材料革命是发展新质生产力的源动力

何 维

材料（Material）是构成物体的物质或物质的混合物。1836 年，丹麦考古学家C.J.汤姆森（Christian Jürgensen Thomsen）首次提出，把石器时代（Stone Age）、青铜时代（Bronze Age）和铁器时代（Iron Age）作为历史文化研究的阶段划分，也是首次将某一历史时期的人类所利用的主要材料作为历史发展的阶段性标志[1]。卡尔·马克思（Karl Marx）在其《资本论》中，深刻阐释了人类社会生产力与生产关系的辩证统一关系，概括了生产力构成中劳动者、劳动对象和劳动资料这三个基本构成要素[2]。卡尔·马克思和弗里德里希·恩格斯（Friedrich Engels）指出：“分工发展的各个不同阶段，同时也就是所有制的各种不同形式。这就是说，分工的每一个阶段还根据个人与劳动的材料、工具和产品的关系决定他们相互之间的关系。”[3]显然，马克思主义生产力学说不再孤立地单纯地研究生产力，而是把握生产力与生产关系对立统一关系，阐释了生产力对生产关系的决定性作用，阐明了生产关系也是一种客观的物质关系，受生产力水平所制约，生产力与生产关系相互作用，推动生产力和生产关系不断向前发展，由低级阶段向高级阶段不断演变。材料属于生产力中劳动对象的范畴，在生产力中发挥重要底层支撑的作用。劳动资料是劳动者用以作用于劳动对象的物，或物的综合体，其中以生产工具为主，亦包括在生产过程中所必要的物质条件，如土地、建筑物、动力、交通运输等，其中以能源为基础的动力是一个更为关键的要素。劳动对象是指生产过程中被加工的东西，包括从自然界获取的物质资料和经过劳动加工而制造出来的原材料。劳动资料和劳动对象统称为生产资料。生产工具直接反映了人类利用自然世界的质量与水平，反映了生产力的性质与发展水平，也是社会经济发展的重要标志。从毛泽东提出的矛盾普遍性法则出发[4]，笔者认为，生产力构成中也一定存在着矛盾运动，存在着劳动者（人）与生产资料（物）之间的矛盾运动。在生产资料（物）的构成中存在着劳动对象与劳动资料之间的矛盾运动。从毛泽东提出的矛盾特殊性法则出发[4]，笔者认为，在劳动者与生产资料的矛盾中，劳动者应是矛盾的主要方面。在劳动对象与劳动资料的这对生产力物质矛盾运动中，劳动对象应是矛盾的主要方面。矛盾的主要方面决定了事物性质。

随着材料的广泛应用，材料的基本定义与分类不断演变。目前，材料一般是指人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。基于这一定义，一些物质不纳入材料范畴，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等。材料的分类也比较繁杂。按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。按用途可分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗氧化、抗腐蚀能力等。根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子材料、磁性材料等。除了材料的分类以外，材料的等级划分也很重要。第一级材料是初级材料，指较易获取与加工、成本低、应用广泛的材料，如铁、铜、铝、木材等。第二级材料是中级材料，指由初级材料系列加工而成、具有复杂结构和特定功能的材料，如高强度钢材、特种合金等。第三级材料是高级材料，由中级材料经过更复杂的加工与改性而成，其性能更优异，应用更广泛。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70 年代，人们把信息、材料和能源视为社会文明的支柱。人类所掌握的技术最初源于人类生产生活实践经验。科学诞生后，尤其是进入现代科学阶段，科学知识与原理转化成技术是现代技术产生的主要路径。20 世纪，一些跨学科科学领域逐渐形成，四个新兴学科最为典型：一是生物通信、信息论、市场学、公共关系学、电子通信以及其他通信学科交融结合形成现代通信科学。二是建立计算机科学。在理论语言学、离散数学和电子工程基础上，计算机科学研究计算的本质和极限，包括计算理论、计算复杂度、数据库、计算机网络、人工智能、计算机硬件设计等子学科。相对于软件工程，计算机科学更强调其数学理论基础，后者则强调程序和软件设计的实践。三是材料科学植根于金属学、矿物学和晶体学，同时结合了化学、物理和一些工程学科，形成了现代材料科学。四是建立生命科学。生命科学整合生物学、物理学、化学、医学、农学、信息学、社会伦理学等学科，形成综合性学科，对微生物、动物、植物等所有生命对象进行系统研究，对生物技术在医疗、农业、保健、食品工业、制药等行业的广泛应用产生重要影响。在上述四个科学新兴学科发展影响和经济全球化的带动下，20 世纪80 年代后，高新技术群兴起。一般认为，高新技术包括六大技术领域，即信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和海洋技术。基于上述四个科学新兴学科的带动作用，信息技术、能源技术、材料技术和生物技术成为新技术革命的主导技术、发展重点和战略制高点。

当前，新一轮科技革命正在孕育演进，未来产业变革加速演变，新材料（New materials）或先进材料（Advanced materials）正在成为推动科技革命发展与未来产业变革的重要驱动力量和战略制高点。习近平总书记近期强调要积极培育包括新材料在内的战略性新兴产业，发展新质生产力[5，6]。鉴于此，本文主要回顾了三次工业革命中材料对科技革命和产业变革的决定性作用，并就新材料的作用与前景简要地表述了有关观点。

一、材料对科技革命和产业变革的决定性作用

工业革命（Industrial revolution），又称产业革命，指近代农业和手工业经济向工业和机器制造的历史转变过程。技术革命和产业变革引发人类生产和生活方式发生新的深刻变化，社会形态发生巨变。工业革命有时特指第一次工业革命。在近代史研究中，有时把工业革命也称为科技革命（The revolution of science and technology）。而科学革命（Scientific revolution），则指近代史上，欧洲文艺复兴结尾阶段到18 世纪末期间，数学、物理学、天文学、生物学、化学等科学学科由萌芽到不断进步的历史进程。

回顾石器时代（距今260 万年或250 万年至距今5000 年或2000 多年前）、青铜器时代（从公元前4000 年至公元初年）和铁器时代（公元前3000 年或公元前2000 年至18 世纪60 年代或70年代，第一次工业革命普遍发展时），会发现各时代的重要材料选择往往决定了该时代的发展，而材料发展一直在不断突破人类社会生产的能力极限。在旧石器时代（Paleolithic age，结束于农业文明的出现，距今约1.2 万年前），人类将石英石、燧石等天然石材打制成石器工具。进入新石器时代（Neolithic age），除了磨制石器，还可用粘土（SiO2、Al2O3）烧制陶器作为生活用品为主。瓷器起源于公元前16 世纪的中国商代，技术源于陶器制作。最早的瓷器由高岭土所制，密度较低，硬度较高，称之为白陶。采用高温技术条件后，瓷器的性能大大提高。中国是最早生产和使用瓷器的国家。自东汉时期开始，延续到近代。青铜器（Bronze Ware）是红铜与锡、铅等元素形成的合金。我国青铜器早在仰韶文化时期（公元前5000年至3000 年）就已出现。青铜器是当时生活用具（容器）、兵器和工具等。一般认为，铁器时代是人类发展史中一个极为重要的历史发展阶段。之所以重要，主要是人类对铁元素的利用从含天然铁的陨石发展为以冶炼青铜基础发展的冶铁技术对铁矿石利用。冶铁和铁器制造极大地改进和发展了生产工具，使人类利用和改造自然资源的能力大为提高。土耳其北部赫梯先民墓葬出土的铜柄铁刃匕首，经检验为冶炼所制，距今4500 年。我国在春秋时期开始大量使用铁器，战国时期使用铁模铸造，西汉采用煤作燃料。铁器在农业文明后期，主要用于农具、兵器、生活用品以及祭祀用器等。

第一次和第二次工业革命的时代划分不再以材料来冠名。如普遍把第一次工业革命时期称之为蒸汽时代（the Age of Steam），把第二次工业革命时期称之为电气时代（the Age of Electricity，电力与燃气为主要动力）。也有人把工业革命以后的时代称之为机器时代（the Age of Machines）。在此期间，人类生产方式逐渐转为机械化，产生以机器取代人力、畜力的趋势，形成以大规模的工厂生产取代手工生产的产业革命，并促进了科学革命向纵深发展。但是，材料依然是上述工业革命重要的基础性构成。

从历史和哲学的研究出发，能源材料也应属于材料范畴。就劳动资料而言，劳动对象中经过劳动加工而制造出来的主要材料和重要生产工具无疑是十分重要的。在劳动对象与劳动资料的矛盾运动中，也存在各种材料与劳动资料各种要素间的矛盾运动，这其中主要材料和重要生产工具之间的矛盾关系应该是主要矛盾，两者间的对立统一关系决定生产力中物质的性质，而主要材料是矛盾的主要方面，对生产力中物的性质与水平产生决定性影响，重要生产工具是矛盾的次要方面，但通过重要工具的发展和技术需求对主要材料产生反作用，促使其种类、质量、数量等不断发生变化，乃至出现革命。基于上述认识，笔者把与科技革命与产业变革密切相关的劳动资料概括提炼为材料、能源、关键设备三大要素，以此来勾画其时代内涵的外延特征。

材料和能源属于劳动对象。各种材料中的主要材料是指对生产工具，尤其是对重要生产工具产生决定性制约作用的基础性标志性材料。关键设备属于重要的生产工具，是指对生产力发展起关键主导作用的生产工具。生产力自身矛盾运动实质上主要体现在主要材料与重要生产工具之间的矛盾运动。这种矛盾运动推动着世界科技革命和产业变革的发生与发展。希望从工业革命的历史回顾中，验证上述理论推导与认知的客观性，并对未来科技革命方向与重点的认识有所启迪。因此，笔者认为，第一次工业革命（First industrial revolution,1760 年至1870 年）[7]是以钢铁为主要材料，以煤为主要能源，以蒸汽机为关键设备（重要生产工具）的产业革命。

将煤经分解蒸馏制备成焦炭，使其成为低杂质的高碳含量燃料，代替木炭冶炼钢铁，降低了生铁和锻铁生产的燃料成本，也增大了钢铁的韧性和强度。1961 年，广东新会发现南宋末年（约1270 年前后）炼铁遗址时，不仅发现了炉渣、石灰石、铁矿石，还发现了焦炭。这是世界上冶铁用焦炭的最早历史考证。1709 年，英国亚伯拉罕·达比（Abraham Darby）成功地采用焦炭替代木炭炼铁，并获得了这项技术专利。煤变焦炭，是当时能源材料一项重大的进步。焦炭使钢铁业产生历史性进步，为当时各种新型机器制造提供了关键性原材料。

1679 年，法国物理学家丹尼斯·帕潘（Denis Papin）发明了蒸汽蒸煮器。同年，他建造了一个活塞式蒸汽机的模型。纽可门蒸汽机是由英国铁匠托马斯·纽可门（Thomas Newcomen）于1712 年发明的蒸汽机。它是第一个利用蒸汽产生机械功的实用设备。纽可门蒸汽机（Newcomen steam engine）很快推广至英国和欧洲，用于矿井中抽水排水。在18 世纪，有数百台纽可门蒸汽机被应用 。

1757 年，詹姆斯·瓦特（James Watt）得益于格拉斯哥大学教授的帮助，在大学里开设了一间小型的仪器修理店。之前，瓦特曾在伦敦一家仪表修理厂做了一年徒工。1763 年，瓦特在修理一台纽可门蒸汽机时，发现蒸汽热量损耗大，做了将冷凝器与气缸分离的改进，研制了分离式冷凝，大大提高了蒸汽机的机械能效率。后来，瓦特对蒸汽机进行了一系列技术改进，包括利用精密镗孔加工技术改进活塞与气缸的加工制造工艺；瓦特的员工威廉·默多克（William Murdoch）发明“太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统，使蒸汽机的直线往复运动转化为圆周运动，使蒸汽机能为绝大多数机器提供动力；发明了双向气缸；使用节气阀门与离心节速器来控制气压与蒸汽机的运转；发明了一种气压示工器来指示蒸汽状况；发明了三连杆组保证气缸推杆与气泵的直线运动；引进了高压蒸汽技术等。所有这些革新结合到一起，使得瓦特的新型蒸汽机的效率是纽可门蒸汽机的5倍。1794 年，瓦特与博尔顿合伙组建了专门制造蒸汽机的公司。在博尔顿的成功经营下，该公司到1824 年就生产了1165 台蒸汽机。瓦特蒸汽机被广泛地应用于工厂，成为几乎所有机器的动力，改变了生产方式，正是这一巨大的蒸汽动力技术进步拉开了第一次工业革命的序幕。工厂的选址不必再依赖于煤矿，可建立在更经济更有效的地方；也不必依赖于水能，并且可常年运转。生产方式的变革极大促进了规模化制造业和经济的发展，在极大提高生产率的同时也提高了商业投资效率。蒸汽机也为一系列精密加工的革新提供了可能，更高的工艺促进各种机器包括蒸汽机本身的性能提高。经过不断努力，引入更高气压的蒸汽机，蒸汽火车和蒸汽轮船相继问世。

在第一次工业革命中，材料起到了至关重要的作用。这一时期的工业革命标志着从手工生产向机械化大规模生产的转变，而材料的发展和应用在这一转变中发挥了重要作用。在此期间，金属材料的应用得到了极大的发展。例如，铁的冶炼和应用，使得铁路、桥梁、机械设备等的制造成为可能，推动了工业的发展。对煤炭等燃料材料需求的大大增加，成为推动工业革命的重要动力。煤炭的广泛应用使得蒸汽机的发展成为可能，推动了工业生产的机械化。第一次工业革命也催生了一些新的材料的发展和应用，例如化学合成材料的发展，使得塑料、橡胶等新材料的应用成为可能，为工业生产提供了更多的选择。总之，材料的应用和发展使工业的机械化、大规模生产得以实现，成为工业革命的重要基础。马克思在《资本论》中阐述了劳动对象原料钢铁的重要性，指出机器生产机器—工具机在劳动资料中支配地位以及对生产方式变革的关键影响[8]。第一次工业革命的历史告诉我们，钢铁使木质针织机成为钢铁针织机，钢铁材料使高压蒸汽成为更有效动力，瓦特蒸汽机成为各种机器的源动力。在这一生产方式的变革中，钢铁作为主要材料无疑起到最基础的支撑作用。煤成为焦炭才使高质钢铁得以冶炼成功，因此，能源材料的工艺技术进步与新型原材料的产生对设备性材料转型升级也是至关重要的。纵观材料发展史，材料应用的类别不断扩展和材料的等级不断提升是材料发展的两大方面。第一次工业革命开启了材料这两方面的不断演进与革命。

第二次工业革命（Second industrial revolution，1840 年至1945 年）[9]一般指1870 年至1945 年的工业革命，从英国向西欧和北美蔓延。一些国家包括英国、德意志帝国、法兰西第三共和国、低地国家和丹麦，美国以及1870 年后的日本，工业得到飞速发展。第二次工业革命以电力的大规模应用为代表，电灯的发明为标志，用上了石油能源。笔者认为，第二次工业革命是以合金、化学材料（石油衍生物）为主要材料，以石油、煤为主要能源，以电力、燃气为主要动力、以内燃机为关键设备的产业革命。在这次革命中，新技术的重要性日益显现，特别是技术促使电力、内燃发动机、新型材料（包括新的合金和化学品）等出现，以及通信技术发展推动电报和无线电问世等。

合金（Alloy），指两种或两种以上化学物质（至少有一组分为金属）混合而成，具有金属特性的物质。合金某些特性比纯金属好，有特定的用途。钢、焊料、黄铜、白镴、磷青铜及汞齐等都是合金。铁分为生铁和熟铁。熟铁、钢和生铁都是铁碳合金，以碳的含量多少来区别。一般含碳量小于0.2%的叫熟铁或纯铁，含量在0.2%至1.7%的叫钢，含量在1.7%以上的叫生铁。熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广。生铁含碳很多，硬而脆，几乎没有塑性。钢具有生铁和熟铁两者优点，为人类广泛利用。钢则为铁和碳的合金，是目前为止用量最大，用途最广泛的合金。硬质合金具有高硬度、耐磨、强度和韧性较好等一系列优良性能，用途十分广泛，用于切削工具、地质矿山钻头工具、各类模具、结构零件、耐磨零件、耐高压高温用腔体等，对生产工具和设备关键零部件产生关键支撑作用。

石油（Petroleum），是一种黏稠的、深褐色液体。存在于地壳上层，由不同的碳氢化合物混合组成，其主要组成成分是烷烃，还含有硫、氧、氮、磷、钒等元素，主要被用来作为燃油和汽油，燃料油和汽油是目前世界上最重要的一次能源。尽管石油在古代曾用于建筑、防腐、制药、燃料等，但现代石油历史始于1846 年，加拿大大西洋省区的亚布拉罕·季斯纳（Abraham Gesner）发明了从煤中提取煤油的方法。1852 年，波兰人伊格纳齐·武卡谢维奇（Ignacy Łukasiewicz）发明了使用更易获得的石油提取煤油的方法。次年，波兰南部克洛斯诺附近开辟了第一座现代的油矿。这些发明很快就在全世界普及开来了。1846 年，巴库建立了第一座现代化开采的石油油井，并在1861 年建立了世界上第一座炼油厂。当时，巴库出产世界上90%的石油。19 世纪，石油工业的发展缓慢，提炼的石油主要是用来作为油灯的燃料。20 世纪初，随着内燃机的发明而情况骤变，石油成为了最重要的内燃机燃料。到1910 年，在加拿大、荷属东印度、伊朗、秘鲁、委内瑞拉和墨西哥发现了新的油田。这些油田迅速被工业化开发利用。除了作为燃料外，石油还逐步成为化学品的重要来源。石油化学工业可从石油中获取300多个基本化合物，其中包括乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等。今天约5%至20%的石油用作化学工业的原材料。几乎所有的化工产品在其生产过程中都需要从石油中获得基本化合物。直到1950 年代中期为止，煤依然是世界上最重要的燃料，但石油的消耗量增长迅速。

内燃机（Internal combustion engine）是热机中的一种，能将燃料的化学能转化为动能。其实现方式为：燃料与空气混合燃烧，产生热能，气体受热膨胀，通过机械装置转化为机械能对外做功。内燃机有非常广泛的应用，车辆、船舶、飞机、火箭等的引擎基本都是内燃机，最常见的例子为车用汽油机与柴油机。18 世纪广泛使用的蒸汽机促进了当时工业化的发展，但因为蒸汽机是外燃机，效率较低且结构笨重。为此，促使了人们对内燃机的研制。1860 年，比利时工程师艾蒂安·勒努瓦（Étienne Lenoir）以蒸汽机为蓝本，制成了世界首台以天然气为燃料的实用性燃气发动机，获得了专利并批量生产。尽管它的效率仅有2%至3%，但宣告了蒸汽时代即将结束，蒸汽动力将让位于燃气动力。1862 年至1876 年间，德国工程师尼古拉斯·奥托（Nicolaus Otto）通过较高的气体热膨胀使得燃气发动机的热效率达到了10%。因其发动机效率高出同期产品一倍，在1867 年巴黎博览会上荣获了最高奖。1876 年，奥托将气体压缩，制成了“新奥托发动机”（Neuer Otto-Motor），使效率提高至12%，这成为四冲程发动机的原型。但是，由于这台发动机使用煤气为燃料，阻碍了其推广。1885 年，德国发明家、企业家戈特利布·威廉·戴姆勒（Gottlieb Wilhelm Daimler）制成了第一台汽油内燃机，并于次年造出第一辆用该内燃机驱动的汽车。1893 年，德国工程师鲁道夫·克里斯琴·卡尔·狄塞尔（Rudolf Christian Karl Diesel）制成了一台四冲程发动机，即世界首台柴油机。空气在压缩行程中被活塞剧烈压缩而产生高温，之后燃料被喷入气缸，随即发生自燃。通过大幅高压缩比的方法，使得效率接近了27%。不过早期的燃料都是依靠空气被喷射入气缸的，直至1922 年德国工程师罗伯特·博世（Robert Bosch）开发出了机械喷射装置。1903年，挪威工程师延斯·威廉·埃吉迪乌斯·艾林（Jens William Ægidius Elling）制成了首台燃气涡轮发动机。德国机械工程师菲力斯·亨利奇·汪克尔（Felix Heinrich Wankel）于1929 年获得转子发动机专利。这种特殊的活塞式发动机被广泛称作汪克尔发动机，其成品直到1950 年代才出现。在1930 年代，英国航空发动机工程师弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）和德国物理学家汉斯·约阿希姆·帕布斯特·冯·奥海恩（Hans Joachim Pabst von Ohain）各自取得了涡轮喷气发动机的专利，被认为是喷气发动机的发明人。综上所述，内燃机在第二次工业革命期间一直不断研制改进，为交通工具提供引擎，推动内燃机驱动的轮船、飞机和汽车的广泛应用。炼钢的关键发明，比如“贝塞麦转炉炼钢法”和“西门子平炉”，都在1871 年前的10 年间出现。钢铁生产变得更便宜，使当时的蒸汽机运输更加便宜和快捷。

材料在内燃机的发展中扮演着关键的角色，不同种类的材料被用于内燃机的不同部件，以提高性能、效率和可靠性。内燃机的缸体、曲轴、连杆等关键零部件需要高强度金属材料，如使用铝合金或钛合金制造的活塞和曲轴，以及用于制造活塞环和气门的特殊合金材料。这些材料具有优异的强度、耐磨损性和耐高温性能，能够承受内燃机高温高压环境下的工作要求。内燃机的活塞、气缸套和气门等部件有承受高温和高压的条件要求，常常采用镍基合金和钼合金等具有良好的耐高温性能和抗氧化性能的热稳定材料，以确保内燃机在高温工作环境下的稳定性和耐久性。内燃机的散热器和冷却系统则需要铝合金和铜合金等热传导材料，将内燃机产生的热量传导和散发出去，达到有效地管理内燃机热量的目的。内燃机的热传导材料通常是用于制造散热器和冷却系统的金属材料，例如铝合金和铜合金。这些材料具有良好的热传导性能，能够有效地将内燃机产生的热量传导和散发出去，以保持内燃机在适宜的温度范围内运转。内燃机的燃料喷射系统（喷油喷嘴等）通常使用耐腐蚀和高压的材料，主要为不锈钢、特殊合金、塑料和橡胶等。内燃机的润滑系统所用的润滑材料为各种类型的润滑油，包括矿物油、合成油和半合成油等，能够在内燃机的各个摩擦部位形成均匀的润滑膜，减少金属部件之间的摩擦和磨损，同时还能够冷却和清洁内燃机的各个部件。内燃机的电子材料通常包括用于制造控制系统和传感器的材料，例如硅、镍、铜、金、铝等。这些材料被用于制造集成电路、传感器、线路板等电子元件，以实现内燃机的精准控制和监测。综上所述，这些材料在内燃机的设计和制造中发挥着关键的作用，对内燃机的性能、效率和可靠性产生着深远的影响。材料的不断改进创新推动内燃机效能和安全性不断优化。整个历程达百余年之久，一部内燃机发展史就是材料的发展史！这也是劳动对象决定生产工具的有力证明！合金材料作为主要材料，决定着内燃机这种重要生产工具的发展。

电的发明与应用是一个漫长而复杂的历史过程。古希腊人早在公元前600 年左右就发现了一些静电现象，如观察琥珀摩擦后会吸引轻物体。然而，对电的认识直到近代才有所突破。在17 世纪，科学家开始系统研究电的性质，如奥姆、法拉第、库仑等人对电进行了深入研究，阐释了一些重要科学原理。1800 年，意大利科学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）发明了第一块原始电池，这也成为电的生产技术诞生的标志。电的应用始于19 世纪，首先是在通信领域，如电报的发明和应用。随后，电的应用逐渐扩展到照明、动力、电磁学、电化学等领域。随着电磁学的发展，法拉第和亨利等科学家的工作为电动机、变压器和发电机的发明奠定了基础。发电机的发明和电力系统的建立使得电能得以大规模地生产和传输，从而推动了第二次工业革命的发展。

在上述历史过程中，材料对电的生产、传输与应用起到基础性支撑作用，对生产工具的改进与应用产生重要影响。电的最早使用始于电报。电报是利用电信号传递文字、图片等信息的通讯手段。1837 年，美国发明家塞缪尔·莫尔斯（Samuel Morse）与其同事阿尔弗雷德·维尔斯顿（Alfred Vilston）共同发明了世界第一台有线电报。这一发明标志着电信技术的重大进步，对于当时的通信领域产生了深远影响。1839 年，首条真正投入使用营运的电报线路在英国出现，装设在大西方铁路两个车站之间作通信之用，长13 英里。早期的电报只能在陆地上通信，后来使用了海底电缆，开展了越洋服务。到了20 世纪初，开始使用无线电报，电报业务基本上已能抵达地球上大部分地区。因为可以直接使用，铜（Copper）的使用已有一万年的历史。公元前3500 年，人们用铜与另一种金属锡锻造成了人类史的第一个合金——青铜。95%的铜是在1900 年后开采冶炼的。铜在地球中有巨大储量，世界上第一条有线电报线就是使用铜制造的。因为铜具有良好的导电性和耐腐蚀性，适合用于长距离的电信传输。铜线的使用为早期的电报系统提供了可靠的信号传输，奠定了电信技术发展的基础。随着技术的发展，其他类型的电报线也陆续出现，如铁线和钢线，但铜线在早期的电信系统中起到了关键作用。电报机的零部件，如继电器、开关、电磁铁等，需要使用导电材料、磁性材料和机械强度高的金属材料。这些材料的应用为有线电报系统的实现提供了基础。

1854 年，美国发明家亨利·戈培尔（Henry Goebel）将一根炭化的竹丝放在真空的玻璃瓶下通电发光。美国发明家托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison）继此改良出钨丝灯泡，在美国获得了“碳丝白炽灯”的专利。爱迪生在美国持有拥有1093 项专利，其专利发明物：电灯泡、留声机、活动电影摄影机、直流电力系统、蜡制印刷滚筒等广为人知。而这些发明，是在以电力为基础的背景下产生的。在同样的条件下，电话也问世了。1876 年3 月10 日，美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）与他的同事试验了世界上第一台可用的电话机，使用了铁丝作为电话线的材料。选用铁丝是因为它的导电性能相对较好，并且在当时的技术条件下较容易获得和加工。但铁丝的电阻较大，导致信号衰减严重，影响了通话质量。随着对通信质量要求的不断提高，人们开始寻找更好的导电材料。在19 世纪末至20 世纪初，电话系统逐渐开始采用铜线作为电话线的材料。铜具有良好的导电性能，能够有效地传输电信号，并且相对于铁丝来说，铜线的电阻较小，有助于减少信号衰减。因此，铜线的使用显著改善了电话系统的通信质量。为了防止电信号在传输过程中受到干扰或损失，电线需要绝缘材料来包裹。最初使用的绝缘材料可能是橡胶、绝缘漆等。从电报电话传输线路到电报机、电话机的运行，材料在有线通信系统的发明中发挥了关键作用，为后来的通信技术和电信行业的发展奠定了基础，同时也标志着材料科学与技术在通信领域的重要应用。

无线电（Radio waves）是无线电波的简称，是一种电磁波，是在自由空间（包括空气和真空）中传播的电磁波。在电磁波谱上，其波长比红外线长。和其他电磁波一样，无线电波也以光速行进。自然界中的无线电波，主要是由闪电或宇宙天体形成。由人工产生的无线电波，是一种通信技术，应用在无线通信、广播、雷达、通信卫星、导航系统、电脑网络方面。1867 年，苏格兰数学物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在数学理论上首次预测了无线电波。他的数学理论，现在称为麦克斯韦方程组，预测耦合的电场和磁场可以作为“电磁波（Electromagnetic waves）”穿过空间。麦克斯韦提出光是由波长很短的电磁波组成的 。麦克斯韦在电磁学领域的功绩实现了物理学自艾萨克·牛顿后的第二次统一[10]。1887 年，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）在他的实验室中通过实验产生无线电波证明了麦克斯韦电磁波的真实性，表明它们表现出与光相同的波特性：驻波、折射、衍射和偏振。意大利发明家古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）在1894 至1895 年左右开发了第一台实用的无线电发射器和接收器。1896年，马可尼电报公司成立。20 世纪初，无线电技术开始得到商业应用，无线电通信系统逐步建立。在20 世纪20 年代，广播电台开始使用无线电技术进行广播，使得无线电技术得到了大规模的应用和普及。20 世纪的两次世界大战期间，无线电技术在军事通信、雷达和导航等方面得到了广泛应用。正是无线电利用无线电波进行通信而无需通过有线电缆或其他物理连接的技术优势，使无线电在通信、广播、雷达、导航和其他领域得到了广泛应用。

在无线电技术中，材料发挥了重要支撑作用。无线电设备中使用的电子元件，如电容器、电感、晶体管、集成电路等，都需要使用半导体材料、金属材料、绝缘材料等。无线电设备的天线需要使用具有良好导电性能和机械强度的金属材料，如铝、铜、钢等。在无线电设备中，绝缘材料用于保护电子元件和线路，以防止电信号的泄漏和干扰。无线电设备线路的基板材料采用铝制基板。无线电设备需要使用耐高温、耐腐蚀的包装材料，以保护设备内部元件。材料科学和工程发展对无线电发展的支撑至关重要。无线电应用的意义重大，标志着人类对自然资源利用的能力由有形物质向无形物质的重大飞跃。

在上述历史过程中，真空管（Vacuum Tube）发挥了至关重要的作用。真空管，俗称电子管，是一种电子元件，用于控制电子流的流动，是由一个或多个电子发射体（如热阴极）和一个或多个电子收集体（如阳极）组成的真空封装的设备，是一种最早期的电信号放大器件。真空管的历史可溯自爱迪生效应，即电子管中的热阴极发射电子的现象。当热阴极受到加热时，它会释放出电子，并被阳极吸引，产生电流。真空管需要电子流来完成放大、开关和控制电路等功能，因此，爱迪生效应是真空管关键性的工作原理。19 世纪末，在马可尼电报公司工作的英国科学家弗莱明（John A.Fleming）改进电报接收机关键电子器件粉末检波器。1904 年，弗莱明根据爱迪生效应，用真空二极管作为无线电波检波装置，大大改善了电报检波装置的性能。真空二极管除检波外，还有变交流电为直流电的整流作用。真空二极管是人类历史上第一只电子器件。在美国从事无线电信号检波工作的李·德弗雷斯特（Lee deForest）发现，在二极管的负极和正极之间加入一个栅极后，电信号显著增强，于是第一只三极管于在1907 年问世。最初几年，人们只是把真空二极管作为灵敏的探测器和检波器，并不了解它还具有放大作用。事实上，三极管就是一个放大器。1919 年，德国人朔特基（Walter H.Schottky）提出在栅极和正极之间加一个帘栅极的设想。1926 年，英国人朗德（Henry J.Round）实现了朔特基的设想，发明了四极管。同年，荷兰的霍尔斯特（Gilles Holst）和泰勒根（Bernard D.H.Tellegen）发明了五极管。真空管的相继问世，促进了电子工业的兴起。1920 年，美国威斯汀豪斯公司在匹兹堡开设了世界上第一座无线电电台。1921 年，美国无线电股份有限公司成立，将分属于马可尼、贝尔电话、通用电气、西屋和阿姆斯特等公司的有关专利汇集起来。生产电子管的大工厂在世界各地相继建立，电子管进入大规模工业生产阶段。1925 年，随着无线电广播的发展，收音机开始上市。同年，英国人贝尔德（John L.Baird）制造出第一台能传输图像的机械式电视机。到20 世纪30 年代末，真空管已经渗透到各应用领域，成为无线电技术的一种无可替代的核心技术产品。直到20世纪50 年代前期，真空管仍处于蓬勃发展的状态。真空电子器件的发展带动了各种电子设备的发展，使无线电通信、电话、广播、电视等电子信息产业成为当时世界工业体系中最为庞大的产业之一。

人们将能源（Energy）按基本形态，分类为一次能源（Primary energy）和二次能源（Secondary energy）。一次能源，即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。二次能源是指由一次能源加工转化的能源产品，如电力、煤气、蒸汽等。按马克思主义经典理论，一次能源属于劳动对象，而二次能源的能源产品属于劳动资料。工业革命不仅将一次能源的煤炭转化成为蒸汽动力，而且还将一次能源的煤炭、水能等转化成为电力。19 世纪70 年代，欧洲进入电力革命时代。电力，也称之为电能（Electric energy），指使用电来做功的能力。发电（Electricity generation）意指从其他种类的能源转换为电力的过程。在电力系统中，发电产生的电能会经由输电系统和配电系统，传送到使用者或储能系统。1820至1830年间，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）[11]提出电磁场的概念，发现了电磁感应的原理、抗磁性、法拉第电解定律。他发明了一种电磁旋转机器，这就是今天电动机的雏形。由于法拉第的努力，电磁现象被用于具有实际用途的科技发展。法拉第电磁感应定律，是借由一组以上的线圈在磁场中进行旋转运动，产生感应电流，使动能转换为电能。常见的方法为透过燃烧化石燃料或核反应驱动热机产生动能，或是利用流体的动能（如水力或风力），来推动发电机并产生电能。发电厂最初采用直流发电技术。直流发电机是一种将机械能转换成直流电的发电机。电力最初用于照明。1866 年，德国发明家、企业家、物理学家恩斯特·维尔纳·冯·西门子（Ernst Werner von Siemens）与西门子公司其他工程师发明了人类历史上第一台直流发电机。1881 年，美国发明家爱迪生筹建中央发电厂。1882 年，有两家初具规模的发电厂投入生产。爱迪生电灯公司在伦敦建立了第3 座发电站，利用蒸汽机驱动直流发电机发电，安装了3 台110 伏特直流发电机，可为1500 个16 瓦的白炽灯供电。由于直流电供电范围受限，人们把供电的目光转向交流电。交流电是指电流方向随着时间作周期性变化的电流。交流电可有效传输电力。电磁感应原理发现后，产生交流电的方法也就得以知晓。1882 年，英国电工詹姆斯·戈登（James Gordon）建造出大型双相交流发电机。开尔文勋爵（Lord Kewin）与塞巴斯蒂安·费兰蒂（Sebastian Ferranti）开发早期交流发电机，频率介于100 赫兹至300 赫兹之间。1891 年，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）取得“高频率”（15000 赫兹）交流发电机的专利。之后，多相交流发电机被用来供应电流，此后的交流发电机的交流电流频率通常设计在16 赫兹至100 赫兹间，搭配弧光灯、白炽灯或电动机使用。

火力发电（Thermal power）是指利用可燃物的燃烧产生的热能，通过发电机转化成电能的发电方式。所用燃料为燃煤、燃气（天然气、液化石油气、页岩气、可燃冰、沼气）、燃油（石油或重油、页岩油）和垃圾（焚化炉）等。1875 年，世界第一个火力发电厂在巴黎北火车站建立。随着发电机、汽轮机制造技术和输电变电技术的发展完善，尤其是电力系统的出现以及社会电气化对电能的巨大需求，20 世纪30 年代后，火力发电进入大发展时期。火力发电机组在20 世纪50 年代中期达到300 至500 兆瓦级。

水力发电（Hydroelectric power）是指利用水能（蕴藏在水体中的势能）冲击带动发电机的水轮机，将动能转换成电能的发电方式。1878 年，法国建成世界第一座水电装置。1882 年，美国威斯康星州福克斯河上的阿普尔顿应用爱迪生系统的水电站，是世界上第一座有一定规模效应的水电站，于1882 年9 月30 日开始运行。该水电站由造纸制造商H.J.罗杰斯（H.J.Rogers）建成，且发出的电力用于H.J.罗杰斯家、电站本身和附近建筑物的照明。欧洲第一座商业性水电站是意大利的特沃利水电站，于1885 年建成，装机65 千瓦。19世纪90 年代起，水力发电在北美、欧洲许多国家受到重视，利用山区湍急河流、跌水、瀑布等优良地形位置修建了一批数十至数千千瓦的水电站。1895 年，在美国与加拿大边境的尼亚加拉瀑布处建造了一座大型水轮机驱动的3750 千瓦水电站。进入20 世纪后，由于长距离输电技术的发展，使边远地区的水力资源逐步得到开发利用，并向城市及用电中心供电。20 世纪30 年代后，水电建设的速度和规模有了更快和更大的发展，由于筑坝、机械、电气等科学技术的进步，人们已能在十分复杂的自然条件下修建各种类型和不同规模的水力发电工程。

发电与材料之间关系密切。发电需要使用各种材料来构建发电设备、传输电能以及存储能量。发电机的转子和定子需要使用高强度的金属材料，如钢、铜、铝等。这些材料具有良好的导电性能和机械强度，能够承受发电机的高速旋转和电磁力的作用。输电线路需要使用导电性能良好的金属材料，如铝、铜等，以及绝缘材料，如橡胶、聚氯乙烯等，以确保电能的高效传输。1836 年，世界上制造出第一根铜线外用橡皮带包扎的低电压（600 伏特以下）电力用电线。发电设备内部需要使用绝缘材料，如绝缘树脂、绝缘漆等，以保护设备内部元件不受电击和损坏。发电设备内部需要使用散热材料，如铜、铝等，以帮助散热，确保设备的正常运行。发电设备需要使用耐高温、耐腐蚀的包装材料，如特种塑料、陶瓷等，以保护设备内部元件。总之，发电离不开各种材料的支持，材料在发电设备的制造、电能的传输以及设备的保护等方面发挥着重要作用。材料科学和工程的发展为电力技术的不断进步提供了重要支撑。

电机（Electric motor）是一种将电能转换为机械能的装置。它利用电流在磁场中产生的力来产生旋转运动。电机是现代工业中不可或缺的设备，广泛应用于各种领域，包括工业生产、交通运输、家用电器等。电机有多种类型，包括直流电机、交流电机、同步电机、异步电机等。每种类型的电机都有不同的工作原理和适用场景。如，直流电机适用于需要可调速和精密控制的应用，而交流电机则广泛应用于家用电器和工业设备中。电机在第二次工业革命中扮演了重要角色。电机的广泛应用推动了工业生产的机械化和自动化，工业生产自动化导致生产效率的提高和人力劳动的减少，推动了工业生产的现代化。电机的应用推动了交通运输工具的革命，使得电动列车、电车和地铁等公共交通工具成为可能，这对城市交通和人员运输产生了深远影响。电机的应用推动了家用电器的发展和普及。例如，电动缝纫机、冰箱、洗衣机等家用电器的出现极大地改善了人们的生活质量。电机的应用也推动了各种工业设备的改进，例如电动工具、起重设备、风力设备等，这些设备的使用大大提高了生产效率和安全性。总之，电机使用推动了工业生产和社会生活的现代化。

材料在电机发展中发挥着重要的支撑作用，不同种类的材料被用于电机的不同部件，以提高电机的性能、效率和可靠性。如磁性材料用于电机的磁场产生和传导，包括永磁材料和电磁铁芯材料。电绝缘材料用于电机绕组的绝缘，以确保电流在绕组中传导时不会发生短路或击穿。电导体材料用于电机绕组和电路中的导线，以提供电流传输的路径。结构材料用于电机的外壳、支架和其他结构部件，以提供机械支撑和保护。热管理材料用于电机的散热器和绝缘材料，以管理电机在运行时产生的热量。这些材料在电机的设计和制造中发挥着关键的作用，对电机的性能、效率和可靠性产生着深远的影响。

铝（Aluminum or Aluminium），是一种可燃烧化学元素，是较软的易延展的银白色金属，是地壳中第三大丰度的元素（仅次于氧和硅），也是丰度最大的金属，在地球的固体表面中占约8%的质量。铝金属在化学上很活跃，最主要的含铝矿石是铝土矿。19 世纪早期，铝并没有作为独立金属生产。1825 年，丹麦物理学家、化学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Ørsted）发现如何用氯化铝来还原元素铝。由于铝是具有良好机械性质的轻金属，因此广泛替代了金或银这种较重且功能较少的金属。但是当时铝的制作很贵，无法大量生产，以至于拿破仑三世为他的贵宾使用铝制餐具，其余的客人则是使用银器。德国化学家弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler），于1827 年用金属钾还原熔融的无水氯化铝得到较纯的金属铝单质。1886 年，美国发明家查尔斯·马丁·霍尔（Charles Martin Hall）和法国化学家保罗·埃鲁（Paul Héroult）各自独立发现了电解制铝法，后来这种方法被称为霍尔—埃鲁法。这种方法把氧化铝转化成金属铝。这一制造方法大大降低了铝的制造成本。1889 年，奥匈帝国化学家卡尔·约瑟夫·拜耳（Carl Josef Bayer）继续优化了从铝土矿中提取氧化铝的过程，使得生产铝的原料氧化铝更加经济易得。迄今以拜耳法与霍尔—埃鲁法联用生产铝的方法仍是大规模工业制铝的主要手段。

铝因其低密度以及耐腐蚀的特性而受到重视。利用铝及其合金制造的结构件不仅在航空航天工业中非常关键，在交通和结构材料领域也非常重要。在第二次工业革命期间，铝作为材料发挥了重要作用，由于铝的轻质、耐腐蚀性和强度特性，使其成为制造飞机机身和汽车车身及其他交通运输设备的理想材料。铝被用于制造输电线路和电力设备的导线和散热器。铝的良好导电性使其成为电力传输的重要材料，有助于提高电力传输效率。铝在包装行业和建筑领域得到广泛应用，如铝制罐、铝合金门窗、铝合金型材等。铝合金在军事工业中也得到广泛应用，用于制造飞机、舰船、武器和其他军事设备，因为其轻量化和耐腐蚀性能，铝作为一种轻质、耐腐蚀的材料得以广泛应用，其用量仅次于钢铁，促进交通运输、电力传输、包装、建筑和军事等领域的技术发展进步。

在第二次工业革命中，高分子材料研究与应用情况取得了重大进展。高分子材料（Polymer materials）是由相对分子质量较高的化合物构成的材料。许多天然材料也是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可看作是高分子的集合。高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。一般将在生活中大量采用的，已经形成工业化生产规模的高分子，称为通用高分子材料，把具有特殊用途与功能的称为功能高分子。按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂。树枝、兽皮、稻草等或是人类在远古时代最先使用的天然高分子材料。在历史的长河中，中华民族发明的以天然高分子加工而成的纸张、丝绸等产品一直同人类文明的发展紧密交织在一起。从19 世纪开始，人类开始使用改造过的天然高分子材料。硫化橡胶和硝化纤维塑料（赛璐珞）是两个典型的例子。合成橡胶的研究和生产取得了重大突破。合成橡胶的发展对轮胎制造、橡胶制品和其他工业应用产生了深远的影响。进入20 世纪之后，高分子材料进入了大发展阶段。塑料（plastic）是指以高分子量的合成树脂或石油为主要组分，加入适当添加剂，经加工成型的塑性（柔韧性）材料，或固化交联形成的刚性材料。塑料可依加热后是否软化分为热塑性塑料及热固性塑料。热塑性塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯。热固性塑料只能熔化一次成型。酚醛塑料、脲醛塑料是热固性塑料。1907 年，李奥·贝克兰（Leo Bakeland）发明了酚醛塑料。1920 年，赫尔曼·施陶丁格（Hermann Staudinger）提出了高分子的概念。20 世纪20 年代末，聚氯乙烯、聚苯乙烯开始大规模生产与规模使用。20 世纪30 年代末，开始生产尼龙。塑料材料的研究和应用也得到了显著发展。塑料广泛用于电器绝缘、机械材料、建筑材料与家具材质、包装材料、人造纤维（尼龙、聚酯纤维）等方面。合成纤维（Synthetic fibre）是科学家广泛研究改进天然存在的动物和植物纤维的结果。通常，合成纤维通过将纤维形成材料通过喷丝板挤出到空气和水中，形成一条线而产生。在开发合成纤维之前，人造纤维是由从石化产品获得的聚合物制成。这些纤维被称为合成或人造纤维。一部分纤维是由植物来源的纤维素制造。常见成品有尼龙、奥纶等。新型塑料的开发使得塑料制品在日常生活和工业生产中得到广泛应用。在这一时期，高分子化学作为一个独立的学科开始崭露头角。科学家们开始深入研究高分子化合物的结构、性质和合成方法，为今后高分子材料的发展奠定了基础。在经历了20 世纪的大发展之后，高分子材料对整个世界的面貌产生了重要的影响。美国《时代》杂志曾载文，认为塑料是20 世纪人类最重要的发明。高分子材料对文化领域和人类的生活方式也产生了重要的影响。

在第二次工业革命中，美国大力发展重工业，煤炭开采和钢铁生产繁盛，铁路长度不断增加，其制造业生产规模超过英国，成为世界领先。德意志帝国与英国成为欧洲主要的工业国家，1900年，德意志帝国化工业靠染料主导全球市场，可生产出上百种染料，并向医药、农业化学和电化学领域拓展。制药业就是从染料业分化出来的。笔者曾对人类疾病的药物干预提出化学药物、生物药物和细胞药物三个纪元的历史划分观点[12]。19世纪末，现代医学的一项最重要进步是利用化学药物作为治疗手段对疾病进行干预。早在1763 年，英国医生爱德华·斯通（Edmund Stone）发现柳树皮有治疗发热的功效。其他科学家从柳树皮中分离到水杨苷，并制备水杨酸钠，并被证明有退热镇痛消炎作用。1897 年，德国拜耳公司的化学家费利克斯·霍夫曼（Felix Hoffmann）改造水杨酸钠，研制出乙酰水杨酸。经过药理研究证明其退热镇痛消炎作用更稳定。1899 年2 月，德国拜耳公司以“阿司匹林（Aspirin）”的名称进行药物注册；次年在美国申报专利，将世界第一个化学合成药物阿司匹林推向市场，开启化学药物治疗时代，开辟了药物干预的第一个纪元[12]。此后，药物研发者先寻找一些在实验动物模型上呈现某种药理学作用的毒素、草药或其他植物材料，从中分离出活性化学成分。再确定其分子结构并利用化学方法来合成该化学分子。最后再鉴定其生物活性和药物作用。其后也可对该化学分子进行结构修饰，使其优化来降低使用剂量，提高安全性和疗效。这种以活性化学成分为核心的药物研发模式主导了从20 世纪初到20 世纪中叶的化学药物开发进程。目前经常使用的433 种药物分子实体，绝大多数是以上述经典药物发现方式找到的[13]。全球现有2600 多种化学结构完全不同的化学实体药物。如果加上基本分子组合、结构修饰等，上市药物有10000 多种可治疗1100 多种大类疾病。[12]

第二次工业革命是以电力、化学工业和钢铁工业大发展为主要特征的产业变革。其间，材料发挥了重要作用，推动了工业生产和科技进步的发展。一是金属材料的广泛应用。钢铁的生产和应用得到了进一步发展。钢铁被广泛应用于建筑、机械制造、交通运输等领域，成为工业化生产的重要材料支撑。二是新材料的出现。合金、塑料、橡胶等新材料的出现为工业生产提供了更多的选择，并开辟了许多新的工业领域。三是电子材料的应用得到了极大的发展。如半导体材料的应用推动了电子工业和信息技术的迅速发展。四是化学材料的问世。化学工业的发展也为新材料的研发提供了支撑，例如合成纤维、塑料等材料的出现，改变了传统材料的局限性，推动了工业生产的进步。总的来说，材料在第二次工业革命中发挥了重要作用，它们的发展和应用推动了工业生产的进步，为工业化生产提供了更多的选择，成为第二次工业革命的重要推动力。

第二次世界大战结束，也是第三次工业革命（Third industrial revolution，1945 年 至 今）[14，15]的开始。自动化的计算机提升了生产力水平，核技术提供了超过石油的发电效率，可再生清洁能源发电能力大幅提升。这是人类历史上规模最大、影响最深远的科技革命，至今仍未结束。一般认为，第三次科技革命以原子能技术、航天技术、电子计算机和可再生能源的应用为代表，人工合成材料、生物技术、遗传工程、太阳能、风能等高新技术蓬勃发展。笔者将第三次工业革命定义为是以硅基半导体材料、人工合成材料为主要材料，以石油、天然气、煤化石能源、核能、可再生清洁能源为主要能源，电子计算机、互联网、智能手机、航空航天设施设备为关键设备的产业革命。

在此期间，信息技术与产业发展迅速，对经济社会发展产生十分重要的引领作用，这一时期也称为信息革命、信息技术革命。信息技术革命通常指的是20 世纪后半叶以来，计算机技术、通信技术、软件技术等领域的快速发展和应用所带来的变革。这一革命使得信息的获取、处理、存储和传输变得更加便捷和高效，促进了各个行业的数字化和信息化。也有把这一历史阶段称为数字革命，意指信息技术革命所带来的对社会、经济、文化等各个方面更为广泛、深刻的变革影响，改变了人们的生活方式、商业模式、生产方式等，同时也包括了人工智能、大数据、物联网、区块链等新兴技术的发展和应用。因此，信息技术革命的概念更侧重于信息技术的发展和应用，而数字革命则更广泛地包括了信息技术在内的各种数字化技术的发展和影响。故，对第三次工业革命时期也有信息时代（Information Age）或数字时代（Digital Age）的称谓。然而，第三次工业革命毕竟是凭借信息技术与产业起家的，本文也是主要从劳动对象角度出发、劳动对象与生产工具的辩证统一关系来观察分析科技革命与产业变革的发展规律的。因此，笔者亦认同把第三次工业革命称之为硅时代（Silicon Age）[15]，与信息时代或数字时代等其他时代称谓一样，承载着不同内涵的文明含义。硅基半导体材料对于电子工业、信息产业的发展至关重要。硅基材料是制备高技术半导体设备的关键材料，20 世纪，美国加利福尼亚州的Santa Clara 山谷因其半导体高新技术企业兴起聚集而获得“硅谷（Silicon Valley）”昵称，并闻名天下。此种以材料命名时代的历史回归，似乎折射出新一轮科技革命与产业变革可能出现新材料革命的变迁。

电子计算机（Computer），俗称电脑，是利用模拟或者数字电子技术进行数学计算、处理逻辑关系，并有存储记忆功能，具有按程序自动运行、高效处理海量数据效应的现代化智能电子设备。电子计算机是第三次工业革命通信信息产业中的关键设备，是重要的生产工具。集成电路是决定电子计算机发展的关键零部件，而硅基半导体材料则是决定集成电路发展的主要材料。三者的决定关系也验证了主要材料决定重要生产工具的观点，并且引出一个主要材料决定关键设备中关键零部件的认识。

如前所述，真空二极管在早期的电子设备中起到了关键作用，在无线电、电视、放大器和计算机等设备中广泛使用。1950 年，英国计算机科学家、数学家、逻辑学家艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）进行图灵实验（Turing test），开启程序逻辑运算之先河，反映了科学原理对技术发展的指导作用，他被誉为计算机科学与人工智能之父。作为计算工具，计算器从农业社会的手动设备（算盘）在工业革命初期向机械设备转变（德国Wilhelm Schickard 齿轮式计算器等），后来向电子设备方向发展。信息论的创始人，美国数学家、电子工程师克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）提出机电继电器可模拟和解决布尔代数的逻辑问题，可进行二进制计算。1907 年，美国发明家李·德弗雷斯特（Lee de Forest）发明了真空三极管，并用真空管代替了继电器，通过其放大和开关特性来处理逻辑关系和二进制运算。1941 年，世界上第一部使用真空管计算器的可编程电子计算机阿塔纳索夫—贝瑞计算机在设计上问世。然而，这台计算机由于受真空管的可靠性和寿命，以及技术条件和工程技术方面限制，并没有被实际建造出来。1945 年，宾夕法尼亚大学约翰·普雷斯班（John Presper）和约翰·莫奇利（John W.Mauchly）设计并制成了世界上第一台电子计算机—电子数值积分计算机（ENIAC），用于进行数字计算。该计算机使用了18800 个电子管，1500 个继电器，体积为90 立方米，质量达30 吨，占地面积为167 平方米，耗电量约为150 千瓦时。此为第一代电子计算机。20世纪50 年代，真空管计算机居于统治地位。1959至1964 年间设计制造的计算机一般称为第二代计算机。在此期间，电子计算机在缩小体积、减轻重量、提高性能和降低耗电量等方面的发展需求推动了电子管小型化等研发。在这个过程中，半导体材料脱颖而出。随着半导体技术的发展，电子管逐渐被晶体管和集成电路所取代。一些特定的应用仍在使用电子管，如在一些音频放大器、高频通信设备和专业音频设备中。

半导体材料（Semiconductor materials）是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类固体材料。常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。这些材料在室温下的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过控制材料的掺杂和温度来调节其导电性能。半导体材料在电子器件、光电子器件、太阳能电池等领域有着广泛的应用。

1947 年，美国贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·豪泽·布拉顿（Walter Houser Brattain）研究小组研制出一种点接触型的锗晶体管（晶体管Transistor）。同年，威廉·肖克利又研发出双极性晶体管（Bipolar transistor），俗称三极管。1951年，用合金方法制造的锗晶体管已经问世，其放大性能较稳定，但实际应用上还远远不如电子管，存在着频率特性差、噪声大、功率低、寿命短等缺点。随着工艺结构的不断改进，锗、硅等半导体材料的纯度不断提高，晶体管的优势日渐显现，晶体管和晶体二极管开始进入大规模生产阶段。晶体管开始进军助听器和收音机制造行业。1954年，世界上第一台超小型晶体管收音机上市，售价为49.95 美元。1955 年，晶体管助听器和收音机开始走向国际市场。1956 年，用扩散方法制作晶体管获得成功，晶体管的频率性能和功率容量大大提高，晶体管技术步入成熟阶段，各种高频晶体管陆续问世。电子设备的晶体管化使电阻器、电容器、线圈、继电器、电路插件等电子元件日益小型化，且可靠性和寿命大幅度提高。晶体管的出现使人们对半导体材料开展了更深入的研究，所制造的各种半导体器件用途广泛，如自动化设备的光敏电阻、太阳能电池、应力测量装置等。

晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，是二十世纪最重要的发明[17]。在重要性方面可以与印刷术、汽车和电话等发明相提并论。晶体管是所有现代电器的关键主动（Active）器件。晶体管之所以如此重要，主要是因为可高度自动化大规模生产晶体管，从而不可思议地降低单位生产成本。它让收音机、计算器、电脑等电子产品变得更小型化和廉价。

晶体管的小型化虽然大幅度提高了电子设备的小型化，但是随着计算机、人造卫星、航空航天等技术的快速发展，小型化晶体管仍远远不能满足经济社会发展需求。不仅晶体管要更小化微型化，其他电阻、电容器、继电器等电子元件也要小型化微型化。于是，人们开始研制“微模组件”式的电子器件，即先把各种电子元件设法密集地装配在一起，再叠成立体结构。1952 年，英国皇家雷达站工程师达默（Geoffrey Dummer）提出了这种集成化电路的设想。1958 年9 月12 日，德州仪器公司的美国工程师和发明家杰克·基尔比（Jack Kilby）用锗块制成电阻器，用PN 结锗晶体做成电容器，并将锗晶体管等装在玻璃板上的锗晶片上。然后，他用蚀刻法在几个器件间刻出沟道，用金导线将它们连接，形成一个完整的电路，成功制造出世界上第一块集成电路。他被认为是集成电路技术的先驱之一，对现代电子科技作出了巨大贡献。1959 年，美国仙童半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）用平面工艺制作出硅集成电路，真正实现了单片集成电路，成为后来集成电路发展的原型。1960 年，第一块MOS 集成电路诞生。1962 年，世界上出现了第一块仅有12 个晶体管和电阻的集成电路正式商品，标志着第三代电子器件正式登上历史的舞台。1965 年，美国英特尔公司的创始人摩尔（Gordon Moore）提出著名的摩尔定律，即芯片上可容纳的元件每隔18 至24 个月便会增加1 倍，性能也将提升1 倍。集成电路的发明为微电子学、微电子技术的发展开辟了道路，并按照摩尔定律预测的速度不断发展，对现代工业的影响日益深远。

集成电路（Integrated Circuit，IC）是一种微小电子器件，它将大量的电子元件（如晶体管、电容器和电阻）集成到一个小的硅片上。这些电子元件被精密地布置和连接在一起，形成一个功能完整的电路。集成电路的发明使得电子器件的尺寸大幅缩小，成本降低，性能提高，功耗降低，并且大大提高了电子设备的可靠性。集成电路是现代电子设备的基础，广泛应用于计算机、通讯设备、消费电子产品、汽车电子系统等各个领域。

集成电路离不开材料及其制造工艺的创新。晶体管是集成电路的核心器件，其性能依赖于锗或硅的纯度。1948 年，肖克利在制作结型晶体管时，物理化学家蒂尔（Gordon Teal）和工程师利特尔（John B.Little）曾帮助他制成了第一台拉晶机，从熔晶中制成了PN 结，并用掺入杂质的方法制成NPN 结单晶体。正如后来的研究者评价所言：“肖克利无论设计出什么种类的放大器，也只能是一些供自己消遣的草图而已。”也就是说，没有半导体材料的提纯和生长单晶以及掺入杂质的技术，高性能的晶体管就不可能诞生。

20 世纪60 年代，晶体管计算机取代了电子管计算机。计算机中逻辑关系和二进制运算主要通过集成电路中的晶体管来实现。1964 至1972 年的计算机被称为第三代计算机，其特点是大量使用集成电路，典型的机型是IBM360 系列。到了20世纪70 年代，集成电路技术的应用极大地降低了计算机生产成本，随着微处理器技术的发展，个人计算机开始出现，并逐渐普及。1972 年以后的计算机习惯上被称为第四代计算机，其特点是基于大规模集成电路，及后来的超大规模集成电路。1971 年11 月15 日，英特尔公司在全球推出第1款微处理器Intel 4004。1972 年4 月1 日，英特尔公司推出8008 微处理器。1976 年，史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）和斯蒂夫·沃兹尼亚克（Stephen Wozniak）创办苹果计算机公司，并推出Apple I 计算机。1977 年5 月，Apple II 型计算机发布。1979年6 月1 日，英特尔发布了8 位的8088 微处理器。1980 年代，个人计算机开始普及。IBM PC 的推出使得个人计算机开始在商业和家庭中得到广泛应用。1990 年11 月，微软发布第一代多媒体个人电脑标准，有光盘驱动器。1994 年10 月10 日，英特尔发布75MHz 奔腾处理器。1997 年1 月8 日，英特尔发布Pentium MMX，对游戏和多媒体功能进行了增强。此后，随着互联网的普及和移动计算设备的发展，计算机技术开始迅速发展，涌现出各种新的应用和技术。

单晶硅可用于制作半导体器件、太阳能电板和集成电路。硅基半导体材料（Silicon-based semiconductor materials）是以硅材料为基础发展起来的新型材料，包括绝缘层上的硅材料、锗硅材料、多孔硅、微晶硅以及以硅为基底异质外延其他化合物半导体材料等，对电子计算机的发展产生了深远的影响，主要体现在：一是制造半导体器件最常用的半导体材料之一，被广泛应用于电子计算机的半导体器件制造中，例如晶体管、二极管等。这些器件构成了电子计算机中的逻辑电路和存储单元，是计算机正常运行的基础。二是硅基材料在集成电路的制造中发挥着关键作用。随着硅技术的不断进步，集成电路的制造工艺得到不断的改进，从而使得集成电路的集成度不断提高，性能不断提升，这对电子计算机的发展起到了至关重要的作用。三是硅基材料具有稳定性高、可靠性强的特点，这使得电子计算机的硬件部件在长时间的运行中能够保持稳定的性能。总的来说，硅基材料在电子计算机的发展中扮演了重要角色，其在半导体器件制造、集成电路发展以及硬件稳定性等方面发挥着关键作用，推动了电子计算机技术的不断进步和创新。

互联网（Internet）是指全球范围内连接在一起的计算机和手机网络。它允许数以亿计的设备相互通信和交换信息，从而为人们提供了无限的信息资源和服务。互联网的发展始于20 世纪60 年代末和70 年代初，最初是由美国国防部的ARPA 网（后来成为互联网的基础）发展而来。互联网通过一系列的协议和技术标准（如TCP/IP、HTTP 等）来连接全球各地的计算机网络，为人们提供了各种各样的服务，包括电子邮件、在线购物、社交媒体、视频和音频流媒体、搜索引擎等。互联网的发展也催生了许多新的行业和商业模式，如电子商务、在线教育、远程办公等。随着时间的推移，互联网变得越来越普及，改变了人们的生活与生产方式，改变了商业和社会的运作方式，并成为现代社会不可或缺的一部分。

材料对互联网的发展有着重要的影响。一是材料为通信设备和基础设施提供支撑。如光纤、卫星通信设备、天线等。材料的发展和应用对通信设备的性能、传输速度和可靠性有着重要影响。二是半导体材料的发展和应用直接影响了计算机和通信设备的性能和功耗。三是光电子材料为光纤通信和光纤传感器等光电子设备提供支撑。四是高性能的能源材料和电池技术对互联网设备的使用寿命和可靠性有着重要影响。综上所述，材料对互联网的发展有着重要的影响，不仅关系到互联网设备的性能和可靠性，也关系到互联网设备的能源效率和环境友好性。因此，材料科学和工程的发展对互联网的持续发展和创新至关重要。

在第三次工业革命中，核能得到了大量的投资和发展。许多国家建立了核电站，以满足不断增长的能源需求，并减少对化石燃料的依赖。核能被认为是一种低碳、高效的能源形式，可以减少温室气体的排放，并且在一定程度上解决了能源安全和能源供应的问题。然而，核能利用也面临着一些挑战和争议。核能事故的风险、核废料处理、核辐射安全性等问题都成为了人们关注的焦点。同时，随着可再生能源技术的发展，如太阳能和风能等，一些国家开始转向可再生能源，减少对核能的依赖。在未来，核能仍然可能在一定程度上发挥重要作用。一些新的核能技术正在研发中，如第四代核反应堆，这些技术可能会解决一些现有核能技术所面临的问题。同时，一些国家也在加大对核能技术的研发和应用，以期在能源转型和碳减排方面发挥更大的作用。因此，核能在第三次工业革命中仍然具有一定的发展前景。

材料在核能领域发挥着至关重要的作用，包括以下几个方面：一是燃料包壳材料的热传导性、辐照稳定性和耐腐蚀性能影响着核燃料包壳的性能与寿命。二是反应堆结构材料的辐照稳定性、机械强度和耐腐蚀性能维护着反应堆的安全性和运行稳定性。三是核废料处理材料对核废料安全的处理和储存至关重要。四是核能设施中辐射控制材料可使人员和设备不受辐射的影响。五是核燃料再处理需要使用一些特殊的化学材料，以进行核燃料的回收和再利用。综上所述，材料在核能领域发挥着至关重要的作用，对于核能设施的安全性、运行稳定性、核废料处理等方面都有着重要的影响。

第三次工业革命时期，航天技术取得了巨大的进步，包括太空探索、卫星通信、国际空间站等领域。人类登陆月球、无人探测器探测其他行星等事件都是航天技术的重大成就。卫星通信技术和导航系统得到了广泛的应用，这些技术的发展改变了全球通信和导航的方式，对社会和经济产生了深远的影响。各国在航天领域进行了广泛的合作，例如国际空间站项目，这种合作有助于推动航天技术的发展。随着私营企业的参与，商业航天逐渐兴起。一些私营企业开始投资和开发太空旅游、卫星发射等商业航天项目，这些项目有望为航天技术的发展带来新的动力。未来，航天技术可能会更加注重深空探索，例如登陆火星、探测外太空等。这将需要更先进的技术和深入的国际合作。随着地球资源的日益枯竭，人类可能会开始探索太空资源，例如从月球或小行星上开采资源。这将是未来航天技术和产业的重要方向。

材料在航天技术的发展中发挥着至关重要的作用。航天器需要具备轻量、高强度、高温抗性和耐腐蚀等性能，以应对极端的太空环境。因此，航天器的结构材料对其性能和可靠性至关重要。航天器需要具备良好的热控能力，以在太空中有效地控制温度。因此，热控材料对于航天器的稳定运行至关重要。航天器的燃料和推进剂需要具备高能量密度、高可靠性和长期储存等特性，以保证航天器的推进性能。航天器的电子设备需要具备辐射抗性、高温抗性和高可靠性等特性，以保证在太空环境中的正常运行。航天器需要具备良好的隔热性能，以保护航天器免受极端的太空温度影响。综上所述，材料在航天技术的发展中发挥着至关重要的作用，对于航天器的结构、热控、推进、电子设备和隔热等方面都有着重要的影响。

移动电话，也称手机（Mobile phone,cell phone），是可以在较大范围内使用的便携式电话。20 世纪40 年代末至50 年代初，首台便携式无线电话问世，但体积庞大，主要用于军事和特殊行业。1973年4 月3 日，摩托罗拉公司的马丁·库珀（Martin Cooper）在纽约展示了史上第一款手持移动电话。20 世纪80 年代初，第一代商用手机问世，是基于蜂巢式基站网络与手机之间进行通信的电话网络，称为“第一代（1G）”移动通信，类似于简单的无线电双工电台，锁定在一定频率以模拟语音通话，有被窃听的风险，模拟调变技术需要庞大的天线等。因此，这些手机体积庞大，通话质量不佳，价格昂贵，主要用于商业和政府机构。20 世纪90年代初，第一台商用数字手机诞生，其通话质量和信号稳定性得到了显著提高，手机开始向普通消费者市场渗透。第二代移动电话（2G）由模拟式语音通信网络演进为数字信号交换通信网络。它发端于公元1990 年代初，之后逐渐在世界各地普及。第3 代移动通信系统（3G）自20 世纪末期开始研发，于21 世纪初陆续在世界各国开始服务，目前已经得到广泛的应用。第3 代手机也称为智能手机（Smart phone），其兴起改变了通信设备的格局，其功能更多，如互联网访问、社交媒体、摄像等，成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。目前有W-CDMA、CDMA2000 和TD-SCDMA等多种制式规格。第四代移动电话网络（4G）是在2010 年中期开始在世界上普遍使用的高速移动网络，可分为TDD-LTE（分时型长期演进技术）、FDD-LTE（分频型长期演进技术）及WiMAX（IEEE 802.16m）。而TDD-LTE、FDD-LTE 规格在结构上已经进行了统一。4G 技术将一般传统的语音通信完全当作是数据包加以传输，其最重要功能是搭配能够上网执行各种网络服务的智能手机。由于作为第四代移动网络终端的智能手机在功能上相当于小型电脑，因此，4G 实质是一种可以随着基站扩展使用范围的巨大互联网服务网络。第五代移动电话网络（5G）是4G 之后的延伸，美国高通、中国华为、韩国三星、日本NTT、欧盟各国等都在投入相当的资源研发5G 网络。2016 年11 月17 日，国际无线标准化机构3GPP 第八十七次会议在美国拉斯维加斯召开，中国华为主推Polar Code（极化码）方案胜出，底层规格确立。

可再生能源技术在过去几十年取得了显著的发展，并且在未来有着广阔的前景。太阳能光伏技术和太阳能热能技术已经得到了广泛的应用，成为了全球最主要的可再生能源之一。太阳能电池的成本不断下降，效率不断提高，太阳能发电已经成为一种经济可行的能源选择。风能是另一种重要的可再生能源，风力发电已经成为一种成熟的商业技术。大型风力发电机组在全球范围内得到了广泛的部署，风能发电的成本也在不断下降。水能发电一直是主要的可再生能源之一，尤其是在一些地区，水电站是主要的电力来源。生物质能技术包括生物质发电、生物质燃料和生物质气体化等，这些技术在一些地区也得到了广泛的应用。随着技术的不断进步，可再生能源技术的成本不断下降，效率不断提高，这将使得可再生能源在未来更加具有竞争力。全球范围内对于可再生能源的政策支持不断增加，这将有助于推动可再生能源的发展。随着储能技术的不断发展，可再生能源的可靠性和稳定性将得到提高，这将使得可再生能源更加适合大规模应用。一些新兴的可再生能源技术，如潮汐能、地热能等也在不断发展，这些新技术有望为可再生能源行业带来新的增长点。可再生能源技术在未来有着广阔的发展前景，将成为全球能源结构转型的重要组成部分。

在第三次工业革命中，人工合成材料发展迅速，取得了重大进展，并且在未来有着广阔的前景。人工合成材料是指通过化学合成或其他工艺方法制备的材料，通常具有特定的性能和用途。高性能聚合物是一类重要的人工合成材料，具有优异的力学性能、耐热性、耐腐蚀性和绝缘性能。目前，高性能聚合物得到了广泛的应用，例如碳纤维增强复合材料、高强度塑料等。先进金属材料也取得了重大进展，包括高强度钢、铝合金、钛合金等，这些材料在航空航天、汽车制造、建筑等领域得到了广泛应用。新型功能材料如光学材料、电子材料、磁性材料等也得到了快速发展，为信息技术、电子产品、医疗设备等领域提供了重要支持。未来人工合成材料的发展将更加注重环保和可持续性，绿色环保材料将成为发展的重要方向，包括可降解材料、再生材料等。随着科技的不断进步，人工合成材料将朝着智能化方向发展，例如具有自修复、自感应、自适应等功能的智能材料将成为未来的研究热点。纳米技术的发展将推动人工合成材料领域的创新，纳米材料将具有优异的性能和多种新的应用，如纳米复合材料、纳米电子材料等。人工合成材料发展迅速，未来将继续成为科技创新和产业发展的重要支撑，具有广阔的发展前景。

第三次工业革命中，生命科学和生物技术取得了重大的突破和发展成就。1953 年，詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）和弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）发现了脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构（包括中心法则），开启了分子生物学时代，破解遗传基因密码机制的研究广泛展开，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科相继发展，生命的奥秘不断有新揭示，DNA 重组技术更是使基因工程、蛋白质工程等生物工程技术快速发展。1922 年，加拿大多伦多大学弗雷德里克·格兰特·班廷（Frederick Grant Banting）和查尔斯·赫伯特·贝斯特（Charles Herbert Best）发现胰岛素，并用动物来源的胰岛素治疗糖尿病患者，开启了生物药物的时代。1982 年，美国礼来制药公司将世界第一个基因工程药物——重组胰岛素推向市场，使药物干预进入生物药的第二纪元[12]。截至2022 年，全球12 类生物药有541 种药物商品，含435 种不同的活性生物药物成分。基因组学取得巨大进步，包括人类基因组计划和其他生物基因组的测序工作。这些成就为了解基因和遗传学提供了重要的基础，也为生物技术的发展奠定了基础。CRISPR 基因编辑技术的发明和广泛应用，使得科学家能够更精确地修改生物体的基因，这对于基因治疗、作物改良和生物研究具有重要意义。生物医药领域取得了重大突破，包括基因治疗、生物制药、干细胞研究等。这些技术为医学治疗提供了新的途径，改善了许多疾病的治疗效果。基因组学和生物技术的发展将推动医学朝向个性化治疗的方向发展，使得医疗更加精准和有效。2017 年8 月，诺华制药公司将CAR-T 细胞技术以Kymriah 产品方式推向市场，开辟了药物干预的第三纪元——细胞治疗的新纪元[12]。目前，细胞与基因治疗产业进入了高速发展期。当前全球已登记的细胞与基因治疗相关临床试验已超过7000 余项。截至2022 年初，全球经批准的细胞治疗产品共33 款，包括21 种干细胞和12 种免疫细胞。生物技术的发展将为农业提供新的技术手段，包括抗病虫害作物、提高作物产量和改良品质等。生物技术有望为生物能源生产提供新的途径，同时也将为环境保护提供新的解决方案，例如生物降解材料、生物污染治理等。

在第三次工业革命中，材料发挥了重要作用，推动了科技进步和工业生产的发展。一是先进材料的应用得到了广泛发展，如纳米材料、复合材料、功能材料等，这些材料具有轻量化、高强度、高导电性等特点，推动了高科技产业的发展。二是可再生能源材料的应用使清洁能源产业大发展。随着可再生能源的发展，太阳能电池、风力发电等新型能源材料得到了广泛应用。三是智能材料的研发和应用成为热点。例如形状记忆合金、传感材料等材料可以响应外部环境变化，推动了智能制造和智能产品的发展。四是生物材料的兴起。如生物降解材料、生物医用材料等材料。先进材料的应用推动了高科技产业的发展，可再生能源材料的发展推动了清洁能源产业的兴起，智能材料和生物材料的出现推动了智能制造和生物科技产业的发展。总之，材料的应用种类在不断拓展，材料的效能层级在不断提升。材料的不断创新和应用为第三次工业革命提供了关键性重要支撑和引领。尤其重要的是，主要材料决定关键设备中关键零部件的作用，反映了劳动对象对生产工具的决定性影响是通过对其内部关键零部件的决定性作用来实现的。硅基半导体材料决定了集成电路的发展水平与质量，集成电路决定了电脑和手机的发展水平与质量。这也提示，当一种设备发展到相当高的程度时，主要材料与设备中关键零部件之间的主要矛盾的特性就愈发呈现。抓准这一核心环节，才是解决产业发展的关键。

二、新材料的作用与前景

目前，针对新材料的发展，可将新材料分为三个大类别：一是先进基础材料。主要是指原有基础材料的提质升级，如金属材料、无机非金属材料等，提高其先进性水平，通过高端材料研发来推动传统产业如钢铁、有色金属、石化、建筑、轻工、纺织等转型升级。二是关键战略材料。包括两方面：其一，是战略资源材料，如稀土材料，其自然禀赋就具有战略意义。其二，战略引领材料，是指一个关键材料对行业、产业、装备产生决定性作用的材料。如硅基半导体材料对集成电路以及电子计算机而言就是关键战略材料。又如，高端装备用特种合金、高性能纤维材料、新型能源材料、先进半导体材料、稀土功能材料、新型显示材料、先进生物医用材料、先进生物基材料等，推动支撑新能源创新发展的大容量储能、高效钙钛矿电池、钠离子电池、氢燃料电池等新技术突破。三是前沿新材料。指科技前沿产生的新材料，如超导材料、高熵合金、液态金属、增材制造材料等。这些新材料可催生新型未来产业。

从历史发展上看，人类社会应用的基本材料是生产力水平的基础性标志。材料革命是推动人类经济社会发展和时代前进的根本动力。历次世界科技革命和产业变革，核心环节是材料与能源革命，并由此引发主要动力装置和应用场景的剧变。第一次工业革命，钢铁为主要材料，煤为主要能源，动力装置为蒸汽机。第二次工业革命，材料转变为以合金、高分子材料为主，能源转变为以石油为主，动力装置转变为内燃机。目前，我认为，第三次工业革命正处在收尾阶段。其中，习近平总书记大力倡导的能源革命，正推动着由化石能源向非化石能源、清洁能源方向转变的产业转型，可再生清洁能源逐渐成为绿色发展的基本能源保障。动力装置向清洁排放的电力机车转变，铁路电动机车、载人载物电动汽车和电动船只的发展已渐成发展潮流。而满足绿色发展要求、彰显赋能效应和产业变革作用的新材料，将成为新一轮工业革命最重要的战略制高点。新材料的创新发展的质量与水平不仅决定着第三次工业革命的成色，还决定着下一轮科技革命的源材料发展方向。掌握了新材料发展，就等于掌握了未来产业发展的战略主动权。新材料是新质生产力的重要构成。材料革命是发展新质生产力的源动力。

从技术发展上看，能源、信息、生物和材料技术是当代四大主导性高新技术，对战略性新兴产业发展产生引擎拉动和系统支撑作用。而材料技术作为底层技术，对其他主导技术创新发展则发挥着基础支撑和关键引领的效能。材料技术可支撑能源技术提高能级和运行效率。而能源技术发展又可为材料技术进步提供更广阔的影响空间和更深入的影响层次。材料技术还在影响信息技术的发展，从近期手机芯片不断更新、大国博弈的现实就可略见一斑。反过来，数字技术、人工智能将极大赋能于材料技术的发展。材料技术对生物技术的影响不断显现，合成化学与合成生物学的技术异曲同工，两者交融发展，前景难以预期。生物制造的低能耗低材耗低碳排放对新材料发展也会产生深刻影响。总之，新材料已经成为新一轮科技革命的战略制高点。一代材料、一代装备、一代产业，新材料科技创新所引发的时代变迁作用此时愈加凸显。

从材料创新发展上看，新材料发展应该体现如下重要作用：

第一，新材料绿色化和可持续发展的特征突出。发展新材料符合制造业绿色化发展要求，低能耗、低碳排放、无环境污染物排放的新材料是发展方向。新材料将成为构建低碳绿色循环产业体系的物质基础，将成为支撑碳达峰、碳中和目标实现的关键保障。发展新材料符合人类可持续发展的要求，可有效解决地球物质资源因人类过度利用而日渐缺乏乃至枯竭的问题。新材料生产将摆脱传统化工生产方式，替代传统天然产物的获取方式，甚至跨越无机分子与有机分子的鸿沟，开辟材料应用的新纪元。对资源的节约利用、循环式利用、可再生性利用应是新材料发展的根本方向。

第二，新材料的赋能性效应显著。材料科学界、材料产业界最初对新材料的认识，就是新材料要具备高性能，或产生新功能。所谓高性能，是指新材料可具有抵抗极端条件的性能，如耐高温或低温、耐高压或低压、耐腐蚀、抗辐射等。产生新功能，这也是新材料“新”之所在。“新”的含义较广泛。一是材料自带某种或某些功能。试想一下，连材料本身都有功能了，材料形成结构后，其功能岂不更强大。二是具备智能，即智能材料。这也是人工智能所重点关注和介入的领域。新材料赋能性效应显著，以高性能、新功能推动材料、器件、装备的系统功能全面提升，支撑产品、装备、产业迭代向高端化跃升。

第三，新材料对关键生产工具中关键零部件的决定性作用显著。如前所述，硅基半导体材料对集成电路以及手机的发展水平与质量的决定性影响还在持续。航空发动机、深空航天器、深海探测器等一批关键性生产工具及其关键零部件依然是新材料高质量发展的主战场。

第四，新材料工程化应用辐射效应强劲。新材料催生新需求，以新需求和新应用场景牵引上中下游产业协同发展，支撑产业链整体升级。

第五，新材料数字化赋能空间巨大。推动新材料研发、测试、生产、评价全链条数字化，并大幅提升制造业整体智能化水平。

第六，比较优势与集聚布局态势呈现。国际上美、日、欧等发达国家和地区占据核心专利和高端材料供给优势，我国位居第二梯队，并形成东部京津冀、长三角、珠三角综合性聚集区和中西部特色聚集区。中部赣、鄂、湘多以原材料产地为中心聚集；西部陕、甘、青、宁多以资源禀赋为特色，并与新能源产业相结合，为其高质量发展带来新机遇。

在新一轮科技革命和工业革命中，材料将发挥着至关重要的作用。随着科技的不断进步和工业的不断发展，对材料的性能、功能和应用提出了更高的要求，材料在新一轮科技革命和工业革命中扮演着至关重要的角色。一是先进功能材料的需求不断增长。新一轮科技革命需要更多具有特殊功能的材料，如具有特定电子、光学、磁学、热学等性能的材料，以满足信息技术、生物技术、新能源技术等领域的需求。二是新材料的研发与应用成为推动科技进步和产业发展的关键。例如，纳米材料、智能材料、生物材料等的研发和应用，将推动新一轮科技革命的发展。三是轻量化材料的需求越来越大。高速交通工具、航空航天器材等领域的发展迫切需要轻量化材料的支撑。四是环保材料的需求也日益增加。如需可降解材料、可再生材料等，满足绿色发展和可持续发展的要求。

三、结语

本文把与科技革命与产业变革密切相关的劳动资料概括提炼为材料、能源、关键设备三大要素，实质上还是反映了劳动对象与劳动资料之间的矛盾运动，主要体现为主要材料与重要生产工具间的矛盾运动。在这对矛盾体中，劳动对象（材料）是矛盾的主要方面，主要材料决定重要生产工具，尤其是主要材料决定重要生产工具中的关键零部件，而关键零部件又决定重要生产工具；反过来，生产工具的发展需求和存在问题又牵引和拉动材料不断更新发展，不断拓展应用种类和提高应用效能层级。这一对立统一关系可在本文三次工业革命的大量史实中得到证实。上述观点如果能立得住，那么，“材料革命是发展新质生产力的源动力”则是必然结论！若读者们有同感，亦是笔者莫大的欣慰所在。

作者致谢：感谢2023 年农工党中央材料科技创新发展战略研讨会与会的工业和信息化部、材料学界、材料产业界的诸位负责同志、管理人员、专家的发言成为本文重要的参考资料来源！感谢本文编辑郭洪泉同志与我进行的马克思主义生产力理论问题的探讨，以及农工党中央研究室同事们为本文的马克思文献检索以及提供相关资料方面所付出的辛勤努力与大力支持！

作者附言：我用了一个多月时间，亲自查阅资料，亲自撰写本文。其初始目的在于落实习近平总书记的要求，要学会从马克思主义的观点立场方法来分析认识和解决问题，要把党派所长与国家发展之需有效结合。作为农工党主要负责人，我要从思想方法的努力方向上作出积极的体现，在工作方法上身体力行，杜绝理论武装也依赖于写作工作团队的官僚主义和形式主义倾向。由于本人的马克思主义水平和材料专业水准有限，文章中一定存在错误。在此，恳请广大农工党内外的读者同志们提出批评指正！