初原載于 愛(ài)學(xué)習(xí)的 青春材制????2020-09-07

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歡迎各位進(jìn)入北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，為了能讓新生們能夠?qū)ψ约旱膶I(yè)能夠盡快有一個(gè)較為直觀的認(rèn)識(shí)，本文以材料科學(xué)與工程學(xué)導(dǎo)論課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，對(duì)材料學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)述。

材料學(xué)是一門(mén)各學(xué)科相互穿插，由多學(xué)科作為基礎(chǔ)的學(xué)科。

材料學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科包括：

– Chemistry化學(xué)

– Physics物理學(xué)

– Metallurgy冶金學(xué)

– Engineering工程學(xué)

– Life sciences生命科學(xué)

– …

（即，材料學(xué)基礎(chǔ)課程包括：微積分、線性代數(shù)、概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、離散數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)分析、拓?fù)鋵W(xué)、工程制圖、工程實(shí)踐、工程設(shè)計(jì)、電工學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、分析化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、工程力學(xué)、量子力學(xué)、固體物理、量子物理、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言……）

除此之外，不同的專業(yè)材料種類(lèi)也決定了所需的專業(yè)課目的不同

信息科學(xué)技術(shù)→信息材料

空間科學(xué)技術(shù)→空間技術(shù)材料

生物科學(xué)技術(shù)→生物醫(yī)用材料

新能源科學(xué)技術(shù)→新能源材料

生態(tài)環(huán)境科學(xué)技術(shù)→生態(tài)環(huán)境材料

那么材料又是什么？為什么學(xué)材料要學(xué)這么多不同的課目呢？

先看一下材料的定義：材料是人類(lèi)用于制造機(jī)器、構(gòu)件和產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

縱觀人類(lèi)利用材料的歷史，我們可以看到，每一種重要新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類(lèi)支配自然的能力提高到一個(gè)新的水平。

所以說(shuō)，人類(lèi)利用材料的歷史，就是一部人類(lèi)進(jìn)化和進(jìn)步的歷史。

也同樣可以得出，新材料的發(fā)明和應(yīng)用，推動(dòng)了人類(lèi)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

比如，兩次工業(yè)革命都是以新材料的發(fā)明和廣泛應(yīng)用為先導(dǎo)

第一次工業(yè)革命：制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

第二次工業(yè)革命：新能源材料對(duì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。

電子工業(yè)革命：?jiǎn)尉Ч璨牧蠈?duì)電子工業(yè)發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。

事實(shí)上，為了滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的需求，人們?cè)缫汛罅渴褂貌牧?，并推?dòng)材料的不斷發(fā)展。

但20世紀(jì)之前的材料進(jìn)步往往大量依靠人們的經(jīng)驗(yàn)、技巧、繼承和積累，發(fā)展的速度還是緩慢的，其原因在于人們還沒(méi)有對(duì)材料在科學(xué)上有深刻的認(rèn)識(shí)和理解。

直到20世紀(jì)60年代才提出“材料科學(xué)”的概念，“材料科學(xué)”的形成實(shí)際上也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。

從這時(shí)開(kāi)始，逐漸出現(xiàn)了材料“四要素”的概念

這個(gè)四面體應(yīng)該是每個(gè)“材料人”都需要熟稔于心的東西。在專業(yè)學(xué)習(xí)中，它是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。

制備加工提供成分結(jié)構(gòu)；成分結(jié)構(gòu)具備材料性質(zhì)；材料性質(zhì)產(chǎn)生使用性能；成分結(jié)構(gòu)為核心，使用性能是研究工作的落腳點(diǎn)，使用性能是材料研究的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)。材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)是影響其各種性質(zhì)的直接因素，加工過(guò)程則通過(guò)改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響其性質(zhì)。另一方面，改變化學(xué)成分又會(huì)改變材料的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其性質(zhì)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，使用性能是做材料所要達(dá)到的最終的目的，一切的修改都圍繞著它進(jìn)行。

材料學(xué)是一門(mén)與其它科目聯(lián)系緊密的課程，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們一定會(huì)接觸到與自然和社會(huì)科學(xué)相關(guān)的知識(shí)。

反過(guò)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是機(jī)械、土木、化學(xué)還是電氣專業(yè)的科學(xué)家或工程師都難免遇到與材料相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。材料問(wèn)題往往是從成千上萬(wàn)種可用材料中選擇最合適的材料，最終的選擇也是基于若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。（如研究某材料在某一特定工作環(huán)境下的性能，包括研究其Mechanical力學(xué)，Electrical電學(xué)，Thermal熱學(xué)，Magnetic磁學(xué)，Optical光學(xué)性能以及性能衰退。）

在材料選擇上，越熟悉各種條件與結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系的工程師或科學(xué)家，越能熟練與自信地在這些標(biāo)準(zhǔn)之上作出明智的選擇。（知識(shí)儲(chǔ)備越豐富，學(xué)習(xí)材料學(xué)或進(jìn)行相關(guān)工作越輕松）

材料科學(xué)的形成不僅是科學(xué)家的奮斗，而更是歷史的進(jìn)程。

從社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求的牽引、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)以及不同材料的諸多共性來(lái)看，有必要形成一門(mén)材料科學(xué)。

材料科學(xué)涉及研究材料的組織、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系，探索自然規(guī)律，這屬于基礎(chǔ)研究；但實(shí)際上，研究和發(fā)展材料的目的在于應(yīng)用。材料又是一門(mén)應(yīng)用科學(xué)，研究材料必須通過(guò)合理工藝流程才能制備出具有實(shí)際價(jià)值的材料來(lái)，即材料工程問(wèn)題。從功能的角度來(lái)看，材料科學(xué)是開(kāi)發(fā)合成新材料，而材料工程則是用現(xiàn)有的材料創(chuàng)造產(chǎn)品或體系，或發(fā)展材料制備工藝技術(shù)。二者統(tǒng)稱為我們所學(xué)的材料科學(xué)與工程。?

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，材料科學(xué)與工程就是指出研究有關(guān)材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途關(guān)系的知識(shí)和它的應(yīng)用。

材料科學(xué)與工程的三個(gè)重要屬性：

一、多學(xué)科交叉。它是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子化學(xué)及計(jì)算科學(xué)等相互融合和交叉的結(jié)果；

二、一種與實(shí)際使用結(jié)合非常緊密的科學(xué)。發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開(kāi)發(fā)新材料，提高材料的性能和質(zhì)量，合理使用材料，同時(shí)降低材料成本和減少污染；

三、材料科學(xué)是一個(gè)正在發(fā)展中的科學(xué)。不像物理學(xué)、化學(xué)已有很成熟的體系，它將隨著各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到充實(shí)和發(fā)展。

材料科學(xué)家和材料工程師的使命

從電子和原子尺寸微觀尺度、到介觀和宏觀尺度去研究材料；

材料研究工作者形成共識(shí):四個(gè)要素缺一不可；

需要多學(xué)科多領(lǐng)域材料工作者的團(tuán)結(jié)協(xié)作,共同推動(dòng)材料的不斷進(jìn)步

The end

撰稿人：科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)科創(chuàng)部

執(zhí)行編輯：科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)科創(chuàng)部 馬浩然

責(zé)任編輯：科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席 韓飛洋

總編輯：李曉萌

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