材料科學研究的發展方向

      材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，因此，使用什么材料來制造工具往往成為人類文明發展的一個重要標志
      當前材料研究應該向多相復合材料、納米材料、智能材料、生物醫學材料及材料設計、材料的無損評價方向發展材料科學作為一門獨立的科學需要不斷完善和發展，從而逐漸增強它對材料工藝過程的正確指導作用。這里蘊藏著理論與實踐辯證統一的關系，理論來源于實踐，反過來又指導實踐。材料科學對材料研究指導作用的一個重要方面是材料設計。根據使用的要求對材料的組成和結構進行設計以達到所要求的性能，這是發展新材料的必由之路。因此為了進行有效的材料設計，必須廣泛研究材料的合成與制備中的科學問題；研究材料的組成、顯微結構及其與性能之間的關系和規律、研究材料的相關系以及材料的缺陷、損毀規律、無損評價和使用壽命預測等。在新的理論指導下，又必須進行新的實踐，以求得新的發展。當前材料研究應該發展的方向有：
一、多相復合材料
       為滿足新技術對材料性能的綜合要求，不得不放棄單體材料后處理改性的唯一途徑，采取取長補短的兩種（或兩種以上）單體進行有效復合化的復合材料。因而多相復合材料成為當前材料研究的重要對象，它的內涵已極其廣泛，主要包括：
1.纖維（或晶須）增強或補強復合材料
       纖維增強有機高分子復合材料已經得到很廣泛的應用。高性能聚酰胺復合材料、聚苯并咪唑基復合材料今后都將有較大的發展。纖維增強金屬基復合材料估計仍以碳纖維或碳化硅纖維增強鋁基和鈦基復合材料為主要發展對象。纖維補強陶瓷基復合材料則以碳化硅纖維或其他無機纖維為補強劑，基體則以非氧化物陶瓷為主的復合材料發展前景較大。從強度/重量比和它們的工作溫度來衡量，在1200℃以下近期的使用則是金屬復合材料、金屬間化合物及其復合材料；在1200℃以上至1700℃左右環境下則是陶瓷基復合材料；在1700℃以上應用，則是碳/碳復合材料。玻璃陶瓷基體復合材料，由于它的性能匹配上的可調性，與纖維組成復合材料可以具有較優的性能，是一類作為1100℃以下使用的較有發展前途的復合材料。
2.第二相顆粒彌散復合材料
       以無機化合物彌散金屬的復合材料是當前頗具吸引力的材料。SiC顆粒增強鋁基復合材料和鈦基復合材料在改善它們的高溫性能方面均顯示出明顯效果TiC或ZrB2彌散的SiC基復相陶瓷的強度和斷裂韌性大約可提高50％～70％。SiC顆粒彌散的氧化鋯（Y―TZP）復相陶瓷，在800℃時的高溫強度提高約一倍以上，使它成功地應用于熱機上。SiC顆粒彌散的莫來石陶瓷，常溫和高溫下的強度和斷裂韌性都可以有近兩倍半的提高，而且搞熱震性能亦大大改進，是作為熱機應用的第四種候選材料。用無機化合物顆粒彌散的有機高分子材料能有效地改進它們的耐磨性能、剛性等等。由于顆粒彌散型的復合材料、具有工藝的重復性好和可靠性高的特點，而且成本較低，因此應用前景看好。
3.兩（多）相復合材料
        鋰鋁合金，Ti－Ni系統的金屬間化合物的兩相復合材料是一類有望提高金屬的強度/重量比和使用溫度的材料。兩（多）相陶瓷復合材料是典型的自補強陶瓷材料。充分利用多相復合材料來獲得具有綜合性能的材料是一個很好的思路，很值得研究。
4.無機物和有機物復合材料
      無機/有機復合材料的研究已經有較長的歷史，以無機物作為高分子材料的充填劑進行改性早被人們所應用，例如玻璃鋼就是一種已經廣泛應用于工業和建筑業中的典型的無機/有機復合材料。近年來，這類材料仍具有較好的發展前景，如壓電陶瓷與高分子材料相復合，不僅提高了它的物化性能，而且改善了老化性能。這種復合原理還普遍應用于封裝材料之中。
5.無機物和金屬復合材料
       在50年代末期和60年代前期曾經熱鬧過一陣子的所謂金屬陶瓷，希望集金屬與陶瓷的各自的長處于一身而得到一種新型材料。但是不幸的是實踐的結果正好相反。這并非是思路上的失誤，更多地應歸咎于工藝問題。近納米技術的發展，為金屬陶瓷的設想重燃了一線光明。通過納米技術的途徑，有可能制備出兼具金屬與陶瓷各自長處于一身的新型材料。
6.梯度功能復合材料
近發展了一種所謂梯度功能復合材料，即一面是可作為結構作用的金屬材料，再逐層地摻入無機化合物，使另一面成為具有一些特殊的功能。這一設想早為人們在厚涂層材料中加以應用，但是以此設想來制備體材料則是一種大膽的構思，因而一經提出就受到人們的重視。近將此概念擴展，做成SiC/Si3N4梯度復合材料，使它的性能較純粹的SiC陶瓷有大幅度的提高。因此，利用“梯度”這一設想，可以構思出一系列的新材料，是一個很值得注意的研究方向。
7.納米復合材料
      近，新發展的利用納米技術來制備復合材料可以是晶內納米復合，即納米晶粒進入到較大的相晶粒之中；也可以是晶間納米復合，即納米晶粒分布于較大母相晶粒的晶界之上，所得復合材料統稱為復相的納米材料。這一設想可以適用于陶瓷、金屬和高分子材料。特別在陶瓷材料方面，已經取得了令人可喜的結果。
從上可知多相復合是改進材料性能的一條很好途徑，但不是唯一的途徑，各種不同的強化和增韌的機理同時起作用，以起到疊加的和協同的效應是具有實用價值的。
二、納米材料
      納米材料是指晶粒和晶界等顯微構造能達到納米級尺度水平的材料，當然所用的原料――粉料先必須是納米級的。從微米級到納米級的進步，不僅是制備工藝上的躍進，而且能推進材料科學的理論發展。
       材料的很多性能如強度、斷裂韌性、應變速度硬度、超塑性等等，都受晶體尺寸大小的影響，在材料制備過程中的物理和化學行為亦與所有原料的顆粒尺寸有關。納米技術的進步將使近代的微米級尺寸的材料躍進到納米級尺寸的材料，并使材料的許多性能產生飛躍?，F在已可以利用激光或等離子體的技術從高溫氣相合成得到納米級的金屬粉料和陶瓷粉料。用化學共沉淀法、溶膠凝膠法以及水熱合成法均可制得相應的納米尺寸的陶瓷粉料。其次是納米粉料的成型與燒結，超細粉末成型和燒結過程中所遇到的大問題是團聚。實驗結果表明，可以通過增加適當的添加劑或調整介質來改善以至消除團聚現象。防止超細顆粒燒結時的重結晶是納米材料制備過程中的另一個要認真對待的重要問題。因此，原有適應于微米級材料的工藝都將作相應的改進以至改變。
        當顆粒變細時，巨大的顆粒表面為整個工藝過程帶來重大的變化。由于顆粒變細，大大改變了燒結過程的驅動力―表面能；由于顆粒變細，物料的擴散路徑變短、接觸界面增多，從而加速了擴散及化學反應過程，使原有的燒結動力學理論不適應于納米材料的燒結；由于顆粒變細，晶粒尺寸效應和晶界效應變得更為重要，對性能的影響變得顯著。因此，成功制備納米材料必須對原有工藝和工藝學理論作大量的補充和修改，從而引出了很多新的研究課題。所以，它的提出是具有方向性和指導意義的，是當前材料研究的一個重大趨向。
雖然納米材料現在沒有達到具有量子效應的尺寸水平，但是在性能上已經表現出它的優越之處，如某些金屬的超高硬度，某些陶瓷的超塑性行為，陶瓷材料燒結溫度的降低等等。納米級氧化鋯粉料可以在1250℃燒結到理論密度的98％以上（比原來的1650℃降低400℃），且具有約400％的塑性變形。具有典型共價鍵結構，無極性的氮化硅陶瓷，在納米態時卻出現與極性相聯系的壓電效應，較高的交流電導和在一定頻率范圍的介電常數急劇升高的現象。納米級的Si3N4陶瓷同樣具有超塑性行為。隨著對納米材料的不斷研究，將會發現更多高新性能的新材料。納米技術與多相復合材料相結合所組成的納米復合材料使材料的性能成倍地增長。
三、智能材料
     智能材料是指能模仿生命系統同時具有感知和驅動雙重功能的材料。它既能像人的五官那樣，感知客觀，又能能動地對外作功、發射聲波、輻射電磁波和熱能，甚至促進化學反應和改變顏色等類似有生命物質的智慧反應。當然這類材料的智慧功能的獲得是材料與電子、光電子技術結合的結果。無源的智能材料不需外加的輔助而能有效地反映出對外界環境的變化作出的響應；而有源智能材料則是通過反饋網絡而發揮它的感知和驅動功能。
無源智能材料之所以能有效地響應外界環境條件而不需要任何外電場、應力或反饋系統來誘導它的行為，是因為它自身具有下列的一些功能，這些功能的英文詞中都以S開頭的，故稱之為“S行為”，如選擇性、自診斷、自調節、靈敏性、變形性、自恢復、簡化性、自修復、穩定性與多元穩定性、候補現象、免毀能力和開關性。如陶瓷變阻器、正溫度系數熱敏陶瓷就是比較典型的無源智能材料。有源智能材料則要求有一外加反饋系統來發揮它自身的感知和驅動功能。如錄像磁頭定位器即是一例。
四、生物醫學材料和環境意識材料
    為了保障人類的健康和長壽，生物醫學材料的發展尤為人們所關注。生物醫學材料的目標是對人體組織的矯形、修復、再造、充填以維持其原有功能，要求具有相適應的性能外，還必須有與人體組織的相容性以及一定的生物活性。
具有較高強度的氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷以及帶有陶瓷涂層的鈦合金材料往往被選作能承受負荷部位的生物體的矯形修復材料。具有生物活性的羥基磷灰石和微晶玻璃是牙根種植體、牙槽矯形、頜面再造等的可用材料。聚乳酸與羥基磷灰石、磷酸鈣的復合材料，以及加入碳纖維或玻璃纖維組成的多相復合材料則是矯形固定器、組織再造等的有效材料。此外，人工心臟瓣膜的碳基復合材料亦被成功地應用。材料學家與醫學家的緊密結合，可創造出更多的生物醫學材料來保障人類的健康。仿生材料亦是一個很值得重視的研究方向。
環境意識材料（En viroment Conscious Materials，簡稱Eco-materials）是考慮如何保護地球環境免遭或減少污染以及維護整個生態平衡所需的材料。這一類材料將是21世紀重點予以發展的。它所包含的內容極寬。如防止或減緩對環境污染；對污染源的處理；廢棄材料的處置與再生利用；能源的節省與新能源的開發；生態保護措施等等方面所需要的各類材料。環境意識材料的研究是造福子孫后代的大事，現在應該提到日程上面來了。
五、材料設計
    按照使用上的要求對材料進行設計是人們從被動應用現有材料到主動地創造新材料的必由之路，這是科學技術的發展為人們提供了這種可能。材料設計可以分幾個層次，從原子和分子水平上對材料作微觀上的設計可以從材料本質上創造出新的材料，已有的研究已初見成效。但對大多數材料來說還有相當距離；比較現實的是對材料的組成與其顯微結構針對使用要求，按照材料科學的知識進行設計。陶瓷的“晶界工程”研究已卓有成效，近提出的晶界應力設計，企圖為解決陶瓷的脆性問題找出新的途徑。膜材料的設計，以至超晶格材料的設計均為新材料的創造提供基礎。
六、材料的無損評價
      具有實用意義的材料無損評價技術是材料使用可靠性的保證，是整個材料科學與工程研究的不可忽視的一個重要環節。
      一般說來，陶瓷屬脆性材料，其強度嚴格說來不是一個確定的值，而是在其平均值的一定范圍內變化著，并根據缺陷狀況而呈一定的統計分布，且取決于應力狀態與加載速率，時間效應明顯。因此，傳統的工程設計準則是陶瓷構件允許大張力應力不得大于其平均強度的20％～10％，這無疑是未充分利用材料的特性。因此，先進陶瓷的真正趨于實用化，先必需解決材料的可靠性評價技術及安全壽命預測方法。
電子與光電子技術的不斷發展為材料的無損評價提供更多的可用技術。例如高技術項目中熱波檢測技術所用電聲成像裝置分辨率已優于2微米，對陶瓷材料亞表面缺陷檢測，涂層的微裂紋擴展和氣孔分布、半導體材料的表面改性和光損傷觀察等方面的都開展了有效的研究。雖然提高檢測的分辨率是材料無損評價的一個重要方面，但是應堅持以實用為主，切實地解決具有一定分辨能力的實用檢測技術，對新材料的發展是重要的  .