展，带来了美国材料科学教育的开始。 因此从1959年开始，西北大学的材料科学系以新颖且学科宽泛的本科生 课程来教授材料科学与工程专业的研究生。虽然一些有名望的治金学家，如 Robert F.Mehl,还努力地保护着正统的物理治金学，但这一做法很快遍及美 国许多大学。然而到1969年时(larwood,1970),美国大学中治金系的大约 30%的名字中都包含有“材料科学”和“冶金”的组合。我们还无法得知“材 料工程”成为专门用语的一部分有多么快。到19？4年，根据说明MSE现软 的C(OSMAT报告(COSMAT,1974),美国有大约90门与材料相关的学士 学位课程，其中约60门得到承认，当时在美国约有50个机构可以授予材料方 面的研究生学位。日前在美国很少再有冶金学的存在，几乎都改成了M$E。 不同的观察者会给出有些不一致的数据，表1.1列州了Lyle Schwartz在l987 年给出的统计数据，来源于美国金属学会。 表1.1美国大学中材料系名称的趋势 (1964~1985年) 系的数目 系名 1964年 1970年 1985年 矿物与采矿 治金 31 21 17 材料 11 29 5] 其它 18 21 17 总计 69 78 50 注：写引自Psaras and上angford(1987)中Lyc的数据 从下面起，“材料科学”将被主要用于本书所涉及的领域。如果内容中特 别涉及“与工程”，我将会使用缩写“MSE”,或者有时我会专门论及材料 工程。 还有一些大学没有建立材料科学系，而作为系间合作设立了相关的研究生 项目，通常不只局限在“工程学院”内。一个早期的例子是得克萨斯大学奥斯 汀分校，Fie在1994年对其进行了详述。在他撰写综述的时候，共有38位 全职教员和90名学生参与了这一研究生项目，学生们获得了更高的MSE学 位，虽然还没有这样名字的系。“教员的专业知识和研究生的研究工作集中在 材料制备、固体化学、高分子工程与科学、X射线晶体学、生物材料、结构材 料、材料理论（不管是仆么！）和凝聚态（电子？）材料及器件等领域”。Fie 讨论了运行MSE研究生项目的两种不同方式。得克萨斯方式对于将高分子纳 入到相关课程中最为有效，但做起来会很难。我会在第14章中再回到这一问 题上，这种系与系之间的项目与1960年美国的交叉学科材料研究实验室（见 1.1.3节)的方式更为相近 为了与上述事件相平衡，有必要简述一下发生在美国的另一所大学，麻省 理工学院(MIT)里的事件。Bever于1988年撰写的一部纪念其洽金学的第 第1题引信3
,门课程（与采矿学一起）开设100周年的著作中，对该校从冶金学逐步转为 MSE进行了很好的描述，后来又由著名的陶瓷学家David Kingery(Kingery, 1999)进行了必要的补充。在美国的大学中很普遍的是，很多专业首先是开设 给研究生，然后再逐步进入到本科生教学。陶瓷科学是这些专业之一，由 Frederick H.Norton首先在MIT开设，他于1933年进人MIT,并在那里工 作了长达29年。Norton是学物理学的，他撰写了很多关于耐火材料的教科 书。虽然矿物工程衰落了，可他的领域却扩展了，并在适当时机转到了其它 系。专业背景是化学的Kingery师从Norton做博士学位研究，在l950年成为 学校成员。他说：“材料科学、陶瓷科学和那些我们认为是先进的技术在1950 年时是不存在的，但在此前的几十年就已经播下种子，即将萌芽破土。治金系 对过程冶金、物理冶金，化学治金和腐蚀都很有兴趣，但说实在话，金属的 性能及应用并不非常令人鼓舞（我将其标注为斜体字）。陶瓷工作是冶金系的 分支之一，1949年后就可以授予陶瓷工程的更高学位。20世纪50年代期 间，我们进行了一项完全是学科交叉的陶瓷工作项目。”他继续列出了当时 学生的课程，有胶体科学、光谱学、热力学与表面化学、晶体学与X射线 宿射、介电和铁电材料与量子物理。上面的斜体字表明，我们都知道的是， 为了实现新的成功就必须集中精力。对King®ry来说，他在陶瓷科学作为 MSE组成部分的演变中做出了积极努力，使陶瓷科学成为MSE的核心组 成。他与两位同事一起，编写了-一套标准的本科生陶瓷科学课程(Kingery, 1976)。他逐步将精力集中到真正的现代陶瓷科学方面，如化学改性晶界在 决定电子器件行为方面的作用(Kingery,1981)。 1967年，经过多次碰商讨论，将系名政为“治金与材料科学”。之后不 久，引入了更为宽泛的本科生课程。当时是西北大学更改系名之后的第9年， MIT认为系名的改变实际上会提高该系对未来学生的吸引力。1974年，经过 有些激烈的争论后，系名又改为“材料科学与工程”。然而应该注意的是，系 名改变之前就己经发生了事实上的变化。也许莎土比亚剧中的朱丽叶已经给出 了物质的本质：“名字代表什么？难道玫瑰叫了其它名字，它就闻着不 香甜了。” 上面所有的事件都发生在美国的大学。直到20世纪60年代，材料科学才 被引人到欧洲的大学。事实上我是英国第一位教授和组织M$研究的教授， 1962~1964年首先在北威尔士大学的大学学院作为材料技术学教授，然后于 1965~1981年在苏塞克大学担任材料科学教授。但在此之前，位于英格兰中 部的伯明翰大学的物理冶金系，从1946年起就由具有J想精神的Daniel Han son教授领导，将一直是定性的教学变得定量和严格。通过与Alan Cottrell和 Geoffrey Raynor、John Eshelby和Frank Nabarro的真诚合作，该系奠定了后 来出现在美国然后是整个世界的相关基础。本书就是作为对Daniel Hanson的 纪念 4 走进材料科学
1.1.2产业中的材料科学与工程 在MSE得到普遍认可之前，有少数的产业研究与发展实验室已经运用了 它的思想。尤其是位于新泽西州的贝尔实验室的William Shockley研究小组， 以及位于纽约州Schenectady的通用电气(GE)公司实验室。在贝尔实验室， 物理学家、化学家和治金学家们都在一起工作，制备制造品体管和二极管所需 的半导体（锗和硅）。William Pfann,那位发明区域熔炼的人该技术在20 世纪50年代期间使运行器件所需高纯度半导体的制造成为可能(Riordan and Hoddeson,199?)],就是在那里被练成为化学工程师，并由于接触了一位 著名的冶金学家面获得了灵感。后来，贝尔实验室多学科交丈的科学家们找到 了获得硬质金属超导体的方法。这样一种宽广的探索并不仪限于无机材料。位 于Delaware的杜邦实验站(DuPont Research Station),早在20世纪30年代 就能够将一位有机化学家(Carothers)和一位物理化学家(Flory)的聪明才 智结合起来，来奠定相关的科学基础，最终将尼龙带人市场(Morawetz, 1985:Hounshell and Smith,1988;Furukawa,1998)。虽然两位都是化学 ”家，却做出了巨大贡献。 通用电气公司实验室(General Electric Laboratory).在美国的产：业研究历 史中居于特殊地位。它从1900年起最初在化学家Willis Whitney的领导下， 成为全美第一所产业部门实验室，而不只是作为一个为工厂解决问题的附属品 (Wisc,1985)。GE公司著名的科学家William Coolidge和Irving Langmuir (后者由于其在GE公司的工作而获得诺贝尔奖)通过完善白炽灯泡用韧性钨 金属制造技术，将其卷绕成丝以减少热损耗，并使用惰性气体防止灯泡发黑等 工作(Cax,l979),使他们成为该公司不可缺少的人物。Langmuir在气体与 金属表面相互作用方面的艰苦研究不仅使白炽灯泡的实际应用成为现实，而且 还为认识均匀催化现象做出了重要贡献(Gaines and Wise,.l983)。-系列科 研计划和有商业价值的发现及发明一直在Schenectady的实验室进行，很多都 与材料相关。至于钨金属，一部为Coolidge百岁生日而出版并按年代顺序介 绍钨金属故事（包括一系列令人兴奋事件的发生）的著作介绍道，一项只有 11.6万美元的投入为GE公司产生了巨大收益(Liebhafsky,I974)。 1946年，一位具有远见卓识的治金学家加人到这一实验室，以形成一个 新的治金研究小组，他就是.H.Hollomon(1919~1985)。他招募来的第一批 研究者中有David Turnbull,是一位物理化学工作者。我从一-部未发表的自传 (Turnbull,l986)上引用-一些Turnbull对他的卓越老板的评价：“Hollomon 当时还是一个26岁整洁端正的年轻人，但却是一个不同凡响和有影响力的人 物。他性情直率，有热心，非常自信，对新的小组的未来充满热情。他描述了 金属对机械处理和热处理的难以理解的神奇反应，以及他为解决这些诸多问题 而建立一个包括冶金学、应用力学、化学和物理学的交叉学科队伍的计划。他 确信这些研究会导致设计和合成新材料的能力大幅度提高，而这些新材料将会 第1薹：引言}5
具有重要的技术应用价值。他的观点是，设备的使用性能正在受到材料的局 限，而非设计上的局限性。Hollomon就像一位经理，对任何事情很少保持中 立，对人和想法都表现出很强的喜恶态度。这些都会公开和强烈地表现出来， 面且会时常发生很天变化。那些通常与他关系密切的人会被请到他家里，或受 托照顾他室外的狗窝。我想我们中间的很多人都有过在他家往房与狗窝之间儿 次往返的经历。Hollomon会大声和固执地抛出个想法或模型，但如果面对 与实际相符的相反证据时，他会迅速和完全地改变其立场，绝无羞涩，然后会 像坚持前一个观点那样去维护相反的观点。”在一份GE公司内部的讣告中， Charles Bean评价道：“在这里，他曾经迅速地组织了支多学科的队伍，致 使治金学从一」经验技艺变成一」基于物理学和化学原理的研究领域。”这一 转变构成了本书第5章中的主题内容。 Hollomon的时代思潮，加上他坚韧的能力与判断力，以及他一直坚持招 募最好的研究人员加入其研究小组，在15年里带米了一系列与材料相关的重 大技术革新，包括人造金刚石、高性能热绝缘材料、真空电路断路器、基于辐 照固体中蚀刻粒子轨迹的产品、聚碳酸酯塑料，特别是用于金属蒸气灯的 “芦卡洛克斯(1，ucalox)”氧化铝外膜（当然除了Hollomon外，还有很多人 参与了这些工作)。：后米(Guy Suits及其继任者Arthur Bueche对这些技术革新 以及使它们成为可能所采取的措施进行了精湛和细致的描述(Suits and Bueche,I967)。其中部分内容在本书的后续部分将会有所体现，但这里如果 我指出灯用透明氧化铝管的发期就是R.L.Coble在陶瓷粉未烧结过程致密化 机理方面的自由研究的直接结果，将有助于支持这里所形成的Hollomon关于 拓宽材料研究的观点。有关在材料的产业技术革新方面的案例还发表得太少， 很多年以前，我通过这个例子来说明提高洞察力的途径(Chn,1970): Suits和Bueche简述的项日包括很多特殊的学科，差不多在这一时刻， 些领衔人物开始将其自身作为材料科学家。Hollomon概括了他自己提出的 “材料科学与工程”的概念，这就是他进人GE公司儿年后写的一篇短文的题 目(Hollomon,1958),文中说明了他想象中的材料科学工作者和材料工程 师。当时在附近的Knolls原子能发电实验室工作的John Howe告诉我，20世 纪50年代期间，他经常与ollomon讨论到“将宽泛的术语作为更为基础的 概念的那样需求得到了发展”(Howe,1987),新的相关术语极有可能正是从 这些在GE公可的讨论中演变而来。[Iollomon的短文的结论是：“相关专业学 会必须接受为激励和联合那些从事材料科学和材料工程的人们所建立的这一新 秩序。我们甚至可能需要一个包括科学和工程分支的全美材料学会。治金工程 师将会变为材料工程师，源于治金学，通过物理学，诞生了材料科学。”应该 更早地看到这一有预见性的见解，我还会在第14章中再回到这一论题。GE 公司实验室黄金时期的两位领导人Westbrook和Fleischer,最近为Hollomon 出了一部著作，书中写道(Westbrook and Fleischer,l995):“他是产业科学 走进材料科学
研究关联性和价值的英明的、有活力的、有效率的倡导者。”但在不久之后， Fleischer在另外一部著作(Fleischer,1I998)中冷淡地评价道：“当Hollomon 离并研究中心去接任GE公司通用工程实验室主任时，他突然公开地说道： ‘好哇，我们掌握了我们所需要的足够多的科学。现在是出去使用它的时候 了。’”看来，事态因环境而改变。不会令人感到惊讶的是，随着他变老， Hollomon好像已经成为-位政治家，使观察者们成为热烈的拥护者和难以和 解的反对者。 Suits和Bueche通过对应用研究的相关资源、工艺于段和应用的广泛分 析，对那些历史案例给出了结论，他们评价道：“刚刚总结出的历史案例表明， 最重要的是试图将研究和发展过程中的各个组成部分分为“基础的’、‘应用 的·或者‘发展的’都是徒劳无益的。如果都定义它们，就会发现有不同的或 例外的案例。” Hollomon在国家产业界的地位在1955年就得到认可，当时美国国家商会 推荐他为全国青年十杰。？年之后，：肯尼迫总统将Hollomon带入华盛顿作为 商业部长的科技助理，在那里他的突出工作是建立了专利系统的总统委员会， 以鼓励解决技术革新中各方面问题。他在回答间题中表现出了他的科研背景 (Christenson, 1985)::“什么是所谓的间题？”，“90%的问题出自对问题的探 索中a” 1.1.3材料研究实验室 我们可以看到，MSE的概念最初产生于20世纪50年代，到1960年时已 经稳固地建立起来，并在学术界和产业界做了很多事情。那一年，经过相当长 时润的激烈讨论和在华盛顿的政治游说，结果形成了另一个决议，并由美国政 府相关机构执行.这样，交叉学科实验室(Interdisciplinary Laboratories)诞 生了。 根据Frederick Seitz(1994)和Sproull(1987)的最新回忆，那些导致这一 事件发生的曲折磋商开始于1954年，当时伟大的数学家和计算机理论家John von Neumann成为五人原子能委员会(AEC)的“科学家委员”（这大概说明 另外四名委员不是科学家)。于是他邀请Sitz来看他（在他经常到伊利诺伊大 学访问期间，他已目睹到Seitz在材料科学方面的研究-的确，Seitz是最著 名的材料科学前辈之一)，解释道：“他所做的就是他一直想防止出现一个不确 切的材料科学。当他问及什么会限制到这门科学的成长时，他被告知是·缺乏 人才'。”据Seitz所说，von Neumann担心政府会将MSE作为旁门左道去对 待，所以提议联邦有关部门，从AC川始，资助在大学里建立数个交叉学科 材料实验室。然后他请Stz与他一起起草一份建议，在伊利诺伊大学建立~一 个样板实验室，初期仅由AEC资助经费.从Seitz的抱怨可以明显看出，von Neumann认为那既是一个孵育材料方面交叉学科研究的地方，义是一个培养 第1章言