第一章 緒論---第1節(jié) 材料科學(xué)與工程概述(2)

  1.1.2 材料科學(xué)的確立與作用

（1）材料科學(xué)的提出
   “材料科學(xué)”的明確提出要追朔到20世紀(jì)50年代末。1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，重80千克，11月3日發(fā)射了第二顆人造衛(wèi)星，重500千克。美國(guó)于1958年1月31日發(fā)射的“探測(cè)者1號(hào)”人造衛(wèi)星僅8千克，重量比前蘇聯(lián)的衛(wèi)星輕得多。對(duì)此美國(guó)有關(guān)部門(mén)聯(lián)合向總統(tǒng)提出報(bào)告，認(rèn)為在科技競(jìng)爭(zhēng)中美國(guó)之所以落后于蘇聯(lián)，關(guān)鍵在先進(jìn)材料的研究方面。1958年3月18日總統(tǒng)通過(guò)科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)發(fā)布“全國(guó)材料規(guī)劃”，決定12所大學(xué)成立材料研究實(shí)驗(yàn)室，隨后又?jǐn)U大到17所。從那時(shí)起出現(xiàn)了包括多領(lǐng)域的綜合性學(xué)科－－“材料科學(xué)與工程學(xué)科”。
（2）材料科學(xué)的形成
   材料科學(xué)的形成主要?dú)w功于如下五個(gè)方面的基礎(chǔ)發(fā)展：
   各類(lèi)材料大規(guī)模的應(yīng)用發(fā)展是材料科學(xué)形成的重要基礎(chǔ)之一。18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明和19世紀(jì)電動(dòng)機(jī)的發(fā)明，使材料在新品種開(kāi)發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)等方面發(fā)生了飛躍，如1856年和1864年先后發(fā)明了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼，大大促進(jìn)了機(jī)械制造、鐵路交通的發(fā)展。隨之不同類(lèi)型的特殊鋼種也相繼出現(xiàn)，如1887年高錳鋼、1903年硅鋼及1910年鎳鉻不銹鋼等，與此同時(shí)，銅、鉛、鋅也得到大量應(yīng)用，隨后鋁、鎂、鈦和稀有金屬相繼問(wèn)世。20世紀(jì)初，人工合成高分子材料問(wèn)世，如1909年的酚醛樹(shù)脂(膠木)，1925年的聚苯乙烯，1931年的聚氯乙烯以及1941年的尼龍等，發(fā)展十分迅速，如今世界年產(chǎn)量在1億噸以上，論體積產(chǎn)量已超過(guò)了鋼。無(wú)機(jī)非金屬材料門(mén)類(lèi)較多，一直占有特殊的地位，其中一些傳統(tǒng)材料資源豐富，性能價(jià)格比在所有材料中最有競(jìng)爭(zhēng)能力。20世紀(jì)中后期，通過(guò)合成原料和特殊制備方法，制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料。如電子陶瓷、鐵氧體、光學(xué)玻璃、透明陶瓷、敏感及光電功能薄膜材料等。先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷由于高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及質(zhì)輕等特點(diǎn)，在能源、信息等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，成為近三四十年來(lái)研究工作的熱點(diǎn)，且用途還在不斷擴(kuò)大。
   其次，基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展為材料科學(xué)理論體系的形成打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。量子力學(xué)、固體物理、斷裂力學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，以及現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)和設(shè)備的更新，使人類(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)有了更深層次的理解。同時(shí)，冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等的發(fā)展也使對(duì)材料本身的研究大大加強(qiáng)和系統(tǒng)化，從而對(duì)材料的組成、制備、結(jié)構(gòu)與性能，以及它們之間的相互關(guān)系的研究也越來(lái)越深入系統(tǒng)。
   再次，學(xué)科理論的交叉融合日益突出。在材料科學(xué)學(xué)科確立以前，金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料與高分子材料等都已自成體系。但人們?cè)陂L(zhǎng)期研究中發(fā)現(xiàn)，它們?cè)谥苽浜褪褂眠^(guò)程中許多概念、現(xiàn)象和變化都存在著頗多相似之處。例如相變理論中，馬氏體相變最初是金屬學(xué)家所建立，廣泛用來(lái)作為鋼的熱處理理論。后來(lái)氧化鋯增韌陶瓷中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變現(xiàn)象，并作為陶瓷增韌的一種有效方法。又如缺陷理論、平衡熱力學(xué)、擴(kuò)散、塑性變形和斷裂機(jī)理、表面與界面、晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、電子的遷移與束縛、原子聚集體的統(tǒng)計(jì)力學(xué)等的概念，常�？梢杂脕�(lái)解釋不同類(lèi)型材料的行為。
   再有，各類(lèi)材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段頗具共同之處。雖然不同類(lèi)型的材料各有其專(zhuān)用設(shè)備與生產(chǎn)裝置，但許多方面仍然是相同或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測(cè)試、物理化學(xué)及物理性能測(cè)試儀器等。在材料生產(chǎn)中，許多加工裝置也有通用之處，如擠壓機(jī)對(duì)金屬材料可以用來(lái)進(jìn)行成型或冷加工硬化；而某些高分子材料，在采用擠壓成絲工藝以后，可使有機(jī)纖維的比強(qiáng)度和比剛度大幅度提高；隨著粉末成型技術(shù)和熱致密化技術(shù)的發(fā)展，粉末冶金和現(xiàn)代陶瓷制造已經(jīng)很難找出明顯的區(qū)別。
   最后，以應(yīng)用為目的的材料設(shè)計(jì)打破了不同材料間的界限。在長(zhǎng)期的研究中人們發(fā)現(xiàn)，使得不同類(lèi)型的材料可以相互代替和補(bǔ)充，更能充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的。復(fù)合材料在多數(shù)情況下是不同類(lèi)型材料的組合，特別是出現(xiàn)超混雜復(fù)合材料以來(lái)更為如此。如果對(duì)不同類(lèi)型材料沒(méi)有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及性質(zhì)的理解必然受到影響。