重新認知材料科學(xué)與工程

供稿|張建斌 / ZHANG Jian-bin

重新認知材料科學(xué)與工程

New Knowledge of Material Science and Engineering

供稿|張建斌 / ZHANG Jian-bin

內(nèi)容導(dǎo)讀

材料是人類文明、社會進步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。人類進入21世紀后開始認真思考材料、能源和環(huán)境的密切關(guān)系，越來越重視材料的可持續(xù)發(fā)展。材料科學(xué)著重于發(fā)現(xiàn)材料的本質(zhì)，并由此對其結(jié)構(gòu)與組成、性質(zhì)、使用性能之間的關(guān)系作出描述與解釋；而材料工程則是應(yīng)用材料科學(xué)的知識，對材料進行控制并實現(xiàn)其具體應(yīng)用。材料科學(xué)與工程包括四個要素—成分與結(jié)構(gòu)、制備與加工、性能以及使用性能，四者之間密切關(guān)聯(lián)，它們是材料科學(xué)與工程的核心所在，它們相互作用形成了一個四面體整體(即MSE)。在此基礎(chǔ)上，將成分和結(jié)構(gòu)分開，提出了六面體模型，并在中心位置加入理論、材料設(shè)計與工藝設(shè)計；在性能和使用性能的基礎(chǔ)上，衍生出材料選擇和材料優(yōu)化；在考慮資源、環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性。這些發(fā)展無疑賦予材料科學(xué)與工程更為全面而豐富的內(nèi)涵。

材料

我們周圍到處都是材料，那么，究竟什么是材料呢？美國材料科學(xué)與工程調(diào)查委員會將材料定義為：在機器、結(jié)構(gòu)件、器件和產(chǎn)品中因其性能而成為有用的物質(zhì)。

可見，材料(Materials)和物質(zhì)(Matter)是既緊密聯(lián)系而又涵義不同的兩個概念。材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以成為材料，材料總是和一定的應(yīng)用場合相聯(lián)系的。材料可由一種物質(zhì)或若干種物質(zhì)構(gòu)成；同一種物質(zhì)由于制備方法或加工方法的不同，可成為用途迥異的不同類型材料。因此，材料與物質(zhì)間的關(guān)系可歸納為以下三方面內(nèi)容：即材料(是)有用的并能用來制造物品(件)的物質(zhì)；材料一般指固態(tài)的、可用于工程上的物質(zhì)；作為材料科學(xué)的研究對象，主要是那些制造器件或物品的人造物質(zhì)。

材料是由元素之間相互作用構(gòu)成的。元素周期表成為材料科學(xué)家和工程師普遍使用的參考工具。元素周期表及其基本規(guī)律(見圖1)無論是對材料構(gòu)成的本質(zhì)和材料行為與特征的認識，還是研制和開發(fā)新材料，都具有不可估量的價值。

圖1 元素周期表的規(guī)律性(箭頭表示增大的方向)

科學(xué)與工程

科學(xué)是對現(xiàn)象的觀察、描述、確認、實驗研究以及理論解釋。通常以論文(Paper)、報告(Report)和書(Book)等形式出現(xiàn)。

工程是將科學(xué)原理應(yīng)用到實際目標，如設(shè)計、組裝，運轉(zhuǎn)經(jīng)濟而有效的結(jié)構(gòu)、設(shè)備或系統(tǒng)。通常以項目(Project)、專利(Patent)、標準(Standard)和產(chǎn)品(Product)等形式出現(xiàn)。技術(shù)和工藝是與工程相關(guān)的概念，技術(shù)泛指根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和自然科學(xué)原理而發(fā)展成的各種工藝操作方法與技能，工藝是將原材料、半成品加工成為產(chǎn)品的方法和過程。它是以固體物理、固體力學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)、量子力學(xué)、晶體學(xué)等為其理論基礎(chǔ)的交叉應(yīng)用學(xué)科，運用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、X-射線衍射、電子探針、離子探針以及熱分析等各種精密儀器和技術(shù)為手段，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程以及與其力學(xué)、物理、化學(xué)性能之間規(guī)律的一門應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。

材料科學(xué)與材料工程

材料科學(xué)是研究材料共性的一門科學(xué)，它致力于材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、解析，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或給出其模型，并解釋這種結(jié)構(gòu)與材料的性能之間的關(guān)系。

材料工程是工程的一個領(lǐng)域，它的目的在于采用經(jīng)濟的而又能為社會所接受的生產(chǎn)工藝、加工工藝，控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀以達到使用要求。

材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同，它們當(dāng)中并沒有一條明確的分界線。材料科學(xué)著重于發(fā)現(xiàn)材料的本質(zhì)，并由此對其結(jié)構(gòu)與組成、性質(zhì)、使用性能之間的關(guān)系作出描述與解釋；而材料工程則是應(yīng)用材料科學(xué)的理論和知識，對材料進行控制并實現(xiàn)其具體應(yīng)用。材料科學(xué)或材料工程是一個多學(xué)科領(lǐng)域，涉及物質(zhì)的性質(zhì)及其在各個科學(xué)和工程領(lǐng)域的應(yīng)用。它與電子工程結(jié)合，則衍生出電子材料，與機械結(jié)合則衍生出結(jié)構(gòu)材料，與生物學(xué)結(jié)合則衍生出生物材料等等。

一般在使用材料科學(xué)這一術(shù)語時，通常都包含了材料工程的許多方面；而材料工程對具體問題的解決，都必須以材料科學(xué)作為基礎(chǔ)與理論武器。所以，材料科學(xué)與材料工程是一個有機的、密不可分的整體。在“材料科學(xué)”這個名詞出現(xiàn)后不久，就提出了“材料工程”與“材料科學(xué)與工程”的概念。許多大學(xué)的冶金系、材料系也就此改變了名稱，多數(shù)改為“材料科學(xué)與工程系”，偏重基礎(chǔ)方面的就稱為“材料科學(xué)系”，偏重工藝方面的稱“材料工程系”。

同理，有科學(xué)家(Scientist)和工程師(Engineer)的區(qū)別。科學(xué)家探索世界以發(fā)現(xiàn)普遍法則，工程師使用其普遍法則以設(shè)計實際物品。科學(xué)家廣義上指使用系統(tǒng)化的活動來發(fā)現(xiàn)新知識的人，狹義上指使用科學(xué)方法做研究的人；工程師是指在某一工程領(lǐng)域內(nèi)使用科學(xué)知識來駕馭技術(shù)以解決實際問題的工程專業(yè)領(lǐng)域的人。材料科學(xué)工作者和從事材料的工程師的工作性質(zhì)與之相類似。

材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵

材料科學(xué)與工程(Materials Science and Engineerr--ing，簡稱MSE)就是研究各種材料的成分/結(jié)構(gòu)、制備與加工、性能以及使用性能之間關(guān)系的科學(xué)。近年來國內(nèi)外材料界都把材料的成分與結(jié)構(gòu)(Comppoossii--tion/structure)、制備與加工(Synthesis/processing)、性質(zhì)(或性能，Properties)以及使用性能(或使用效能，Performance)稱之為材料科學(xué)與工程的四個基本要素，并將它們連結(jié)在一起，便形成一個四面體，見圖2。

1) 成分與結(jié)構(gòu)

成分和結(jié)構(gòu)包括了決定材料性質(zhì)和使用性能的原子類型和排列方式。

圖2 材料科學(xué)與工程的四要素與四面體

成分指組成材料的元素或原子、離子的類型。具體而言，成分是指材料的化學(xué)組成及其所占比例。結(jié)構(gòu)指組成材料的原子或離子在不同尺度上的排列，如宏觀、微觀的組織結(jié)構(gòu)。

2) 制備(合成)與加工

制備與加工的本質(zhì)是獲得原子的特定排列的方法和過程。具體來講，就是指通過一定手段構(gòu)建原子、分子及其聚集體的新排列，是在從原子尺度直到宏觀尺度的所有尺度上對結(jié)構(gòu)進行控制以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演變過程。

制備(合成)常指原子和分子組合在一起制造新材料可采用的物理或化學(xué)方法。制備的作用包括合成新材料、用新技術(shù)合成已知的材料或?qū)⒁阎牟牧虾铣蔀樾碌男问剑约皩⒁阎牧习刺厥庥猛镜囊髞砗铣蛇@樣三個方面。

加工指將材料成型為有用產(chǎn)品或改變其性能。除了上述為生產(chǎn)出有用材料對其原子和分子的構(gòu)成與狀態(tài)進行控制外，加工還包括材料在較大尺度上的改變，有時也包括材料制造等工程方面的問題。

對于金屬材料，一般而言是先行合成制備(冶煉，如煉鋼)再后續(xù)加工(如軋制、機械加工等)。合成和加工包括一系列各不相同的技術(shù)和工藝，如鋼板的軋制、鍛造、擠壓、沖壓成型，機械加工或切削成型，材料的熱處理或表面改性(涂層等)處理。

3) 性質(zhì)(性能)

性質(zhì)也稱為材料的固有性能，材料的性能是由原子及其排列(即結(jié)構(gòu))決定的，它賦予了材料的價值和可應(yīng)用性，包括材料本身具有的力學(xué)性能(如強度、塑性、韌性等)、物理性能(如電、磁、光、熱等性能)和化學(xué)性能(如抗氧化和抗腐蝕性、高聚物的降解等)。

性質(zhì)是材料功能特性和效用(即電、磁、光、熱、力學(xué)等性質(zhì))的定量度量和描述。任何一種材料都有其特征的性能和由之而來的應(yīng)用。例如，金屬材料具有剛性、強度和硬度，可以用作各種結(jié)構(gòu)件；金屬還具有延性，可以加工成導(dǎo)電或受力用的線材(如導(dǎo)線和鋼絲)；一些特種合金，如不銹鋼、形狀記憶合金、超導(dǎo)合金等，分別可以用作耐蝕材料、智能材料和超導(dǎo)材料等。

4) 使用性能

使用性能又稱效能或服役性能。使用性能是在考慮經(jīng)濟、社會成本和收益的基礎(chǔ)上，材料在實際使用中有用性的度量。使用性能通常指材料做成零件或產(chǎn)品后在最終使用狀態(tài)時的行為，是把材料固有性質(zhì)與產(chǎn)品設(shè)計、工程應(yīng)用能力和人類需要三方面相聯(lián)系、相融合在一起的一個要素。

應(yīng)指出地是，材料的性能是其使用性能的基礎(chǔ)，使用性能與材料的性能既緊密聯(lián)系又相互區(qū)別。材料的性能(質(zhì))是在元器件或零件組裝的設(shè)備實現(xiàn)預(yù)期的使用性能后而得到利用的。

材料設(shè)計與材料選擇

在材料科學(xué)與工程四要素的基礎(chǔ)上，材料工作者認為成分和結(jié)構(gòu)是不同的兩個參量，提出了五要素的六面體模型，見圖3。在六面體的中心位置加入理論、材料設(shè)計與工藝設(shè)計；在性能和使用性能的基礎(chǔ)上，分別衍生出材料選擇和材料優(yōu)化。這些發(fā)展無疑賦予材料科學(xué)與工程更為全面而豐富的內(nèi)涵。

圖 3 MSE五要素、六面體以及材料設(shè)計與選擇示意圖

1) 材料設(shè)計

材料設(shè)計是應(yīng)用已知的材料信息、科學(xué)知識和實踐經(jīng)驗，通過控制成分并提出其制備合成方案，預(yù)報和開發(fā)滿足特殊要求的新材料的一種活動過程, 其目的是改進已有的材料和開發(fā)新材料。從工程角度，材料設(shè)計是依據(jù)產(chǎn)品所需材料的各項性能指標，利用各種有用信息，建立相關(guān)模型，制定出具有預(yù)想的微觀結(jié)構(gòu)和性能的材料以及材料的生產(chǎn)工藝方法，以滿足特定產(chǎn)品對新材料的需求。

材料設(shè)計可根據(jù)設(shè)計對象所涉及的空間尺度劃分為材料性能層次、微觀結(jié)構(gòu)層次、原子分子層次和電子層次的設(shè)計，以及綜合考慮各個層次的多尺度材料設(shè)計，材料設(shè)計各層次所對應(yīng)的相關(guān)學(xué)科如圖4所示。

圖4 材料設(shè)計的層次(尺度)和相關(guān)學(xué)科

電子、原子與分子層次對應(yīng)的空間尺度大致在nm級左右, 所對應(yīng)的學(xué)科層次是量子化學(xué)、固體物理學(xué)等, 分子動力學(xué)法與蒙特卡羅法、有限元等以及工程模擬等技術(shù)是相應(yīng)層次常用的研究工具； 微觀結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計所對應(yīng)的空間尺度大致為μm級左右,所對應(yīng)的學(xué)科為材料科學(xué), 此時材料被認為是連續(xù)介質(zhì), 不用考慮材料中個別原子和分子的行為，有限元等方法是這一領(lǐng)域常用的研究工具；對于宏觀性能層次的設(shè)計來說, 涉及到塊體材料在成形與使用中的行為表現(xiàn), 屬于材料工程甚至系統(tǒng)工程的領(lǐng)域, 常采用工程模擬等技術(shù)。此外，對不同的研究任務(wù), 上述各層次其表現(xiàn)作用也不同。如研究電子材料的某些電學(xué)特性，可能以電子、原子層次的研究為主；研究復(fù)合材料的細觀力學(xué)，可能用有限元方法，等等。因此, 不同的材料研究任務(wù)可能會采取不同的研究方法。再者, 現(xiàn)在材料研究中各層次的聯(lián)系還不夠緊密, 各層次之間還缺乏系統(tǒng)的研究, 還找不到一個整套的、完善的由微觀參數(shù)到宏觀性能指標，定量的科學(xué)準則來指導(dǎo)材料設(shè)計工作，這是材料工作者需不斷奮斗的一項長期目標。

2) 材料選擇

材料選擇是材料科學(xué)與材料工程的重要使命之一，是材料器件化、產(chǎn)品化的必經(jīng)之路，也是材料工作者的職責(zé)所在。

為一個具體產(chǎn)品找到一種理想材料是很困難的事情，這是因為選材問題不像其他科學(xué)問題，即一個問題只有一個正確答案。

選材中的理想結(jié)果是只有一種材料滿足設(shè)計要求，但工程實際中往往是有許多候選材料，而其中每種材料都可能只是在不同程度上滿足其要求。所幸的是大多數(shù)情況下，所設(shè)計的產(chǎn)品有先例可以借鑒，采用相似的材料和工藝生產(chǎn)相似的產(chǎn)品或零部件，即使材料選擇不完全得當(dāng)，一般也不會出現(xiàn)太大的差錯。但是，要達到科學(xué)而合理的選材，不僅是不容易的，而且是意義重大的。如果產(chǎn)品是沒有先例的，材料選擇就更顯得特別重要了。

此外，選材中也可能出現(xiàn)現(xiàn)有材料都不能滿足規(guī)定的性能要求，或者由于價格高、不易購得、環(huán)境關(guān)系等原因，無法合理選材。在這種情形下，可以通過重新設(shè)計、降低要求或者研制新材料來解決。

在近年興起和提倡的綠色設(shè)計中，要求設(shè)計人員改變傳統(tǒng)選材的程序和步驟，選材時不僅要考慮產(chǎn)品的使用條件和性能要求，還要考慮環(huán)境約束準則、材料對環(huán)境的影響以及環(huán)境友好性原則。

材料循環(huán)

人類從地球上通過采礦、鉆探、挖掘、采集等得到礦石、礦物、煤、原油、天然氣、石頭、沙子、木頭、生橡膠等原材料，這些原材料通過冶煉或其他初加工被制成工業(yè)用原料，然后進一步加工成工程材料。這些工程材料通過完成相應(yīng)設(shè)計要求的加工制造，組成結(jié)構(gòu)件、機器、裝置和其他社會需要的產(chǎn)品，為人類所使用。當(dāng)這些由工程材料制成的產(chǎn)品被人類使用一定期限后，或因服役后失效，或到了工程要求的服役(或壽命)期，或完成了某一規(guī)定使用周期，人們通常把它廢棄，這些廢棄物又回到大地中去，這就是人們長期以來所形成的傳統(tǒng)思維或傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“資源開采－生產(chǎn)加工－消費使用－廢物丟棄”的物質(zhì)單向運動模式，如圖5材料循環(huán)模式中的外環(huán)。

圖5 材料循環(huán)示意圖

審視20世紀過程工業(yè)的發(fā)展歷程，過去的材料科學(xué)與工程是以追求最大限度發(fā)揮材料的性能和功能為出發(fā)點的，而對資源、環(huán)境問題沒有足夠重視，沒有充分考慮材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性問題。

優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性是指從材料制造、使用、廢棄直到再生循環(huán)利用的整個壽命過程中，其資源、能源消耗少，環(huán)境污染小、再生循環(huán)利用率高。材料的循環(huán)可借鑒解決環(huán)境問題的三個原則，即3R: 一是減量(Reduce)，其特點就是盡可能減少材料生命周期各階段排放的廢棄物；二是再利用 (Reuse), 其特點就是將廢棄物中材料或零件不進行再加工和分離,直接作為產(chǎn)品使用；三是再生循環(huán) (Recycle) ，其特點就是對廢棄物進行加工處理, 作為原料來使用(即再資源化) 。

物質(zhì)單向運動模式是不可持續(xù)的，而應(yīng)當(dāng)代之以雙向循環(huán)模式(或理論意義上的閉合循環(huán)模式)。即廢棄物通過回收利用，經(jīng)過某種再生、加工過程，又回到原材料的狀態(tài)，重新進行材料的循環(huán)過程，如圖5材料循環(huán)模式中內(nèi)環(huán)。目前，金屬材料中鋼鐵構(gòu)件和鋁制品等的回收利用是非常成功。

張建斌 (1972—)，男，副教授，任職于蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅省有色金屬材料省部共建國家重點實驗室，從事金屬材料組織性能和表面改性研究。E-mail：jbzhangjb@gmail.com。

蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅省有色金屬材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.08