分享：工业革命与材料技术

工业革命是指在人类社会工业化过程中以机器取代人力的技术变革运动，其间技术革命的成果转变成了可用于工业生产的先进设备和理念。这不仅使得人工有限的劳动能力得以大规模地被机器取代，而且把劳动能力扩张到以往无法实现的范围。其间，大规模的工业化生产逐步取代了手工作坊式的传统生产模式。第一次工业革命起源于18世纪中期的英国，也称为英国工业革命，革命的成果主要是用机器取代和扩张了人的简单体力劳动。第二次工业革命起源于19世纪中期的欧洲，并蔓延到美国，革命的成果主要是用机器广泛、大规模、高效地取代和扩张人的复杂体力劳动。第三次工业革命起源于20世纪70年代的美国，革命的成果主要是用机器取代和扩张人的简单脑力劳动。第四次工业革命于21世纪初由德国率先提出，革命的目标是用机器取代和扩张人的智力劳动。历次工业革命过程都涉及大量使用各种新型的工程材料。材料作为制造有用物件的物质，也是支撑工业革命的物质基础。因此，材料技术的进步对工业革命的发生和发展都发挥着至关重要的作用[1−2]。

1.   第一次工业革命与传统铁器的发展

自18世纪中期开始，英国连续发明出了各类新型机械装置。1733年英国机械师约翰·凯伊发明飞梭，使得织布的速度和效率显著提高，但随即导致纺纱的速度无法满足快速织布机械对大量纱线的需求。1764年英国织工兼木工詹姆斯·哈格里夫斯发明了手摇纺纱机，即珍妮纺纱机，能同时纺16~18个纱锭，提高工效15倍。1769年英国理发师兼钟表匠理查德·阿克莱特发明了水力纺纱机，以水力取代人力来驱动纺纱机。这样，工业生产的运转开始从手工转变为由水力驱动的大机器操作，且可使生产规模明显扩大，自此英国以纺织业为起点拉开了工业革命的帷幕[3]。1779年英国青年工人赛米尔·克隆普顿发明了缪尔纺纱机，能同时运转300~400个纱锭以便纺出精细而结实的纱线，1785年英国工程师埃地蒙特·卡特莱特制造出了水力织布机，使织布效率提高了40倍。1791年英国建立第一个机械化织布厂。随后纺织工业各个生产工序都转向机械化操作，先后发明了净棉机、梳棉机、漂白机、整染机等各种机械，使棉纺织工业实现了系统性的机械化生产。

各种机器的制造依赖于当时人们在开拓进取精神推动下不断取得的创新性突破，技术发明不断涌现。图1显示了18世纪期间英国对纺织业发明专利数目的不完全统计[4−5]；可以看出，随着工业革命的发展人们在技术创新方面的热潮日益高涨。1769年苏格兰格拉斯哥大学机械师詹姆斯·瓦特总结了前人的经验，经多次试验制成了第一台单动式蒸汽机；后经改进于1782年制成了联动式蒸汽机。由此人类全面进入了近代以机器大规模取代人力的蒸汽时代，蒸汽机的发明也成为了英国工业革命的重要标志。蒸汽机可以为各种机械设备提供动力，其推广应用促进了英国各个工业部门的机械化改造。用蒸汽机取代水力驱动纺纱机和织布机，可使纺织工厂摆脱对河边水力的依赖，促进了纺织机械化生产的推广和普及。1784年英国建立了第一座蒸汽纺纱厂，随后出现了蒸汽机驱动的冶金蒸汽鼓风机、采矿用蒸汽排水机、蒸汽火车、蒸汽轮船等，还有诸如辗压机、凿井机、曳运机、蒸汽锤、金属加工车床等。到1825年英国已有蒸汽机1.5万台、总共37.5万匹马力[3]。到19世纪初期已经具备用机器制造机器的能力，并实现了不仅向其它地方出口工业产品，而且出口用于工业生产的机器。

英国工业革命需要制造大量机器以满足工业生产和出口需求。当时的机器大多由铁器制造，需消费大量优质铁器，由此也推动了英国冶铁、制铁业的快速发展。1720—1740年间英国的铁器年产量不超过2万t，而1788年的产量就增加到6.8万t、1806年达到26万t， 1839年猛增到134.7万t[6]。此时铁的产量虽然增加，但其生产方式仍基于传统技术，并未发生革命性改进。

2.   第二次工业革命与现代钢铁材料

在英国工业革命取得巨大成功的推动下，自19世纪中期以来欧美各国不断涌现出多种多样的革命性技术发明，由此推动了第二次工业革命。在蒸汽机的基础上，1884年英国查尔斯·帕森斯发明蒸汽轮机[7]。在燃气动力方面，1860年法国勒努瓦制造出实用煤气机[8]；德国的发明家和工程师们在汽车技术的发展上做出了巨大贡献。1876年奥托创制四冲程内燃机、1883年戴姆勒创制汽油机、1897年狄塞尔研制出柴油机[9]，1886年卡尔·本茨发明了内燃机汽车[10]。在电力方面，1866年德国西门子制成直流发电机[11]，1873年比利时齐纳布·格拉姆展示了他的实用直流电动机[12]，1886年美国威斯汀豪斯公司开始制造交流发电机，1888年塞尔维亚尼古拉·特斯拉发明了交流电动机[10]。在化学方面，1863年瑞典科学家阿尔弗莱德·诺贝尔获得安全炸药的专利，其炸药的威力极大[13]。欧美的这些技术发明很多涉及产生燃气动力或电气动力的机器借以驱动其它各类工业机器，由此推动了多种机器制造业的发展以及欧美的全面工业化进程，使得机器开始广泛、大规模、高效地取代和扩张人的复杂体力劳动。欧美各国新技术竞相涌现、互相促进，极大地推进了工业革命进程。然而，英国工业革命时期使用的冶铁技术存在批量小、生产效率低、价格较高、性能有限等缺点，尤其是质量不稳定，即每批铁器的技术质量会有所差异，不能满足第二次工业革命期间涌现出的大量新型机器在性能水平和经济效益方面更高的需求。由此对冶金技术的改进提出了新的挑战，并催生了新型冶铁技术，或称现代化炼钢技术，即以大批量、高效率、低成本、优品质的方式生产钢铁材料的技术，钢铁材料也成了推进第二次工业革命必备的物质基础。

1864年法国人马丁建造了第一个专用炼钢设备：西门子─马丁炉，也称为平炉[14]，由此欧美开始了现代化炼钢生产。1871年英、美、法、德的钢产总量达到了约75万t，1875年则快速发展到约165万t[15−16]。1879年英国开始用平炉钢建造钢结构桥梁，1889年法国政府用约7000 t平炉钢建成了324 m高的埃菲尔铁塔[2]。1856年英国人贝塞麦公布了一种转炉炼钢法，即在一个可以翻转的熔池内把空气吹入液态生铁来炼钢的高效方法；1878年英国的托马斯发明了适合欧洲铁矿石炼钢的托马斯法，并迅速在法国和德国得到推广应用[2]。1895年英、美、法、德的钢产总量超过了1000万t[15]。1879年法国人艾纳比克发明了钢筋混凝土，即水泥与砂、碎石按照一定比例经搅拌混合成混凝土，再在其内添加钢筋制成极为坚实的建筑结构，被广泛用于土木建筑工程。制作这种钢筋混凝土就需要使用大量钢材(图2)。优质钢铁材料的大规模生产有力地支撑了第二次工业革命的发展，也使欧美进入了钢铁时代。

在技术上互相促进的同时，当时西方各国已经广泛地向海外扩张，在取得工业化利益之外还在殖民地获得了大量盘剥利益[5]。尽管如此，随着经济实力的迅速增强，西方国家积极逐利的倾向不可避免地导致了各国利益的冲突，战争也变得不可避免。钢铁新技术推动的二次工业革命不仅促进了社会经济的发展，而且改变了战争的形态和规模。进入钢铁时代后，用于战争的枪炮子弹、飞机坦克、碉堡要塞等各种武器装备得以更便捷地大量使用钢铁，各国的军事能力也得到极大提高。各国的钢铁产量也对应着其应对战争的硬实力(表1)。

进入钢铁时代不久，就出现了人类历史上的两次世界大战。参见表1，紧邻第一次世界大战爆发的1913年德国产钢1700万t[17]，大致相当于英国(796万t[18])、法国(500万t[17])和俄国(479万t[19])的总和；因此德国敢于发动第一次世界大战。1917年美国对德宣战，当时美国年产钢已达4000万t[20]，美国的参战使得德国迅速落败，1918年一战结束。虽然钢铁产量并不是战争胜负的决定因素，但却有非常重要的影响。1937年日本发动全面侵华战争，中国虽全力抵抗，但实力差距过于悬殊。当时日本年产580万t钢，而中国国统区年产仅4万t钢[21]，且战端一开，中国产钢能力迅遭破坏，至1938年每年产钢不足0.1万t[22]。当时日军的炮弹甚至比中国的子弹都多，因此中国的抗战非常艰难，只能借助持久战，利用地理空间换取抗战的持续时间。1939年德国产钢2600万t，高于英(1343万t)国和法国(790万t)的总和[23]，德国借助进攻波兰在欧洲发动了第二次世界大战。法国为了防止德国的入侵借助钢筋混凝土技术(图2)斥巨资和大量钢铁于1928—1936年期间沿德法边界修筑了大量的永久性军事防御设施，包括工事、要塞、堡垒、通道等，史称马其诺防线。防线蜿蜒数百千米、纵深10 km左右，设施的钢筋混凝土顶部和墙壁厚度可高达数米，可抵挡口径400 mm以上炮弹的直接攻击。最终德军不得不避开马其诺防线，绕道法国与比利时边界的阿登地区，突袭并击败英法联军，造成其敦刻尔克大溃败，法国也不得不于第二年6月投降。1941年德国的钢产量仍超过苏联，并对苏联发动闪电战。同年底，年产684万t钢的日本贸然偷袭珍珠港，向年产超过6000万t钢的美国宣战[24]，由此第二次世界大战在全世界范围展开。可以说，第二次世界大战在一定程度上也是各国钢铁及其产能的比拼，美国的参战及其保有的战争能力确实改变了战争的格局。1950年朝鲜战争爆发，年底志愿军入朝作战。当年中国的钢产量只有60万t，而美国则有8772万t[25]。在如此巨大的差距下志愿军的作战虽非常艰苦，但也实现了预设的作战目标；说明钢铁产量确实不是战争胜负的惟一决定因素。

3.   第三次工业革命及信息材料

信息及其储存、传递和更新是现代社会非常重要的构成要素，与之相关的信息技术和设施也在不断改进[26]。在电子通信设备内用电路的畅通或阻断可以简捷地表达或记录数值，畅通、阻断即为数学上1、0两个数值所表达一个数位的二进制数字，称为一个比特(bit)；能表达1、0两个数值的电路称为比特电路。数字、文字、图形等各种信息都可以按照特定规则转化成可存储于电子系统的复杂二进制数据，这一过程即为信息的数字化。计算机很容易对这些数字化的信息作运算、加工、处理、更新等操作。当今实用的计算机中通常用8个比特电路组成一个信息单元，称为字节(Byte)或B，以表达任何可能的字母、数码、符号等。210个字节称为1 KB，即1024 B。1946年美国在第二次世界大战之后制造出了世界上第一台电子计算机，1 s可作5000次加法[27]。这台计算机中用作比特电路的电子元件是单向导电的真空电子管。这台计算机使用了17468个真空电子管，按8个真空电子管为1个字节计算，这个计算机中所有真空电子管可换算出的字节数仅约2 KB，还不具备商业价值。

当人类社会进入这一个阶段，大量的信息被数字化，且在计算机及网络系统内海量存储、高速传输、广泛共享、经计算机处理和运算后可转换或衍生出大量的新信息，极大地促进知识快速更新和实体经济发展，则人类社会就进入了信息时代。与传统社会的信息技术相比，信息时代的信息被大规模地数字化，信息的加工、处理、更新，以及新信息的产生方式被计算机化，信息的存储和快速传递方式被网络化。在信息时代财富可以仅靠信息的创造、使用、传播、整合和操控而快速创造出来，并形成了相应的产业。集成电路是对电子信息具有存储、运算或处理功能的材料，光导纤维是对光电子信息具有网络化传输功能的材料。材料工程上一切对信息具有探测、接收、传输、存储、运算、显示或处理等功能的材料都属于信息工程材料，简称信息材料。与信息的探测、接收、传输、存储、运算、显示或处理等有关的技术称为信息技术。信息时代有两个关键性要素：其一是信息的数字化及其加工、计算以及新数据的衍生；其二是信息的海量存储和广泛传播的高效率系统工具和介质。信息的数字化处理及其加工、计算是一些理念和数学方法，而信息海量存储及广泛传播工具和介质则是非常物质性的设备和材料，后者的发展水平制约着信息时代进展的步伐。

从十几厘米的真空电子管开始，一个比特电路尺寸的小型化先是几个厘米的小型电子管，再到几个毫米的晶体管；由此，使得相关的计算机技术逐渐进入了实用化阶段。但是对于高容量和高工作效率的计算机来说，把大量几个毫米大小的比特电路进一步紧密地排列、并连接在一起，会挤占较大空间且制作繁琐，极大地限制了计算机容量及效率的提高。1958年美国工程师基尔比在一个锗半导体片上同时制作出了1个尺寸为1 mm左右的比特电路和几个其它的电子元件，即把几个电子元件集成在一小块半导体上，形成的一个集合的电路，称为集成电路；这是世界上第一个集成电路[28]。随后集成电路技术得到迅速发展，半导体片由锗变成了性能更好的硅，主要用于集成比特电路；且比特电路的尺寸越做越小、一块集成电路上比特电路的数目越来越多。到20世纪80年代比特电路的尺寸减小到1 μm (1 mm=1000 μm，图3（a）)，20世纪90年代减小到几百纳米(1 μm=1000 nm)，21世纪初再减小到100 nm以下，今天的材料加工技术已可制出10 nm宽[28]，甚至更低宽度的比特电路。以1 cm×1 cm的集成电路来估算，如果一个比特电路的尺寸为1 μm×1 μm(图3（a）)，则一个集成电路上可制出1亿个比特电路[29]；如果所具有的材料加工技术可制成10 nm×10 nm或尺寸更小的比特电路(图3（b))则可制出1万亿个或更多的比特电路[5]。由此可见，材料精细加工技术的进步决定着集成电路的容量和可发挥的工作效率。

利用通信线路和设备以一定的连接方式把分布在不同地点且具有独立功能的计算机系统相互连接在一起，在网络软件的支持下进行数据通信、实现资源共享的系统称为互联网。互联网是计算机与通信网络以某种形式结合的产物。20世纪50年代，将电传打字机与计算机远程连接起来，人们可以在异地的电传打字机上输入指令，让计算机运算；然后再把运算结果传送到远处的电传打字机打印出来。由此开始了计算机与通信的结合。1969年美国国防部高级计划开发署支持的分组交换网投入运行，把加利福尼亚大学洛杉矶分校、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学、犹他大学四个站点的计算机连接成网，由此开始了计算机网络的正规发展时期。自1974年开始，美国IBM公司及其他公司分别公布了各自的系统网络体系。1977年国际标准化组织提出了使不同体系结构的计算机网络都能互联的标准框架。20世纪80年代中期以后，开始了互联网高速发展的历史阶段[30]。

要在全球范围的互联网络上达到资源共享的目标就需要存在一种大容量、高速度的通信网及相应的通信线路。而通信电缆等传统的通信线路完全无法满足互联网大容量、高速度的要求。1966年美国学者高锟和霍克姆提出了光导纤维通信的概念。根据物理中的光学原理，光束从一种介质中传播并照射到另外一种介质时不仅会发生反射，也会发生折射。如果两种邻接介质对光的折射特性差异足够大，当光束在这两种介质之间穿越时就会发生全反射现象。此时光束不会从其所在的介质穿越到相邻的介质中，而是被完全地反射回来，仍在原来的介质里传播。如果光束所在介质对光束的吸收系数很低，且其内正在传播光束的介质被全反射介质完全包围，则借助在两介质之间的反复全反射过程可使光束在被包围介质中作长距离的传播。现代光通讯技术是以激光为载体，以光导纤维为传输介质的通信方式。使光可以在其内部以波的方式传输的纤维状介质材料称为光导纤维，简称光纤。只有当光信号在长距离传输过程中很少衰减的光纤才具备工程应用的价值，而这就需要借助材料技术的进步来实现。

光束在最早的光纤内传播1 km后残留的光束能量密度不足原来的万亿亿分之一，因此没有实用价值。20世纪70年代美国研制成了光束在其内传播1 km后残留的能量密度能达到原密度1%的光纤制造技术，后经过改进于1976年提高到了原来密度的89%。2002年日本住友公司制作光纤的技术可使光束传播1 km后残留的能量密度达到原来的95%以上，而传送40 km后仍保有原密度的16%，且可以被光敏电子器件检测到。因此，光纤可以连续传送光信号40 km而不需要中间重新增强信号。随后世界各国不断发展新型光纤制造技术，使光纤的技术指标不断翻新。激光的传播速度极快，是发展互联网可以倚重的重要技术资源[31]。在医学上，把一个发光的小探头和细小的光纤制成内窥镜系统并插入病人的器官，就可以不必经过外科手术直接、准确、快速地观察和诊断疾病，如医院的胃镜检查设备。相应的技术也可以制成内窥系统在航天航空、机械制造等工业部门用于设备和仪器复杂内部部位的监视、检测和维修工作。

计算机和网络技术的成熟发展才能催生信息时代的开始，而大规模集成电路和光纤都是信息时代关键性、代表性基础材料。自20世纪70年代中期起大规模集成电路的发展日趋成熟；70年代初期光纤技术进入工程化阶段，70年代中期光纤传输容量有了大幅度提高；70年代起开始出现了网络技术，并随后形成了国际标准。这些技术的成熟和规模化发展极大地推动了人类社会的信息化进程。因此可以认为，人类的信息时代应起始于20世纪70年代中期。从那时起，现代社会进入了第三次工业革命时期，人类的脑力劳动开始大规模地被计算机和互联网等信息技术所取代，并获得了巨大的经济效益。自此，第三次工业革命取代第二次工业革命成为了工业革命的主导潮流，信息材料的发展也成为了工业发展的关键材料。

4.   第四次工业革命及智能材料

在信息技术高度发展的基础上，2013年德国政府提出工业4.0战略，旨在推动工业生产由信息化制造转向智能制造。这标志着人类第四次工业革命，即人工智能化时代的开始。可以预见，智能时代的发展需要大量智能设计乃至智能材料的研究与开发。智能材料是指能感知环境条件参数的改变，且自身能以某种性质变化或特定行为的方式作出响应的材料[5]。感知环境条件参数的改变，并能以所设定方式作出不同程度响应的技术称为智能技术。环境条件参数可以包括力学、热学、声学、光学、电学、磁学、物理或化学气氛等不同环境信息的改变[32]。智能材料本身并不具备生命体的智能，只是其行为与生命体的智能反应有某些相似性。智能材料可以安装于特定的器件或设备，以实现所需的智能技术。智能材料范围内的许多材料在用于智能技术之前就已经存在，只是在智能时代更着眼服务于智能技术。智能材料均涉及与环境信息的交互作用，因此都属于信息材料，它们只是信息材料中一个特殊部分，因而智能技术也属于信息技术领域里面的一个特殊部分。

人类在不同的历史阶段都需要以各种材料技术的更新或发展作为关键的物质支撑。尽管不同历史阶段都需要以多种材料技术为基础，但往往更多地表现为基于某种关键材料生产技术的突破和发展。例如，第一次工业革命较多依赖于铁器的大规模生产；第二次工业革命较多依赖于钢铁的现代化生产；进入信息时代后，虽然大规模集成电路、光导纤维等材料及其生产技术的工业化发展发挥了很关键的推动作用，但信息时代所依赖的材料技术范围已经变得宽泛和多样化；进入智能时代的人类将面临工业生产全面人工智能化的挑战。不同的工业生产所需的智能材料会有很大不同，因此智能时代所依赖的材料技术将大幅度偏离主要依赖少数几种材料的特征，而呈现出更加宽泛的多样性。智能材料可以是已有材料、传统材料的深入发展、新材料的高技术化改进和全新的材料体系等。这里，在至今已经初露锋芒、可视作支持智能时代发展的智能材料中例举若干。

汽车是现代常见的交通工具，传统的汽车用钢需能够支撑汽车的正常运行。在出现交通事故时如果汽车用钢能够把碰撞释放出的能量转换成其自身变形所需消耗的能量，从而显著降低乘车人受到伤害的概率，则这种汽车钢就成了智能化的交通安全用钢[33]。玻璃通常是挡风、透光、承受载荷的物质。如果玻璃能够根据光线的强度信息、或其它热、电、磁信号而自动调整其透光率，则就成了智能玻璃，例如用作汽车的窗玻璃[34]。智能时代会大量使用高运算效率的计算机，其关键部件仍是基于大量二进制比特电路构成的大规模集成电路技术。如果材料加工技术能进一步降低单个比特电路的尺寸，则计算机等智能设备的运算能力就可大幅度提高。因此当今人们特别关注生产大规模集成电路的比特电路制作技术是否发展到10 nm以下的水平[35]。当今在−100 °C下出现超导电特性的材料具有非常重要的应用价值，但保持超低温度是一个比较耗能的技术。然而外太空的常规温度范围是−150 °C，如果发展出在这个温度下带有智能特性的超导材料技术，可对太空技术的发展提供重要的技术支撑[1]。

当物质的尺度降低到100 nm以下时可能会出现某种之前不存在的效应，称为纳米效应，由此发展出了纳米材料技术。以厚度不到1 nm的单层碳原子面构成的石墨烯为原料，可制成柔性透明的纤维板，用作柔性的电子设备触摸屏，支撑人与电子设备的互动行为。让氧化锌纳米丝密集地生长于纺织纤维的表面，则经不同方式加工过的纳米丝之间的摩擦做功就会转变成电能。借助这种纳米技术制成服装后可在人们日常的举动行为中摩擦发电，服务于不同的微型用电设备，为人们的生活提供舒适和方便[26]。两种电性不同的物质并联后，若两连接端有温差则会产生电压，称为热电效应。以这种原理可制成温差发电器件，用于许多特殊场合，例如外太空阳光发电、无光源环境下的放射线刺激发电、发热装置余热发电等[1]。

在生物医学中材料的智能效应也日益得到广泛重视。将材料制成某种特定初始形状，随后按照材料原理改变其形状，在特定外界条件下该材料可恢复其初始形状，称为形状记忆效应，该效应已经被用于制作心脏冠状动脉支架材料。医用水凝胶是一种柔软的、有良好的生物相容性的含水高分子材料。吸水后医用水凝胶会增大，能减少周围组织的摩擦损伤，可用作组织填充剂、药物缓释剂、接触眼镜、人工血浆、人造皮肤、组织工程支架材料等。人骨遭受损伤后在原支撑条件下有修复生长的能力，当损伤严重失去原支撑条件，则这种修复能力很难实现。如果在严重损伤部位植入可降解人工骨材料，首先可以维持原有支撑条件；另外其可降解特性使得在人骨修复生长过程中逐渐降解，不断被新生骨所取代，致使损伤部位恢复到接近损伤发生前的骨结构状态。对于严重断裂的开放性骨损伤，可根据损伤部位形状的三维尺度(3D)打印制作出带空隙、可降解人工骨网，并装入损伤部位以支撑起损伤的骨结构[36]，其空隙为人骨的修复生长留出空间，可降解的三维人工骨网会不断降解，以便长出全新真骨。

相关实例，不胜枚举。由此可见，第四次工业革命是一场用智能设施取代和扩张人的智力劳动的革命，其中许多智能技术或智能材料技术所表现出来的能力是人的智能尚无法直接实现的能力。

5.   结束语

工业革命是自人类近现代商品和市场经济发展以来持续出现的、用机器从各方面取代人力的一种技术革命，借以提高劳动效率和经济规模。工业革命可导致经济发达、国力强盛，其间材料技术的创新与进步始终发挥着关键性基础作用。在历次工业革命中，欧美国家一直发挥着引领作用。因历史的局限，中国长期处于学习和跟进状态，并正努力尝试对工业革命的进程作出积极的、乃至创新性的贡献。

文章来源——金属世界