材料科学的产生与发展思索

1关于”材料”

能源、信息和材料是现代经济发展的三大支柱，而材料更是基础。没有先进的材料就没有先进的工业、农业和科学技术．重大的技术革新往往起始于材料的革新。如20世纪50年代镍基超级合金的出现，将材料使用温度由原来的700℃提高到900X2从而使得超音速飞机问世。而高温陶瓷的出现则促进了表面温度高达1000~2的航天飞机的发展。近代新技术(原子能、计算机、集成电路、航天工业等)的发展又促进了新材料的研制。当前可称为精密陶瓷时代、复合材料时代、塑料时代或合成材料时代等等。材料可以从不同角度分类．根据材料的组成可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料(聚合物)和复合材料；根据特性和用途可将它分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要是利用其力学性能，制造需承受一定载荷的设备、零部件、建筑结构等。功能材料主要是利用其特殊物理性能(电学、热学、磁学、光学性能等)，用于制造各种电子器件、光敏元件、绝缘材料等。根据材料内部原子排列情况分为晶态和非晶态材料；根据材料的热力学状态分为稳态和亚稳态材料；根据材料尺寸分为一维(纤维及晶须)、二维(薄膜)和三维(大块)材料等。

2“材料科学”与“材料科学与工程”

材料科学(MaterialsScience)~科伴随着生产力发展和科技进步产生与发展。材料的各种性能是其化学成分和组织结构等内部因素在一定外界条件下的行为表现。研究材料主要是为了更有效地使用材料，即了解影响材料性能的各种因素，从而掌握提高其性能的途径。材料科学是阐明材料的性能和行为与其成分及内部组织结构之间的关系。一般认为，学科间的区别不是绝对的。材料科学是由多种学科分化而产生，而又通过集成走向成熟的。材料科学产生之初，有学者认为：冶金学仍然是一门健全的学科，拥有基本理论、方法和界限，但随着工程中日益不断地使用聚合物、陶瓷、玻璃和复合材料，其研究拓展为材料科学(Calvert，1997)。20世纪50年代，材料科学(MaterialsScience)这一新概念，主要源于冶金学，1958至于959年间美国大学教育性质的改变和各种新材料科学研究组织的形成，是材料科学形成的标志。西北大学(NorthWesternUifiversity)是最早将材料科学作为系名的大学(1954年)，并为本科生的研究生开设了相关课程，出版了《材料性能原理(PrinciplesofthePropertiesofMaterials))(1954年)一书，材料科学领域已经发展出多个分支，包括固体物理、冶金学、高分子化学、无机化学、矿物学、玻璃与陶瓷技术。一门学术型学科抽涉及的范围远远大于由大学里院系、学会和专业杂志所构成的群体，它是一所“看不见的学院(hwisiblecollege)”，它们的成员共享某一特定的研究传统，学者们从中学到了基本的理论框架、操作规范和技术方法。DavidTumbul(1983)~E《对“材料科学”产生和发展的评述》一文中，将材料科学定义为：在超分子水平上表征，认识和控制物质的结构．并建立这一结构与性能(力学、磁、电等)间的关系，即所谓的超分子科学。

MSE(MaterialsScienee&Engineering)的概念最初产生于20世纪50年代，到1960年已经基本稳固建立。在COsMT(1974)的报告中，将MSE定义为：涉及将材料成分、结构和制备与其性能和使用建立关系所形成并应用的知识。1957年美国政府出台了资助l2个相关实验室计划，首批三个材料科学实验室分别建立在康奈尔大学、宾西法尼亚大学和西北大学。这些实验室1972年由国家科学基金会(NSF)正式负责。此后各个大学教授的课程，也深受这些材料科学实验室所从事工作的影响。1958年，为了更好地已经建立的新学科的特征，又在系保后面加上了。与工程，并开始了。材料科学与工程的教育，如牛津大学的材料科学系也简单地更名为“材料系(DepartmentofMaterials)”。同期还有一批大学，如德克萨斯大学的奥斯分校等没有设立材料科学系，但已经开始了系间合作，进行了与材料科学相关的研究生教育，通常这种教育也不仅限于在“工程学院”之内。虽然没有这个系名，但老师的专业知识和研究生的研究工作集中在材料制备、固体化学、高分子工程与科学、X射线晶体学、生物材料、结构材料、材料理论和凝聚态材料及器件等相关领域。1964年麻省理工学院(MIT)也将系名以为“冶金与材料科学系”，1974年正式改名为“材料科学与工程系”。20世纪60年代，材料科学被引入欧洲的大学，如北威尔士大学、苏赛克大学和伯明翰大学。1956年，中国在西方工作过的科学工作者们制定一份科学技术规划时，认识当时的中国已经培养了具有金属材料方面知识的科技人员，但对合金及其热处理方面的科技人员数量不足，到1980年，已经有l7个院校的金属物理专业改为材料科学专业。

3“材料科学”研究的实践与方向

实践中，企业的R&D机构已经开始关注MSE领域，如贝尔实验室、通用电气公司实验室、杜邦实验室等。贝尔实验室多学科交叉的科学家们找到了获得金属超导体的方法；杜邦实验室将新材料一尼龙引人了市场t通用电气公司实验室完善了白炽灯用于韧性铂金属制造技术，特别是在金属对机械处理和热处理的反应方面取得了成功。以Hollomon为带头人的多学科团队，取得了系列与材料相关的重大进步。如人造金刚石、高性能热绝缘材料、真空电路断路器、基于辐照固体中蚀刻粒子轨迹的产品、聚碳酸酯塑料和用于金属蒸气灯的氧化铝外膜等。科学家认为，设备使用主要是受到材料的限制而不是设计的限制。材料科学研究的方向是充分利用和发掘现有材料的潜力，继续开发新材料以及研究材料的再循环工艺。在利用现有材料和开发新材料方面，结构材料和复合材料材料科学研究的主体部分。在功能材料方面需重点发展应用于计算机、集成电路、激光技术等方面的电子材料。