关于材料科学与工程的思考

人类科学技术的发现和发明创造导致现代信息、能源、原子能、航空航天等高技术领域的巨大成就。而材料经过几千年的演变，尤其是20世纪以来，高新技术蓬勃发展，材料科学发生了巨大变化，形成了目前国际公认的一个重大领域—— — 材料科学与工程系统（ MSE ）。
人类对材料认识有4个层面，最下一层为应用技术，依次为技术理论、科学理论，最高层面为哲学。认识MSE 的发展规律，就是从上述4个层面提高对材料的理性认识，从而打造新材料，全面提高我国材料水平，增强国际竞争能力。

一、材料科学与工程系统的产生和发展。
在20世纪70年代，《材料、人类的需求》一书给材料下了一个定义：“材料是有一定性能的物质，可以用来制成一些机器、器材、结构和产品”。现在看来这样界定“材料”，已经不够全面，缺乏科学性和前瞻性。因为从材料的“要素”看，人们必然希望材料具有某些性能，也要进行加工，但在使用过程中，要有良好的表现；另外，生态环境制约材料的可持续发展。科技进步推动材料领域的发现或发明层出不穷，如18 ～19 世纪显微镜的使用，让人们看到了钢的内部组织，发现了钢的晶粒，且有不同的“相”。这使人们认识到金属的晶体结构。20世纪，物理学家和化学家研究原子和原子间的作用力，由此估计到固体物理强度（微观强度），这个强度要比材料的实际强度（宏观强度）大1000 倍，于是人们开始关注材料塑性，进而发现固体材料中存在这样那样的缺陷，材料内部组织结构是控制材料强度或者功能的一个重要因素。第二次大战后，由物理学家开始进行固体结构和性质关系的研究，在物理学领域分出“固体物理”这个分支，并高度重视固体材料，这对 MSE 的认识是一个重大突破。
考查20世纪的诺贝尔物理学、化学奖，发现物理学家、化学家对材料领域做过许多贡献，但是新材料领域都没有生物学家授奖。由于生命科学的巨大发现特别是基因重组，对 MSE发展翻开了新的一页，把细胞可能降解机理与高分子相结合，创造出“组织工程”材料，还有人利用 DNA 片段将纳米金属粒子组装或排列，这些诱人的前景和创新的潜能，必将在21世纪材料科学与工程有更大的突破。还有一种新材料的制造方法，是把生物本身当成材料的制造工厂，可节省资源，并与环境友好。

二、材料制造的基本方法与“四个要素”
人类通过对自然界复杂物质体系的认识与改造，发现性质稳定的简单物质，按人类要求组成复杂可控物质体系。材料科学化和体系的形成，是历史上人类知识的积累，也是科学发展的必然产物。
1、材料制造的基本方法
20世纪末，材料专家总结了材料制造的经验，认为化合与提纯，有序与无序、多维与低维，均质与复合等是材料制造的基本方法。
1）化合与提纯
“化合”制造材料是形成材料系列的最基本方法之一。依据不同元素和材料内在结构，确定某一材料的性质，按照材料所需要的功能要求，通过合金化以及化合、聚合等方法，可制造出品质优良的系列材料。
“提纯”是去除材料中有害元素、有害相、有害化合物而获得优良材料的重要方法。材料性能不能达到规定指标的要求，原因往往是由于杂质含量超过了规定的界限。
2）有序与无序
有些新材料的形成又是依据下述有序与无序相互转换规律：一是形成一定尺寸的单晶体、共晶体，使其 具有良好的高温性能；另一种是形成超细晶粒，从而产生良好的中温性能和超塑性；此外具有晶体结构的材料发生非晶转变后会出现特别优异的性能，同样有些具有非晶态的材料在晶体转化后也会大幅度提高性能。总之，材料内部结构的这种有序与无序转变，是形成材料高性能的内部机制。
3）多维与低维
一般认为，铸锭、棒材、浇铸体等为三维材料，板材（薄板）为二维材料，线材（纤维材料）为一维材料，而超细粉体特别是纳米粉则称为零维材料。一般讲，材料的空间维数越低，制成的零件功能越理想。
4）均质与复合
材料内部的组分不均匀分布与偏析现象会降低材料性能，因此，材料在组分、组织和性能上的均匀性便是材料能否应用的重要条件。然而，现代新材料形成的另一个特点是材料复合化。复合材料是把金属、无机非金属、高分子等材料组合起来的一种多相材料。复合材料的设计自由度很大，不仅可在组分选择上调整还可以改变各组分的体积百分数以满足所需的性能要求，从而可使复合材料具有轻质高强以及其它综合优良的性能，特别可发挥复合材料效应，即产生原始组分所不具备的性能，应用 于高技术领域。
2、 M SE 四个要素
20世纪60 年代逐步形成材料科学与工程体系（ MSE ）。它的特征就是把种种科技内容统一和涵盖在“四个要素”之中。正是对这四个基本要素不断的追求和探索，才使材料不断创新发展。也可以说，新方法、新结构、新性能、新应用是发展新材料或 MSE永恒的课题。下图是表述 MSE 的四个基本要素的图形。
1）成分和结构：从我们熟悉的铁碳平衡图可以知道，钢铁材料中添加其它元素构成三元素合金时，平衡图中的各各特点和反应点以及合金的固态组成都会发生变化。添加某些合金元素，可以调整钢铁材料中“相”的组成，从而可以制造出千千万万的具有各种性能的材料。
人们把成分/结构看成是开发材料的一把钥匙，这把钥匙打开了材料科学与工程的大门。所以，从当年的“冶金”学科中分化出来的“物理冶金”，它的主要内容就是认识材料内部的结构以及结构与性能的关系，只有理解和控制材料的结构，才能得到人们所追求的材料性能。
2）合成和加工：材料的合成和加工是控制材料成分结构的必要手段。
钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们内部的结构，达到预期的性能。合成和加工决定产品的质量、成本和竞争力。
3）性质：材料性能是人们追求的第一目标。20世纪材料发展，对材料性能要求越来越高，甚至集多能于一身。这就是材料要有“一次性能”，还得有很好地“二次性能”或“多次性能”。
在追求材料性能的背后是对材料理论性的深入了解。不论是对大量使用的基础材料还是高技术材料的开发研究，都是为赋予它们有更好更奇异的性能。功能材料，可以实现声、光、电、磁、热、力之间转换，已经创造出许多具有特殊性能的神奇材料。
4）表现：表现是对材料应用过程中的评价，使用表现也是材料给人的一种知识反馈，成为材料科学与工程的一个要素。对材料使用表现的研究是非常必要的。材料使用表现是 MSE 发展中的一个基本要素，这个要素内涵着深刻而丰富的知识。只要材料是为着某种目的在某种特殊环境下使用，这个要素将永远存在和发展下去。上述“四个要素”是基本的，缺一不可的。它们之间也不能按重要性排出名次来，就是说都很重要。

三、材料发展的动力与相关因素
市场需求的矛盾，是材料发展的动力。然而材料的发展又与科学技术密切相关，是市场无法替代的。
1、材料与基础学科
材料生产技术科学化，体现了现代自然科学的威力不仅在于它创造成批高新技术材料，而且还在于它把新的血液输入到那些传统材料领域，改变生产技术和实现技术创新。物理、化学、力学、生物等基础学科在理论方面取得的突破，为材料的迅速发展创造了条件。同样，材料研究中的新发现、新现象又激励基础科学的发展。
2、材料与生产工艺
要获得具有新结构和新功能的材料，必须使材料与制造工艺结合起来。新材料的发展，会产生传统工艺无法解决的问题，为了充分发挥新材料的性能优势，必须发展相应的制造技术，也就是基于先进材料的研制与应用提供了设备条件和工艺基础。
3、材料与设计
传统设计属静强度设计，目前已发展为等强度设计、损伤容限设计，追求材料的性能和综合性能材料技术的发展又促进了设计思想的转变。用材料的微观机理发展材料的宏观功能，是认识材料与发明新材料的基本方法。控制材料的微观结构，实现材料的新功能，而要满足新的功能要求，就必须改变材料的微观结构。微观控制技术与宏观表征技术相互促进，创新发展。
4、材料性能与检测分析
日前，材料和产品开发微观研究，光学显微镜可分辩率能力已不够用。必须利用电子显微镜观察排列细 微的“原子像”和原子排列中出现的多种缺陷，还可以对样品加热和加载来观察原子的动态变化。20世纪末期，出现扫描遂道显微镜（ STM ）和原子显微镜（ AFM ），为人们了解材料表面，甚至对表面原子层的测量提供了新的工具。
5、材料功能集成效应与寿命效应
为了保证材料功能，一是要重点保证具有特别优异性能，而其它性能不发生明显变化；二是使材料在同时具有特别优异的性能，而且其它方面仍然保持可用水平。材料的功能集成是满足使用寿命的必然途径。材料一般都具有一定生命用期，过一段时间又会被更新的材料或同一材料所替代。各种材料均具有相应的使用寿命。如产品老化寿命、疲劳寿命等，它们都是由材料组织结构、制造工艺和使用环境决定的。影响材料寿命的因素主要有技术因素，包括材料技术的特性、成熟程度、试验与处理方法、技术难度等。社会因素，如价格、资源、环境等。

四、新材料与高技术群
材料高技术群包括信息材料、能源材料、航空航天材料、海洋开发材料、生物材料和纳米材料等。高技术材料是在传统材料的理论、制造工艺的基础上发展起来的，而又不同于传统材料。
1、强韧化原理：工程结构材料要从材料的成分、工艺、组织、性能的内在联系寻求材料的强度与韧性的最佳配合。材料的强化手段包括基体强化、固溶强化、位错强化和析出强化以及细晶强化。
新一代钢铁材料，主要是通过组织细化理论与控制技术手段，使超细晶钢的强度成倍增加：如低碳钢（组织为铁素体＋珠光体），强度бs 由200 MPa 提高到400 MPa牷低（微）合金钢（低碳贝氏体或针状铁素体）强度бs 由400 MPa 提高到800 MPa牷而合金结构钢（回火马氏体或贝/马原复相钢）бs 由800 MPa 提高到1500 Mpa 。
2、快速凝固与非晶态：快速凝固与非晶态工艺可改变金属材料内部晶态结构，成为超细晶态、亚稳相或非晶态。即材料内部原子排列呈无序状态，进而使材料或具有永磁，或者具有形态记忆等特殊性能。这项工艺是材料科学与工程的前沿技术之一，采用这种工艺方法生产的高硅钢、Nd － Fe － B 永磁合金、 Ni － Ti 形状记忆合金等，上述金属都难以型变，只有直接制成产品。非晶材料唯一缺点是不稳定，人们追求微晶材料，凝固冷却速率极短，快速凝固可以扩大多数合金元素在钢铁中的固溶度，大幅度减少偏析，并得到远小于通常铸造凝固时的晶粒尺寸。快速凝固技术可生产非晶和微晶多层复合材料以及弥散型复合材料。
3、材料表面科学技术：这项技术是研究材料表面层的化学成分、微观精细结构、电子层态和振动谱的规律，与材料的应用科学有十分密切的关系。材料表面的性质，往往决定了材料的性能和使用寿命。这项技术是 21世纪新一代高强高韧微合金化钢的基础研究的主要方向。涂镀和表面改性是一种材料改善使用特性的方 法，最常用的有镀锌、镀铝、镀锡和彩涂。广泛应用于建筑装修、汽车制造、轻工、商业储运、农业和食品行业。表面改性是借助离子束、激光等新工艺，使表面相变硬化、表面熔融、激光涂镀和表面合金化。
4、材料的合金设计：现代合金设 计以传统的铁碳平衡和相变的组织结构为基础。但现代合金设计已由宏观设计转入介观设计和微观设计。所谓介观设计也称材料性能预测与控制模型。该模型建立的前提是弄清强度与韧性以及金属学因子（晶粒度、组织、析出物加工硬化和结构等）的关系，为此抽象出3个要素，即晶粒度，组织和析出相，利用计算机，建立各种模型。我国开发的低合金高强度钢（ HSCA ）计算机合金设计系统，该系统包括了奥氏体化、相变、沉淀和组织性能的关系模块，并开发了材料优化设计的软件，已用于新一化高强高韧微合金钢的基础研究。所谓微观合金设计，就是利用量子力学第一原理来探明微合金元素奥氏体中的作用机制，找出规律性，为合金设计提供理论依据。

五、材料与循环经济
循环经济是材料工业现代化和可持续发展的必经之路。循环经济是以物质、能量闭环流动为特征的生态 经济。它的目标将清洁生产，生态工业、持续农业、绿色能源和废物处理等环节融为一体，形成企业的内部循环、生产之间的循环，社会整个循环，物质循环，遵循资源的节约（ Reduce ），回收（ Recgcle ）和再利用（ Reuse ）的三大原则。以尽可能少的原料和能源投入来达到即定生产和消耗的目的。在经济活动中降低消耗和减少排放，并将生产过程中产生的费弃物作为二次资源，通过使用先进技术加以回收和再利用。
21世纪，可持续发展与循环经济是发展材料的重要战略，是科学发展科学观的核心，循环经济的具体内涵 在人们认识提高的基础上还将不断丰富。目前我们认为，材料领域的循环经济框架大体为：
○ 开发利用绿色资源：太阳能材料，H 2能燃料电池。水能、地热能和风能等开发利用所需的能源材料。
○ 材料的绿色制造和生产：材料及制品在生产过程中，能耗物耗最低，所占时间、空间最小，如钢铁冶金的高炉炼铁改为熔融还原法，利用废钢的电炉连铸连轧短流程工艺，实现钢铁生产工艺的变革。材料及制品自身要求质量品种优良，强度韧性合理匹配，经久耐用，环境适应性好，利于降解回收，修复和多项利用；
○ 环境协调材料：在可能的情况下尽量使用天然材料，如木材、竹材、石材等。这种材料或者可以再生或者无需人工制造。但是，使用这些材料要砍伐树木、竹林，破坏生态环境。以钢代木（竹）或以铝代木（竹）是可行的办法。
○ 可降解材料：生活、工农业生产中使用的不可降解塑料，造成严重的白色污染，而对这些材料处置成本高，再利用价值低。所以研制生产可降解的塑料是当务之急；
○ 环境修复材料：环境修复材料包括吸附污染的材料、净化过滤材料、汽车尾气的催化材料等，要大力开展应用，以修复和改善环境。
○ 材料的回收和多次利用：例如贵金属类材料必须设法全部回收；钢铁废料是可回收再生产的原料。另外电器拉圾回收和高分子制品“鲜聚”实现了难降解材料循环利用。发挥材料自身的潜能是材料可持续发展的重要因素。
○ 生物冶金：生物冶金可替代贵金属火法、水法冶金（包括回收再利用）。减少能源资源消耗，防止污染环境。

来源：《世界金属导报》2004年第28期