Материаловедение формировало развитие цивилизаций с самого зарождения человечества. Более качественные материалы для инструментов и оружия позволили людям распространяться и завоевывать, а достижения в обработке материалов, такие как производство стали и алюминия, продолжают влиять на общество сегодня. Историки считали материалы таким важным аспектом цивилизаций, что целые периоды времени определялись преобладающим используемым материалом (каменный век, бронзовый век, железный век). На протяжении большей части зафиксированной истории контроль материалов осуществлялся с помощью алхимии или в лучшем случае эмпирическими методами. Изучение и развитие химии и физики способствовало изучению материалов, и в конечном итоге междисциплинарное изучение материаловедения возникло из слияния этих исследований. История материаловедения — это изучение того, как различные материалы использовались и развивались на протяжении истории Земли и как эти материалы влияли на культуру народов Земли. Термин «Кремниевый век» иногда используется для обозначения современного периода истории в конце 20-го — начале 21-го веков.
Предыстория
Во многих случаях разные культуры оставляют свои материалы как единственные записи; которые антропологи могут использовать для определения существования таких культур. Прогрессивное использование более сложных материалов позволяет археологам характеризовать и различать народы. Это частично связано с основным материалом, используемым в культуре, и с его связанными преимуществами и недостатками. Культуры каменного века были ограничены тем, какие камни они могли найти на месте и какие они могли приобрести путем торговли. Использование кремня около 300 000 г. до н. э. иногда считается началом использования керамики. Использование полированных каменных топоров знаменует собой значительный прогресс, потому что в качестве инструментов могло использоваться гораздо большее разнообразие камней.
Инновации в выплавке и литье металлов в бронзовом веке начали менять способ развития и взаимодействия культур. Начиная примерно с 5500 г. до н. э., ранние кузнецы начали переделывать самородные металлы меди и золота без использования огня, используя инструменты и оружие. Нагревание меди и ее формование молотами началось около 5000 г. до н. э. Плавка и литье начались около 4000 г. до н. э. Металлургия зародилась с восстановлением меди из ее руды около 3500 г. до н. э. Первый сплав, бронза, начал использоваться около 3000 г. до н. э.
Каменный век
Использование материалов началось еще в каменном веке. Обычно такие материалы, как кости, волокна, перья, панцири, шкуры животных и глина, использовались для изготовления оружия, инструментов, украшений и убежищ. Самые ранние инструменты относятся к эпохе палеолита, называемой Олдован. Это были инструменты, созданные из расколотых камней, которые использовались для сбора мусора. По мере того как история продолжалась в эпоху мезолита, инструменты становились более сложными, симметричными по конструкции и с более острыми краями. В эпоху неолита сельское хозяйство начало развиваться по мере открытия новых способов изготовления орудий земледелия. Ближе к концу каменного века люди начали использовать в качестве материала медь, золото и серебро. Из-за мягкости этих металлов их обычно использовали в церемониальных целях, а также для создания украшений и украшений, и они не заменяли другие материалы для использования в инструментах. Простота используемых инструментов отражалась на простом понимании человеческого рода того времени.
Бронзовый век
Использование меди стало очень очевидным для цивилизаций, например, ее свойства эластичности и пластичности, которые позволяют ковать ее в полезные формы, а также ее способность плавиться и отливаться в замысловатые формы. Хотя преимуществ меди было много, материал был слишком мягким, чтобы найти широкое применение. В результате экспериментов или случайно, добавки к меди привели к повышению твердости нового металлического сплава, называемого бронзой. Бронза изначально состояла из меди и мышьяка, образуя мышьяковистую бронзу.
Железный век
Обработка железа стала популярной примерно с 1200 г. до н. э. В 10 веке до н. э. на древнем Ближнем Востоке началось производство стекла. В 3 веке до н. э. в древней Индии была разработана сталь вуц — первая тигельная сталь. В 1 веке до н. э. в Финикии процветали стеклодувные технологии. Во 2 веке н. э. производство стали стало широко распространено в Китае времен династии Хань. В 4 веке н. э. была изготовлена Делийская железная колонна — старейший сохранившийся образец коррозионно-стойкой стали.
Древность
Дерево, кость, камень и земля — вот некоторые из материалов, из которых были построены сооружения Римской империи. Некоторые сооружения стали возможны благодаря характеру земли, на которой они построены. Римляне смешивали порошкообразный известняк, вулканический пепел, найденный на горе Везувий, и воду, чтобы сделать цементное тесто. Вулканический полуостров с каменными заполнителями и конгломератами, содержащими кристаллический материал, даст материал, который выветривается иначе, чем мягкие осадочные породы и ил. С открытием цементного теста сооружения можно было строить из камней неправильной формы и заполнять пустоты связующим веществом, чтобы создать прочную структуру. Цемент набирает прочность по мере гидратации, тем самым создавая более прочную связь с течением времени. С падением Западной Римской империи и возвышением Византии эти знания были в основном утеряны, за исключением католических монахов, которые были среди немногих, кто мог читать латынь Витрувия и использовать бетонное тесто. Это одна из причин, по которой бетонный Пантеон в Риме смог простоять 1850 лет, а соломенные фермерские дома в Голландии, зарисованные Рембрандтом, давно обветшали.
Использование асбеста в качестве материала приобрело расцвет в Древней Греции, особенно когда стали известны огнезащитные свойства материала. Многие ученые полагают, что слово асбест происходит от греческого термина сасбест, что означает неугасимый или неугасимый. Одежда для знати, скатерти и другие украшения для духовки изготавливались из волокнистых материалов, поскольку материалы можно было очистить, бросив их прямо в огонь. Однако использование этого материала не обошлось без недостатков: Плиний Старший отмечал связь между быстрой смертью рабов и работой на асбестовой шахте. Он рекомендовал рабам, работающим в этой среде, использовать кожу мочевого пузыря в качестве импровизированного респиратора.
После того, как кинжалы из бедренной кости ранних охотников-собирателей были заменены деревянными и каменными топорами, а затем медными, бронзовыми и железными орудиями римской цивилизации, можно было искать и собирать более ценные материалы. Так, средневековый ювелир Бенвенуто Челлини мог искать и защищать золото, которое он должен был превратить в предметы вожделения герцогов и пап. Автобиография Бенвенуто Челлини содержит одно из первых описаний металлургического процесса.
Использование пробки, которая недавно была добавлена в категорию материаловедения, впервые упоминается начиная с Горация, Плиния и Плутарха. Она имела множество применений в древности, в том числе в рыболовстве и предохранительных устройствах из-за своей плавучести, как гравировальный материал, как подошва сандалий для увеличения роста, как пробка для контейнеров и как изолятор. Во втором веке ее также использовали для лечения облысения.
В эпоху Древнего Рима выдувание стекла стало искусством, включающим добавление декора и оттенков. Они также могли создавать сложные формы благодаря использованию формы. Эта технология позволяла им имитировать драгоценные камни. Оконные стекла формировались путем литья в плоские глиняные формы, которые затем вынимались и очищались. Фактура витражного стекла происходит от текстуры, которую песчаная форма оставляла на стороне, соприкасающейся с формой.
Полимерные композиты также появились в этот период в виде дерева. К 80 г. до н. э. окаменевшая смола и кератин использовались в аксессуарах, таких как янтарь и панцирь черепахи соответственно.
В Александрии в первом веке до нашей эры выдувание стекла было развито отчасти благодаря новым печам, которые могли создавать более высокие температуры с помощью покрытой глиной тростниковой трубки. Растительная зола и натронное стекло, последнее было основным компонентом, использовались в выдувных изделиях. Прибрежные и полупустынные растения работали лучше всего из-за низкого содержания в них оксида магния и оксида калия. Левант, Северная Африка и Италия были местами, где выдувные стеклянные сосуды были наиболее распространены.
Средний возраст
Протофарфоровый материал был обнаружен еще в период неолита, его осколки были найдены в археологических памятниках периода Восточной Хань в Китае. Предполагается, что эти изделия обжигались при температуре от 1260 °C до 1300 °C. В VIII веке в Китае во времена династии Тан был изобретен фарфор. Фарфор в Китае привел к методическому развитию широко используемых печей, что повысило качество и количество производимого фарфора. Оловянная глазурь для керамики изобретена арабскими химиками и гончарами в Басре, Ирак.
В период раннего Средневековья техника создания окон больше ориентировалась на выдувание стекла из неокрашенных шаров, которые впоследствии сплющивались, но затем, в период позднего Средневековья, методология вернулась к античной, с небольшими изменениями, включавшими прокатку металлическими роликами.
В IX веке в Ираке была изобретена каменная керамика, а в Месопотамии появились люстровые изделия. В XI веке на Ближнем Востоке была разработана дамасская сталь. В XV веке Иоганн Гутенберг разработал лигатурный металлический сплав, а Анджело Баровьер изобрел кристалло — прозрачное стекло на основе соды.
Ранний современный период
В 1540 году Ваноччо Бирингуччо публикует свою работу De la pirotechnia, первую систематическую книгу по металлургии, в 1556 году Георг Агрикола пишет De Re Metallica, влиятельную книгу по металлургии и горному делу, а в Нидерландах разрабатываются стеклянные линзы, которые впервые используются в микроскопах и телескопах.
В XVII веке в труде Галилея «Две новые науки» (сопротивление материалов и кинематика) были впервые даны количественные утверждения в области материаловедения.
В XVIII веке Уильям Чемпион патентует процесс производства металлического цинка путем перегонки из каламина и древесного угля, Брайан Хиггинс получает патент на гидравлический цемент (штукатурку) для использования в качестве наружной штукатурки, а Алессандро Вольта создает медную или цинковую кислотную батарею.
В XIX веке Томас Иоганн Зеебек изобретает термопару, Джозеф Аспин изобретает портландцемент, Чарльз Гудиер изобретает вулканизированную резину, Луи Дагер и Уильям Фокс Тальбот изобретают фотографические процессы на основе серебра, Джеймс Клерк Максвелл демонстрирует цветную фотографию, а Чарльз Фриттс создает первые солнечные элементы с использованием селеновых вафель.
До начала 1800-х годов алюминий не производился как изолированный металл. Только в 1825 году Ганс Христиан Эрстед открыл способ создания элементарного алюминия путем восстановления хлорида алюминия. Поскольку алюминий является легким элементом с хорошими механическими свойствами, его широко использовали для замены более тяжелых менее функциональных металлов, таких как серебро и золото. Наполеон III использовал алюминиевые тарелки и посуду для своих почетных гостей, в то время как остальным давали серебро. Однако этот процесс все еще был дорогим и все еще не позволял производить металл в больших количествах.
В 1886 году американец Чарльз Мартин Холл и француз Поль Эру изобрели совершенно независимый друг от друга процесс получения алюминия из оксида алюминия посредством электролиза. Этот процесс позволил бы производить алюминий дешевле, чем когда-либо прежде, и заложил основу для превращения элемента из драгоценного металла в легкодоступный товар. Примерно в то же время в 1888 году Карл Йозеф Байер работал в Санкт-Петербурге, Россия, над разработкой метода получения чистого глинозема для текстильной промышленности. Этот процесс включал растворение оксида алюминия из бокситового минерала для получения гиббсита, который затем можно было очистить обратно в сырой глинозем. Процесс Байера и процесс Холла-Эру до сих пор используются для производства большей части мирового глинозема и алюминия.
Материаловедение как область изучения
У большинства областей знаний есть отец-основатель, например, Ньютон в физике и Лавуазье в химии. С другой стороны, материаловедение не имеет центральной фигуры. В 1940-х годах военное сотрудничество нескольких областей знаний для создания технологических достижений стало структурой для будущей области знаний, которая станет известна как материаловедение и инженерия. Во время холодной войны в 1950-х годах Научный консультативный комитет президента США (PSAC) сделал материалы приоритетом, когда понял, что материалы являются ограничивающим фактором для достижений в области космических и военных технологий. В 1958 году президент Дуайт Д. Эйзенхауэр создал Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA), именуемое с 1996 года Агентством перспективных исследовательских проектов обороны (DARPA). В 1960 году ARPA поощряло создание междисциплинарных лабораторий (IDL) в университетских городках, которые были бы посвящены исследованию материалов, а также обучению студентов тому, как проводить исследования в области материаловедения. ARPA предложила 4-летние контракты IDL университетам, первоначально Корнеллскому университету, Пенсильванскому университету и Северо-Западному университету, в конечном итоге предоставив еще девять контрактов. Хотя ARPA больше не контролирует программу IDL (Национальный научный фонд взял программу под свой контроль в 1972 году), первоначальное учреждение IDL ознаменовало собой значительную веху в исследованиях и разработках в области материаловедения в Соединенных Штатах. Несколько факультетов институтов изменили названия с «металлургии» на «металлургии и материаловедения» в 1960-х годах.
Современное материаловедение
В начале 20 века в большинстве инженерных школ имелись отделения металлургии и, возможно, керамики. Много усилий было затрачено на рассмотрение фаз аустенит-мартенсит-цементит, присутствующих в диаграмме состояния железо-углерод, лежащей в основе производства стали. Фундаментальное понимание других материалов не было достаточно развитым, чтобы их можно было рассматривать как академические предметы. В послевоенную эпоху систематическое изучение полимеров развивалось особенно быстро. Вместо того чтобы создавать новые кафедры полимерной науки в инженерных школах, администраторы и ученые начали воспринимать материаловедение как новую междисциплинарную область, которая рассматривает все вещества, имеющие инженерное значение, с единой точки зрения. Северо-Западный университет открыл первый факультет материаловедения в 1955 году.
Ричард Э. Тресслер был международным лидером в разработке высокотемпературных материалов. Он был пионером в области испытаний и использования высокотемпературных волокон, передовых методов измерения и испытаний для термоструктурных материалов, а также проектирования и проверки характеристик керамики и композитов в высокотемпературных аэрокосмических, промышленных и энергетических приложениях. Он был основателем и директором Центра передовых материалов (CAM), который поддерживал многих преподавателей и студентов из Колледжа наук о Земле и минералах, Научного колледжа Эберли, Инженерного колледжа, Лаборатории исследований материалов и Лабораторий прикладных исследований в Университете штата Пенсильвания по высокотемпературным материалам. Его видение междисциплинарных исследований сыграло ключевую роль в создании Института исследований материалов. Вклад Тресслера в материаловедение отмечен лекцией в Университете штата Пенсильвания, названной в его честь.
Общество исследования материалов (MRS) сыграло важную роль в создании идентичности и сплоченности этой молодой области в США. MRS было детищем исследователей из Университета штата Пенсильвания и возникло в результате дискуссий, инициированных профессором Рустумом Роем в 1970 году. Первое заседание MRS состоялось в 1973 году. По состоянию на 2006 год MRS превратилось в международное общество, спонсирующее большое количество ежегодных собраний и насчитывает более 13 000 членов. MRS спонсирует встречи, которые подразделяются на симпозиумы по широкому кругу тем, в отличие от более целенаправленных встреч, которые обычно спонсируются такими организациями, как Американское физическое общество или IEEE. Фундаментально междисциплинарный характер встреч MRS оказал сильное влияние на направление науки, особенно на популярность изучения мягких материалов, которые находятся на стыке биологии, химии, физики, механики и электротехники. Из-за существования интегративных учебников, обществ по исследованию материалов и университетских кафедр во всех частях мира, программ бакалавриата, магистратуры и докторантуры, а также других показателей формирования дисциплины, справедливо называть материаловедение (и инженерию) дисциплиной.
Кремниевый век
Область кристаллографии, где рентгеновские лучи просвечиваются через кристаллы твердого материала, была основана Уильямом Генри Брэггом и его сыном Уильямом Лоуренсом Брэггом в Институте физики во время и после Второй мировой войны. Материаловедение стало основной устоявшейся дисциплиной после наступления Кремниевого века и информационного века. Это привело к развитию современных компьютеров, а затем мобильных телефонов, с необходимостью сделать их меньше, быстрее и мощнее, что привело к материаловедению, разрабатывающему более мелкие и легкие материалы, способные справляться с более сложными вычислениями. Это, в свою очередь, позволило использовать компьютеры для решения сложных кристаллографических вычислений и автоматизации кристаллографических экспериментов, что позволило исследователям разрабатывать более точные и мощные методы. Наряду с компьютерами и кристаллографией, развитие лазерной технологии с 1960 года привело к разработке светодиодов (используемых в DVD-плеерах и смартфонах), волоконно-оптической связи (используемой в глобальных телекоммуникациях) и конфокальной микроскопии, ключевого инструмента в материаловедении.