材料科学研究的发展方向

      材料是人类赖以生存和发展的物质基础，因此，使用什么材料来制造工具往往成为人类文明发展的一个重要标志
      当前材料研究应该向多相复合材料、纳米材料、智能材料、生物医学材料及材料设计、材料的无损评价方向发展材料科学作为一门独立的科学需要不断完善和发展，从而逐渐增强它对材料工艺过程的正确指导作用。这里蕴藏着理论与实践辩证统一的关系，理论来源于实践，反过来又指导实践。材料科学对材料研究指导作用的一个重要方面是材料设计。根据使用的要求对材料的组成和结构进行设计以达到所要求的性能，这是发展新材料的必由之路。因此为了进行有效的材料设计，必须广泛研究材料的合成与制备中的科学问题；研究材料的组成、显微结构及其与性能之间的关系和规律、研究材料的相关系以及材料的缺陷、损毁规律、无损评价和使用寿命预测等。在新的理论指导下，又必须进行新的实践，以求得新的发展。当前材料研究应该发展的方向有：
一、多相复合材料
       为满足新技术对材料性能的综合要求，不得不放弃单体材料后处理改性的唯一途径，采取取长补短的两种（或两种以上）单体进行有效复合化的复合材料。因而多相复合材料成为当前材料研究的重要对象，它的内涵已极其广泛，主要包括：
1.纤维（或晶须）增强或补强复合材料
       纤维增强有机高分子复合材料已经得到很广泛的应用。高性能聚酰胺复合材料、聚苯并咪唑基复合材料今后都将有较大的发展。纤维增强金属基复合材料估计仍以碳纤维或碳化硅纤维增强铝基和钛基复合材料为主要发展对象。纤维补强陶瓷基复合材料则以碳化硅纤维或其他无机纤维为补强剂，基体则以非氧化物陶瓷为主的复合材料发展前景较大。从强度/重量比和它们的工作温度来衡量，在1200℃以下近期的使用则是金属复合材料、金属间化合物及其复合材料；在1200℃以上至1700℃左右环境下则是陶瓷基复合材料；在1700℃以上应用，则是碳/碳复合材料。玻璃陶瓷基体复合材料，由于它的性能匹配上的可调性，与纤维组成复合材料可以具有较优的性能，是一类作为1100℃以下使用的较有发展前途的复合材料。
2.第二相颗粒弥散复合材料
       以无机化合物弥散金属的复合材料是当前颇具吸引力的材料。SiC颗粒增强铝基复合材料和钛基复合材料在改善它们的高温性能方面均显示出明显效果TiC或ZrB2弥散的SiC基复相陶瓷的强度和断裂韧性大约可提高50％～70％。SiC颗粒弥散的氧化锆（Y―TZP）复相陶瓷，在800℃时的高温强度提高约一倍以上，使它成功地应用于热机上。SiC颗粒弥散的莫来石陶瓷，常温和高温下的强度和断裂韧性都可以有近两倍半的提高，而且搞热震性能亦大大改进，是作为热机应用的第四种候选材料。用无机化合物颗粒弥散的有机高分子材料能有效地改进它们的耐磨性能、刚性等等。由于颗粒弥散型的复合材料、具有工艺的重复性好和可靠性高的特点，而且成本较低，因此应用前景看好。
3.两（多）相复合材料
        锂铝合金，Ti－Ni系统的金属间化合物的两相复合材料是一类有望提高金属的强度/重量比和使用温度的材料。两（多）相陶瓷复合材料是典型的自补强陶瓷材料。充分利用多相复合材料来获得具有综合性能的材料是一个很好的思路，很值得研究。
4.无机物和有机物复合材料
      无机/有机复合材料的研究已经有较长的历史，以无机物作为高分子材料的充填剂进行改性早被人们所应用，例如玻璃钢就是一种已经广泛应用于工业和建筑业中的典型的无机/有机复合材料。近年来，这类材料仍具有较好的发展前景，如压电陶瓷与高分子材料相复合，不仅提高了它的物化性能，而且改善了老化性能。这种复合原理还普遍应用于封装材料之中。
5.无机物和金属复合材料
       在50年代末期和60年代前期曾经热闹过一阵子的所谓金属陶瓷，希望集金属与陶瓷的各自的长处于一身而得到一种新型材料。但是不幸的是实践的结果正好相反。这并非是思路上的失误，更多地应归咎于工艺问题。近纳米技术的发展，为金属陶瓷的设想重燃了一线光明。通过纳米技术的途径，有可能制备出兼具金属与陶瓷各自长处于一身的新型材料。
6.梯度功能复合材料
近发展了一种所谓梯度功能复合材料，即一面是可作为结构作用的金属材料，再逐层地掺入无机化合物，使另一面成为具有一些特殊的功能。这一设想早为人们在厚涂层材料中加以应用，但是以此设想来制备体材料则是一种大胆的构思，因而一经提出就受到人们的重视。近将此概念扩展，做成SiC/Si3N4梯度复合材料，使它的性能较纯粹的SiC陶瓷有大幅度的提高。因此，利用“梯度”这一设想，可以构思出一系列的新材料，是一个很值得注意的研究方向。
7.纳米复合材料
      近，新发展的利用纳米技术来制备复合材料可以是晶内纳米复合，即纳米晶粒进入到较大的相晶粒之中；也可以是晶间纳米复合，即纳米晶粒分布于较大母相晶粒的晶界之上，所得复合材料统称为复相的纳米材料。这一设想可以适用于陶瓷、金属和高分子材料。特别在陶瓷材料方面，已经取得了令人可喜的结果。
从上可知多相复合是改进材料性能的一条很好途径，但不是唯一的途径，各种不同的强化和增韧的机理同时起作用，以起到叠加的和协同的效应是具有实用价值的。
二、纳米材料
      纳米材料是指晶粒和晶界等显微构造能达到纳米级尺度水平的材料，当然所用的原料――粉料先必须是纳米级的。从微米级到纳米级的进步，不仅是制备工艺上的跃进，而且能推进材料科学的理论发展。
       材料的很多性能如强度、断裂韧性、应变速度硬度、超塑性等等，都受晶体尺寸大小的影响，在材料制备过程中的物理和化学行为亦与所有原料的颗粒尺寸有关。纳米技术的进步将使近代的微米级尺寸的材料跃进到纳米级尺寸的材料，并使材料的许多性能产生飞跃。现在已可以利用激光或等离子体的技术从高温气相合成得到纳米级的金属粉料和陶瓷粉料。用化学共沉淀法、溶胶凝胶法以及水热合成法均可制得相应的纳米尺寸的陶瓷粉料。其次是纳米粉料的成型与烧结，超细粉末成型和烧结过程中所遇到的大问题是团聚。实验结果表明，可以通过增加适当的添加剂或调整介质来改善以至消除团聚现象。防止超细颗粒烧结时的重结晶是纳米材料制备过程中的另一个要认真对待的重要问题。因此，原有适应于微米级材料的工艺都将作相应的改进以至改变。
        当颗粒变细时，巨大的颗粒表面为整个工艺过程带来重大的变化。由于颗粒变细，大大改变了烧结过程的驱动力―表面能；由于颗粒变细，物料的扩散路径变短、接触界面增多，从而加速了扩散及化学反应过程，使原有的烧结动力学理论不适应于纳米材料的烧结；由于颗粒变细，晶粒尺寸效应和晶界效应变得更为重要，对性能的影响变得显著。因此，成功制备纳米材料必须对原有工艺和工艺学理论作大量的补充和修改，从而引出了很多新的研究课题。所以，它的提出是具有方向性和指导意义的，是当前材料研究的一个重大趋向。
虽然纳米材料现在没有达到具有量子效应的尺寸水平，但是在性能上已经表现出它的优越之处，如某些金属的超高硬度，某些陶瓷的超塑性行为，陶瓷材料烧结温度的降低等等。纳米级氧化锆粉料可以在1250℃烧结到理论密度的98％以上（比原来的1650℃降低400℃），且具有约400％的塑性变形。具有典型共价键结构，无极性的氮化硅陶瓷，在纳米态时却出现与极性相联系的压电效应，较高的交流电导和在一定频率范围的介电常数急剧升高的现象。纳米级的Si3N4陶瓷同样具有超塑性行为。随着对纳米材料的不断研究，将会发现更多高新性能的新材料。纳米技术与多相复合材料相结合所组成的纳米复合材料使材料的性能成倍地增长。
三、智能材料
     智能材料是指能模仿生命系统同时具有感知和驱动双重功能的材料。它既能像人的五官那样，感知客观，又能能动地对外作功、发射声波、辐射电磁波和热能，甚至促进化学反应和改变颜色等类似有生命物质的智慧反应。当然这类材料的智慧功能的获得是材料与电子、光电子技术结合的结果。无源的智能材料不需外加的辅助而能有效地反映出对外界环境的变化作出的响应；而有源智能材料则是通过反馈网络而发挥它的感知和驱动功能。
无源智能材料之所以能有效地响应外界环境条件而不需要任何外电场、应力或反馈系统来诱导它的行为，是因为它自身具有下列的一些功能，这些功能的英文词中都以S开头的，故称之为“S行为”，如选择性、自诊断、自调节、灵敏性、变形性、自恢复、简化性、自修复、稳定性与多元稳定性、候补现象、免毁能力和开关性。如陶瓷变阻器、正温度系数热敏陶瓷就是比较典型的无源智能材料。有源智能材料则要求有一外加反馈系统来发挥它自身的感知和驱动功能。如录像磁头定位器即是一例。
四、生物医学材料和环境意识材料
    为了保障人类的健康和长寿，生物医学材料的发展尤为人们所关注。生物医学材料的目标是对人体组织的矫形、修复、再造、充填以维持其原有功能，要求具有相适应的性能外，还必须有与人体组织的相容性以及一定的生物活性。
具有较高强度的氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷以及带有陶瓷涂层的钛合金材料往往被选作能承受负荷部位的生物体的矫形修复材料。具有生物活性的羟基磷灰石和微晶玻璃是牙根种植体、牙槽矫形、颌面再造等的可用材料。聚乳酸与羟基磷灰石、磷酸钙的复合材料，以及加入碳纤维或玻璃纤维组成的多相复合材料则是矫形固定器、组织再造等的有效材料。此外，人工心脏瓣膜的碳基复合材料亦被成功地应用。材料学家与医学家的紧密结合，可创造出更多的生物医学材料来保障人类的健康。仿生材料亦是一个很值得重视的研究方向。
环境意识材料（En viroment Conscious Materials，简称Eco-materials）是考虑如何保护地球环境免遭或减少污染以及维护整个生态平衡所需的材料。这一类材料将是21世纪重点予以发展的。它所包含的内容极宽。如防止或减缓对环境污染；对污染源的处理；废弃材料的处置与再生利用；能源的节省与新能源的开发；生态保护措施等等方面所需要的各类材料。环境意识材料的研究是造福子孙后代的大事，现在应该提到日程上面来了。
五、材料设计
    按照使用上的要求对材料进行设计是人们从被动应用现有材料到主动地创造新材料的必由之路，这是科学技术的发展为人们提供了这种可能。材料设计可以分几个层次，从原子和分子水平上对材料作微观上的设计可以从材料本质上创造出新的材料，已有的研究已初见成效。但对大多数材料来说还有相当距离；比较现实的是对材料的组成与其显微结构针对使用要求，按照材料科学的知识进行设计。陶瓷的“晶界工程”研究已卓有成效，近提出的晶界应力设计，企图为解决陶瓷的脆性问题找出新的途径。膜材料的设计，以至超晶格材料的设计均为新材料的创造提供基础。
六、材料的无损评价
      具有实用意义的材料无损评价技术是材料使用可靠性的保证，是整个材料科学与工程研究的不可忽视的一个重要环节。
      一般说来，陶瓷属脆性材料，其强度严格说来不是一个确定的值，而是在其平均值的一定范围内变化着，并根据缺陷状况而呈一定的统计分布，且取决于应力状态与加载速率，时间效应明显。因此，传统的工程设计准则是陶瓷构件允许大张力应力不得大于其平均强度的20％～10％，这无疑是未充分利用材料的特性。因此，先进陶瓷的真正趋于实用化，先必需解决材料的可靠性评价技术及安全寿命预测方法。
电子与光电子技术的不断发展为材料的无损评价提供更多的可用技术。例如高技术项目中热波检测技术所用电声成像装置分辨率已优于2微米，对陶瓷材料亚表面缺陷检测，涂层的微裂纹扩展和气孔分布、半导体材料的表面改性和光损伤观察等方面的都开展了有效的研究。虽然提高检测的分辨率是材料无损评价的一个重要方面，但是应坚持以实用为主，切实地解决具有一定分辨能力的实用检测技术，对新材料的发展是重要的  .