材料科学与工程的新时代

材料科学与工程的新时代

黄善友

身份证号：45011119870531091X

摘要：在几十年的发展过程中，中国已经成长为世界瞩目的材料大国，大量的材料品种及具体规模居于世界领先地位，在新时代的机遇下，材料科学于工程的发展正助推中国完成材料大国到材料强国的转型，主要目标有：“两个全过程”的持续转型升级；形成完整的关键元件体系；继续深入材料科学与工程的相关研究，在基础理论、方法应用以及前沿创新领域居于世界前列。

关键词：材料科学与工程；发展；新时代

引言

全球化经济的发展，使得信息技术、生物技术以及材料科学变得极为重要，三者成为了社会经济发展的重要推动力。其中，材料科学占据着重要的地位。在材料科学的发展过程中，培养专业的材料科学人才是非常关键的。在人才的培养过程中，需要加钱材料科学与工程学科之间的联系，加强对学科人才的培养，进而促进材料科学的有效发展。

1新时代材料科学与工程的基本概况

材料科学与工程的“四要素”指组成结构、合成加工、性质及服役行为，这四个要素的重要性无从比较，在材料科学的研究过程中必须予以全面重视。其中，组成与结构包括结构无限变化演绎材料复杂性能、裁剪材料、表征分析等，不同材料由于组成结构的不同，针对于其的具体设计与引用必然差异，单以不同强度的钢材料为例，高强度钢可以设计为贝氏体，而低强度钢通常只能设计为珠光体，这是材料涉及必须遵循的基本准则。合成加工主要聚焦于所有尺度下团队结构的控制及材料构件的演化过程，通常应用于具体材料的制备。而“性质”这一要素主要指才来哦本身的具体特征，如其对外界此机的反应、表面特征等，是某一材料所具有的固定的、独特的性能，通常用此来评价某一材料的适用性与可靠性。服役行为即为材料在可能的服役环境中必须的性能，这要求其在基本性能之外，拥有注入抗腐蚀、抗疲劳的复杂性能。材料科学于工程学科本身属于应用性的科学范畴，其研究的最终目的是转化为生产力，因此常将材料研制与材料应用研究的全过程成为材料科学与工程的”两个全过程，这是新时期探寻材料强国建设必须正视的两大过程。

2 材料科学的发展特征

2.1 高性能、多功能、高智能

随着人类对于材料的微观结构与性能的研究愈发深入，决定材料性能本质正在被人们掌握，利用新技术、工艺、设备在逐渐成熟的现代材料设计中创新更多新型材料，其性能更加优越。

功能材料正在从单一功能向转向多功能，结合元器件与功能材料，有效实现一体化，让材料本身存在元器件功能；结构材料则向韧度、耐高温、刚度、强度、高弹等提高方向发展，层出不穷的高性能结构材料在生活生产中不断应用，推动产品向小体积、轻重量、能耗低等方向发展；智能材料则与信息相结合，具有激励与感知功能，如压电陶瓷、记忆金属、光导纤维等，其属于超功能材料，可以解决传统材料不能解决的难题，在尖端领域及重要工程中具有重要作用。

2.2 复合化、生态化、仿生化、极限化

材料的复合化特征，即将不同种类、性能材料利用不同途径将其复合为一体。当前的高技术发展对于材料的综合性能具有一定的要求，通过不同材料的复合达到扬长避短的目的，其材料性能相较于电仪材料更好；生态化特征，则是人们已经注意到保护生态环境的重要意义，其具有耗能少，污染小，可再生利用的优势，且整个生产、使用、废弃过程与生态环境相协调，符合国家的可持续发展理念；仿生化特征，其主要应用与生物医学材料研究之中，主要有治疗、诊断、替换人体器官、组织的优点，是材料发展的新领域，具有较高的经济价值与技术含量，与人类的身体健康具有密切联系；极限化特征，则是指耐超高压、高温的材料。

3 新材料科学及其发展趋势

3.1 金属材料

对于金属材料而言，尤其是铜、钢、铝等常见材料，仍然是目前电能传输材料与结构材料的重点。对于金属材料而言，已经有较为成熟的生产工艺，配置设施与工业规模较为完善，性能可靠，价格低廉，是市场上最大的基础材料。尽管金属材料在今后的发展中会被其他高分子材料替代，但在目前阶段其在材料中主导地位并不会改变。随着尖端技术以及航天科技的发展，传统材料的性能品质在不断提升，金属将会向功能、非常态金属材料发展。

3.2 先进陶瓷材料

人类最早应用的人造材料就是陶瓷，其具有质地坚硬、康复师、低膨胀系数的优点，可以承受1200-1600℃的温度，相较于金属化合物刚度与强度更高，少数陶瓷还具有铁电、压电、半导体等功能，在电子、核反应、计算机上具有广泛是应用价值。近二十年，通过增韧方法与粉末纳米化，将陶瓷本身具有的脆性消除，传统落后的工艺已经转变成注射成型技术、微波烧结技术等，在表面特征、反应动力学方面也取得了一定的成效，向着陶瓷结构剪裁设计、实现纳米化组分复相结构的趋势发展。

3.3 高分子材料

对于高分子材料而言，其主要是指分子量多，从几百到几万，可缩聚或加聚链条状官能团所构成的有机化合物。在上世纪90年代上中，高分子材料在世界的年产量大于1亿吨，750万吨位合成橡胶，8500万吨位塑料，1000万吨为合成纤维，这些材料品种众多，发展最为迅速。其主要应用于建筑、包装、纺织行业中，而功能高分子材料较少，包含了催化剂、离子交换树脂、固化酶等，应用于电子工业、印刷、细微加工、集成电路中[2]。高分子材料中高分子合成技术与理论占据了越来越重要的地位，对于发展新的高分子材料具有不可忽视的作用。其主要发展趋势是树脂基、异质材料连接、老化、降解控制等，并制备出新型的材料。

3.4 能源材料

人类赖以生存的发展就是能源，自20世纪以来，工业与科学的快速发展增加了能源的消耗，每年消耗量大于1012瓦年。能源具有较多的种类，太阳能、核能、地热能都属于一次能源，在大规模应用中，这些一次能源的应用还用众多科学技术的难点需要克服，对于材料功能品种也提出了相应的要求。

如太阳能，其属于天然能源，取之不尽，原理上光能转换材料可以成为转化太阳能的材料，但其价格与效率不成正比，需要寻找更多的新型能源材料，通过新能源材料的研发促进能源的应用与发展。

3.5 超导材料

其属于20世纪的伟大发现之一，具有完全抗磁性及零电阻特点，传输电流中不会出现能量的损耗，属于理想导体材料。此种材料主要将其分为高温超导与低温超导。高温超导在工程中具有广泛的应用价值，其材料多数含铜，综合性超导性能较好的材料是以及；而低温超导材料需要在液氮温度下才能将超导性显示吃俩，现今已经发现单质元素70种左右，合金5千多种。其发展趋势是开拓应用领域，研究功能元器件的制备工艺，充分发挥超导材料的优越性。

结语

材料科学于工程迎来了发展的新时代，我国应着眼于“四要素”的基本特点落实“两个全过程”的研究，扎实丰富可靠的材料基础，以“高精尖”的科学研究观念转化为强大的技术生产力，以技术生产力创造更多符合时代要求的新型材料构建，提升我国材料产业的核心竞争力。

参考文献：

[1]董振伟;毛远洋;武玺旺.基于应用型人才培养的材料科学与工程科技合一教学研究[J].河南教育(高教),2019,2:35-39.

[2]万明攀;向嵩;张晓燕;李伟;雷源源.发挥学科特色优势培养材料科学与工程创新型人才[J].教育教学论坛,2019,5:80-90.