材料科学/介绍
不同的材料具有不同的性质。想想汽车的发动机和车轮之间的差异；电线中的金属及其绝缘体。所有这些物体只能用具有适合其应用的性质的材料制成。材料科学是研究材料性质的学科。它侧重于使一种材料与另一种材料不同的因素。可以理解的是，存在许多这样的因素，一些是明显的，一些是微妙的。这些因素的例子可能包括元素组成、排列、键合、杂质、表面结构、长度尺度等等。理解这些因素与材料性质之间关系的能力对于人类的大多数技术突破至关重要。如今，材料科学是一门多学科的学科。它借鉴了几乎所有科学和工程领域，为其他研究人员在其领域使用提供了见解。
本书面向在大学学习材料科学的本科生，无论是作为他们的主修专业，还是作为相关工程课程的单个模块。
材料科学是一个跨学科领域，涉及物质的性质及其在科学和工程各个领域的应用。它包括应用物理学和化学的元素，以及化学工程、机械工程、土木工程和电气工程。近年来，随着纳米科学和纳米技术的关注度不断提高，材料科学在许多大学中被推到了最前沿，有时还存在争议。
一个时代的材料选择往往是其决定性因素：石器时代、青铜时代和钢铁时代就是例子。材料科学是最古老的工程和应用科学形式之一。现代材料科学直接起源于冶金学，而冶金学本身又起源于采矿。19 世纪后期，威拉德·吉布斯证明了与不同相原子结构相关的热力学性质与材料的物理性质有关，这标志着人们对材料理解的一次重大突破。现代材料科学的重要元素是太空竞赛的产物：对用于建造航天器的金属合金和其他材料的理解和工程是太空探索的推动力量之一。材料科学推动了塑料、半导体和生物材料等革命性技术的开发，同时也受到这些技术的推动。
在 20 世纪 60 年代之前（在某些情况下，在 20 世纪 60 年代之后几十年），许多材料科学系被称为冶金系，这是因为在 19 世纪和 20 世纪初，人们主要关注金属。从那时起，该领域已经扩展到包括所有类型的材料，包括：陶瓷、聚合物、半导体、磁性材料、医用植入材料和生物材料。
在材料科学中，人们不是随意地寻找和发现材料并利用它们的性质，而是旨在从根本上理解材料，以便能够创造出具有所需性质的新材料。
所有材料科学的基础都涉及通过表征将材料在特定应用中的所需性质和相对性能与该材料中原子和相的结构联系起来。材料结构的主要决定因素及其因此的性质是其组成化学元素以及它被加工成最终形式的方式。这些因素共同作用，并通过热力学定律联系起来，决定了材料的微观结构，从而决定了其性质。
材料科学中的一句老话是：“材料就像人一样，正是缺陷使它们变得有趣”。制造出完美材料晶体在物理上是不可能的。相反，材料科学家会操纵晶体材料中的缺陷，例如析出物、晶界（霍尔-佩奇关系）、间隙原子、空位或替代原子，创造出具有所需性质的材料。
并非所有材料都具有规则的晶体结构。聚合物显示出不同程度的结晶度。玻璃、某些陶瓷和许多天然材料是无定形的，在其原子排列中没有任何长程有序。这些材料比晶体材料更难设计。聚合物是一种混合情况，它们的学习通常结合了化学和统计热力学的元素，以给出热力学的，而不是机械的物理性质描述。
除了工业兴趣之外，材料科学逐渐发展成为一个领域，为凝聚态物理或固态理论提供测试。由于需要解释各种新的材料性质，因此出现了新的物理学。
材料方面的重大进步可以推动新产品的创造，甚至可以推动新行业的产生，但稳定的行业也雇用材料科学家来对目前使用的材料进行渐进改进和故障排除。材料科学的工业应用包括材料设计、工业生产材料的成本效益权衡、加工技术（铸造、轧制、焊接、离子注入、晶体生长、薄膜沉积、烧结、玻璃吹制等）和分析技术（表征技术，如电子显微镜、X 射线衍射、量热法、核显微镜（HEFIB）、卢瑟福背散射、中子衍射等）。
除了材料表征之外，材料科学家/工程师还处理材料的提取及其转化为有用形式。因此，铸锭、铸造技术、高炉提取、电解提取都是材料科学家/工程师必须具备的知识的一部分。通常，大量材料中微量次要元素和化合物的存在、不存在或变化会对所生产材料的最终性质产生很大影响，例如，钢根据其所含碳和其他合金元素的重量百分比进行分类，其重量百分比分别为 1/10 和 1/100。因此，高炉中铁的提取和提纯技术将影响可能生产的钢的质量。
物理学和材料科学之间的重叠导致了材料物理学这一分支学科的出现，该学科关注材料的物理性质。这种方法通常比凝聚态物理学更宏观、更应用。有关该研究领域的更多详细信息，请参阅材料物理学的重要出版物。
金属合金是材料科学中一个重要且重要的组成部分。在今天使用的所有金属合金中，铁的合金（钢、不锈钢、铸铁、工具钢、合金钢）在数量和商业价值上都占最大比例。铁与不同重量百分比的碳合金化形成低碳钢、中碳钢和高碳钢。对于钢来说，钢的硬度和抗拉强度与碳含量直接相关，而碳含量的增加会导致延展性和韧性降低。添加硅和石墨化将产生铸铁（尽管某些铸铁是专门制造的，没有任何石墨化）。向碳钢中添加铬、镍和钼（超过 10%）将产生不锈钢。
其他重要的金属合金包括铝、钛、铜和镁的合金。铜合金已经存在很长时间了（在青铜时代），而其他三种金属的合金则是在最近才发展起来的，因为这些金属的化学反应性以及由此带来的提取难度，直到最近才通过电解法实现。铝、钛和镁的合金也因其高强度重量比而闻名和珍贵，镁合金还因其提供电磁屏蔽的能力而闻名。这些材料在需要高强度重量比的特殊应用中得到了应用（航空航天工业）。
除了金属之外，聚合物和陶瓷也是材料科学的重要组成部分。聚合物是用于制造我们通常所说的塑料的原材料（树脂）。塑料实际上是多种聚合物和添加剂经过加工和成型后形成的最终产品。广泛使用且现已广泛使用的聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚酯、丙烯酸树脂、聚氨酯、聚碳酸酯。塑料通常分为“商品塑料”、“特种塑料”和“工程塑料”。
PVC 是一种商品塑料，应用广泛，成本低，年产量巨大。它适用于各种各样的应用，从人造革到电气绝缘、电缆到包装和容器。它的制造和加工简单且成熟。PVC 的多功能性归功于它可以接受的各种添加剂。聚合物科学中的添加剂是指添加到聚合物基质中以改变其物理和材料性质的化学物质和化合物。
聚碳酸酯通常被认为是一种工程塑料（其他例子包括 PEEK、ABS）。工程塑料因其优异的强度和其他特殊材料性质而受到重视。与商品塑料不同，它们通常不用于一次性应用。
特种塑料实际上是指具有独特特性的材料，例如超高强度、导电性、电致发光、高热稳定性等。
这里应该注意的是，各种塑料之间的界限不是基于材料，而是基于它们的性质和应用。例如，聚丙烯（PP）是一种廉价、光滑的聚合物，通常用于制造一次性购物袋和垃圾袋。它属于商品塑料。但有一种称为超高分子量聚丙烯（UHMWPE）的 PP 是一种工程塑料，被广泛用作工业设备的滑动导轨。
材料科学在工业中的另一个应用是复合材料的制造。复合材料是由两种或多种不同宏观相组成的结构材料。例如，钢筋混凝土。此外，请查看您的电视机、手机的塑料外壳：这些塑料外壳通常是由热塑性树脂基体（如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)）制成的复合材料，其中添加了碳酸钙粉笔、滑石粉、玻璃纤维或碳纤维（分散剂）以增强强度、体积或静电分散。