Historia materiałoznawstwa - History of materials science

Nauka o materiałach kształtowała rozwój cywilizacji od zarania ludzkości. Lepsze materiały na narzędzia i broń pozwoliły ludzkości rozprzestrzeniać się i podbijać, a postępy w obróbce materiałów, takie jak produkcja stali i aluminium, nadal mają wpływ na dzisiejsze społeczeństwo. Historycy uważali materiały za tak ważny aspekt cywilizacji, że całe okresy czasu były definiowane przez dominujący używany materiał ( epoka kamienia , epoka brązu , epoka żelaza ). Przez większość zapisanej historii kontrola materiałów odbywała się w najlepszym razie za pomocą alchemii lub środków empirycznych. Badania i rozwój chemii i fizyki pomogły w badaniu materiałów i ostatecznie z połączenia tych badań wyłoniło się interdyscyplinarne badanie materiałoznawstwa. Historia inżynierii materiałowej jest badanie, jak różne materiały zostały wykorzystane i rozwinięte przez historię Ziemi i jak materiały te wpłynęły na kulturę narodów Ziemi. Termin „ epoka krzemu ” jest czasami używany w odniesieniu do współczesnego okresu historii od końca XX do początku XXI wieku.

Pre-historia

Topór krzemienny o długości około 31 cm.

W wielu przypadkach różne kultury pozostawiają swoje materiały jako jedyne zapisy; które antropolodzy mogą wykorzystać do określenia istnienia takich kultur. Stopniowe stosowanie coraz bardziej wyrafinowanych materiałów pozwala archeologom scharakteryzować i rozróżnić narody. Wynika to częściowo z głównego materiału używanego w kulturze i związanych z nim zalet i wad. Kultury epoki kamiennej były ograniczone przez to, jakie skały mogły znaleźć lokalnie i dzięki którym można je było nabyć poprzez handel. Użycie krzemienia około 300 tys. p.n.e. uważane jest czasem za początek zastosowania ceramiki . Zastosowanie polerowanych kamiennych siekier oznacza znaczny postęp, ponieważ znacznie szersza różnorodność skał może służyć jako narzędzia.

Miecz z późnej epoki brązu - lub ostrze sztyletu.

Innowacja wytapiania i odlewania metali w epoce brązu zaczęła zmieniać sposób, w jaki kultury rozwijały się i współdziałały ze sobą. Począwszy od około 5500 p.n.e., pierwsi kowale zaczęli przekształcać rodzime metale z miedzi i złota , bez użycia ognia oraz przy użyciu narzędzi i broni. Ogrzewanie miedzi i jej kształtowanie młotami rozpoczęło się około 5000 lat p.n.e. Topienie i odlewanie rozpoczęły się około 4000 lat p.n.e. Metalurgia miała swój początek wraz z redukcją miedzi z jej rudy około 3500 p.n.e. Pierwszy stop , brąz, wszedł do użytku około 3000 roku p.n.e.

Era kamienia łupanego

Wykorzystanie materiałów rozpoczęło się w epoce kamienia. Zazwyczaj materiały takie jak kości, włókna, pióra, muszle, skóra zwierzęca i glina były używane do produkcji broni, narzędzi, biżuterii i schronienia. Najwcześniejsze narzędzia były w epoce paleolitu, zwanej olduwańską . Były to narzędzia stworzone z rozdrobnionych skał, które miały być używane do celów oczyszczania. Wraz z postępem historii w epoce mezolitu, narzędzia stały się bardziej złożone i symetryczne w konstrukcji z ostrzejszymi krawędziami. Przechodząc w epokę neolitu, rolnictwo zaczęło się rozwijać, ponieważ odkryto nowe narzędzia do uprawy. Pod koniec epoki kamienia ludzie zaczęli używać miedzi, złota i srebra jako materiału. Ze względu na miękkość tych metali, powszechne zastosowanie służyło do celów obrzędowych oraz do tworzenia ozdób lub dekoracji i nie zastępowało innych materiałów stosowanych w narzędziach. Prostota użytych narzędzi odbijała się na prostym zrozumieniu ówczesnego gatunku ludzkiego.

Epoka brązu

Wykorzystanie miedzi stało się bardzo oczywiste dla cywilizacji, takie jak jej właściwości elastyczności i plastyczności, które umożliwiają wykuwanie jej w użyteczne kształty, a także zdolność do topienia i wlewania w skomplikowane kształty. Chociaż zalet miedzi było wiele, materiał był zbyt miękki, aby znaleźć przydatność na dużą skalę. Poprzez eksperymenty lub przez przypadek, dodatki do miedzi prowadzą do zwiększenia twardości nowego stopu metalu, zwanego brązem. Brąz pierwotnie składał się z miedzi i arsenu, tworząc brąz arsenowy.

Epoka żelaza

Obróbka żelaza zyskała na znaczeniu od około 1200 roku p.n.e. W X wieku p.n.e. produkcja szkła rozpoczęła się na starożytnym Bliskim Wschodzie . W 3. wieku pne, ludzie w starożytnych Indiach opracowane wootz stali , pierwszy tyglem stalowym . W I wieku p.n.e. rozkwitły w Fenicji techniki dmuchania szkła . W II wieku produkcja stali CE stała się powszechna w Chinach z czasów dynastii Han . W IV wieku n.e. wyprodukowano żelazny filar Delhi , najstarszy zachowany przykład stali odpornej na korozję.

Antyk

Panteon w Rzymie .

Drewno , kość , kamień i ziemia to tylko niektóre z materiałów, które uformowały struktury Cesarstwa Rzymskiego . Niektóre konstrukcje były możliwe dzięki charakterowi terenu, na którym te konstrukcje zostały zbudowane. Rzymianie mieszali sproszkowany wapień, popiół wulkaniczny znaleziony na Wezuwiuszu i wodę, aby uzyskać zaczyn cementowy. Półwysep wulkaniczny z kruszywami kamiennymi i konglomeratami zawierającymi materiał krystaliczny wytworzy materiał, który wietrze inaczej niż miękkie skały osadowe i muł. Wraz z odkryciem zaczynu cementowego można było budować struktury z kamieni o nieregularnych kształtach, a spoiwo wypełniało puste przestrzenie, aby stworzyć solidną strukturę. Cement zyskuje na sile, gdy się nawadnia , tworząc z czasem silniejsze wiązanie. Wraz z upadkiem zachodniego cesarstwa rzymskiego i powstaniem Bizan , wiedza ta została w większości utracona, z wyjątkiem katolickich mnichów, którzy byli jednymi z nielicznych, którzy potrafili czytać łacinę Witruwiusza i korzystać z zaczynu betonowego. To jest jeden z powodów, że beton Panteon od Rzymu może trwać 1850 lat, a dlaczego strzechą zabudowania z Holandii naszkicowany przez Rembrandta już dawno zepsute.

Zastosowanie azbestu jako materiału rozkwitło w starożytnej Grecji , zwłaszcza gdy wyszły na jaw właściwości ognioodporne materiału. Wielu uczonych uważa, że ​​słowo azbest pochodzi od greckiego terminu sasbestos, oznaczającego nieugaszony lub nieugaszony. Ubrania dla szlachty, obrusy i inne ozdoby do pieca były ozdobione splotem materiałów włóknistych, które można było czyścić, wrzucając je bezpośrednio do ognia. Wykorzystanie tego materiału nie obyło się jednak bez wad, Pliniusz Starszy zauważył związek między szybką śmiercią niewolników pracujących w kopalni azbestu. Zalecił, aby niewolnicy pracujący w tym środowisku używali skóry gaduła jako prowizorycznego respiratora .

Po tym, jak sztylety z kości udowych wczesnych łowców-zbieraczy zostały zastąpione drewnianymi i kamiennymi toporami, a następnie miedzianymi , brązowymi i żelaznymi narzędziami cywilizacji rzymskiej, można było szukać i gromadzić więcej cennych materiałów. W ten sposób średniowieczny złotnik Benvenuto Cellini mógł szukać i bronić złota, które musiał zamienić na przedmioty pożądania książąt i papieży . Autobiografia Benvenuto Celliniego zawiera jeden z pierwszych opisów procesu metalurgicznego.

O zastosowaniu korka , który niedawno został dodany do kategorii materiałoznawstwa, pojawiły się pierwsze wzmianki począwszy od Horacego , Pliniusza i Plutarcha . Miał wiele zastosowań w starożytności, w tym w urządzeniach wędkarskich i zabezpieczających, ze względu na swoją wyporność, środek do grawerowania, podeszwy do sandałów zwiększające wzrost, zatyczki do pojemników i izolację. Był również używany do leczenia łysienia w II wieku.

W epoce starożytnego Rzymu dmuchanie szkła stało się sztuką polegającą na dodawaniu dekorów i odcieni. Byli również w stanie tworzyć skomplikowane kształty dzięki zastosowaniu formy. Technologia ta pozwoliła na naśladowanie kamieni szlachetnych. Szkło okienne formowano przez odlewanie do płaskich glinianych form, a następnie usuwano i czyszczono. Tekstura w witrażu pochodzi od tekstury formy piaskowej pozostawionej po stronie w kontakcie z formą.

W tym czasie pojawiły się również kompozyty polimerowe w postaci drewna . Do roku 80 pne skamieniała żywica i keratyna były używane w akcesoriach odpowiednio jako bursztyn i skorupa żółwia.

W Aleksandrii w I wieku pne dmuchanie szkła rozwinęło się po części dzięki nowym piecom, które mogły wytwarzać wyższe temperatury przy użyciu pokrytej gliną rury trzcinowej. W dmuchanych kawałkach użyto popiołu roślinnego i szkła natronowego, które jest głównym składnikiem. Rośliny przybrzeżne i półpustynne działały najlepiej ze względu na niską zawartość tlenku magnezu i tlenku potasu . Levant , Afryce Północnej , a Włochy były gdzie blown naczynia szklane były najczęściej.

Średniowiecze

Odkryto materiał z protoporcelany, datowany na okres neolitu, a odłamki materiału znaleziono na stanowiskach archeologicznych z okresu Wschodniej Han w Chinach. Szacuje się, że wyroby te zostały wypalone w temperaturze od 1260°C do 1300°C. W VIII wieku porcelana została wynaleziona w dynastii Tang w Chinach. Porcelana w Chinach zaowocowała metodycznym rozwojem powszechnie stosowanych pieców, które podniosły jakość i ilość, jaką można było produkować porcelanę. Tin-szkliwienia ceramiki jest wynaleziony przez chemików arabskimi i garncarzy w Basrze , Irak .

We wczesnym średniowieczu technika tworzenia okien skierowała się bardziej w kierunku nieprzyciemnianych kulek dmuchających szkło, które później zostały spłaszczone, ale później w późnym średniowieczu; metodologia powróciła do starożytności z kilkoma drobnymi korektami, które obejmowały walcowanie metalowymi wałkami.

W 9 wieku, ceramika stonepaste zostały wynalezione w Iraku , a lustreware pojawił się w Mezopotamii . W XI wieku na Bliskim Wschodzie rozwija się stal damasceńska . W XV wieku Johann Gutenberg opracowuje typ stopu metali , a Angelo Barovier wynajduje cristallo , przezroczyste szkło sodowe.

Okres nowożytny

W 1540 Vannoccio Biringuccio publikuje swoją De la pirotechnia , pierwszą systematyczną książkę o metalurgii , w 1556 Georg Agricola pisze De Re Metallica , wpływową książkę o metalurgii i górnictwie , a szklane soczewki są opracowywane w Holandii i używane po raz pierwszy w mikroskopy i teleskopy .

W 17 wieku, Galileo „s dwóch nowych Sciences ( wytrzymałość materiałów i kinematyki ) obejmuje pierwsze sprawozdanie ilościowe w nauce o materiałach.

W XVIII wieku William Champion opatentował proces produkcji metalicznego cynku przez destylację z kalaminy i węgla drzewnego, Bryan Higgins uzyskał patent na cement hydrauliczny ( stiuk ) do stosowania jako tynk zewnętrzny , a Alessandro Volta produkuje miedź lub cynk. akumulator kwasowy .

W XIX wieku Thomas Johann Seebeck wynalazł termoparę , Joseph Aspin wynalazł cement portlandzki , Charles Goodyear wynalazł wulkanizowaną gumę , Louis Daguerre i William Fox Talbot wynaleźli procesy fotograficzne oparte na srebrze , James Clerk Maxwell demonstrował fotografię kolorową, a Charles Fritts robił pierwszy ogniwa słoneczne wykorzystujące wafle selenowe .

Przed początkiem XIX wieku aluminium nie było produkowane jako izolowany metal. Dopiero w 1825 roku; Hans Christian Ørsted odkrył, jak tworzyć pierwiastkowe aluminium poprzez redukcję chlorku glinu. Ponieważ aluminium jest lekkim pierwiastkiem o dobrych właściwościach mechanicznych, powszechnie poszukiwano zastąpienia cięższych, mniej funkcjonalnych metali, takich jak srebro i złoto. Napoleon III użył aluminiowych płyt i naczyń dla swoich honorowych gości, a reszta otrzymała srebro. Jednak proces ten był nadal kosztowny i nadal nie był w stanie wyprodukować metalu w dużych ilościach.

W 1886 roku Amerykanin Charles Martin Hall i Francuz Paul Héroult wynaleźli całkowicie niezależny od siebie proces wytwarzania aluminium z tlenku glinu za pomocą elektrolizy. Ten proces umożliwiłby wytwarzanie aluminium taniej niż kiedykolwiek wcześniej i położył podwaliny pod przekształcenie pierwiastka z metalu szlachetnego w łatwo dostępny towar. Mniej więcej w tym samym czasie w 1888 roku Carl Josef Bayer pracował w Sankt Petersburgu w Rosji nad opracowaniem metody wytwarzania czystego tlenku glinu dla przemysłu tekstylnego. Proces ten obejmował rozpuszczenie tlenku glinu z minerału boksytu w celu wytworzenia gibsytu, który można następnie oczyścić z powrotem do surowego tlenku glinu. Proces Bayera i proces Halla-Héroulta są nadal używane do produkcji większości światowego tlenku glinu i aluminium.

Materiałoznawstwo jako kierunek studiów

Większość kierunków studiów ma ojca założyciela, takiego jak Newton w fizyce i Lavoisier w chemii. Z drugiej strony, materiałoznawstwo nie ma centralnej postaci, która zainicjowałaby badania nad materiałami w ruchu. W latach 40. XX wieku współpraca wielu dziedzin nauki w czasie wojny w celu osiągnięcia postępu technologicznego stała się strukturą przyszłej dziedziny nauki, która stanie się znana jako materiałoznawstwo i inżynieria. Podczas zimnej wojny w latach 50. XX wieku amerykański Komitet Doradczy ds. Nauki (PSAC) nadał materiałom priorytet, gdy zdał sobie sprawę, że materiały są czynnikiem ograniczającym postęp w kosmosie i technologii wojskowej. Departament Obrony podpisał umowę z pięcioma uniwersytetami (Harvard, MIT, Brown, Stanford i Chicago) zapewniając ponad 13 milionów dolarów na badania materiałowe. W latach sześćdziesiątych kilka wydziałów instytucji zmieniło tytuły z „metalurgii” na „metalurgia i materiałoznawstwo”.

Nowoczesna materiałoznawstwo

Na początku XX wieku większość szkół inżynierskich miała wydział metalurgiczny i być może także ceramiczny . Wiele wysiłku włożono w uwzględnienie faz austenit - martenzyt - cementyt występujących na schemacie fazowym żelazo-węgiel, który stanowi podstawę produkcji stali . Podstawowe rozumienie innych materiałów nie było wystarczająco zaawansowane, aby można je było uznać za przedmioty akademickie. W epoce powojennej systematyczne badania polimerów rozwijały się szczególnie szybko. Zamiast tworzyć nowe wydziały nauk o polimerach w szkołach inżynierskich, administratorzy i naukowcy zaczęli postrzegać materiałoznawstwo jako nową, interdyscyplinarną dziedzinę, która uwzględniała wszystkie substancje o znaczeniu inżynieryjnym z jednolitego punktu widzenia. Northwestern University ustanowił pierwszy wydział inżynierii materiałowej w 1955 roku.

Richard E. Tressler był międzynarodowym liderem w rozwoju materiałów wysokotemperaturowych. Był pionierem w zakresie testowania i stosowania włókien wysokotemperaturowych, zaawansowanego oprzyrządowania i metodologii testowania materiałów termostrukturalnych oraz projektowania i weryfikacji wydajności ceramiki i kompozytów w wysokotemperaturowych zastosowaniach lotniczych, przemysłowych i energetycznych. Był dyrektorem założycielem Centrum Zaawansowanych Materiałów (CAM), które wspierało wielu wykładowców i studentów z College of Earth and Mineral Science, Eberly College of Science, College of Engineering, Materials Research Laboratory i Applied Research Laboratories przy Penn State na materiałach wysokotemperaturowych. Jego wizja badań interdyscyplinarnych odegrała kluczową rolę w powstaniu Instytutu Badań Materiałowych. Wkład Tresslera w materiałoznawstwo jest uczczony wykładem Penn State nazwanym na jego cześć.

Materials Research Society (MRS) odgrywa zasadniczą rolę w tworzeniu tożsamości i spójności dla tej młodej dziedzinie. MRS był pomysłem badaczy z Penn State University i wyrósł z dyskusji zainicjowanych przez prof. Rustum Roy w 1970 roku. Pierwsze spotkanie MRS odbyło się w 1973 roku. corocznych spotkań i liczy ponad 13 000 członków. MRS sponsoruje spotkania, które są podzielone na sympozja na wiele różnych tematów, w przeciwieństwie do bardziej ukierunkowanych spotkań, zwykle sponsorowanych przez organizacje takie jak American Physical Society lub IEEE . Zasadniczo interdyscyplinarny charakter spotkań MRS wywarł silny wpływ na kierunek nauki, w szczególności na popularność badań materiałów miękkich , które stanowią splot biologii, chemii, fizyki oraz inżynierii mechanicznej i elektrycznej. Ze względu na istnienie we wszystkich częściach świata podręczników integracyjnych, towarzystw badań materiałowych i katedr uniwersyteckich, programów licencjackich, magisterskich i doktoranckich oraz innych wskaźników kształtowania się dyscypliny, słusznie można nazwać materiałoznawstwo (i inżynierię) dyscypliną.

W 1958 r. prezydent Dwight D. Eisenhower utworzył Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych (ARPA), od 1996 r. zwaną Agencją Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA). W 1960 r. ARPA zachęcała do tworzenia interdyscyplinarnych laboratoriów (IDL) na kampusach uniwersyteckich, która byłaby poświęcona badaniom materiałowym, a także edukacji studentów w zakresie prowadzenia badań materiałoznawczych. ARPA oferowała czteroletnie kontrakty IDL uniwersytetom, początkowo Cornell University , University of Pennsylvania i Northwestern University , ostatecznie przyznając dziewięć kolejnych kontraktów. Chociaż ARPA nie kontroluje już programu IDL ( Narodowa Fundacja Nauki przejęła program w 1972 r.), pierwotne ustanowienie IDL było znaczącym kamieniem milowym w badaniach i rozwoju materiałoznawstwa w Stanach Zjednoczonych .

Epoka krzemu

Dalsze informacje: Epoka krzemu

Dziedzina krystalografii , w której promienie rentgenowskie przebijają kryształy materiału stałego, została założona przez Williama Henry'ego Bragga i jego syna Williama Lawrence'a Bragga w Instytucie Fizyki podczas i po II wojnie światowej . Nauka o materiałach stała się główną, ustaloną dyscypliną po nastaniu epoki krzemu i epoki informacyjnej , która rozpoczęła się wraz z wynalezieniem tranzystora polowego z efektem metalowo-krzemowym (MOSFET) przez Mohameda M. Atallę w Bell Labs w 1959 roku. nowoczesnych komputerów, a następnie telefonów komórkowych , z koniecznością ich zmniejszenia, szybszego i wydajniejszego, co doprowadziło do opracowania w materiałoznawstwie mniejszych i lżejszych materiałów zdolnych do wykonywania bardziej złożonych obliczeń. To z kolei umożliwiło wykorzystanie komputerów do rozwiązywania złożonych obliczeń krystalograficznych i automatyzacji eksperymentów krystalograficznych, umożliwiając naukowcom projektowanie dokładniejszych i bardziej zaawansowanych technik. Wraz z komputerami i krystalografią rozwój technologii laserowej od 1960 r. doprowadził do rozwoju diod elektroluminescencyjnych (stosowanych w odtwarzaczach DVD i smartfonach ), komunikacji światłowodowej (stosowanej w światowej telekomunikacji ) oraz mikroskopii konfokalnej , będącej kluczowym narzędziem w materiałoznawstwie.

Mohamed Atalla w Hewlett-Packard (HP) Semiconductor Lab w latach 60. uruchomił program badań materiałoznawczych, który zapewnił podstawową technologię dla urządzeń z arsenku galu (GaAs), fosforku arsenku galu (GaAsP) i arsenku indu (InAs). Urządzenia te stały się podstawową technologią wykorzystywaną przez dział mikrofalowy firmy HP do opracowywania zamiatarek i analizatorów sieci, które podnoszą częstotliwość od 20 do 40 GHz, zapewniając firmie HP ponad 90% rynku łączności wojskowej .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki