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材 料 科 學(xué)

　　材料科學(xué)（materials science)是研究材料的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能，以及它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是多學(xué)科交叉與結(jié)合的結(jié)晶，是一門與工程技術(shù)密不可分的應(yīng)用科學(xué)。

　　材料是人類用來(lái)制造機(jī)器、構(gòu)件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)。但并不是所有物質(zhì)都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥品等，一般都不算作材料。材料可按多種方法進(jìn)行分類。按物理化學(xué)屬性分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料。按用途分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。實(shí)際應(yīng)用中又常分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，用以制造以受力為主的構(gòu)件。結(jié)構(gòu)材料也有物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的要求，如光澤、熱導(dǎo)率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據(jù)材料用途不同，對(duì)性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對(duì)外界變化產(chǎn)生的不同反應(yīng)而制成的一類材料。如半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、光電子材料、磁性材料等。

　　材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，人們把信息、材料和能源作為社會(huì)文明的支柱。80年代，隨著高技術(shù)群的興起，又把新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)并列作為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。現(xiàn)代社會(huì)，材料已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和人民生活的重要組成部分。

發(fā)展簡(jiǎn)史

　　人類社會(huì)的發(fā)展歷程，是以材料為主要標(biāo)志的。100萬(wàn)年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時(shí)代。1萬(wàn)年以前，人類對(duì)石器進(jìn)行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進(jìn)入新石器時(shí)代。新石器時(shí)代后期，出現(xiàn)了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過(guò)程中認(rèn)識(shí)了礦石，并在燒陶生產(chǎn)中發(fā)展了冶銅術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了冶金技術(shù)。公元前5000年，人類進(jìn)入青銅器時(shí)代。公元前1200年，人類開(kāi)始使用鑄鐵，從而進(jìn)入了鐵器時(shí)代。隨著技術(shù)的進(jìn)步，又發(fā)展了鋼的制造技術(shù)。18世紀(jì)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)中葉，現(xiàn)代平爐和轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的出現(xiàn)，使人類真正進(jìn)入了鋼鐵時(shí)代。與此同時(shí)，銅、鉛、鋅也大量得到應(yīng)用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問(wèn)世并得到應(yīng)用。直到20世紀(jì)中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導(dǎo)地位。

　　20世紀(jì)中葉以后，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料又出現(xiàn)了劃時(shí)代的變化。首先是人工合成高分子材料問(wèn)世，并得到廣泛應(yīng)用。先后出現(xiàn)尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個(gè)世紀(jì)時(shí)間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅(qū)，并在年產(chǎn)量的體積上已超過(guò)了鋼，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防尖端科學(xué)和高科技領(lǐng)域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發(fā)展。陶瓷是人類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備工藝的發(fā)展，使陶瓷材料產(chǎn)生了一個(gè)飛躍，出現(xiàn)了從傳統(tǒng)陶瓷向先進(jìn)陶瓷的轉(zhuǎn)變，許多新型功能陶瓷形成了產(chǎn)業(yè)，滿足了電力、電子技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展和需要。

　　結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，推動(dòng)了功能材料的進(jìn)步。20世紀(jì)初，開(kāi)始對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導(dǎo)體等，使電子技術(shù)領(lǐng)域由電子管發(fā)展到晶體管、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。半導(dǎo)體材料的應(yīng)用和發(fā)展，使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代。

　　現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了金屬、非金屬無(wú)機(jī)材料和高分子材料之間的密切聯(lián)系，從而出現(xiàn)了一個(gè)新的材料領(lǐng)域——復(fù)合材料。復(fù)合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強(qiáng)體，可獲得比單一材料更優(yōu)越的性能。復(fù)合材料作為高性能的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，不僅用于航空航天領(lǐng)域，而且在現(xiàn)代民用工業(yè)、能源技術(shù)和信息技術(shù)方面不斷擴(kuò)大應(yīng)用。

材料科學(xué)的形成

　　材料是早已存在的名詞，但材料科學(xué)的提出則是在20世紀(jì)60年代。1957年，蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功之后，美國(guó)政府及科技界為之震驚，并認(rèn)識(shí)到先進(jìn)材料對(duì)于高技術(shù)發(fā)展的重要性，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個(gè)材料科學(xué)研究中心，從此，材料科學(xué)這一名詞開(kāi)始被人們廣泛地引用。

　　材料科學(xué)的形成是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。這是因?yàn)?，第一，固體物理、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性的深入研究，推動(dòng)了對(duì)材料本質(zhì)的研究和了解；同時(shí)，冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)等對(duì)材料本身的研究也大大加強(qiáng)，從而對(duì)材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能，以及它們之間的相互關(guān)系的研究也愈來(lái)愈深入，這為材料科學(xué)的形成打下了比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二，在材料科學(xué)這個(gè)名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料科學(xué)都已自成體系，它們之間存在著頗多相似之處，可以相互借鑒，促進(jìn)本學(xué)科的發(fā)展。如馬氏體相變本來(lái)是金屬學(xué)家提出來(lái)的，而且廣泛地用來(lái)作為鋼熱處理的理論基礎(chǔ)。但在氧化鋯陶瓷材料中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變現(xiàn)象，并用來(lái)作陶瓷增韌的一種有效手段。第三，各類材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段也有很多相似之處。雖然不同類型的材料各有專用測(cè)試設(shè)備與生產(chǎn)裝置，但更多的是相同或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測(cè)試及物理性能和力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備等。在材料生產(chǎn)中，許多加工裝置也是通用的。研究設(shè)備與生產(chǎn)裝備的通用不但節(jié)約了資金，更重要的是相互得到啟發(fā)和借鑒，加速了材料的發(fā)展。第四，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求不同類型的材料之間能相互代替，充分發(fā)揮各類材料的優(yōu)越性，以達(dá)到物盡其用的目的。長(zhǎng)期以來(lái)，金屬、高分子及無(wú)機(jī)非金屬材料學(xué)科相互分割，自成體系。由于互不了解，習(xí)慣于使用金屬材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又對(duì)其不太了解，不敢問(wèn)津。相反，習(xí)慣于用高分子材料的，也不想用金屬材料或陶瓷材料。因此，科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)材料提出的新的要求，促進(jìn)了材料科學(xué)的形成。第五，復(fù)合材料的發(fā)展，將各種材料有機(jī)地聯(lián)成了一體。復(fù)合材料在多數(shù)情況下是不同類型材料的組合，通過(guò)材料科學(xué)的研究，可以對(duì)各種類型材料有一個(gè)更深入的了解，為復(fù)合材料的發(fā)展提供必要的基礎(chǔ)。

材料的分類

　　按化學(xué)狀態(tài)分類 金屬材料 無(wú)機(jī)物非金屬材料 陶瓷材料有機(jī)材料 高分子材料

　　按物理性質(zhì)分類 高強(qiáng)度材料 耐高溫材料 超硬材料 導(dǎo)電材料 絕緣材料 磁性材料 透光材料 半導(dǎo)體材料

　　按狀態(tài)分類 單晶材料 多晶質(zhì)材料 非晶態(tài)材料 準(zhǔn)晶態(tài)材料

　　按物理效應(yīng)分類 壓電材料 熱電材料 鐵電材料 光電材料 電光材料 聲光材料 磁光材料 激光材料

　　按用途分類 建筑材料 結(jié)構(gòu)材料 研磨材料 耐火材料 耐酸材料 電工材料 電子材料 光學(xué)材料 感光材料包裝材料

　　按組成分類 單組分材料 復(fù)合材料

材料工程技術(shù)

　　金屬材料成形

　　機(jī)械加工

　　熱加工

　　陶瓷冶金

　　粉末冶金

　　薄膜生長(zhǎng)技術(shù)

　　表面處理技術(shù)：表面改性技術(shù)、表面涂覆技術(shù)

　　熱處理

材料科學(xué)的成果轉(zhuǎn)化

　　研究與發(fā)展材料的目的在于應(yīng)用，而材料必須通過(guò)合理的工藝流程才能制備出有實(shí)用價(jià)值的材料來(lái)，通過(guò)批量生產(chǎn)才能成為工程材料。在將實(shí)驗(yàn)室的研究成果變成實(shí)用的工程材料過(guò)程中，材料的制備工藝、檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等起著重要的作用。材料的實(shí)用研究構(gòu)成了材料科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)。

　　制備工藝

　　材料制備工藝是發(fā)展材料的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)材料可以通過(guò)改進(jìn)工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率以及降低成本。新材料的發(fā)展與工藝技術(shù)的關(guān)系更為密切。例如，由于外延技術(shù)的出現(xiàn)，可以精確地控制材料到幾個(gè)原子的厚度，從而為實(shí)現(xiàn)原子、分子設(shè)計(jì)提供了有效的手段?？炖浼夹g(shù)的采用，為金屬材料的發(fā)展開(kāi)辟了一條新路，首先是非晶態(tài)的形成，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的材料；其次，通過(guò)快冷技術(shù)得到超細(xì)晶粒金屬，提高了材料的性能；此外，通過(guò)快冷技術(shù)發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶態(tài)的存在，改變了晶體學(xué)中的某些傳統(tǒng)觀念。許多性能優(yōu)異、有發(fā)展前途的材料，如工程陶瓷、高溫超導(dǎo)材料等，由于脆性和穩(wěn)定性問(wèn)題及成本太高而不能大量推廣，這些問(wèn)題都需要工藝革新來(lái)解決。因此，發(fā)展新材料必須把工藝技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)放在十分重要的位置?，F(xiàn)代化的材料制備工藝和技術(shù)往往與某些條件密切相聯(lián)系，如利用空間失重條件進(jìn)行晶體生長(zhǎng)等；此外，強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)沖擊波、超高壓、超高真空及強(qiáng)制冷卻等都可能成為材料制備工藝的有效手段。

　　檢測(cè)技術(shù)

　　材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴于檢測(cè)技術(shù)的提高。每一種新儀器和測(cè)試手段的發(fā)明創(chuàng)造，都對(duì)當(dāng)時(shí)新材料的出現(xiàn)和發(fā)展起到了促進(jìn)作用。1863年，光學(xué)顯微鏡用于金屬材料的研究。隨后又出現(xiàn)了電子顯微鏡、掃描電鏡、高分辨率電鏡，其點(diǎn)分辨率在0.2納米左右，足以觀察到原子，為研究材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)提供了先決條件。而后又出現(xiàn)掃描透射電鏡、掃描隧道顯微鏡，不但可以觀察到原子，分析出微小區(qū)域的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，還可用來(lái)進(jìn)行原子加工，為在微觀結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)新材料打下了基礎(chǔ)。

　　檢測(cè)技術(shù)又是控制材料工藝流程和產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段，其中無(wú)損檢測(cè)不但可以檢查材料的宏觀缺陷，還可監(jiān)控裂紋的萌生和發(fā)展，為材料的失效分析提供了依據(jù)。各種檢測(cè)用傳感器，利用物理、化學(xué)或生物原理來(lái)傳遞材料在使用和生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的信息，從而達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)裝置不斷更新，適應(yīng)在線、動(dòng)態(tài)及各種惡劣環(huán)境測(cè)試的檢測(cè)裝置將用于材料的研究和生產(chǎn)中。超微材料表面積研究是非常重要的，超微材料的比表面積檢測(cè)數(shù)據(jù)只有采用BET方法檢測(cè)出來(lái)的結(jié)果才是真實(shí)可靠的，國(guó)內(nèi)有很多儀器只能做直接對(duì)比法的檢測(cè)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)被淘汰了。目前國(guó)內(nèi)外比表面積測(cè)試統(tǒng)一采用多點(diǎn)BET法，國(guó)內(nèi)外制定出來(lái)的比表面積測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)都是以BET測(cè)試方法為基礎(chǔ)的，請(qǐng)參看我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19587-2004）-氣體吸附BET原理測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積的方法。比表面積檢測(cè)其實(shí)是比較耗費(fèi)時(shí)間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的測(cè)試可能需要耗費(fèi)一整天的時(shí)間，如果測(cè)試過(guò)程沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，那測(cè)試人員就時(shí)刻都不能離開(kāi)，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會(huì)導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程的失敗，這會(huì)浪費(fèi)測(cè)試人員很多的寶貴時(shí)間。國(guó)內(nèi)幾家生產(chǎn)比表面積測(cè)定儀廠商中，只有北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測(cè)試儀是真正能夠?qū)崿F(xiàn)BET法檢測(cè)功能的儀器（兼?zhèn)渲苯訉?duì)比法），更重要的北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測(cè)試儀是迄今為止國(guó)內(nèi)唯一完全自動(dòng)化智能化的比表面積檢測(cè)設(shè)備，其測(cè)試結(jié)果與國(guó)際一致性很高，穩(wěn)定性也很好，同時(shí)減少人為誤差，提高測(cè)試結(jié)果精確性。

　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

　　利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)是發(fā)展新型材料的重要手段。材料設(shè)計(jì)通常分為3個(gè)層次。第一個(gè)是微觀層次，即運(yùn)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)與量子力學(xué)來(lái)研究原子與分子的集體行為。第二個(gè)是顯微層次，其大小在微米以上，研究的是許多原子或分子在一定范圍內(nèi)的平均性質(zhì)，如形變、磁性等，一般用連續(xù)統(tǒng)計(jì)方程來(lái)描述。第三個(gè)層次是宏觀層次，如宏觀性能、生產(chǎn)流程與使用性能間的關(guān)系，材料的斷裂以及微觀結(jié)構(gòu)的形成等。計(jì)算機(jī)技術(shù)可以把3個(gè)層次的因素都考慮在內(nèi)，通過(guò)建立模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得出符合預(yù)期性能的新材料的最佳成分、最佳結(jié)構(gòu)和最合理的工藝流程。計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力、巨大的存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力與人的創(chuàng)造能力相結(jié)合，可對(duì)材料設(shè)計(jì)提出創(chuàng)造性的構(gòu)思方案；可從存儲(chǔ)的大量資料中進(jìn)行檢索和方案比較；可在總體設(shè)計(jì)和局部設(shè)計(jì)中進(jìn)行大量的、非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)和力學(xué)計(jì)算；可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定設(shè)計(jì)圖樣，提供組織生產(chǎn)的管理信息。這種設(shè)計(jì)方案大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期，為開(kāi)發(fā)新材料和新工藝創(chuàng)造了條件。

材料的應(yīng)用研究

　　材料的廣泛應(yīng)用是材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。在?shí)驗(yàn)室具有優(yōu)越性能的材料，不等于在實(shí)際工作條件下能得到應(yīng)用，必須通過(guò)應(yīng)用研究做出判斷，而后采取有效措施進(jìn)行改進(jìn)。材料在制成零部件以后的使用壽命的確定是材料應(yīng)用研究的另一方面，關(guān)系到安全設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)，關(guān)系到有效利用材料和合理選材。材料的應(yīng)用研究還是機(jī)械部件、電子元件失效分析的基礎(chǔ)。通過(guò)應(yīng)用研究可以發(fā)現(xiàn)材料中規(guī)律性的東西，從而指導(dǎo)材料的改進(jìn)和發(fā)展。

發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著高科技的發(fā)展，材料科學(xué)和新材料主要在以下幾個(gè)方面得到發(fā)展。①復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的重點(diǎn)，其中主要包括樹脂基高強(qiáng)度、高模量纖維復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料及碳碳基復(fù)合材料等。表面涂層或改性是另一類復(fù)合材料，其量大面廣、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有廣闊的發(fā)展前景。②功能材料與器件相結(jié)合，并趨于小型化與多功能化。特別是外延技術(shù)與超晶格理論的發(fā)展，使材料與器件的制備可以控制在原子尺度上，這將成為發(fā)展的重點(diǎn)。③開(kāi)發(fā)低維材料。低維材料具有體材料不具備的性質(zhì)。例如零維的納米級(jí)金屬顆粒是電的絕緣體及吸光的黑體，以納米微粒制成的陶瓷具有較高的韌性和超塑性；納米級(jí)金屬鋁的硬度為塊體鋁的8倍；作為一維材料的高強(qiáng)度有機(jī)纖維、光導(dǎo)纖維，作為二維材料的金剛石薄膜、超導(dǎo)薄膜等都已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。④信息功能材料增加品種、提高性能。這里主要是指半導(dǎo)體、激光、紅外、光電子、液晶、敏感及磁性材料等，它們是發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。高溫超導(dǎo)材料將會(huì)繼續(xù)得到重視，并預(yù)計(jì)在20世紀(jì)末達(dá)到產(chǎn)業(yè)化。⑤生物材料將得到更多應(yīng)用和發(fā)展。一是生物醫(yī)學(xué)材料，可用以代替或修復(fù)人的各種器官、血液及組織等；另一是生物模擬材料，即模擬生物的機(jī)能，如反滲透膜等。⑥傳統(tǒng)材料仍將占有重要位置。金屬材料在性能價(jià)格比、工藝及現(xiàn)有裝備上都具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且新品種不斷涌現(xiàn)，今后仍將有很強(qiáng)的生命力。高分子材料還會(huì)大大發(fā)展，性能會(huì)更優(yōu)異，特別是高分子功能材料正待開(kāi)發(fā)。工程陶瓷將在性能提高、成本降低的條件下得到發(fā)展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，還將不斷發(fā)展。⑦C60的出現(xiàn)為發(fā)展新材料開(kāi)辟了一條嶄新的途徑。利用原子簇技術(shù)可能發(fā)展出更多的新材料。

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