材料科学发展历程调研报告

材料无处不在材料科学发展历程调研报告

材料物理

张清泉1

王慧军0

荣威5

刘开1

刘鹏3

张宇飞3

2014-5-10

材料科学简介

材料是由一定配比的若干相互作用的元素构成的，具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造工具、器件、设备和建筑物等的物质系统。相容性、相关性、层次性、动态性、开放性和整体性等是各类系统的共有特性。而材料科学是探索研究和制造新材料规律的科学，它不仅指出特殊材料研制的特殊方法，而且还揭示出各种不同材料研制的共同规律。材料科学技术是一门介于基础科学和工程技术之间的技术科学，与基础科学相比较，材料科学技术更接近于具体实践。而与工程技术相比较, 它则更接近于理论研究。它是基础科学研究中基础理论转化为应用技术的中间环节。它的主要特点是将具体技术中带有共同性的科学问题集中起来加以研究。在材料科学研究中, 探寻其中的哲学问题对材料科学技术的发展很有必要。

材料按照性能特点可以分为结构材料的功能材料两大类

其中结构材料是大多数材料科学工作者所接触的主要对象，该领域可分为金属材料、高分子材料和无机非金属材料三个类别。金属材料是目前用量最大，使用最广泛的材料。金属材料具有许多的使用性能和加工工艺性能。高分子材料和无机非金属材料同属于非金属材料，其很多特点都是金属材料所不具备的。

材料学科与其它科学与工程领域及社会科学领域的学科是普遍联系的，与材料学科相交叉发展的其它学科主要有物理学、化学、机械学、计算机、数学等。材料物理学是当今信息时代重要的交叉学科，以其为基础的研究成果促成了一大批高新技术材料的研究与开发，如纳米材料、能源材料、光学材料、磁性材料等电子材料以及先进陶瓷材料等，对国民经济的发展和社会的进步起到了重大的推动作用。而现代物理学的新进展也使原有的材料加工领域有了新的进展，如激光、电子束等高能热源的出现，使材料加工领域出现了激光焊接、激光快速原型制造、微细加工技术等新的工艺及设备。

从人与自然的对象性关系看待材料科学的发展过程

人类作为一种社会性的存在，一旦从自然界中分化出来，就成为认识和改造自然的一种特殊力量。与一般动物消极适应自然的活动不同，人类认识和改造自然的活动往往是主动索取的主体性活动，有意识、有目的的人类成为这对关系中的主体，而人的认识和实践所指的对象则成为客体。这种对象性关系是一种相互作用、相互依赖、相互制约的关系。在人类利用各种材料制造工具的过程中，无论是直接使用天然的石器、木器，还是主动发明出钢铁、

青铜，以至于现在的各种陶瓷、半导体新型材料，无不体现了人与自然的对象性关系。

人与自然的对象性关系具体表现为两个方面，一方面是人必须依赖自然界而生存。人类的生命机体依赖于自然界的物质而构成。人类进行物质财富的生产，更离不开大自然的物质、能量和信息。即使是人类创造的精神文明，其原料也是由自然界提供的。另一方面，作为人的对象的那部分自然界也由于人的存在和活动而改变着其面貌。自从人类出现以后，自然界就成为了人的感性对象，成为了人与之作用的对象，成为了人的实践活动的结果，这部分自然界不公按自身的趋势演化，而且也按人的活动指向演化。具体到材料科学领域，一方面是指自然界原有的材料经过人的加工利用出现新的用途，另一方面是指自然界中不曾出现过的材料物质被人类创造出来。对象性及对象性关系是马克思早期著作中所讨论的最重要的范畴之一。从这些著作可以看到, 这一范畴主要被用来讨论人与自然的关系, 它实际上是展开实践唯物主义与实践辩证法理论的逻辑基点。对象性关系主要有两重涵义是指自然性质的对象性关系和社会性质的对象性关系。

材料科学作为人工自然的发展和特点

人和人类社会是自然界长期演化发展的产物，而人类产生出来以后，作为自然界大系统中的特殊组成部分，反过来又推动了自然界的进化。先于人类并纯粹外在于人类的世界是天然自然，而经过人类认识和改造后，天然自然界进化产生出了人工自然。人工自然指人类实践手段所及并被人类实践所变革了的那部分自然界，是天然自然的继续。人工自然可以分为三个层次：人工控制自然、人工培育自然、人造自然物。其中材料科学发展的过程中依次经过了这三个层次。人造自然物是指人类利用自然界的材料所创造的人工自然物（如各种新型材料、新工具、人工建筑乃至可以模拟思维功能的人工智能机器等），人造自然物虽然都是由天然物料加工制作而成，但已具有了天然自然所没有的结构和功能。人造自然物的层次也代表了材料科学研究的未来方向。人工自然是在人们意识之外的客观存在，但就人工自然的产生和发展来说，它却是依赖于人们的意识的，是人们的目的、计划、意志的体现。在人工自然中凝结着人们的创造性、能动性，表现了科学技术的作用，人工自然属于精神变物质的领域。人们不仅在物质生产中创造人工自然，而且通过科学实验和其他活动创造出天然自然中本来不存在的东西。在材料领域来说，迄今为止我们尚未发现天然自然中有青铜、塑料、超导体等材料，只是由于在科学实验中首先造成了超低温的条件，才有了青铜、塑料、超导体的发现，青铜、塑料、超导体乃是人工自然物。人工自然是由天然自然转化而来的，但具有与天然自然相比又有本质的区别，有其自身的特点，可以概括为五个方面：改造过的客观实在性、利用自然规律的能动性、满足主体需要的价值性、演化发展的加速性、人与自然相

互作用、协调发展的中介性。天然自然和人工自然都是不断变化的，但人工自然的变化发展则要快得多。一百年或几百年的时间，对天体演化、地质过程、元素蜕变的大多数情况来说都是微不足道的。人工自然在几百年、一百年甚至几年里的进步却十分迅速。社会的发展、人类文明的发展，永远不可能离开天然自然；随着人类历史的前进，天然自然的重要性是日益增加的。一个国家自然资源的丰富程度对它的经济增长有很大影响，这是公认的事实。但是相对地说来，天然自然的状况对人类的早期文明有更大的影响，而近代文明与天然自然的关系相对就减少了很多，而更多依赖的就是人工自然了。人们对天然自然的利用程度，已经并日益取决于人工自然发展的水平。人工自然越来越成为人类日常生活的重要来源，与此对应，人造材料也已经逐渐取代天然材料，成为材料科学研究的主流。但人工自然与天然自然的划分也具有相对性，人类与自然界的关系也是多样的。从人与自然联系的紧密程度看，可以有以下几种情况或几个层次。

第一，在人与自然界之间存在着“可以设想、推论，但不能影响或直接影响”的关系。第二是在人与自然界之间存在着“发生影响，但不能控制或未能控制”的关系。第三是在人与自然界之间还存在着“控制、变革、改造、创建和加工”的关系，这是就人工自然所涉及的领域，但在这里依然碰到了层次的不同。人工自然的发展有其特殊的规律。首先，天然自然的规律在人工自然领域都是存在的，起作用的。人工自然正是以天然自然的规律为基础才得以形成和发展的。其次，人工自然领域也有其自身的特殊规律。这就涉及到天然自然、人工自然同科学的关系。像物理学、化学、地质学等基础学科是反映天然自然的规律的，材料学、材料加工这类学科则是反映人工自然的规律的实际上，不公基础科学是重要的，技术科学的门类正在迅速增加、作用正日益突出。

材料科学的未来发展趋势

列宁指出物质是标志客观实在的哲学范畴，这种客观实在是人通过感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在，为我们的感觉所复写、摄影、反映。从中我们可以看出物质的根本特性是客观实在性，指明了物质对于意识的根源性和意识对于物质的依赖性。它确认人的意识能够反映客观实在，指出了物质的可知性，同不可知论划清了界限。这个物质概念作为最普遍的哲学范畴，撇开各种事物与现象质与量的具体差别，仅仅保留客观实在性这个一切事物与现象都具有的共同属性。自然界中的物质形态具有多样性。认识自然时，首先要把物质的各种实在形式作为研究的事实出发点，确认各种事物的多样性、复杂性、特殊性。在材料科学的研究中，未来的趋势就是进一步研制多样性功能的新型材料，由于天然材料的品种、数量和性能的种种局限，特别是近代科学技术的飞速发展，迫切要求更多具有特殊性能的新