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材料科学(应用科学领域)

材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系,集物理学、化学冶金学等于一体的科学。材料科学是一门与工程技术密不可分的应用科学

英文名:materials science,材料科学是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。其工程硕士学位授权单位培养从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程技术人才。

研修的主要课程有:政治理论课、外语课、工程数学、材料物理化学工程、材料工程理论基础、材料结构与性能、材料结构和性能检测技术、材料合成与制备技术过程控制原理、计算机技术应用、近代材料的研究方法、材料科学与工程的新进展以及现代管理学基础等。材料科学专业是一个理学专业。

材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料,如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等,一般都不算作材料。材料可按多种方法进行分类。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化学性质的要求,如光泽、热导率、抗辐照能力、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。

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、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代,随着高技术群的兴起,又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会,材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。

人类社会的发展历程,是以材料为主要标志的。100万年以前,原始人以石头作为工具,称旧石器时代。1万年以前,人类对石器进行加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入新石器时代。新石器时代后期,出现了利用粘土烧制的陶器。人类在寻找石器过程中认识了矿石,并在烧陶生产中发展了冶铜术,开创了冶金技术。公元前5000年,人类进入青铜器时代。公元前1200年,人类开始使用铸铁,从而进入了铁器时代。随着技术的进步,又发展了钢的制造技术。18世纪,钢铁工业的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶,现代平炉和转炉炼钢技术的出现,使人类真正进入了钢铁时代

与此同时,铜、铅、锌也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶,金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后,科学技术迅猛发展,作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分子材料问世,并得到广泛应用。先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料,以及维尼纶、合成橡胶、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。仅半个世纪时间,高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱,并在年产量的体积上已超过了钢,成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代,合成化工原料和特殊制备工艺的发展,使陶瓷材料产生了一个飞跃,出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变,许多新型功能陶瓷形成了产业,满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。

结构材料的发展,推动了功能材料的进步。20世纪初,开始对半导体材料进行研究。50年代,制备出锗单晶,后又制备出硅单晶和化合物半导体等,使电子技术领域由电子管发展到晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路。半导体材料的应用和发展,使人类社会进入了信息时代。

现代材料科学技术的发展,促进了金属、非金属无机材料和高分子材料之间的密切联系,从而出现了一个新的材料领域复合材料。复合材料以一种材料为基体,另一种或几种材料为增强体,可获得比单一材料更优越的性能。复合材料作为高性能的结构材料和功能材料,不仅用于航空航天领域,而且在现代民用工业、能源技术和信息技术方面不断扩大应用。

材料是早已存在的名词,但材料科学的提出则是在20世纪60年代。1957年,苏联人造地球卫星发射成功之后,美国政府及科技界为之震惊,并认识到先进材料对于高技术发展的重要性,于是在一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心,从此,材料科学这一名词开始被人们广泛地引用。

材料科学的形成是科学技术发展的结果。这是因为,第一,固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展,对物质结构和物性的深入研究,推动了对材料本质的研究和了解;同时,冶金学、金属学、陶瓷学等对材料本身的研究也大大加强,从而对材料的制备、结构和性能,以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入,这为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。第二,在材料科学这个名词出现以前,金属材料、高分子材料与陶瓷材料科学都已自成体系,它们之间存在着颇多相似之处,可以相互借鉴,促进本学科的发展。如马氏体相变本来是金属学家提出来的,而且广泛地用来作为钢热处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象,并用来作陶瓷增韧的一种有效手段。第三,各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置,但更多的是相同或相近的,如显微镜、电子显微镜、表面测试及物理性能和力学性能测试设备等。在材料生产中,许多加工装置也是通用的。研究设备与生产装备的通用不但节约了资金,更重要的是相互得到启发和借鉴,加速了材料的发展。第四,科学技术的发展,要求不同类型的材料之间能相互代替,充分发挥各类材料的优越性,以达到物尽其用的目的。长期以来,金属、高分子及无机非金属材料学科相互分割,自成体系。由于互不了解,习惯于使用金属材料的想不到采用高分子材料,即使想用,又对其不太了解,不敢问津。相反,习惯于用高分子材料的,也不想用金属材料或陶瓷材料。因此,科学技术发展对材料提出的新的要求,促进了材料科学的形成。第五,复合材料的发展,将各种材料有机地联成了一体。复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合,通过材料科学的研究,可以对各种类型材料有一个更深入的了解,为复合材料的发展提供必要的基础。

金属材料、无机物非金属材料、有机高分子材料、复合材料

高强度材料、耐高温材料、超硬材料、导电材料、绝缘材料、磁性材料、透光材料、半导体材料

单晶材料、多晶材料、非晶态材料、准晶态材料

压电材料、热电材料、铁电材料、光电材料、电光材料、磁光材料、激光材料

建筑材料、研磨材料、耐火材料、耐酸材料、电工材料、光学材料

单组分材料、复合材料

金属材料成形

机械加工

热加工

陶瓷冶金

粉末冶金

薄膜生长技术

表面处理技术:

表面改性技术、表面涂覆技术

热处理

3D打印技术

研究与发展材料的目的在于应用,而材料必须通过合理的工艺流程才能制备出有实用价值的材料来,通过批量生产才能成为工程材料。在将实验室的研究成果变成实用的工程材料过程中,材料的制备工艺、检测技术、计算机技术等起着重要的作用。材料的实用研究构成了材料科学与技术的结合点。

制备工艺

材料制备工艺是发展材料的基础。传统材料可以通过改进工艺提高产品质量、劳动生产率以及降低成本。新材料的发展与工艺技术的关系更为密切。例如,由于外延技术的出现,可以精确地控制材料到几个原子的厚度,从而为实现原子、分子设计提供了有效的手段。快冷技术的采用,为金属材料的发展开辟了一条新路,首先是非晶态的形成,出现了许多性能优异的材料;其次,通过快冷技术得到超细晶粒金属,提高了材料的性能;此外,通过快冷技术发现了准晶态的存在,改变了晶体学中的某些传统观念。许多性能优异、有发展前途的材料,如工程陶瓷、高温超导材料等,由于脆性和稳定性问题及成本太高而不能大量推广,这些问题都需要工艺革新来解决。因此,发展新材料必须把工艺技术的研究与开发放在十分重要的位置。现代化的材料制备工艺和技术往往与某些条件密切相联系,如利用空间失重条件进行晶体生长等;此外,强磁场、强冲击波、超高压、超高真空及强制冷却等都可能成为材料制备工艺的有效手段。

检测技术

材料科学的发展在很大程度上依赖于检测技术的提高。每一种新仪器和测试手段的发明创造,都对当时新材料的出现和发展起到了促进作用。1863年,光学显微镜用于金属材料的研究。随后又出现了电子显微镜、扫描电镜、高分辨率电镜,其点分辨率在0.2纳米左右,足以观察到原子,为研究材料的内部组织结构提供了先决条件。而后又出现扫描透射电镜、扫描隧道显微镜,不但可以观察到原子,分析出微小区域的化学成分和结构,还可用来进行原子加工,为在微观结构上设计新材料打下了基础。

检测技术又是控制材料工艺流程和产品质量的主要手段,其中无损检测不但可以检查材料的宏观缺陷,还可监控裂纹的萌生和发展,为材料的失效分析提供了依据。各种检测用传感器,利用物理、化学或生物原理来传递材料在使用和生产过程中所产生的信息,从而达到控制产品质量的目的。随着科学技术的发展,各种检测技术和检测装置不断更新,适应在线、动态及各种恶劣环境测试的检测装置将用于材料的研究和生产中。

计算机辅助设计

利用计算机技术进行材料设计是发展新型材料的重要手段。材料设计通常分为3个层次。第一个是微观层次,即运用统计力学量子力学来研究原子与分子的集体行为。第二个是显微层次,其大小在微米以上,研究的是许多原子或分子在一定范围内的平均性质,如形变、磁性等,一般用连续统计方程来描述。第三个层次是宏观层次,如宏观性能、生产流程与使用性能间的关系,材料的断裂以及微观结构的形成等。计算机技术可以把3个层次的因素都考虑在内,通过建立模型,进行计算机模拟,得出符合预期性能的新材料的最佳成分、最佳结构和最合理的工艺流程。计算机的高速计算能力、巨大的存储能力和逻辑判断能力与人的创造能力相结合,可对材料设计提出创造性的构思方案;可从存储的大量资料中进行检索和方案比较;可在总体设计和局部设计中进行大量的、非常复杂的数学和力学计算;可对设计方案进行综合分析和优化设计,确定设计图样,提供组织生产的管理信息。这种设计方案大大提高了设计质量,缩短了设计周期,为开发新材料和新工艺创造了条件。

材料的广泛应用是材料科学与技术发展的主要动力。在实验室具有优越性能的材料,不等于在实际工作条件下能得到应用,必须通过应用研究做出判断,而后采取有效措施进行改进。材料在制成零部件以后的使用寿命的确定是材料应用研究的另一方面,关系到安全设计和经济设计,关系到有效利用材料和合理选材。材料的应用研究还是机械部件、电子元件失效分析的基础。通过应用研究可以发现材料中规律性的东西,从而指导材料的改进和发展。

随着高科技的发展,材料科学和新材料主要在以下几个方面得到发展。①复合材料是结构材料发展的重点,其中主要包括树脂基高强度、高模量纤维复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料,其量大面广、经济实用,具有广阔的发展前景。②功能材料与器件相结合,并趋于小型化与多功能化。特别是外延技术与超晶格理论的发展,使材料与器件的制备可以控制在原子尺度上,这将成为发展的重点。③开发低维材料。低维材料具有体材料不具备的性质。例如零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体,以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性;纳米级金属铝的硬度为块体铝的8倍;作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维,作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都已显示出广阔的应用前景。④信息功能材料增加品种、提高性能。这里主要是指半导体、激光、红外、光电子、液晶、敏感及磁性材料等,它们是发展信息产业的基础。高温超导材料将会继续得到重视,并预计在21世纪末达到产业化。⑤生物材料将得到更多应用和发展。一是生物医学材料,可用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等;另一是生物模拟材料,即模拟生物的机能,如反渗透膜等。⑥传统材料仍将占有重要位置。金属材料在性能价格比、工艺及现有装备上都具有明显优势,而且新品种不断涌现,今后仍将有很强的生命力。高分子材料还会大大发展,性能会更优异,特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位,还将不断发展。⑦C60的出现为发展新材料开辟了一条崭新的途径。利用原子簇技术可能发展出更多的新材料。

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