什么是材料

在親朋聚會，與人閑談時，總會有人問我，什么是材料。其實這個問題從我一開始涉足材料領(lǐng)域至今仍一直困擾著我。給材料一個清晰又明確定義，著實不易。當(dāng)人們聽到“物理”，便會聯(lián)想到聲光電熱力，聽到“化學(xué)”，便會聯(lián)想到一個邪惡博士躲在一間小黑屋里搗騰著各種藥水，當(dāng)人們聽到機械，一個機器人便會在腦海中翩翩起舞......當(dāng)人們聽到材料，第一反應(yīng)便是“what”。究竟是什么讓材料顯得如此神秘。

自從我踏入大學(xué)的第一天起，便有許多老師和學(xué)長給出了許多關(guān)于材料的定義，似乎每一個從事材料領(lǐng)域的人對材料都有著不同的見解，其中最經(jīng)典的一個定義便是“材料是用于制造一切有用物品的可用之物”。從數(shù)千年起，便有許多人試圖給“人”作一個定義，有的甚至想給宇宙一個定義,時至今日，仍然未能達(dá)成共識。要給材料一個明確的定義恐怕會限制了對材料的認(rèn)識，材料源于自然，源于宇宙，但目前人類對宇宙自然的認(rèn)識仍然停留在較低的水平。那么材料對人類來說也是神秘的。如果必須要給材料一個定義，那么姑且先按那個最經(jīng)典的定義作為參考吧。

當(dāng)朋友問我，材料學(xué)子將來會從事怎樣的工作時，為了活躍氣氛，我一般都會戲稱自己是打鐵的、造瓶子的、刷油漆的。確實，打鐵的過程涉及鐵的鍛壓、熱處理及化學(xué)熱處理、造瓶子涉及材料成型、刷油漆涉及了材料的表面處理，這些都是與材料科學(xué)息息相關(guān)的。

材料為何特殊

一個新興學(xué)科的興起總會存在這樣那樣的問題，作為一個材料學(xué)子，雖然已是大三，但對科學(xué)和工程的概念仍然模糊。材料涉及到物質(zhì)，則必然與物理化學(xué)等自然學(xué)科有著重要的聯(lián)系。物理研究的是宇宙的組成要素及其相互作用，是一門結(jié)合理論推導(dǎo)和實驗證明的精確學(xué)科。而化學(xué)是在原子層次上研究原子的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的，主要側(cè)重于實驗證明與制備的科學(xué)。材料作為一門交叉學(xué)科，兼具了物理學(xué)對固有物質(zhì)規(guī)律的研究和化學(xué)合成新物質(zhì)的研究。如水的結(jié)冰,研究的是晶體的生長規(guī)律，這種關(guān)系通常是有規(guī)可循的。而改性實驗則是加入一些物質(zhì)元素使之在不同層次上形成一些有利于材料綜合性能的組織組成，也就相當(dāng)于化學(xué)的合成新物質(zhì)。材料也更注重于實驗研究，是一門實實在在的實驗科學(xué)。此外，材料科學(xué)雖然在不同程度上受到各個學(xué)科的影響，但材料科學(xué)也保留了其自身的一些特性。之前我們就給過一個定義，材料是制造一切有用物品的可用之物。說明材料科學(xué)比物理化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科更注重實用性，材料的性能改善要明顯，從研發(fā)到投入使用、制定好合適的工藝流程的周期要非常短。而且其工藝流程有時甚至比新材料研發(fā)更為重要。在學(xué)習(xí)材料課程的時候，有時也會學(xué)習(xí)一些機械課程，講到材料的應(yīng)用難免與機械掛鉤；然而材料與機械是有著本質(zhì)的區(qū)別的，一個機械構(gòu)件，無論設(shè)計得多復(fù)雜，其外形最終還是可以仿制克隆的。而一個用材料工藝處理過的工件，如一個曲軸，其外形結(jié)構(gòu)一目了然，內(nèi)部組織及化學(xué)成分在經(jīng)過一些處理后也能了解，其硬度、韌性等都可實驗測得。但就是無法完整地仿制出來，形狀一樣，但性能相距甚遠(yuǎn)，這是因為在前面就說了，材料科學(xué)是一門實驗性科學(xué)，一個高性能材料的組織形貌是經(jīng)過一系列工藝流程而得到的，這個過程需要不斷進行嘗試和積累，其中還有一些巧合成分，但主要還是在于不斷地實驗研究。一個完整的工藝流程包含好多復(fù)雜的處理，一般是難以仿制的，這也成為許多企業(yè)的一筆寶貴財富。

材料三大支柱

對材料的改良涉及到許多微觀的東西，研究材料最重要的三個方面便是原子晶體、相平衡與亞穩(wěn)態(tài)、以及顯微組織。晶體學(xué)是一門很寬泛的學(xué)科，具體的晶體結(jié)構(gòu)有成千上萬種，而其點陣空間最后可粗略地概括為那么十幾種，而點陣空間反映的僅僅是其集合空間結(jié)構(gòu)，其晶體的性能會因一個結(jié)構(gòu)原子大小及位置的改變而發(fā)生很大的變化，因而要形成一套行之有效的理論來概括晶體學(xué)是不可靠的。如果說晶體結(jié)構(gòu)的不可預(yù)測是因為其原子組合的多樣性的話，那么相結(jié)構(gòu)與性能的多樣性則是由于不同的晶體結(jié)構(gòu)及材料加工成型的過程中外界因素的改變而引起的。外界因素的調(diào)控落實到具體就是我們常說的工藝流程。一般來說，相的結(jié)構(gòu)與性能最終會趨于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，即相平衡。然而這樣的過程是非常緩慢的，因而在實際生產(chǎn)制備的時候，得到的許多組織仍是是處于亞穩(wěn)態(tài)的，而材料在失穩(wěn)和失效的臨界條件也是材料工程所關(guān)心的問題。相的顯微結(jié)構(gòu)依舊是不可見的，因而就要借助許多顯微技術(shù)進行輔助研究。從事材料領(lǐng)域，與金相組織的接觸自然是少不了的，因為依據(jù)金相組織來對材料性能進行判斷是一種簡單而又行之有效的方式。若是掌握熟練，一張經(jīng)過適當(dāng)處理的金相組織圖片在不同放大倍數(shù)以及在不同部位的組織結(jié)構(gòu)能反映出其工藝流程及特點。正是由于晶體結(jié)構(gòu)的多樣性和工藝流程對相平衡與亞穩(wěn)態(tài)的影響，使得材料研究紛繁復(fù)雜，難以像化學(xué)物理那樣得出簡單又和諧統(tǒng)一的公式定理。

正是因為材料的多樣性和復(fù)雜性及其需要大量實驗論證的特點。計算機模擬在材料研究中的作用就顯得越發(fā)重要了，計算機模擬可以解決實驗重復(fù)、復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、處理困難等許多問題，極大地縮短了材料研究及選材的時間。并且隨著計算機處理速度的不斷提升，以及模擬方法的不斷改進，模擬的結(jié)果將會越來越精確，而且計算機模擬還可以創(chuàng)造很多現(xiàn)實生活中無法創(chuàng)造的研究環(huán)境,依然有很大的發(fā)展空間。

材料研究思想

此外，關(guān)于材料研究思路方面也有許多不錯的總結(jié)，其中比較常見的便是①向原材料中摻入一些其他的物質(zhì)元素，然后在模擬的工況下進行性能檢測，若表現(xiàn)出不錯的性能，便又是一個不錯的成果;②改變材料的加工工藝及制備環(huán)境，并檢測其金相組織及其性能，在企業(yè)生產(chǎn)中，一套完善的工藝流程也是由無數(shù)次實驗所總結(jié)出來的;③仿生學(xué),個人認(rèn)為，對于材料科學(xué)而言，與其說是仿生，不如說是仿物,世界的一切物質(zhì)都可以用來模仿。我們材料的學(xué)習(xí)者更應(yīng)保持一種對萬物的好奇心，我們觸手所及，肉眼所見的所有東西都有材料研究的影子，當(dāng)我們看到一件物品，觸摸一件物品時，更應(yīng)聯(lián)想到其背后的工藝流程與材料改性原理，這樣學(xué)習(xí)材料的過程也必然是一個充滿樂趣的過程。

關(guān)于實驗研究的過程,實驗研究的真正魅力在于實驗是一個探索求知的過程，實驗的結(jié)果通常是不可預(yù)測的，因而要不斷地進行實驗以求得到想要的效果。而令人驚奇的是，許多如今廣為人知的材料卻是誕生于與理想研究結(jié)果相距甚遠(yuǎn)的實驗。以下列舉了幾類比較常見的：便利貼膠水——原計劃發(fā)明超強膠水，結(jié)果黏性卻很弱；萬能膠——其實他們想要的是透明塑料；“特氟龍”——原本是想研制制冷劑結(jié)果成了不粘鍋。這些成果的誕生或者存在著或多或少的運氣成分，然而其得到的廣泛應(yīng)用并非偶然。沒有知識經(jīng)驗的積累、沒有一顆對事物的好奇心、沒有一種堅持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度是遇不到這種偶然的，即使遇到了，也把握不住。

對于普通環(huán)境下的材料研究或許已經(jīng)到了十分成熟的地步，材料一些特殊性能往往是在一些極端的情況下實現(xiàn)的。在這些條件下存在著更多的不定性和特殊性，也是發(fā)展特殊材料的重要領(lǐng)域，是一頂材料工作者手中的魔術(shù)帽。這些極端狀態(tài)下的材料主要分為以下幾類：①極端處理（快速凝固）；②極端條件下的微觀結(jié)構(gòu)（納米材料）；③超高真空及表面科學(xué)；④極薄材料；⑤極端對稱（準(zhǔn)晶）。在這些極端的狀態(tài)下，材料會表現(xiàn)出許多特殊的性能，而這些性能在普通的材料中是沒有的，而且在各個領(lǐng)域都有著十分重要的應(yīng)用。極端狀態(tài)的材料是材料研究的熱點，而在極端環(huán)境下的材料應(yīng)用，則是工程技術(shù)上的大難題。在數(shù)千米的海底，如何使材料抗壓耐腐蝕；在真空的太空環(huán)境下，如何讓材料足以抵抗數(shù)百度的溫差而不至于損壞；如何增加高速運轉(zhuǎn)軸承的耐磨性；如何讓材料在極熱或極寒的環(huán)境下保持自身特性并正常工作。這些問題在過去、現(xiàn)在甚至未來都會持續(xù)困擾著材料工作者和研究人員以及其他的工程技術(shù)人員。而這對于材料領(lǐng)域的工作者也是一個巨大的考驗與挑戰(zhàn)，我們搞材料的，不僅應(yīng)研發(fā)新型的材料，也應(yīng)使已經(jīng)應(yīng)用的材料不斷地得到增強或者更新，世上所有的材料都會有壽命，目前還沒有出現(xiàn)能稱得上完美的材料，未來也不一定會有。而我們的任務(wù)就是不僅要讓材料好用、好看還要使材料能夠延年益壽。

在材料研究中，定量研究也是很重要的一種研究方法，在過去技術(shù)不發(fā)達(dá)，儀器不先進的情況下，對于很多現(xiàn)象都只能做出定性的解釋。而隨著測量技術(shù)的進步，人們得到的數(shù)據(jù)越來越精確，當(dāng)所得的數(shù)據(jù)與原始理論不相符時，便引發(fā)了驚奇。而這種驚奇正是科學(xué)發(fā)展的原動力。驚奇的產(chǎn)生的本質(zhì)是不可預(yù)測的，所以推出必然結(jié)論的科學(xué)家們會經(jīng)常面對不斷的挑戰(zhàn)，而定量研究，是他們接受挑戰(zhàn)的重要工具，而其中的先進設(shè)備及活躍的研究思維是他們與其他科研工作者的重要區(qū)別。

假設(shè)——實驗——表征是材料研究過程的三部曲。對于未知問題進行假設(shè)，然后設(shè)計合理的實驗流程，并在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灜h(huán)境中進行實驗，得出結(jié)果進行分析。最后對各個不同部位進行精確區(qū)分以及對其本質(zhì)特征進行描述。有了材料表征，才能給人一目了然的研究成果。而其中的表征方法主要分為以下幾類，一類是微觀結(jié)構(gòu)的檢測，一類是譜學(xué)技術(shù)（光譜學(xué)與光譜測定法），一類是熱分析法（測量被加熱或保持恒溫的樣品的物理性能或力學(xué)性能發(fā)生的變化），還有一類是硬度法（硬度測試與拉、壓、彎、扭、剪實驗）。對實驗結(jié)果進行靈敏又精確的測量和表征才有足夠的說服力。

未來

最后，再提一提材料未來的發(fā)展。目前，國內(nèi)的低端制造市場已逐漸飽和，粗放式的生產(chǎn)方式正逐漸被淘汰。取而代之的則是品質(zhì)制造。國家工業(yè)4.0計劃已經(jīng)啟動，雖說是雷聲大雨點小，但轉(zhuǎn)變的趨勢已經(jīng)一目了然。老百姓對品質(zhì)的需求也是與日俱增。對食品要求安全，要有更加無毒無害、更加健康安全的包裝材料。衣服要求新穎舒適，要求有更加舒適無害又便于制造的布料......等等。市場的需求與不足正是我們材料研發(fā)的導(dǎo)向。材料注重應(yīng)用，市場導(dǎo)向是必然的，而材料研究的發(fā)展方向則是多學(xué)科應(yīng)用的相互結(jié)合，與多層次的相互關(guān)聯(lián)。而核心的研究方法，還是那個四面體：使役行為--性能--結(jié)構(gòu)/成分--合成/制備。