材料科学与工程学科知识要素导学研究

董振伟，张帅阳，梁 玮，钞春英，李品将

(许昌学院 新材料与能源学院，河南 许昌 461000)

材料是人类赖以生存的根本，人们在生活中时刻使用着各种各样的材料，材料改变的同时，人类的生活也在改变，因此，材料和人类的生活息息相关。人类从石器时代到青铜器时代，再到铁器时代，每一个时代都有特别倚重的材料，人类的文明伴随着材料的升级而不断地提高，可以说材料的发展推动了人类文明的进步[1]。材料科学与工程学科今时不同往昔，如今的材料产业拥有着一个十分庞大的市场，这个市场的爆发式增长使得材料类专业应用型人才的职位大量空缺。为了顺应形势，许多高校跟风式的开设了材料科学与工程相关专业，但却并没有建立起明确的培养方向和教学目标[2]。材料的基本组成单元是“相”，即所谓材料的基本性质，它决定了科学现象，即材料的性能，由于科学本质决定了科学现象，而科学现象反映了科学本质，即“相”决定了性能，性能反映了“相”。若要研发出一种新材料，就必须清楚材料的科学本质与科学现象之间的关系，即“相”与性能之间的关系。材料工程是将材料性质与性能连接起来的关键，主要包括材料的表征和工艺。表征阐述的是材料分析检测技术的基本原理、探测过程和处理技术，包括材料分析检测技术概述、X射线衍射分析、扩展X射线吸收精细结构谱分析、透射电子显微分析、扫描电子显微镜和电子探针分析、扫描隧道显微分析和原子力显微分析等。工艺主要是材料的制备原理和方法，性质决定了工艺原理，性能决定了工艺方法和路线，了解了材料的性能及其科学问题，就可依据“相”与性能之间的联系对材料进行制备。综上所述，材料科学与工程主要研究的是材料的成分、结构、工艺和应用等，其中材料科学着重对材料的性质与性能之间的关系进行阐述与分析，而材料工程则是以材料科学为理论依据对材料进行研制并实现其具体应用[3-4]。长期以来，由于没有明确地揭示材料科学与材料工程之间的关联，因此，像材料科学与工程这样一门知识宽泛且应用性较强的学科其教学效果并不理想。Robert W. Cahn将成分与结构、合成与制备、性能以及使役行为置于正四面体的各个顶点，形成了材料科学与工程学科知识四要素导学示意图[5]。我国著名材料科学家师昌绪先生认为材料的成分与结构是非等同变量，于是将成分和结构分开，并在中心位置加入理论、材料设计与工艺设计，从而形成了五要素导学示意图[6]。本文在材料科学与工程学科知识四要素和五要素导学示意图的基础上，引入了缺陷和表征两项重要内容，提出了六要素导学示意图，并揭示了各要素之间的关系。

1 四要素导学示意图

图1 材料科学与工程四要素导学示意图[5]

图1是材料科学与工程学科知识四要素导学示意图，该模型将材料的成分与结构、合成与制备、性质以及使役行为以正四面体的形式连接在一起[6-7]。成分是组成材料的元素种类和配比，包含了无机非金属材料、金属材料、高分子材料以及复合材料等，结构是指材料中实际质点(原子、离子或分子)的具体排列情况，成分和结构是决定材料的物理、化学和力学性能的基本因素。性能是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要取决于材料组成和结构。合成与制备是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种方法，在微观尺度上对材料的成分重新进行排布。性能主要包括力学性能、物理性能，而使役行为通常是指材料在某种环境或条件作用下最终的使用过程中的行为和表现，与材料设计、工程环境密切相关。从材料的产生到失效，四要素存在着逻辑上的因果关系，即一切以使役行为为目的，成分与结构是物质的基本属性，也是合成与制备的前提与结果，而性能取决于内部成分与结构，根据材料的性能差异又可以产生不同使役行为的产品。在现代科学技术中，无论是制造某种产品还是改善现有的材料，都需要具备材料成分、结构与性能等知识为基础，特别是新型材料，其主要特点是以科学为指导，与新技术、新工艺的发展相互依存、相互促进。

2 五要素导学示意图

事实上，材料的结构与成分并非等同，相同的成分通过不同的合成方法可以得到不同的结构，导致材料的性能和使役行为也会不同。材料的结构主要包括键合结构、晶体结构和组织结构，键合结构包括化学键(离子键、共价键、金属键)和物理键(氢键、分子键)，晶体结构包括晶体(原子排列长程有序，有周期)、非晶体(原子排列短程有序，无周期)、准晶体(原子排列长程有序，无周期)，组织结构是指材料表示出的某种形态特征，包括相图特征(匀晶组织、共晶组织、包晶组织等)、结构特征(fcc结构、bcc结构、hcp结构等)、组织特征(单相组织、两相组织、多相组织)。我国著名材料科学家师昌绪先生认为，成分是与结构同样重要的变量，制备和合成可以相关联，同时将“材料理论与制备设计”列为材料科学与工程的核心，提出了如图2中所示的五要素导学示意图，即成分、合成与制备、结构、性质和使用效能[6]。该模型的第一大特点是性能与效能之间的特殊关联，效能是材料在使用环境中性能的表现；第二大特点则是材料理论与制备设计有了一个适当位置，它处于六面体的中心。五要素示意图中各要素之间都有相应的理论指导，根据模型可以对材料和工艺进行设计，以达到提高使用效能、节约资源、减少污染以及降低成本的目的，这也是材料科学与工程奋斗的目标。

图2 材料科学与工程五要素导学示意图[6]

3 六要素导学示意图

相对于质点严格按照点阵排列的理想晶体而言，实际晶体中存在着各种尺度上的结构不完整，通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体结构缺陷，正是由于这些缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质。表征是用物理或化学的方法对材料进行分析、测试或鉴定，阐明材料的理化性质。其实，材料科学与工程的发展很大程度上依赖于新兴科学仪器的不断发明和表征技术的不断提高，大约有半数诺贝尔奖获得者得益于新仪器的发明或者新测试手段的采用，因此，材料的表征是材料科学与工程一个重要知识内容[8]。基于以上内容，在四要素和五要素导学示意图的基础上，引入了缺陷和表征两项重要内容，形成了如图3中所示的六要素导学示意图，该模型揭示了材料的成分、结构、缺陷、工艺、表征以及效能之间的关联。

图3 材料科学与工程六要素导学示意图

材料研究的根本目的在于获得使用效能，因此，使用效能应该成为材料科学与工程最核心的一个要素。对于材料来说效能就是性质的最终表现，所以研究一种材料就必须研究材料的组织属性，而材料的组织就是成分、缺陷、结构三要素。效能是材料在真实环境中其性能的外部表现，成分、结构、缺陷则是材料组织特有的属性。表征是材料组织、效能、工艺所体现出来的特征，表征可以通过测试得出，同时材料的结构、成分、缺陷亦由测试得出。材料可以在合适的工艺条件下控制其组织性质，材料的制备工艺也可以通过测试结果进行反馈。从图3中可以发现，研究一种材料要通过测试来进行表征，通过表征测试可以对材料的组织性质进行分析。成分、结构与缺陷是材料科学与工程的基础，测试技术与制备技术便是科学基础的延伸。成分与结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分与结构进行精确表征是实现材料性能控制的前提。材料的分析包括表面和内部组织形貌、晶体的相结构、化学成分和价键结构，相对应的，材料的分析方法有形貌分析、物相分析、成分与价键分析和分子结构分析。AES是根据每种原子或离子在热或电激发，处于激发态的待测元素原子回到激发状态时发射出特征的电磁辐射而进行元素定性和定量分析。电感耦合等离子体(AES-ICP)的引入提高了元素分析效率，电感耦合等离子体原子发射光谱法是以电感耦合等离子矩为激发光源的光谱分析方法，可同时测定多种元素，其中电感耦合等离子体焰矩温度可达6000～8000 K，当将试样由进样器引入雾化器，并被氩载气带入焰矩时，则试样中组分被原子化、电离和激发，以光的形式发射出能量。不同元素的原子在激发或电离时，发射不同波长的特征光谱，故根据特征光的波长可进行定性分析；元素的含量不同时，发射特征光的强弱也不同，据此可进行定量分析。由此元素分析的方法中我们可以快速分析出样品中的元素种类和其所占的比例，为下一步的结构分析做准备。接下来的实验步骤便是要进行X射线粉末衍射仪测试，目前，X射线粉末衍射技术已发展成为最重要的材料分析测试技术之一，这是研究晶体结构的一种方法，X射线衍射法是一种研究晶体结构的方法，而不直接研究试样含有元素的种类及含量的方法。当X射线照射晶体结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子或分子所衍射。X射线照射两个晶面距离为d的晶面时，受到晶面的反射，晶面间距一般为物质的特有属性，对一种物质

若能测定数个d及其相对应的衍射的相对强度，则能对物质进行鉴定。组成物质的各种相都具有各自的晶体结构(点阵类型，晶胞形状及大小等)，因而具有各自的X射线花样特征。对于多相物质，其衍射花样则由各组成相的衍射花样简单叠加而成。经过测试之后，在和标准物质峰图进行比对看是否吻合，若是样品的峰图多而杂乱，最大的原因是其中含有杂质或没有完全反应，但是这种测试方法不是直接研究样品含有元素的种类及含量。扫描电子显微镜(SEM)是一种研究物质表面形貌的测试方法，是以能量为1～30 kV间的电子束，以光栅状扫描方式照射到被分析试样的表面上，利用入射电子和试样表面物质相互作用所产生的二次电子和背散射电子成像，获得试样表面微观组织结构和形貌信息。配置波谱仪和能谱仪，利用所产生的X射线对试样进行定性和定量化学成分分析。它的特点是焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌的研究，同时放大倍数范围广，从十几倍到几十万倍，可以清晰的观察到材料表面晶体的生长状况与形貌，由此可以确定接下来实验的发展方向，若测试结果与假设不相符我们也可以及时调整改正，进行接下来的实验。以上三种测试技术都由成分、结构、缺陷延伸而来，不同的方向会根据自身的特点进行不同的技术测试，最终得到“相”与性能之间的关系以及对性能的影响。另一重要的技术是工艺，工艺涉及合成与加工，材料具备表征条件的前提是需要先制备出材料，成为具有某种性能的产品之后方可进行检测。工艺的范围比较广泛，不同的材料会有不同的合成与加工技术，因此，工艺技术的进步为材料的发展奠定了坚实的基础。此外，当了解了某种材料的“相”，即成分、结构和缺陷的关系之后，就可以依据此性质进行工艺设计，即材料的“相”决定了工艺路线，反过来通过工艺技术的优化可以提高使用效能，此为工艺技术与使用效能的相互关系。综上所述，表征和工艺技术作为材料科学与工程两大要素，与成分、结构、缺陷和效能之间相互促进。

4 结语

为了在教学过程中让学生们直观地了解材料科学与工程这一学科的本质内容，本文以导学示意图为研究对象，对材料科学与工程学科知识四要素和五要素导学示意图进行了概括与分析。在此基础上，提出了包括缺陷和表征在内的六要素导学示意图，并论证了该示意图中各要素之间的关系。六要素导学示意图的提出不仅是对四要素和五要素导学示意图的完善，同时也赋予了材料科学与工程学科更为全面而丰富的内涵。希望六要素示意图能够有助于材料科学与工程专业基础课程的教学与相关科研工作。

参考文献

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[2]张为军,白书欣,吴文健,等.材料科学与工程人才培养方案的改革研究[J].高等教育研究学报,2011,34(3):18-20.

[3]张建斌.重新认知材料科学与工程[J].金属世界,2014(1): 27-31.

[4]赵振业.材料科学与工程的新时代[J].航空材料学报,2016,36(3):1-6.

[5]Robert W Cahn. The coming of materials science[J].材料科学技术(英文版),2003,9(6):53-54.

[6]冯 瑞,师昌绪,刘治国.材料科学导论[M].北京:化学工业出版社,2002.

[7]朱 英.材料科学四要素的认识[J].化工中间体,2014(11): 1-5.

[8]张 霞.新材料表征技术[M].上海:华东理工大学出版社,2012.