什么是材料

在亲朋聚会，与人闲谈时，总会有人问我，什么是材料。其实这个问题从我一开始涉足材料领域至今仍一直困扰着我。给材料一个清晰又明确定义，着实不易。当人们听到“物理”，便会联想到声光电热力，听到“化学”，便会联想到一个邪恶博士躲在一间小黑屋里捣腾着各种药水，当人们听到机械，一个机器人便会在脑海中翩翩起舞......当人们听到材料，第一反应便是“what”。究竟是什么让材料显得如此神秘。

自从我踏入大学的第一天起，便有许多老师和学长给出了许多关于材料的定义，似乎每一个从事材料领域的人对材料都有着不同的见解，其中最经典的一个定义便是“材料是用于制造一切有用物品的可用之物”。从数千年起，便有许多人试图给“人”作一个定义，有的甚至想给宇宙一个定义,时至今日，仍然未能达成共识。要给材料一个明确的定义恐怕会限制了对材料的认识，材料源于自然，源于宇宙，但目前人类对宇宙自然的认识仍然停留在较低的水平。那么材料对人类来说也是神秘的。如果必须要给材料一个定义，那么姑且先按那个最经典的定义作为参考吧。

当朋友问我，材料学子将来会从事怎样的工作时，为了活跃气氛，我一般都会戏称自己是打铁的、造瓶子的、刷油漆的。确实，打铁的过程涉及铁的锻压、热处理及化学热处理、造瓶子涉及材料成型、刷油漆涉及了材料的表面处理，这些都是与材料科学息息相关的。

材料为何特殊

一个新兴学科的兴起总会存在这样那样的问题，作为一个材料学子，虽然已是大三，但对科学和工程的概念仍然模糊。材料涉及到物质，则必然与物理化学等自然学科有着重要的联系。物理研究的是宇宙的组成要素及其相互作用，是一门结合理论推导和实验证明的精确学科。而化学是在原子层次上研究原子的组成、性质、结构与变化规律的，主要侧重于实验证明与制备的科学。材料作为一门交叉学科，兼具了物理学对固有物质规律的研究和化学合成新物质的研究。如水的结冰,研究的是晶体的生长规律，这种关系通常是有规可循的。而改性实验则是加入一些物质元素使之在不同层次上形成一些有利于材料综合性能的组织组成，也就相当于化学的合成新物质。材料也更注重于实验研究，是一门实实在在的实验科学。此外，材料科学虽然在不同程度上受到各个学科的影响，但材料科学也保留了其自身的一些特性。之前我们就给过一个定义，材料是制造一切有用物品的可用之物。说明材料科学比物理化学等基础学科更注重实用性，材料的性能改善要明显，从研发到投入使用、制定好合适的工艺流程的周期要非常短。而且其工艺流程有时甚至比新材料研发更为重要。在学习材料课程的时候，有时也会学习一些机械课程，讲到材料的应用难免与机械挂钩；然而材料与机械是有着本质的区别的，一个机械构件，无论设计得多复杂，其外形最终还是可以仿制克隆的。而一个用材料工艺处理过的工件，如一个曲轴，其外形结构一目了然，内部组织及化学成分在经过一些处理后也能了解，其硬度、韧性等都可实验测得。但就是无法完整地仿制出来，形状一样，但性能相距甚远，这是因为在前面就说了，材料科学是一门实验性科学，一个高性能材料的组织形貌是经过一系列工艺流程而得到的，这个过程需要不断进行尝试和积累，其中还有一些巧合成分，但主要还是在于不断地实验研究。一个完整的工艺流程包含好多复杂的处理，一般是难以仿制的，这也成为许多企业的一笔宝贵财富。

材料三大支柱

对材料的改良涉及到许多微观的东西，研究材料最重要的三个方面便是原子晶体、相平衡与亚稳态、以及显微组织。晶体学是一门很宽泛的学科，具体的晶体结构有成千上万种，而其点阵空间最后可粗略地概括为那么十几种，而点阵空间反映的仅仅是其集合空间结构，其晶体的性能会因一个结构原子大小及位置的改变而发生很大的变化，因而要形成一套行之有效的理论来概括晶体学是不可靠的。如果说晶体结构的不可预测是因为其原子组合的多样性的话，那么相结构与性能的多样性则是由于不同的晶体结构及材料加工成型的过程中外界因素的改变而引起的。外界因素的调控落实到具体就是我们常说的工艺流程。一般来说，相的结构与性能最终会趋于一个稳定的状态，即相平衡。然而这样的过程是非常缓慢的，因而在实际生产制备的时候，得到的许多组织仍是是处于亚稳态的，而材料在失稳和失效的临界条件也是材料工程所关心的问题。相的显微结构依旧是不可见的，因而就要借助许多显微技术进行辅助研究。从事材料领域，与金相组织的接触自然是少不了的，因为依据金相组织来对材料性能进行判断是一种简单而又行之有效的方式。若是掌握熟练，一张经过适当处理的金相组织图片在不同放大倍数以及在不同部位的组织结构能反映出其工艺流程及特点。正是由于晶体结构的多样性和工艺流程对相平衡与亚稳态的影响，使得材料研究纷繁复杂，难以像化学物理那样得出简单又和谐统一的公式定理。

正是因为材料的多样性和复杂性及其需要大量实验论证的特点。计算机模拟在材料研究中的作用就显得越发重要了，计算机模拟可以解决实验重复、复杂、数据量大、处理困难等许多问题，极大地缩短了材料研究及选材的时间。并且随着计算机处理速度的不断提升，以及模拟方法的不断改进，模拟的结果将会越来越精确，而且计算机模拟还可以创造很多现实生活中无法创造的研究环境,依然有很大的发展空间。

材料研究思想

此外，关于材料研究思路方面也有许多不错的总结，其中比较常见的便是①向原材料中掺入一些其他的物质元素，然后在模拟的工况下进行性能检测，若表现出不错的性能，便又是一个不错的成果;②改变材料的加工工艺及制备环境，并检测其金相组织及其性能，在企业生产中，一套完善的工艺流程也是由无数次实验所总结出来的;③仿生学,个人认为，对于材料科学而言，与其说是仿生，不如说是仿物,世界的一切物质都可以用来模仿。我们材料的学习者更应保持一种对万物的好奇心，我们触手所及，肉眼所见的所有东西都有材料研究的影子，当我们看到一件物品，触摸一件物品时，更应联想到其背后的工艺流程与材料改性原理，这样学习材料的过程也必然是一个充满乐趣的过程。

关于实验研究的过程,实验研究的真正魅力在于实验是一个探索求知的过程，实验的结果通常是不可预测的，因而要不断地进行实验以求得到想要的效果。而令人惊奇的是，许多如今广为人知的材料却是诞生于与理想研究结果相距甚远的实验。以下列举了几类比较常见的：便利贴胶水——原计划发明超强胶水，结果黏性却很弱；万能胶——其实他们想要的是透明塑料；“特氟龙”——原本是想研制制冷剂结果成了不粘锅。这些成果的诞生或者存在着或多或少的运气成分，然而其得到的广泛应用并非偶然。没有知识经验的积累、没有一颗对事物的好奇心、没有一种坚持严谨的科研态度是遇不到这种偶然的，即使遇到了，也把握不住。

对于普通环境下的材料研究或许已经到了十分成熟的地步，材料一些特殊性能往往是在一些极端的情况下实现的。在这些条件下存在着更多的不定性和特殊性，也是发展特殊材料的重要领域，是一顶材料工作者手中的魔术帽。这些极端状态下的材料主要分为以下几类：①极端处理（快速凝固）；②极端条件下的微观结构（纳米材料）；③超高真空及表面科学；④极薄材料；⑤极端对称（准晶）。在这些极端的状态下，材料会表现出许多特殊的性能，而这些性能在普通的材料中是没有的，而且在各个领域都有着十分重要的应用。极端状态的材料是材料研究的热点，而在极端环境下的材料应用，则是工程技术上的大难题。在数千米的海底，如何使材料抗压耐腐蚀；在真空的太空环境下，如何让材料足以抵抗数百度的温差而不至于损坏；如何增加高速运转轴承的耐磨性；如何让材料在极热或极寒的环境下保持自身特性并正常工作。这些问题在过去、现在甚至未来都会持续困扰着材料工作者和研究人员以及其他的工程技术人员。而这对于材料领域的工作者也是一个巨大的考验与挑战，我们搞材料的，不仅应研发新型的材料，也应使已经应用的材料不断地得到增强或者更新，世上所有的材料都会有寿命，目前还没有出现能称得上完美的材料，未来也不一定会有。而我们的任务就是不仅要让材料好用、好看还要使材料能够延年益寿。

在材料研究中，定量研究也是很重要的一种研究方法，在过去技术不发达，仪器不先进的情况下，对于很多现象都只能做出定性的解释。而随着测量技术的进步，人们得到的数据越来越精确，当所得的数据与原始理论不相符时，便引发了惊奇。而这种惊奇正是科学发展的原动力。惊奇的产生的本质是不可预测的，所以推出必然结论的科学家们会经常面对不断的挑战，而定量研究，是他们接受挑战的重要工具，而其中的先进设备及活跃的研究思维是他们与其他科研工作者的重要区别。

假设——实验——表征是材料研究过程的三部曲。对于未知问题进行假设，然后设计合理的实验流程，并在严谨的实验环境中进行实验，得出结果进行分析。最后对各个不同部位进行精确区分以及对其本质特征进行描述。有了材料表征，才能给人一目了然的研究成果。而其中的表征方法主要分为以下几类，一类是微观结构的检测，一类是谱学技术（光谱学与光谱测定法），一类是热分析法（测量被加热或保持恒温的样品的物理性能或力学性能发生的变化），还有一类是硬度法（硬度测试与拉、压、弯、扭、剪实验）。对实验结果进行灵敏又精确的测量和表征才有足够的说服力。

未来

最后，再提一提材料未来的发展。目前，国内的低端制造市场已逐渐饱和，粗放式的生产方式正逐渐被淘汰。取而代之的则是品质制造。国家工业4.0计划已经启动，虽说是雷声大雨点小，但转变的趋势已经一目了然。老百姓对品质的需求也是与日俱增。对食品要求安全，要有更加无毒无害、更加健康安全的包装材料。衣服要求新颖舒适，要求有更加舒适无害又便于制造的布料......等等。市场的需求与不足正是我们材料研发的导向。材料注重应用，市场导向是必然的，而材料研究的发展方向则是多学科应用的相互结合，与多层次的相互关联。而核心的研究方法，还是那个四面体：使役行为--性能--结构/成分--合成/制备。