工业革命与新兴材料公元1000年以后，原料的开采和加工技术经历了重要的繁荣阶段，当时以水力为驱动能代替以往动物和人的力量，利用水力驱动的鼓风机使冶炼达到的温度，可将铁化为液体。铁在炉火中被加工成可锻铁，从而发明了精炼法。此法直到18世纪末才被其他方法淘汰，直到这时才可以大量生产质量较高的铁。
18世纪是技术革新的世纪。对行将到来的基础材料工业发展来说，最重要的发明是我国掌握了用硬煤炼焦并用于为炼铁输入能量。后来很快就发明了搅炼法，这种炼钢法可使用硬煤而不使其接触铁。1856年，在把常压空气鼓进一个转炉内将铁变为钢的时候，引起了极大轰动。19世纪，西汀丁—马丁法和托马斯法标志着炼钢技术的完善。
18世纪中期，可以看出当时最进步的国家（如英国）的技术发展趋势，这种发展在数十年内即导致阶段结构发生了史无前例的变化，这就是18、19世纪的工业革命。当（1879年）革命的风暴席卷法国时，英国正在发生比较安静的、但同样是巨大的变革。蒸汽和新的工作母机把手工工场转变为现代化大工业，从而使市民社会的全部基础发生了革命性变化，手工工场的缓慢发展过程转变为一个真正暴风雨般、突飞猛进的生产阶段。
劳动手段的变化，即从工具到机器的飞跃，促使其他工业部门也不能停滞不前。机器在重工业和交通中的应用也具有同样重要意义。这种变化与材料有多大关系呢？
18世纪中期，由于生产金属所需的木炭不断增加，使英国的森林遭到严重砍伐。如果仍然不控制砍伐，便威胁到水土的保持，寻求新的冶炼方法迫在眉睫。利用硬煤炼钢方法，不但能使生产保持当时的水平，而且能加以提高，以适应国民经济增长的需要。经过许多试验终于达到目的，1759年卡龙制铁厂首次用煤代替木材。1759年一炉的产量约为300吨，而1800年之后已达到1500吨。1783年首次使用的炒钢法使钢铁生产发生了又一次革命，它提高了钢的产量，最后还成功地把蒸汽机用在钢铁的生产中。在此之前，蒸汽机已经用在深度日益增加的矿山，以解决排水问题。
随着纺织工业建设对机器需求的不断增长，出现了新的工业部门——机械制造工业。这个工业的劳动对象很久以来始终是木材，而且加工方式最初大多是木材加工，后来对铁、钢、黄铜和其他材料加工逐渐增多。在资本主义生产把国民经济立于新的基础上、将它所占领的市场统一为国内市场的情况下，必须用新的交通系统把生产与消费、原料与销售市场联系起来。因而，建造铁路就成为工业革命的巨大推动力，“钢铁时代”来临了。但这个时代几乎没能达到其骄傲的顶峰，因为新的材料已经问世了，那就是塑料。
天然产物的转换及合成材料的历史同焦油染料工业的历史有密切联系。焦油染料工业在19世纪末期是作为过去有机化学的工业结晶而形成的。随着硬煤炼焦的增多，焦油产量也增加了，因此人们普遍寻求利用这种废物的方法。1856年，英国人威廉·亨利·泊金找到了一种大规模生产有用染料苯胺紫的工艺。当科库勒斯于1865年发现苯的化学式——碳化物的关键，一个新的工业就诞生了，最初主要生产染料和药品。19世纪70年代至90年代是以电磁理论的建立及其在工业上的应用为主要标志的。法拉第发现了电磁感应现象以后，有实用价值的发电机已经制成。但是，电在工业上的应用，并不是从制造发电机开始的。也就是说，电不是首先作为能源使用，而是用于电报和电话等通信事业。因为那时候电灯、电动机等一类电器还未出现，发电机发出的电用不了，电没有多大销路，因此电力工业得不到大发展。自从1879年美国大发明家爱迪生发明了白炽电灯以后，每家每户都用电照明，用电量猛增，大规模工业发电才得以迅速发展，电力革命的曙光才照到人间。
白炽灯泡的发明，是与灯丝试验成功密切相关的。爱迪生花费了一年多时间，一共试验了1000多种灯丝材料，最后采用碳纤维才获得初步成功，以后又改用高熔点的钨作灯丝。大大小小的电灯泡推动了美国工业的发展，发电厂（站）像雨后春笋般建立起来。电力工业发展的需要，促进了发电机、电动机、变压器、电线和电缆工业的诞生和发展。同时，还推动了材料与工艺技术的发展。例如，各种导体、绝缘体以及后来半导体材料的发现，电镀、电解、电焊、电火花加工等新工艺的应用。
工业革命后，英国的钢铁产量大幅度上升，年产量从1万吨猛增到130万吨。钢铁、无机化工材料、机械等工业产品占世界总产量一半以上，获得了“世界工厂”的称号。这次工业革命，正如1848年《共产党宣言》中所说的：“资产阶级在它的不到100年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代创造的全部生产力还要多，还要大。”
20世纪前半期，则是以核能、飞机、汽车、化工和电子计算机的发明或发展作标志的。放射性材料镭和钋发现以后，核裂变原理取得重要成果，核能开始被利用；飞机的革新是与航空材料的进步密切相关的；1927～1931年是化工技术发生转折的时期，继塑料以后，合成橡胶和合成纤维材料相继问世，使有机合成材料工业进入了一个崭新阶段；20世纪初，内燃机技术取得突破，汽车开始大量生产；1945年世界上第一台电子计算机发明；1957年第一颗人造卫星上天等。
当今世界，我们正面临着又一场新的技术革命——有人称之为第四次工业革命。这次革命是以信息科学、材料科学和生物科学为前沿的。世界科技界权威人士认为，这场工业技术革命所带来的影响和创造的社会财富，将远远超过历次工业革命。
材料的作用
近代科技和生产的发展，可以说是一日千里，人类从乘牛车、马车到乘宇宙飞船，从点油灯照明到用原子能发电，从使用大刀长矛到发射导弹核武器等等。科学技术能以惊人的速度发生巨大的变化，应首先归功于材料。如果没有钢铁，再高明的技术工人也造不出汽车；没有高强度、耐高温的材料，再聪明的科学家也无法把卫星送上天；没有耐腐蚀、耐高压的材料，再勇敢的探险者也不能开发富饶的海洋资源……在科学技术史上，材料问题解决与否，往往成为创造发明成败的关键。新材料一旦应用，不仅大大提高了科学技术和生产力的发展，也使人类的活动方式发生翻天覆地的变化，而且给人类带来空前优厚的物质利益和精神上的享受，把千百年来梦寐以求的神话变成现实。
纵观近年来的成败得失，不少决策人逐渐意识到科技的进步，关键在于材料。为了说明这一观点，他们要求对一些重大科学和技术项目进行分析，现仅就一些材料在工业、农业、国防和科研等方面所起的作用及其建立的功绩，选数例做一简单介绍。
金属材料
金属材料是钢铁、有色金属和稀有金属的统称。
长期以来，金属中的钢铁一直是最基本的结构材料，它的产量标志着工业化的水平。1700年的世界钢铁产量为10万吨，1800年为80万吨，1900年猛增至4190万吨，1978年则在7亿吨以上。但在今天，现代化的大工业已不再单纯追求钢铁的产量，而对钢铁的性能、品种提出了许多更高的要求。例如发展空间技术，要求钢材重量轻、强度高和耐高温等，一般碳钢无法满足。
近几十年来，钢铁冶炼技术进展很快，先后研制出了各种合金钢。例如，含锰、硅的低合金强度钢的重量比普通碳钢轻20—30％，经适当处理后可使强度提高2—6倍。现在常用的不锈钢有铬13型（含铬13％），适用于制作一般医疗手术器械和需要耐大气腐蚀的器件。另有铬镍钛18-8-1型合金（含铬18％、镍8％、钛1％），抗腐蚀性强，工艺性能好，广泛用于化肥、化纤、石油化工、仪器仪表等生产领域。
除钢铁等黑色金属外，各种有色金属和稀有金属也是现代工业的重要材料。例如有色金属铝，可制造各种用具、电器用品、船舶、建材、电缆、管道以及飞机和人造卫星构件，它的年产量已超过铜，仅次于钢铁。用铝合金制成的舰艇，不仅速度快，不怕海水侵蚀，而且没有磁性，能防避磁性水雷的袭击。又如号称宇宙金属的钛，比重小，熔点高，所合成的合金不仅强度大，且能耐高温、低温和耐腐蚀，它在1668℃时才会熔化，比黄金的熔点高600℃。极细的钛粉是火箭的优良燃料，据统计，世界上每年用于宇宙航行的钛已超过1000吨。
稀有金属是指那些发现比较晚，形成独立矿物少，分散而不易提纯的一些金属。目前已开发使用的稀有金属有50多种，分成五类，即轻稀有金属、难熔稀有金属、放射性稀有金属、稀散金属和稀土金属。轻稀有金属中的锂的比重只有水的一半，放在油里也会浮起来，可用来制造氢弹，是热核反应的原料。稀土金属在冶金、电气、玻璃工业中广泛用来制造易燃合金，还可用于产生激光，制造彩色荧光材料和永磁材料。
合成高分子材料——分子界的巨人
人工合成有机高分子材料的成功，是材料发展史上的一次重大突破。多少世纪以来，人们使用的各种材料，如石器、陶瓷和金属等，都是直接取自大自然的天然物质，或者把一些天然物质进行冶炼、焙烧，加工后制成的。随着生产领域不断扩大，它们的品种和性能都受到很大限制。随着人类物质、文化生活需求不断增加，自然界的“恩赐”已经供不应求了。功能性高分子中空纤维具有非凡的过滤功能，被用来制造各种人工器官于是，各种人工合成高分子材料应运而生，把人类物质文明的发展又向前推进了一大步。
人工合成高分子材料弥补了大自然的不足，以崭新的姿态出现在各个工业部门，同时又迅速地打入民用市场，和人们日常生活产生了密切的联系，今天已是“天下无人不识君”了。人工合成有机高分子材料的品种很多，主要包括一般说的“三大材料”，即合成纤维、合成橡胶和合成塑料，此外还包括合成油漆、涂料、胶粘剂和一部分液晶。
一般的无机化合物和有机化合物，其分子只包含几个或几十个原子，最多也不超过二三百个原子，而高分子化合物却不同，每一个分子所含的原子数可达几千或几万，甚至几百、几千万。也就是说它们的分子量特别大，所以叫做高分子。
高分子化合物是通过化学方法以天然气或石油为原料，经过一系列反应得到的。它的分子链形状细长，或者首尾相连，或者含有小支链，相互交连，吸引力非常强，所组成的物质在强度、弹性等方面都比低分子物质优越许多。从结构上看，高分子化合物的分子是由许多相同的单体（链节）重复排列组成，所以又叫高聚物。例如，乙烯的分子量是28，而聚乙烯的分子量可达56万，也就是说，聚乙烯是由大约两万个乙烯链节组成的。乙烯、丙烯和丁二烯等单体都可以合成高分子材料。
合成纤维、橡胶和塑料都是高聚物，它们在形状和性能上有很大差异，但是，它们三者之间并没有严格的界限。同一种聚合物，由于合成方法和工艺不同，就可以分别制成纤维或塑料，如聚酰胺（尼龙）就有这种特点。又如聚氨酯弹性体，同时具有橡胶和塑料的双重性能。
无机材料
无机材料即无机非金属材料。
问世较早的无机材料主要有陶瓷、玻璃和水泥，后来又出现了耐火材料。现在，光学玻璃、工业陶瓷、石棉、云母、铸石、金刚石、石墨等无机材料已成为现代科学技术中不可缺少的重要材料。
无机材料有许多优点。首先，它的品种很多，约有100多种，工业上广为应用的就有30多种。其次，它的性能优异，既能耐高温，耐腐蚀，又具有坚硬，不怕氧化以及对光、电、声的转换功能。例如，制造磁流体发电机需要耐2000℃以上高温的材料，但一般金属只能耐1000℃左右的高温，连难熔金属也承受不了，而无机非金属材料却可以满足这一需要。又如石墨被大量用作原子能工业的减速剂；惟一的自然矿物纤维石棉，则具有较大的抗拉强度和弹性，可防火、隔音、隔热、耐酸碱、保温。
奇特的压电陶瓷
电子玩具小黄狗、小花猫的有趣叫声，是由安装在这些小动物肚子里的一只叫蜂鸣器的元件发出的。这蜂鸣器就是用压电陶瓷做的。
压电现象是1880年居里弟兄俩发现的。他们在天然的水晶片上放上重物施加拉力后，它的两个表面会出现不同的电荷，产生电势差；相反，当电荷作用到晶片上时，晶片就会发生伸缩形变。如果加的是交变电压，那就会引起机械振动。
为什么晶体会具有压电特性呢？原来晶体的分子结构是很规整的，就像小朋友手拉手排列起来一样，正负电荷作用力相等，晶体表面不带电。当晶体在某一方向受力时，排列的队形就受到冲击，一个方向压扁，另一方向拉长，就像有的小朋友一只手被拉过去，而另一只手就脱出了一样，这就使晶体两端表面带电，产生压电现象。
