材料革命是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的源動力

何 維

材料（Material）是構(gòu)成物體的物質(zhì)或物質(zhì)的混合物。1836 年，丹麥考古學家C.J.湯姆森（Christian Jürgensen Thomsen）首次提出，把石器時代（Stone Age）、青銅時代（Bronze Age）和鐵器時代（Iron Age）作為歷史文化研究的階段劃分，也是首次將某一歷史時期的人類所利用的主要材料作為歷史發(fā)展的階段性標志[1]?？枴ゑR克思（Karl Marx）在其《資本論》中，深刻闡釋了人類社會生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的辯證統(tǒng)一關(guān)系，概括了生產(chǎn)力構(gòu)成中勞動者、勞動對象和勞動資料這三個基本構(gòu)成要素[2]?？枴ゑR克思和弗里德里?！ざ鞲袼梗‵riedrich Engels）指出：“分工發(fā)展的各個不同階段，同時也就是所有制的各種不同形式。這就是說，分工的每一個階段還根據(jù)個人與勞動的材料、工具和產(chǎn)品的關(guān)系決定他們相互之間的關(guān)系?！盵3]顯然，馬克思主義生產(chǎn)力學說不再孤立地單純地研究生產(chǎn)力，而是把握生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系對立統(tǒng)一關(guān)系，闡釋了生產(chǎn)力對生產(chǎn)關(guān)系的決定性作用，闡明了生產(chǎn)關(guān)系也是一種客觀的物質(zhì)關(guān)系，受生產(chǎn)力水平所制約，生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系相互作用，推動生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系不斷向前發(fā)展，由低級階段向高級階段不斷演變。材料屬于生產(chǎn)力中勞動對象的范疇，在生產(chǎn)力中發(fā)揮重要底層支撐的作用。勞動資料是勞動者用以作用于勞動對象的物，或物的綜合體，其中以生產(chǎn)工具為主，亦包括在生產(chǎn)過程中所必要的物質(zhì)條件，如土地、建筑物、動力、交通運輸?shù)?，其中以能源為基礎(chǔ)的動力是一個更為關(guān)鍵的要素。勞動對象是指生產(chǎn)過程中被加工的東西，包括從自然界獲取的物質(zhì)資料和經(jīng)過勞動加工而制造出來的原材料。勞動資料和勞動對象統(tǒng)稱為生產(chǎn)資料。生產(chǎn)工具直接反映了人類利用自然世界的質(zhì)量與水平，反映了生產(chǎn)力的性質(zhì)與發(fā)展水平，也是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要標志。從毛澤東提出的矛盾普遍性法則出發(fā)[4]，筆者認為，生產(chǎn)力構(gòu)成中也一定存在著矛盾運動，存在著勞動者（人）與生產(chǎn)資料（物）之間的矛盾運動。在生產(chǎn)資料（物）的構(gòu)成中存在著勞動對象與勞動資料之間的矛盾運動。從毛澤東提出的矛盾特殊性法則出發(fā)[4]，筆者認為，在勞動者與生產(chǎn)資料的矛盾中，勞動者應是矛盾的主要方面。在勞動對象與勞動資料的這對生產(chǎn)力物質(zhì)矛盾運動中，勞動對象應是矛盾的主要方面。矛盾的主要方面決定了事物性質(zhì)。

隨著材料的廣泛應用，材料的基本定義與分類不斷演變。目前，材料一般是指人類用來制造機器、構(gòu)件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)?；谶@一定義，一些物質(zhì)不納入材料范疇，如燃料和化工原料、工業(yè)化學品、食物和藥品等。材料的分類也比較繁雜。按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。按用途可分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。實際應用中又常分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是以力學性質(zhì)為基礎(chǔ)，用以制造以受力為主的構(gòu)件。結(jié)構(gòu)材料也有物理性質(zhì)或化學性質(zhì)的要求，如光澤、熱導率、抗輻照、抗氧化、抗腐蝕能力等。根據(jù)材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對外界變化產(chǎn)生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。除了材料的分類以外，材料的等級劃分也很重要。第一級材料是初級材料，指較易獲取與加工、成本低、應用廣泛的材料，如鐵、銅、鋁、木材等。第二級材料是中級材料，指由初級材料系列加工而成、具有復雜結(jié)構(gòu)和特定功能的材料，如高強度鋼材、特種合金等。第三級材料是高級材料，由中級材料經(jīng)過更復雜的加工與改性而成，其性能更優(yōu)異，應用更廣泛。

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀70 年代，人們把信息、材料和能源視為社會文明的支柱。人類所掌握的技術(shù)最初源于人類生產(chǎn)生活實踐經(jīng)驗?？茖W誕生后，尤其是進入現(xiàn)代科學階段，科學知識與原理轉(zhuǎn)化成技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)生的主要路徑。20 世紀，一些跨學科科學領(lǐng)域逐漸形成，四個新興學科最為典型：一是生物通信、信息論、市場學、公共關(guān)系學、電子通信以及其他通信學科交融結(jié)合形成現(xiàn)代通信科學。二是建立計算機科學。在理論語言學、離散數(shù)學和電子工程基礎(chǔ)上，計算機科學研究計算的本質(zhì)和極限，包括計算理論、計算復雜度、數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡(luò)、人工智能、計算機硬件設(shè)計等子學科。相對于軟件工程，計算機科學更強調(diào)其數(shù)學理論基礎(chǔ)，后者則強調(diào)程序和軟件設(shè)計的實踐。三是材料科學植根于金屬學、礦物學和晶體學，同時結(jié)合了化學、物理和一些工程學科，形成了現(xiàn)代材料科學。四是建立生命科學。生命科學整合生物學、物理學、化學、醫(yī)學、農(nóng)學、信息學、社會倫理學等學科，形成綜合性學科，對微生物、動物、植物等所有生命對象進行系統(tǒng)研究，對生物技術(shù)在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、保健、食品工業(yè)、制藥等行業(yè)的廣泛應用產(chǎn)生重要影響。在上述四個科學新興學科發(fā)展影響和經(jīng)濟全球化的帶動下，20 世紀80 年代后，高新技術(shù)群興起。一般認為，高新技術(shù)包括六大技術(shù)領(lǐng)域，即信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、空間技術(shù)和海洋技術(shù)?；谏鲜鏊膫€科學新興學科的帶動作用，信息技術(shù)、能源技術(shù)、材料技術(shù)和生物技術(shù)成為新技術(shù)革命的主導技術(shù)、發(fā)展重點和戰(zhàn)略制高點。

當前，新一輪科技革命正在孕育演進，未來產(chǎn)業(yè)變革加速演變，新材料（New materials）或先進材料（Advanced materials）正在成為推動科技革命發(fā)展與未來產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力量和戰(zhàn)略制高點。習近平總書記近期強調(diào)要積極培育包括新材料在內(nèi)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力[5，6]。鑒于此，本文主要回顧了三次工業(yè)革命中材料對科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的決定性作用，并就新材料的作用與前景簡要地表述了有關(guān)觀點。

一、材料對科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的決定性作用

工業(yè)革命（Industrial revolution），又稱產(chǎn)業(yè)革命，指近代農(nóng)業(yè)和手工業(yè)經(jīng)濟向工業(yè)和機器制造的歷史轉(zhuǎn)變過程。技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革引發(fā)人類生產(chǎn)和生活方式發(fā)生新的深刻變化，社會形態(tài)發(fā)生巨變。工業(yè)革命有時特指第一次工業(yè)革命。在近代史研究中，有時把工業(yè)革命也稱為科技革命（The revolution of science and technology）。而科學革命（Scientific revolution），則指近代史上，歐洲文藝復興結(jié)尾階段到18 世紀末期間，數(shù)學、物理學、天文學、生物學、化學等科學學科由萌芽到不斷進步的歷史進程。

回顧石器時代（距今260 萬年或250 萬年至距今5000 年或2000 多年前）、青銅器時代（從公元前4000 年至公元初年）和鐵器時代（公元前3000 年或公元前2000 年至18 世紀60 年代或70年代，第一次工業(yè)革命普遍發(fā)展時），會發(fā)現(xiàn)各時代的重要材料選擇往往決定了該時代的發(fā)展，而材料發(fā)展一直在不斷突破人類社會生產(chǎn)的能力極限。在舊石器時代（Paleolithic age，結(jié)束于農(nóng)業(yè)文明的出現(xiàn)，距今約1.2 萬年前），人類將石英石、燧石等天然石材打制成石器工具。進入新石器時代（Neolithic age），除了磨制石器，還可用粘土（SiO2、Al2O3）燒制陶器作為生活用品為主。瓷器起源于公元前16 世紀的中國商代，技術(shù)源于陶器制作。最早的瓷器由高嶺土所制，密度較低，硬度較高，稱之為白陶。采用高溫技術(shù)條件后，瓷器的性能大大提高。中國是最早生產(chǎn)和使用瓷器的國家。自東漢時期開始，延續(xù)到近代。青銅器（Bronze Ware）是紅銅與錫、鉛等元素形成的合金。我國青銅器早在仰韶文化時期（公元前5000年至3000 年）就已出現(xiàn)。青銅器是當時生活用具（容器）、兵器和工具等。一般認為，鐵器時代是人類發(fā)展史中一個極為重要的歷史發(fā)展階段。之所以重要，主要是人類對鐵元素的利用從含天然鐵的隕石發(fā)展為以冶煉青銅基礎(chǔ)發(fā)展的冶鐵技術(shù)對鐵礦石利用。冶鐵和鐵器制造極大地改進和發(fā)展了生產(chǎn)工具，使人類利用和改造自然資源的能力大為提高。土耳其北部赫梯先民墓葬出土的銅柄鐵刃匕首，經(jīng)檢驗為冶煉所制，距今4500 年。我國在春秋時期開始大量使用鐵器，戰(zhàn)國時期使用鐵模鑄造，西漢采用煤作燃料。鐵器在農(nóng)業(yè)文明后期，主要用于農(nóng)具、兵器、生活用品以及祭祀用器等。

第一次和第二次工業(yè)革命的時代劃分不再以材料來冠名。如普遍把第一次工業(yè)革命時期稱之為蒸汽時代（the Age of Steam），把第二次工業(yè)革命時期稱之為電氣時代（the Age of Electricity，電力與燃氣為主要動力）。也有人把工業(yè)革命以后的時代稱之為機器時代（the Age of Machines）。在此期間，人類生產(chǎn)方式逐漸轉(zhuǎn)為機械化，產(chǎn)生以機器取代人力、畜力的趨勢，形成以大規(guī)模的工廠生產(chǎn)取代手工生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)革命，并促進了科學革命向縱深發(fā)展。但是，材料依然是上述工業(yè)革命重要的基礎(chǔ)性構(gòu)成。

從歷史和哲學的研究出發(fā)，能源材料也應屬于材料范疇。就勞動資料而言，勞動對象中經(jīng)過勞動加工而制造出來的主要材料和重要生產(chǎn)工具無疑是十分重要的。在勞動對象與勞動資料的矛盾運動中，也存在各種材料與勞動資料各種要素間的矛盾運動，這其中主要材料和重要生產(chǎn)工具之間的矛盾關(guān)系應該是主要矛盾，兩者間的對立統(tǒng)一關(guān)系決定生產(chǎn)力中物質(zhì)的性質(zhì)，而主要材料是矛盾的主要方面，對生產(chǎn)力中物的性質(zhì)與水平產(chǎn)生決定性影響，重要生產(chǎn)工具是矛盾的次要方面，但通過重要工具的發(fā)展和技術(shù)需求對主要材料產(chǎn)生反作用，促使其種類、質(zhì)量、數(shù)量等不斷發(fā)生變化，乃至出現(xiàn)革命?；谏鲜稣J識，筆者把與科技革命與產(chǎn)業(yè)變革密切相關(guān)的勞動資料概括提煉為材料、能源、關(guān)鍵設(shè)備三大要素，以此來勾畫其時代內(nèi)涵的外延特征。

材料和能源屬于勞動對象。各種材料中的主要材料是指對生產(chǎn)工具，尤其是對重要生產(chǎn)工具產(chǎn)生決定性制約作用的基礎(chǔ)性標志性材料。關(guān)鍵設(shè)備屬于重要的生產(chǎn)工具，是指對生產(chǎn)力發(fā)展起關(guān)鍵主導作用的生產(chǎn)工具。生產(chǎn)力自身矛盾運動實質(zhì)上主要體現(xiàn)在主要材料與重要生產(chǎn)工具之間的矛盾運動。這種矛盾運動推動著世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)生與發(fā)展。希望從工業(yè)革命的歷史回顧中，驗證上述理論推導與認知的客觀性，并對未來科技革命方向與重點的認識有所啟迪。因此，筆者認為，第一次工業(yè)革命（First industrial revolution,1760 年至1870 年）[7]是以鋼鐵為主要材料，以煤為主要能源，以蒸汽機為關(guān)鍵設(shè)備（重要生產(chǎn)工具）的產(chǎn)業(yè)革命。

將煤經(jīng)分解蒸餾制備成焦炭，使其成為低雜質(zhì)的高碳含量燃料，代替木炭冶煉鋼鐵，降低了生鐵和鍛鐵生產(chǎn)的燃料成本，也增大了鋼鐵的韌性和強度。1961 年，廣東新會發(fā)現(xiàn)南宋末年（約1270 年前后）煉鐵遺址時，不僅發(fā)現(xiàn)了爐渣、石灰石、鐵礦石，還發(fā)現(xiàn)了焦炭。這是世界上冶鐵用焦炭的最早歷史考證。1709 年，英國亞伯拉罕·達比（Abraham Darby）成功地采用焦炭替代木炭煉鐵，并獲得了這項技術(shù)專利。煤變焦炭，是當時能源材料一項重大的進步。焦炭使鋼鐵業(yè)產(chǎn)生歷史性進步，為當時各種新型機器制造提供了關(guān)鍵性原材料。

1679 年，法國物理學家丹尼斯·帕潘（Denis Papin）發(fā)明了蒸汽蒸煮器。同年，他建造了一個活塞式蒸汽機的模型。紐可門蒸汽機是由英國鐵匠托馬斯·紐可門（Thomas Newcomen）于1712 年發(fā)明的蒸汽機。它是第一個利用蒸汽產(chǎn)生機械功的實用設(shè)備。紐可門蒸汽機（Newcomen steam engine）很快推廣至英國和歐洲，用于礦井中抽水排水。在18 世紀，有數(shù)百臺紐可門蒸汽機被應用 。

1757 年，詹姆斯·瓦特（James Watt）得益于格拉斯哥大學教授的幫助，在大學里開設(shè)了一間小型的儀器修理店。之前，瓦特曾在倫敦一家儀表修理廠做了一年徒工。1763 年，瓦特在修理一臺紐可門蒸汽機時，發(fā)現(xiàn)蒸汽熱量損耗大，做了將冷凝器與氣缸分離的改進，研制了分離式冷凝，大大提高了蒸汽機的機械能效率。后來，瓦特對蒸汽機進行了一系列技術(shù)改進，包括利用精密鏜孔加工技術(shù)改進活塞與氣缸的加工制造工藝；瓦特的員工威廉·默多克（William Murdoch）發(fā)明“太陽與行星”的曲柄齒輪傳動系統(tǒng)，使蒸汽機的直線往復運動轉(zhuǎn)化為圓周運動，使蒸汽機能為絕大多數(shù)機器提供動力；發(fā)明了雙向氣缸；使用節(jié)氣閥門與離心節(jié)速器來控制氣壓與蒸汽機的運轉(zhuǎn)；發(fā)明了一種氣壓示工器來指示蒸汽狀況；發(fā)明了三連桿組保證氣缸推桿與氣泵的直線運動；引進了高壓蒸汽技術(shù)等。所有這些革新結(jié)合到一起，使得瓦特的新型蒸汽機的效率是紐可門蒸汽機的5倍。1794 年，瓦特與博爾頓合伙組建了專門制造蒸汽機的公司。在博爾頓的成功經(jīng)營下，該公司到1824 年就生產(chǎn)了1165 臺蒸汽機。瓦特蒸汽機被廣泛地應用于工廠，成為幾乎所有機器的動力，改變了生產(chǎn)方式，正是這一巨大的蒸汽動力技術(shù)進步拉開了第一次工業(yè)革命的序幕。工廠的選址不必再依賴于煤礦，可建立在更經(jīng)濟更有效的地方；也不必依賴于水能，并且可常年運轉(zhuǎn)。生產(chǎn)方式的變革極大促進了規(guī)?；圃鞓I(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展，在極大提高生產(chǎn)率的同時也提高了商業(yè)投資效率。蒸汽機也為一系列精密加工的革新提供了可能，更高的工藝促進各種機器包括蒸汽機本身的性能提高。經(jīng)過不斷努力，引入更高氣壓的蒸汽機，蒸汽火車和蒸汽輪船相繼問世。

在第一次工業(yè)革命中，材料起到了至關(guān)重要的作用。這一時期的工業(yè)革命標志著從手工生產(chǎn)向機械化大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，而材料的發(fā)展和應用在這一轉(zhuǎn)變中發(fā)揮了重要作用。在此期間，金屬材料的應用得到了極大的發(fā)展。例如，鐵的冶煉和應用，使得鐵路、橋梁、機械設(shè)備等的制造成為可能，推動了工業(yè)的發(fā)展。對煤炭等燃料材料需求的大大增加，成為推動工業(yè)革命的重要動力。煤炭的廣泛應用使得蒸汽機的發(fā)展成為可能，推動了工業(yè)生產(chǎn)的機械化。第一次工業(yè)革命也催生了一些新的材料的發(fā)展和應用，例如化學合成材料的發(fā)展，使得塑料、橡膠等新材料的應用成為可能，為工業(yè)生產(chǎn)提供了更多的選擇?？傊?，材料的應用和發(fā)展使工業(yè)的機械化、大規(guī)模生產(chǎn)得以實現(xiàn)，成為工業(yè)革命的重要基礎(chǔ)。馬克思在《資本論》中闡述了勞動對象原料鋼鐵的重要性，指出機器生產(chǎn)機器—工具機在勞動資料中支配地位以及對生產(chǎn)方式變革的關(guān)鍵影響[8]。第一次工業(yè)革命的歷史告訴我們，鋼鐵使木質(zhì)針織機成為鋼鐵針織機，鋼鐵材料使高壓蒸汽成為更有效動力，瓦特蒸汽機成為各種機器的源動力。在這一生產(chǎn)方式的變革中，鋼鐵作為主要材料無疑起到最基礎(chǔ)的支撐作用。煤成為焦炭才使高質(zhì)鋼鐵得以冶煉成功，因此，能源材料的工藝技術(shù)進步與新型原材料的產(chǎn)生對設(shè)備性材料轉(zhuǎn)型升級也是至關(guān)重要的。縱觀材料發(fā)展史，材料應用的類別不斷擴展和材料的等級不斷提升是材料發(fā)展的兩大方面。第一次工業(yè)革命開啟了材料這兩方面的不斷演進與革命。

第二次工業(yè)革命（Second industrial revolution，1840 年至1945 年）[9]一般指1870 年至1945 年的工業(yè)革命，從英國向西歐和北美蔓延。一些國家包括英國、德意志帝國、法蘭西第三共和國、低地國家和丹麥，美國以及1870 年后的日本，工業(yè)得到飛速發(fā)展。第二次工業(yè)革命以電力的大規(guī)模應用為代表，電燈的發(fā)明為標志，用上了石油能源。筆者認為，第二次工業(yè)革命是以合金、化學材料（石油衍生物）為主要材料，以石油、煤為主要能源，以電力、燃氣為主要動力、以內(nèi)燃機為關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)革命。在這次革命中，新技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)，特別是技術(shù)促使電力、內(nèi)燃發(fā)動機、新型材料（包括新的合金和化學品）等出現(xiàn)，以及通信技術(shù)發(fā)展推動電報和無線電問世等。

合金（Alloy），指兩種或兩種以上化學物質(zhì)（至少有一組分為金屬）混合而成，具有金屬特性的物質(zhì)。合金某些特性比純金屬好，有特定的用途。鋼、焊料、黃銅、白镴、磷青銅及汞齊等都是合金。鐵分為生鐵和熟鐵。熟鐵、鋼和生鐵都是鐵碳合金，以碳的含量多少來區(qū)別。一般含碳量小于0.2%的叫熟鐵或純鐵，含量在0.2%至1.7%的叫鋼，含量在1.7%以上的叫生鐵。熟鐵軟，塑性好，容易變形，強度和硬度均較低，用途不廣。生鐵含碳很多，硬而脆，幾乎沒有塑性。鋼具有生鐵和熟鐵兩者優(yōu)點，為人類廣泛利用。鋼則為鐵和碳的合金，是目前為止用量最大，用途最廣泛的合金。硬質(zhì)合金具有高硬度、耐磨、強度和韌性較好等一系列優(yōu)良性能，用途十分廣泛，用于切削工具、地質(zhì)礦山鉆頭工具、各類模具、結(jié)構(gòu)零件、耐磨零件、耐高壓高溫用腔體等，對生產(chǎn)工具和設(shè)備關(guān)鍵零部件產(chǎn)生關(guān)鍵支撐作用。

石油（Petroleum），是一種黏稠的、深褐色液體。存在于地殼上層，由不同的碳氫化合物混合組成，其主要組成成分是烷烴，還含有硫、氧、氮、磷、釩等元素，主要被用來作為燃油和汽油，燃料油和汽油是目前世界上最重要的一次能源。盡管石油在古代曾用于建筑、防腐、制藥、燃料等，但現(xiàn)代石油歷史始于1846 年，加拿大大西洋省區(qū)的亞布拉罕·季斯納（Abraham Gesner）發(fā)明了從煤中提取煤油的方法。1852 年，波蘭人伊格納齊·武卡謝維奇（Ignacy ?ukasiewicz）發(fā)明了使用更易獲得的石油提取煤油的方法。次年，波蘭南部克洛斯諾附近開辟了第一座現(xiàn)代的油礦。這些發(fā)明很快就在全世界普及開來了。1846 年，巴庫建立了第一座現(xiàn)代化開采的石油油井，并在1861 年建立了世界上第一座煉油廠。當時，巴庫出產(chǎn)世界上90%的石油。19 世紀，石油工業(yè)的發(fā)展緩慢，提煉的石油主要是用來作為油燈的燃料。20 世紀初，隨著內(nèi)燃機的發(fā)明而情況驟變，石油成為了最重要的內(nèi)燃機燃料。到1910 年，在加拿大、荷屬東印度、伊朗、秘魯、委內(nèi)瑞拉和墨西哥發(fā)現(xiàn)了新的油田。這些油田迅速被工業(yè)化開發(fā)利用。除了作為燃料外，石油還逐步成為化學品的重要來源。石油化學工業(yè)可從石油中獲取300多個基本化合物，其中包括乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等。今天約5%至20%的石油用作化學工業(yè)的原材料。幾乎所有的化工產(chǎn)品在其生產(chǎn)過程中都需要從石油中獲得基本化合物。直到1950 年代中期為止，煤依然是世界上最重要的燃料，但石油的消耗量增長迅速。

內(nèi)燃機（Internal combustion engine）是熱機中的一種，能將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為動能。其實現(xiàn)方式為：燃料與空氣混合燃燒，產(chǎn)生熱能，氣體受熱膨脹，通過機械裝置轉(zhuǎn)化為機械能對外做功。內(nèi)燃機有非常廣泛的應用，車輛、船舶、飛機、火箭等的引擎基本都是內(nèi)燃機，最常見的例子為車用汽油機與柴油機。18 世紀廣泛使用的蒸汽機促進了當時工業(yè)化的發(fā)展，但因為蒸汽機是外燃機，效率較低且結(jié)構(gòu)笨重。為此，促使了人們對內(nèi)燃機的研制。1860 年，比利時工程師艾蒂安·勒努瓦（étienne Lenoir）以蒸汽機為藍本，制成了世界首臺以天然氣為燃料的實用性燃氣發(fā)動機，獲得了專利并批量生產(chǎn)。盡管它的效率僅有2%至3%，但宣告了蒸汽時代即將結(jié)束，蒸汽動力將讓位于燃氣動力。1862 年至1876 年間，德國工程師尼古拉斯·奧托（Nicolaus Otto）通過較高的氣體熱膨脹使得燃氣發(fā)動機的熱效率達到了10%。因其發(fā)動機效率高出同期產(chǎn)品一倍，在1867 年巴黎博覽會上榮獲了最高獎。1876 年，奧托將氣體壓縮，制成了“新奧托發(fā)動機”（Neuer Otto-Motor），使效率提高至12%，這成為四沖程發(fā)動機的原型。但是，由于這臺發(fā)動機使用煤氣為燃料，阻礙了其推廣。1885 年，德國發(fā)明家、企業(yè)家戈特利布·威廉·戴姆勒（Gottlieb Wilhelm Daimler）制成了第一臺汽油內(nèi)燃機，并于次年造出第一輛用該內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車。1893 年，德國工程師魯?shù)婪颉た死锼骨佟た枴さ胰麪枺≧udolf Christian Karl Diesel）制成了一臺四沖程發(fā)動機，即世界首臺柴油機?？諝庠趬嚎s行程中被活塞劇烈壓縮而產(chǎn)生高溫，之后燃料被噴入氣缸，隨即發(fā)生自燃。通過大幅高壓縮比的方法，使得效率接近了27%。不過早期的燃料都是依靠空氣被噴射入氣缸的，直至1922 年德國工程師羅伯特·博世（Robert Bosch）開發(fā)出了機械噴射裝置。1903年，挪威工程師延斯·威廉·埃吉迪烏斯·艾林（Jens William ?gidius Elling）制成了首臺燃氣渦輪發(fā)動機。德國機械工程師菲力斯·亨利奇·汪克爾（Felix Heinrich Wankel）于1929 年獲得轉(zhuǎn)子發(fā)動機專利。這種特殊的活塞式發(fā)動機被廣泛稱作汪克爾發(fā)動機，其成品直到1950 年代才出現(xiàn)。在1930 年代，英國航空發(fā)動機工程師弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）和德國物理學家漢斯·約阿希姆·帕布斯特·馮·奧海恩（Hans Joachim Pabst von Ohain）各自取得了渦輪噴氣發(fā)動機的專利，被認為是噴氣發(fā)動機的發(fā)明人。綜上所述，內(nèi)燃機在第二次工業(yè)革命期間一直不斷研制改進，為交通工具提供引擎，推動內(nèi)燃機驅(qū)動的輪船、飛機和汽車的廣泛應用。煉鋼的關(guān)鍵發(fā)明，比如“貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼法”和“西門子平爐”，都在1871 年前的10 年間出現(xiàn)。鋼鐵生產(chǎn)變得更便宜，使當時的蒸汽機運輸更加便宜和快捷。

材料在內(nèi)燃機的發(fā)展中扮演著關(guān)鍵的角色，不同種類的材料被用于內(nèi)燃機的不同部件，以提高性能、效率和可靠性。內(nèi)燃機的缸體、曲軸、連桿等關(guān)鍵零部件需要高強度金屬材料，如使用鋁合金或鈦合金制造的活塞和曲軸，以及用于制造活塞環(huán)和氣門的特殊合金材料。這些材料具有優(yōu)異的強度、耐磨損性和耐高溫性能，能夠承受內(nèi)燃機高溫高壓環(huán)境下的工作要求。內(nèi)燃機的活塞、氣缸套和氣門等部件有承受高溫和高壓的條件要求，常常采用鎳基合金和鉬合金等具有良好的耐高溫性能和抗氧化性能的熱穩(wěn)定材料，以確保內(nèi)燃機在高溫工作環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐久性。內(nèi)燃機的散熱器和冷卻系統(tǒng)則需要鋁合金和銅合金等熱傳導材料，將內(nèi)燃機產(chǎn)生的熱量傳導和散發(fā)出去，達到有效地管理內(nèi)燃機熱量的目的。內(nèi)燃機的熱傳導材料通常是用于制造散熱器和冷卻系統(tǒng)的金屬材料，例如鋁合金和銅合金。這些材料具有良好的熱傳導性能，能夠有效地將內(nèi)燃機產(chǎn)生的熱量傳導和散發(fā)出去，以保持內(nèi)燃機在適宜的溫度范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。內(nèi)燃機的燃料噴射系統(tǒng)（噴油噴嘴等）通常使用耐腐蝕和高壓的材料，主要為不銹鋼、特殊合金、塑料和橡膠等。內(nèi)燃機的潤滑系統(tǒng)所用的潤滑材料為各種類型的潤滑油，包括礦物油、合成油和半合成油等，能夠在內(nèi)燃機的各個摩擦部位形成均勻的潤滑膜，減少金屬部件之間的摩擦和磨損，同時還能夠冷卻和清潔內(nèi)燃機的各個部件。內(nèi)燃機的電子材料通常包括用于制造控制系統(tǒng)和傳感器的材料，例如硅、鎳、銅、金、鋁等。這些材料被用于制造集成電路、傳感器、線路板等電子元件，以實現(xiàn)內(nèi)燃機的精準控制和監(jiān)測。綜上所述，這些材料在內(nèi)燃機的設(shè)計和制造中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，對內(nèi)燃機的性能、效率和可靠性產(chǎn)生著深遠的影響。材料的不斷改進創(chuàng)新推動內(nèi)燃機效能和安全性不斷優(yōu)化。整個歷程達百余年之久，一部內(nèi)燃機發(fā)展史就是材料的發(fā)展史！這也是勞動對象決定生產(chǎn)工具的有力證明！合金材料作為主要材料，決定著內(nèi)燃機這種重要生產(chǎn)工具的發(fā)展。

電的發(fā)明與應用是一個漫長而復雜的歷史過程。古希臘人早在公元前600 年左右就發(fā)現(xiàn)了一些靜電現(xiàn)象，如觀察琥珀摩擦后會吸引輕物體。然而，對電的認識直到近代才有所突破。在17 世紀，科學家開始系統(tǒng)研究電的性質(zhì)，如奧姆、法拉第、庫侖等人對電進行了深入研究，闡釋了一些重要科學原理。1800 年，意大利科學家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta）發(fā)明了第一塊原始電池，這也成為電的生產(chǎn)技術(shù)誕生的標志。電的應用始于19 世紀，首先是在通信領(lǐng)域，如電報的發(fā)明和應用。隨后，電的應用逐漸擴展到照明、動力、電磁學、電化學等領(lǐng)域。隨著電磁學的發(fā)展，法拉第和亨利等科學家的工作為電動機、變壓器和發(fā)電機的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。發(fā)電機的發(fā)明和電力系統(tǒng)的建立使得電能得以大規(guī)模地生產(chǎn)和傳輸，從而推動了第二次工業(yè)革命的發(fā)展。

在上述歷史過程中，材料對電的生產(chǎn)、傳輸與應用起到基礎(chǔ)性支撐作用，對生產(chǎn)工具的改進與應用產(chǎn)生重要影響。電的最早使用始于電報。電報是利用電信號傳遞文字、圖片等信息的通訊手段。1837 年，美國發(fā)明家塞繆爾·莫爾斯（Samuel Morse）與其同事阿爾弗雷德·維爾斯頓（Alfred Vilston）共同發(fā)明了世界第一臺有線電報。這一發(fā)明標志著電信技術(shù)的重大進步，對于當時的通信領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠影響。1839 年，首條真正投入使用營運的電報線路在英國出現(xiàn)，裝設(shè)在大西方鐵路兩個車站之間作通信之用，長13 英里。早期的電報只能在陸地上通信，后來使用了海底電纜，開展了越洋服務(wù)。到了20 世紀初，開始使用無線電報，電報業(yè)務(wù)基本上已能抵達地球上大部分地區(qū)。因為可以直接使用，銅（Copper）的使用已有一萬年的歷史。公元前3500 年，人們用銅與另一種金屬錫鍛造成了人類史的第一個合金——青銅。95%的銅是在1900 年后開采冶煉的。銅在地球中有巨大儲量，世界上第一條有線電報線就是使用銅制造的。因為銅具有良好的導電性和耐腐蝕性，適合用于長距離的電信傳輸。銅線的使用為早期的電報系統(tǒng)提供了可靠的信號傳輸，奠定了電信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的發(fā)展，其他類型的電報線也陸續(xù)出現(xiàn)，如鐵線和鋼線，但銅線在早期的電信系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用。電報機的零部件，如繼電器、開關(guān)、電磁鐵等，需要使用導電材料、磁性材料和機械強度高的金屬材料。這些材料的應用為有線電報系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

1854 年，美國發(fā)明家亨利·戈培爾（Henry Goebel）將一根炭化的竹絲放在真空的玻璃瓶下通電發(fā)光。美國發(fā)明家托馬斯·阿爾瓦·愛迪生（Thomas Alva Edison）繼此改良出鎢絲燈泡，在美國獲得了“碳絲白熾燈”的專利。愛迪生在美國持有擁有1093 項專利，其專利發(fā)明物：電燈泡、留聲機、活動電影攝影機、直流電力系統(tǒng)、蠟制印刷滾筒等廣為人知。而這些發(fā)明，是在以電力為基礎(chǔ)的背景下產(chǎn)生的。在同樣的條件下，電話也問世了。1876 年3 月10 日，美國發(fā)明家亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）與他的同事試驗了世界上第一臺可用的電話機，使用了鐵絲作為電話線的材料。選用鐵絲是因為它的導電性能相對較好，并且在當時的技術(shù)條件下較容易獲得和加工。但鐵絲的電阻較大，導致信號衰減嚴重，影響了通話質(zhì)量。隨著對通信質(zhì)量要求的不斷提高，人們開始尋找更好的導電材料。在19 世紀末至20 世紀初，電話系統(tǒng)逐漸開始采用銅線作為電話線的材料。銅具有良好的導電性能，能夠有效地傳輸電信號，并且相對于鐵絲來說，銅線的電阻較小，有助于減少信號衰減。因此，銅線的使用顯著改善了電話系統(tǒng)的通信質(zhì)量。為了防止電信號在傳輸過程中受到干擾或損失，電線需要絕緣材料來包裹。最初使用的絕緣材料可能是橡膠、絕緣漆等。從電報電話傳輸線路到電報機、電話機的運行，材料在有線通信系統(tǒng)的發(fā)明中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為后來的通信技術(shù)和電信行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時也標志著材料科學與技術(shù)在通信領(lǐng)域的重要應用。

無線電（Radio waves）是無線電波的簡稱，是一種電磁波，是在自由空間（包括空氣和真空）中傳播的電磁波。在電磁波譜上，其波長比紅外線長。和其他電磁波一樣，無線電波也以光速行進。自然界中的無線電波，主要是由閃電或宇宙天體形成。由人工產(chǎn)生的無線電波，是一種通信技術(shù)，應用在無線通信、廣播、雷達、通信衛(wèi)星、導航系統(tǒng)、電腦網(wǎng)絡(luò)方面。1867 年，蘇格蘭數(shù)學物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在數(shù)學理論上首次預測了無線電波。他的數(shù)學理論，現(xiàn)在稱為麥克斯韋方程組，預測耦合的電場和磁場可以作為“電磁波（Electromagnetic waves）”穿過空間。麥克斯韋提出光是由波長很短的電磁波組成的 。麥克斯韋在電磁學領(lǐng)域的功績實現(xiàn)了物理學自艾薩克·牛頓后的第二次統(tǒng)一[10]。1887 年，德國物理學家海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）在他的實驗室中通過實驗產(chǎn)生無線電波證明了麥克斯韋電磁波的真實性，表明它們表現(xiàn)出與光相同的波特性：駐波、折射、衍射和偏振。意大利發(fā)明家古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）在1894 至1895 年左右開發(fā)了第一臺實用的無線電發(fā)射器和接收器。1896年，馬可尼電報公司成立。20 世紀初，無線電技術(shù)開始得到商業(yè)應用，無線電通信系統(tǒng)逐步建立。在20 世紀20 年代，廣播電臺開始使用無線電技術(shù)進行廣播，使得無線電技術(shù)得到了大規(guī)模的應用和普及。20 世紀的兩次世界大戰(zhàn)期間，無線電技術(shù)在軍事通信、雷達和導航等方面得到了廣泛應用。正是無線電利用無線電波進行通信而無需通過有線電纜或其他物理連接的技術(shù)優(yōu)勢，使無線電在通信、廣播、雷達、導航和其他領(lǐng)域得到了廣泛應用。

在無線電技術(shù)中，材料發(fā)揮了重要支撐作用。無線電設(shè)備中使用的電子元件，如電容器、電感、晶體管、集成電路等，都需要使用半導體材料、金屬材料、絕緣材料等。無線電設(shè)備的天線需要使用具有良好導電性能和機械強度的金屬材料，如鋁、銅、鋼等。在無線電設(shè)備中，絕緣材料用于保護電子元件和線路，以防止電信號的泄漏和干擾。無線電設(shè)備線路的基板材料采用鋁制基板。無線電設(shè)備需要使用耐高溫、耐腐蝕的包裝材料，以保護設(shè)備內(nèi)部元件。材料科學和工程發(fā)展對無線電發(fā)展的支撐至關(guān)重要。無線電應用的意義重大，標志著人類對自然資源利用的能力由有形物質(zhì)向無形物質(zhì)的重大飛躍。

在上述歷史過程中，真空管（Vacuum Tube）發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。真空管，俗稱電子管，是一種電子元件，用于控制電子流的流動，是由一個或多個電子發(fā)射體（如熱陰極）和一個或多個電子收集體（如陽極）組成的真空封裝的設(shè)備，是一種最早期的電信號放大器件。真空管的歷史可溯自愛迪生效應，即電子管中的熱陰極發(fā)射電子的現(xiàn)象。當熱陰極受到加熱時，它會釋放出電子，并被陽極吸引，產(chǎn)生電流。真空管需要電子流來完成放大、開關(guān)和控制電路等功能，因此，愛迪生效應是真空管關(guān)鍵性的工作原理。19 世紀末，在馬可尼電報公司工作的英國科學家弗萊明（John A.Fleming）改進電報接收機關(guān)鍵電子器件粉末檢波器。1904 年，弗萊明根據(jù)愛迪生效應，用真空二極管作為無線電波檢波裝置，大大改善了電報檢波裝置的性能。真空二極管除檢波外，還有變交流電為直流電的整流作用。真空二極管是人類歷史上第一只電子器件。在美國從事無線電信號檢波工作的李·德弗雷斯特（Lee deForest）發(fā)現(xiàn)，在二極管的負極和正極之間加入一個柵極后，電信號顯著增強，于是第一只三極管于在1907 年問世。最初幾年，人們只是把真空二極管作為靈敏的探測器和檢波器，并不了解它還具有放大作用。事實上，三極管就是一個放大器。1919 年，德國人朔特基（Walter H.Schottky）提出在柵極和正極之間加一個簾柵極的設(shè)想。1926 年，英國人朗德（Henry J.Round）實現(xiàn)了朔特基的設(shè)想，發(fā)明了四極管。同年，荷蘭的霍爾斯特（Gilles Holst）和泰勒根（Bernard D.H.Tellegen）發(fā)明了五極管。真空管的相繼問世，促進了電子工業(yè)的興起。1920 年，美國威斯汀豪斯公司在匹茲堡開設(shè)了世界上第一座無線電電臺。1921 年，美國無線電股份有限公司成立，將分屬于馬可尼、貝爾電話、通用電氣、西屋和阿姆斯特等公司的有關(guān)專利匯集起來。生產(chǎn)電子管的大工廠在世界各地相繼建立，電子管進入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)階段。1925 年，隨著無線電廣播的發(fā)展，收音機開始上市。同年，英國人貝爾德（John L.Baird）制造出第一臺能傳輸圖像的機械式電視機。到20 世紀30 年代末，真空管已經(jīng)滲透到各應用領(lǐng)域，成為無線電技術(shù)的一種無可替代的核心技術(shù)產(chǎn)品。直到20世紀50 年代前期，真空管仍處于蓬勃發(fā)展的狀態(tài)。真空電子器件的發(fā)展帶動了各種電子設(shè)備的發(fā)展，使無線電通信、電話、廣播、電視等電子信息產(chǎn)業(yè)成為當時世界工業(yè)體系中最為龐大的產(chǎn)業(yè)之一。

人們將能源（Energy）按基本形態(tài)，分類為一次能源（Primary energy）和二次能源（Secondary energy）。一次能源，即天然能源，指在自然界現(xiàn)成存在的能源，如煤炭、石油、天然氣、水能等。二次能源是指由一次能源加工轉(zhuǎn)化的能源產(chǎn)品，如電力、煤氣、蒸汽等。按馬克思主義經(jīng)典理論，一次能源屬于勞動對象，而二次能源的能源產(chǎn)品屬于勞動資料。工業(yè)革命不僅將一次能源的煤炭轉(zhuǎn)化成為蒸汽動力，而且還將一次能源的煤炭、水能等轉(zhuǎn)化成為電力。19 世紀70 年代，歐洲進入電力革命時代。電力，也稱之為電能（Electric energy），指使用電來做功的能力。發(fā)電（Electricity generation）意指從其他種類的能源轉(zhuǎn)換為電力的過程。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電產(chǎn)生的電能會經(jīng)由輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)，傳送到使用者或儲能系統(tǒng)。1820至1830年間，英國科學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）[11]提出電磁場的概念，發(fā)現(xiàn)了電磁感應的原理、抗磁性、法拉第電解定律。他發(fā)明了一種電磁旋轉(zhuǎn)機器，這就是今天電動機的雛形。由于法拉第的努力，電磁現(xiàn)象被用于具有實際用途的科技發(fā)展。法拉第電磁感應定律，是借由一組以上的線圈在磁場中進行旋轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生感應電流，使動能轉(zhuǎn)換為電能。常見的方法為透過燃燒化石燃料或核反應驅(qū)動熱機產(chǎn)生動能，或是利用流體的動能（如水力或風力），來推動發(fā)電機并產(chǎn)生電能。發(fā)電廠最初采用直流發(fā)電技術(shù)。直流發(fā)電機是一種將機械能轉(zhuǎn)換成直流電的發(fā)電機。電力最初用于照明。1866 年，德國發(fā)明家、企業(yè)家、物理學家恩斯特·維爾納·馮·西門子（Ernst Werner von Siemens）與西門子公司其他工程師發(fā)明了人類歷史上第一臺直流發(fā)電機。1881 年，美國發(fā)明家愛迪生籌建中央發(fā)電廠。1882 年，有兩家初具規(guī)模的發(fā)電廠投入生產(chǎn)。愛迪生電燈公司在倫敦建立了第3 座發(fā)電站，利用蒸汽機驅(qū)動直流發(fā)電機發(fā)電，安裝了3 臺110 伏特直流發(fā)電機，可為1500 個16 瓦的白熾燈供電。由于直流電供電范圍受限，人們把供電的目光轉(zhuǎn)向交流電。交流電是指電流方向隨著時間作周期性變化的電流。交流電可有效傳輸電力。電磁感應原理發(fā)現(xiàn)后，產(chǎn)生交流電的方法也就得以知曉。1882 年，英國電工詹姆斯·戈登（James Gordon）建造出大型雙相交流發(fā)電機。開爾文勛爵（Lord Kewin）與塞巴斯蒂安·費蘭蒂（Sebastian Ferranti）開發(fā)早期交流發(fā)電機，頻率介于100 赫茲至300 赫茲之間。1891 年，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）取得“高頻率”（15000 赫茲）交流發(fā)電機的專利。之后，多相交流發(fā)電機被用來供應電流，此后的交流發(fā)電機的交流電流頻率通常設(shè)計在16 赫茲至100 赫茲間，搭配弧光燈、白熾燈或電動機使用。

火力發(fā)電（Thermal power）是指利用可燃物的燃燒產(chǎn)生的熱能，通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電方式。所用燃料為燃煤、燃氣（天然氣、液化石油氣、頁巖氣、可燃冰、沼氣）、燃油（石油或重油、頁巖油）和垃圾（焚化爐）等。1875 年，世界第一個火力發(fā)電廠在巴黎北火車站建立。隨著發(fā)電機、汽輪機制造技術(shù)和輸電變電技術(shù)的發(fā)展完善，尤其是電力系統(tǒng)的出現(xiàn)以及社會電氣化對電能的巨大需求，20 世紀30 年代后，火力發(fā)電進入大發(fā)展時期?；鹆Πl(fā)電機組在20 世紀50 年代中期達到300 至500 兆瓦級。

水力發(fā)電（Hydroelectric power）是指利用水能（蘊藏在水體中的勢能）沖擊帶動發(fā)電機的水輪機，將動能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電方式。1878 年，法國建成世界第一座水電裝置。1882 年，美國威斯康星州?？怂购由系陌⑵諣栴D應用愛迪生系統(tǒng)的水電站，是世界上第一座有一定規(guī)模效應的水電站，于1882 年9 月30 日開始運行。該水電站由造紙制造商H.J.羅杰斯（H.J.Rogers）建成，且發(fā)出的電力用于H.J.羅杰斯家、電站本身和附近建筑物的照明。歐洲第一座商業(yè)性水電站是意大利的特沃利水電站，于1885 年建成，裝機65 千瓦。19世紀90 年代起，水力發(fā)電在北美、歐洲許多國家受到重視，利用山區(qū)湍急河流、跌水、瀑布等優(yōu)良地形位置修建了一批數(shù)十至數(shù)千千瓦的水電站。1895 年，在美國與加拿大邊境的尼亞加拉瀑布處建造了一座大型水輪機驅(qū)動的3750 千瓦水電站。進入20 世紀后，由于長距離輸電技術(shù)的發(fā)展，使邊遠地區(qū)的水力資源逐步得到開發(fā)利用，并向城市及用電中心供電。20 世紀30 年代后，水電建設(shè)的速度和規(guī)模有了更快和更大的發(fā)展，由于筑壩、機械、電氣等科學技術(shù)的進步，人們已能在十分復雜的自然條件下修建各種類型和不同規(guī)模的水力發(fā)電工程。

發(fā)電與材料之間關(guān)系密切。發(fā)電需要使用各種材料來構(gòu)建發(fā)電設(shè)備、傳輸電能以及存儲能量。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子需要使用高強度的金屬材料，如鋼、銅、鋁等。這些材料具有良好的導電性能和機械強度，能夠承受發(fā)電機的高速旋轉(zhuǎn)和電磁力的作用。輸電線路需要使用導電性能良好的金屬材料，如鋁、銅等，以及絕緣材料，如橡膠、聚氯乙烯等，以確保電能的高效傳輸。1836 年，世界上制造出第一根銅線外用橡皮帶包扎的低電壓（600 伏特以下）電力用電線。發(fā)電設(shè)備內(nèi)部需要使用絕緣材料，如絕緣樹脂、絕緣漆等，以保護設(shè)備內(nèi)部元件不受電擊和損壞。發(fā)電設(shè)備內(nèi)部需要使用散熱材料，如銅、鋁等，以幫助散熱，確保設(shè)備的正常運行。發(fā)電設(shè)備需要使用耐高溫、耐腐蝕的包裝材料，如特種塑料、陶瓷等，以保護設(shè)備內(nèi)部元件?？傊l(fā)電離不開各種材料的支持，材料在發(fā)電設(shè)備的制造、電能的傳輸以及設(shè)備的保護等方面發(fā)揮著重要作用。材料科學和工程的發(fā)展為電力技術(shù)的不斷進步提供了重要支撐。

電機（Electric motor）是一種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。它利用電流在磁場中產(chǎn)生的力來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。電機是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的設(shè)備，廣泛應用于各種領(lǐng)域，包括工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、家用電器等。電機有多種類型，包括直流電機、交流電機、同步電機、異步電機等。每種類型的電機都有不同的工作原理和適用場景。如，直流電機適用于需要可調(diào)速和精密控制的應用，而交流電機則廣泛應用于家用電器和工業(yè)設(shè)備中。電機在第二次工業(yè)革命中扮演了重要角色。電機的廣泛應用推動了工業(yè)生產(chǎn)的機械化和自動化，工業(yè)生產(chǎn)自動化導致生產(chǎn)效率的提高和人力勞動的減少，推動了工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化。電機的應用推動了交通運輸工具的革命，使得電動列車、電車和地鐵等公共交通工具成為可能，這對城市交通和人員運輸產(chǎn)生了深遠影響。電機的應用推動了家用電器的發(fā)展和普及。例如，電動縫紉機、冰箱、洗衣機等家用電器的出現(xiàn)極大地改善了人們的生活質(zhì)量。電機的應用也推動了各種工業(yè)設(shè)備的改進，例如電動工具、起重設(shè)備、風力設(shè)備等，這些設(shè)備的使用大大提高了生產(chǎn)效率和安全性?？傊姍C使用推動了工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的現(xiàn)代化。

材料在電機發(fā)展中發(fā)揮著重要的支撐作用，不同種類的材料被用于電機的不同部件，以提高電機的性能、效率和可靠性。如磁性材料用于電機的磁場產(chǎn)生和傳導，包括永磁材料和電磁鐵芯材料。電絕緣材料用于電機繞組的絕緣，以確保電流在繞組中傳導時不會發(fā)生短路或擊穿。電導體材料用于電機繞組和電路中的導線，以提供電流傳輸?shù)穆窂健＝Y(jié)構(gòu)材料用于電機的外殼、支架和其他結(jié)構(gòu)部件，以提供機械支撐和保護。熱管理材料用于電機的散熱器和絕緣材料，以管理電機在運行時產(chǎn)生的熱量。這些材料在電機的設(shè)計和制造中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，對電機的性能、效率和可靠性產(chǎn)生著深遠的影響。

鋁（Aluminum or Aluminium），是一種可燃燒化學元素，是較軟的易延展的銀白色金屬，是地殼中第三大豐度的元素（僅次于氧和硅），也是豐度最大的金屬，在地球的固體表面中占約8%的質(zhì)量。鋁金屬在化學上很活躍，最主要的含鋁礦石是鋁土礦。19 世紀早期，鋁并沒有作為獨立金屬生產(chǎn)。1825 年，丹麥物理學家、化學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特（Hans Christian ?rsted）發(fā)現(xiàn)如何用氯化鋁來還原元素鋁。由于鋁是具有良好機械性質(zhì)的輕金屬，因此廣泛替代了金或銀這種較重且功能較少的金屬。但是當時鋁的制作很貴，無法大量生產(chǎn)，以至于拿破侖三世為他的貴賓使用鋁制餐具，其余的客人則是使用銀器。德國化學家弗里德里希·維勒（Friedrich W?hler），于1827 年用金屬鉀還原熔融的無水氯化鋁得到較純的金屬鋁單質(zhì)。1886 年，美國發(fā)明家查爾斯·馬丁·霍爾（Charles Martin Hall）和法國化學家保羅·埃魯（Paul Héroult）各自獨立發(fā)現(xiàn)了電解制鋁法，后來這種方法被稱為霍爾—埃魯法。這種方法把氧化鋁轉(zhuǎn)化成金屬鋁。這一制造方法大大降低了鋁的制造成本。1889 年，奧匈帝國化學家卡爾·約瑟夫·拜耳（Carl Josef Bayer）繼續(xù)優(yōu)化了從鋁土礦中提取氧化鋁的過程，使得生產(chǎn)鋁的原料氧化鋁更加經(jīng)濟易得。迄今以拜耳法與霍爾—埃魯法聯(lián)用生產(chǎn)鋁的方法仍是大規(guī)模工業(yè)制鋁的主要手段。

鋁因其低密度以及耐腐蝕的特性而受到重視。利用鋁及其合金制造的結(jié)構(gòu)件不僅在航空航天工業(yè)中非常關(guān)鍵，在交通和結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域也非常重要。在第二次工業(yè)革命期間，鋁作為材料發(fā)揮了重要作用，由于鋁的輕質(zhì)、耐腐蝕性和強度特性，使其成為制造飛機機身和汽車車身及其他交通運輸設(shè)備的理想材料。鋁被用于制造輸電線路和電力設(shè)備的導線和散熱器。鋁的良好導電性使其成為電力傳輸?shù)闹匾牧?，有助于提高電力傳輸效率。鋁在包裝行業(yè)和建筑領(lǐng)域得到廣泛應用，如鋁制罐、鋁合金門窗、鋁合金型材等。鋁合金在軍事工業(yè)中也得到廣泛應用，用于制造飛機、艦船、武器和其他軍事設(shè)備，因為其輕量化和耐腐蝕性能，鋁作為一種輕質(zhì)、耐腐蝕的材料得以廣泛應用，其用量僅次于鋼鐵，促進交通運輸、電力傳輸、包裝、建筑和軍事等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展進步。

在第二次工業(yè)革命中，高分子材料研究與應用情況取得了重大進展。高分子材料（Polymer materials）是由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料。許多天然材料也是高分子材料組成的，如天然橡膠、棉花、人體器官等。高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可看作是高分子的集合。高分子材料也稱為聚合物材料，是以高分子化合物為基體，再配有其他添加劑（助劑）所構(gòu)成的材料。一般將在生活中大量采用的，已經(jīng)形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的高分子，稱為通用高分子材料，把具有特殊用途與功能的稱為功能高分子。按用途一般將通用高分子材料分為五類，即塑料、橡膠、纖維、涂料和黏合劑。樹枝、獸皮、稻草等或是人類在遠古時代最先使用的天然高分子材料。在歷史的長河中，中華民族發(fā)明的以天然高分子加工而成的紙張、絲綢等產(chǎn)品一直同人類文明的發(fā)展緊密交織在一起。從19 世紀開始，人類開始使用改造過的天然高分子材料。硫化橡膠和硝化纖維塑料（賽璐珞）是兩個典型的例子。合成橡膠的研究和生產(chǎn)取得了重大突破。合成橡膠的發(fā)展對輪胎制造、橡膠制品和其他工業(yè)應用產(chǎn)生了深遠的影響。進入20 世紀之后，高分子材料進入了大發(fā)展階段。塑料（plastic）是指以高分子量的合成樹脂或石油為主要組分，加入適當添加劑，經(jīng)加工成型的塑性（柔韌性）材料，或固化交聯(lián)形成的剛性材料。塑料可依加熱后是否軟化分為熱塑性塑料及熱固性塑料。熱塑性塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯。熱固性塑料只能熔化一次成型。酚醛塑料、脲醛塑料是熱固性塑料。1907 年，李奧·貝克蘭（Leo Bakeland）發(fā)明了酚醛塑料。1920 年，赫爾曼·施陶丁格（Hermann Staudinger）提出了高分子的概念。20 世紀20 年代末，聚氯乙烯、聚苯乙烯開始大規(guī)模生產(chǎn)與規(guī)模使用。20 世紀30 年代末，開始生產(chǎn)尼龍。塑料材料的研究和應用也得到了顯著發(fā)展。塑料廣泛用于電器絕緣、機械材料、建筑材料與家具材質(zhì)、包裝材料、人造纖維（尼龍、聚酯纖維）等方面。合成纖維（Synthetic fibre）是科學家廣泛研究改進天然存在的動物和植物纖維的結(jié)果。通常，合成纖維通過將纖維形成材料通過噴絲板擠出到空氣和水中，形成一條線而產(chǎn)生。在開發(fā)合成纖維之前，人造纖維是由從石化產(chǎn)品獲得的聚合物制成。這些纖維被稱為合成或人造纖維。一部分纖維是由植物來源的纖維素制造。常見成品有尼龍、奧綸等。新型塑料的開發(fā)使得塑料制品在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。在這一時期，高分子化學作為一個獨立的學科開始嶄露頭角?？茖W家們開始深入研究高分子化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和合成方法，為今后高分子材料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在經(jīng)歷了20 世紀的大發(fā)展之后，高分子材料對整個世界的面貌產(chǎn)生了重要的影響。美國《時代》雜志曾載文，認為塑料是20 世紀人類最重要的發(fā)明。高分子材料對文化領(lǐng)域和人類的生活方式也產(chǎn)生了重要的影響。

在第二次工業(yè)革命中，美國大力發(fā)展重工業(yè)，煤炭開采和鋼鐵生產(chǎn)繁盛，鐵路長度不斷增加，其制造業(yè)生產(chǎn)規(guī)模超過英國，成為世界領(lǐng)先。德意志帝國與英國成為歐洲主要的工業(yè)國家，1900年，德意志帝國化工業(yè)靠染料主導全球市場，可生產(chǎn)出上百種染料，并向醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)化學和電化學領(lǐng)域拓展。制藥業(yè)就是從染料業(yè)分化出來的。筆者曾對人類疾病的藥物干預提出化學藥物、生物藥物和細胞藥物三個紀元的歷史劃分觀點[12]。19世紀末，現(xiàn)代醫(yī)學的一項最重要進步是利用化學藥物作為治療手段對疾病進行干預。早在1763 年，英國醫(yī)生愛德華·斯通（Edmund Stone）發(fā)現(xiàn)柳樹皮有治療發(fā)熱的功效。其他科學家從柳樹皮中分離到水楊苷，并制備水楊酸鈉，并被證明有退熱鎮(zhèn)痛消炎作用。1897 年，德國拜耳公司的化學家費利克斯·霍夫曼（Felix Hoffmann）改造水楊酸鈉，研制出乙酰水楊酸。經(jīng)過藥理研究證明其退熱鎮(zhèn)痛消炎作用更穩(wěn)定。1899 年2 月，德國拜耳公司以“阿司匹林（Aspirin）”的名稱進行藥物注冊；次年在美國申報專利，將世界第一個化學合成藥物阿司匹林推向市場，開啟化學藥物治療時代，開辟了藥物干預的第一個紀元[12]。此后，藥物研發(fā)者先尋找一些在實驗動物模型上呈現(xiàn)某種藥理學作用的毒素、草藥或其他植物材料，從中分離出活性化學成分。再確定其分子結(jié)構(gòu)并利用化學方法來合成該化學分子。最后再鑒定其生物活性和藥物作用。其后也可對該化學分子進行結(jié)構(gòu)修飾，使其優(yōu)化來降低使用劑量，提高安全性和療效。這種以活性化學成分為核心的藥物研發(fā)模式主導了從20 世紀初到20 世紀中葉的化學藥物開發(fā)進程。目前經(jīng)常使用的433 種藥物分子實體，絕大多數(shù)是以上述經(jīng)典藥物發(fā)現(xiàn)方式找到的[13]。全球現(xiàn)有2600 多種化學結(jié)構(gòu)完全不同的化學實體藥物。如果加上基本分子組合、結(jié)構(gòu)修飾等，上市藥物有10000 多種可治療1100 多種大類疾病。[12]

第二次工業(yè)革命是以電力、化學工業(yè)和鋼鐵工業(yè)大發(fā)展為主要特征的產(chǎn)業(yè)變革。其間，材料發(fā)揮了重要作用，推動了工業(yè)生產(chǎn)和科技進步的發(fā)展。一是金屬材料的廣泛應用。鋼鐵的生產(chǎn)和應用得到了進一步發(fā)展。鋼鐵被廣泛應用于建筑、機械制造、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，成為工業(yè)化生產(chǎn)的重要材料支撐。二是新材料的出現(xiàn)。合金、塑料、橡膠等新材料的出現(xiàn)為工業(yè)生產(chǎn)提供了更多的選擇，并開辟了許多新的工業(yè)領(lǐng)域。三是電子材料的應用得到了極大的發(fā)展。如半導體材料的應用推動了電子工業(yè)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展。四是化學材料的問世?；瘜W工業(yè)的發(fā)展也為新材料的研發(fā)提供了支撐，例如合成纖維、塑料等材料的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)材料的局限性，推動了工業(yè)生產(chǎn)的進步。總的來說，材料在第二次工業(yè)革命中發(fā)揮了重要作用，它們的發(fā)展和應用推動了工業(yè)生產(chǎn)的進步，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了更多的選擇，成為第二次工業(yè)革命的重要推動力。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，也是第三次工業(yè)革命（Third industrial revolution，1945 年 至 今）[14，15]的開始。自動化的計算機提升了生產(chǎn)力水平，核技術(shù)提供了超過石油的發(fā)電效率，可再生清潔能源發(fā)電能力大幅提升。這是人類歷史上規(guī)模最大、影響最深遠的科技革命，至今仍未結(jié)束。一般認為，第三次科技革命以原子能技術(shù)、航天技術(shù)、電子計算機和可再生能源的應用為代表，人工合成材料、生物技術(shù)、遺傳工程、太陽能、風能等高新技術(shù)蓬勃發(fā)展。筆者將第三次工業(yè)革命定義為是以硅基半導體材料、人工合成材料為主要材料，以石油、天然氣、煤化石能源、核能、可再生清潔能源為主要能源，電子計算機、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機、航空航天設(shè)施設(shè)備為關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)革命。

在此期間，信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，對經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生十分重要的引領(lǐng)作用，這一時期也稱為信息革命、信息技術(shù)革命。信息技術(shù)革命通常指的是20 世紀后半葉以來，計算機技術(shù)、通信技術(shù)、軟件技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展和應用所帶來的變革。這一革命使得信息的獲取、處理、存儲和傳輸變得更加便捷和高效，促進了各個行業(yè)的數(shù)字化和信息化。也有把這一歷史階段稱為數(shù)字革命，意指信息技術(shù)革命所帶來的對社會、經(jīng)濟、文化等各個方面更為廣泛、深刻的變革影響，改變了人們的生活方式、商業(yè)模式、生產(chǎn)方式等，同時也包括了人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)的發(fā)展和應用。因此，信息技術(shù)革命的概念更側(cè)重于信息技術(shù)的發(fā)展和應用，而數(shù)字革命則更廣泛地包括了信息技術(shù)在內(nèi)的各種數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和影響。故，對第三次工業(yè)革命時期也有信息時代（Information Age）或數(shù)字時代（Digital Age）的稱謂。然而，第三次工業(yè)革命畢竟是憑借信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)起家的，本文也是主要從勞動對象角度出發(fā)、勞動對象與生產(chǎn)工具的辯證統(tǒng)一關(guān)系來觀察分析科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展規(guī)律的。因此，筆者亦認同把第三次工業(yè)革命稱之為硅時代（Silicon Age）[15]，與信息時代或數(shù)字時代等其他時代稱謂一樣，承載著不同內(nèi)涵的文明含義。硅基半導體材料對于電子工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。硅基材料是制備高技術(shù)半導體設(shè)備的關(guān)鍵材料，20 世紀，美國加利福尼亞州的Santa Clara 山谷因其半導體高新技術(shù)企業(yè)興起聚集而獲得“硅谷（Silicon Valley）”昵稱，并聞名天下。此種以材料命名時代的歷史回歸，似乎折射出新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革可能出現(xiàn)新材料革命的變遷。

電子計算機（Computer），俗稱電腦，是利用模擬或者數(shù)字電子技術(shù)進行數(shù)學計算、處理邏輯關(guān)系，并有存儲記憶功能，具有按程序自動運行、高效處理海量數(shù)據(jù)效應的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。電子計算機是第三次工業(yè)革命通信信息產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，是重要的生產(chǎn)工具。集成電路是決定電子計算機發(fā)展的關(guān)鍵零部件，而硅基半導體材料則是決定集成電路發(fā)展的主要材料。三者的決定關(guān)系也驗證了主要材料決定重要生產(chǎn)工具的觀點，并且引出一個主要材料決定關(guān)鍵設(shè)備中關(guān)鍵零部件的認識。

如前所述，真空二極管在早期的電子設(shè)備中起到了關(guān)鍵作用，在無線電、電視、放大器和計算機等設(shè)備中廣泛使用。1950 年，英國計算機科學家、數(shù)學家、邏輯學家艾倫·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing）進行圖靈實驗（Turing test），開啟程序邏輯運算之先河，反映了科學原理對技術(shù)發(fā)展的指導作用，他被譽為計算機科學與人工智能之父。作為計算工具，計算器從農(nóng)業(yè)社會的手動設(shè)備（算盤）在工業(yè)革命初期向機械設(shè)備轉(zhuǎn)變（德國Wilhelm Schickard 齒輪式計算器等），后來向電子設(shè)備方向發(fā)展。信息論的創(chuàng)始人，美國數(shù)學家、電子工程師克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）提出機電繼電器可模擬和解決布爾代數(shù)的邏輯問題，可進行二進制計算。1907 年，美國發(fā)明家李·德弗雷斯特（Lee de Forest）發(fā)明了真空三極管，并用真空管代替了繼電器，通過其放大和開關(guān)特性來處理邏輯關(guān)系和二進制運算。1941 年，世界上第一部使用真空管計算器的可編程電子計算機阿塔納索夫—貝瑞計算機在設(shè)計上問世。然而，這臺計算機由于受真空管的可靠性和壽命，以及技術(shù)條件和工程技術(shù)方面限制，并沒有被實際建造出來。1945 年，賓夕法尼亞大學約翰·普雷斯班（John Presper）和約翰·莫奇利（John W.Mauchly）設(shè)計并制成了世界上第一臺電子計算機—電子數(shù)值積分計算機（ENIAC），用于進行數(shù)字計算。該計算機使用了18800 個電子管，1500 個繼電器，體積為90 立方米，質(zhì)量達30 噸，占地面積為167 平方米，耗電量約為150 千瓦時。此為第一代電子計算機。20世紀50 年代，真空管計算機居于統(tǒng)治地位。1959至1964 年間設(shè)計制造的計算機一般稱為第二代計算機。在此期間，電子計算機在縮小體積、減輕重量、提高性能和降低耗電量等方面的發(fā)展需求推動了電子管小型化等研發(fā)。在這個過程中，半導體材料脫穎而出。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，電子管逐漸被晶體管和集成電路所取代。一些特定的應用仍在使用電子管，如在一些音頻放大器、高頻通信設(shè)備和專業(yè)音頻設(shè)備中。

半導體材料（Semiconductor materials）是導電能力介于導體和絕緣體之間的一類固體材料。常見的半導體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等。這些材料在室溫下的導電性介于導體和絕緣體之間，可以通過控制材料的摻雜和溫度來調(diào)節(jié)其導電性能。半導體材料在電子器件、光電子器件、太陽能電池等領(lǐng)域有著廣泛的應用。

1947 年，美國貝爾實驗室的威廉·肖克利（William Shockley）、約翰·巴?。↗ohn Bardeen）和沃爾特·豪澤·布拉頓（Walter Houser Brattain）研究小組研制出一種點接觸型的鍺晶體管（晶體管Transistor）。同年，威廉·肖克利又研發(fā)出雙極性晶體管（Bipolar transistor），俗稱三極管。1951年，用合金方法制造的鍺晶體管已經(jīng)問世，其放大性能較穩(wěn)定，但實際應用上還遠遠不如電子管，存在著頻率特性差、噪聲大、功率低、壽命短等缺點。隨著工藝結(jié)構(gòu)的不斷改進，鍺、硅等半導體材料的純度不斷提高，晶體管的優(yōu)勢日漸顯現(xiàn)，晶體管和晶體二極管開始進入大規(guī)模生產(chǎn)階段。晶體管開始進軍助聽器和收音機制造行業(yè)。1954年，世界上第一臺超小型晶體管收音機上市，售價為49.95 美元。1955 年，晶體管助聽器和收音機開始走向國際市場。1956 年，用擴散方法制作晶體管獲得成功，晶體管的頻率性能和功率容量大大提高，晶體管技術(shù)步入成熟階段，各種高頻晶體管陸續(xù)問世。電子設(shè)備的晶體管化使電阻器、電容器、線圈、繼電器、電路插件等電子元件日益小型化，且可靠性和壽命大幅度提高。晶體管的出現(xiàn)使人們對半導體材料開展了更深入的研究，所制造的各種半導體器件用途廣泛，如自動化設(shè)備的光敏電阻、太陽能電池、應力測量裝置等。

晶體管被認為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，是二十世紀最重要的發(fā)明[17]。在重要性方面可以與印刷術(shù)、汽車和電話等發(fā)明相提并論。晶體管是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵主動（Active）器件。晶體管之所以如此重要，主要是因為可高度自動化大規(guī)模生產(chǎn)晶體管，從而不可思議地降低單位生產(chǎn)成本。它讓收音機、計算器、電腦等電子產(chǎn)品變得更小型化和廉價。

晶體管的小型化雖然大幅度提高了電子設(shè)備的小型化，但是隨著計算機、人造衛(wèi)星、航空航天等技術(shù)的快速發(fā)展，小型化晶體管仍遠遠不能滿足經(jīng)濟社會發(fā)展需求。不僅晶體管要更小化微型化，其他電阻、電容器、繼電器等電子元件也要小型化微型化。于是，人們開始研制“微模組件”式的電子器件，即先把各種電子元件設(shè)法密集地裝配在一起，再疊成立體結(jié)構(gòu)。1952 年，英國皇家雷達站工程師達默（Geoffrey Dummer）提出了這種集成化電路的設(shè)想。1958 年9 月12 日，德州儀器公司的美國工程師和發(fā)明家杰克·基爾比（Jack Kilby）用鍺塊制成電阻器，用PN 結(jié)鍺晶體做成電容器，并將鍺晶體管等裝在玻璃板上的鍺晶片上。然后，他用蝕刻法在幾個器件間刻出溝道，用金導線將它們連接，形成一個完整的電路，成功制造出世界上第一塊集成電路。他被認為是集成電路技術(shù)的先驅(qū)之一，對現(xiàn)代電子科技作出了巨大貢獻。1959 年，美國仙童半導體公司的諾伊斯（Robert Noyce）用平面工藝制作出硅集成電路，真正實現(xiàn)了單片集成電路，成為后來集成電路發(fā)展的原型。1960 年，第一塊MOS 集成電路誕生。1962 年，世界上出現(xiàn)了第一塊僅有12 個晶體管和電阻的集成電路正式商品，標志著第三代電子器件正式登上歷史的舞臺。1965 年，美國英特爾公司的創(chuàng)始人摩爾（Gordon Moore）提出著名的摩爾定律，即芯片上可容納的元件每隔18 至24 個月便會增加1 倍，性能也將提升1 倍。集成電路的發(fā)明為微電子學、微電子技術(shù)的發(fā)展開辟了道路，并按照摩爾定律預測的速度不斷發(fā)展，對現(xiàn)代工業(yè)的影響日益深遠。

集成電路（Integrated Circuit，IC）是一種微小電子器件，它將大量的電子元件（如晶體管、電容器和電阻）集成到一個小的硅片上。這些電子元件被精密地布置和連接在一起，形成一個功能完整的電路。集成電路的發(fā)明使得電子器件的尺寸大幅縮小，成本降低，性能提高，功耗降低，并且大大提高了電子設(shè)備的可靠性。集成電路是現(xiàn)代電子設(shè)備的基礎(chǔ)，廣泛應用于計算機、通訊設(shè)備、消費電子產(chǎn)品、汽車電子系統(tǒng)等各個領(lǐng)域。

集成電路離不開材料及其制造工藝的創(chuàng)新。晶體管是集成電路的核心器件，其性能依賴于鍺或硅的純度。1948 年，肖克利在制作結(jié)型晶體管時，物理化學家蒂爾（Gordon Teal）和工程師利特爾（John B.Little）曾幫助他制成了第一臺拉晶機，從熔晶中制成了PN 結(jié)，并用摻入雜質(zhì)的方法制成NPN 結(jié)單晶體。正如后來的研究者評價所言：“肖克利無論設(shè)計出什么種類的放大器，也只能是一些供自己消遣的草圖而已。”也就是說，沒有半導體材料的提純和生長單晶以及摻入雜質(zhì)的技術(shù)，高性能的晶體管就不可能誕生。

20 世紀60 年代，晶體管計算機取代了電子管計算機。計算機中邏輯關(guān)系和二進制運算主要通過集成電路中的晶體管來實現(xiàn)。1964 至1972 年的計算機被稱為第三代計算機，其特點是大量使用集成電路，典型的機型是IBM360 系列。到了20世紀70 年代，集成電路技術(shù)的應用極大地降低了計算機生產(chǎn)成本，隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，個人計算機開始出現(xiàn)，并逐漸普及。1972 年以后的計算機習慣上被稱為第四代計算機，其特點是基于大規(guī)模集成電路，及后來的超大規(guī)模集成電路。1971 年11 月15 日，英特爾公司在全球推出第1款微處理器Intel 4004。1972 年4 月1 日，英特爾公司推出8008 微處理器。1976 年，史蒂夫·喬布斯（Steve Jobs）和斯蒂夫·沃茲尼亞克（Stephen Wozniak）創(chuàng)辦蘋果計算機公司，并推出Apple I 計算機。1977 年5 月，Apple II 型計算機發(fā)布。1979年6 月1 日，英特爾發(fā)布了8 位的8088 微處理器。1980 年代，個人計算機開始普及。IBM PC 的推出使得個人計算機開始在商業(yè)和家庭中得到廣泛應用。1990 年11 月，微軟發(fā)布第一代多媒體個人電腦標準，有光盤驅(qū)動器。1994 年10 月10 日，英特爾發(fā)布75MHz 奔騰處理器。1997 年1 月8 日，英特爾發(fā)布Pentium MMX，對游戲和多媒體功能進行了增強。此后，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和移動計算設(shè)備的發(fā)展，計算機技術(shù)開始迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出各種新的應用和技術(shù)。

單晶硅可用于制作半導體器件、太陽能電板和集成電路。硅基半導體材料（Silicon-based semiconductor materials）是以硅材料為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型材料，包括絕緣層上的硅材料、鍺硅材料、多孔硅、微晶硅以及以硅為基底異質(zhì)外延其他化合物半導體材料等，對電子計算機的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響，主要體現(xiàn)在：一是制造半導體器件最常用的半導體材料之一，被廣泛應用于電子計算機的半導體器件制造中，例如晶體管、二極管等。這些器件構(gòu)成了電子計算機中的邏輯電路和存儲單元，是計算機正常運行的基礎(chǔ)。二是硅基材料在集成電路的制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著硅技術(shù)的不斷進步，集成電路的制造工藝得到不斷的改進，從而使得集成電路的集成度不斷提高，性能不斷提升，這對電子計算機的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。三是硅基材料具有穩(wěn)定性高、可靠性強的特點，這使得電子計算機的硬件部件在長時間的運行中能夠保持穩(wěn)定的性能?？偟膩碚f，硅基材料在電子計算機的發(fā)展中扮演了重要角色，其在半導體器件制造、集成電路發(fā)展以及硬件穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，推動了電子計算機技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新。

互聯(lián)網(wǎng)（Internet）是指全球范圍內(nèi)連接在一起的計算機和手機網(wǎng)絡(luò)。它允許數(shù)以億計的設(shè)備相互通信和交換信息，從而為人們提供了無限的信息資源和服務(wù)?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展始于20 世紀60 年代末和70 年代初，最初是由美國國防部的ARPA 網(wǎng)（后來成為互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)）發(fā)展而來。互聯(lián)網(wǎng)通過一系列的協(xié)議和技術(shù)標準（如TCP/IP、HTTP 等）來連接全球各地的計算機網(wǎng)絡(luò)，為人們提供了各種各樣的服務(wù)，包括電子郵件、在線購物、社交媒體、視頻和音頻流媒體、搜索引擎等?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展也催生了許多新的行業(yè)和商業(yè)模式，如電子商務(wù)、在線教育、遠程辦公等。隨著時間的推移，互聯(lián)網(wǎng)變得越來越普及，改變了人們的生活與生產(chǎn)方式，改變了商業(yè)和社會的運作方式，并成為現(xiàn)代社會不可或缺的一部分。

材料對互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有著重要的影響。一是材料為通信設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施提供支撐。如光纖、衛(wèi)星通信設(shè)備、天線等。材料的發(fā)展和應用對通信設(shè)備的性能、傳輸速度和可靠性有著重要影響。二是半導體材料的發(fā)展和應用直接影響了計算機和通信設(shè)備的性能和功耗。三是光電子材料為光纖通信和光纖傳感器等光電子設(shè)備提供支撐。四是高性能的能源材料和電池技術(shù)對互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用壽命和可靠性有著重要影響。綜上所述，材料對互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有著重要的影響，不僅關(guān)系到互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能和可靠性，也關(guān)系到互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能源效率和環(huán)境友好性。因此，材料科學和工程的發(fā)展對互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新至關(guān)重要。

在第三次工業(yè)革命中，核能得到了大量的投資和發(fā)展。許多國家建立了核電站，以滿足不斷增長的能源需求，并減少對化石燃料的依賴。核能被認為是一種低碳、高效的能源形式，可以減少溫室氣體的排放，并且在一定程度上解決了能源安全和能源供應的問題。然而，核能利用也面臨著一些挑戰(zhàn)和爭議。核能事故的風險、核廢料處理、核輻射安全性等問題都成為了人們關(guān)注的焦點。同時，隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展，如太陽能和風能等，一些國家開始轉(zhuǎn)向可再生能源，減少對核能的依賴。在未來，核能仍然可能在一定程度上發(fā)揮重要作用。一些新的核能技術(shù)正在研發(fā)中，如第四代核反應堆，這些技術(shù)可能會解決一些現(xiàn)有核能技術(shù)所面臨的問題。同時，一些國家也在加大對核能技術(shù)的研發(fā)和應用，以期在能源轉(zhuǎn)型和碳減排方面發(fā)揮更大的作用。因此，核能在第三次工業(yè)革命中仍然具有一定的發(fā)展前景。

材料在核能領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，包括以下幾個方面：一是燃料包殼材料的熱傳導性、輻照穩(wěn)定性和耐腐蝕性能影響著核燃料包殼的性能與壽命。二是反應堆結(jié)構(gòu)材料的輻照穩(wěn)定性、機械強度和耐腐蝕性能維護著反應堆的安全性和運行穩(wěn)定性。三是核廢料處理材料對核廢料安全的處理和儲存至關(guān)重要。四是核能設(shè)施中輻射控制材料可使人員和設(shè)備不受輻射的影響。五是核燃料再處理需要使用一些特殊的化學材料，以進行核燃料的回收和再利用。綜上所述，材料在核能領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，對于核能設(shè)施的安全性、運行穩(wěn)定性、核廢料處理等方面都有著重要的影響。

第三次工業(yè)革命時期，航天技術(shù)取得了巨大的進步，包括太空探索、衛(wèi)星通信、國際空間站等領(lǐng)域。人類登陸月球、無人探測器探測其他行星等事件都是航天技術(shù)的重大成就。衛(wèi)星通信技術(shù)和導航系統(tǒng)得到了廣泛的應用，這些技術(shù)的發(fā)展改變了全球通信和導航的方式，對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生了深遠的影響。各國在航天領(lǐng)域進行了廣泛的合作，例如國際空間站項目，這種合作有助于推動航天技術(shù)的發(fā)展。隨著私營企業(yè)的參與，商業(yè)航天逐漸興起。一些私營企業(yè)開始投資和開發(fā)太空旅游、衛(wèi)星發(fā)射等商業(yè)航天項目，這些項目有望為航天技術(shù)的發(fā)展帶來新的動力。未來，航天技術(shù)可能會更加注重深空探索，例如登陸火星、探測外太空等。這將需要更先進的技術(shù)和深入的國際合作。隨著地球資源的日益枯竭，人類可能會開始探索太空資源，例如從月球或小行星上開采資源。這將是未來航天技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的重要方向。

材料在航天技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。航天器需要具備輕量、高強度、高溫抗性和耐腐蝕等性能，以應對極端的太空環(huán)境。因此，航天器的結(jié)構(gòu)材料對其性能和可靠性至關(guān)重要。航天器需要具備良好的熱控能力，以在太空中有效地控制溫度。因此，熱控材料對于航天器的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。航天器的燃料和推進劑需要具備高能量密度、高可靠性和長期儲存等特性，以保證航天器的推進性能。航天器的電子設(shè)備需要具備輻射抗性、高溫抗性和高可靠性等特性，以保證在太空環(huán)境中的正常運行。航天器需要具備良好的隔熱性能，以保護航天器免受極端的太空溫度影響。綜上所述，材料在航天技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，對于航天器的結(jié)構(gòu)、熱控、推進、電子設(shè)備和隔熱等方面都有著重要的影響。

移動電話，也稱手機（Mobile phone,cell phone），是可以在較大范圍內(nèi)使用的便攜式電話。20 世紀40 年代末至50 年代初，首臺便攜式無線電話問世，但體積龐大，主要用于軍事和特殊行業(yè)。1973年4 月3 日，摩托羅拉公司的馬丁·庫珀（Martin Cooper）在紐約展示了史上第一款手持移動電話。20 世紀80 年代初，第一代商用手機問世，是基于蜂巢式基站網(wǎng)絡(luò)與手機之間進行通信的電話網(wǎng)絡(luò)，稱為“第一代（1G）”移動通信，類似于簡單的無線電雙工電臺，鎖定在一定頻率以模擬語音通話，有被竊聽的風險，模擬調(diào)變技術(shù)需要龐大的天線等。因此，這些手機體積龐大，通話質(zhì)量不佳，價格昂貴，主要用于商業(yè)和政府機構(gòu)。20 世紀90年代初，第一臺商用數(shù)字手機誕生，其通話質(zhì)量和信號穩(wěn)定性得到了顯著提高，手機開始向普通消費者市場滲透。第二代移動電話（2G）由模擬式語音通信網(wǎng)絡(luò)演進為數(shù)字信號交換通信網(wǎng)絡(luò)。它發(fā)端于公元1990 年代初，之后逐漸在世界各地普及。第3 代移動通信系統(tǒng)（3G）自20 世紀末期開始研發(fā)，于21 世紀初陸續(xù)在世界各國開始服務(wù)，目前已經(jīng)得到廣泛的應用。第3 代手機也稱為智能手機（Smart phone），其興起改變了通信設(shè)備的格局，其功能更多，如互聯(lián)網(wǎng)訪問、社交媒體、攝像等，成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。目前有W-CDMA、CDMA2000 和TD-SCDMA等多種制式規(guī)格。第四代移動電話網(wǎng)絡(luò)（4G）是在2010 年中期開始在世界上普遍使用的高速移動網(wǎng)絡(luò)，可分為TDD-LTE（分時型長期演進技術(shù)）、FDD-LTE（分頻型長期演進技術(shù)）及WiMAX（IEEE 802.16m）。而TDD-LTE、FDD-LTE 規(guī)格在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)進行了統(tǒng)一。4G 技術(shù)將一般傳統(tǒng)的語音通信完全當作是數(shù)據(jù)包加以傳輸，其最重要功能是搭配能夠上網(wǎng)執(zhí)行各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的智能手機。由于作為第四代移動網(wǎng)絡(luò)終端的智能手機在功能上相當于小型電腦，因此，4G 實質(zhì)是一種可以隨著基站擴展使用范圍的巨大互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。第五代移動電話網(wǎng)絡(luò)（5G）是4G 之后的延伸，美國高通、中國華為、韓國三星、日本NTT、歐盟各國等都在投入相當?shù)馁Y源研發(fā)5G 網(wǎng)絡(luò)。2016 年11 月17 日，國際無線標準化機構(gòu)3GPP 第八十七次會議在美國拉斯維加斯召開，中國華為主推Polar Code（極化碼）方案勝出，底層規(guī)格確立。

可再生能源技術(shù)在過去幾十年取得了顯著的發(fā)展，并且在未來有著廣闊的前景。太陽能光伏技術(shù)和太陽能熱能技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應用，成為了全球最主要的可再生能源之一。太陽能電池的成本不斷下降，效率不斷提高，太陽能發(fā)電已經(jīng)成為一種經(jīng)濟可行的能源選擇。風能是另一種重要的可再生能源，風力發(fā)電已經(jīng)成為一種成熟的商業(yè)技術(shù)。大型風力發(fā)電機組在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的部署，風能發(fā)電的成本也在不斷下降。水能發(fā)電一直是主要的可再生能源之一，尤其是在一些地區(qū)，水電站是主要的電力來源。生物質(zhì)能技術(shù)包括生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)燃料和生物質(zhì)氣體化等，這些技術(shù)在一些地區(qū)也得到了廣泛的應用。隨著技術(shù)的不斷進步，可再生能源技術(shù)的成本不斷下降，效率不斷提高，這將使得可再生能源在未來更加具有競爭力。全球范圍內(nèi)對于可再生能源的政策支持不斷增加，這將有助于推動可再生能源的發(fā)展。隨著儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，可再生能源的可靠性和穩(wěn)定性將得到提高，這將使得可再生能源更加適合大規(guī)模應用。一些新興的可再生能源技術(shù)，如潮汐能、地熱能等也在不斷發(fā)展，這些新技術(shù)有望為可再生能源行業(yè)帶來新的增長點?？稍偕茉醇夹g(shù)在未來有著廣闊的發(fā)展前景，將成為全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要組成部分。

在第三次工業(yè)革命中，人工合成材料發(fā)展迅速，取得了重大進展，并且在未來有著廣闊的前景。人工合成材料是指通過化學合成或其他工藝方法制備的材料，通常具有特定的性能和用途。高性能聚合物是一類重要的人工合成材料，具有優(yōu)異的力學性能、耐熱性、耐腐蝕性和絕緣性能。目前，高性能聚合物得到了廣泛的應用，例如碳纖維增強復合材料、高強度塑料等。先進金屬材料也取得了重大進展，包括高強度鋼、鋁合金、鈦合金等，這些材料在航空航天、汽車制造、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應用。新型功能材料如光學材料、電子材料、磁性材料等也得到了快速發(fā)展，為信息技術(shù)、電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域提供了重要支持。未來人工合成材料的發(fā)展將更加注重環(huán)保和可持續(xù)性，綠色環(huán)保材料將成為發(fā)展的重要方向，包括可降解材料、再生材料等。隨著科技的不斷進步，人工合成材料將朝著智能化方向發(fā)展，例如具有自修復、自感應、自適應等功能的智能材料將成為未來的研究熱點。納米技術(shù)的發(fā)展將推動人工合成材料領(lǐng)域的創(chuàng)新，納米材料將具有優(yōu)異的性能和多種新的應用，如納米復合材料、納米電子材料等。人工合成材料發(fā)展迅速，未來將繼續(xù)成為科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐，具有廣闊的發(fā)展前景。

第三次工業(yè)革命中，生命科學和生物技術(shù)取得了重大的突破和發(fā)展成就。1953 年，詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）和弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）發(fā)現(xiàn)了脫氧核糖核酸（DNA）雙螺旋結(jié)構(gòu)（包括中心法則），開啟了分子生物學時代，破解遺傳基因密碼機制的研究廣泛展開，分子遺傳學、分子免疫學、細胞生物學等新學科相繼發(fā)展，生命的奧秘不斷有新揭示，DNA 重組技術(shù)更是使基因工程、蛋白質(zhì)工程等生物工程技術(shù)快速發(fā)展。1922 年，加拿大多倫多大學弗雷德里克·格蘭特·班廷（Frederick Grant Banting）和查爾斯·赫伯特·貝斯特（Charles Herbert Best）發(fā)現(xiàn)胰島素，并用動物來源的胰島素治療糖尿病患者，開啟了生物藥物的時代。1982 年，美國禮來制藥公司將世界第一個基因工程藥物——重組胰島素推向市場，使藥物干預進入生物藥的第二紀元[12]。截至2022 年，全球12 類生物藥有541 種藥物商品，含435 種不同的活性生物藥物成分?；蚪M學取得巨大進步，包括人類基因組計劃和其他生物基因組的測序工作。這些成就為了解基因和遺傳學提供了重要的基礎(chǔ)，也為生物技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。CRISPR 基因編輯技術(shù)的發(fā)明和廣泛應用，使得科學家能夠更精確地修改生物體的基因，這對于基因治療、作物改良和生物研究具有重要意義。生物醫(yī)藥領(lǐng)域取得了重大突破，包括基因治療、生物制藥、干細胞研究等。這些技術(shù)為醫(yī)學治療提供了新的途徑，改善了許多疾病的治療效果?；蚪M學和生物技術(shù)的發(fā)展將推動醫(yī)學朝向個性化治療的方向發(fā)展，使得醫(yī)療更加精準和有效。2017 年8 月，諾華制藥公司將CAR-T 細胞技術(shù)以Kymriah 產(chǎn)品方式推向市場，開辟了藥物干預的第三紀元——細胞治療的新紀元[12]。目前，細胞與基因治療產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展期。當前全球已登記的細胞與基因治療相關(guān)臨床試驗已超過7000 余項。截至2022 年初，全球經(jīng)批準的細胞治療產(chǎn)品共33 款，包括21 種干細胞和12 種免疫細胞。生物技術(shù)的發(fā)展將為農(nóng)業(yè)提供新的技術(shù)手段，包括抗病蟲害作物、提高作物產(chǎn)量和改良品質(zhì)等。生物技術(shù)有望為生物能源生產(chǎn)提供新的途徑，同時也將為環(huán)境保護提供新的解決方案，例如生物降解材料、生物污染治理等。

在第三次工業(yè)革命中，材料發(fā)揮了重要作用，推動了科技進步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。一是先進材料的應用得到了廣泛發(fā)展，如納米材料、復合材料、功能材料等，這些材料具有輕量化、高強度、高導電性等特點，推動了高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。二是可再生能源材料的應用使清潔能源產(chǎn)業(yè)大發(fā)展。隨著可再生能源的發(fā)展，太陽能電池、風力發(fā)電等新型能源材料得到了廣泛應用。三是智能材料的研發(fā)和應用成為熱點。例如形狀記憶合金、傳感材料等材料可以響應外部環(huán)境變化，推動了智能制造和智能產(chǎn)品的發(fā)展。四是生物材料的興起。如生物降解材料、生物醫(yī)用材料等材料。先進材料的應用推動了高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可再生能源材料的發(fā)展推動了清潔能源產(chǎn)業(yè)的興起，智能材料和生物材料的出現(xiàn)推動了智能制造和生物科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？傊?，材料的應用種類在不斷拓展，材料的效能層級在不斷提升。材料的不斷創(chuàng)新和應用為第三次工業(yè)革命提供了關(guān)鍵性重要支撐和引領(lǐng)。尤其重要的是，主要材料決定關(guān)鍵設(shè)備中關(guān)鍵零部件的作用，反映了勞動對象對生產(chǎn)工具的決定性影響是通過對其內(nèi)部關(guān)鍵零部件的決定性作用來實現(xiàn)的。硅基半導體材料決定了集成電路的發(fā)展水平與質(zhì)量，集成電路決定了電腦和手機的發(fā)展水平與質(zhì)量。這也提示，當一種設(shè)備發(fā)展到相當高的程度時，主要材料與設(shè)備中關(guān)鍵零部件之間的主要矛盾的特性就愈發(fā)呈現(xiàn)。抓準這一核心環(huán)節(jié)，才是解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

二、新材料的作用與前景

目前，針對新材料的發(fā)展，可將新材料分為三個大類別：一是先進基礎(chǔ)材料。主要是指原有基礎(chǔ)材料的提質(zhì)升級，如金屬材料、無機非金屬材料等，提高其先進性水平，通過高端材料研發(fā)來推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)如鋼鐵、有色金屬、石化、建筑、輕工、紡織等轉(zhuǎn)型升級。二是關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。包括兩方面：其一，是戰(zhàn)略資源材料，如稀土材料，其自然稟賦就具有戰(zhàn)略意義。其二，戰(zhàn)略引領(lǐng)材料，是指一個關(guān)鍵材料對行業(yè)、產(chǎn)業(yè)、裝備產(chǎn)生決定性作用的材料。如硅基半導體材料對集成電路以及電子計算機而言就是關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。又如，高端裝備用特種合金、高性能纖維材料、新型能源材料、先進半導體材料、稀土功能材料、新型顯示材料、先進生物醫(yī)用材料、先進生物基材料等，推動支撐新能源創(chuàng)新發(fā)展的大容量儲能、高效鈣鈦礦電池、鈉離子電池、氫燃料電池等新技術(shù)突破。三是前沿新材料。指科技前沿產(chǎn)生的新材料，如超導材料、高熵合金、液態(tài)金屬、增材制造材料等。這些新材料可催生新型未來產(chǎn)業(yè)。

從歷史發(fā)展上看，人類社會應用的基本材料是生產(chǎn)力水平的基礎(chǔ)性標志。材料革命是推動人類經(jīng)濟社會發(fā)展和時代前進的根本動力。歷次世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，核心環(huán)節(jié)是材料與能源革命，并由此引發(fā)主要動力裝置和應用場景的劇變。第一次工業(yè)革命，鋼鐵為主要材料，煤為主要能源，動力裝置為蒸汽機。第二次工業(yè)革命，材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐院辖?、高分子材料為主，能源轉(zhuǎn)變?yōu)橐允蜑橹鳎瑒恿ρb置轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)燃機。目前，我認為，第三次工業(yè)革命正處在收尾階段。其中，習近平總書記大力倡導的能源革命，正推動著由化石能源向非化石能源、清潔能源方向轉(zhuǎn)變的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，可再生清潔能源逐漸成為綠色發(fā)展的基本能源保障。動力裝置向清潔排放的電力機車轉(zhuǎn)變，鐵路電動機車、載人載物電動汽車和電動船只的發(fā)展已漸成發(fā)展潮流。而滿足綠色發(fā)展要求、彰顯賦能效應和產(chǎn)業(yè)變革作用的新材料，將成為新一輪工業(yè)革命最重要的戰(zhàn)略制高點。新材料的創(chuàng)新發(fā)展的質(zhì)量與水平不僅決定著第三次工業(yè)革命的成色，還決定著下一輪科技革命的源材料發(fā)展方向。掌握了新材料發(fā)展，就等于掌握了未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略主動權(quán)。新材料是新質(zhì)生產(chǎn)力的重要構(gòu)成。材料革命是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的源動力。

從技術(shù)發(fā)展上看，能源、信息、生物和材料技術(shù)是當代四大主導性高新技術(shù)，對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生引擎拉動和系統(tǒng)支撐作用。而材料技術(shù)作為底層技術(shù)，對其他主導技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展則發(fā)揮著基礎(chǔ)支撐和關(guān)鍵引領(lǐng)的效能。材料技術(shù)可支撐能源技術(shù)提高能級和運行效率。而能源技術(shù)發(fā)展又可為材料技術(shù)進步提供更廣闊的影響空間和更深入的影響層次。材料技術(shù)還在影響信息技術(shù)的發(fā)展，從近期手機芯片不斷更新、大國博弈的現(xiàn)實就可略見一斑。反過來，數(shù)字技術(shù)、人工智能將極大賦能于材料技術(shù)的發(fā)展。材料技術(shù)對生物技術(shù)的影響不斷顯現(xiàn)，合成化學與合成生物學的技術(shù)異曲同工，兩者交融發(fā)展，前景難以預期。生物制造的低能耗低材耗低碳排放對新材料發(fā)展也會產(chǎn)生深刻影響?？傊?，新材料已經(jīng)成為新一輪科技革命的戰(zhàn)略制高點。一代材料、一代裝備、一代產(chǎn)業(yè)，新材料科技創(chuàng)新所引發(fā)的時代變遷作用此時愈加凸顯。

從材料創(chuàng)新發(fā)展上看，新材料發(fā)展應該體現(xiàn)如下重要作用：

第一，新材料綠色化和可持續(xù)發(fā)展的特征突出。發(fā)展新材料符合制造業(yè)綠色化發(fā)展要求，低能耗、低碳排放、無環(huán)境污染物排放的新材料是發(fā)展方向。新材料將成為構(gòu)建低碳綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè)體系的物質(zhì)基礎(chǔ)，將成為支撐碳達峰、碳中和目標實現(xiàn)的關(guān)鍵保障。發(fā)展新材料符合人類可持續(xù)發(fā)展的要求，可有效解決地球物質(zhì)資源因人類過度利用而日漸缺乏乃至枯竭的問題。新材料生產(chǎn)將擺脫傳統(tǒng)化工生產(chǎn)方式，替代傳統(tǒng)天然產(chǎn)物的獲取方式，甚至跨越無機分子與有機分子的鴻溝，開辟材料應用的新紀元。對資源的節(jié)約利用、循環(huán)式利用、可再生性利用應是新材料發(fā)展的根本方向。

第二，新材料的賦能性效應顯著。材料科學界、材料產(chǎn)業(yè)界最初對新材料的認識，就是新材料要具備高性能，或產(chǎn)生新功能。所謂高性能，是指新材料可具有抵抗極端條件的性能，如耐高溫或低溫、耐高壓或低壓、耐腐蝕、抗輻射等。產(chǎn)生新功能，這也是新材料“新”之所在?！靶隆钡暮x較廣泛。一是材料自帶某種或某些功能。試想一下，連材料本身都有功能了，材料形成結(jié)構(gòu)后，其功能豈不更強大。二是具備智能，即智能材料。這也是人工智能所重點關(guān)注和介入的領(lǐng)域。新材料賦能性效應顯著，以高性能、新功能推動材料、器件、裝備的系統(tǒng)功能全面提升，支撐產(chǎn)品、裝備、產(chǎn)業(yè)迭代向高端化躍升。

第三，新材料對關(guān)鍵生產(chǎn)工具中關(guān)鍵零部件的決定性作用顯著。如前所述，硅基半導體材料對集成電路以及手機的發(fā)展水平與質(zhì)量的決定性影響還在持續(xù)。航空發(fā)動機、深空航天器、深海探測器等一批關(guān)鍵性生產(chǎn)工具及其關(guān)鍵零部件依然是新材料高質(zhì)量發(fā)展的主戰(zhàn)場。

第四，新材料工程化應用輻射效應強勁。新材料催生新需求，以新需求和新應用場景牽引上中下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，支撐產(chǎn)業(yè)鏈整體升級。

第五，新材料數(shù)字化賦能空間巨大。推動新材料研發(fā)、測試、生產(chǎn)、評價全鏈條數(shù)字化，并大幅提升制造業(yè)整體智能化水平。

第六，比較優(yōu)勢與集聚布局態(tài)勢呈現(xiàn)。國際上美、日、歐等發(fā)達國家和地區(qū)占據(jù)核心專利和高端材料供給優(yōu)勢，我國位居第二梯隊，并形成東部京津冀、長三角、珠三角綜合性聚集區(qū)和中西部特色聚集區(qū)。中部贛、鄂、湘多以原材料產(chǎn)地為中心聚集；西部陜、甘、青、寧多以資源稟賦為特色，并與新能源產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，為其高質(zhì)量發(fā)展帶來新機遇。

在新一輪科技革命和工業(yè)革命中，材料將發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著科技的不斷進步和工業(yè)的不斷發(fā)展，對材料的性能、功能和應用提出了更高的要求，材料在新一輪科技革命和工業(yè)革命中扮演著至關(guān)重要的角色。一是先進功能材料的需求不斷增長。新一輪科技革命需要更多具有特殊功能的材料，如具有特定電子、光學、磁學、熱學等性能的材料，以滿足信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源技術(shù)等領(lǐng)域的需求。二是新材料的研發(fā)與應用成為推動科技進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。例如，納米材料、智能材料、生物材料等的研發(fā)和應用，將推動新一輪科技革命的發(fā)展。三是輕量化材料的需求越來越大。高速交通工具、航空航天器材等領(lǐng)域的發(fā)展迫切需要輕量化材料的支撐。四是環(huán)保材料的需求也日益增加。如需可降解材料、可再生材料等，滿足綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的要求。

三、結(jié)語

本文把與科技革命與產(chǎn)業(yè)變革密切相關(guān)的勞動資料概括提煉為材料、能源、關(guān)鍵設(shè)備三大要素，實質(zhì)上還是反映了勞動對象與勞動資料之間的矛盾運動，主要體現(xiàn)為主要材料與重要生產(chǎn)工具間的矛盾運動。在這對矛盾體中，勞動對象（材料）是矛盾的主要方面，主要材料決定重要生產(chǎn)工具，尤其是主要材料決定重要生產(chǎn)工具中的關(guān)鍵零部件，而關(guān)鍵零部件又決定重要生產(chǎn)工具；反過來，生產(chǎn)工具的發(fā)展需求和存在問題又牽引和拉動材料不斷更新發(fā)展，不斷拓展應用種類和提高應用效能層級。這一對立統(tǒng)一關(guān)系可在本文三次工業(yè)革命的大量史實中得到證實。上述觀點如果能立得住，那么，“材料革命是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的源動力”則是必然結(jié)論！若讀者們有同感，亦是筆者莫大的欣慰所在。

作者致謝：感謝2023 年農(nóng)工黨中央材料科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略研討會與會的工業(yè)和信息化部、材料學界、材料產(chǎn)業(yè)界的諸位負責同志、管理人員、專家的發(fā)言成為本文重要的參考資料來源！感謝本文編輯郭洪泉同志與我進行的馬克思主義生產(chǎn)力理論問題的探討，以及農(nóng)工黨中央研究室同事們?yōu)楸疚牡鸟R克思文獻檢索以及提供相關(guān)資料方面所付出的辛勤努力與大力支持！

作者附言：我用了一個多月時間，親自查閱資料，親自撰寫本文。其初始目的在于落實習近平總書記的要求，要學會從馬克思主義的觀點立場方法來分析認識和解決問題，要把黨派所長與國家發(fā)展之需有效結(jié)合。作為農(nóng)工黨主要負責人，我要從思想方法的努力方向上作出積極的體現(xiàn)，在工作方法上身體力行，杜絕理論武裝也依賴于寫作工作團隊的官僚主義和形式主義傾向。由于本人的馬克思主義水平和材料專業(yè)水準有限，文章中一定存在錯誤。在此，懇請廣大農(nóng)工黨內(nèi)外的讀者同志們提出批評指正！