材料科學應用研究

研究與發(fā)展材料的目的在于應用，而材料必須通過合理的工藝流程才能制備出有實用價值的材料來，通過批量生產才能成為工程材料。在將實驗室的研究成果變成實用的工程材料過程中，材料的制備工藝、檢測技術、計算機技術等起著重要的作用。材料的實用研究構成了材料科學與技術的結合點。

制備工藝

材料制備工藝是發(fā)展材料的基礎。傳統(tǒng)材料可以通過改進工藝提高產品質量、勞動生產率以及降低成本。新材料的發(fā)展與工藝技術的關系更為密切。例如，由于外延技術的出現(xiàn)，可以精確地控制材料到幾個原子的厚度，從而為實現(xiàn)原子、分子設計提供了有效的手段?？炖浼夹g的采用，為金屬材料的發(fā)展開辟了一條新路，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，通過快冷技術得到超細晶粒金屬，提高了材料的性能；此外，通過快冷技術發(fā)現(xiàn)了準晶態(tài)的存在，改變了晶體學中的某些傳統(tǒng)觀念。許多性能優(yōu)異、有發(fā)展前途的材料，如工程陶瓷、高溫超導材料等，由于脆性和穩(wěn)定性問題及成本太高而不能大量推廣，這些問題都需要工藝革新來解決。因此，發(fā)展新材料必須把工藝技術的研究與開發(fā)放在十分重要的位置?，F(xiàn)代化的材料制備工藝和技術往往與某些條件密切相聯(lián)系，如利用空間失重條件進行晶體生長等；此外，強磁場、強沖擊波、超高壓、超高真空及強制冷卻等都可能成為材料制備工藝的有效手段。

檢測技術

材料科學的發(fā)展在很大程度上依賴于檢測技術的提高。每一種新儀器和測試手段的發(fā)明創(chuàng)造，都對當時新材料的出現(xiàn)和發(fā)展起到了促進作用。1863年，光學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，其點分辨率在0.2納米左右，足以觀察到原子，為研究材料的內部組織結構提供了先決條件。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)域的化學成分和結構，還可用來進行原子加工，為在微觀結構上設計新材料打下了基礎。

檢測技術又是控制材料工藝流程和產品質量的主要手段，其中無損檢測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)。各種檢測用傳感器，利用物理、化學或生物原理來傳遞材料在使用和生產過程中所產生的信息，從而達到控制產品質量的目的。隨著科學技術的發(fā)展，各種檢測技術和檢測裝置不斷更新，適應在線、動態(tài)及各種惡劣環(huán)境測試的檢測裝置將用于材料的研究和生產中。

計算機輔助設計

利用計算機技術進行材料設計是發(fā)展新型材料的重要手段。材料設計通常分為3個層次。第一個是微觀層次，即運用統(tǒng)計力學與量子力學來研究原子與分子的集體行為。第二個是顯微層次，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的平均性質，如形變、磁性等，一般用連續(xù)統(tǒng)計方程來描述。第三個層次是宏觀層次，如宏觀性能、生產流程與使用性能間的關系，材料的斷裂以及微觀結構的形成等。計算機技術可以把3個層次的因素都考慮在內，通過建立模型，進行計算機模擬，得出符合預期性能的新材料的最佳成分、最佳結構和最合理的工藝流程。計算機的高速計算能力、巨大的存儲能力和邏輯判斷能力與人的創(chuàng)造能力相結合，可對材料設計提出創(chuàng)造性的構思方案；可從存儲的大量資料中進行檢索和方案比較；可在總體設計和局部設計中進行大量的、非常復雜的數(shù)學和力學計算；可對設計方案進行綜合分析和優(yōu)化設計，確定設計圖樣，提供組織生產的管理信息。這種設計方案大大提高了設計質量，縮短了設計周期，為開發(fā)新材料和新工藝創(chuàng)造了條件。

金屬材料成形

機械加工

熱加工

陶瓷冶金

粉末冶金

薄膜生長技術

表面處理技術：

表面改性技術、表面涂覆技術

熱處理

3D打印技術

材料科學按化學組成分類

金屬材料、無機物非金屬材料、有機高分子材料、復合材料

材料科學按物理性質分類

高強度材料、耐高溫材料、超硬材料、導電材料、絕緣材料、磁性材料、透光材料、半導體材料

材料科學按凝聚態(tài)分類

單晶材料、多晶材料、非晶態(tài)材料、準晶態(tài)材料

材料科學按物理效應分類

壓電材料、熱電材料、鐵電材料、光電材料、電光材料、磁光材料、激光材料

材料科學按用途分類

建筑材料、研磨材料、耐火材料、耐酸材料、電工材料、光學材料

材料科學按組成分類

單組分材料、復合材料

材料是早已存在的名詞，但材料科學的提出則是在20世紀60年代。1957年，蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功之后，美國政府及科技界為之震驚，并認識到先進材料對于高技術發(fā)展的重要性，于是在一些大學相繼成立了十余個材料科學研究中心，從此，材料科學這一名詞開始被人們廣泛地引用。

材料科學的形成是科學技術發(fā)展的結果。這是因為，第一，固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等學科的發(fā)展，對物質結構和物性的深入研究，推動了對材料本質的研究和了解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學等對材料本身的研究也大大加強，從而對材料的制備、結構和性能，以及它們之間的相互關系的研究也愈來愈深入，這為材料科學的形成打下了比較堅實的基礎。第二，在材料科學這個名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料科學都已自成體系，它們之間存在著頗多相似之處，可以相互借鑒，促進本學科的發(fā)展。如馬氏體相變本來是金屬學家提出來的，而且廣泛地用來作為鋼熱處理的理論基礎。但在氧化鋯陶瓷材料中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變現(xiàn)象，并用來作陶瓷增韌的一種有效手段。第三，各類材料的研究設備與生產手段也有很多相似之處。雖然不同類型的材料各有專用測試設備與生產裝置，但更多的是相同或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物理性能和力學性能測試設備等。在材料生產中，許多加工裝置也是通用的。研究設備與生產裝備的通用不但節(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，科學技術的發(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，以達到物盡其用的目的。長期以來，金屬、高分子及無機非金屬材料學科相互分割，自成體系。由于互不了解，習慣于使用金屬材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又對其不太了解，不敢問津。相反，習慣于用高分子材料的，也不想用金屬材料或陶瓷材料。因此，科學技術發(fā)展對材料提出的新的要求，促進了材料科學的形成。第五，復合材料的發(fā)展，將各種材料有機地聯(lián)成了一體。復合材料在多數(shù)情況下是不同類型材料的組合，通過材料科學的研究，可以對各種類型材料有一個更深入的了解，為復合材料的發(fā)展提供必要的基礎。

人類社會的發(fā)展歷程，是以材料為主要標志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進入新石器時代。新石器時代后期，出現(xiàn)了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程中認識了礦石，并在燒陶生產中發(fā)展了冶銅術，開創(chuàng)了冶金技術。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。隨著技術的進步，又發(fā)展了鋼的制造技術。18世紀，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產業(yè)革命的重要內容和物質基礎。19世紀中葉，現(xiàn)代平爐和轉爐煉鋼技術的出現(xiàn)，使人類真正進入了鋼鐵時代。

與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世并得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導地位。20世紀中葉以后，科學技術迅猛發(fā)展，作為發(fā)明之母和產業(yè)糧食的新材料又出現(xiàn)了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應用。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。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅，并在年產量的體積上已超過了鋼，成為國民經濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。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，使陶瓷材料產生了一個飛躍，出現(xiàn)了從傳統(tǒng)陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產業(yè)，滿足了電力、電子技術和航天技術的發(fā)展和需要。

結構材料的發(fā)展，推動了功能材料的進步。20世紀初，開始對半導體材料進行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導體等，使電子技術領域由電子管發(fā)展到晶體管、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。半導體材料的應用和發(fā)展，使人類社會進入了信息時代。

現(xiàn)代材料科學技術的發(fā)展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯(lián)系，從而出現(xiàn)了一個新的材料領域——復合材料。復合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優(yōu)越的性能。復合材料作為高性能的結構材料和功能材料，不僅用于航空航天領域，而且在現(xiàn)代民用工業(yè)、能源技術和信息技術方面不斷擴大應用。

材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。但并不是所有物質都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業(yè)化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。材料可按多種方法進行分類。按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。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。實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據(jù)材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現(xiàn)象等對外界變化產生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現(xiàn)代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

英文名：materials science，材料科學是研究、開發(fā)、生產和應用金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料的工程領域。其工程碩士學位授權單位培養(yǎng)從事新型材料的研究和開發(fā)、材料的制備、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高級工程技術人才。

研修的主要課程有：政治理論課、外語課、工程數(shù)學、材料物理化學工程、材料工程理論基礎、材料結構與性能、材料結構和性能檢測技術、材料合成與制備技術過程控制原理、計算機技術應用、近代材料的研究方法、材料科學與工程的新進展以及現(xiàn)代管理學基礎等。材料科學專業(yè)是一個理學專業(yè)。

隨著高科技的發(fā)展，材料科學和新材料主要在以下幾個方面得到發(fā)展。①復合材料是結構材料發(fā)展的重點，其中主要包括樹脂基高強度、高模量纖維復合材料，金屬基復合材料，陶瓷基復合材料及碳碳基復合材料等。表面涂層或改性是另一類復合材料，其量大面廣、經濟實用，具有廣闊的發(fā)展前景。②功能材料與器件相結合，并趨于小型化與多功能化。特別是外延技術與超晶格理論的發(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。③開發(fā)低維材料。低維材料具有體材料不具備的性質。例如零維的納米級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；納米級金屬鋁的硬度為塊體鋁的8倍；作為一維材料的高強度有機纖維、光導纖維，作為二維材料的金剛石薄膜、超導薄膜等都已顯示出廣闊的應用前景。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)展信息產業(yè)的基礎。高溫超導材料將會繼續(xù)得到重視，并預計在21世紀末達到產業(yè)化。⑤生物材料將得到更多應用和發(fā)展。一是生物醫(yī)學材料，可用以代替或修復人的各種器官、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。金屬材料在性能價格比、工藝及現(xiàn)有裝備上都具有明顯優(yōu)勢，而且新品種不斷涌現(xiàn)，今后仍將有很強的生命力。高分子材料還會大大發(fā)展，性能會更優(yōu)異，特別是高分子功能材料正待開發(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)展新材料開辟了一條嶄新的途徑。利用原子簇技術可能發(fā)展出更多的新材料。2100433B

“材料科學與技術”是一門在20世紀90年代形成的理工科大學材料類專業(yè)必修的專業(yè)基礎課。它是在材料學、材料科學、材料工程、材料科學導論、材料科學基礎、材料科學與工程基礎，以及其他相關學科發(fā)展的基礎上，所確立的一門新型學科。它從材料科學從科學原理的探究出發(fā)，講述材料的晶體結構、相變特點、制作工藝和具體性能。全書從整體上全面、透徹地論述和解析了材料的形成、轉變和特性，使學生能夠學會從微觀、亞微觀視野出發(fā)，來觀察、理解和處理各種現(xiàn)有的材料，并且研發(fā)、制作和合成門類繁多的新型材料。

本書依照同濟大學“十一五”規(guī)劃教材建設的精神編寫，是一部適應21世紀學科發(fā)展需要的、新型的教材。本書的主要講授對象是本科學生、碩士、博士研究生，也可供相關專業(yè)的學生參考、使用。在本書出版之前，書中的主要內容已經在近幾屆學生中試用。在編寫過程中，我們又對全書內容作了進一步的審定、刪改、充實和完善。本書的出版得到了同濟大學各級領導的大力支持和幫助，并獲得了同濟大學“十一五”規(guī)劃教材建設出版基金的資助。

本書重點突出了對于材料組成一結構一性能之間的相互關聯(lián)、制約和影響的論述；突出了在材料、地質、寶石和機械等類專業(yè)中應用的描述；突出了對于最新學科理論和最新應用技術的講解和介紹。

材料科學、生命科學和信息科學，已成為21世紀新技術革命的三大支柱學科，所以，材料科學的發(fā)展，對于人類的文明，對于人與自然的和諧發(fā)展，具有極為特殊的重大意義。因而，可以毫不夸張地說，整個人類發(fā)展的歷史，就是人類開發(fā)和應用材料的歷史。對此，本書在立論和選材上都做了精心的取舍和編排。對于所涉獵的范圍，在理論上盡量講透，在技術上盡量講明，在應用上盡量講清。

本書的出版是全體編寫人員集中智慧、精誠合作、奮力苦戰(zhàn)的結果，是集體力量的結晶。其中，第一、二篇由祁景玉博士編寫；第三篇由祁景玉、張國欣博士編寫；第四篇由張國欣博士編寫，梁晶晶、徐萬幫博士也參加了本篇的部分編排、打印工作；第五篇由陳云博士編寫，其中第十三章第三節(jié)由劉彥伯博士編寫。本書由祁景玉博士主編。

本書雖然在完稿及審定過程中，經多方研討、審閱、修改，但鑒于編者水平所限，書中錯誤、疏漏在所難免。敬請各位專家、同仁批評指正。

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教材：

胡賡祥. 蔡珣. 材料科學基礎(第三版). 上海交通大學出版社, 2011.

參考資料：

[1] 靳正國. 材料科學基礎. 天津大學出版社, 2006.

[2] 余永寧. 材料科學基礎. 高等教育出版社, 2012.

[3] 潘金生等. 材料科學基礎. 清華大學出版社, 2011.

[4] 蔡珣, 戎詠華. 材料科學基礎輔導與習題. 上海交通大學大學出版社, 2008.

[5] 石德珂. 材料科學基礎. 機械工業(yè)出版社, 2003.

[6] Schaffer, James P Saxena. The Science and Design of Engineering Materials. 高等教育出版社, 2003.

材料科學基礎預備知識

學習材料科學基礎課程需要先修高等數(shù)學、物理化學、理論力學、材料力學等課程。

材料科學基礎學習資料

• 配套教材

• 參考教材