淺談材料科學(xué)的發(fā)展趨勢及進展

宋澤華

【摘 要】材料是人們生活必不可少的，也同樣在人類歷史發(fā)展進程中扮演必不可少的角色。不管是石器時代亦或是銅器、鐵器時代，還是到之后的水泥、半導(dǎo)體時代，再到如今的新材料時代，人們從懂得利用材料推動社會發(fā)展，任何一種材料的發(fā)現(xiàn)與運用，都能讓人們對大自然更加深入了解，也使人們支配和利用材料的能力得到了提升。材料運用也成為了衡量科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟水平及綜合國力的標志之一，現(xiàn)在我根據(jù)現(xiàn)在的材料發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢來講述。

【關(guān)鍵詞】材料；科學(xué)的發(fā)展；趨勢及進展

一、材料的分類

工程材料按照它的性能可以分為兩種：結(jié)構(gòu)材料和功能材料。大部分的材料工作者主要接觸的是結(jié)構(gòu)材料，而結(jié)構(gòu)材料又能細分為三種：金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料。目前生活中使用范圍最廣的是金屬材料，它具有相當多的優(yōu)良性能，不管是從機械、物理或化學(xué)性能，或者是鑄造、鍛造、焊接性、機械加工性能等，都是優(yōu)等的。我們還可以利用不同比例混合金屬，改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化性能并產(chǎn)生新的材料類型。而非金屬材料也有相比金屬材料更獨特的特點：耐腐蝕、絕緣、消除聲音、質(zhì)量較輕，而且易加工，產(chǎn)率高并且成本低。所以高分子材料逐漸在工業(yè)方面取代金屬材料。而功能材料是一種新型材料，具有特殊的電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)以及生物功能，在高科技領(lǐng)域和國防建設(shè)方面具有重大作用。功能材料按性能分可分為電子信息材料、光學(xué)材料、聲學(xué)材料、生態(tài)環(huán)境材料、能源材料、超導(dǎo)材料、磁性材料、信息材料、儲能材料、生態(tài)環(huán)境材料、生物醫(yī)用材料和納米材料等。電子信息材料支撐著現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，生態(tài)環(huán)境材料主要是使經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料。而且受生物的啟發(fā)，近年設(shè)想的智能材料，是對材料的工作環(huán)境可進行判斷并產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，從而使材料性能與服役要求相適應(yīng)。相信智能材料將會是未來世界材料運用的趨勢。

二、材料學(xué)科與其他學(xué)科的交叉發(fā)展

材料科學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)、機械加工、計算機都有相對應(yīng)的交叉學(xué)科，分別稱為：材料物理學(xué)、材料化學(xué)、機械工程材料學(xué)、計算機材料學(xué)。材料物理學(xué)是由金屬物理學(xué)科和電子材料學(xué)科為基礎(chǔ)發(fā)展的。材料物理學(xué)在其領(lǐng)域促進了我國電子、通信、計算機、醫(yī)療軍工等方面的發(fā)展，也同時推動了如納米材料、能源材料、光學(xué)材料、磁性材料等一大批高新技術(shù)材料的研究與開發(fā)，推動了經(jīng)濟發(fā)展和社會進步。材料化學(xué)的基礎(chǔ)是高分子材料學(xué)，涉及材料在制備加工過程中的物理化學(xué)表征，材料在使用過程中的化學(xué)行為的方面，是現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一。生活中處處都得利用材料，而在使用之前，工程師或應(yīng)用科學(xué)家必須完全了解使用材料的性能和行為特征，于是機械工程材料學(xué)便是應(yīng)用科學(xué)家和工程師需要了解的學(xué)科。不管是什么機器或者物件，都是由零件構(gòu)成。而一個小小的零件在進行材料選擇時，必須考慮強度、密度和質(zhì)量以及成本和來源等。

由于近年的互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了計算材料學(xué)這樣的新興學(xué)科。它融合了凝聚態(tài)物理，材料物理學(xué)、理論化學(xué)、材料力學(xué)和工程力學(xué)以及計算機算法等多個學(xué)科。計算材料學(xué)的本質(zhì)其實是利用現(xiàn)在高速計算機，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現(xiàn)象與特征，并對材料的結(jié)構(gòu)和物性進行理論預(yù)言，從而達到設(shè)計新材料的目的。隨著現(xiàn)代社會互聯(lián)網(wǎng)科技的迅猛發(fā)展，利用計算機對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運動進行數(shù)值模擬計算得到了同樣的發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上用數(shù)值運算統(tǒng)計求和的方法——分子動力學(xué)方法和蒙特卡羅方法，按照原子的排列和運動的模擬以實現(xiàn)宏觀物理量的計算，不但直接模擬物質(zhì)的宏觀凝聚特性，得出與實驗結(jié)果相符合或可比擬的計算結(jié)果，而且可以提供微觀結(jié)構(gòu)、粒子運動以及它們和物質(zhì)宏觀性質(zhì)關(guān)系的圖像，有利于提取新的理論，被視為“計算機實驗”，這便是計算材料學(xué)的用處，不但可以節(jié)省人力和成本，而且可以快速有效的得到我們想要的結(jié)果。

三、材料科學(xué)發(fā)展的總趨勢

科技不斷發(fā)展，當然，材料科學(xué)也是不斷發(fā)展的?，F(xiàn)在的材料科學(xué)發(fā)展趨勢有五種：第一，是由普通的金屬材料、高分子材料等的均質(zhì)材料向把金屬材料和高分子材料結(jié)合起來的復(fù)合材料發(fā)展，復(fù)合材料更能符合人們的需求；第二，隨著高技術(shù)發(fā)展，以前講的結(jié)構(gòu)材料向功能材料、多功能材料的方向過渡，因為社會發(fā)展需求要求材料技術(shù)提供更加更多更好的功能材料；第三，材料結(jié)構(gòu)方面的都朝著尺度小，材料輕薄的方向發(fā)展，由厘米到毫米，由毫米到納米，再由納米向現(xiàn)在的微米發(fā)展；第四，被動性材料向具有主動性智能材料方向發(fā)展，新的智能材料可以通過對外界的條件變化，進行主動的判斷和反應(yīng)；第五，通過仿生途徑開發(fā)展新材料。

四、總結(jié)

材料科學(xué)看似和我們遙不可及，其實卻和我們生活息息相關(guān)。材料無處不在，是社會不可缺少的一部分，不僅我們的生活是和材料禍福相依的，而且材料科學(xué)更在國家的昌盛和安全有著舉足輕重的作用。材料科學(xué)是現(xiàn)世紀里重要的支柱產(chǎn)業(yè)，我國的材料科學(xué)平穩(wěn)居世界前列，有些領(lǐng)域甚至居于世界領(lǐng)先水平，所以材料科學(xué)的發(fā)展是值得我們每個人都為之努力、為之付出的。

【參考文獻】

[1]淺析材料科學(xué)中專家系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].中國化工貿(mào)易，2013（8）