顶点小说网

第 21 节 材料科学 工科支柱之一但不好转行（第1页）

（）

本文作者为北航材料本博

1关于学科本身

1.1什么是材料科学

虽然与物理、化学或化工同属于理工类学科，但在外行人眼里，材料科学的研究对象相比之下更难理解。这是因为这门学科高度面向工程需求和研究结果，而不是原理和过程。

简而言之，只要能满足目标，材料学家可以使用任何物理、化学、生物甚至数学的手段。

说到材料，大家的第一反应肯定是砖石土木，但其实远远不止。

一般而言的材料主要包含两个主要的范畴：结构材料与功能材料。一件物品有应用价值，可以是因为它足够坚硬、锋利或足够松软、柔韧。开发新的结构材料，让房屋更坚固，让武器更锋利，自古以来就是材料科学的研究领域。

与此同时，有些物质没有优异的力学性能，却以其他方式活跃在现代生活中。集成电路元器件中的半导体材料、快速传导大量信息的光纤，我们看重的是它们的电、光性能。这些材料称为功能材料，通过优异的声、光、电、热、磁性能发挥独特的功能。

其实可以说，只要是在生活中有应用价值的物质，除食品一类消耗品以外，都算作材料科学的研究范畴。

大家会发现，一个物品由其材料构成，都是为了满足应用上的需求。随手拿出一本书：

可以看到书的封面要结实耐磨，用纸板制成；

书页要够轻够薄，不易撕坏，最重要的是要能写字，必须用纸（纤维素纺织物）；

现代装订多用胶黏剂，要求长期不开胶，属于高分子材料的范畴；

就连印刷或写字用的墨水，之所以用它是因为方便印染又能长期显色，也可以说是「光学性能优异的液体材料」了。

材料科学的研究内容多是以应用需求来驱动，说白了也就是找到更耐磨的纸板，更长效的胶和更方便书写的纸与墨。

只不过我们有一套成熟，固定的方法论，从应用出发，回到物质的物理、化学甚至数学的本质，最终找出满意的答案，来满足生活中的需求。

2如何研究材料科学

我们已经知道了材料科学的产生是因为有对应的需求，即我们需要材料具有让我们满意的性能。人对性能的需求总是多样的，但决定材料性能的因素却是固定的。

在材料科学中有所谓「材料四要素」的总结，即「成分与结构」（Structure）、「固有性质」（Properties）、「合成与加工」（Synthesis）、「使用性能」（Performance）。

图中的金字塔，塔尖是使用性能，也就是应用的实际需求。组成地基的结构、固有性质、加工方法这三个要素，则互相作用，互相决定，最终也决定了材料的使用性能。

以古代的冷兵器为例。剑的使用要求就是高效地战斗，材料学家首先要把使用性能翻译成材料的固有性质，即坚硬、锋利、不易折断（硬度高，易加工出剑刃，韧性好）。

铁的原子结合比青铜、木材更紧密，硬度就更高。但是铁又硬又难以熔化，这就是为什么只有冶炼技术成熟之后，古人才抛弃青铜制品，转而大规模使用铁器。加工的过程中，炼铁、淬火等操作又反过来影响铁的微观组成和结构，导致新的性质变化。

这样，材料学研究的对象和方法就很明朗了：基于一个给定的性能需求，选择具有相关固有性质的材料，找出合适的合成加工方法来获得我们想要的组成和结构，最后检验这种材料能不能达到性能要求。材料学家进行科研，最后确认何种材料，通过什么合成和加工方法，能够获得需求的性能。

2学科的知识结构

材料科学的专业分类往往按照材料的种类，比如金属、陶瓷、塑料等等，然而其实各方向的研究者的思路并没差太多。材料科学的科研大概是这么个流程：

将需求的使用性能量化成材料的固有性质指标

根据指标选择材料体系

设计适当的合成加工路线

对获得的样品进行性能测试

在方案中设计一些变量，优化这一方案

因此，本科知识体系主要分为三个方面：物理与化学原理，用以指导材料的设计；材料的合成与加工方法，用以指导材料的制造路线；材料的测试方法，用以提供度量材料性能的有效手段。

2.1培养方案

正如前面所说，为得到性能达标的材料，我们的思路可以来源于任何物理、化学、生物甚至数学原理。再加些材料学科特色课程，本科课程最大的特点就是杂而不精，可以说每个方面都学一些，但基本上学的都是最简单的部分。

理论与工程基础课：通常在大一大二学完，基本都是日后开展研究的重要工具。理论课程主要是数理化，都是高中知识的拓展，相比高中的浅尝辄止，确实在难度上大幅跃升，好在材料学生基本只需要学比其他理工专业简单的那些。工程基础课则是工科的基础知识或实用工具。

理论基础课程：数学课程包括高等数学、线性代数、概率统计，物理课程为普通物理、基础的物理实验，化学课程包括无机化学、有机化学、物理化学、基础的化学实验

工程基础课程：程序设计、工程制图、电工学、工程力学等

核心专业课：课程分布在大二、大三两年。这些课程有些是材料科学研究方法的重要组成，另有一些是各细分方向的基础理论。

学科核心课程：材料测试方法、材料物理性能、材料力学性能、电化学原理等

请勿开启浏览器阅读模式，否则将导致章节内容缺失及无法阅读下一章。

相邻推荐:给顶流男团当保姆后我爆红了  谍海潮生  乐子人在漫威的愉快生活  一路生花：她在逆境中野蛮生长  给修仙界来点整活震撼  他们行走在你我之间：中国特大杀人案件纪实  零秒出手：犹如闪电在握  穿成动物后治愈全世界[快穿]  不过是爱情  请遵守游戏规则[无限]  是科学不是异能！  无敌！做最贱的人，抗最毒的打！  小玉综漫世界历险记  今日晴：爱我请四季来信  路过人间：我吃了太多苦，我还在等待光  爱情不设防  苏武的穿越人生  苟住！末日生还者  美人妈相亲后带我躺赢[七零]  打破围城：在婚姻中挣扎的女人们