材料科学 应用数学.doc

材料科学 综述 材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的 应用科学。 中国的材料科学研究水平位居 世界前列，有些领域甚至居于世界领先水平。 材料是人类用来制造 机器、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般都不算作材料。材料可按多种方法进行分类。按 物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机 高分子材料和复合材料。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、 能源材料、生物材料等。实际应用中又常分为 结构材料和 功能材料。结构材料是以 力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有 物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或 生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如 半导体材料、 超导材料、 光电子材料、 磁性材料等。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代，人们把信息、材料和 能源作为社会文明的 支柱。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、 生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为 国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。 发展简史 人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。100万年以前，原始人以石头作为工具，称旧 石器时代。1万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿和精致的工具，从而进入新石器时代。新石器时代后期，出现了利用粘土烧制的陶器。人类在寻找石器 过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了 冶金技术。 公元前5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年，人类开始使用铸铁，从而进入了 铁器时代。随着技术的进步，又发展了钢的制造技术。18世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后， 科学技术迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成 高分子材料问世，并得到广泛应用。先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼纶、 合成橡胶、新型工程塑料、高分子合金和 功能高分子材料等。仅半个世纪时间，高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱，并在年产量的 体积上已超过了钢，成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是 陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用 自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制备工艺的发展，使陶瓷材料产生了一个飞跃，出现了从 传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型 功能陶瓷形成了产业，满足了电力、电子技术和 航天技术的发展和需要。 　　结构材料的发展，推动了功能材料的进步。20世纪初，开始对半导体材料进行研究。50年代，制备出锗 单晶，后又制备出硅单晶和 化合物半导体等，使电子技术领域由电子管发展到 晶体管、集成电路、大规模和 超大规模集成电路。半导体材料的应用和发展，使人类社会进入了信息时代。 现代材料科学技术的发展，促进了金属、非金属 无机材料和高分子材料之间的密切联系，从而出现了一个新的材料领域—— 复合材料。复合材料以一种材料为基体，另一种或几种材料为增强体，可获得比单一材料更优越的性能。复合材料作为高性能的结构材料和功能材料，不仅用于航空航天领域，而且在现代民用工业、 能源技术和信息技术方面不断扩大应用。 材料科学的形成 材料是早已存在的名词，但材料科学的提出则是在20世纪60年代。1957年， 苏联人造地球卫星发射成功之后，美国政府及科技界为之震惊，并认识到 先进材料对于高技术发展的重要性，于是在一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心，从此，材料科学这一名词开始被人们广泛地引用。 材料科学的形成是科学技术发展的结果。这是因为，第一，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等 学科的发展，对 物质结构和物性的深入研究，推动了对材料 本质的研究和了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学等对材料本身的研究也大大加强，从而对材料的制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入，这为材