人類文明的進(jìn)步離不開(kāi)材料。一種新材料的出現(xiàn)，有時(shí)會(huì)引起生產(chǎn)工具和生產(chǎn)方式的變革，生產(chǎn)力也因此獲得巨大的發(fā)展。近代以前，人類歷史出現(xiàn)了以材料為標(biāo)志的石器時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代，近代也有鋼鐵時(shí)代、高分子時(shí)代的說(shuō)法，可見(jiàn)材料在人類文明進(jìn)程中的重要地位。材料的發(fā)展是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是一切工程建設(shè)的基本前提；同時(shí)，具有特殊功能的材料的新發(fā)現(xiàn)又大多是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)及有關(guān)工程技術(shù)綜合研究的結(jié)果。材料研究中的革命性發(fā)現(xiàn)和科技革命相伴而行、相輔相成。因此，材料的生產(chǎn)與研制在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的地位極其重要，其數(shù)量、品種和質(zhì)量已成為衡量國(guó)家科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要依據(jù)。

那些曾經(jīng)的新材料

新材料是一個(gè)相對(duì)的概念，是相對(duì)于那些已廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)材料而言的。目前，世界上的材料有成千上萬(wàn)種，根據(jù)它們的特性大致可分為金屬材料、合成高分子材料和無(wú)機(jī)非金屬材料三大類。其中，金屬材料包括金、銀、銅、鐵、錫及其合金等；合成高分子材料包括塑料、合成橡膠、纖維等；無(wú)機(jī)非金屬材料包括單晶硅、玻璃、陶瓷等。這些傳統(tǒng)材料對(duì)當(dāng)時(shí)發(fā)生的科技革命和工業(yè)革命都產(chǎn)生了極其重要的影響，至今仍然煥發(fā)著新的生機(jī)。

●鋼鐵

鋼鐵曾是一國(guó)工業(yè)化的代名詞，世界發(fā)達(dá)國(guó)家都曾經(jīng)歷鋼鐵時(shí)代。以鋼鐵為代表的金屬材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。有了鋼鐵的大發(fā)展，才使得蒸汽機(jī)、紡織機(jī)械、火車、輪船批量生產(chǎn)，才使得工業(yè)革命的發(fā)生成為可能。19世紀(jì)中葉以前，金屬材料主要是鑄鐵、鍛鐵，鋼的產(chǎn)量還不到鐵的產(chǎn)量的1/40。1855年，英國(guó)人貝西默發(fā)明了從爐底吹送空氣的“轉(zhuǎn)爐”，只需十幾分鐘就可以生產(chǎn)大量的鋼，首次解決了大規(guī)模生產(chǎn)液態(tài)鋼的問(wèn)題。1864年，法國(guó)人馬丁發(fā)展了西門子平爐煉鋼法，可大量利用廢鋼、生鐵進(jìn)行煉鋼，能生產(chǎn)出更多品種、更好質(zhì)量的鋼。1878年，英國(guó)人托馬斯發(fā)明了堿性底吹空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法，解決了高磷鐵煉鋼問(wèn)題。

20世紀(jì)上半葉，酸性轉(zhuǎn)爐、平爐、堿性轉(zhuǎn)爐的發(fā)明與推廣使大規(guī)模生產(chǎn)的鋼材迅速取代了鐵，成為第一次工業(yè)革命的重要支柱。第二次世界大戰(zhàn)以后，高爐煉鐵技術(shù)又有了重大進(jìn)展。1952年，奧地利的林茨廠發(fā)明了堿性頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐，由于具有時(shí)間短、占地少、節(jié)省人力物力等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)得到迅速推廣。在此后的二三十年內(nèi)，該技術(shù)不僅全部淘汰了托馬斯轉(zhuǎn)爐，也使平爐日漸受到冷落，使煉鋼技術(shù)跨入一個(gè)新的時(shí)代。1970年，人們開(kāi)發(fā)出頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐，300噸級(jí)頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐只需20分鐘左右便可完成冶煉，其后該項(xiàng)技術(shù)在世界各國(guó)鋼鐵企業(yè)獲得了廣泛采用，轉(zhuǎn)爐徹底替代平爐成為主要煉鋼方式。

隨著各種工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種特殊性能的高質(zhì)量的合金鋼也大量問(wèn)世。目前，合金鋼已達(dá)數(shù)千種，幾乎囊括了所有的金屬元素，此外還包含了碳、氮、硼等少量非金屬元素。1882年，英國(guó)人哈德菲爾德研制出錳鋼，被認(rèn)為是合金鋼發(fā)展史上的里程碑。此后，各種有特殊性能的合金鋼不斷出現(xiàn)，如鎳鋼、不銹鋼、透磁鋼、氮化鋼、鎳鉻合金、銅鎳合金等。1995年，日本發(fā)生的阪神大地震使許多鋼結(jié)構(gòu)建筑毀于一旦，引發(fā)了人們對(duì)鋼鐵材料的再思考。1997年，日本提出為期10年的“超級(jí)鋼”研究計(jì)劃。1998年，中國(guó)啟動(dòng)了新一代超細(xì)晶粒鋼研究。2002年，美國(guó)啟動(dòng)了“超細(xì)晶粒鋼開(kāi)發(fā)”計(jì)劃。這些研究均旨在通過(guò)形變細(xì)化、相變細(xì)化和第二相析出來(lái)大幅提高鋼的強(qiáng)度、抗疲勞性能和低溫韌性，并均已取得了可喜的成果。

超細(xì)晶粒鋼是當(dāng)前汽車用鋼鐵材料的研究熱點(diǎn)，是21世紀(jì)先進(jìn)高性能結(jié)構(gòu)材料的代表。近年來(lái)，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造，使用金屬材料的3D打印技術(shù)的發(fā)展尤為迅速。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有欽合金、鉆鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等，鋼鐵合金粉末材料現(xiàn)已成為打印制造質(zhì)量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，以鋼鐵材料為代表的金屬材料仍有著不可替代的戰(zhàn)略地位。此外，鋁、鎂、鈦及其合金，稀有金屬、稀土元素等金屬材料也占據(jù)著重要地位，在我們的社會(huì)生活中發(fā)揮著重要作用。

●高分子合成材料

高分子合成材料是20世紀(jì)材料領(lǐng)域的新秀，給人類生活方式帶來(lái)了革命性的影響。與絲、棉、毛紡織、皮革等天然高分子材料不同，高分子合成材料主要指橡膠、塑料、纖維、薄膜、涂料等。高分子合成材料及其應(yīng)用技術(shù)發(fā)端于20世紀(jì)20年代，成熟于70年代，在不到50年的發(fā)展過(guò)程中在許多領(lǐng)域取代了鋼材、木材和棉花。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至70年代末，合成橡膠的產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到天然橡膠產(chǎn)量的2倍，塑料在結(jié)構(gòu)材料中占到了22%，工程塑料已有取代鋼鐵之勢(shì)。

高分子合成材料的發(fā)展可以說(shuō)是科研與生產(chǎn)密切結(jié)合的典范。高分子科學(xué)的建立和發(fā)展為高分子合成材料的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1920年，德國(guó)化學(xué)家施陶丁格在《德國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志》上發(fā)表了關(guān)于聚合反應(yīng)的論文，首次提出聚苯乙烯、聚甲醛、天然橡膠上有線性長(zhǎng)鏈的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)式。兩年后，他明確提出了高聚物是長(zhǎng)鏈大分子結(jié)構(gòu)的概念。1926年，在德國(guó)化學(xué)年會(huì)上，施陶丁格的高分子理論得到了與會(huì)者認(rèn)同。1932年，施陶丁格出版了劃時(shí)代巨著《高分子有機(jī)化合物》，標(biāo)志著高分子合成化學(xué)正式創(chuàng)立。在施陶丁格理論的影響下，高分子合成材料的研發(fā)得到迅速發(fā)展，1927年有機(jī)玻璃研制成功，1928年合成聚氯乙烯塑料，1930年研制出聚苯乙烯塑料。此后，塑料被廣泛應(yīng)用到人類生活的方方面面，可以稱得上是20世紀(jì)人類最為重要的發(fā)明。1935年，美國(guó)化學(xué)家卡羅瑟斯發(fā)現(xiàn)了縮合聚合規(guī)律，直接促使他發(fā)明了尼龍。1939年，德國(guó)研制出錦綸。1940年，英國(guó)合成了滌綸。第二次世界大戰(zhàn)期間，橡膠、尼龍等合成高分子材料作為軍用物資，備受重視。1942年，德國(guó)人萊因與美國(guó)人萊瑟姆幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了二甲基甲酰胺溶劑，并成功地得到了聚丙烯腈纖維，即腈綸。1953年，德國(guó)化學(xué)家齊格勒發(fā)明了四氯化鈦—二乙基鋁催化體系，并合成了聚乙烯和聚丙烯，使高分子合成工業(yè)的發(fā)展又邁向了一個(gè)新的階段。1955年，美國(guó)人合成了結(jié)構(gòu)與天然橡膠一致的聚異戊二烯，同年合成順丁橡膠并投產(chǎn)。1960年，美國(guó)科學(xué)家貝肯在《應(yīng)用物理雜志》（Journal of Applied Physics）上發(fā)表了關(guān)于石墨晶須的文章，成為高性能碳纖維技術(shù)基礎(chǔ)研究史上的一個(gè)里程碑。他認(rèn)為，石墨晶須是石墨聚合物，是一種純粹的碳形式，原子被排列在六角形的片體中，是卷起來(lái)的石墨片層。

總之，20世紀(jì)五六十年代，高分子科學(xué)已相當(dāng)成熟，極大地促進(jìn)了橡膠、塑料、纖維的工業(yè)發(fā)展，改變了人們的衣食住行。70年代后，高分子科學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)一些具有特殊功能的高分子材料，如用于集成電路光刻工藝的高分子感光膠，以及高分子導(dǎo)電、半導(dǎo)體、發(fā)光、壓電、熱電、功能膜、生物醫(yī)學(xué)材料等。值得一提的是，在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)人辛格獲得了石墨纖維及其制造工藝的專利，日本東麗工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了性能極優(yōu)異的聚丙烯腈基碳纖維，占據(jù)了碳纖維技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)地位。由于碳纖維質(zhì)量小，動(dòng)力消耗少，可節(jié)約大量燃料而被應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天領(lǐng)域。目前，碳纖維作為新興材料正由成長(zhǎng)期進(jìn)入快速應(yīng)用期，預(yù)計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用將占70%，在休閑娛樂(lè)等領(lǐng)域應(yīng)用將占15%～30%。

●半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)開(kāi)啟了第三次科技革命的浪潮，使人類社會(huì)邁進(jìn)了電子信息時(shí)代。半導(dǎo)體是20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)的新型無(wú)機(jī)非金屬材料。第一代半導(dǎo)體材料為元素半導(dǎo)體，鍺和硅鍺是最早用來(lái)制造晶體管的半導(dǎo)體材料。由于硅材料具有優(yōu)良的半導(dǎo)體電學(xué)性能，因此，絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是在單晶片或在硅襯底的外延片上制作的，在半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展初期其他材料就逐漸為硅材料所取代。到目前為止，硅仍是制造二極管、晶體管和集成電路等這些器件的最主要材料。1947年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利研制成功了第一只點(diǎn)接觸晶體管。1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室使用800支晶體管組裝成功人類有史以來(lái)第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC，使晶體管步入集成電路時(shí)代。可以說(shuō)，硅材料的發(fā)現(xiàn)和使用使計(jì)算機(jī)發(fā)生了一場(chǎng)“革命”，極大地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代。迄今，以硅為基質(zhì)的半導(dǎo)體集成電路已經(jīng)發(fā)展到超大規(guī)模集成和超高速集成以及三維多層集成的新階段。

第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體，主要有砷化鎵和磷化鎵等。由于砷化鎵具有電子遷移率高等優(yōu)異的物理性質(zhì)，目前被廣泛應(yīng)用于軍事設(shè)施、激光器探測(cè)器、高速器件、微波二極管中。

第三代半導(dǎo)體材料為寬禁帶半導(dǎo)體材料，主要有碳化硅、金剛石和氮化鎵等。由于碳化硅禁帶寬度在3 eV以上，工作溫度可以很高，可以在600℃下工作，常用于制作耐高溫、抗輻射的半導(dǎo)體和高密度集成的電子器件，被廣泛用在石油鉆探、航空航天等領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代初，石英光導(dǎo)纖維材料和砷化鎵激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。70年代初期，美國(guó)IBM實(shí)驗(yàn)室的著名物理學(xué)家江崎與華裔科學(xué)家朱兆祥，基于試圖人為地控制半導(dǎo)體中電子的勢(shì)分布與波函數(shù)的設(shè)想，首次提出半導(dǎo)體超晶格的新概念。與此同時(shí)，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室和IBM公司制成了第一類晶格匹配的組分型超晶格，開(kāi)創(chuàng)了具有一維量子封閉性的半導(dǎo)體超晶格與量子阱研究的新局面，標(biāo)志著半導(dǎo)體材料的發(fā)展開(kāi)始進(jìn)入人工設(shè)計(jì)的新時(shí)代。這個(gè)階段的突出特點(diǎn)是低維化，即當(dāng)材料特征尺寸在某一維度小于電子平均自由程時(shí)，電子能量將不再是連續(xù)的而是量子化的，如超晶格、量子阱、量子線、量子點(diǎn)與納米晶粒等低維半導(dǎo)體材料。用低維材料制作的納米器件可實(shí)現(xiàn)單電子或數(shù)個(gè)電子的量子調(diào)控，將大幅提升集成度，降低功耗。

低維半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制備從“雜質(zhì)工程”跨越到“能帶工程”，現(xiàn)在這些低維半導(dǎo)體材料已被廣泛應(yīng)用于光通信、移動(dòng)通信、微波通信中而成為新的發(fā)展方向。1986年，德國(guó)科學(xué)家柏諾茲和瑞士科學(xué)家穆勒發(fā)現(xiàn)了新的金屬氧化物超導(dǎo)材料即鋇鑭銅氧化物。銅酸鹽高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)是自1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)材性以來(lái)的一次重大突破，打開(kāi)了混合金屬氧化物超導(dǎo)體的研究方向，促使了一系列新型奇異超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。目前，超導(dǎo)成為世界材料科技研究的前沿領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家杰姆、諾沃消洛夫從石墨中分離出由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)新材料——石墨烯，其具有非同尋常的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高電子遷移率、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度、極好的透光性和卷曲柔性。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，石墨烯器件有望替代互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件，被廣泛應(yīng)用在納電子器件、光電化學(xué)電池、超輕型飛機(jī)材料等領(lǐng)域，可能會(huì)給半導(dǎo)體材料與器件帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。

材料科學(xué)的融合發(fā)展

各種分門別類材料學(xué)的發(fā)展，如涓涓細(xì)流，終匯成以現(xiàn)代科學(xué)為基礎(chǔ)的全材料學(xué)科——材料科學(xué)與工程學(xué)科。一門學(xué)科的建立或形成并不取決于某些學(xué)者的意志與愛(ài)好，而是取決于生產(chǎn)生活的需要。一般來(lái)說(shuō)，隨著專業(yè)人才的不斷增多和人類認(rèn)識(shí)的不斷深化，專業(yè)化研究機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，交流機(jī)制的形成，一門學(xué)科才算真正地建立起來(lái)。材料科學(xué)與工程學(xué)科的建立結(jié)束了材料發(fā)展的混沌狀態(tài)，使科學(xué)、技術(shù)與工程徹底結(jié)合起來(lái)。

●材料加工技術(shù)的發(fā)展

材料加工技術(shù)的發(fā)展加深了人們對(duì)材料宏觀性能的認(rèn)識(shí)。人類最早使用的是天然材料，利用木材、石頭、泥土、礦石及家畜產(chǎn)品以應(yīng)對(duì)當(dāng)時(shí)一般的生產(chǎn)和低水平生活的需要。在生產(chǎn)實(shí)踐中，人們逐步積累了一些材料加工技術(shù)。大約從公元前4000年開(kāi)始，人類從漫長(zhǎng)的石器時(shí)代進(jìn)入青銅器時(shí)代，出現(xiàn)了銅的熔煉技術(shù)和鑄造技術(shù)，人類開(kāi)始掌握對(duì)自然資源進(jìn)行加工的技術(shù)。公元前1400年至公元前1350年，開(kāi)始出現(xiàn)以大規(guī)模煉鐵技術(shù)和鍛造技術(shù)為代表的材料加工技術(shù)，人類進(jìn)入鐵器時(shí)代。從公元1500年到20世紀(jì)初，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)多數(shù)材料的強(qiáng)度、硬度、傳熱性、導(dǎo)電性、透光性、耐腐蝕性等宏觀性能有了較多的知識(shí)，積累了更多的材料加工方法。受產(chǎn)業(yè)革命的影響，以鋼鐵為代表的金屬材料的社會(huì)需求驟增，同時(shí)對(duì)鋼材的抗壓、高強(qiáng)度、高韌性和抗腐蝕性的要求也日益提高，使冶金技術(shù)在19世紀(jì)下半葉發(fā)生了重大變革，高爐技術(shù)和金屬精煉日漸成熟，具有各種特殊性能和功能的合金鋼也應(yīng)運(yùn)而生。水泥生產(chǎn)是19世紀(jì)開(kāi)創(chuàng)的又一重要的材料工業(yè)，它以石頭、煤炭為基本原料，與鋼材、玻璃相配合，使建筑技術(shù)發(fā)生了大變革。從20世紀(jì)初到20世紀(jì)后期，有機(jī)高分子材料的出現(xiàn)與發(fā)展，使材料的品種面貌發(fā)生了很大的改觀，半導(dǎo)體材料和多種功能性材料的發(fā)現(xiàn)和研制促進(jìn)了許多新興工業(yè)的發(fā)展，陶瓷制品生產(chǎn)的機(jī)械化大大提高人類的生產(chǎn)能力。

總之，材料合成技術(shù)的發(fā)展使材料的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至1976年，全世界的材料品種有25萬(wàn)種，年增長(zhǎng)率為5%。從20世紀(jì)后期至今，材料加工技術(shù)呈現(xiàn)出兩個(gè)特征：一是按照使用要求來(lái)設(shè)計(jì)材料的性能，實(shí)現(xiàn)性能設(shè)計(jì)與制備加工工藝設(shè)計(jì)的一體化；二是在材料設(shè)計(jì)、制備、成型與加工處理的全過(guò)程中，對(duì)材料的組織性能和形狀尺寸實(shí)行精確控制。而實(shí)現(xiàn)第二個(gè)特征則要求計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)的高度發(fā)展和材料數(shù)據(jù)庫(kù)的高度完備，這也是當(dāng)前材料加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。

●基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展

基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展加深了人們對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)?；瘜W(xué)家很早就建立起由于所含元素不同而性能各異的概念。1863年，英國(guó)地質(zhì)礦物學(xué)家索比在顯微鏡下觀察金屬表面，發(fā)現(xiàn)了金屬的顯微結(jié)構(gòu)，開(kāi)啟了金屬結(jié)構(gòu)同金屬拉力、延展性及其他性能的關(guān)系研究。1887年，荷蘭化學(xué)家羅澤布姆開(kāi)始用相律研究合金的性質(zhì)。1903年，德國(guó)物理化學(xué)家塔曼開(kāi)始研究冶煉中的物質(zhì)平衡、熱平衡及爐內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。1911年，丹麥物理學(xué)家玻爾建立了原子結(jié)構(gòu)理論。1916年，美國(guó)化學(xué)家路易斯建立化學(xué)鍵的電子理論。量子力學(xué)、電子衍射、中子衍射、光譜理論、電子成像理論、X射線成像理論等的發(fā)展，使材料微觀分析技術(shù)逐步完善，成為一個(gè)相互交錯(cuò)、相輔相成的體系。

20世紀(jì)，物理學(xué)、化學(xué)的發(fā)展使研究深入到材料的晶體結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)等微觀的基本結(jié)構(gòu)中。人們除了研究材料的強(qiáng)度、硬度、彈性、疲勞、蠕變等力學(xué)性能為主的材料力學(xué)之外，也對(duì)各種材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究，并取得許多重要成果。例如，1912年通過(guò)X射線衍射法，人們獲知了金剛石是正四面體晶體結(jié)構(gòu)，而石墨是平面的六邊形晶體結(jié)構(gòu)。在這種認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，1955年美國(guó)通用電氣公司實(shí)驗(yàn)室終于將石墨變成了金剛石。各類材料的本質(zhì)揭示，有效指導(dǎo)了改善材料性能的途徑、研制方法及其加工技術(shù)。此外，雜質(zhì)對(duì)材料性能的影響也越來(lái)越受到人們的重視，從而使各種材料生產(chǎn)工藝得到很大的改進(jìn)。

因此，從19世紀(jì)后半葉到20世紀(jì)，由于人類對(duì)材料宏觀性能、微觀結(jié)構(gòu)及其關(guān)系研究的加深，所以各種分門別類的材料學(xué)先后建立起來(lái)，例如以材料化學(xué)成分劃分的金屬材料、陶瓷材料、高分子合成材料等，以材料功能劃分的建筑材料、汽車工業(yè)材料、電力工業(yè)材料、電子工業(yè)材料、航空工業(yè)材料、半導(dǎo)體材料、原子反應(yīng)堆材料、計(jì)算機(jī)材料、超導(dǎo)材料等。其中，最早獨(dú)立成為一門學(xué)科的是金相學(xué)。1863年，英國(guó)地質(zhì)礦物學(xué)家索比首次用顯微鏡觀察經(jīng)拋光并蝕刻的鋼鐵試片，從而揭開(kāi)了金相學(xué)的序幕。1903年，專業(yè)的金相學(xué)家開(kāi)始出現(xiàn)。1910年，德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)開(kāi)始開(kāi)設(shè)金相學(xué)講座。1911年，《國(guó)際金相學(xué)雜志》誕生，其后一些專著陸續(xù)出版，標(biāo)志著金相學(xué)的正式形成。其他材料學(xué)科建立亦大致如此。

●全材料科學(xué)

各門材料學(xué)科逐步走向具有共同理論技術(shù)基礎(chǔ)的全材料科學(xué)。20世紀(jì)40年代，固體物理與工程兩學(xué)科聯(lián)系并不緊密，之后，兩學(xué)科才開(kāi)始有交叉。1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星，這使得美國(guó)朝野震驚，認(rèn)為美國(guó)落后的主要原因之一是先進(jìn)材料的研究應(yīng)用不夠。于是，美國(guó)在50年代末、60年代初興起了材料科學(xué)研究熱，并陸續(xù)提出“材料科學(xué)”“材料科學(xué)與工程”等概念。這時(shí)，以材料科學(xué)命名的期刊和專著也逐漸出現(xiàn)，許多大學(xué)開(kāi)始設(shè)立材料科學(xué)的課程，甚至直接建立材料科學(xué)系，人們開(kāi)始從總體上研究材料的種類、功能、基本結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，以及研制新材料的共同理論基礎(chǔ)。

研究表明，盡管材料的種類繁多，但是材料的性能則是由其原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等微觀結(jié)構(gòu)決定的，存在著統(tǒng)一性和一定的規(guī)律性。因此，研究各種不同性能的材料學(xué)、材料力學(xué)和研究材料基本結(jié)構(gòu)與理論就統(tǒng)一起來(lái)，形成了全材料科學(xué)，這標(biāo)志著各種分門別類材料學(xué)已進(jìn)入以現(xiàn)代科學(xué)為基礎(chǔ)的材料科學(xué)新階段。70年代，材料科學(xué)與工程作為大學(xué)學(xué)科已逐步為科技界和教育界所接受。歐美等國(guó)家的許多大學(xué)開(kāi)始把冶金、機(jī)械或化工等與材料有關(guān)的系或相關(guān)專業(yè)改設(shè)為“材料科學(xué)與工程系”“材料科學(xué)系”“材料工學(xué)系”，甚至直接建立材料科學(xué)系?？梢哉f(shuō)，到了80年代，材料科學(xué)與工程作為一級(jí)學(xué)科已經(jīng)形成。

國(guó)內(nèi)外新材料的發(fā)展方向

歷史表明，材料研究與應(yīng)用水平已成為人類文明進(jìn)步和國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)，材料的創(chuàng)新始終支撐、引領(lǐng)著技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)變革。因此，基于材料科技和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性，美國(guó)、歐盟、日本和中國(guó)都把材料發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略。2011年，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬提出了“材料基因組計(jì)劃”，其核心內(nèi)容是構(gòu)建高通量材料計(jì)算平臺(tái)、高通量材料制備與檢測(cè)平臺(tái)、材料數(shù)據(jù)庫(kù)等新材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施，試圖改變多年來(lái)材料界形成的一家一戶式的封閉型工作方式，培育開(kāi)放、協(xié)作的新型合作模式，以達(dá)到通過(guò)理論模擬和計(jì)算完成先進(jìn)材料的“按需設(shè)計(jì)”和實(shí)現(xiàn)全程數(shù)字化制造的目的。同年，歐盟啟動(dòng)了第7框架項(xiàng)目“加速冶金學(xué)”，目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了輕量、高溫、高溫超導(dǎo)、熱電、磁性及熱磁、相變記憶存儲(chǔ)6類高性能合金材料。2014年，歐洲科學(xué)基金會(huì)啟動(dòng)了一項(xiàng)為期7年的“冶金歐洲”項(xiàng)目，主要內(nèi)容包括超導(dǎo)合金、高效率電源線、新型熱電材料，用于生產(chǎn)塑料和藥物的新催化劑，生物兼容金屬及高強(qiáng)度的磁系統(tǒng)。日本在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中能夠長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位，也得益于其強(qiáng)大的材料科技，特別是在半導(dǎo)體材料、電子材料、碳纖維復(fù)合材料及特種鋼等領(lǐng)域取得的成就。2010年，日本政府發(fā)布的《日本產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)展望2010》將高溫超導(dǎo)、納米技術(shù)、功能化學(xué)、碳纖維、信息技術(shù)等在內(nèi)的10大尖端新材料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)作為新材料產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要領(lǐng)域。2016年，日本“第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃”把納米技術(shù)與材料作為技術(shù)創(chuàng)新的核心，并注重對(duì)已有材料的性能提高、合理利用及回收再生。中國(guó)在“十二五”期間把特種金屬功能材料、高端金屬結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)高分子材料、新型無(wú)機(jī)非金屬材料、高性能復(fù)合材料和前沿新材料等這6大領(lǐng)域確定為發(fā)展重點(diǎn)?！笆濉逼陂g在前沿新材料中把石墨烯、金屬及高分子增材制造材料，形狀記憶合金、自修復(fù)材料、智能仿生與超材料，液態(tài)金屬、新型低溫超導(dǎo)及低成本高溫超導(dǎo)材料作為重點(diǎn)。