材料科學/介紹
不同的材料具有不同的性質。想想汽車的發動機和車輪之間的差異；電線中的金屬及其絕緣體。所有這些物體只能用具有適合其應用的性質的材料製成。材料科學是研究材料性質的學科。它側重於使一種材料與另一種材料不同的因素。可以理解的是，存在許多這樣的因素，一些是明顯的，一些是微妙的。這些因素的例子可能包括元素組成、排列、鍵合、雜質、表面結構、長度尺度等等。理解這些因素與材料性質之間關係的能力對於人類的大多數技術突破至關重要。如今，材料科學是一門多學科的學科。它借鑑了幾乎所有科學和工程領域，為其他研究人員在其領域使用提供了見解。
本書面向在大學學習材料科學的本科生，無論是作為他們的主修專業，還是作為相關工程課程的單個模組。
材料科學是一個跨學科領域，涉及物質的性質及其在科學和工程各個領域的應用。它包括應用物理學和化學的元素，以及化學工程、機械工程、土木工程和電氣工程。近年來，隨著奈米科學和奈米技術的關注度不斷提高，材料科學在許多大學中被推到了最前沿，有時還存在爭議。
一個時代的材料選擇往往是其決定性因素：石器時代、青銅時代和鋼鐵時代就是例子。材料科學是最古老的工程和應用科學形式之一。現代材料科學直接起源於冶金學，而冶金學本身又起源於採礦。19 世紀後期，威拉德·吉布斯證明了與不同相原子結構相關的熱力學性質與材料的物理性質有關，這標誌著人們對材料理解的一次重大突破。現代材料科學的重要元素是太空競賽的產物：對用於建造航天器的金屬合金和其他材料的理解和工程是太空探索的推動力量之一。材料科學推動了塑膠、半導體和生物材料等革命性技術的開發，同時也受到這些技術的推動。
在 20 世紀 60 年代之前（在某些情況下，在 20 世紀 60 年代之後幾十年），許多材料科學系被稱為冶金系，這是因為在 19 世紀和 20 世紀初，人們主要關注金屬。從那時起，該領域已經擴充套件到包括所有型別的材料，包括：陶瓷、聚合物、半導體、磁性材料、醫用植入材料和生物材料。
在材料科學中，人們不是隨意地尋找和發現材料並利用它們的性質，而是旨在從根本上理解材料，以便能夠創造出具有所需性質的新材料。
所有材料科學的基礎都涉及透過表徵將材料在特定應用中的所需性質和相對效能與該材料中原子和相的結構聯絡起來。材料結構的主要決定因素及其因此的性質是其組成化學元素以及它被加工成最終形式的方式。這些因素共同作用，並透過熱力學定律聯絡起來，決定了材料的微觀結構，從而決定了其性質。
材料科學中的一句老話是：“材料就像人一樣，正是缺陷使它們變得有趣”。製造出完美材料晶體在物理上是不可能的。相反，材料科學家會操縱晶體材料中的缺陷，例如析出物、晶界（霍爾-佩奇關係）、間隙原子、空位或替代原子，創造出具有所需性質的材料。
並非所有材料都具有規則的晶體結構。聚合物顯示出不同程度的結晶度。玻璃、某些陶瓷和許多天然材料是無定形的，在其原子排列中沒有任何長程有序。這些材料比晶體材料更難設計。聚合物是一種混合情況，它們的學習通常結合了化學和統計熱力學的元素，以給出熱力學的，而不是機械的物理性質描述。
除了工業興趣之外，材料科學逐漸發展成為一個領域，為凝聚態物理或固態理論提供測試。由於需要解釋各種新的材料性質，因此出現了新的物理學。
材料方面的重大進步可以推動新產品的創造，甚至可以推動新行業的產生，但穩定的行業也僱用材料科學家來對目前使用的材料進行漸進改進和故障排除。材料科學的工業應用包括材料設計、工業生產材料的成本效益權衡、加工技術（鑄造、軋製、焊接、離子注入、晶體生長、薄膜沉積、燒結、玻璃吹制等）和分析技術（表徵技術，如電子顯微鏡、X 射線衍射、量熱法、核顯微鏡（HEFIB）、盧瑟福背散射、中子衍射等）。
除了材料表徵之外，材料科學家/工程師還處理材料的提取及其轉化為有用形式。因此，鑄錠、鑄造技術、高爐提取、電解提取都是材料科學家/工程師必須具備的知識的一部分。通常，大量材料中微量次要元素和化合物的存在、不存在或變化會對所生產材料的最終性質產生很大影響，例如，鋼根據其所含碳和其他合金元素的重量百分比進行分類，其重量百分比分別為 1/10 和 1/100。因此，高爐中鐵的提取和提純技術將影響可能生產的鋼的質量。
物理學和材料科學之間的重疊導致了材料物理學這一分支學科的出現，該學科關注材料的物理性質。這種方法通常比凝聚態物理學更宏觀、更應用。有關該研究領域的更多詳細資訊，請參閱材料物理學的重要出版物。
金屬合金是材料科學中一個重要且重要的組成部分。在今天使用的所有金屬合金中，鐵的合金（鋼、不鏽鋼、鑄鐵、工具鋼、合金鋼）在數量和商業價值上都佔最大比例。鐵與不同重量百分比的碳合金化形成低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。對於鋼來說，鋼的硬度和抗拉強度與碳含量直接相關，而碳含量的增加會導致延展性和韌性降低。新增矽和石墨化將產生鑄鐵（儘管某些鑄鐵是專門製造的，沒有任何石墨化）。向碳鋼中新增鉻、鎳和鉬（超過 10%）將產生不鏽鋼。
其他重要的金屬合金包括鋁、鈦、銅和鎂的合金。銅合金已經存在很長時間了（在青銅時代），而其他三種金屬的合金則是在最近才發展起來的，因為這些金屬的化學反應性以及由此帶來的提取難度，直到最近才透過電解法實現。鋁、鈦和鎂的合金也因其高強度重量比而聞名和珍貴，鎂合金還因其提供電磁遮蔽的能力而聞名。這些材料在需要高強度重量比的特殊應用中得到了應用（航空航天工業）。
除了金屬之外，聚合物和陶瓷也是材料科學的重要組成部分。聚合物是用於製造我們通常所說的塑膠的原材料（樹脂）。塑膠實際上是多種聚合物和新增劑經過加工和成型後形成的最終產品。廣泛使用且現已廣泛使用的聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龍、聚酯、丙烯酸樹脂、聚氨酯、聚碳酸酯。塑膠通常分為“商品塑膠”、“特種塑膠”和“工程塑膠”。
PVC 是一種商品塑膠，應用廣泛，成本低，年產量巨大。它適用於各種各樣的應用，從人造革到電氣絕緣、電纜到包裝和容器。它的製造和加工簡單且成熟。PVC 的多功能性歸功於它可以接受的各種新增劑。聚合物科學中的新增劑是指新增到聚合物基質中以改變其物理和材料性質的化學物質和化合物。
聚碳酸酯通常被認為是一種工程塑膠（其他例子包括 PEEK、ABS）。工程塑膠因其優異的強度和其他特殊材料性質而受到重視。與商品塑膠不同，它們通常不用於一次性應用。
特種塑膠實際上是指具有獨特特性的材料，例如超高強度、導電性、電致發光、高熱穩定性等。
這裡應該注意的是，各種塑膠之間的界限不是基於材料，而是基於它們的性質和應用。例如，聚丙烯（PP）是一種廉價、光滑的聚合物，通常用於製造一次性購物袋和垃圾袋。它屬於商品塑膠。但有一種稱為超高分子量聚丙烯（UHMWPE）的 PP 是一種工程塑膠，被廣泛用作工業裝置的滑動導軌。
材料科學在工業中的另一個應用是複合材料的製造。複合材料是由兩種或多種不同宏觀相組成的結構材料。例如，鋼筋混凝土。此外，請檢視您的電視機、手機的塑膠外殼：這些塑膠外殼通常是由熱塑性樹脂基體（如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)）製成的複合材料，其中添加了碳酸鈣粉筆、滑石粉、玻璃纖維或碳纖維（分散劑）以增強強度、體積或靜電分散。