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材料科学技术

来源:中文百科专业版 浏览: 发布时间:2020-06-27

材料科学技术拼音:cái liào kē xué jì shù;英文:materials science and technology),涉及材料基础性质及其实际应用的科学技术领域。是在多学科交叉基础上形成的学科。主要是研究材料组成、结构、性能、生产流程和使用效能以及它们之间的关系。材料科学技术包括的内容跨度很大,从材料的基础科学一直到材料的实际工程应用,既包括材料的共性问题,也包括不同种类材料自身特有的个性问题。人类社会的进步,几乎无不与材料密切相关。材料的研究发展和大规模的应用,为材料科学技术这一学科的形成奠定了基础,推动了材料科学与技术的发展。随着科学技术的发展,功能材料愈来愈重要,特别是半导体材料出现以后,促进了现代文明的加速发展。

材料是人类用来制造用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其他产品的物质。人类进步历程中的石器时代青铜器时代铁器时代等,都是以当时使用的主要材料作为特征划分的。材料的发展促进了人类物质与精神文明的进步。

18世纪以来,材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃。转炉和平炉炼钢技术的发明,使世界钢产量从1850年的6万吨突增到1900年的2 800万吨,大大促进了机械制造、铁路交通的发展,使人类进入了钢铁时代。铜、铅、锌的大量应用,铝、镁、钛和稀有金属的相继问世,使金属材料在20世纪中占据了材料的主导地位。

20世纪初,人工合成高分子材料问世,如酚醛树脂(1909)、聚苯乙烯(1925)、聚氯乙烯(1931)和尼龙(1941)等,并发展十分迅速。20世纪50年代,通过合成化工原料或特殊制备方法,制造出一系列先进陶瓷,成为近三四十年来研究工作的重点,且用途在不断扩大。

复合材料由于具有每种单质材料所不具备的性能,而且可以节约资源,成为今后材料发展的主要方向。玻璃钢、碳纤维增强树脂基复合材料,金属基、陶瓷基复合材料等都有了很大的发展。

1948年发明了第一支具有放大作用的晶体管,10年后又研制成功集成电路,使计算机的功能不断提高,体积不断缩小,价格不断下降;加之高性能的磁性材料不断涌现,激光材料光导纤维的问世,使人类社会进入了“信息时代”。因此,功能材料占据了更重要的地位。特别是功能材料品种多,包括了金属、陶瓷、高分子和复合材料所构成的各种功能材料,而且应用范围广泛,发展非常迅速,成为研究与开发的重点。

形成与内涵

“材料”是早已存在的名词,但“材料科学技术”的提出只是20世纪60年代初的事。1957年苏联人造卫星首先上天,这对美国震动很大,美国认识到自己落后的主要原因之一是先进材料落后,于是在一些大学相继成立了10多个材料科学研究中心。从此,材料科学与工程这个名词在美国便广泛地被引用。但有些国家,特别在欧洲,把材料科学与工程称为材料科学与技术,为了简化,这里称之为材料科学技术。

“材料科学技术”的形成是与材料相关的科学技术发展的结果。

固体物理无机化学有机化学物理化学学科的发展,对物质结构和物性的深入研究,推动了对材料本质的了解;同时,冶金学金属学陶瓷学高分子科学等的发展也使对材料本身的研究大大加强,从而对材料的制备、结构与性能,以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入。从20世纪40年代开始,由于发展核能技术的带动,加快了新材料的研究,深化了对材料组织和性能的研究,加深了对材料制备加工技术的重要性的认识,发展了一系列精密检测材料化学成分和表征材料结构和性能的试验方法和仪器,为材料科学技术的形成打下了基础。50年代,通过材料研究与凝聚态物理的结合,发展了半导体材料及器件、激光器和超导材料,更进一步促进了材料科学技术的形成和发展。

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都已自成体系,复合材料也正在形成学科体系。但它们之间存在着颇多相似之处,不同类型的材料可以相互借鉴,从而促进学科的发展。如马氏体相变本来是金属学家提出来的,而且广泛地被用来作为钢热处理的理论基础,但在氧化锆陶瓷中也发现了马氏体相变现象,并用来作为陶瓷增韧的一种有效手段。

各类材料的研究设备与生产手段颇多共同之处。虽然不同类型的材料各有其专用测试设备与生产装置,但许多方面是相同或相近的,如显微镜电子显微镜、表面测试及物性与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。如挤压机,对金属材料可以用来成型及冷加工以提高强度;而某些高分子材料,在采用挤压成丝工艺以后,可使有机纤维的比强度和比刚度大幅度提高。

许多不同类型的材料可以相互代替和补充,能更充分发挥各种材料的优越性,达到物尽其用的目的。但长期以来,金属、高分子及无机非金属材料相互分割,自成体系。这既不利于材料的推广,又有碍于使用材料的行业的发展。

复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合,如果对不同类型材料没有一个全面的了解,复合材料的发展必然受到影响。发展材料科学,对各种类型材料有一个更深入的了解,是复合材料发展的必要基础。

材料科学技术所包含的内容是研究材料的组织、结构与性质的关系,这属于材料的基础研究。材料是面向实际、为经济建设服务的,是一门应用科学,研究与发展材料的目的在于应用,而材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来,通过批量生产才能成为工程材料。所以,“材料科学与工程”的概念逐步被大多数人所接受,它包含了“材料科学”和“材料工程”两个相对独立而又紧密联系的方面。材料工程指的是研究材料在制备过程中的工艺和工程问题。

材料科学与工程具有物理学化学冶金学陶瓷学计算数学等多学科交叉与结合的特点。实验室的研究成果必须通过工程研究与开发以确定合理的工艺流程,经过中间试验后才能生产出符合要求的工程材料;各种工程材料用于信息、交通运输、能源及制造工业等方面,而后根据使用情况,把需要改进的地方反馈给研究与开发部门,进行改善,再回到各应用领域。如此通过应用与改进多次反复,才能成为成熟的材料。即使是成熟材料,随着科学技术的发展与需求的推动,还需不断加以改进。

材料科学技术发展的重点

根据国际动向并结合国家具体情况,中国材料科学技术发展的重点应在以下几个方面:

材料制备工艺与技术

传统材料需要不断改进生产工艺和流程以提高产品质量、劳动生产率及降低成本。新材料的发展与工艺技术的关系则更为密切。例如,由于分子束外延生长技术的出现,可以精确地控制薄膜生长到几个原子的厚度,从而为实现“原子工程”及“能带工程”,并为材料的原子、分子设计提供了有效手段。又如,快冷技术(104 ~108 ℃/秒)的采用,为金属材料的发展开辟了一条新途径:①非晶态的形成,出现了许多优异性能的材料;②通过快冷得到超细晶粒,提高了材料的性能;③通过快冷技术发现了准晶相的存在,改变了晶体学中的传统观念。纳米技术是当前研究与开发的重点。它不仅可以用来改善材料的性能,而且纳米材料本身由于具有巨大的表面能而有十分优异的性能。

许多性能优异、有发展前途的材料,如工程陶瓷、高温超导体等,由于脆性及稳定性问题以及成本太高而不能大量推广。这些都需要工艺的革新来解决。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。现代化的制备工艺与技术往往与极端条件密切联系着。如利用空间失重条件进行晶体生长,强磁场、强冲击波、超高压、微重力、超高真空以及强制冷却等都可能成为材料制备工艺的有效手段。

科学仪器与检测装置

科学技术的发展在很大程度上依赖于科学仪器性能的提高。以物理学诺贝尔奖获得者为例,大约有半数得益于新仪器或新测试手段的发明创造。工业产品质量的改进往往决定于检测装置精度的提高。所以世界各工业发达国家对科学仪器与检测装置的发展都给以足够的重视。电子光学仪器的发展以显微镜为例,1863年金属材料研究首先应用光学显微镜;几十年后出现了电子显微镜、扫描电子显微镜、高分辨电子显微镜(HREM),HREM的点分辨率在0.2纳米左右,足以观察到原子;后又有了扫描透射电子显微镜(STEM),不但可以观察到原子,而且可以分析出微小区域的化学成分和结构;20世纪80年代初出现的扫描隧道显微镜,可以在非真空条件下观察到原子,还可用来进行原子加工。材料科学工作者不但要利用已有仪器设备开展材料研究工作,同时也要努力发展更先进的设备,因为任何已商品化的设备至少落后了5年。很多的创造性工作很难在已商品化的设备上作出来。

检测是控制工艺流程及产品质量的主要手段。无损检测是检测中重要的一类,不但可用以检查宏观缺陷,而且可以监控裂纹的萌生和发展。检测装置的关键构件是传感器,它们是利用材料的物理、化学和生物特性来传递生产过程中所产生的微弱信号变化,从而达到控制目的的器件。当前检测装置除了扩大品种、提高灵敏度与稳定性以外,主要是发展在线、动态以及适应各种恶劣环境的检测装置。

计算机技术的应用

计算机技术的应用开辟了材料设计新领域。材料设计及材料技术从以经验为主过渡到可以通过计算来实现,主要归功于材料科学及计算机的发展。材料设计大体可以分为三个层次:①微观层次,即运用量子力学与统计力学来研究原子、分子及其中电子的行为;②细观层次,其大小在微米以上,考虑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,一般用连续统方程如扩散方程来描述;③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。当前这三个层次的设计都是分别进行的。如属于微观层次的“原子工程”与“能带工程”是功能材料的发展动向。细观层次是当前材料科学工作者研究的重点,而且在某些方面已做到了按需要进行设计和优化设计。宏观层次是生产材料的工程技术人员与细观层次的科学工作者的结合点。设计出合理成分,制定生产流程,而后生产出符合要求的材料。今后的长远发展方向是三个层次的统一,即把三个层次的因素都考虑在内,建立模型,利用计算机模拟,从而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。材料设计十分复杂。如模型的建立往往是基于平衡态,而实际材料却多处于非平衡态,如凝固过程的偏析、相变与扩散等;另外,材料的许多性质如材料的脆性本质、裂纹的产生与扩展等还不够清楚,这都给材料的设计造成困难。中国发展出的以统计学为基础的所谓模式识别方法,在材料设计方面已取得了一定成效。今后最关键的是建立完善的材料数据库与知识库,发展符合实际的解析与数学模型。

材料的应用研究与新材料

材料的广泛应用是材料科学技术发展的主要动力。实验室制出的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,还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个方面,它关系到安全设计及经济性设计。材料的应用研究又是机械部件、电子元件失效分析的基础。失效分析的准确性与时间性反映了一个国家的科学技术水平。通过材料的应用研究也可以发现材料中的规律性的东西,从而指导材料的改进和发展。

新材料是发展高技术的基础和先导,新材料研制与开发本身又是高技术的一部分。因此,发展高技术,必须重视开发新材料。新材料的发展重点主要有以下几方面:

1.功能材料 功能材料与器件相组合,并趋向于小型化与多功能化。特别是分子束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,将成为今后发展的重点。其他信息功能材料发展也很快,品种日益增加,性能不断提高。这里主要指的是半导体、超导激光、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,在材料中占有十分重要的地位。特别是高温超导材料,一是使氧化物超导体达到实用化乃至产业化,二是探索更高温度(如室温)下有超导性能的材料。

2.低维材料和亚稳材料 低维材料具有体材料所不具备的性质。如作为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倍等。这些都是待开发的领域。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、超导薄膜都已显示出广阔的前景。非晶材料是亚稳材料的一种,具有很多优异性能,将会得到很大发展。

3.生物材料 这类材料将受到更多的重视:①生物医学材料,用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等。②生物模拟材料,即模拟生物机能的材料,如反渗透膜。生物医学材料有些已达到实用化或产业化的程度,生物模拟材料大部分处于探索阶段。

4.金属材料 以其高性能价格比、成熟的工艺、现有装备的优势,以及新金属材料的不断涌现等原因,在今后若干年内仍将占有重要位置。通过优化工艺过程,精确控制材料的纯度、成分及微观组织,使传统金属材料的性能成倍地提高(如超级钢),可节省资源,增加竞争力。

5.高性能陶瓷 正处于发展阶段。随着热机的发展,对工程陶瓷的需求愈来愈迫切;信息功能材料的品种不断增加,性能不断提高,对功能陶瓷的研究愈来愈深入。因而高性能陶瓷研究与开发也成为今后重点之一。

6.高分子材料 以高分子化合物为基础制得的一类新型材料。包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶黏剂和高分子复合材料。高分子是由成千上万个小分子单体通过加聚或缩聚反应以共价键结合起来的长链分子。独特的结构使高分子材料具有易改性、易于加工及许多其他材料所不可比拟和取代的优异性能。如新型高性能工程塑料,坚韧、机械强度高,使用温度范围广,耐低温又耐高温,介电性能优异,耐老化,对大多数化学介质稳定,成型加工性能好,用途广泛。因此,高分子材料近几十年来一直发展很快,今后还会有更优异性能的高分子材料出现。特别是功能高分子材料正待开发,将会有很大发展。

7.复合材料 是结构材料发展的重点。其中主要包括树脂基与高强度、高模量纤维的复合,以及金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料,量大面广,经济实用,将有更大发展前景。对有机材料来说,分子复合是提高性能的有效途径,也将会有很大发展。另外,由于复合材料的设计自由度大,特别有利于发展新型功能复合材料和多功能复合材料。

8.智能材料 20世纪末提出来的一类新型材料。它可以具有类似于生物体反应的机能,既有感知,又有驱动的功能。有的本身就可以构成一个智能系统,有的需要加入反馈才能构成一个完整的智能系统。智能材料是今后新材料发展的热点之一。但在其初级阶段,一般称为机敏材料。这类材料也具有一定的感知与驱动功能。例如透明压电陶瓷(PLZT)便集光性与压电性于一体,可作为核闪光保护镜,属于初级机敏材料。

9.其他发展中的新材料 20世纪90年代C60<>/sub的出现为发展新材料开辟了一个崭新的途径。利用原子簇技术可能发展出更多的新材料,特别是碳纳米管的研究,成为21世纪初的重点之一。新发现的多孔硅在光学方面具有明显的特性,在发展可见硅光源、硅光电器件、太阳能电池等方面都有很大用途,是一种正待开发的新材料。

世界各国对新材料的研究与开发都予以足够的重视。如美国国防部于1991年所提出的20项关键技术中,有5项以材料为主,在其他项目中有2/3都与材料有关;同年美国白宫发布了美国国家关键技术项目,共6个领域22项关键技术,其中材料是领域之一,材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷、复合材料以及高性能金属与合金等5项为关键技术。日本一向对材料十分重视,以超导材料、高性能陶瓷、用于苛刻环境中的高性能材料、光敏材料、非线性光电子材料及硅基高分子材料为重点。美国、德国、日本等国家在进入21世纪的前后,都制订了21世纪新材料的重点发展规划,把信息技术用新材料、生物医用新材料、加强国家安全用的新材料、交通运输新材料、新能源材料、环境材料、纳米技术和材料、材料制备技术等作为重点发展的领域。

中国把材料的研究与开发一直放在重要位置,从而保证了国防工业与国民经济的发展。进入20世纪90年代以后,材料的地位进一步加强,如在八五攻关计划中,材料占了较大比重;在高技术研究发展计划中,材料是重点领域之一;在重大基础研究计划中,材料也是重点支持领域之一。作为中国基础性研究工作的主要资助机构,国家自然科学基金委员会所资助的自由申请课题中,与材料有关的约占总量的1/4。在研究设施上也有一定部署,如高能加速器、对撞机与直线加速器都为材料研究提供了条件;在建或已建的许多国家重点实验室中,有关材料工艺、组织结构、表征与测试方面的就有35个,占总数的1/5以上。

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