Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

От промышленной революции - к научно-технической

Начало второго тысячелетия ознаменовалось новой эпохой в области техники. Технология получения и переработки сырья пережила значительный подъем, когда сила падающей воды всерьез пришла на смену до сих пор использовавшейся в качестве энергии привода мускульной силе животных и человека. * С помощью водяной воздуходувки удалось достигнуть температуры, при которой железо переходит в жидкое состояние. Расплавленное железо в горнах перерабатывалось в ковкое. В дальнейшем был найден так называемый процесс рафинирования, который просуществовал до конца 18 века.

Теперь можно было получать намного больше железа и значительно лучшего качества.

Чрезвычайно богат на технические достижения был 18 век. Важнейшим для развития промышленности основных материалов, связанных с подводом энергии, стало открытие коксования каменного угля. Вскоре был найден способ, при котором каменный уголь, применяемый при выплавке железа, не вступает в соприкосновение с металлом. В 1856 г. впервые расплавленное в конвертере железо было превращено в сталь. Мартеновский и томасовский способы, основанные на пропускании атмосферного воздуха через расплавленный чугун, завершили в 19 веке ряд научно-технических достижений в производстве стали.

Универсальное значение этого этапа развития в истории материалов, конечно, шире относительно узких границ представленной здесь области материалов. Однако, так как он характеризует первое революционное преобразование общей системы производительных сил в истории человечества, следовало бы сделать несколько принципиальных замечаний.

В Англии, оставшейся до середины 18 столетия наиболее прогрессивной страной, наблюдавшиеся тогда в развитии техники тенденции менее чем за десятилетие привели к таким сильным социальным изменениям, что эта страна с ее структурой населения и классов резко выделилась из всего окружающего мира. Речь идет о промышленной революции 18-19 веков, которую Фридрих Энгельс впоследствии характеризовал словами: «В то время как над Францией проносился ураган революции, очистивший страну, в Англии совершался менее шумный, но не менее грандиозный переворот. Пар и новые рабочие машины превратили мануфактуру в современную крупную промышленность и тем самым революционизировали всю основу буржуазного общества. Вялый ход развития времен мануфактуры превратился в настоящий период бури и натиска в производстве».

Что произошло? Когда английский инженер Кей в 1733 г. сумел резко повысить производительность ткацкой техники при помощи внедрения скоростного контактора, вследствие образовавшейся диспропорций между двумя основными процессами текстильного производства вновь наступил решительный момент для совершенствования машин и техники, с помощью которых можно было бы повысить производительность труда прядильщиков.

В результате продолжавшихся десятилетиями поисков было найдено новое решение проблемы. В конце 18 века на смену мануфактурам пришла фабричная система, важнейшей особенностью которой были машины, состоящие в свою очередь из приводящих, передаточных и производственных машин. Это позволило наконец одержать победу над ручным трудом в самой важной отрасли английской промышленности.

Скачок от инструментов к машинам произошел также и в других отраслях промышленности. Столь же велико было значение внедрения машин в средства передвижения. В какой степени эти изменения коснулись материалов?

К середине 18 столетия вследствие постоянно возрастающего потребления древесного угля для плавления руды английские леса были так разрежены, что дальнейшее бесконтрольное использование древесины привело бы к угрожающей ситуации в лесном хозяйстве. Поиски метода, с помощью которого можно было бы на каменном угле не только поддерживать производство стали на достигнутом уровне, но и увеличить его после ряда попыток привели к цели. В 1759 г. Каррон Айрон Воркс впервые применил каменный уголь вместо древесины. Если в 1750 г. в доменных печах было выплавлено 300 т, то в 1800 г. уже 1500 т. Производство стали также вследствие быстро возрастающих потребностей промышленности, работающей на базе машин и нуждающейся во все больших ее количествах, было революционизировано впервые примененным в 1783 г. процессом пудлингования. В результате был значительно повышен выход продукции. Наконец, на службу производству железа была поставлена сила пара (еще раньше паровые машины были внедрены в горнорудной промышленности, чтобы обеспечить водоотлив из глубоких шахт).

Постоянно возрастающий спрос на текстильные машины привел к возникновению новой отрасли промышленности-машиностроения. Хотя предметом труда еще долго оставалась древесина, а способ изготовления напоминал деревообработку, но во все возрастающей мере стали применяться чугун, сталь, медь, латунь и другие материалы.

По мере того как капиталистическое производство ставило хозяйство на новую базу и разобщенные местные рынки объединялись во внутренний рынок, необходима была новая система коммуникаций для связи производства и потребления, источников сырья и рынков сбыта. Строительство железных дорог, таким образом, стало сильным импульсом для промышленной революции. Тысячи километров железнодорожных путей со всем принадлежащим им подвижным составом потребовали неизмеримо большего количества железа, стали и цветных металлов. «Железный век» в старом понимании окончательно ушел в прошлое. Уже возвестили о себе новые материалы-полимеры.

Превращения натуральных продуктов и производство синтетических веществ тесно связаны с историей промышленности красок и смол, от которой в последней трети 19 века отделилась промышленность органической химии.

С начала 19 столетия возрастающий объем коксования каменного угля привел к появлению такого количества каменноугольной смолы, что усиленно велись поиски, как использовать этот обременительный побочный продукт. В 1856 г. англичанин Уильям Генри Перкин разработал способ получения имеющего большую техническую ценность красящего вещества -мовеина. В 1865 г., когда Кекуле вместе с формулой бензола нашел ключ к химии углерода, пробил час рождения промышленности, которая поначалу вырабатывала исключительно красители и медикаменты, а затем, с началом нового столетия,-множество новых материалов.

Конец сороковых годов нашего столетия возвестил о научно-технической революции. Первые полимеры были синтезированы для массового промышленного производства.

Мы хотели бы здесь попытаться шире охарактеризовать воздействие научно-технического прогресса на производство материалов. В последующих главах будет приведено еще много примеров того, в какой мере научно-технические достижения внедрились в область материалов. Быстрый рост научных знаний привел к новым воззрениям на строение вещества. Внедрение материалов на практике стало все в большей степени определяться интенсивным использованием новых научных знаний. Появились новые исследовательские комплексы и материаловедческие науки. Во всех областях жизни мы находим множество технических решений нового типа, и они часто требуют новых материалов. В то же время новые материалы приводят к совершенно новым техническим решениям. Примерами новых разработок могут служить комбинированные материалы, высокочистые материалы, кристаллические полимеры. Число используемых сегодня и в будущем материалов с их различными свойствами и параметрами может быть учтено лишь с помощью большого банка данных о материалах.

В нашем историческом обзоре не должна остаться без внимания качественная сторона. Раньше развитие материалов происходило очень медленно. Пройдя через тысячелетия, до настоящего времени большая часть человечества довольствовалась небольшим числом материалов. Многие технические достижения прошлого использовались только в производстве дорогого оружия и предметов роскоши. Потребности в сырье для материалов долго оставались очень ограниченными. Лишь в ходе промышленного переворота и под воздействием специфических факторов наметились перемены.