工業(yè)革命與材料技術(shù)

供稿|毛衛(wèi)民，王開平 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

工業(yè)革命是工業(yè)化過程中的技術(shù)變革運(yùn)動(dòng)，以期實(shí)現(xiàn)機(jī)器從多個(gè)方面取代和擴(kuò)張人工勞動(dòng)，且極大地推進(jìn)了人類社會(huì)的現(xiàn)代化發(fā)展。本文簡(jiǎn)述了人類有史以來所經(jīng)歷的四次工業(yè)革命過程，介紹了傳統(tǒng)鐵器、鋼鐵材料、信息材料、智能材料對(duì)各次工業(yè)革命的支撐作用，顯示出材料技術(shù)的進(jìn)步是工業(yè)革命及工業(yè)化過程不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。

工業(yè)革命是指在人類社會(huì)工業(yè)化過程中以機(jī)器取代人力的技術(shù)變革運(yùn)動(dòng)，其間技術(shù)革命的成果轉(zhuǎn)變成了可用于工業(yè)生產(chǎn)的先進(jìn)設(shè)備和理念。這不僅使得人工有限的勞動(dòng)能力得以大規(guī)模地被機(jī)器取代，而且把勞動(dòng)能力擴(kuò)張到以往無法實(shí)現(xiàn)的范圍。其間，大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)逐步取代了手工作坊式的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式。第一次工業(yè)革命起源于18 世紀(jì)中期的英國(guó)，也稱為英國(guó)工業(yè)革命，革命的成果主要是用機(jī)器取代和擴(kuò)張了人的簡(jiǎn)單體力勞動(dòng)。第二次工業(yè)革命起源于19 世紀(jì)中期的歐洲，并蔓延到美國(guó)，革命的成果主要是用機(jī)器廣泛、大規(guī)模、高效地取代和擴(kuò)張人的復(fù)雜體力勞動(dòng)。第三次工業(yè)革命起源于20 世紀(jì)70 年代的美國(guó)，革命的成果主要是用機(jī)器取代和擴(kuò)張人的簡(jiǎn)單腦力勞動(dòng)。第四次工業(yè)革命于21 世紀(jì)初由德國(guó)率先提出，革命的目標(biāo)是用機(jī)器取代和擴(kuò)張人的智力勞動(dòng)。歷次工業(yè)革命過程都涉及大量使用各種新型的工程材料。材料作為制造有用物件的物質(zhì)，也是支撐工業(yè)革命的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，材料技術(shù)的進(jìn)步對(duì)工業(yè)革命的發(fā)生和發(fā)展都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。

第一次工業(yè)革命與傳統(tǒng)鐵器的發(fā)展

自18 世紀(jì)中期開始，英國(guó)連續(xù)發(fā)明出了各類新型機(jī)械裝置。1733 年英國(guó)機(jī)械師約翰·凱伊發(fā)明飛梭，使得織布的速度和效率顯著提高，但隨即導(dǎo)致紡紗的速度無法滿足快速織布機(jī)械對(duì)大量紗線的需求。1764 年英國(guó)織工兼木工詹姆斯·哈格里夫斯發(fā)明了手搖紡紗機(jī)，即珍妮紡紗機(jī)，能同時(shí)紡16～18 個(gè)紗錠，提高工效15 倍。1769 年英國(guó)理發(fā)師兼鐘表匠理查德·阿克萊特發(fā)明了水力紡紗機(jī)，以水力取代人力來驅(qū)動(dòng)紡紗機(jī)。這樣，工業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)開始從手工轉(zhuǎn)變?yōu)橛伤︱?qū)動(dòng)的大機(jī)器操作，且可使生產(chǎn)規(guī)模明顯擴(kuò)大，自此英國(guó)以紡織業(yè)為起點(diǎn)拉開了工業(yè)革命的帷幕[3]。1779 年英國(guó)青年工人賽米爾·克隆普頓發(fā)明了繆爾紡紗機(jī)，能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)300～400 個(gè)紗錠以便紡出精細(xì)而結(jié)實(shí)的紗線，1785 年英國(guó)工程師埃地蒙特·卡特萊特制造出了水力織布機(jī)，使織布效率提高了40 倍。1791 年英國(guó)建立第一個(gè)機(jī)械化織布廠。隨后紡織工業(yè)各個(gè)生產(chǎn)工序都轉(zhuǎn)向機(jī)械化操作，先后發(fā)明了凈棉機(jī)、梳棉機(jī)、漂白機(jī)、整染機(jī)等各種機(jī)械，使棉紡織工業(yè)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性的機(jī)械化生產(chǎn)。

各種機(jī)器的制造依賴于當(dāng)時(shí)人們?cè)陂_拓進(jìn)取精神推動(dòng)下不斷取得的創(chuàng)新性突破，技術(shù)發(fā)明不斷涌現(xiàn)。圖1 顯示了18 世紀(jì)期間英國(guó)對(duì)紡織業(yè)發(fā)明專利數(shù)目的不完全統(tǒng)計(jì)[4-5]；可以看出，隨著工業(yè)革命的發(fā)展人們?cè)诩夹g(shù)創(chuàng)新方面的熱潮日益高漲。1769 年蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)機(jī)械師詹姆斯·瓦特總結(jié)了前人的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次試驗(yàn)制成了第一臺(tái)單動(dòng)式蒸汽機(jī)；后經(jīng)改進(jìn)于1782 年制成了聯(lián)動(dòng)式蒸汽機(jī)。由此人類全面進(jìn)入了近代以機(jī)器大規(guī)模取代人力的蒸汽時(shí)代，蒸汽機(jī)的發(fā)明也成為了英國(guó)工業(yè)革命的重要標(biāo)志。蒸汽機(jī)可以為各種機(jī)械設(shè)備提供動(dòng)力，其推廣應(yīng)用促進(jìn)了英國(guó)各個(gè)工業(yè)部門的機(jī)械化改造。用蒸汽機(jī)取代水力驅(qū)動(dòng)紡紗機(jī)和織布機(jī)，可使紡織工廠擺脫對(duì)河邊水力的依賴，促進(jìn)了紡織機(jī)械化生產(chǎn)的推廣和普及。1784 年英國(guó)建立了第一座蒸汽紡紗廠，隨后出現(xiàn)了蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的冶金蒸汽鼓風(fēng)機(jī)、采礦用蒸汽排水機(jī)、蒸汽火車、蒸汽輪船等，還有諸如輾壓機(jī)、鑿井機(jī)、曳運(yùn)機(jī)、蒸汽錘、金屬加工車床等。到1825 年英國(guó)已有蒸汽機(jī)1.5 萬臺(tái)、總共37.5 萬匹馬力[3]。到19 世紀(jì)初期已經(jīng)具備用機(jī)器制造機(jī)器的能力，并實(shí)現(xiàn)了不僅向其它地方出口工業(yè)產(chǎn)品，而且出口用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器。

英國(guó)工業(yè)革命需要制造大量機(jī)器以滿足工業(yè)生產(chǎn)和出口需求。當(dāng)時(shí)的機(jī)器大多由鐵器制造，需消費(fèi)大量?jī)?yōu)質(zhì)鐵器，由此也推動(dòng)了英國(guó)冶鐵、制鐵業(yè)的快速發(fā)展。1720—1740 年間英國(guó)的鐵器年產(chǎn)量不超過2 萬t，而1788 年的產(chǎn)量就增加到6.8 萬t、1806 年達(dá)到26 萬t， 1839 年猛增到134.7 萬t[6]。此時(shí)鐵的產(chǎn)量雖然增加，但其生產(chǎn)方式仍基于傳統(tǒng)技術(shù)，并未發(fā)生革命性改進(jìn)。

第二次工業(yè)革命與現(xiàn)代鋼鐵材料

在英國(guó)工業(yè)革命取得巨大成功的推動(dòng)下，自19 世紀(jì)中期以來歐美各國(guó)不斷涌現(xiàn)出多種多樣的革命性技術(shù)發(fā)明，由此推動(dòng)了第二次工業(yè)革命。在蒸汽機(jī)的基礎(chǔ)上，1884 年英國(guó)查爾斯·帕森斯發(fā)明蒸汽輪機(jī)[7]。在燃?xì)鈩?dòng)力方面，1860 年法國(guó)勒努瓦制造出實(shí)用煤氣機(jī)[8]；德國(guó)的發(fā)明家和工程師們?cè)谄嚰夹g(shù)的發(fā)展上做出了巨大貢獻(xiàn)。1876 年奧托創(chuàng)制四沖程內(nèi)燃機(jī)、1883 年戴姆勒創(chuàng)制汽油機(jī)、1897 年狄塞爾研制出柴油機(jī)[9]，1886 年卡爾·本茨發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)汽車[10]。在電力方面，1866 年德國(guó)西門子制成直流發(fā)電機(jī)[11]，1873 年比利時(shí)齊納布·格拉姆展示了他的實(shí)用直流電動(dòng)機(jī)[12]，1886 年美國(guó)威斯汀豪斯公司開始制造交流發(fā)電機(jī)，1888 年塞爾維亞尼古拉·特斯拉發(fā)明了交流電動(dòng)機(jī)[10]。在化學(xué)方面，1863 年瑞典科學(xué)家阿爾弗萊德·諾貝爾獲得安全炸藥的專利，其炸藥的威力極大[13]。歐美的這些技術(shù)發(fā)明很多涉及產(chǎn)生燃?xì)鈩?dòng)力或電氣動(dòng)力的機(jī)器借以驅(qū)動(dòng)其它各類工業(yè)機(jī)器，由此推動(dòng)了多種機(jī)器制造業(yè)的發(fā)展以及歐美的全面工業(yè)化進(jìn)程，使得機(jī)器開始廣泛、大規(guī)模、高效地取代和擴(kuò)張人的復(fù)雜體力勞動(dòng)。歐美各國(guó)新技術(shù)競(jìng)相涌現(xiàn)、互相促進(jìn)，極大地推進(jìn)了工業(yè)革命進(jìn)程。然而，英國(guó)工業(yè)革命時(shí)期使用的冶鐵技術(shù)存在批量小、生產(chǎn)效率低、價(jià)格較高、性能有限等缺點(diǎn)，尤其是質(zhì)量不穩(wěn)定，即每批鐵器的技術(shù)質(zhì)量會(huì)有所差異，不能滿足第二次工業(yè)革命期間涌現(xiàn)出的大量新型機(jī)器在性能水平和經(jīng)濟(jì)效益方面更高的需求。由此對(duì)冶金技術(shù)的改進(jìn)提出了新的挑戰(zhàn)，并催生了新型冶鐵技術(shù)，或稱現(xiàn)代化煉鋼技術(shù)，即以大批量、高效率、低成本、優(yōu)品質(zhì)的方式生產(chǎn)鋼鐵材料的技術(shù)，鋼鐵材料也成了推進(jìn)第二次工業(yè)革命必備的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1864 年法國(guó)人馬丁建造了第一個(gè)專用煉鋼設(shè)備：西門子—馬丁爐，也稱為平爐[14]，由此歐美開始了現(xiàn)代化煉鋼生產(chǎn)。1871 年英、美、法、德的鋼產(chǎn)總量達(dá)到了約75 萬t，1875 年則快速發(fā)展到約165 萬t[15-16]。1879 年英國(guó)開始用平爐鋼建造鋼結(jié)構(gòu)橋梁，1889 年法國(guó)政府用約7000 t 平爐鋼建成了324 m 高的埃菲爾鐵塔[2]。1856 年英國(guó)人貝塞麥公布了一種轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即在一個(gè)可以翻轉(zhuǎn)的熔池內(nèi)把空氣吹入液態(tài)生鐵來煉鋼的高效方法；1878 年英國(guó)的托馬斯發(fā)明了適合歐洲鐵礦石煉鋼的托馬斯法，并迅速在法國(guó)和德國(guó)得到推廣應(yīng)用[2]。1895 年英、美、法、德的鋼產(chǎn)總量超過了1000 萬t[15]。1879 年法國(guó)人艾納比克發(fā)明了鋼筋混凝土，即水泥與砂、碎石按照一定比例經(jīng)攪拌混合成混凝土，再在其內(nèi)添加鋼筋制成極為堅(jiān)實(shí)的建筑結(jié)構(gòu)，被廣泛用于土木建筑工程。制作這種鋼筋混凝土就需要使用大量鋼材(圖2)。優(yōu)質(zhì)鋼鐵材料的大規(guī)模生產(chǎn)有力地支撐了第二次工業(yè)革命的發(fā)展，也使歐美進(jìn)入了鋼鐵時(shí)代。

在技術(shù)上互相促進(jìn)的同時(shí)，當(dāng)時(shí)西方各國(guó)已經(jīng)廣泛地向海外擴(kuò)張，在取得工業(yè)化利益之外還在殖民地獲得了大量盤剝利益[5]。盡管如此，隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的迅速增強(qiáng)，西方國(guó)家積極逐利的傾向不可避免地導(dǎo)致了各國(guó)利益的沖突，戰(zhàn)爭(zhēng)也變得不可避免。鋼鐵新技術(shù)推動(dòng)的二次工業(yè)革命不僅促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且改變了戰(zhàn)爭(zhēng)的形態(tài)和規(guī)模。進(jìn)入鋼鐵時(shí)代后，用于戰(zhàn)爭(zhēng)的槍炮子彈、飛機(jī)坦克、碉堡要塞等各種武器裝備得以更便捷地大量使用鋼鐵，各國(guó)的軍事能力也得到極大提高。各國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量也對(duì)應(yīng)著其應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的硬實(shí)力(表1)。

進(jìn)入鋼鐵時(shí)代不久，就出現(xiàn)了人類歷史上的兩次世界大戰(zhàn)。參見表1，緊鄰第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)的1913 年德國(guó)產(chǎn)鋼1700 萬t[17]，大致相當(dāng)于英國(guó)(796 萬t[18])、法 國(guó)(500 萬t[17])和 俄 國(guó)(479 萬t[19])的總和；因此德國(guó)敢于發(fā)動(dòng)第一次世界大戰(zhàn)。1917 年美國(guó)對(duì)德宣戰(zhàn)，當(dāng)時(shí)美國(guó)年產(chǎn)鋼已達(dá)4000 萬t[20]，美國(guó)的參戰(zhàn)使得德國(guó)迅速落敗，1918 年一戰(zhàn)結(jié)束。雖然鋼鐵產(chǎn)量并不是戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的決定因素，但卻有非常重要的影響。1937 年日本發(fā)動(dòng)全面侵華戰(zhàn)爭(zhēng)，中國(guó)雖全力抵抗，但實(shí)力差距過于懸殊。當(dāng)時(shí)日本年產(chǎn)580 萬t 鋼，而中國(guó)國(guó)統(tǒng)區(qū)年產(chǎn)僅4 萬t 鋼[21]，且戰(zhàn)端一開，中國(guó)產(chǎn)鋼能力迅遭破壞，至1938 年每年產(chǎn)鋼不足0.1 萬t[22]。當(dāng)時(shí)日軍的炮彈甚至比中國(guó)的子彈都多，因此中國(guó)的抗戰(zhàn)非常艱難，只能借助持久戰(zhàn)，利用地理空間換取抗戰(zhàn)的持續(xù)時(shí)間。1939 年德國(guó)產(chǎn)鋼2600 萬t，高于英(1343 萬t)國(guó)和法國(guó)(790 萬t)的總和[23]，德國(guó)借助進(jìn)攻波蘭在歐洲發(fā)動(dòng)了第二次世界大戰(zhàn)。法國(guó)為了防止德國(guó)的入侵借助鋼筋混凝土技術(shù)(圖2)斥巨資和大量鋼鐵于1928—1936 年期間沿德法邊界修筑了大量的永久性軍事防御設(shè)施，包括工事、要塞、堡壘、通道等，史稱馬其諾防線。防線蜿蜒數(shù)百千米、縱深10 km 左右，設(shè)施的鋼筋混凝土頂部和墻壁厚度可高達(dá)數(shù)米，可抵擋口徑400 mm 以上炮彈的直接攻擊。最終德軍不得不避開馬其諾防線，繞道法國(guó)與比利時(shí)邊界的阿登地區(qū)，突襲并擊敗英法聯(lián)軍，造成其敦刻爾克大潰敗，法國(guó)也不得不于第二年6 月投降。1941 年德國(guó)的鋼產(chǎn)量仍超過蘇聯(lián)，并對(duì)蘇聯(lián)發(fā)動(dòng)閃電戰(zhàn)。同年底，年產(chǎn)684 萬t 鋼的日本貿(mào)然偷襲珍珠港，向年產(chǎn)超過6000 萬t 鋼的美國(guó)宣戰(zhàn)[24]，由此第二次世界大戰(zhàn)在全世界范圍展開?？梢哉f，第二次世界大戰(zhàn)在一定程度上也是各國(guó)鋼鐵及其產(chǎn)能的比拼，美國(guó)的參戰(zhàn)及其保有的戰(zhàn)爭(zhēng)能力確實(shí)改變了戰(zhàn)爭(zhēng)的格局。1950 年朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，年底志愿軍入朝作戰(zhàn)。當(dāng)年中國(guó)的鋼產(chǎn)量只有60 萬t，而美國(guó)則有8772 萬t[25]。在如此巨大的差距下志愿軍的作戰(zhàn)雖非常艱苦，但也實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的作戰(zhàn)目標(biāo)；說明鋼鐵產(chǎn)量確實(shí)不是戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的惟一決定因素。

表1 各種世界戰(zhàn)爭(zhēng)期間各國(guó)鋼產(chǎn)量對(duì)比 萬t

第三次工業(yè)革命及信息材料

信息及其儲(chǔ)存、傳遞和更新是現(xiàn)代社會(huì)非常重要的構(gòu)成要素，與之相關(guān)的信息技術(shù)和設(shè)施也在不斷改進(jìn)[26]。在電子通信設(shè)備內(nèi)用電路的暢通或阻斷可以簡(jiǎn)捷地表達(dá)或記錄數(shù)值，暢通、阻斷即為數(shù)學(xué)上1、0 兩個(gè)數(shù)值所表達(dá)一個(gè)數(shù)位的二進(jìn)制數(shù)字，稱為一個(gè)比特(bit)；能表達(dá)1、0 兩個(gè)數(shù)值的電路稱為比特電路。數(shù)字、文字、圖形等各種信息都可以按照特定規(guī)則轉(zhuǎn)化成可存儲(chǔ)于電子系統(tǒng)的復(fù)雜二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這一過程即為信息的數(shù)字化。計(jì)算機(jī)很容易對(duì)這些數(shù)字化的信息作運(yùn)算、加工、處理、更新等操作。當(dāng)今實(shí)用的計(jì)算機(jī)中通常用8 個(gè)比特電路組成一個(gè)信息單元，稱為字節(jié)(Byte)或B，以表達(dá)任何可能的字母、數(shù)碼、符號(hào)等。210個(gè)字節(jié)稱為1 KB，即1024 B。1946 年美國(guó)在第二次世界大戰(zhàn)之后制造出了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，1 s 可作5000 次加法[27]。這臺(tái)計(jì)算機(jī)中用作比特電路的電子元件是單向?qū)щ姷恼婵针娮庸?。這臺(tái)計(jì)算機(jī)使用了17468 個(gè)真空電子管，按8 個(gè)真空電子管為1 個(gè)字節(jié)計(jì)算，這個(gè)計(jì)算機(jī)中所有真空電子管可換算出的字節(jié)數(shù)僅約2 KB，還不具備商業(yè)價(jià)值。

當(dāng)人類社會(huì)進(jìn)入這一個(gè)階段，大量的信息被數(shù)字化，且在計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)海量存儲(chǔ)、高速傳輸、廣泛共享、經(jīng)計(jì)算機(jī)處理和運(yùn)算后可轉(zhuǎn)換或衍生出大量的新信息，極大地促進(jìn)知識(shí)快速更新和實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展，則人類社會(huì)就進(jìn)入了信息時(shí)代。與傳統(tǒng)社會(huì)的信息技術(shù)相比，信息時(shí)代的信息被大規(guī)模地?cái)?shù)字化，信息的加工、處理、更新，以及新信息的產(chǎn)生方式被計(jì)算機(jī)化，信息的存儲(chǔ)和快速傳遞方式被網(wǎng)絡(luò)化。在信息時(shí)代財(cái)富可以僅靠信息的創(chuàng)造、使用、傳播、整合和操控而快速創(chuàng)造出來，并形成了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)。集成電路是對(duì)電子信息具有存儲(chǔ)、運(yùn)算或處理功能的材料，光導(dǎo)纖維是對(duì)光電子信息具有網(wǎng)絡(luò)化傳輸功能的材料。材料工程上一切對(duì)信息具有探測(cè)、接收、傳輸、存儲(chǔ)、運(yùn)算、顯示或處理等功能的材料都屬于信息工程材料，簡(jiǎn)稱信息材料。與信息的探測(cè)、接收、傳輸、存儲(chǔ)、運(yùn)算、顯示或處理等有關(guān)的技術(shù)稱為信息技術(shù)。信息時(shí)代有兩個(gè)關(guān)鍵性要素：其一是信息的數(shù)字化及其加工、計(jì)算以及新數(shù)據(jù)的衍生；其二是信息的海量存儲(chǔ)和廣泛傳播的高效率系統(tǒng)工具和介質(zhì)。信息的數(shù)字化處理及其加工、計(jì)算是一些理念和數(shù)學(xué)方法，而信息海量存儲(chǔ)及廣泛傳播工具和介質(zhì)則是非常物質(zhì)性的設(shè)備和材料，后者的發(fā)展水平制約著信息時(shí)代進(jìn)展的步伐。

從十幾厘米的真空電子管開始，一個(gè)比特電路尺寸的小型化先是幾個(gè)厘米的小型電子管，再到幾個(gè)毫米的晶體管；由此，使得相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸進(jìn)入了實(shí)用化階段。但是對(duì)于高容量和高工作效率的計(jì)算機(jī)來說，把大量幾個(gè)毫米大小的比特電路進(jìn)一步緊密地排列、并連接在一起，會(huì)擠占較大空間且制作繁瑣，極大地限制了計(jì)算機(jī)容量及效率的提高。1958 年美國(guó)工程師基爾比在一個(gè)鍺半導(dǎo)體片上同時(shí)制作出了1 個(gè)尺寸為1 mm 左右的比特電路和幾個(gè)其它的電子元件，即把幾個(gè)電子元件集成在一小塊半導(dǎo)體上，形成的一個(gè)集合的電路，稱為集成電路；這是世界上第一個(gè)集成電路[28]。隨后集成電路技術(shù)得到迅速發(fā)展，半導(dǎo)體片由鍺變成了性能更好的硅，主要用于集成比特電路；且比特電路的尺寸越做越小、一塊集成電路上比特電路的數(shù)目越來越多。到20 世紀(jì)80 年代比特電路的尺寸減小到1 μm (1 mm=1000 μm，圖3(a))，20 世紀(jì)90 年代減小到幾百納米(1 μm=1000 nm)，21 世紀(jì)初再減小到100 nm 以下，今天的材料加工技術(shù)已可制出10 nm寬[28]，甚至更低寬度的比特電路。以1 cm×1 cm 的集成電路來估算，如果一個(gè)比特電路的尺寸為1 μm×1 μm(圖3(a))，則一個(gè)集成電路上可制出1 億個(gè)比特電路[29]；如果所具有的材料加工技術(shù)可制成10 nm×10 nm 或尺寸更小的比特電路(圖3(b)) 則可制出1 萬億個(gè)或更多的比特電路[5]。由此可見，材料精細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步?jīng)Q定著集成電路的容量和可發(fā)揮的工作效率。

利用通信線路和設(shè)備以一定的連接方式把分布在不同地點(diǎn)且具有獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相互連接在一起，在網(wǎng)絡(luò)軟件的支持下進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、實(shí)現(xiàn)資源共享的系統(tǒng)稱為互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)是計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)以某種形式結(jié)合的產(chǎn)物。20 世紀(jì)50 年代，將電傳打字機(jī)與計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程連接起來，人們可以在異地的電傳打字機(jī)上輸入指令，讓計(jì)算機(jī)運(yùn)算；然后再把運(yùn)算結(jié)果傳送到遠(yuǎn)處的電傳打字機(jī)打印出來。由此開始了計(jì)算機(jī)與通信的結(jié)合。1969 年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃開發(fā)署支持的分組交換網(wǎng)投入運(yùn)行，把加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校、加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校、斯坦福大學(xué)、猶他大學(xué)四個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算機(jī)連接成網(wǎng)，由此開始了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的正規(guī)發(fā)展時(shí)期。自1974 年開始，美國(guó)IBM 公司及其他公司分別公布了各自的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系。1977 年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了使不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都能互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)框架。20 世紀(jì)80 年代中期以后，開始了互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的歷史階段[30]。

要在全球范圍的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上達(dá)到資源共享的目標(biāo)就需要存在一種大容量、高速度的通信網(wǎng)及相應(yīng)的通信線路。而通信電纜等傳統(tǒng)的通信線路完全無法滿足互聯(lián)網(wǎng)大容量、高速度的要求。1966 年美國(guó)學(xué)者高錕和霍克姆提出了光導(dǎo)纖維通信的概念。根據(jù)物理中的光學(xué)原理，光束從一種介質(zhì)中傳播并照射到另外一種介質(zhì)時(shí)不僅會(huì)發(fā)生反射，也會(huì)發(fā)生折射。如果兩種鄰接介質(zhì)對(duì)光的折射特性差異足夠大，當(dāng)光束在這兩種介質(zhì)之間穿越時(shí)就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。此時(shí)光束不會(huì)從其所在的介質(zhì)穿越到相鄰的介質(zhì)中，而是被完全地反射回來，仍在原來的介質(zhì)里傳播。如果光束所在介質(zhì)對(duì)光束的吸收系數(shù)很低，且其內(nèi)正在傳播光束的介質(zhì)被全反射介質(zhì)完全包圍，則借助在兩介質(zhì)之間的反復(fù)全反射過程可使光束在被包圍介質(zhì)中作長(zhǎng)距離的傳播。現(xiàn)代光通訊技術(shù)是以激光為載體，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信方式。使光可以在其內(nèi)部以波的方式傳輸?shù)睦w維狀介質(zhì)材料稱為光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱光纖。只有當(dāng)光信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過程中很少衰減的光纖才具備工程應(yīng)用的價(jià)值，而這就需要借助材料技術(shù)的進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)。

光束在最早的光纖內(nèi)傳播1 km 后殘留的光束能量密度不足原來的萬億億分之一，因此沒有實(shí)用價(jià)值。20 世紀(jì)70 年代美國(guó)研制成了光束在其內(nèi)傳播1 km 后殘留的能量密度能達(dá)到原密度1%的光纖制造技術(shù)，后經(jīng)過改進(jìn)于1976 年提高到了原來密度的89%。2002 年日本住友公司制作光纖的技術(shù)可使光束傳播1 km 后殘留的能量密度達(dá)到原來的95%以上，而傳送40 km 后仍保有原密度的16%，且可以被光敏電子器件檢測(cè)到。因此，光纖可以連續(xù)傳送光信號(hào)40 km 而不需要中間重新增強(qiáng)信號(hào)。隨后世界各國(guó)不斷發(fā)展新型光纖制造技術(shù)，使光纖的技術(shù)指標(biāo)不斷翻新。激光的傳播速度極快，是發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)可以倚重的重要技術(shù)資源[31]。在醫(yī)學(xué)上，把一個(gè)發(fā)光的小探頭和細(xì)小的光纖制成內(nèi)窺鏡系統(tǒng)并插入病人的器官，就可以不必經(jīng)過外科手術(shù)直接、準(zhǔn)確、快速地觀察和診斷疾病，如醫(yī)院的胃鏡檢查設(shè)備。相應(yīng)的技術(shù)也可以制成內(nèi)窺系統(tǒng)在航天航空、機(jī)械制造等工業(yè)部門用于設(shè)備和儀器復(fù)雜內(nèi)部部位的監(jiān)視、檢測(cè)和維修工作。

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟發(fā)展才能催生信息時(shí)代的開始，而大規(guī)模集成電路和光纖都是信息時(shí)代關(guān)鍵性、代表性基礎(chǔ)材料。自20 世紀(jì)70 年代中期起大規(guī)模集成電路的發(fā)展日趨成熟；70 年代初期光纖技術(shù)進(jìn)入工程化階段，70 年代中期光纖傳輸容量有了大幅度提高；70 年代起開始出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并隨后形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些技術(shù)的成熟和規(guī)模化發(fā)展極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的信息化進(jìn)程。因此可以認(rèn)為，人類的信息時(shí)代應(yīng)起始于20 世紀(jì)70 年代中期。從那時(shí)起，現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)入了第三次工業(yè)革命時(shí)期，人類的腦力勞動(dòng)開始大規(guī)模地被計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)所取代，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。自此，第三次工業(yè)革命取代第二次工業(yè)革命成為了工業(yè)革命的主導(dǎo)潮流，信息材料的發(fā)展也成為了工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料。

第四次工業(yè)革命及智能材料

在信息技術(shù)高度發(fā)展的基礎(chǔ)上，2013 年德國(guó)政府提出工業(yè)4.0 戰(zhàn)略，旨在推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)由信息化制造轉(zhuǎn)向智能制造。這標(biāo)志著人類第四次工業(yè)革命，即人工智能化時(shí)代的開始?？梢灶A(yù)見，智能時(shí)代的發(fā)展需要大量智能設(shè)計(jì)乃至智能材料的研究與開發(fā)。智能材料是指能感知環(huán)境條件參數(shù)的改變，且自身能以某種性質(zhì)變化或特定行為的方式作出響應(yīng)的材料[5]。感知環(huán)境條件參數(shù)的改變，并能以所設(shè)定方式作出不同程度響應(yīng)的技術(shù)稱為智能技術(shù)。環(huán)境條件參數(shù)可以包括力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、物理或化學(xué)氣氛等不同環(huán)境信息的改變[32]。智能材料本身并不具備生命體的智能，只是其行為與生命體的智能反應(yīng)有某些相似性。智能材料可以安裝于特定的器件或設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)所需的智能技術(shù)。智能材料范圍內(nèi)的許多材料在用于智能技術(shù)之前就已經(jīng)存在，只是在智能時(shí)代更著眼服務(wù)于智能技術(shù)。智能材料均涉及與環(huán)境信息的交互作用，因此都屬于信息材料，它們只是信息材料中一個(gè)特殊部分，因而智能技術(shù)也屬于信息技術(shù)領(lǐng)域里面的一個(gè)特殊部分。

人類在不同的歷史階段都需要以各種材料技術(shù)的更新或發(fā)展作為關(guān)鍵的物質(zhì)支撐。盡管不同歷史階段都需要以多種材料技術(shù)為基礎(chǔ)，但往往更多地表現(xiàn)為基于某種關(guān)鍵材料生產(chǎn)技術(shù)的突破和發(fā)展。例如，第一次工業(yè)革命較多依賴于鐵器的大規(guī)模生產(chǎn)；第二次工業(yè)革命較多依賴于鋼鐵的現(xiàn)代化生產(chǎn)；進(jìn)入信息時(shí)代后，雖然大規(guī)模集成電路、光導(dǎo)纖維等材料及其生產(chǎn)技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展發(fā)揮了很關(guān)鍵的推動(dòng)作用，但信息時(shí)代所依賴的材料技術(shù)范圍已經(jīng)變得寬泛和多樣化；進(jìn)入智能時(shí)代的人類將面臨工業(yè)生產(chǎn)全面人工智能化的挑戰(zhàn)。不同的工業(yè)生產(chǎn)所需的智能材料會(huì)有很大不同，因此智能時(shí)代所依賴的材料技術(shù)將大幅度偏離主要依賴少數(shù)幾種材料的特征，而呈現(xiàn)出更加寬泛的多樣性。智能材料可以是已有材料、傳統(tǒng)材料的深入發(fā)展、新材料的高技術(shù)化改進(jìn)和全新的材料體系等。這里，在至今已經(jīng)初露鋒芒、可視作支持智能時(shí)代發(fā)展的智能材料中例舉若干。

汽車是現(xiàn)代常見的交通工具，傳統(tǒng)的汽車用鋼需能夠支撐汽車的正常運(yùn)行。在出現(xiàn)交通事故時(shí)如果汽車用鋼能夠把碰撞釋放出的能量轉(zhuǎn)換成其自身變形所需消耗的能量，從而顯著降低乘車人受到傷害的概率，則這種汽車鋼就成了智能化的交通安全用鋼[33]。玻璃通常是擋風(fēng)、透光、承受載荷的物質(zhì)。如果玻璃能夠根據(jù)光線的強(qiáng)度信息、或其它熱、電、磁信號(hào)而自動(dòng)調(diào)整其透光率，則就成了智能玻璃，例如用作汽車的窗玻璃[34]。智能時(shí)代會(huì)大量使用高運(yùn)算效率的計(jì)算機(jī)，其關(guān)鍵部件仍是基于大量二進(jìn)制比特電路構(gòu)成的大規(guī)模集成電路技術(shù)。如果材料加工技術(shù)能進(jìn)一步降低單個(gè)比特電路的尺寸，則計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備的運(yùn)算能力就可大幅度提高。因此當(dāng)今人們特別關(guān)注生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的比特電路制作技術(shù)是否發(fā)展到10 nm 以下的水平[35]。當(dāng)今在-100 °C 下出現(xiàn)超導(dǎo)電特性的材料具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，但保持超低溫度是一個(gè)比較耗能的技術(shù)。然而外太空的常規(guī)溫度范圍是-150 °C，如果發(fā)展出在這個(gè)溫度下帶有智能特性的超導(dǎo)材料技術(shù)，可對(duì)太空技術(shù)的發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐[1]。

當(dāng)物質(zhì)的尺度降低到100 nm 以下時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)某種之前不存在的效應(yīng)，稱為納米效應(yīng)，由此發(fā)展出了納米材料技術(shù)。以厚度不到1 nm 的單層碳原子面構(gòu)成的石墨烯為原料，可制成柔性透明的纖維板，用作柔性的電子設(shè)備觸摸屏，支撐人與電子設(shè)備的互動(dòng)行為。讓氧化鋅納米絲密集地生長(zhǎng)于紡織纖維的表面，則經(jīng)不同方式加工過的納米絲之間的摩擦做功就會(huì)轉(zhuǎn)變成電能。借助這種納米技術(shù)制成服裝后可在人們?nèi)粘５呐e動(dòng)行為中摩擦發(fā)電，服務(wù)于不同的微型用電設(shè)備，為人們的生活提供舒適和方便[26]。兩種電性不同的物質(zhì)并聯(lián)后，若兩連接端有溫差則會(huì)產(chǎn)生電壓，稱為熱電效應(yīng)。以這種原理可制成溫差發(fā)電器件，用于許多特殊場(chǎng)合，例如外太空陽光發(fā)電、無光源環(huán)境下的放射線刺激發(fā)電、發(fā)熱裝置余熱發(fā)電等[1]。

在生物醫(yī)學(xué)中材料的智能效應(yīng)也日益得到廣泛重視。將材料制成某種特定初始形狀，隨后按照材料原理改變其形狀，在特定外界條件下該材料可恢復(fù)其初始形狀，稱為形狀記憶效應(yīng)，該效應(yīng)已經(jīng)被用于制作心臟冠狀動(dòng)脈支架材料。醫(yī)用水凝膠是一種柔軟的、有良好的生物相容性的含水高分子材料。吸水后醫(yī)用水凝膠會(huì)增大，能減少周圍組織的摩擦損傷，可用作組織填充劑、藥物緩釋劑、接觸眼鏡、人工血漿、人造皮膚、組織工程支架材料等。人骨遭受損傷后在原支撐條件下有修復(fù)生長(zhǎng)的能力，當(dāng)損傷嚴(yán)重失去原支撐條件，則這種修復(fù)能力很難實(shí)現(xiàn)。如果在嚴(yán)重?fù)p傷部位植入可降解人工骨材料，首先可以維持原有支撐條件；另外其可降解特性使得在人骨修復(fù)生長(zhǎng)過程中逐漸降解，不斷被新生骨所取代，致使損傷部位恢復(fù)到接近損傷發(fā)生前的骨結(jié)構(gòu)狀態(tài)。對(duì)于嚴(yán)重?cái)嗔训拈_放性骨損傷，可根據(jù)損傷部位形狀的三維尺度(3D)打印制作出帶空隙、可降解人工骨網(wǎng)，并裝入損傷部位以支撐起損傷的骨結(jié)構(gòu)[36]，其空隙為人骨的修復(fù)生長(zhǎng)留出空間，可降解的三維人工骨網(wǎng)會(huì)不斷降解，以便長(zhǎng)出全新真骨。

相關(guān)實(shí)例，不勝枚舉。由此可見，第四次工業(yè)革命是一場(chǎng)用智能設(shè)施取代和擴(kuò)張人的智力勞動(dòng)的革命，其中許多智能技術(shù)或智能材料技術(shù)所表現(xiàn)出來的能力是人的智能尚無法直接實(shí)現(xiàn)的能力。

結(jié)束語

工業(yè)革命是自人類近現(xiàn)代商品和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以來持續(xù)出現(xiàn)的、用機(jī)器從各方面取代人力的一種技術(shù)革命，借以提高勞動(dòng)效率和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。工業(yè)革命可導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、國(guó)力強(qiáng)盛，其間材料技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步始終發(fā)揮著關(guān)鍵性基礎(chǔ)作用。在歷次工業(yè)革命中，歐美國(guó)家一直發(fā)揮著引領(lǐng)作用。因歷史的局限，中國(guó)長(zhǎng)期處于學(xué)習(xí)和跟進(jìn)狀態(tài)，并正努力嘗試對(duì)工業(yè)革命的進(jìn)程作出積極的、乃至創(chuàng)新性的貢獻(xiàn)。