工業(yè)革命是指在人類社會工業(yè)化過程中以機(jī)器取代人力的技術(shù)變革運(yùn)動，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能力得以大規(guī)模地被機(jī)器取代，而且把勞動能力擴(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，也稱為英國工業(yè)革命，革命的成果主要是用機(jī)器取代和擴(kuò)張了人的簡單體力勞動。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，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。第三次工業(yè)革命起源于20世紀(jì)70年代的美國，革命的成果主要是用機(jī)器取代和擴(kuò)張人的簡單腦力勞動。第四次工業(yè)革命于21世紀(jì)初由德國率先提出，革命的目標(biāo)是用機(jī)器取代和擴(kuò)張人的智力勞動。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]。

1.   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，英國連續(xù)發(fā)明出了各類新型機(jī)械裝置。1733年英國機(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)械對大量紗線的需求。1764年英國織工兼木工詹姆斯·哈格里夫斯發(fā)明了手搖紡紗機(jī)，即珍妮紡紗機(jī)，能同時紡16~18個紗錠，提高工效15倍。1769年英國理發(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年英國青年工人賽米爾·克隆普頓發(fā)明了繆爾紡紗機(jī)，能同時運(yùn)轉(zhuǎn)300~400個紗錠以便紡出精細(xì)而結(jié)實(shí)的紗線，1785年英國工程師埃地蒙特·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年英國建立第一個機(jī)械化織布廠。隨后紡織工業(yè)各個生產(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)時人們在開拓進(jìn)取精神推動下不斷取得的創(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)期間英國對紡織業(yè)發(fā)明專利數(shù)目的不完全統(tǒng)計[4−5]；可以看出，隨著工業(yè)革命的發(fā)展人們在技術(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)制成了第一臺單動式蒸汽機(jī)；后經(jīng)改進(jìn)于1782年制成了聯(lián)動式蒸汽機(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代，蒸汽機(jī)的發(fā)明也成為了英國工業(yè)革命的重要標(biāo)志。蒸汽機(jī)可以為各種機(jī)械設(shè)備提供動力，其推廣應(yīng)用促進(jìn)了英國各個工業(yè)部門的機(jī)械化改造。用蒸汽機(jī)取代水力驅(qū)動紡紗機(jī)和織布機(jī)，可使紡織工廠擺脫對河邊水力的依賴，促進(jìn)了紡織機(jī)械化生產(chǎn)的推廣和普及。1784年英國建立了第一座蒸汽紡紗廠，隨后出現(xiàn)了蒸汽機(jī)驅(qū)動的冶金蒸汽鼓風(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年英國已有蒸汽機(jī)1.5萬臺、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)時的機(jī)器大多由鐵器制造，需消費(fèi)大量優(yōu)質(zhì)鐵器，由此也推動了英國冶鐵、制鐵業(yè)的快速發(fā)展。1720—1740年間英國的鐵器年產(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)。

2.   第二次工業(yè)革命與現(xiàn)代鋼鐵材料

在英國工業(yè)革命取得巨大成功的推動下，自19世紀(jì)中期以來歐美各國不斷涌現(xiàn)出多種多樣的革命性技術(shù)發(fā)明，由此推動了第二次工業(yè)革命。在蒸汽機(jī)的基礎(chǔ)上，1884年英國查爾斯·帕森斯發(fā)明蒸汽輪機(jī)[7]。在燃?xì)鈩恿Ψ矫妫?860年法國勒努瓦制造出實(shí)用煤氣機(jī)[8]；德國的發(fā)明家和工程師們在汽車技術(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年德國西門子制成直流發(fā)電機(jī)[11]，1873年比利時齊納布·格拉姆展示了他的實(shí)用直流電動機(jī)[12]，1886年美國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)鈩恿螂姎鈩恿Φ臋C(jī)器借以驅(qū)動其它各類工業(yè)機(jī)器，由此推動了多種機(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。歐美各國新技術(shù)競相涌現(xiàn)、互相促進(jìn)，極大地推進(jìn)了工業(yè)革命進(jìn)程。然而，英國工業(yè)革命時期使用的冶鐵技術(shù)存在批量小、生產(chǎn)效率低、價格較高、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年法國人馬丁建造了第一個專用煉鋼設(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年英國開始用平爐鋼建造鋼結(jié)構(gòu)橋梁，1889年法國政府用約7000 t平爐鋼建成了324 m高的埃菲爾鐵塔[2]。1856年英國人貝塞麥公布了一種轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即在一個可以翻轉(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，并迅速在法國和德國得到推廣應(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)入了鋼鐵時代。

在技術(shù)上互相促進(jìn)的同時，當(dāng)時西方各國已經(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)，西方國家積極逐利的傾向不可避免地導(dǎo)致了各國利益的沖突，戰(zhàn)爭也變得不可避免。鋼鐵新技術(shù)推動的二次工業(yè)革命不僅促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且改變了戰(zhàn)爭的形態(tài)和規(guī)模。進(jìn)入鋼鐵時代后，用于戰(zhàn)爭的槍炮子彈、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，各國的軍事能力也得到極大提高。各國的鋼鐵產(chǎn)量也對應(yīng)著其應(yīng)對戰(zhàn)爭的硬實(shí)力(表1)。

進(jìn)入鋼鐵時代不久，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年德國產(chǎn)鋼1700萬t[17]，大致相當(dāng)于英國(796萬t[18])、法國(500萬t[17])和俄國(479萬t[19])的總和；因此德國敢于發(fā)動第一次世界大戰(zhàn)。1917年美國對德宣戰(zhàn)，當(dāng)時美國年產(chǎn)鋼已達(dá)4000萬t[20]，美國的參戰(zhàn)使得德國迅速落敗，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)動全面侵華戰(zhàn)爭，中國雖全力抵抗，但實(shí)力差距過于懸殊。當(dāng)時日本年產(chǎn)580萬t鋼，而中國國統(tǒng)區(qū)年產(chǎn)僅4萬t鋼[21]，且戰(zhàn)端一開，中國產(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)時日軍的炮彈甚至比中國的子彈都多，因此中國的抗戰(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)時間。1939年德國產(chǎn)鋼2600萬t，高于英(1343萬t)國和法國(790萬t)的總和[23]，德國借助進(jìn)攻波蘭在歐洲發(fā)動了第二次世界大戰(zhàn)。法國為了防止德國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，繞道法國與比利時邊界的阿登地區(qū)，突襲并擊敗英法聯(lián)軍，造成其敦刻爾克大潰敗，法國也不得不于第二年6月投降。1941年德國的鋼產(chǎn)量仍超過蘇聯(lián)，并對蘇聯(lián)發(fā)動閃電戰(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鋼鐵及其產(chǎn)能的比拼，美國的參戰(zhàn)及其保有的戰(zhàn)爭能力確實(shí)改變了戰(zhàn)爭的格局。1950年朝鮮戰(zhàn)爭爆發(fā)，年底志愿軍入朝作戰(zhàn)。當(dāng)年中國的鋼產(chǎn)量只有60萬t，而美國則有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)爭勝負(fù)的惟一決定因素。

3.   第三次工業(yè)革命及信息材料

信息及其儲存、傳遞和更新是現(xiàn)代社會非常重要的構(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、0兩個數(shù)值所表達(dá)一個數(shù)位的二進(jìn)制數(shù)字，稱為一個比特(bit)；能表達(dá)1、0兩個數(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。計算機(jī)很容易對這些數(shù)字化的信息作運(yùn)算、加工、處理、更新等操作。當(dāng)今實(shí)用的計算機(jī)中通常用8個比特電路組成一個信息單元，稱為字節(jié)(Byte)或B，以表達(dá)任何可能的字母、數(shù)碼、符號等。210個字節(jié)稱為1 KB，即1024 B。1946年美國在第二次世界大戰(zhàn)之后制造出了世界上第一臺電子計算機(jī)，1 s可作5000次加法[27]。這臺計算機(jī)中用作比特電路的電子元件是單向?qū)щ姷恼婵针娮庸?。這臺計算機(jī)使用了17468個真空電子管，按8個真空電子管為1個字節(jié)計算，這個計算機(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)價值。

當(dāng)人類社會進(jìn)入這一個階段，大量的信息被數(shù)字化，且在計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)海量存儲、高速傳輸、廣泛共享、經(jīng)計算機(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)知識快速更新和實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展，則人類社會就進(jìn)入了信息時代。與傳統(tǒng)社會的信息技術(shù)相比，信息時代的信息被大規(guī)模地數(shù)字化，信息的加工、處理、更新，以及新信息的產(chǎn)生方式被計算機(jī)化，信息的存儲和快速傳遞方式被網(wǎng)絡(luò)化。在信息時代財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)。集成電路是對電子信息具有存儲、運(yùn)算或處理功能的材料，光導(dǎo)纖維是對光電子信息具有網(wǎng)絡(luò)化傳輸功能的材料。材料工程上一切對信息具有探測、接收、傳輸、存儲、運(yùn)算、顯示或處理等功能的材料都屬于信息工程材料，簡稱信息材料。與信息的探測、接收、傳輸、存儲、運(yùn)算、顯示或處理等有關(guān)的技術(shù)稱為信息技術(shù)。信息時代有兩個關(guān)鍵性要素：其一是信息的數(shù)字化及其加工、計算以及新數(shù)據(jù)的衍生；其二是信息的海量存儲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、計算是一些理念和數(shù)學(xué)方法，而信息海量存儲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代進(jìn)展的步伐。

從十幾厘米的真空電子管開始，一個比特電路尺寸的小型化先是幾個厘米的小型電子管，再到幾個毫米的晶體管；由此，使得相關(guān)的計算機(jī)技術(shù)逐漸進(jìn)入了實(shí)用化階段。但是對于高容量和高工作效率的計算機(jī)來說，把大量幾個毫米大小的比特電路進(jìn)一步緊密地排列、并連接在一起，會擠占較大空間且制作繁瑣，極大地限制了計算機(jī)容量及效率的提高。1958年美國工程師基爾比在一個鍺半導(dǎo)體片上同時制作出了1個尺寸為1 mm左右的比特電路和幾個其它的電子元件，即把幾個電子元件集成在一小塊半導(dǎo)體上，形成的一個集合的電路，稱為集成電路；這是世界上第一個集成電路[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，如果一個比特電路的尺寸為1 μm×1 μm(圖3（a）)，則一個集成電路上可制出1億個比特電路[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)?；ヂ?lián)網(wǎng)是計算機(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。由此開始了計算機(jī)與通信的結(jié)合。1969年美國國防部高級計劃開發(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)四個站點(diǎn)的計算機(jī)連接成網(wǎng)，由此開始了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的正規(guī)發(fā)展時期。自1974年開始，美國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年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了使不同體系結(jié)構(gòu)的計算機(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)時不僅會發(fā)生反射，也會發(fā)生折射。如果兩種鄰接介質(zhì)對光的折射特性差異足夠大，當(dāng)光束在這兩種介質(zhì)之間穿越時就會發(fā)生全反射現(xiàn)象。此時光束不會從其所在的介質(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，簡稱光纖。只有當(dāng)光信號在長距離傳輸過程中很少衰減的光纖才具備工程應(yīng)用的價值，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)用價值。20世紀(jì)70年代美國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到。因此，光纖可以連續(xù)傳送光信號40 km而不需要中間重新增強(qiáng)信號。隨后世界各國不斷發(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、檢測和維修工作。

計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟發(fā)展才能催生信息時代的開始，而大規(guī)模集成電路和光纖都是信息時代關(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)，并隨后形成了國際標(biāo)準(zhǔn)。這些技術(shù)的成熟和規(guī)?；l(fā)展極大地推動了人類社會的信息化進(jìn)程。因此可以認(rèn)為，人類的信息時代應(yīng)起始于20世紀(jì)70年代中期。從那時起，現(xiàn)代社會進(jìn)入了第三次工業(yè)革命時期，人類的腦力勞動開始大規(guī)模地被計算機(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。

4.   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年德國政府提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略，旨在推動工業(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，即人工智能化時代的開始?？梢灶A(yù)見，智能時代的發(fā)展需要大量智能設(shè)計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)鍵的推動作用，但信息時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)所需的智能材料會有很大不同，因此智能時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、磁信號而自動調(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]。智能時代會大量使用高運(yùn)算效率的計算機(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)一步降低單個比特電路的尺寸，則計算機(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)用價值，但保持超低溫度是一個比較耗能的技術(shù)。然而外太空的常規(guī)溫度范圍是−150 °C，如果發(fā)展出在這個溫度下帶有智能特性的超導(dǎo)材料技術(shù)，可對太空技術(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以下時可能會出現(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)備的互動行為。讓氧化鋅納米絲密集地生長于紡織纖維的表面，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)。對于嚴(yán)重斷裂的開放性骨損傷，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)生長留出空間，可降解的三維人工骨網(wǎng)會不斷降解，以便長出全新真骨。

相關(guān)實(shí)例，不勝枚舉。由此可見，第四次工業(yè)革命是一場用智能設(shè)施取代和擴(kuò)張人的智力勞動的革命，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。

5.   結(jié)束語

工業(yè)革命是自人類近現(xiàn)代商品和市場經(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，歐美國家一直發(fā)揮著引領(lǐng)作用。因歷史的局限，中國長期處于學(xué)習(xí)和跟進(jìn)狀態(tài)，并正努力嘗試對工業(yè)革命的進(jìn)程作出積極的、乃至創(chuàng)新性的貢獻(xiàn)。

文章來源——金屬世界