不可能有目前的计算机技术;没有耐高温、高强度的特殊结构材料,就不可能有今天的宇航技术;没有光导纤维,就不会出现光信息的长距离传输,也就不可能有现代的光通讯;没有有机高分子材料,人类的生活就不可能像今天这样丰富多彩。因此,从一定意义上讲,没有新材料的发展,就不可能使新的科学技术转化为现实生产力。
    材料的发明和开发使用,极大地促进了人类社会的进步,是人类社会文明的重要标志之一。人类社会的发展历史,也可以说是一部材料科学和技术的发展史,材料代表着生产力的发展水平,历史上的石器时代、瓷器时代、青铜器时代、铁器时代等,就是以材料作为标志来命名的。
当今国际社会普遍认为,能源、信息和材料是国民经济发展的三大支柱产业。可以相信,材料科学和材料技术的发展和突破,必将为人类社会发展作出更大的贡献,把人类文明推向更高的层次。
【基本素材】
1.石器
铸石衬板
图(1)铸石耐磨材料
    在几百万年以前,人类过着极其简单的原始生活。生存是当时人们的最主要任务。要生存,就必须获得食物,野果和野兽是当时的主要食物。要想获得这些食物,尤其是杀死野兽获得野兽肉,需要一些狩猎工具。天然的石、木、竹、骨等材料,都是当时的狩猎工具,而天然的石头是其中的主要工具。天然的石头或对这些石头经过简单处理(如碎石或打磨)而得到的石器,是人类最早开发和使用的材料。正是这些石器为原始人的狩猎和生存提供了基本工具。图8—1展示了元谋人使用的炭屑石器。
2.陶器和瓷器
    公元前6000年,人类发明了火,掌握了钻木取火的技术。在长期使用火的过程中,人们逐渐发现火堆四周的泥土特别坚硬,泡在水里也不松散。于是,人们开始尝试往用藤条、竹枝编的容器上涂上粘土,并用火灼烧,从而制得了贮放和焖煮食物的容器。这就是最原始的粗陶器。

图(2)陶瓷耐磨材料
    粘土的主要成分是Si02,还有MgO、CaC03和A1203。它们的熔点都不很高,在大约 900℃时,会发生化学反应,生成CaC03和 A12(Si03)3,并融合在一起,形成坚硬的陶。
    陶器的发明对人类有着重大的意义。它使人类可以吃煮熟的食物;可以储存谷物和水;陶制的纺轮等工具,改善了生产条件;陶制的坩埚成为冶炼金属的必备设备,从而使铜器时代的到来成为可能。图8—2展示了西安半坡遗址出土的人面鱼纹彩陶盆。
后来,古人又发明了在陶器上“上釉”,即把长石、石英、石灰石、硼砂等含Si、Ca、Na等元素的原料研磨成粉末,浸透在陶器的土坯上,再在窑里煅烧,就得到了“彩陶”。西安发掘的秦兵马俑就是彩陶制品。汉朝的“琉璃瓦”、唐朝的“唐三彩”等都是彩陶制品。
    用含Si02较高的更纯净的粘土——高岭土为基本原料,我们的祖先又制作了硬度更大、吸水率低、精致光亮的瓷器。今天广泛使用的餐具、茶具等,很多仍是瓷器,其中不乏精美绝伦的艺术糊随着瓷器流传到世界各地,瓷器倾倒了无数洋人,瓷器(英译名为China)成了中华民族文化的象征之一,对世界文化产生了深远影响。瓷作为绝缘材料,被广泛应用于电气工业;作为防腐材料,用于化学工业等。 
    3.青铜器
人们在大量烧制陶瓷的实践中,熟练地掌握了高温加工技捌利用这种技术来烧炼矿石,逐渐冶炼出铜及其合金——青铜。可以说,这是人类社会最早出现的金属材料。青铜的熔点比铜低,冶炼、浇铸所需的温度较低,最主要的是青铜比纯铜的硬度大,可明制造兵器和各种工具,因此,得到了广泛的应用。自此,人类社会从石器时代进入“青铜器时代”。我国古代的镜子,就是用青铜制作的,故有“以铜为鉴”的说法。青铜耐磨,现代用它做轴承的材料。
青铜是铜和锡的合金。铜和锡的比值不同,则青铜的性质一有所不同,用途也不尽相同。据《考工记》记载“金有六齐,六分其金锡居一,谓之钟鼎之齐;五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐;金锡半,谓之鉴燧之齐。”(鉴:镜子;燧:凹反射镜,把日光集中用来点火的用具。)图8—3展示了中国古代的一些青铜器器物。
4.铁器
    人类最早使用的铁,源于天外来客——陨石。铁陨石的铁含量可高达90%以上。最早的铁器都是用陨铁打造的。我国曾在3500年前的商代墓穴中发现过一种兵器,兵器刃口的铁就来自陨铁。陨铁虽好,但数量却极其有限。地球上的铁多于铜,但为什么铁器时代落后于铜器时代呢?最关键的是炼铁比炼铜更难一些。
    最初,人们是用与炼铜差不多的方法来炼铁,将矿石和木炭一层夹一层地放在炉膛中加热,也就是利用高温和木炭不完全燃烧所产生的一氧化碳对铁矿石进行还原反应。由于炉内温度不高,炼出来的不是铁水,而是半熔状态的铁块,含有较多的Si、S等杂质,含碳量低,因而很软,这种“块炼铁”用途不大。
    后来,人们发现若将这种“块炼铁”反复在炭火中加热,并用大锤锻打,就可制得较硬的铁。这是由于炭火中加热和锻打可使含碳量增加,并减少了si、s、P等杂质,这实际上就是钢。如果再将打成的物件加热后,突然放进冷水“淬火”,则更能提高它的硬度。这是一种能改变铁的晶体结构的热处理方法。
    为了提高铁的硬度,人们将炼铁炉修得高大了,并发明了各种鼓风设备,使炉内温度大大提高,可炼得铁水。利用翻砂制模的办法,可以浇铸出各种铁器。考古工作者曾在河南辉县发掘出战国时代墓穴中的铁犁、铁斧等90余件,说明在3000年前,我国已会冶炼铸铁了。
铸铁制品非常坚硬,很自然地取代了铜,成为生产工具和兵器的主要材料,人类也就从青铜时代迈入了“铁器时代”。在唐朝,我国铁年产量达500多万千克,到明朝高达4 500万千克以上,居世界第一。
5.合成高分子材料

图(3)高分子托辊
    随着科学技术的不断发展,人类又迈入了一个崭新的时代——高分子时代。不论是石器、瓷器、铜器还是铁器,制造它们所用的材料基本都是天然材料。而今,材料已经同能源、信息并列为
当代科学技术的三大基础。在开发天然材料的同时,也在大力开发合成材料。
    合成高分子材料,主要有塑料、合成纤维和合成橡胶,此外还有涂料和胶粘剂等。这类材料有较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等优异的性能,发展速度较快,已部分地取代了金属材料。在聚合物中,聚对亚苯基对苯二甲酰胺的强度已超过钢铁。这种聚合物最有价值的地方,在于它的强度/质量比很大,是钢铁的6倍多。这种聚合物可用于制造巨型飞机的尾翼部分,也可用于制造防弹背心。
合成高分子材料的问世是材料科学技术发展中的重大突破,从此以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体,建立了相对完整的材料体系,形成了材料科学。
【教学价值】
通过本素材的学习,可以使学生认识到材料对于人类社会生产、生活的重要性,感受化学科学的发展对改善个人生活和促进社会进步的积极作用。从某种意义上说,化学材料的发展是化学科学发展的一个缩影,因此,通过对不同时期化学材料发展过程的了解,还可使学生对化学科学发展的进程有所认识。
【使用建议】
    “从石器、瓷器、青铜器、铁器到合成高分子材料”是“化学与社会发展”主题中的学习情景素材。教师在化学教学中要尽可能通过实物、图片、录像等多种手段,向学生展示各种材料;可以就材料发展的历史安排一次讲座,使学生了解材料的演变过程和发展方向;此外,还可以通过一些具体的活动来认识和了解一些材料,如收集一些日常生活中常用的高分子材料用品(如尿不湿、不粘锅的内膜)等等。