材料科學研究方法教學綱要及開設必要性

李艷芬　劉向東

摘 要：材料科學研究方法重點介紹了材料科學與工程學科的內在規(guī)律、材料的研發(fā)思路和各種研究方法。本門課程的開設拓展了材料學科專業(yè)領域的知識面，完善了知識結構，讓學生實時了解材料學科研究的最新動態(tài)。

關鍵詞：共性規(guī)律 先進材料 研究方法

人類社會文明發(fā)展的歷程，是以材料為主要標志的。每一種材料的發(fā)現、發(fā)明和使用，都會把人類改造自然的能力提高到一個新的水平，把人類文明和社會發(fā)展推向一個新的臺階。而自然科學的各種研究方法在材料科學的發(fā)展中發(fā)揮了很大的作用，掌握材料學科的發(fā)展和研究方法對于材料學科研究人員和學生是非常必要的。認識材料科學與工程學科的內在科學規(guī)律和發(fā)展趨勢，對材料的研究開發(fā)思路和各種方法有一個科學辯證的概念，能進一步激發(fā)學生的學習積極性和創(chuàng)新精神，為今后從事材料的設計和研究工作奠定基礎。

一、材料的共性規(guī)律

材料主要分金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料，三大材料都具有晶體結構，但是陶瓷和高分子材料的組織結構要比金屬的復雜。由于它們的結合鍵不同，得金屬具有較高的強度、剛度、導電、導熱性能，無機非金屬則具有耐高溫、耐腐蝕、具有轉變物理性能和脆性，有機高分子具有比強度高、耐磨、耐腐蝕、易老化、剛度小的特點。然而，它們在不同環(huán)境介質下有著共同的效應，例如界面效應，在界面處都有分割、不連續(xù)、吸熱特征；還有材料的動態(tài)效應、復合效應、環(huán)境效應、納米效應等。三大材料存在著共同規(guī)律，陶瓷的實際晶體中存在著各種缺陷，金屬與合金存在同素異構轉變、馬氏體相變、有序——無序轉變，在其他材料中也有這些轉變。陶瓷中存在同素異構轉變。對于有機固體相變的研究發(fā)現，許多由簡單分子組成的有機固體也具有復雜的同素異構轉變。在外力的作用下都會發(fā)生彈、塑性變形和斷裂過程，而且它們應用相同力學性能測試技術，具有相似的規(guī)律。

二、材料科學發(fā)展的重點

材料科學發(fā)展的重點是（一）開發(fā)新材料，發(fā)展高技術產業(yè)；（二）納米材料和納米技術的開發(fā)。先進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、功能復合材料和生態(tài)環(huán)境材料。

信息功能材料主要用于計算機、通信和控制，其特點是要求高、發(fā)展快、種類繁多。例如集成電路所需材料、計算機敏感元件傳感器材料、新型半導體材料、存儲介質材料和高溫超導材料的開發(fā)和應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)用材料已經成為人類非常關注的領域，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、飛鳥等，仿生材料的更長遠目標是使生物技術原理用于工業(yè)生產，改變高溫、高壓及耗能高的生產方式。

智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。如形狀記憶材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅動組件在航空上的應用已經取得了大量的創(chuàng)新成果。復合材料的內涵比較豐富，從復合的角度來說，未來的研究與發(fā)展重點是發(fā)展功能、智能復合材料，由于復合材料的設計自由度大，所以更適合發(fā)展多功能復合材料。功能復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、進行功能材料和化學功能材料。

生態(tài)環(huán)境材料定義是具有良好的使用性能和與環(huán)境協調性的材料。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，CO2氣體的固化技術，SOx、NOx等催化轉化技術，廢物的再資源化技術，環(huán)境污染修復技術、仿生材料、環(huán)境保護材料、氟里昂和石棉等有害物質的替代材料和綠色新材料等。

納米材料及制備技術的開發(fā)迫在眉睫，當物質到納米尺度時，其表面電子結構和晶體結構發(fā)生變化，產生了宏觀物體不具備的小尺寸效應、量子效應、表面效應和界面效應。材料顯示出奇特的物理、化學性能，利用這一效應可大幅度提高結構材料的強度，改善其脆性。納米研究的主要領域包括金屬、陶瓷、玻璃和聚合物方面的納米材料，目前對納米材料的應用研究熱點主要集中在納米管、納米帶、納米薄膜、納米復合材料和納米金屬材料等幾個方面。納米材料在使用中亟待解決的問題是納米材料的設計和控制、制備技術與工藝。納米材料在應用中有很多優(yōu)點，但在使用和生產的過程中有可能使接觸人員吸入納米顆粒，造成對肺部的傷害，所以納米材料在研究和應用過程中要考慮對健康、安全和環(huán)境的影響。

三、綠色材料科學技術

綠色材料科學技術從廣義上來講，包括的內容較多，例如積極開發(fā)新材料、新能源、材料的回收與再利用、改造傳統(tǒng)工藝和生產流程等。發(fā)展綠色材料科學技術，很重要的措施是積極開發(fā)和采用新工藝、新技術，特別是傳統(tǒng)材料產品產業(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、大批量生產的工藝，最近20年來發(fā)展十分迅速。

四、材料的基本研究方法

對于材料設計和研究采用的自然科學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、相關法、數學方法、模型法、原型啟發(fā)法等。

歸納法是從積累大量數據到概括出一般原理的過程，結果具有一定的可靠性，主要用于科學發(fā)現，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別結論的方法，可用于預見科學事實，是提出科學假說的重要方法。分析法與綜合法相結合是科學發(fā)現和技術創(chuàng)新的重要途徑。類比法和移植法可以將某一領域的方法和技術應用到其他學科技術領域中，比如螺旋槳技術用在飛機等領域，拉鏈技術應用在裝飾、醫(yī)學等多個領域。數學方法能揭示研究對象的本質特征和變化規(guī)律，是解決科學技術問題常用的也是最重要的方法，是表述系統(tǒng)的結構域行為的一種科學方法。例如谷神星的發(fā)現，是意大利科學家觀察，高斯計算，被稱為“鉛筆尖”發(fā)現的新行星。原型啟發(fā)法與仿生法是對自然現象和自然界的動植物進行觀察、探索受到啟發(fā)來進行科學研究和創(chuàng)造發(fā)明，例如美國佛羅里達州立大學工程師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，同時又可猛撲向林蔭大道的遠程遙控偵察機。日本新干線子彈頭列車速度可達321公里/h，“取經”于貓頭鷹羽毛和翠鳥喙的降噪設計，行駛過程出奇地安靜。這是由于貓頭鷹的羽毛呈鋸齒狀排列，可悄無聲息地穿過夜空；列車的“鼻子”與翠鳥喙類似，這種形狀可幫助列車在穿過隧道時不會產生低水平音爆。

研究材料的結構和性能之間的關系常常采用黑箱法、相關法、過程法和環(huán)境法。黑箱法是在無法知道研究對象本質機理的情況下采用的，相關法研究材料組織結構與性能之間有對應關系時采用，得到的關系式有一定的物理意義。過程法是研究對象的本質，又稱為分析法，相關法和過程法是相輔相成的，環(huán)境法通過各種環(huán)境因素來研究材料組織性能的演化規(guī)律。

材料科學從經驗科學走向理性科學，很重要的發(fā)展方向是材料研究的模型化與模擬。模型化是將真實情況簡單化處理，建立一個反映真實情況本質特征的模型，并進行公式化描述。模擬是對真實事物或者過程的虛擬，模擬方法是把所求解問題轉化為大量微觀事件的情況下，提供一種數值解法。目前在國內外材料研究及加工領域中開展了很多模型化和模擬方面的研究工作，為進一步的實驗工作提供了可靠的依據。

五、本課程開設的重要意義

這門課程除了具有完整的材料科學知識結構，精致的課件也使得學生在學習過程中受到視覺和聽覺的沖擊。在掌握理論知識同時，大量實例將理論和實踐應用結合起來，引導學生如何去認識材料，去研究材料，去設計材料，讓學生在學習過程中真切地體會到知識是如何學以致用的，并且激發(fā)他們對于這些知識探索的興趣。對教師而言，在講授這門課程的過程中，通過對材料設計、制備、研究方法內容的整合，個人的專業(yè)知識得到了極大的豐富，為今后研究方向的選題、方案的設計以及研究方法的應用提供了思路和參考。

參考文獻：

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