淺談材料科學的發(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技術、經濟水平及綜合國力的標志之一，現在我根據現在的材料發(fā)展現狀和趨勢來講述。

【關鍵詞】材料；科學的發(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：結構材料和功能材料。大部分的材料工作者主要接觸的是結構材料，而結構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，改變金屬內部結構，從而優(yōu)化性能并產生新的材料類型。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、質量較輕，而且易加工，產率高并且成本低。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、化學以及生物功能，在高科技領域和國防建設方面具有重大作用。功能材料按性能分可分為電子信息材料、光學材料、聲學材料、生態(tài)環(huán)境材料、能源材料、超導材料、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代高技術產業(yè)，生態(tài)環(huán)境材料主要是使經濟可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調性材料。而且受生物的啟發(fā)，近年設想的智能材料，是對材料的工作環(huán)境可進行判斷并產生相應的反應，從而使材料性能與服役要求相適應。相信智能材料將會是未來世界材料運用的趨勢。

二、材料學科與其他學科的交叉發(fā)展

材料科學與物理學、化學、機械加工、計算機都有相對應的交叉學科，分別稱為：材料物理學、材料化學、機械工程材料學、計算機材料學。材料物理學是由金屬物理學科和電子材料學科為基礎發(fā)展的。材料物理學在其領域促進了我國電子、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、光學材料、磁性材料等一大批高新技術材料的研究與開發(fā)，推動了經濟發(fā)展和社會進步。材料化學的基礎是高分子材料學，涉及材料在制備加工過程中的物理化學表征，材料在使用過程中的化學行為的方面，是現代科學的基礎學科之一。生活中處處都得利用材料，而在使用之前，工程師或應用科學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便是應用科學家和工程師需要了解的學科。不管是什么機器或者物件，都是由零件構成。而一個小小的零件在進行材料選擇時，必須考慮強度、密度和質量以及成本和來源等。

由于近年的互聯(lián)網飛速發(fā)展，出現了計算材料學這樣的新興學科。它融合了凝聚態(tài)物理，材料物理學、理論化學、材料力學和工程力學以及計算機算法等多個學科。計算材料學的本質其實是利用現在高速計算機，模擬材料的各種物理化學性質，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現象與特征，并對材料的結構和物性進行理論預言，從而達到設計新材料的目的。隨著現代社會互聯(lián)網科技的迅猛發(fā)展，利用計算機對物質的微觀結構和運動進行數值模擬計算得到了同樣的發(fā)展，并在此基礎上用數值運算統(tǒng)計求和的方法——分子動力學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宏觀物理量的計算，不但直接模擬物質的宏觀凝聚特性，得出與實驗結果相符合或可比擬的計算結果，而且可以提供微觀結構、粒子運動以及它們和物質宏觀性質關系的圖像，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果。

三、材料科學發(fā)展的總趨勢

科技不斷發(fā)展，當然，材料科學也是不斷發(fā)展的。現在的材料科學發(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材料向把金屬材料和高分子材料結合起來的復合材料發(fā)展，復合材料更能符合人們的需求；第二，隨著高技術發(fā)展，以前講的結構材料向功能材料、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提供更加更多更好的功能材料；第三，材料結構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；第五，通過仿生途徑開發(fā)展新材料。

四、總結

材料科學看似和我們遙不可及，其實卻和我們生活息息相關。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，而且材料科學更在國家的昌盛和安全有著舉足輕重的作用。材料科學是現世紀里重要的支柱產業(yè)，我國的材料科學平穩(wěn)居世界前列，有些領域甚至居于世界領先水平，所以材料科學的發(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]淺析材料科學中專家系統(tǒng)的發(fā)展現狀及趨勢[J].中國化工貿易，2013（8）