什么是材料

在親朋聚會(huì)，與人閑談時(shí)滚婉，總會(huì)有人問我让腹，什么是材料。其實(shí)這個(gè)問題從我一開始涉足材料領(lǐng)域至今仍一直困擾著我瓜晤。給材料一個(gè)清晰又明確定義痢掠，著實(shí)不易嘲恍。當(dāng)人們聽到“物理”，便會(huì)聯(lián)想到聲光電熱力淹辞，聽到“化學(xué)”桑涎，便會(huì)聯(lián)想到一個(gè)邪惡博士躲在一間小黑屋里搗騰著各種藥水兼贡，當(dāng)人們聽到機(jī)械遍希，一個(gè)機(jī)器人便會(huì)在腦海中翩翩起舞......當(dāng)人們聽到材料凿蒜，第一反應(yīng)便是“what”。究竟是什么讓材料顯得如此神秘废封。

自從我踏入大學(xué)的第一天起漂洋，便有許多老師和學(xué)長給出了許多關(guān)于材料的定義，似乎每一個(gè)從事材料領(lǐng)域的人對(duì)材料都有著不同的見解演训，其中最經(jīng)典的一個(gè)定義便是“材料是用于制造一切有用物品的可用之物”样悟。從數(shù)千年起庭猩，便有許多人試圖給“人”作一個(gè)定義，有的甚至想給宇宙一個(gè)定義,時(shí)至今日震糖，仍然未能達(dá)成共識(shí)试伙。要給材料一個(gè)明確的定義恐怕會(huì)限制了對(duì)材料的認(rèn)識(shí)于样，材料源于自然，源于宇宙蚤蔓，但目前人類對(duì)宇宙自然的認(rèn)識(shí)仍然停留在較低的水平秀又。那么材料對(duì)人類來說也是神秘的贬芥。如果必須要給材料一個(gè)定義，那么姑且先按那個(gè)最經(jīng)典的定義作為參考吧昏苏。

當(dāng)朋友問我贤惯，材料學(xué)子將來會(huì)從事怎樣的工作時(shí)，為了活躍氣氛屁商，我一般都會(huì)戲稱自己是打鐵的蜡镶、造瓶子的精盅、刷油漆的。確實(shí)妻枕，打鐵的過程涉及鐵的鍛壓屡谐、熱處理及化學(xué)熱處理蝌数、造瓶子涉及材料成型、刷油漆涉及了材料的表面處理饵撑，這些都是與材料科學(xué)息息相關(guān)的滑潘。

材料為何特殊

一個(gè)新興學(xué)科的興起總會(huì)存在這樣那樣的問題锨咙，作為一個(gè)材料學(xué)子，雖然已是大三粹舵，但對(duì)科學(xué)和工程的概念仍然模糊眼滤。材料涉及到物質(zhì)历涝，則必然與物理化學(xué)等自然學(xué)科有著重要的聯(lián)系情妖。物理研究的是宇宙的組成要素及其相互作用，是一門結(jié)合理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)證明的精確學(xué)科电爹。而化學(xué)是在原子層次上研究原子的組成、性質(zhì)摇邦、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的施籍，主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)證明與制備的科學(xué)概漱。材料作為一門交叉學(xué)科，兼具了物理學(xué)對(duì)固有物質(zhì)規(guī)律的研究和化學(xué)合成新物質(zhì)的研究竿裂。如水的結(jié)冰,研究的是晶體的生長規(guī)律腻异，這種關(guān)系通常是有規(guī)可循的这揣。而改性實(shí)驗(yàn)則是加入一些物質(zhì)元素使之在不同層次上形成一些有利于材料綜合性能的組織組成给赞，也就相當(dāng)于化學(xué)的合成新物質(zhì)。材料也更注重于實(shí)驗(yàn)研究姐帚，是一門實(shí)實(shí)在在的實(shí)驗(yàn)科學(xué)罐旗。此外唯蝶，材料科學(xué)雖然在不同程度上受到各個(gè)學(xué)科的影響，但材料科學(xué)也保留了其自身的一些特性鼓蜒。之前我們就給過一個(gè)定義，材料是制造一切有用物品的可用之物娇豫。說明材料科學(xué)比物理化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科更注重實(shí)用性畅厢，材料的性能改善要明顯框杜，從研發(fā)到投入使用、制定好合適的工藝流程的周期要非常短振劳。而且其工藝流程有時(shí)甚至比新材料研發(fā)更為重要油狂。在學(xué)習(xí)材料課程的時(shí)候选调，有時(shí)也會(huì)學(xué)習(xí)一些機(jī)械課程，講到材料的應(yīng)用難免與機(jī)械掛鉤哮洽；然而材料與機(jī)械是有著本質(zhì)的區(qū)別的鸟辅，一個(gè)機(jī)械構(gòu)件莺葫，無論設(shè)計(jì)得多復(fù)雜，其外形最終還是可以仿制克隆的再层。而一個(gè)用材料工藝處理過的工件聂受，如一個(gè)曲軸烤镐，其外形結(jié)構(gòu)一目了然，內(nèi)部組織及化學(xué)成分在經(jīng)過一些處理后也能了解碗旅，其硬度、韌性等都可實(shí)驗(yàn)測得医瘫。但就是無法完整地仿制出來川尖，形狀一樣叮喳，但性能相距甚遠(yuǎn)馍悟，這是因?yàn)樵谇懊婢驼f了剩晴，材料科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，一個(gè)高性能材料的組織形貌是經(jīng)過一系列工藝流程而得到的毅整，這個(gè)過程需要不斷進(jìn)行嘗試和積累悼嫉，其中還有一些巧合成分拼窥，但主要還是在于不斷地實(shí)驗(yàn)研究。一個(gè)完整的工藝流程包含好多復(fù)雜的處理总棵，一般是難以仿制的情龄，這也成為許多企業(yè)的一筆寶貴財(cái)富捍壤。

材料三大支柱

對(duì)材料的改良涉及到許多微觀的東西白群，研究材料最重要的三個(gè)方面便是原子晶體、相平衡與亞穩(wěn)態(tài)笼裳、以及顯微組織。晶體學(xué)是一門很寬泛的學(xué)科拜轨，具體的晶體結(jié)構(gòu)有成千上萬種允青，而其點(diǎn)陣空間最后可粗略地概括為那么十幾種，而點(diǎn)陣空間反映的僅僅是其集合空間結(jié)構(gòu)法牲，其晶體的性能會(huì)因一個(gè)結(jié)構(gòu)原子大小及位置的改變而發(fā)生很大的變化拒垃，因而要形成一套行之有效的理論來概括晶體學(xué)是不可靠的瓷蛙。如果說晶體結(jié)構(gòu)的不可預(yù)測是因?yàn)槠湓咏M合的多樣性的話，那么相結(jié)構(gòu)與性能的多樣性則是由于不同的晶體結(jié)構(gòu)及材料加工成型的過程中外界因素的改變而引起的横堡。外界因素的調(diào)控落實(shí)到具體就是我們常說的工藝流程命贴。一般來說腊满，相的結(jié)構(gòu)與性能最終會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，即相平衡胚泌。然而這樣的過程是非常緩慢的玷室，因而在實(shí)際生產(chǎn)制備的時(shí)候笤受，得到的許多組織仍是是處于亞穩(wěn)態(tài)的，而材料在失穩(wěn)和失效的臨界條件也是材料工程所關(guān)心的問題津肛。相的顯微結(jié)構(gòu)依舊是不可見的身坐，因而就要借助許多顯微技術(shù)進(jìn)行輔助研究。從事材料領(lǐng)域部蛇，與金相組織的接觸自然是少不了的涯鲁，因?yàn)橐罁?jù)金相組織來對(duì)材料性能進(jìn)行判斷是一種簡單而又行之有效的方式。若是掌握熟練岛请，一張經(jīng)過適當(dāng)處理的金相組織圖片在不同放大倍數(shù)以及在不同部位的組織結(jié)構(gòu)能反映出其工藝流程及特點(diǎn)髓需。正是由于晶體結(jié)構(gòu)的多樣性和工藝流程對(duì)相平衡與亞穩(wěn)態(tài)的影響房蝉，使得材料研究紛繁復(fù)雜微渠，難以像化學(xué)物理那樣得出簡單又和諧統(tǒng)一的公式定理搭幻。

正是因?yàn)椴牧系亩鄻有院蛷?fù)雜性及其需要大量實(shí)驗(yàn)論證的特點(diǎn)檀蹋。計(jì)算機(jī)模擬在材料研究中的作用就顯得越發(fā)重要了云芦，計(jì)算機(jī)模擬可以解決實(shí)驗(yàn)重復(fù)、復(fù)雜桌肴、數(shù)據(jù)量大琉历、處理困難等許多問題，極大地縮短了材料研究及選材的時(shí)間彪置。并且隨著計(jì)算機(jī)處理速度的不斷提升蝇恶，以及模擬方法的不斷改進(jìn)，模擬的結(jié)果將會(huì)越來越精確潘懊，而且計(jì)算機(jī)模擬還可以創(chuàng)造很多現(xiàn)實(shí)生活中無法創(chuàng)造的研究環(huán)境,依然有很大的發(fā)展空間。

材料研究思想

此外叛拷，關(guān)于材料研究思路方面也有許多不錯(cuò)的總結(jié)忿薇，其中比較常見的便是①向原材料中摻入一些其他的物質(zhì)元素，然后在模擬的工況下進(jìn)行性能檢測署浩，若表現(xiàn)出不錯(cuò)的性能筋栋，便又是一個(gè)不錯(cuò)的成果;②改變材料的加工工藝及制備環(huán)境正驻，并檢測其金相組織及其性能，在企業(yè)生產(chǎn)中襟交，一套完善的工藝流程也是由無數(shù)次實(shí)驗(yàn)所總結(jié)出來的;③仿生學(xué),個(gè)人認(rèn)為伤靠，對(duì)于材料科學(xué)而言，與其說是仿生焕梅，不如說是仿物,世界的一切物質(zhì)都可以用來模仿贞言。我們材料的學(xué)習(xí)者更應(yīng)保持一種對(duì)萬物的好奇心，我們觸手所及蜗字，肉眼所見的所有東西都有材料研究的影子挪捕，當(dāng)我們看到一件物品级零，觸摸一件物品時(shí)，更應(yīng)聯(lián)想到其背后的工藝流程與材料改性原理奏纪，這樣學(xué)習(xí)材料的過程也必然是一個(gè)充滿樂趣的過程序调。

關(guān)于實(shí)驗(yàn)研究的過程,實(shí)驗(yàn)研究的真正魅力在于實(shí)驗(yàn)是一個(gè)探索求知的過程，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果通常是不可預(yù)測的硬耍，因而要不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以求得到想要的效果经柴。而令人驚奇的是，許多如今廣為人知的材料卻是誕生于與理想研究結(jié)果相距甚遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)坯认。以下列舉了幾類比較常見的：便利貼膠水——原計(jì)劃發(fā)明超強(qiáng)膠水牛哺，結(jié)果黏性卻很弱劳吠；萬能膠——其實(shí)他們想要的是透明塑料；“特氟龍”——原本是想研制制冷劑結(jié)果成了不粘鍋。這些成果的誕生或者存在著或多或少的運(yùn)氣成分凰荚，然而其得到的廣泛應(yīng)用并非偶然褒脯。沒有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的積累、沒有一顆對(duì)事物的好奇心番川、沒有一種堅(jiān)持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度是遇不到這種偶然的颁督，即使遇到了，也把握不住沉御。

對(duì)于普通環(huán)境下的材料研究或許已經(jīng)到了十分成熟的地步吠裆，材料一些特殊性能往往是在一些極端的情況下實(shí)現(xiàn)的。在這些條件下存在著更多的不定性和特殊性诵棵，也是發(fā)展特殊材料的重要領(lǐng)域，是一頂材料工作者手中的魔術(shù)帽嘶窄。這些極端狀態(tài)下的材料主要分為以下幾類：①極端處理（快速凝固）护侮；②極端條件下的微觀結(jié)構(gòu)（納米材料）储耐；③超高真空及表面科學(xué)；④極薄材料长赞；⑤極端對(duì)稱（準(zhǔn)晶）得哆。在這些極端的狀態(tài)下贩据，材料會(huì)表現(xiàn)出許多特殊的性能，而這些性能在普通的材料中是沒有的饱亮，而且在各個(gè)領(lǐng)域都有著十分重要的應(yīng)用近上。極端狀態(tài)的材料是材料研究的熱點(diǎn)壹无，而在極端環(huán)境下的材料應(yīng)用斗锭，則是工程技術(shù)上的大難題。在數(shù)千米的海底拒迅，如何使材料抗壓耐腐蝕璧微；在真空的太空環(huán)境下，如何讓材料足以抵抗數(shù)百度的溫差而不至于損壞胞得；如何增加高速運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的耐磨性阶剑；如何讓材料在極熱或極寒的環(huán)境下保持自身特性并正常工作。這些問題在過去危号、現(xiàn)在甚至未來都會(huì)持續(xù)困擾著材料工作者和研究人員以及其他的工程技術(shù)人員牧愁。而這對(duì)于材料領(lǐng)域的工作者也是一個(gè)巨大的考驗(yàn)與挑戰(zhàn)，我們搞材料的外莲，不僅應(yīng)研發(fā)新型的材料猪半，也應(yīng)使已經(jīng)應(yīng)用的材料不斷地得到增強(qiáng)或者更新，世上所有的材料都會(huì)有壽命偷线，目前還沒有出現(xiàn)能稱得上完美的材料磨确，未來也不一定會(huì)有。而我們的任務(wù)就是不僅要讓材料好用声邦、好看還要使材料能夠延年益壽乏奥。

在材料研究中，定量研究也是很重要的一種研究方法亥曹，在過去技術(shù)不發(fā)達(dá)邓了，儀器不先進(jìn)的情況下驶悟，對(duì)于很多現(xiàn)象都只能做出定性的解釋硫豆。而隨著測量技術(shù)的進(jìn)步旨别，人們得到的數(shù)據(jù)越來越精確秸弛，當(dāng)所得的數(shù)據(jù)與原始理論不相符時(shí)，便引發(fā)了驚奇镜雨。而這種驚奇正是科學(xué)發(fā)展的原動(dòng)力。驚奇的產(chǎn)生的本質(zhì)是不可預(yù)測的颓影，所以推出必然結(jié)論的科學(xué)家們會(huì)經(jīng)常面對(duì)不斷的挑戰(zhàn)，而定量研究咆畏，是他們接受挑戰(zhàn)的重要工具，而其中的先進(jìn)設(shè)備及活躍的研究思維是他們與其他科研工作者的重要區(qū)別钮蛛。

假設(shè)——實(shí)驗(yàn)——表征是材料研究過程的三部曲吱晒。對(duì)于未知問題進(jìn)行假設(shè)叹话，然后設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)流程，并在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)热凹，得出結(jié)果進(jìn)行分析纪铺。最后對(duì)各個(gè)不同部位進(jìn)行精確區(qū)分以及對(duì)其本質(zhì)特征進(jìn)行描述。有了材料表征烹棉，才能給人一目了然的研究成果。而其中的表征方法主要分為以下幾類伏社，一類是微觀結(jié)構(gòu)的檢測，一類是譜學(xué)技術(shù)（光譜學(xué)與光譜測定法），一類是熱分析法（測量被加熱或保持恒溫的樣品的物理性能或力學(xué)性能發(fā)生的變化）稿饰，還有一類是硬度法（硬度測試與拉、壓、彎铺敌、扭派歌、剪實(shí)驗(yàn)）胶果。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行靈敏又精確的測量和表征才有足夠的說服力。

未來

最后悬垃，再提一提材料未來的發(fā)展。目前，國內(nèi)的低端制造市場已逐漸飽和靖榕，粗放式的生產(chǎn)方式正逐漸被淘汰跋破。取而代之的則是品質(zhì)制造。國家工業(yè)4.0計(jì)劃已經(jīng)啟動(dòng)，雖說是雷聲大雨點(diǎn)小贾富，但轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)已經(jīng)一目了然畏纲。老百姓對(duì)品質(zhì)的需求也是與日俱增艘蹋。對(duì)食品要求安全浸策，要有更加無毒無害、更加健康安全的包裝材料。衣服要求新穎舒適，要求有更加舒適無害又便于制造的布料......等等。市場的需求與不足正是我們材料研發(fā)的導(dǎo)向。材料注重應(yīng)用，市場導(dǎo)向是必然的午衰，而材料研究的發(fā)展方向則是多學(xué)科應(yīng)用的相互結(jié)合帅戒，與多層次的相互關(guān)聯(lián)。而核心的研究方法，還是那個(gè)四面體：使役行為--性能--結(jié)構(gòu)/成分--合成/制備。