Введение

Материаловедение сформировало развитие цивилизаций с самого рассвета человечества. Более совершенные материалы для инструментов и оружия позволили людям расселяться и завоевывать, а достижения в области обработки материалов, такие как производство стали и алюминия, продолжают оказывать влияние на общество и сегодня. Историки придают материалам настолько важное значение в развитии цивилизаций, что целые исторические периоды определялись преобладающим используемым материалом (каменный век, бронзовый век, железный век). На протяжении большей части истории контроль над материалами осуществлялся, в лучшем случае, посредством алхимии или эмпирических методов. Изучение и развитие химии и физики способствовали изучению материалов, и в конечном итоге междисциплинарная область материаловедения возникла в результате объединения этих дисциплин. История материаловедения – это изучение того, как различные материалы использовались и разрабатывались на протяжении истории Земли, и как эти материалы влияли на культуру народов Земли. Термин «Кремниевый век» иногда используется для обозначения современной эпохи, охватывающей конец XX – начало XXI веков.

Предыстория

Во многих случаях разные культуры оставляют свои материалы как единственные свидетельства, которые антропологи могут использовать для определения существования этих культур. Прогрессивное использование более сложных материалов позволяет археологам характеризовать и различать народы. Это отчасти связано с основным материалом, используемым в культуре, и сопутствующими ему преимуществами и недостатками. Культуры каменного века были ограничены тем, какие камни они могли найти на месте и какие могли получить посредством торговли. Использование кремня примерно 300 000 лет до н.э. иногда рассматривается как начало использования керамики. Применение полированных каменных топоров знаменует собой значительный прогресс, поскольку для изготовления орудий можно было использовать гораздо большее разнообразие пород. Изобретение плавки и литья металлов в бронзовом веке начало менять способы развития культур и их взаимодействия. Начиная примерно с 5500 г. до н.э., первые кузнецы начали перерабатывать местные металлы – медь и золото – без использования огня, применяя инструменты и оружие. Нагрев меди и ее обработка молотками начались около 5000 г. до н.э. Плавление и литье начались около 4000 г. до н.э. Металлургия зародилась с получением меди из руды около 3500 г. до н.э. Первый сплав, бронза, начал применяться примерно в 3000 г. до н.э.

Каменный век

Использование материалов началось в каменном веке. Как правило, для изготовления оружия, инструментов, украшений и жилищ использовались такие материалы, как кости, волокна, перья, ракушки, шкуры животных и глина. Самые ранние инструменты появились в эпоху палеолита, известной как олдувайская культура. Это были инструменты, изготовленные из отщепленных камней, которые использовались для собирательства и обработки добычи. По мере развития истории, в эпоху мезолита, инструменты становились более сложными и симметричными, с более острыми краями. С наступлением эпохи неолита стало развиваться сельское хозяйство, поскольку были открыты новые способы изготовления инструментов для земледелия. К концу каменного века люди начали использовать медь, золото и серебро в качестве материалов. Из-за мягкости этих металлов их основное применение было связано с церемониальными целями и созданием орнаментов или украшений, и они не заменили другие материалы при изготовлении инструментов. Простота используемых инструментов отражала ограниченное понимание мира человеком того времени.

Бронзовый век

Использование меди стало очевидным для древних цивилизаций благодаря таким её свойствам, как эластичность и пластичность, позволяющим ковать из неё изделия различной формы, а также плавить и отливать сложные фигуры. Несмотря на многочисленные преимущества, медь была слишком мягкой для широкого применения. В результате экспериментов или случайно, добавление других металлов к меди привело к увеличению твердости нового металлического сплава, получившего название бронза. Первоначально бронза состояла из меди и мышьяка, образуя мышьяковую бронзу.

Железный век

Обработка железа приобрела значительное развитие примерно с 1200 года до н.э. В 10 веке до н.э. началось производство стекла на Древнем Ближнем Востоке. В 3 веке до н.э. в Древней Индии была разработана сталь вутц, первая сталь, полученная в тигле. В 1 веке до н.э. технологии выдувания стекла расцвели в Финикии. Во 2 веке н.э. выплавка стали стала широко распространенной в Китае во времена династии Хань. В 4 веке н.э. был изготовлен Делийский железный столб, старейший сохранившийся образец коррозионностойкой стали.

Античность

Дерево, кость, камень и земля – одни из материалов, из которых возводились сооружения Римской империи. Возможность постройки определенных строений определялась особенностями ландшафта, на котором они располагались. Римляне смешивали порошок известняка, вулканический пепел с Везувия и воду для получения цементной пасты. Вулканический полуостров с каменной крошкой и конгломератами, содержащими кристаллические включения, давал материал, который по-разному реагирует на выветривание, нежели мягкие осадочные породы и ил. С изобретением цементной пасты стало возможным возводить конструкции из камней неправильной формы, а связующее вещество заполняло пустоты, создавая прочную структуру. Цемент набирает прочность в процессе гидратации, тем самым укрепляя связь со временем. После падения Западной Римской империи и возвышения Византии эти знания были в основном утрачены, за исключением католических монахов, которые могли читать латинский Витрувия и использовать бетонную пасту. Именно поэтому римский Пантеон из бетона простоял 1850 лет, а соломенные фермы в Голландии, зарисованные Рембрандтом, давно пришли в упадок. Использование асбеста как материала получило распространение в Древней Греции, особенно после того, как были обнаружены его огнезащитные свойства. Многие ученые полагают, что слово «асбест» происходит от греческого термина «сасбестос», означающего «неугасимый» или «неподдающийся тлению». Одежда для знати, скатерти и другие украшения для печей изготавливались из волокнистого материала, поскольку его можно было очищать, бросая прямо в огонь. Однако использование этого материала не было лишено недостатков: Плиний Старший отмечал связь между быстрой смертью рабов, работавших в асбестовых шахтах, и рекомендовал им использовать пузырь животного в качестве примитивного респиратора. После того как ножи из бедренных костей ранних охотников-собирателей были заменены деревянными и каменными топорами, а затем медными, бронзовыми и железными орудиями римской цивилизации, появилась возможность искать и добывать более ценные материалы. Так, средневековый ювелир Бенвенуто Челлини мог искать и защищать золото, которое ему предстояло превратить в предметы роскоши для герцогов и пап. В «Автобиографии Бенвенуто Челлини» содержится одно из первых описаний металлургического процесса. Использование пробки, недавно включенной в область материаловедения, впервые упоминается у Горация, Плиния и Плутарха. В античности она использовалась в различных областях, включая рыболовство и средства безопасности благодаря своей плавучести, для гравировки, изготовления подошв для сандалий, увеличивающих рост, для закупоривания сосудов и в качестве изолятора. Во втором веке ее также применяли для лечения облысения. В эпоху Древнего Рима стеклодувное искусство достигло расцвета, включая добавление декора и оттенков. Благодаря использованию форм они могли создавать сложные изделия, имитирующие драгоценные камни. Оконное стекло изготавливалось путем отливки в плоские глиняные формы, которые затем удалялись и очищались.

Средние века

Обнаружены протофарфоровые материалы, датируемые периодом неолита, а фрагменты этих материалов найдены на археологических раскопках, относящихся к периоду Восточной Хань в Китае. По оценкам, эти изделия обжигались при температуре от 1260 °C до 1300 °C. В VIII веке фарфор был изобретён в Китае, в эпоху династии Тан. Развитие производства фарфора в Китае привело к методическому усовершенствованию широко используемых печей, что позволило повысить качество и увеличить объёмы производства. Арабские химики и гончары в Басре (Ирак) изобрели способ остекления керамики с использованием олова. В раннем Средневековье техника изготовления окон сместилась в сторону выдувания бесцветных стеклянных шаров, которые затем расплющивались, но в позднем Средневековье методика вернулась к античным технологиям с некоторыми незначительными изменениями, включая прокатку металлическими валками. В XI веке на Ближнем Востоке была разработана дамасская сталь. В XV веке Иоганн Гутенберг разработал сплав для литья шрифтов, а Анджело Баровиер изобрел кристалл – прозрачное стекло на основе соды.

Ранний современный период

В 1540 году Ванноксио Бирингуччио опубликовал свою De la pirotechnia, первую систематическую книгу по металлургии, в 1556 году Георг Агрикола написал De Re Metallica, влиятельную книгу по металлургии и горному делу, а стеклянные линзы были разработаны в Нидерландах и впервые использованы в микроскопах и телескопах. В XVII веке в труде Галилея «Две новые науки» (сопротивление материалов и кинематика) содержатся первые количественные утверждения в науке о материалах. В XVIII веке Уильям Чемпион запатентовал процесс получения металлического цинка дистилляцией из каламина и древесного угля, Брайан Хиггинс получил патент на гидравлический цемент (штукатурку) для использования в качестве наружной отделки, а Алессандро Вольта создал гальванический элемент на основе медной или цинковой кислоты. В XIX веке Томас Иоганн Зеебек изобрел термоэлектрическую пару, Джозеф Аспин – портландцемент, Чарльз Гудьир – вулканизированную резину, Луи Дагер и Уильям Фокс Тальбот – фотопроцессы на основе серебра, Джеймс Клерк Максвелл продемонстрировал цветную фотографию, а Чарльз Фриттс создал первые солнечные элементы, используя селеновые пластины. До начала 1800-х годов алюминий не получали в виде отдельного металла. Лишь в 1825 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил способ получения элементарного алюминия путем восстановления хлорида алюминия. Поскольку алюминий – легкий элемент с хорошими механическими свойствами, его широко стремились использовать для замены более тяжелых и менее функциональных металлов, таких как серебро и золото. Наполеон III использовал алюминиевые тарелки и столовые приборы для своих почетных гостей, а остальным подавали серебряные. Однако этот процесс оставался дорогостоящим и не позволял производить металл в больших количествах. В 1886 году американец Чарльз Мартин Холл и француз Поль Эру независимо друг от друга изобрели процесс получения алюминия из оксида алюминия посредством электролиза. Этот процесс позволил 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 извлечение оксида алюминия из боксита для получения гиббсита, который затем можно было очистить обратно в сырой глинозем. Процессы Байера и Холла-Эру до сих пор используются для производства большей части мирового глинозема и алюминия.

Материаловедение как область исследований

Большинство областей знаний имеют своего основоположника, как Ньютон в физике и Лавуазье в химии. Наука о материалах, однако, не имеет центральной фигуры. В 1940-х годах междисциплинарное сотрудничество, возникшее в ходе военных разработок для достижения технологического прогресса, заложило основу для будущей области знаний, которая стала известна как материаловедение и инженерия. Во время холодной войны в 1950-х годах Научно-консультативный комитет при президенте США (PSAC) объявил материалы приоритетным направлением, осознав, что именно они являются ограничивающим фактором для развития космических и военных технологий. В 1958 году президент Дуайт Д. Эйзенхауэр создал Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA), которое с 1996 года стало известно как Агентство передовых исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA). В 1960 году ARPA стимулировала создание междисциплинарных лабораторий (IDL) на базе университетов, которые должны были быть посвящены исследованиям материалов, а также обучению студентов проведению исследований в области материаловедения. ARPA предлагала университетам 4-летние контракты на создание IDL, первоначально заключив их с Корнеллским университетом, Университетом Пенсильвании и Северо-Западным университетом, а затем предоставив еще девять контрактов. В настоящее время ARPA больше не контролирует программу IDL (Национальный научный фонд взял на себя управление программой в 1972 году).

Современная наука о материалах

В начале XX века в большинстве инженерных школ были кафедры металлургии и, возможно, керамики. Значительные усилия были направлены на изучение аустенитных, мартенситных и цементитных фаз, присутствующих в фазовой диаграмме железо-углерод, которая лежит в основе производства стали. Фундаментальное понимание других материалов было недостаточно развито для того, чтобы их можно было рассматривать как самостоятельные академические дисциплины. В послевоенный период систематическое изучение полимеров продвигалось особенно быстро. Вместо создания новых кафедр полимерной науки в инженерных школах, администраторы и ученые стали рассматривать материаловедение как новую междисциплинарную область, охватывающую все вещества, имеющие значение для инженерии, с единой точки зрения. Северо-Западный университет основал первую кафедру материаловедения в 1955 году. Ричард Э. Тресслер был международным лидером в разработке высокотемпературных материалов. Он был пионером в области испытаний и применения высокотемпературных волокон, разработке передового инструментария и методик испытаний для термоструктурных материалов, а также в проектировании и подтверждении характеристик керамики и композитов для высокотемпературных аэрокосмических, промышленных и энергетических применений. Он был директором-основателем Центра передовых материалов (CAM), который поддерживал многих преподавателей и студентов из Колледжа наук о Земле и минералах, Колледжа наук Эберли, Колледжа инженерии, Лаборатории материаловедческих исследований и Лабораторий прикладных исследований Пенсильванского университета в области высокотемпературных материалов. Его видение междисциплинарных исследований сыграло ключевую роль в создании Института материаловедческих исследований. Вклад Тресслера в материаловедение отмечается лекцией в Пенсильванском университете, названной в его честь. Общество материаловедческих исследований (MRS) сыграло важную роль в формировании идентичности и сплоченности этой молодой области в США. MRS было основано исследователями из Университета штата Пенсильвания и выросло из дискуссий, начатых профессором Рустумом Роем в 1970 году. Первая конференция MRS состоялась в 1973 году. По состоянию на 2006 год MRS превратилось в международное общество, которое проводит большое количество ежегодных конференций и насчитывает более 13 000 членов. MRS организует конференции, которые подразделяются на симпозиумы по широкому кругу тем, в отличие от более специализированных конференций, обычно проводимых такими организациями, как Американское физическое общество или IEEE. Фундаментально междисциплинарный характер конференций MRS оказал значительное влияние на развитие науки, особенно на популярность изучения мягких материалов, находящихся на стыке биологии, химии, физики, механической и электротехнической инженерии. Благодаря существованию интегративных учебников, обществ материаловедческих исследований и университетских кафедр по всему миру, программ бакалавриата, магистратуры и докторантуры, а также других показателей формирования дисциплины, справедливо считать материаловедение (и инженерию) самостоятельной дисциплиной.

Кремниевая эпоха

Область кристаллографии, где рентгеновские лучи пропускаются сквозь кристаллы твердого материала, была основана Уильямом Генри Брэггом и его сыном Уильямом Лоуренсом Брэггом в Институте физики во время и после Второй мировой войны. Наука о материалах стала крупной, устоявшейся дисциплиной после наступления Силиконовой и Информационной эпох. Это привело к разработке современных компьютеров, а затем мобильных телефонов, и потребность в уменьшении их размеров, увеличении скорости и мощности стимулировала науку о материалах к созданию более компактных и легких материалов, способных выполнять более сложные вычисления. В свою очередь, это позволило использовать компьютеры для решения сложных кристаллографических задач и автоматизации экспериментов по кристаллографии, что дало исследователям возможность разрабатывать более точные и эффективные методы. Наряду с компьютерами и кристаллографией, развитие лазерных технологий с 1960-х годов привело к созданию светодиодов (используемых в DVD-плеерах и смартфонах), волоконно-оптической связи (используемой в глобальных телекоммуникациях) и конфокальной микроскопии – ключевого инструмента в материаловедении.