《選專業》每日一專業——材料科學與工程

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《選專業》每日一專業——材料科學與工程

1、什麼是材料科學與工程?

提起材料科學與工程這個專業,恐怕大部分人的第一反應是“一頭霧水”或“不知所云”。的確,與其他諸如電子信息、計算機、經濟管理等一眼就可以看出“研究什麼”的專業相比,“材料”這一概念顯得相當的寬泛。可是,正是這種無所不包的“寬泛”使得材料科學與工程這一專業成為當今國內外各行各業發展都離不開的一門基礎而又重要的學科。

說“無所不包”絕對不是誇大其詞。觀察一下我們的生活環境,會發現處處都可以看到材料專業知識的影子。舉個例子,你坐在家裡看電視,電視機顯示圖像的元器件還有遙控器裡的發信號裝置是電子信息材料和光電材料。電視看膩了出門逛街要坐車,汽車的車外殼是金屬材料;擋風玻璃是非金屬材料,可能是有機的,也可能是無機的;車內飾是橡膠材料。逛街累了想回家做飯,先要買好晚飯的食材,到了超市購物要付錢,紙幣是有機木纖維加油機印刷油墨印製的,硬幣是金屬材料衝壓製成的。如果你不用現金而選擇刷卡,信用卡又是什麼做的?有機聚合物材料,還有磁性材料。買好東西拎著袋子回家,用的是現在大力提倡的環保可降解塑料袋,這是有機生物材料。

這只是生活中一個相當小的方面,可見材料無處不在。事實上,材料科學並不僅僅在這些基礎的方面與我們的生活息息相關。隨著時代的發展,不斷提高的生活水平和日新月異的科技進步使得各方面對材料的要求達到了新的高度,這使得材料科學技術與生物技術、計算機技術和能源技術一同成為新世紀人類發展所倚重的高新科技的重中之重。在生物技術方面,人造骨骼、人造器官的研究一直是醫學研究的重點,而更輕、更結實的鈦合金骨骼,不會引發人體排斥的生物有機聚合材料又是實現“人造身體”的關鍵所在。在計算機技術方面,信息時代的“信息爆炸”要求計算機有更快的處理速度和更大的信息存儲量,這些問題都可以用新型的光電材料芯片和光存儲材料來解決。在能源方面,煤和石油存儲量日漸減少,而核能的開發總會蒙上“非和平”的陰影,這樣的局面迫使人們將注意力集中在更乾淨、更環保的太陽能和氫能上,而新型的光電轉換材料和儲氫材料的開發將使這些清潔能源的利用和存儲成為可能。可以說,在人類將來的發展中,材料科學技術會起到決定性的作用。

2、培養什麼人?

展望了這麼多前景,相信大家對材料科學與工程這個專業的未來已建立了相當程度的信心。當然,要想真正完成依靠材料技術改變世界的壯舉,需要付出相應的努力。也許你會說,我的理想不是成為科學家,我只是對這個專業比較感興趣,想學到有用的知識。這是個很現實的問題,那就來看看材料科學與工程這個專業能讓我們成為具有何種知識和能力的人才吧。

首先是培養目標。材料專業培養具備金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等材料領域的科學與工程方面的基礎知識,能在各種材料的製備、加工成型、材料結構與性能等領域從事科學研究與教學、技術開發、工藝和設備設計、技術改造及經營管理等方面工作的工程技術型人才。

所謂金屬材料,是金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱,包括純金屬、合金、金屬間化合物和特種金屬材料等。無機非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料,是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統稱。高分子材料則是以高分子化合物為基礎的材料,按來源分為天然、半合成(改性天然高分子材料)和合成高分子材料,按特性分為橡膠、纖維、塑料、高分子膠粘劑、高分子塗料和高分子基複合材料。

其次是培養方案。為達到上述目的,材料科學與工程專業的學生會學習材料科學的基礎理論,學習與掌握材料的製備、組成、組織結構與性能之間關係的基本規律;接受金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、複合材料以及各種先進材料的製備、性能分析與檢測技能的基本訓練;培養材料設計和製備工藝設計、提高材料的性能和產品的質量,以及開發研究新材料和新工藝等方面的基本能力。

最後,當該專業學習畢業時,按照期望會獲得以下幾方面的知識和能力:

(1)金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料以及其他高新技術材料科學的基礎理論和材料合成與製備、材料複合、材料設計等專業基礎知識。

(2)材料性能檢測和產品質量控制的基本知識,具有研究和開發新材料、新工藝的初步能力。

(3)材料加工的基本知識,具有正確選擇設備進行材料研究、材料設計、材料研製的初步能力。

(4)本專業必需的機械設計、電工與電子技術、計算機應用的基本知識和技能。

(5)相關的技術經濟管理知識。

(6)文獻檢索、資料查詢的基本方法,具有初步的科學研究和實際工作能力。

3、主要代表院校

全國高校第四輪學科評估材料科學與工程學科:

清華大學、北京航空航天大學、武漢理工大學(A+)

北京科技大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學、浙江大學、西北工業大學(A)

北京理工大學、北京化工大學、天津大學、東北大學、中國科學技術大學、中南大學、華南理工大學、四川大學、西安交通大學(A-)

北京工業大學、大連理工大學、吉林大學、燕山大學、復旦大學、同濟大學、華東理工大學、東華大學、上海大學、南京大學、蘇州大學、南京工業大學、山東大學、鄭州大學、華中科技大學、重慶大學、國防科技大學、南開大學、河北工業大學、哈爾濱工程大學、東南大學(B+)

南京航空航天大學、南京理工大學、江蘇大學、合肥工業大學、廈門大學、武漢科技大學湘潭大學、湖南大學、中山大學、西南交通大學、電子科技大學、昆明理工大學、西安理工大學、西安建築科技大學(B)

天津工業大學、天津理工大學、中北大學、太原理工大學、瀋陽工業大學、江蘇科技大學、南昌大學、青島科技大學、濟南大學、河南科技大學、武漢大學、中國地質大學、陝西科技大學、蘭州理工大學、中國石油大學、廣東工業大學(B-)

太原科技大學、大連交通大學、長春理工大學、長春工業大學、哈爾濱理工大學、浙江工業大學、安徽工業大學、華僑大學、福州大學、景德鎮陶瓷大學、武漢工程大學、湖北大學、西南科技大學、貴州大學、西安電子科技大學、西安工業大學、蘭州大學、青島大學(C+)

北京交通大學、華北電力大學、內蒙古工業大學、佳木斯大學、中國礦業大學、常州大學

、河海大學、江南大學、浙江理工大學中國計量大學、安徽大學、南昌航空大學、中國海洋大學、海南大學、深圳大學、桂林電子科技大學、桂林理工大學、西南石油大學(C)

北京印刷學院、華北理工大學、瀋陽理工大學、遼寧科技大學、瀋陽化工大學、瀋陽建築大學、江西理工大學、山東科技大學、河南理工大學、湖北工業大學、暨南大學、廣西大學、長安大學、上海工程技術大學、安徽建築大學、瀋陽大學、重慶理工大學、海軍工程大學(C-)

4、開設哪些課程?

與其他工科專業相同,材料科學與工程專業在大學一、二年級會安排基礎課程的學習,如高等數學、線性代數、概率統計與隨機過程、大學英語、C語言、大學物理、基礎物理實驗等,以及社會類課程,如毛澤東思想概論、鄧小平理論、政治經濟學、法律基礎等。此外,由於專業相關性,也會開設機械設計基礎、機械製圖、電工學等與材料生產設備相關的課程。

學習材料專業知識,對化學和數學要有興趣,至少不能討厭。大一、大二的許多基礎課都是跟化學相關的,如無機化學、有機化學、物理化學、分析化學乃至後來的電化學、高分子化學等。有些課程經常牽涉計算,有時甚至很複雜,如物理化學和工程材料力學分析。微積分和工程數學計算一算就是幾小時,這是常見的事。如果對這兩門課很頭疼,建議培養一下對這兩門課程的好感度。

在專業課程方面,在大一、大二,學生會學習專業基礎平臺課程,包括無機化學、有機化學、物理化學、分析化學、材料科學與工程概論等。看到這一連串的化學課程可能有些同學會問:“我進的到底是材料系還是化學系啊?”其實無論什麼材料,影響其性能的因素無外乎其化學結構,因此,這幾門與化學相關的課程可以說是研究材料性能的基礎,是材料學的基石。而且化學知識是製造合成材料的基礎,將來無論搞材料方面的研發也好,生產也好,在瞭解其是“怎麼來的”的基礎上,才能進行進一步的工作,如改性、深加工、塑形、精製等。

升入大三後將深入學習更為專業的知識,包括材料物理性能、材料力學、材料工程基礎、電化學、工程材料力學性能、物理冶金原理、現代材料研究技術無論將來選擇材料五大專業方向的哪一個,這幾門課程都是必不可少的基礎知識。材料學科是一門綜合性相當強的學科,即使你的主要研究或者工作方向只是某一種材料,如專門研究陶瓷或者專門從事工程塑料的研發生產,其他材料的基本性質也還是要知道的,因為材料的工作環境不是單一的,它很可能要與其他材料共同合作才能更好地發揮功效。例如“神五”飛船的合金外殼和外面附著的吸熱耐高溫塗料,一個是金屬,一個是有機物及非金屬化合物,如何將二者牢固地結合起來這一問題就涉及兩種材料各自的結構及性質。

材料工程基礎開設在大三第一學期,它首次將三大材料的製備科學與技術融為一門課程。該課程圍繞金屬、陶瓷、高分子複合材料等三大材料成材過程的技術原理、工藝和方法,論述了材料製取合成、材料加工成形、材料改性與表面加工以及材料複合等內容,使學生在獲得較廣泛的材料工程基礎知識的同時,掌握材料製備過程中的基本原理和技能,從而能根據材料的性能、結構與應用要求,提出材料製備加工的方案與方法。金屬材料的處理技術首先要從金屬的冶煉開始,根據不同的金屬元素以及對同種金屬的不同性質要求,需要不同的冶煉方法,包括火法冶金、溼法冶金和電冶金等。其後,就是對冶煉出的金屬材料進行以改變物理形態為主的加工處理,如鍛造、鑄造、軋製等。陶瓷材料主要由陶瓷粉體制得,常用方法為物理氣相沉積和化學氣相沉積,然後是陶瓷材料的成型處理,包括模壓成型、靜壓成型、注漿法成型、熱壓鑄成型、塑性成型等。關於高分子複合材料,首先是高分子原材料的製備,包括加入各種添加劑、通過升降溫度的熱處理進行改型等。然後便是不同材料之間的不同形式的複合方法,比如彌散複合、顆粒複合、纖維增強複合等。

工程材料力學性能這門課與材料物理性能在同一學期開設,但學的知識可就相差非常遠了。這門課主要關注的對象是工程結構材料最關鍵的問題———力學性能,如我們平時常常聽到的強度、硬度、剛度、塑性、韌性、斷裂、疲勞、蠕變等。這門課的學習分為兩個方面,一是金屬的力學性能,二是複合材料的力學性能。材料的力學性能測試在材料科學與工程專業的任何一個方向的學習中,都是不可能跳過的一步。

物理冶金原理是專業平臺課之一。這門課程講授的是金屬學方面的一些基本概念和原理,如金屬和合金的晶體結構,相圖,金屬的凝固,塑性變形,金屬的缺陷、擴散、相變等。金屬的相圖向來被認為是金屬學中最複雜的知識段之一,但是隻要學得深入一點就會明白相圖理論的價值有多麼重要。同樣是鋁合金材料,小到家中陽臺的鋁合金框架,大到載人航天飛船的超輕質鋁合金,其性能區別在各自所用鋁合金材料的相圖中即可一覽無餘。再舉一個例子,愛看武俠小說的男生們經常會對書中的種種神兵利器豔羨不已,屠龍刀、倚天劍,不一而足。那麼為什麼同樣一塊好料,在能工巧匠手裡就能被打造成為絕世神兵,到了我們手裡就可能被煉成廢銅爛鐵呢?看書看得深一點的會說“淬火是關鍵”,沒錯,這“淬火”的學問就是金屬學中“金屬的凝固”所關注的知識。

現代材料研究方法主要採用儀器分析的手段,按信息形式可分為圖像分析法和非圖像分析法。圖像分析法是材料結構分析的重要研究手段,主要分為形態學和體視學研究。形態學是研究材料中組成相的幾何形狀及其變化,並進一步探究它們與生產工藝及材料性能間關係的學科;體視學研究材料中組成相的二維形貌特徵,通過結構參數的測量,確定各物相三維空間顆粒形態和大小以及各相百分含量。非圖像分析法分為衍射法和成分譜分析,前者主要用來研究材料的結晶相及其晶格常數,後者主要測定材料的化學成分。衍射法包括X射線衍射、電子衍射和中子衍射等三種分析方法,它的成分譜用於材料的化學成分分析。成分譜種類很多,有光譜,包括紫外光譜、紅外光譜、熒光光譜、激光拉曼光譜等;在色譜,包括氣相色譜、液相色譜、凝膠色譜等;有熱譜,包括差熱分析儀、熱重分析儀、示差掃描量熱計等;此外還有原子吸收光譜、質譜等。研究材料必須以正確的研究方法為前提。研究方法,從廣義來講,包括技術路線、實驗技術、數據分析等。具體來說,就是在充分了解所研究對象所處現狀的基礎上,根據具體目標,詳細制定研究內容、工作步驟及所採用的實驗手段,並對實驗獲得的數據進行數學分析和處理,最後得出規律或建立數學模型。其中,技術路線的制定是至關重要的,實驗方法的選擇也是非常關鍵的。譬如,雖然制定出了完整的技術路線,但若沒有相應的實驗方法或先進的測試手段與之對應,則難以達到預期的目的;反過來,若僅有先進的測試手段,而沒有正確的技術路線,也同樣難以達到預期目的。二者相輔相成,缺一不可。

之後,諸位材料專業的學生面對的就是專業方向的選擇。例如,北京航空航天大學的材料系下分為五個專業方向,分別是金屬與陶瓷材料、電子信息材料與材料設計、材料加工工程與自動化、材料腐蝕與防護、高分子及複合材料。課程安排方式為每專業限選選修課加上跨專業任選選修課。金屬與陶瓷材料主要介紹高溫合金及其提高金屬耐高溫性能的陶瓷塗層材料;電子信息材料與材料設計主要介紹信息存儲材料及其相關的計算模擬方法,主要研究材料的電磁性能;材料加工工程與自動化主要介紹材料加工的新工藝,如可加工高性能航空材料的激光熔覆技術等;材料腐蝕與防護包括電化學與塗層兩個方面的知識;高分子及複合材料包括高分子物理、高分子化學、複合材料與工程塑料方面的研究。

專業限選課有:

金屬與陶瓷材料專業———金屬功能材料、高性能金屬結構材料、無機非金屬材料物理化學、特種陶瓷材料。

電子信息材料與材料設計專業———計算材料學(信息功能陶瓷材料)、半導體材料及器件、量子力學(固體物理概論)。

材料加工工程與自動化專業———材料加工計算機測控、先進材料加工工程、材料加工設備及自動化。

材料腐蝕與防護專業———材料腐蝕科學與技術、材料表面工程與技術、塗料與塗裝工程。

高分子及複合材料專業———聚合物基複合材料及其成型工藝、高分子材料、高分子材料成型工藝、有機化學B-2。

跨專業任選課包括金屬快速凝固技術、薄膜技術基礎、激光材料加工、金屬熱處理、高分子膜材料、結構化學B、分析化學B、材料防腐蝕設計與表面工程、電化學測試技術、腐蝕科學與防護技術、先進電池材料、材料模擬實驗技術、電沉積功能薄膜材料技術、清潔生產工藝導論、高分子與複合材料模具(CAD)、複合材料應用技術、化工基礎、功能高分子材料、膠黏劑、儀器分析基礎、無損檢測、失效分析、金屬成型理論、界面化學、輕質合金理論基礎及應用。

5、畢業後做什麼?

可以說材料是一切領域發展的基石,作為21世紀三大支柱產業之一的材料學領域,它的重要作用不言自明,與材料相關的工作崗位相當重要。材料學領域本科生畢業後的方向主要包括讀研和就業兩個方面。

對於大多數本科學習材料專業的人來說,讀研究生是一個比較不錯且比較必要的途徑。所謂“大多數人”是指有興趣學習材料的那部分人;所謂“比較不錯”是說材料領域的碩士畢業生的就業明顯優於本科畢業生,無論從就業的環境還是薪金待遇方面都是如此;所謂“比較必要”是說如今的材料學本科培養注重“大類”“寬口徑”,即在本科階段學習全面的學科知識,包括金屬、高分子、陶瓷等,學的知識不夠深入,如果有志於從事材料學某一領域的研究工作,就有必要進一步學習。因此,材料學本科生畢業後選擇讀研的比例較大,而且逐年上升。

關於就業方向,主要包括相關的科研單位,如中國科學院化學所、納米中心,有色金屬研究院,航空材料研究所,航天材料及工藝研究所,玻璃鋼研究總院等;各類企業的研發與生產部門,如聯想、三星、寶潔、海爾、長虹等國內外企業,可以說無論是IT類企業,還是日用化工類企業,抑或機械加工類企業,都需要材料及相關工程方面的人才;材料相關領域的貿易行業,如專業從事鋼材、塑料、樹脂、橡膠及相關製品貿易的企業,都需要有材料專業基礎的人才參與銷售及採購環節,尤其需要具有全面的材料學基礎的人才;其他方面,即從材料方面轉行從事其他行業就業的情況,由於材料學人才學習了數學、物理、化學、英語等多方面的基礎學科,加之大學校園內有充分的信息資源與機會資源,所以作為一個具有綜合素質的本科畢業生,完全有能力根據自己的興趣,通過不懈的努力來實現在其他領域就業的目標,如在金融、管理、營銷、行政等領域就業的材料人才就不少。

材料科學與工程專業總結

材料科學與工程是研究材料成分、結構、工藝、性能與用途之間有關知識和應用的學科。該專業方向培養具有紮實的材料科學與工程基礎理論知識及相關基本技能的高級研究開發與工程技術人才。畢業生掌握材料科學與工程領域比較系統全面的基礎理論知識、基本技能和方法,具有從事材料領域科技工作的初步能力。能在材料、機械、電子信息、冶金、航空航天等各種行業從事材料的生產、質量檢驗、工藝與設備設計、新材料的研究與開發以及經營管理工作,或在科研機構和高等學校從事教學與科學研究工作,或成為本專業及相關專業研究生的優秀生源。

就業方向

本專業學生畢業後可在各種材料的製備、加工成型、材料結構與性能等領域從事科學研究與教學、技術開發、工藝和設備設計、技術改造及經營管理等方面工作。

從事行業:

畢業後主要在汽車、教育、專業服務等行業工作,大致如下:

1、電子技術/半導體/集成電路

2、新能源

3、快速消費品(食品、飲料、化妝品)

4、原材料和加工

5、建築/建材/工程

6、其他行業

7、機械/設備/重工

8、石油/化工/礦產/地質

從事崗位:

畢業後主要從事研發、工藝、材料工程師等工作,大致如下:

1、研發工程師

2、工藝工程師

3、材料工程師

4、現場服務工程師

5、技術員

6、銷售工程師

7、技術支持工程師

8、技術工程師

工作城市:

畢業後,上海、深圳、北京等城市就業機會比較多,大致如下:

1、上海

2、深圳

3、北京

4、廣州

5、成都

6、武漢

7、廈門

8、蘇州

就業前景

隨著人類進入新世紀和科學的發展,無論是工業領域、建築領域、醫用領域還是航空領域,材料學都面臨著技術突破和重大產業發展機遇。同時以高分子材料、納米材料、光電子材料、生物醫用材料及新能源材料等為代表的新材料技術創新也顯得異常活躍。很多日用化工類、機械加工類、石油化工、鋼鐵製造類企業都需要材料及相關工程方面的人才。

學生畢業後可以到材料及高分子複合材料成型加工、高分子合成、化學纖維、新型建築裝飾材料、現代噴塗與包裝材料、陶瓷、水泥、家用電器、電子電氣、汽車廠、鋼鐵企業、石油化工、製造企業、航天航空等企業從事設計、新產品開發、生產管理、市場經營及貿易部門工作,也可以到高等學校、科研單位從事科學研究與教學工作,還可以到政府部門從事行政管理、質量監督等工作。

本科生除了就業以外,另一個主要去向就是讀研或深造。可以說讀研率高是材料類專業的一大特點。學生在本科階段學習的知識也是全面的、基礎性的,以便為將來的學習打好基礎。如果想要在某一領域有深入的研究和發展,還需要進一步學習深造。從很多企業招聘的學歷要求和給予的待遇就能看得出,高學歷畢業生在就業環境和工資待遇等方面明顯優於本科畢業生。因此,畢業生考研和繼續深造的比例很大。

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