化學與材料科學檢視原始碼討論檢視歷史
| 化學與材料科學 |
材料科學是研究材料的組織結構、性質、生產流程和使用效能，以及它們之間相互關係的科學。材料科學是多學科交叉與結合的結晶，是一門與工程技術密不可分的應用科學。中國的材料科學研究水平位居世界前列，有些領域甚至居於世界領先水平。
發展簡史
人類社會的發展歷程，是以材料為主要標誌的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精緻的工具，從而進入新石器時代。新石器時代後期，出現了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程中認識了礦石，並在燒陶生產中發展了冶銅術，開創了冶金技術。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。隨着技術的進步，又發展了鋼的製造技術。18世紀，鋼鐵工業的發展，成為產業革命的重要內容和物質基礎。19世紀中葉，現代平爐和轉爐煉鋼技術的出現，使人類真正進入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世並得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業中一直占有主導地位。
20世紀中葉以後，科學技術迅猛發展，作為發明之母和產業糧食的新材料又出現了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，並得到廣泛應用。先後出現尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料並駕齊驅，並在年產量的體積上已超過了鋼，成為國民經濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料製造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊製備工藝的發展，使陶瓷材料產生了一個飛躍，出現了從傳統陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產業，滿足了電力、電子技術和航天技術的發展和需要。
結構材料的發展，推動了功能材料的進步。20世紀初，開始對半導體材料進行研究。50年代，製備出鍺單晶，後又製備出硅單晶和化合物半導體等，使電子技術領域由電子管發展到晶體管、集成電路、大規模和超大規模集成電路。半導體材料的應用和發展，使人類社會進入了信息時代。
現代材料科學技術的發展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯繫，從而出現了一個新的材料領域——複合材料。複合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優越的性能。複合材料作為高性能的結構材料和功能材料，不僅用於航空航天領域，而且在現代民用工業、能源技術和信息技術方面不斷擴大應用。
材料是人類用來製造機器、構件、器件和其他產品的物質。但並不是所有物質都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。材料可按多種方法進行分類。按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和複合材料。按用途分為電子材料、宇航材料、建築材料、能源材料、生物材料等。實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質為基礎，用以製造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而製成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。
材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨着高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術並列作為新技術革命的重要標誌。現代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。
化學的飛躍和化學學科的形成
16世紀開始，歐洲工業生產蓬勃興起，推動了醫藥化學和冶金化學的創立和發展，使鍊金術轉向生活和實際應用，繼而更加注意物質化學變化本身的研究。在元素的科學概念建立後，通過對燃燒現象的精密實驗研究，建立了科學的氧化理論和質量守恆定律，隨後又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律，為化學進一步科學的發展奠定了基礎。
1775年前後，拉瓦錫用定量化學實驗闡述了燃燒的氧化學說，開創了定量化學時期，使化學沿着正確的軌道發展。19世紀初，英國化學家道爾頓提出近代原子學說，突出地強調了各種元素的原子的質量為其最基本的特徵，其中量的概念的引入，是與古代原子論的一個主要區別。近代原子論使當時的化學知識和理論得到了合理的解釋，成為說明化學現象的統一理論。接着意大利科學家阿伏加德羅提出分子概念。自從用原子-分子論來研究化學，化學才真正被確立為一門科學。這一時期，建立了不少化學基本定律。俄國化學家門捷列夫發現元素周期律，德國化學家李比希和維勒發展了有機結構理論，這些都使化學成為一門系統的科學，也為現代化學的發展奠定了基礎。
通過對礦物的分析，發現了許多新元素，加上對原子分子學說的實驗驗證，經典性的化學分析方法也有了自己的體系。草酸和尿素的合成、原子價概念的產生、苯的六環結構和碳價鍵四面體等學說的創立、酒石酸拆分成旋光異構體，以及分子的不對稱性等等的發現，導致有機化學結構理論的建立，使人們對分子本質的認識更加深入，並奠定了有機化學的基礎。
1 9世紀下半葉，熱力學等物理學理論引入化學之後，不僅澄清了化學平衡和反應速率的概念，而且可以定量地判斷化學反應中物質轉化的方向和條件。相繼建立了溶液理論、電離理論、電化學和化學動力學的理論基礎。物理化學的誕生，把化學從理論上提高到一個新的水平。
二十世紀的化學是一門建立在實驗基礎上的科學，實驗與理論一直是化學研究中相互依賴、彼此促進的兩個方面。進入20世紀以後，由於受到自然科學其他學科發展的影響，並廣泛地應用了當代科學的理論、技術和方法，化學在認識物質的組成、結構、合成和測試等方面都有了長足的進展，而且在理論方面取得了許多重要成果。在無機化學、分析化學、有機化學和物理化學四大分支學科的基礎上產生了新的化學分支學科。
近代物理的理論和技術、數學方法及計算機技術在化學中的應用，對現代化學的發展起了很大的推動作用。19世紀末，電子、X射線和放射性的發現為化學在20世紀的重大進展創造了條件。
在結構化學方面，由於電子的發現開始並確立的現代的有核原子模型，不僅豐富和深化了對元素周期表的認識，而且發展了分子理論。應用量子力學研究分子結構，產生了量子化學。
從氫分子結構的研究開始，逐步揭示了化學鍵的本質，先後創立了價鍵理論、分子軌道理論和佩位場理論。化學反應理論也隨着深入到微觀境界。應用X射線作為研究物質結構的新分析手段，可以洞察物質的晶體化學結構。測定化學立體結構的衍射方法，有X射線衍射、電子衍射和中子衍射等方法。其中以X射線衍射法的應用所積累的精密分子立體結構信息最多。
研究物質結構的譜學方法也由可見光譜、紫外光譜、紅外光譜擴展到核磁共振譜、電子自選共振譜、光電子能譜、射線共振光譜、穆斯堡爾譜等，與計算機聯用後，積累大量物質結構與性能相關的資料，正由經驗向理論發展。電子顯微鏡放大倍數不斷提高，人們以可直接觀察分子的結構。
經典的元素學說由於放射性的發現而產生深刻的變革。從放射性衰變理論的創立、同位素的發現到人工核反應和核裂變的實現、氘的發現、中子和正電子及其它基本粒子的發現，不僅是人類的認識深入到亞原子層次，而且創立了相應的實驗方法和理論；不僅實現了古代煉丹家轉變元素的思想，而且改變了人的宇宙觀。
作為20世紀的時代標誌，人類開始掌握和使用核能。放射化學和核化學等分支學科相繼產生，並迅速發展；同位素地質學、同位素宇宙化學等交叉學科接踵誕生。元素周期表擴充了，已有109號元素，並且正在探索超重元素以驗證元素「穩定島假說」。與現代宇宙學相依存的元素起源學說和與演化學說密切相關的核素年齡測定等工作，都在不斷補充和更新元素的觀念。
在化學反應理論方面，由於對分子結構和化學鍵的認識的提高，經典的、統計的反應理論以進一步深化，在過渡態理論建立後，逐漸向微觀的反應理論發展，用分子軌道理論研究微觀的反應機理，並逐漸建立了分子軌道對稱守恆定律和前線軌道理論。分子束、激光和等離子技術的應用，使得對不穩定化學物種的檢測和研究成為現實，從而化學動力學已有可能從經典的、統計的宏觀動力學深入到單個分子或原子水平的微觀反應動力學。
計算機技術的發展，使得分子、電子結構和化學反映的量子化學計算、化學統計、化學模式識別，以及大規模術技的處理和綜合等方面，都得到較大的進展，有的已經逐步進入化學教育之中。關於催化作用的研究，以提出了各種模型和理論，從無機催化進入有機催化和增物催化，開始從分子微觀結構和尺寸的角度核生物物理有機化學的角度，來研究酶類的作用和酶類的結構與其功能的關係。
分析方法和手段是化學研究的基本方法和手段。一方面，經典的成分和組成分析方法仍在不斷改進，分析靈敏度從常量發展到微量、超微量、痕量；另一方面，發展初許多新的分析方法，可深入到進行結構分析，構象測定，同位素測定，各種活潑中間體如自由基、離子基、卡賓、氮賓、卡拜等的直接測定，以及對短壽命亞穩態分子的檢測等。分離技術也不斷革新，離子交換、膜技術、色譜法等等。
合成各種物質，是化學研究的目的之一。在無機合成方面，首先合成的是氨。氨的合成不僅開創了無機合成工業，而且帶動了催化化學，發展了化學熱力學和反應動力學。後來相繼合成的有紅寶石、人造水晶、硼氫化合物、金剛石、半導體、超導材料和二茂鐵等配位化合物。
在電子技術、核工業、航天技術等現代工業技術的推動下，各種超純物質、新型化合物和特殊需要的材料的生產技術都得到了較大發展。稀有氣體化合物的合成成功又向化學家提出了新的挑戰，需要對零族元素的化學性質重新加以研究。無機化學在與有機化學、生物化學、物理化學等學科相互滲透中產生了有機金屬化學、生物無機化學、無機固體化學等新興學科。
酚醛樹脂的合成，開闢了高分子科學領域。20世紀30年代聚酰胺纖維的合成，使高分子的概念得到廣泛的確認。後來，高分子的合成、結構和性能研究、應用三方面保持互相配合和促進，使高分子化學得以迅速發展。
各種高分子材料合成和應用，為現代工農業、交通運輸、醫療衛生、軍事技術，以及人們衣食住行各方面，提供了多種性能優異而成本較低的重要材料，成為現代物質文明的重要標誌。高分子工業發展為化學工業的重要支柱。
20世紀是有機合成的黃金時代。化學的分離手段和結構分析方法已經有了很大發展，許多天然有機化合物的結構問題紛紛獲得圓滿解決，還發現了許多新的重要的有機反應和專一性有機試劑，在此基礎上，精細有機合成，特別是在不對稱合成方面取得了很大進展。
一方面，合成了各種有特種結構和特種性能的有機化合物；另一方面，合成了從不穩定的自由基到有生物活性的蛋白質、核酸等生命基礎物質。有機化學家還合成了有複雜結構的天然有機化合物和有特效的藥物。這些成就對促進科學的發展起了巨大的作用；為合成有高度生物活性的物質，並與其他學科協同解決有生命物質的合成問題及解決前生命物質的化學問題等，提供了有利的條件。
20世紀以來，化學發展的趨勢可以歸納為：由宏觀向微觀、由定性向定量、由穩定態向亞穩定態發展，由經驗逐漸上升到理論，再用於指導設計和開創新的研究。一方面，為生產和技術部門提供儘可能多的新物質、新材料；另一方面，在與其它自然科學相互滲透的進程中不斷產生新學科，並向探索生命科學和宇宙起源的方向發展。
材料科學的形成
材料是早已存在的名詞，但材料科學的提出則是在20世紀60年代。1957年，蘇聯人造地球衛星發射成功之後，美國政府及科技界為之震驚，並認識到先進材料對於高技術發展的重要性，於是在一些大學相繼成立了十餘個材料科學研究中心，從此，材料科學這一名詞開始被人們廣泛地引用。
材料科學的形成是科學技術發展的結果。這是因為，第一，固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等學科的發展，對物質結構和物性的深入研究，推動了對材料本質的研究和了解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學等對材料本身的研究也大大加強，從而對材料的製備、結構和性能，以及它們之間的相互關係的研究也愈來愈深入，這為材料科學的形成打下了比較堅實的基礎。第二，在材料科學這個名詞出現以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料科學都已自成體系，它們之間存在着頗多相似之處，可以相互借鑑，促進本學科的發展。如馬氏體相變本來是金屬學家提出來的，而且廣泛地用來作為鋼熱處理的理論基礎。但在氧化鋯陶瓷材料中也發現了馬氏體相變現象，並用來作陶瓷增韌的一種有效手段。第三，各類材料的研究設備與生產手段也有很多相似之處。雖然不同類型的材料各有專用測試設備與生產裝置，但更多的是相同或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物理性能和力學性能測試設備等。在材料生產中，許多加工裝置也是通用的。研究設備與生產裝備的通用不但節約了資金，更重要的是相互得到啟發和借鑑，加速了材料的發展。第四，科學技術的發展，要求不同類型的材料之間能相互代替，充分發揮各類材料的優越性，以達到物盡其用的目的。長期以來，金屬、高分子及無機非金屬材料學科相互分割，自成體系。由於互不了解，習慣於使用金屬材料的想不到採用高分子材料，即使想用，又對其不太了解，不敢問津。相反，習慣於用高分子材料的，也不想用金屬材料或陶瓷材料。因此，科學技術發展對材料提出的新的要求，促進了材料科學的形成。第五，複合材料的發展，將各種材料有機地聯成了一體。複合材料在多數情況下是不同類型材料的組合，通過材料科學的研究，可以對各種類型材料有一個更深入的了解，為複合材料的發展提供必要的基礎。
材料的分類
按化學狀態分類 金屬材料 無機物非金屬材料 陶瓷材料有機材料 高分子材料
按物理性質分類 高強度材料 耐高溫材料 超硬材料 導電材料 絕緣材料 磁性材料 透光材料 半導體材料
按狀態分類 單晶材料 多晶質材料 非晶態材料 准晶態材料
按物理效應分類 壓電材料 熱電材料 鐵電材料 光電材料 電光材料 聲光材料 磁光材料 激光材料
按用途分類 建築材料 結構材料 研磨材料 耐火材料 耐酸材料 電工材料 電子材料 光學材料 感光材料 包裝材料
按組成分類 單組分材料 複合材料
5材料工程技術編輯
金屬材料成形
機械加工
熱加工
陶瓷冶金
粉末冶金
薄膜生長技術
表面處理技術：表面改性技術、表面塗覆技術
熱處理
材料科學的成果轉化
研究與發展材料的目的在於應用，而材料必須通過合理的工藝流程才能製備出有實用價值的材料來，通過批量生產才能成為工程材料。在將實驗室的研究成果變成實用的工程材料過程中，材料的製備工藝、檢測技術、計算機技術等起着重要的作用。材料的實用研究構成了材料科學與技術的結合點。
製備工藝
材料製備工藝是發展材料的基礎。傳統材料可以通過改進工藝提高產品質量、勞動生產率以及降低成本。新材料的發展與工藝技術的關係更為密切。例如，由於外延技術的出現，可以精確地控制材料到幾個原子的厚度，從而為實現原子、分子設計提供了有效的手段。快冷技術的採用，為金屬材料的發展開闢了一條新路，首先是非晶態的形成，出現了許多性能優異的材料；其次，通過快冷技術得到超細晶粒金屬，提高了材料的性能；此外，通過快冷技術發現了准晶態的存在，改變了晶體學中的某些傳統觀念。許多性能優異、有發展前途的材料，如工程陶瓷、高溫超導材料等，由於脆性和穩定性問題及成本太高而不能大量推廣，這些問題都需要工藝革新來解決。因此，發展新材料必須把工藝技術的研究與開發放在十分重要的位置。現代化的材料製備工藝和技術往往與某些條件密切相聯繫，如利用空間失重條件進行晶體生長等；此外，強磁場、強衝擊波、超高壓、超高真空及強制冷卻等都可能成為材料製備工藝的有效手段。
檢測技術
材料科學的發展在很大程度上依賴於檢測技術的提高。每一種新儀器和測試手段的發明創造，都對當時新材料的出現和發展起到了促進作用。1863年，光學顯微鏡用於金屬材料的研究。隨後又出現了電子顯微鏡、掃描電鏡、高分辨率電鏡，其點分辨率在0.2納米左右，足以觀察到原子，為研究材料的內部組織結構提供了先決條件。而後又出現掃描透射電鏡、掃描隧道顯微鏡，不但可以觀察到原子，分析出微小區域的化學成分和結構，還可用來進行原子加工，為在微觀結構上設計新材料打下了基礎。
檢測技術又是控制材料工藝流程和產品質量的主要手段，其中無損檢測不但可以檢查材料的宏觀缺陷，還可監控裂紋的萌生和發展，為材料的失效分析提供了依據。各種檢測用傳感器，利用物理、化學或生物原理來傳遞材料在使用和生產過程中所產生的信息，從而達到控制產品質量的目的。隨着科學技術的發展，各種檢測技術和檢測裝置不斷更新，適應在線、動態及各種惡劣環境測試的檢測裝置將用於材料的研究和生產中。
計算機輔助設計
利用計算機技術進行材料設計是發展新型材料的重要手段。材料設計通常分為3個層次。第一個是微觀層次，即運用統計力學與量子力學來研究原子與分子的集體行為。第二個是顯微層次，其大小在微米以上，研究的是許多原子或分子在一定範圍內的平均性質，如形變、磁性等，一般用連續統計方程來描述。第三個層次是宏觀層次，如宏觀性能、生產流程與使用性能間的關係，材料的斷裂以及微觀結構的形成等。計算機技術可以把3個層次的因素都考慮在內，通過建立模型，進行計算機模擬，得出符合預期性能的新材料的最佳成分、最佳結構和最合理的工藝流程。計算機的高速計算能力、巨大的存儲能力和邏輯判斷能力與人的創造能力相結合，可對材料設計提出創造性的構思方案；可從存儲的大量資料中進行檢索和方案比較；可在總體設計和局部設計中進行大量的、非常複雜的數學和力學計算；可對設計方案進行綜合分析和優化設計，確定設計圖樣，提供組織生產的管理信息。這種設計方案大大提高了設計質量，縮短了設計周期，為開發新材料和新工藝創造了條件。
材料的應用研究
材料的廣泛應用是材料科學與技術發展的主要動力。在實驗室具有優越性能的材料，不等於在實際工作條件下能得到應用，必須通過應用研究做出判斷，而後採取有效措施進行改進。材料在製成零部件以後的使用壽命的確定是材料應用研究的另一方面，關係到安全設計和經濟設計，關係到有效利用材料和合理選材。材料的應用研究還是機械部件、電子元件失效分析的基礎。通過應用研究可以發現材料中規律性的東西，從而指導材料的改進和發展。[1]