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新材料产业如何支撑国家崛起?

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新材料产业如何支撑国家崛起?

发布日期:2017-12-14 作者:江苏标记热处理防护涂料 点击:

一、技术简史:历次工业革命中的新材料


整个人类文明的发展史,可以看作是新材料、新能源的利用史。石器文明、青铜器文明、铁器文明,无一不见证着人类发现、掌握、使用材料的漫漫历程。随着科学技术的发展,三次工业革命相继拉开帷幕,人类文明自近代以来依次走过蒸汽时代、电气时代,一直到今天的信息时代。


蒸汽时代、电气时代和信息时代,表面上看起来与新材料没有直接的关系。但试想,若没有钢铁工艺的革新,怎会有蒸汽机的轰鸣?没有石化工业的兴起,怎会有飞机、汽车、邮轮的驰骋?没有半导体工业的出现,怎会有互联互通的虚拟世界?新材料及其加工技术,不仅是历次工业革命的物质基础与先导,更是人类文明前进的基石。


资料来源:Our World in Data


(一)第一次工业革命:英国与钢铁工业


第一次工业革命发轫于18世纪60年代的英国,关键节点是仪器修理工詹姆斯·瓦特改良了纽科门蒸汽机,大幅提升了热效率,使蒸汽机可以大规模应用于采矿、冶炼、纺织等工业。此后的数十年中,蒸汽机带来了人类生产力的提升,直接推动了欧洲机械制造、铁路、纺织、轮船等工业的大发展,使西欧GDP总量呈爆发式成长。1770年(乾隆三十五年)中国GDP约占世界总量的30%,到1870年中国GDP占世界总量仅约17%,西欧GDP占比则超过30%(图1)。


在英国主导的第一次工业革命中,钢铁工业无疑是生产力飞跃的物质基础。尽管在罗马时代,欧洲就已普遍使用铁器并发展出了铁匠、钉匠、刀匠等专业分工,但欧洲一直将木材作为冶铁的唯一燃料,导致冶铁成本高昂且不可持续。直到第一次工业革命前后,英国境内煤炭的广泛使用和冶铁工艺的持续改进,促成了钢铁工业的爆发。


1708年,亚伯拉罕·达比实现了焦炭炼铁的试验,从此廉价而广泛的煤炭逐渐成为冶铁的主要能源;

1742年,亨茨曼应用坩埚炼钢法,在欧洲历史上第一次炼得了液态钢水;

1762年,斯米顿引进了水力风箱,大大提高了冶炼高炉的温度;

1776年,瓦特蒸汽机代替水力鼓风在高炉炼铁中得到应用,炼铁业摆脱了对木材和水力的依赖。


丰富廉价的煤炭与铁矿石相结合,使英国从木器时代进入钢铁时代。随着坩埚炼钢法和瓦特蒸汽机等革命性技术的广泛应用,英国钢铁产量不断上升、钢铁价格不断下降,铁已经丰富和便宜到可以用于一般的建设。1720年英国铁产量仅为2万吨,1850年已经迅速增长至250万吨(图2)。铁迅速占领了木器主宰的传统领域,从船舶、车辆、桥梁到建筑。



资料来源:《历史的细节:横跨千年的钢铁历史》


1804年,特里维西克发明了世界上第一台行驶于轨道上的蒸汽机车,由此开辟了一个崭新的铁路时代。1825年,当铁路时代到来时,英国已建成原始铁路轨道300英里。到1870年,英国就已拥有15500英里铁路。新时代开启后,铁路成为推动英国经济起飞的重要因素,“日不落帝国”的霸主地位就此奠定。


(二)第二次工业革命:德国与化学工业


第二次工业革命始于19世纪60年代末期,以电能的突破、应用以及内燃机的出现为标志,德国是这一场工业革命的引领者,美国则是集大成者。在第二次工业革命中,钢铁、煤炭、机械加工等第一次工业革命出现的技术得到了进一步的发展。同时,石油、化工、汽车、航空、电气等新兴工业领域崭露头角,使整个工业面貌焕然一新。在第二次工业革命进程中,科学与技术的不断进步,带动了西方社会经济的高速增长。到1950年,西欧和美国的GDP在的占比超过50%,而中国仅为3%(见图1)。


在第二次工业革命中,化工行业的兴起与蓬勃发展,地丰富了人类社会所需求的物质。化工染料、合成橡胶、塑料制品、化学制药、化肥等产品的出现,为人类的衣食住行等各个环节提供了物质保障。德国化学工业与化工材料在第二次工业革命中异军突起,更成为了德国经济弯道超车、军事迅猛崛起的基础。


1826年,李比希在德国吉森创了闻名于世的现代化学实验室,培养出霍夫曼、凯库勒、拜耳、费歇尔、施陶丁格、李普曼、艾利希、奥斯瓦尔德等化学工业先驱,先后共有40人获得诺贝尔化学奖;

1863-1867年,拜耳、赫希斯特、巴斯夫和阿克发等公司相继在德国创立,德国合成染料工业异军突起;

1897年,在拜耳公司工作的霍夫曼与艾兴格林一起发明了阿司匹林,化学制药工业开始兴起;

1902年,德国化学家哈伯开始研究由氮气和氢气直接合成氨,并于1908年申请“循环法”专利,自此合成氨工业陆续为军事、农业、工业服务;

1913年,德国化学家伯吉尤斯在实验室成功实现了煤氢化为液体燃料,法本公司于1927年建设煤氢化工厂,此后为二战期间德国军队提供燃料;

1922年,德国化学家施陶丁格开创了高分子化学这一学科,人类从此进入“聚合物”时代;

1925年,IG法本公司正式组建,由拜耳、赫希斯特、巴斯夫和阿克发等6家公司合并而成,该公司在二战期间为德国军队生产了大量的合成燃料和合成橡胶,使德国冲破了资源瓶颈。


在过去100多年中,德国几经兴衰,却都能完成复兴,这离不开德国在第二次工业革命中完成的技术积累与沉淀。德国化学工业一直保持着高度的创新能力,拜耳、巴斯夫等化工巨头均由合成染料起家,但并没陷入同质化竞争的漩涡中。经历100多年的发展,拜耳、巴斯夫等企业依然能够位列500强企业,是名副其实的“不死鸟”。

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