材料科學的產生與發展思索

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1關于”材料”

能源、信息和材料是現代經濟發展的三大支柱，而材料更是基礎。沒有先進的材料就沒有先進的工業、農業和科學技術．重大的技術革新往往起始于材料的革新。如20世紀50年代鎳基超級合金的出現，將材料使用溫度由原來的700℃提高到900X2從而使得超音速飛機問世。而高溫陶瓷的出現則促進了表面溫度高達1000~2的航天飛機的發展。近代新技術(原子能、計算機、集成電路、航天工業等)的發展又促進了新材料的研制。當前可稱為精密陶瓷時代、復合材料時代、塑料時代或合成材料時代等等。材料可以從不同角度分類．根據材料的組成可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料(聚合物)和復合材料；根據特性和用途可將它分為結構材料和功能材料兩大類。結構材料主要是利用其力學性能，制造需承受一定載荷的設備、零部件、建筑結構等。功能材料主要是利用其特殊物理性能(電學、熱學、磁學、光學性能等)，用于制造各種電子器件、光敏元件、絕緣材料等。根據材料內部原子排列情況分為晶態和非晶態材料；根據材料的熱力學狀態分為穩態和亞穩態材料；根據材料尺寸分為一維(纖維及晶須)、二維(薄膜)和三維(大塊)材料等。

2“材料科學”與“材料科學與工程”

材料科學(MaterialsScience)~科伴隨著生產力發展和科技進步產生與發展。材料的各種性能是其化學成分和組織結構等內部因素在一定外界條件下的行為表現。研究材料主要是為了更有效地使用材料，即了解影響材料性能的各種因素，從而掌握提高其性能的途徑。材料科學是闡明材料的性能和行為與其成分及內部組織結構之間的關系。一般認為，學科間的區別不是絕對的。材料科學是由多種學科分化而產生，而又通過集成走向成熟的。材料科學產生之初，有學者認為：冶金學仍然是一門健全的學科，擁有基本理論、方法和界限，但隨著工程中日益不斷地使用聚合物、陶瓷、玻璃和復合材料，其研究拓展為材料科學(Calvert，1997)。20世紀50年代，材料科學(MaterialsScience)這一新概念，主要源于冶金學，1958至于959年間美國大學教育性質的改變和各種新材料科學研究組織的形成，是材料科學形成的標志。西北大學(NorthWesternUifiversity)是最早將材料科學作為系名的大學(1954年)，并為本科生的研究生開設了相關課程，出版了《材料性能原理(PrinciplesofthePropertiesofMaterials))(1954年)一書，材料科學領域已經發展出多個分支，包括固體物理、冶金學、高分子化學、無機化學、礦物學、玻璃與陶瓷技術。一門學術型學科抽涉及的范圍遠遠大于由大學里院系、學會和專業雜志所構成的群體，它是一所“看不見的學院(hwisiblecollege)”，它們的成員共享某一特定的研究傳統，學者們從中學到了基本的理論框架、操作規范和技術方法。DavidTumbul(1983)~E《對“材料科學”產生和發展的評述》一文中，將材料科學定義為：在超分子水平上表征，認識和控制物質的結構．并建立這一結構與性能(力學、磁、電等)間的關系，即所謂的超分子科學。

MSE(MaterialsScienee&Engineering)的概念最初產生于20世紀50年代，到1960年已經基本穩固建立。在COsMT(1974)的報告中，將MSE定義為：涉及將材料成分、結構和制備與其性能和使用建立關系所形成并應用的知識。1957年美國政府出臺了資助l2個相關實驗室計劃，首批三個材料科學實驗室分別建立在康奈爾大學、賓西法尼亞大學和西北大學。這些實驗室1972年由國家科學基金會(NSF)正式負責。此后各個大學教授的課程，也深受這些材料科學實驗室所從事工作的影響。1958年，為了更好地已經建立的新學科的特征，又在系保后面加上了。與工程，并開始了。材料科學與工程的教育，如牛津大學的材料科學系也簡單地更名為“材料系(DepartmentofMaterials)”。同期還有一批大學，如德克薩斯大學的奧斯分校等沒有設立材料科學系，但已經開始了系間合作，進行了與材料科學相關的研究生教育，通常這種教育也不僅限于在“工程學院”之內。雖然沒有這個系名，但老師的專業知識和研究生的研究工作集中在材料制備、固體化學、高分子工程與科學、X射線晶體學、生物材料、結構材料、材料理論和凝聚態材料及器件等相關領域。1964年麻省理工學院(MIT)也將系名以為“冶金與材料科學系”，1974年正式改名為“材料科學與工程系”。20世紀60年代，材料科學被引入歐洲的大學，如北威爾士大學、蘇賽克大學和伯明翰大學。1956年，中國在西方工作過的科學工作者們制定一份科學技術規劃時，認識當時的中國已經培養了具有金屬材料方面知識的科技人員，但對合金及其熱處理方面的科技人員數量不足，到1980年，已經有l7個院校的金屬物理專業改為材料科學專業。

3“材料科學”研究的實踐與方向

實踐中，企業的R&D機構已經開始關注MSE領域，如貝爾實驗室、通用電氣公司實驗室、杜邦實驗室等。貝爾實驗室多學科交叉的科學家們找到了獲得金屬超導體的方法；杜邦實驗室將新材料一尼龍引人了市場t通用電氣公司實驗室完善了白熾燈用于韌性鉑金屬制造技術，特別是在金屬對機械處理和熱處理的反應方面取得了成功。以Hollomon為帶頭人的多學科團隊，取得了系列與材料相關的重大進步。如人造金剛石、高性能熱絕緣材料、真空電路斷路器、基于輻照固體中蝕刻粒子軌跡的產品、聚碳酸酯塑料和用于金屬蒸氣燈的氧化鋁外膜等。科學家認為，設備使用主要是受到材料的限制而不是設計的限制。材料科學研究的方向是充分利用和發掘現有材料的潛力，繼續開發新材料以及研究材料的再循環工藝。在利用現有材料和開發新材料方面，結構材料和復合材料材料科學研究的主體部分。在功能材料方面需重點發展應用于計算機、集成電路、激光技術等方面的電子材料。