材料科學(xué)研究方法教學(xué)綱要及開(kāi)設(shè)必要性

李艷芬　劉向東

摘 要：材料科學(xué)研究方法重點(diǎn)介紹了材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)在規(guī)律、材料的研發(fā)思路和各種研究方法。本門課程的開(kāi)設(shè)拓展了材料學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)面，完善了知識(shí)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生實(shí)時(shí)了解材料學(xué)科研究的最新動(dòng)態(tài)。

關(guān)鍵詞：共性規(guī)律 先進(jìn)材料 研究方法

人類社會(huì)文明發(fā)展的歷程，是以材料為主要標(biāo)志的。每一種材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和使用，都會(huì)把人類改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平，把人類文明和社會(huì)發(fā)展推向一個(gè)新的臺(tái)階。而自然科學(xué)的各種研究方法在材料科學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮了很大的作用，掌握材料學(xué)科的發(fā)展和研究方法對(duì)于材料學(xué)科研究人員和學(xué)生是非常必要的。認(rèn)識(shí)材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)在科學(xué)規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)材料的研究開(kāi)發(fā)思路和各種方法有一個(gè)科學(xué)辯證的概念，能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新精神，為今后從事材料的設(shè)計(jì)和研究工作奠定基礎(chǔ)。

一、材料的共性規(guī)律

材料主要分金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料，三大材料都具有晶體結(jié)構(gòu)，但是陶瓷和高分子材料的組織結(jié)構(gòu)要比金屬的復(fù)雜。由于它們的結(jié)合鍵不同，得金屬具有較高的強(qiáng)度、剛度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，無(wú)機(jī)非金屬則具有耐高溫、耐腐蝕、具有轉(zhuǎn)變物理性能和脆性，有機(jī)高分子具有比強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕、易老化、剛度小的特點(diǎn)。然而，它們?cè)诓煌h(huán)境介質(zhì)下有著共同的效應(yīng)，例如界面效應(yīng)，在界面處都有分割、不連續(xù)、吸熱特征；還有材料的動(dòng)態(tài)效應(yīng)、復(fù)合效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)、納米效應(yīng)等。三大材料存在著共同規(guī)律，陶瓷的實(shí)際晶體中存在著各種缺陷，金屬與合金存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、馬氏體相變、有序——無(wú)序轉(zhuǎn)變，在其他材料中也有這些轉(zhuǎn)變。陶瓷中存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。對(duì)于有機(jī)固體相變的研究發(fā)現(xiàn)，許多由簡(jiǎn)單分子組成的有機(jī)固體也具有復(fù)雜的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在外力的作用下都會(huì)發(fā)生彈、塑性變形和斷裂過(guò)程，而且它們應(yīng)用相同力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，具有相似的規(guī)律。

二、材料科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)

材料科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)是（一）開(kāi)發(fā)新材料，發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)；（二）納米材料和納米技術(shù)的開(kāi)發(fā)。先進(jìn)材料主要包括新能源材料、信息功能材料、生物材料、智能材料、功能復(fù)合材料和生態(tài)環(huán)境材料。

信息功能材料主要用于計(jì)算機(jī)、通信和控制，其特點(diǎn)是要求高、發(fā)展快、種類繁多。例如集成電路所需材料、計(jì)算機(jī)敏感元件傳感器材料、新型半導(dǎo)體材料、存儲(chǔ)介質(zhì)材料和高溫超導(dǎo)材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用代表了信息功能材料的發(fā)展程度。生物材料又稱為人造生物類材料，即類生物材料。類生物材料一般包括生物醫(yī)用材料、仿生材料和生物靈性材料。生物醫(yī)用材料已經(jīng)成為人類非常關(guān)注的領(lǐng)域，生物仿生陶瓷、生物可降解高分子材料是醫(yī)用生物材料的重要方向。仿生材料涉及面也很廣，以往研究比較多的有珍珠、貝殼、竹子、骨骼、飛鳥(niǎo)等，仿生材料的更長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是使生物技術(shù)原理用于工業(yè)生產(chǎn)，改變高溫、高壓及耗能高的生產(chǎn)方式。

智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。如形狀記憶材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件在航空上的應(yīng)用已經(jīng)取得了大量的創(chuàng)新成果。復(fù)合材料的內(nèi)涵比較豐富，從復(fù)合的角度來(lái)說(shuō)，未來(lái)的研究與發(fā)展重點(diǎn)是發(fā)展功能、智能復(fù)合材料，由于復(fù)合材料的設(shè)計(jì)自由度大，所以更適合發(fā)展多功能復(fù)合材料。功能復(fù)合材料涉及面比較廣，包括電功能材料、磁功能材料、光功能材料、聲功能材料、熱功能材料、進(jìn)行功能材料和化學(xué)功能材料。

生態(tài)環(huán)境材料定義是具有良好的使用性能和與環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料。生態(tài)環(huán)境材料主要分為環(huán)境相容材料（包括純天然材料、仿生物材料、綠色包裝材料和生態(tài)建筑材料）、環(huán)境降解材料和環(huán)境工程材料（包括環(huán)境修復(fù)材料、環(huán)境凈化材料和環(huán)境替代材料）。目前生態(tài)環(huán)境材料主要的研究方向有：生物可降解材料技術(shù)，CO2氣體的固化技術(shù)，SOx、NOx等催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，廢物的再資源化技術(shù)，環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)、仿生材料、環(huán)境保護(hù)材料、氟里昂和石棉等有害物質(zhì)的替代材料和綠色新材料等。

納米材料及制備技術(shù)的開(kāi)發(fā)迫在眉睫，當(dāng)物質(zhì)到納米尺度時(shí)，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物體不具備的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)。材料顯示出奇特的物理、化學(xué)性能，利用這一效應(yīng)可大幅度提高結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度，改善其脆性。納米研究的主要領(lǐng)域包括金屬、陶瓷、玻璃和聚合物方面的納米材料，目前對(duì)納米材料的應(yīng)用研究熱點(diǎn)主要集中在納米管、納米帶、納米薄膜、納米復(fù)合材料和納米金屬材料等幾個(gè)方面。納米材料在使用中亟待解決的問(wèn)題是納米材料的設(shè)計(jì)和控制、制備技術(shù)與工藝。納米材料在應(yīng)用中有很多優(yōu)點(diǎn)，但在使用和生產(chǎn)的過(guò)程中有可能使接觸人員吸入納米顆粒，造成對(duì)肺部的傷害，所以納米材料在研究和應(yīng)用過(guò)程中要考慮對(duì)健康、安全和環(huán)境的影響。

三、綠色材料科學(xué)技術(shù)

綠色材料科學(xué)技術(shù)從廣義上來(lái)講，包括的內(nèi)容較多，例如積極開(kāi)發(fā)新材料、新能源、材料的回收與再利用、改造傳統(tǒng)工藝和生產(chǎn)流程等。發(fā)展綠色材料科學(xué)技術(shù)，很重要的措施是積極開(kāi)發(fā)和采用新工藝、新技術(shù)，特別是傳統(tǒng)材料產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)。例如，粉末注射成型是制備各種金屬和陶瓷高性能零件的高效、節(jié)能、環(huán)境友好、低成本、大批量生產(chǎn)的工藝，最近20年來(lái)發(fā)展十分迅速。

四、材料的基本研究方法

對(duì)于材料設(shè)計(jì)和研究采用的自然科學(xué)基本方法主要有歸納法、演繹法、分析法、綜合法、類比法、移植法、黑箱法、相關(guān)法、數(shù)學(xué)方法、模型法、原型啟發(fā)法等。

歸納法是從積累大量數(shù)據(jù)到概括出一般原理的過(guò)程，結(jié)果具有一定的可靠性，主要用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這種方法的局限性是推理具有或然性。演繹法是由一般原理推論出個(gè)別結(jié)論的方法，可用于預(yù)見(jiàn)科學(xué)事實(shí)，是提出科學(xué)假說(shuō)的重要方法。分析法與綜合法相結(jié)合是科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。類比法和移植法可以將某一領(lǐng)域的方法和技術(shù)應(yīng)用到其他學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域中，比如螺旋槳技術(shù)用在飛機(jī)等領(lǐng)域，拉鏈技術(shù)應(yīng)用在裝飾、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。數(shù)學(xué)方法能揭示研究對(duì)象的本質(zhì)特征和變化規(guī)律，是解決科學(xué)技術(shù)問(wèn)題常用的也是最重要的方法，是表述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)域行為的一種科學(xué)方法。例如谷神星的發(fā)現(xiàn)，是意大利科學(xué)家觀察，高斯計(jì)算，被稱為“鉛筆尖”發(fā)現(xiàn)的新行星。原型啟發(fā)法與仿生法是對(duì)自然現(xiàn)象和自然界的動(dòng)植物進(jìn)行觀察、探索受到啟發(fā)來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究和創(chuàng)造發(fā)明，例如美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)工程師Rick Lind從海鷗身上得到啟發(fā)，研制出一種能在高層建筑周圍尋找出路，同時(shí)又可猛撲向林蔭大道的遠(yuǎn)程遙控偵察機(jī)。日本新干線子彈頭列車速度可達(dá)321公里/h，“取經(jīng)”于貓頭鷹羽毛和翠鳥(niǎo)喙的降噪設(shè)計(jì)，行駛過(guò)程出奇地安靜。這是由于貓頭鷹的羽毛呈鋸齒狀排列，可悄無(wú)聲息地穿過(guò)夜空；列車的“鼻子”與翠鳥(niǎo)喙類似，這種形狀可幫助列車在穿過(guò)隧道時(shí)不會(huì)產(chǎn)生低水平音爆。

研究材料的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系常常采用黑箱法、相關(guān)法、過(guò)程法和環(huán)境法。黑箱法是在無(wú)法知道研究對(duì)象本質(zhì)機(jī)理的情況下采用的，相關(guān)法研究材料組織結(jié)構(gòu)與性能之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)采用，得到的關(guān)系式有一定的物理意義。過(guò)程法是研究對(duì)象的本質(zhì)，又稱為分析法，相關(guān)法和過(guò)程法是相輔相成的，環(huán)境法通過(guò)各種環(huán)境因素來(lái)研究材料組織性能的演化規(guī)律。

材料科學(xué)從經(jīng)驗(yàn)科學(xué)走向理性科學(xué)，很重要的發(fā)展方向是材料研究的模型化與模擬。模型化是將真實(shí)情況簡(jiǎn)單化處理，建立一個(gè)反映真實(shí)情況本質(zhì)特征的模型，并進(jìn)行公式化描述。模擬是對(duì)真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬，模擬方法是把所求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為大量微觀事件的情況下，提供一種數(shù)值解法。目前在國(guó)內(nèi)外材料研究及加工領(lǐng)域中開(kāi)展了很多模型化和模擬方面的研究工作，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)工作提供了可靠的依據(jù)。

五、本課程開(kāi)設(shè)的重要意義

這門課程除了具有完整的材料科學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)，精致的課件也使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中受到視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的沖擊。在掌握理論知識(shí)同時(shí)，大量實(shí)例將理論和實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生如何去認(rèn)識(shí)材料，去研究材料，去設(shè)計(jì)材料，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中真切地體會(huì)到知識(shí)是如何學(xué)以致用的，并且激發(fā)他們對(duì)于這些知識(shí)探索的興趣。對(duì)教師而言，在講授這門課程的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)材料設(shè)計(jì)、制備、研究方法內(nèi)容的整合，個(gè)人的專業(yè)知識(shí)得到了極大的豐富，為今后研究方向的選題、方案的設(shè)計(jì)以及研究方法的應(yīng)用提供了思路和參考。

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