淺談能源材料發展史

廖智勇

摘要：在人類社會中，為了提高性能，不僅僅只尋找更好的材料，而且還改進了材料形狀，使之更方便。通過總結人類社會發展的不同階段中材料的發展過程，得出材料學的發展對人類生活的巨大影響。石器時代開始使用獸骨等做為工具的材料;青銅和鐵器時代出現了紙張，玻璃等材料，極大的方便了人們的生活。電器時代出現了儲能電池，石墨烯，聚醚酮等材料，推動了科學的進步。

關鍵詞：材料;人類生活;石墨烯;電池;新材料

1 引言

本文總結了材料發展與人類社會生活的歷程，指出材料和能源材料一直處在不斷發展變化的過程中。從廣義上來講，對于能源材料而言，只要能夠應用于能源工業以及能源技術的材料都被稱為能源材料[1]。所謂新材料，是相對舊材料而言。曾經的材料也是當時的新材料，現在所有的新材料也都將成為舊材料。人類社會的發展可以分為石器時代，青銅和鐵器時代，電氣時代，AI時代（未來的新時代）。人們對材料的認識，也是經歷了“發現”，“改進”，“發明”等幾個階段。在漫長的歷史推進中，人類逐漸學會了發明新材料，使之最大限度地發揮人類想要的性能。

2 石器時代

在大約距今三百萬年前，人類社會進入了石器時代。此前，人類并不理解使用工具，更不理解使用材料改變材料發明材料。之后，人類開始逐漸地從徒手學會了使用材料，甚至改變制造材料。起先，他們使用周圍的石頭，將其磨制成鋒利狀，用以捕殺食物。這是最簡單的材料，也是材料的發源。雖然只是簡單地使用自然材料，但是意義卻十分重大——這是人類開始使用材料作為工具的開始。為了讓生活資源更優越，他們又利用現有材料，不斷發現更有用、更便捷的材料。例如，為了達到所需的硬度，他們用野獸骨頭代替木質箭，大大提高了獵殺的成功率，不斷地改變著自己的生活環境。這是人類靈活使用材料的例證。為了性能，他們不僅僅只是尋找更好的材料，還能改進材料形狀，使之更方便。

3 青銅和鐵器時代

隨著時間推移，人類步入了青銅時代和鐵器時代。人類對金屬冶煉技術的掌握，極速推進了社會發展。這一時期也出現了對人類生活更便利的新材料。

紙的出現，大大推進了文化的傳播和發展。漢代蔡倫改進了造紙術，使得文字得以簡便的書寫和保存。紙張的原料纖維素來源于樹木。當把木材壓成碎片再滲入多種化學物質后，高溫高壓烹煮，就可以釋放出纖維素，晾干后就成了粗糙的紙張。

在透明的玻璃問世前，鏡子都是由表面高度拋光的金屬制成的。古羅馬人發現，在金屬上加一層透明玻璃，不僅僅能保護金屬表面不受刮損和腐蝕，還能減少金屬的用量到只需要一毫米即可。這使得鏡子的造價大幅降低，并且增加了使用壽命。控制鏡面玻璃的歪彎曲程度，可以讓光變成可實驗的對象。牛頓通過三棱鏡發現了光是由七種單色光混合而成的。這不僅展現了科學思考的威力，也凸顯了玻璃對科學實驗及破解宇宙奧妙的貢獻。并且，有了玻璃這種材質，尤其是耐熱玻璃的出現，使得化學進階為一門系統的科學。

新材料的出現，大大有利于人類的生活。人類通過使用新材料，不斷改進舊器械，在改變生活質量的基礎上，不斷發明性能更優越，效率更高的新型材料，推動了時代的進步，也激發了人類的智力潛能。新材料的發現與發明，不僅僅改善了客觀的生活，也加快了人類文明的發展。

4 電氣時代

1660年，被譽為現代電力之父的奧拓·馮·格里克制造了第一臺靜電發電機，從此走進了電氣時代。但直到西門子發明了第一臺工業用發電機，電才開始廣泛應用起來。為了解決用電的方便，人們發明了用于儲存電能的裝置——電池，例如石墨烯電池等，最早的電池叫“萊頓瓶”。起初發明者馬森布洛克只是為了將好不容易收集的電儲存起來，卻在不經意間發現儲電方法，就由此發明了“萊頓瓶”。之后意大利物理學家伏特利用鋅板和錫板浸在鹽水里，發現有電流通過，由此制成了世界上第一個電池——“伏特電堆”。這時的電池都存在著電壓隨著使用時間的增長逐漸下降的問題，也就是說當時的電池，只是一次性的。后來，人們發明了可以充電的電池——蓄電池。漸漸地有了干電池，鋰電池，再到如今的石墨烯電池。電池的發展標志從過去到現在的材料歷程，并指明了未來的發展方向。電的使用大大降低了煤炭的使用比例，不僅提高了能源利用率，也對人類環境做出來巨大貢獻。“伏特電堆”這一“新”材料的發明，在生活中，改變了能源結構，在科學中，加速了電磁理論的構建，“電磁感應定律”“楞次定律”……在工業中，人們發明了各式各樣用于各種方面的電動機，代替了原來使用煤的機器，提高了生產效率，進一步的加速了時代的發展。儲存電能的材料的發現發明，大大推動了社會發展。

2015 年全國各地出現石墨烯發展熱潮，紛紛建立了產業技術聯盟和產業基地[2]。

在航天領域，聚醚酮作為新興的材料，在抗輻射方面具有不可比擬的優越性能，可用來制作電線外的絕緣材料。并且聚醚酮能夠耐高溫，可以用來作為飛機等航天器中易產生摩擦地方的材料[3]。

5 AI時代

在21新世紀，人類步入人工智能時代，這是一個充滿改變的時代，每分每秒都有可能創造出新材料。但漸漸地人們意識到創造材料僅要滿足生產生活的需要還要與環境的自然和諧相處。納米技術是高新技術的必然結果。尤其在建材中通過融入納米催化劑便能將對人體有害的毒素分解開來，從而保護人類健康[4]。過去大量的煤炭、電的使用，對環境造成了巨大的傷害，人類意識到如此發展下去，人類只會自食其果。于是，在結合新材料的情況下，人類不斷開發了新能源“天然氣”，同時也發明更好的處理核廢料的方法。“核能”、“潮汐能”……天然氣是一種清潔能源，燃燒時排放的溫室氣體低于石油和煤炭，同時價格便宜，產生的能量更多。核能，利用核反應堆的核裂變所釋放出來的熱量來發電，大大提高了能量使用，核能的發展間接引起了關于核控制方面的材料研究。新時代的科技發展不僅需要人腦這一“軟件”，還需要配得上的材料“硬件”，唯有二者相融合，才能讓世界發展更迅速，更有效，更美好。

6 結語

由以上材料的發展歷程中可以發現：傳統的材料在制造和開發中，一方面造成了人力的巨大浪費，一方面也是資源的巨大浪費。并且在使用這些材料的過程中，很容易只考慮到材料本身的性能，而忽視新材料對環境的影響，甚至對人的影響。不符合科學發展觀，也不符合人與自然和諧相處。當代的新材料，之所以稱之為“新”，是因為人們不僅發現了材料，不僅改進了材料，甚至發明了材料。新材料以其“定制”的特有屬性為人們服務，頗似植物界的“轉基因”技術——創造新的材料。其不但能滿足人們生活物質的需求，也符合社會發展的需要。新時代的核心雖然是經濟建設，但是環境問題越來越被提高到前所未有的高度來重視。現在科研院所研制的新材料，注重性能的同時，更加注重使用過程中對人類健康的影響，對環境的影響，甚至對人類舒服度的影響。無論原材料的制備，還是加工方法，還是材料的功能屬性，都體現出“綠色”的理念。有利于資源節約，甚至回收再利用。

新材料產業的發展水平已成為衡量一個國家和地區經濟社會發展、科技進步和國防實力的重要標志[5]。能源材料的發展和材料的發展，都將大大促進一個國家科技水平的提升。尤其是能源材料，如果能夠尋找到合適的能源材料，那么多全人類的意義都是非常巨大的。

摩爾定律雖然說的是電子領域，但是也可以用來形容材料領域的發展趨勢。未來的新材料必將一定會不斷產生想象不到的屬性功能，給人類社會帶來巨大的影響和改變。這些年，精確到納米尺度的新技術就是材料發展的結果。縱觀新材料的發展歷史，“新材料”不斷變成“舊材料”，被更新的“新材料”所代替。隨著科學理論進步，科技在工業上發展，新技術應用在越來越多的生活和工業場景，這不斷驅使著材料學領域更深的發展。新材料為時代所新，新材料為技術所發展。材料在未來必然會不斷的升級換代更新，進而產生屬性更強，對人類更友好，更節約能源的材料體和其生產方式。隨著不斷的新材料被技術人員發明并應用于工業和生活，其必將在可預見的未來帶來更多的更美好的變化。

參考文獻：

[1]金松.論材料科學發展趨勢及特征[J].南方農機，2018，49（03）：191+193.

[2]王君.新材料產業發展分析及我國發展路徑選擇[J].中國經貿導刊，2016（13）：56-58.

[3]渠書承.淺談新材料的應用和發展前景[J].科技風，2019（01）：234.

[4]董璐瑤.淺析新材料在生活中的應用[J].世界有色金屬，2018（14）：245+247.

[5]肖勁松.新材料產業存在問題及對策[J].經濟，2019（2）.