材料科學/導論
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區別；電線中的金屬及其絕緣體。所有這些物體只能由具有適合其應用的效能的材料製成。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，存在許多這樣的因素，一些是明顯的，一些是微妙的。這些因素的示例可能包括元素組成、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效能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，材料科學是一門跨學科學科。它利用幾乎所有科學和工程領域，為其他研究人員在其領域中使用提供見解。
本書面向在大學學習材料科學的本科生，無論作為他們的主要領域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各個科學和工程領域的應用。它包括應用物理和化學的元素，以及化學、機械、土木和電氣工程。近年來，奈米科學和奈米技術受到媒體的廣泛關注，材料科學在許多大學中被推到了最前沿，有時還存在爭議。
某個時代的材料選擇往往是其定義點：石器時代、青銅器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，而冶金學本身則起源於採礦。在 19 世紀後期，人們對材料的理解取得了重大突破，當時吉布斯證明了與不同相中原子結構相關的熱力學性質與材料的物理性質有關。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因素之一。材料科學推動了革命性技術的發展，如塑膠、半導體和生物材料，並被這些技術所推動。
在 20 世紀 60 年代之前（在某些情況下，在 20 世紀 60 年代後的幾十年裡），許多材料科學系被稱為冶金系，這是 19 世紀和 20 世紀初對金屬的重視。該領域自那時起已擴充套件到包括所有類別的材料，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，人們的目標不是隨意地尋找和發現材料並利用它們的性質，而是從根本上理解材料，以便可以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所需的效能和相對效能與其結構中的原子和相聯絡。材料結構的主要決定因素，因此也決定了其效能，是其組成化學元素及其最終形式的加工方式。這些因素共同作用並透過熱力學定律聯絡在一起，控制著材料的微觀結構，從而控制著材料的效能。
材料科學中的一句古老格言說：“材料就像人一樣；是缺陷使它們變得有趣”。製造出完美晶體的材料在物理上是不可能的。相反，材料科學家操縱晶體材料中的缺陷，如析出物、晶界（霍爾-佩奇關係）、間隙原子、空位或替位原子，創造出具有所需效能的材料。
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、一些陶瓷和許多天然材料是無定形的，在其原子排列中不具有任何長程有序性。這些材料比晶體材料更難設計。聚合物是一個混合案例，它們的學習通常將化學和統計熱力學的元素結合起來，從而給出物理性質的熱力學描述，而不是機械描述。
除了工業興趣之外，材料科學逐漸發展成為一個為凝聚態或固態理論提供測試的領域。由於需要解釋多種新材料效能，因此出現了新的物理學。
激進的材料進步可以推動新產品的創造，甚至可以推動新行業的創造，但穩定的行業也僱傭材料科學家來對當前使用的材料進行增量改進和解決問題。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、吹制玻璃等）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的形式。因此，鑄錠鑄造、鑄造技術、高爐提取、電解提取都是材料科學家/工程師所需知識的一部分。通常，主體材料中微量次要元素和化合物的存在、缺失或變化會對所生產材料的最終效能產生重大影響，例如，鋼的分類是根據其所含碳和其他合金元素的重量百分比的 1/10 和 1/100 來進行的。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。
物理和材料科學之間的重疊導致了材料物理學的分支領域，該領域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，請參閱材料物理學中的重要出版物。
金屬合金是材料科學中一個重要且重要的組成部分。在當今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。鐵與各種重量百分比的碳合金化得到低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。對於鋼材，鋼的硬度和抗拉強度與碳的含量直接相關，而碳含量的增加會導致延展性和韌性降低。加入矽和石墨化將產生鑄鐵（儘管有些鑄鐵是專門在沒有石墨化的情況下製成的）。在碳鋼中加入鉻、鎳和鉬（超過 10%）會得到不鏽鋼。
其他重要的金屬合金是鋁、鈦、銅和鎂的合金。銅合金早已為人所知（在青銅器時代），而其他三種金屬的合金則是近來才發展起來的，這是由於這些金屬的化學反應性和由此產生的提取難度，直到最近才透過電解方法得以解決。鋁、鈦和鎂的合金也因其高強度重量比而聞名和珍貴，並且在鎂的情況下，它們能夠提供電磁遮蔽。這些材料在需要高強度重量比的特殊應用中得到應用（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稱為塑膠的原材料（樹脂）。塑膠實際上是許多聚合物和新增劑經過加工和成形後最終形成的最終產品。目前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、丙烯酸酯、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，它應用廣泛、成本低廉，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完善。PVC 的多功能性歸功於它接受的各種新增劑。聚合物科學中的新增劑是指新增到聚合物基體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的材料效能而受到重視。它們通常不用於一次性應用，不像商品塑膠。
特種塑膠實際上是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。
應該在這裡指出，各種型別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。它是商品。但一種叫做超高分子量聚丙烯 (UHMWPE) 的 PP 是一種工程塑膠，廣泛用作工業裝置的滑軌。
材料科學在工業中的另一個應用是製造複合材料。複合材料是由至少兩種不同宏觀相組成的結構材料。一個例子是鋼筋混凝土。另外，看看你的電視機、手機的塑膠外殼：這些塑膠外殼通常是由熱塑性樹脂（如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)）製成的複合材料，其中加入了碳酸鈣粉筆、滑石、玻璃纖維或碳纖維（分散劑），以增強強度、體積或靜電分散。