材料科学/导论
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区别；电线中的金属及其绝缘体。所有这些物体只能由具有适合其应用的性能的材料制成。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，存在许多这样的因素，一些是明显的，一些是微妙的。这些因素的示例可能包括元素组成、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能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，材料科学是一门跨学科学科。它利用几乎所有科学和工程领域，为其他研究人员在其领域中使用提供见解。
本书面向在大学学习材料科学的本科生，无论作为他们的主要领域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各个科学和工程领域的应用。它包括应用物理和化学的元素，以及化学、机械、土木和电气工程。近年来，纳米科学和纳米技术受到媒体的广泛关注，材料科学在许多大学中被推到了最前沿，有时还存在争议。
某个时代的材料选择往往是其定义点：石器时代、青铜器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，而冶金学本身则起源于采矿。在 19 世纪后期，人们对材料的理解取得了重大突破，当时吉布斯证明了与不同相中原子结构相关的热力学性质与材料的物理性质有关。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因素之一。材料科学推动了革命性技术的发展，如塑料、半导体和生物材料，并被这些技术所推动。
在 20 世纪 60 年代之前（在某些情况下，在 20 世纪 60 年代后的几十年里），许多材料科学系被称为冶金系，这是 19 世纪和 20 世纪初对金属的重视。该领域自那时起已扩展到包括所有类别的材料，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，人们的目标不是随意地寻找和发现材料并利用它们的性质，而是从根本上理解材料，以便可以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所需的性能和相对性能与其结构中的原子和相联系。材料结构的主要决定因素，因此也决定了其性能，是其组成化学元素及其最终形式的加工方式。这些因素共同作用并通过热力学定律联系在一起，控制着材料的微观结构，从而控制着材料的性能。
材料科学中的一句古老格言说：“材料就像人一样；是缺陷使它们变得有趣”。制造出完美晶体的材料在物理上是不可能的。相反，材料科学家操纵晶体材料中的缺陷，如析出物、晶界（霍尔-佩奇关系）、间隙原子、空位或替位原子，创造出具有所需性能的材料。
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、一些陶瓷和许多天然材料是无定形的，在其原子排列中不具有任何长程有序性。这些材料比晶体材料更难设计。聚合物是一个混合案例，它们的学习通常将化学和统计热力学的元素结合起来，从而给出物理性质的热力学描述，而不是机械描述。
除了工业兴趣之外，材料科学逐渐发展成为一个为凝聚态或固态理论提供测试的领域。由于需要解释多种新材料性能，因此出现了新的物理学。
激进的材料进步可以推动新产品的创造，甚至可以推动新行业的创造，但稳定的行业也雇佣材料科学家来对当前使用的材料进行增量改进和解决问题。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、吹制玻璃等）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的形式。因此，铸锭铸造、铸造技术、高炉提取、电解提取都是材料科学家/工程师所需知识的一部分。通常，主体材料中微量次要元素和化合物的存在、缺失或变化会对所生产材料的最终性能产生重大影响，例如，钢的分类是根据其所含碳和其他合金元素的重量百分比的 1/10 和 1/100 来进行的。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。
物理和材料科学之间的重叠导致了材料物理学的分支领域，该领域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，请参阅材料物理学中的重要出版物。
金属合金是材料科学中一个重要且重要的组成部分。在当今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。铁与各种重量百分比的碳合金化得到低碳钢、中碳钢和高碳钢。对于钢材，钢的硬度和抗拉强度与碳的含量直接相关，而碳含量的增加会导致延展性和韧性降低。加入硅和石墨化将产生铸铁（尽管有些铸铁是专门在没有石墨化的情况下制成的）。在碳钢中加入铬、镍和钼（超过 10%）会得到不锈钢。
其他重要的金属合金是铝、钛、铜和镁的合金。铜合金早已为人所知（在青铜器时代），而其他三种金属的合金则是近来才发展起来的，这是由于这些金属的化学反应性和由此产生的提取难度，直到最近才通过电解方法得以解决。铝、钛和镁的合金也因其高强度重量比而闻名和珍贵，并且在镁的情况下，它们能够提供电磁屏蔽。这些材料在需要高强度重量比的特殊应用中得到应用（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称为塑料的原材料（树脂）。塑料实际上是许多聚合物和添加剂经过加工和成形后最终形成的最终产品。目前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、丙烯酸酯、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，它应用广泛、成本低廉，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完善。PVC 的多功能性归功于它接受的各种添加剂。聚合物科学中的添加剂是指添加到聚合物基体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的材料性能而受到重视。它们通常不用于一次性应用，不像商品塑料。
特种塑料实际上是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。
应该在这里指出，各种类型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。它是商品。但一种叫做超高分子量聚丙烯 (UHMWPE) 的 PP 是一种工程塑料，广泛用作工业设备的滑轨。
材料科学在工业中的另一个应用是制造复合材料。复合材料是由至少两种不同宏观相组成的结构材料。一个例子是钢筋混凝土。另外，看看你的电视机、手机的塑料外壳：这些塑料外壳通常是由热塑性树脂（如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)）制成的复合材料，其中加入了碳酸钙粉笔、滑石、玻璃纤维或碳纤维（分散剂），以增强强度、体积或静电分散。