走进材料科学

材料、能源和信息是现代社会三大支柱，经济社会发展对材料的需求是广泛而迫切的。国内支柱产业及高技术产业发展对新材料的需求不断增加，应对能源问题和挑战需要开发能源装备用结构材料和能源储存及转换材料，改善环境、实现人与自然的和谐发展对环境友好材料和环境治理材料不断提出新要求，在自然资源不断枯竭的情况下需要发展新型材料和制备加工技术以及材料的循环使用和回收利用技术，人口健康对生物医用材料的需求包括医疗器械材料、人体植入材料、药物控释材料和早期诊断用新材料，对信息功能材料的需求也趋于多样化和高性能化，航空航天等重大工程和高性能武器装备对新材料提出更高、更苛刻要求。

材料也是社会进步和人类文明的物质基础与先导。人类文明被划分为旧石器时代、新石器时代、铜器时代、铁器时代和现在的硅时代（或者称为电子时代）等，由此可见材料发展对人类社会的影响。目前，材料科学与工程在支撑交通运输、能源动力、资源环境、电子信息、农业和建筑、航空航天、国防军工以及国家重大工程等领域充当着物质基础，发挥着先导作用。在未来时期内，对先进材料需求总体上将呈现如下几个重要趋势：对材料数量和种类的需求在相当长时间内将持续增加；将更加重视材料的质量、可靠性和成本；对能源材料、生物材料、环境材料的需求越来越迫切；在追求更高性能的同时，往往要求材料具有多种功能；更少依赖资源能源，减少对环境的污染和破坏。

目前我国材料生产与科研的整体水平还不高，尚不能完全满足经济和社会发展的需求，同发达国家相比仍具有较大的差距，没有形成比较完整、相对独立的符合国情的材料体系。虽然我国已经是材料大国，特别是传统材料生产能力提高很快，大多基础原材料的产量已经是世界首位，但许多高品质原材料如钢铁、铝、铜、水泥、橡胶、树脂、玻璃等仍需要大量进口。我国传统材料目前都面临提高品质、降低成本、降低能耗和升级换代等问题。新材料跟踪仿制多，拥有自主知识产权尤其是具有原创性的成果少。为此，材料科学与工程领域已成为我国高技术发展的瓶颈。

材料科学与工程是关于材料成分、制备与加工、组织结构、性能及材料使役行为之间相互关系及其应用的学科。材料科学与工程发展至今天，其主要的趋势表现在：纳米材料及纳米结构的研究开发被部署为材料科学研究战略的首位；与信息技术、生物技术、能源技术相关的材料技术得到迅速发展，并日益受到重视；通过不同材料之间的复合化或集成化，优化材料性能或探索高性能新材料体系的研究层出不穷；材料深层次的微结构表征测定、超精细组装加工的新原理、新技术已经成为推动材料科学开拓性发展的重要动力。“材料科学与工程”的任务是研究材料的结构、性能、加工和使用状况四者间的关系。这里所指材料，包括传统材料和各种新型材料；所谓结构，包括用肉眼或低倍放大镜观察到的宏观组织(粗视组织)，用光学或电子显微镜观察到的微观组织，用场离子显微镜观察到的原子象，以及原子的电子结构；所谓性能，包括力学性能、物理性能、化学性能，以及冶金和加工性能等工艺性能；所谓加工，是指包括材料的制备、加工、后处理(再循环处理)在内的各项生产工艺；所谓使用状况，则是指材料的应用效果和反响(例如,有些材料在使用过程中组织结构不稳定，或易受环境的影响，使性能迅速下降)、材料的结构、性能、加工和使用状况这四个因素称为材料科学与工程的四要素。因此，材料科学与工程就是研究四要素之间的关系的一门学科。

当前，人类经济社会发展面临能源、资源、环境等重大挑战，材料研究和使用必须充分关注其全寿命成本，即既要使材料易于制造和加工，具有更好的性能，又要减少对资源和能源的依赖，减少对环境的污染和破坏。因此材料的全寿命成本及其控制技术是材料领域最具广泛性、紧迫性和前瞻性的重大命题。是影响我国未来发展和现代化进程的重大科技问题。目前和未来，围绕材料全寿命成本及其控制技术，其核心科技问题是：①材料使役行为的预测、设计与控制；②材料高效循环利用；③材料结构功能一体化；④材料结构与性能分析检测技术。

为实现由材料大国向材料强国的战略性转变，先进材料发展能够全面满足高新技术、可再生能源、生命与健康、环境保护的需求，支撑并引领人类经济社会发展的目标，未来材料科学与技术的重要突破可能表现在：①计算材料学的发展，使材料组织结构与性能的关系得到系统准确的理解，从而使性能预测和材料设计成为可能，进而精确设计并控制材料制备过程；②在传统材料性能不断升级的同时，各种新材料逐步研究成熟并获得应用，如新型能源信息生物材料、纳米材料等；③实现材料结构功能一体化，进而发展出智能材料技术和高智能多级结构复合材料；④高品质原材料的制备实现高效节能，广泛采用材料绿色制备和低成本高效循环利用技术；⑤材料近终形连续加工技术、材料器件一体化技术、智能可控加工技术得以广泛实施；⑥服役条件包括极端条件下材料性能演化规律和机理得到清晰认识，材料和结构器件的失效过程能被准确评估预测，实现材料寿命周期全过程评估，材料损伤能被监测与修复；⑦随着科学技术的全面进步，可以实现材料实时、原位、宏量的分析测试与表征；⑧材料数据积累不断丰富并系统全面，设计制造和材料选择综合考虑全寿命成本，形成完善的具有我国特色的材料体系。