材制视角 | 迎新特辑 材料类简介

初原载于 爱学习的 青春材制    2020-09-07

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欢迎各位进入北京工业大学材料与制造学部，为了能让新生们能够对自己的专业能够尽快有一个较为直观的认识，本文以材料科学与工程学导论课程内容为基础，对材料学进行简述。

材料学是一门各学科相互穿插，由多学科作为基础的学科。

材料学的基础学科包括：

– Chemistry化学

– Physics物理学

– Metallurgy冶金学

– Engineering工程学

– Life sciences生命科学

– …

（即，材料学基础课程包括：微积分、线性代数、概率论、统计学、离散数学、数学分析、拓扑学、工程制图、工程实践、工程设计、电工学、无机化学、有机化学、物理化学、生物化学、分析化学、光学、热学、电磁学、工程力学、量子力学、固体物理、量子物理、计算机语言……）

除此之外，不同的专业材料种类也决定了所需的专业课目的不同

信息科学技术→信息材料

空间科学技术→空间技术材料

生物科学技术→生物医用材料

新能源科学技术→新能源材料

生态环境科学技术→生态环境材料

那么材料又是什么？为什么学材料要学这么多不同的课目呢？

先看一下材料的定义：材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。

纵观人类利用材料的历史，我们可以看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。

所以说，人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史。

也同样可以得出，新材料的发明和应用，推动了人类技术和产业的发展。

比如，两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导

第一次工业革命：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。

第二次工业革命：新能源材料对内燃机发明和应用起了核心作用。

电子工业革命：单晶硅材料对电子工业发明和应用起了核心作用。

事实上，为了满足经济和社会的需求，人们早已大量使用材料，并推动材料的不断发展。

但20世纪之前的材料进步往往大量依靠人们的经验、技巧、继承和积累，发展的速度还是缓慢的，其原因在于人们还没有对材料在科学上有深刻的认识和理解。

直到20世纪60年代才提出“材料科学”的概念，“材料科学”的形成实际上也是科学技术发展的结果。

从这时开始，逐渐出现了材料“四要素”的概念

这个四面体应该是每个“材料人”都需要熟稔于心的东西。在专业学习中，它是基础中的基础。

制备加工提供成分结构；成分结构具备材料性质；材料性质产生使用性能；成分结构为核心，使用性能是研究工作的落脚点，使用性能是材料研究的出发点和目标。材料的化学成分、组织结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程则通过改变材料的组织结构而影响其性质。另一方面，改变化学成分又会改变材料的组织结构，从而影响其性质。

简单来说，使用性能是做材料所要达到的最终的目的，一切的修改都围绕着它进行。

材料学是一门与其它科目联系紧密的课程，在学习过程中，我们一定会接触到与自然和社会科学相关的知识。

反过来说，无论是机械、土木、化学还是电气专业的科学家或工程师都难免遇到与材料相关的设计问题。材料问题往往是从成千上万种可用材料中选择最合适的材料，最终的选择也是基于若干个标准。（如研究某材料在某一特定工作环境下的性能，包括研究其Mechanical力学，Electrical电学，Thermal热学，Magnetic磁学，Optical光学性能以及性能衰退。）

在材料选择上，越熟悉各种条件与结构性能的关系的工程师或科学家，越能熟练与自信地在这些标准之上作出明智的选择。（知识储备越丰富，学习材料学或进行相关工作越轻松）

材料科学的形成不仅是科学家的奋斗，而更是历史的进程。

从社会经济需求的牵引、科学技术发展的推动以及不同材料的诸多共性来看，有必要形成一门材料科学。

材料科学涉及研究材料的组织、结构和性质的关系，探索自然规律，这属于基础研究；但实际上，研究和发展材料的目的在于应用。材料又是一门应用科学，研究材料必须通过合理工艺流程才能制备出具有实际价值的材料来，即材料工程问题。从功能的角度来看，材料科学是开发合成新材料，而材料工程则是用现有的材料创造产品或体系，或发展材料制备工艺技术。二者统称为我们所学的材料科学与工程。 

简单来说，材料科学与工程就是指出研究有关材料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用。

材料科学与工程的三个重要属性：

一、多学科交叉。它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学等相互融合和交叉的结果；

二、一种与实际使用结合非常紧密的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；

三、材料科学是一个正在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展。

材料科学家和材料工程师的使命

从电子和原子尺寸微观尺度、到介观和宏观尺度去研究材料；

材料研究工作者形成共识:四个要素缺一不可；

需要多学科多领域材料工作者的团结协作,共同推动材料的不断进步

The end

撰稿人：科学技术协会科创部

执行编辑：科学技术协会科创部 马浩然

责任编辑：科学技术协会主席 韩飞洋

总编辑：李晓萌