工程学——材料工程

1929年，由于缺少能够经受高温高压的材料，惠特尔提出研制一种飞机喷气发动机的建议，遭到了英国空军部的拒绝。20世纪70年代光通信起飞之前，光通信一直在等待低损耗玻璃纤维的出现。高密度存储技术在1994年就发明了，但它仍需要等待能够将这种技术商业化的低成本材料。不管在哪个前沿领域，先进材料一向是先进技术的关键。

材料来自各种各样的东西，它们可以按照不同方式分类。根据材料的自然属性，大致可以分为四类：金属及其合金；硅酸盐材料，例如陶瓷与水泥；聚合物，例如木材与聚乙烯；还有复合材料，例如纸张与玻璃纤维。分类也可以根据它们的用途，用于建筑与交通工具的材料，利用的是它们的强度与弹性之类的机械性质。功能性材料，利用的是它们在电气、电子、磁性、光学等方面的性质。半导体材料专门构成一个类别，在信息技术中起到重要作用。

随着人类文明的进步，人们逐渐找到了从自然界里获取材料的各种途径，而且对材料进行加工以获得更好的性能。材料加工技术是如此重要，以至于被用来标记人类社会发展的主要历史时期：石器时代、青铜时代、铁器时代。橡胶硫化法、电解铝法、塑料合成法以及各种其他加工方法，生产出人们急需的各种材料，成为技术进步中至关重要的因素。

17世纪近代工程技术出现的时候，如何引入描述材料性质的一些概念和测试方法，是一个重要问题。直到1800年前后，托马斯杨引入了弹性模量的概念，结构材料的关键性质才得以定量化。

另外一个关键是理解材料的宏观性质如何与它的微观结构相联系，随着化学进入了分子领域以及量子力学和固态物理学的进步，19世纪许多固体的晶体结构得到了数学上的描述和分类，并在1912年通过X射线衍射得到了证实，金属理论和晶格理论问世了。20世纪20年代，冶金术从手艺发展成了一门科学，合金理论被发展出来了。20世纪30年代，化学揭示了大分子的结构和聚合体的反应，于此同时，人工合成尼龙成功。1947年发明的晶体管，促使人们以更大的努力把固态物理学和器件性能、材料加工方法紧密结合起来。

把对材料各个方面的研究进行沟通和联合开始于1959年，当时美国西北大学创建了第一个材料科学与工程系。从一开始，材料科学与工程系就是多学科性质的，它从化学、物理学、冶金学等分支中吸收知识，而且渐渐地也包括进了医学与生物学。

材料科学作为一门工程科学，两个重要因素就是：结构与加工。结构方面地特性有静态域动态、平衡与非平衡之别。一种材料的结构包括它含有的原子类型以及原子排列方式，结构隐藏着该种材料潜在的可用属性。

加工包含着对材料的制作与处理。它包括把原子与分子重新集结到某种材料之中，这种情况通常也成为合成。它也包括在更宏观层次上形成材料的工艺过程，例如烧结与连接等等。

材料的结构和加工是互相影响的。如何加工材料会强烈地影响其最后产物的结构，而结构决定了它的属性与性能。材料的内部结构，跨越了从电子和原子到宏观的不同层次等级。在各种不同层次上发生的机理，涉及从量子力学、化学反应、动力学到热力学和连续介质力学。构建各种理论模型，以便能够考虑多层次的机理以及互相关系，这正是材料科学与工程学研究前沿的任务。

信息来源：阿隆随录

声明：本文所用图片、文字部分源于网络，目的为非商业性知识分享，版权仍属于原作者，如信息有误或涉及版权问题，请第一时间通知，我们将立即处理！