中文名称：材料科学与工程
英文名称：Materials Science and Engineering
编写成员：材料科学与工程学科评议组（2024）
（一）学科概况
材料科学与工程学科主要研究材料的成分设计，材料合成制备，材料成型加工，材料组织结构和材料性能之间的关系及其影响规律。一代材料支撑一代技术，引领一个工业时代。因此，本学科是现代经济社会发展的重要基础领域。
材料是人类文明和社会进步的里程碑。材料是人类取用自然界物质，经组合和加工，得到具有预期性能，可用来制备各类器件、构件、工具、装置等器物的物质。在人类历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代标志。在近代，钢铁材料的发展对于世界工业革命进程起到了决定性的作用，半导体材料的发展则把人类带入了信息时代。当前，材料朝智能化、复合化、多元化、纳米化和数字化方向发展。
自20世纪60年代初以来，物理学、化学等学科的发展推动了对物质结构和材料内禀性能的研究和了解；冶金学、金属学、陶瓷学、半导体科学、有机高分子科学、纳米科技等学科的形成和发展推动了对材料的成分、制备加工技术、组织结构与性能及其相互关系的研究；金属材料、无机非金属材料、高分子材料等各类材料具有共同或相似的学科基础、科学内涵、乃至通用的研究方法与研究设备。同时随着科学技术的发展，材料与其它领域之间相互渗透，在客观上需要对各类材料进行综合的了解和研究。材料科学与工程学科已发展成为成熟的、完整的、规模最大的一级学科之一，并为相关学科的发展起到了重要的基础性支撑作用。
当前，材料已与信息、能源和生物技术并列为国民经济发展的四大支柱产业，其中材料也是信息、能源、生物技术的重要基础。材料是社会进步的物质基础和先导，是冶金、机械、化工、建筑、信息、能源、航空航天和海洋工程等工业的支撑。材料是实现“双碳”战略的重要物质基础。材料作为社会生产生活必要的组成部分，早已作为一个统一的范畴进入到研究和生产领域，材料科学与工程学科也进入高速发展期。
随着社会和科技进步，应用上既要求性能更为优异的各类高强、高韧、耐热、耐磨及耐腐蚀等新型结构材料，也需要各种具有光、电、磁、声及热等特殊性能及其耦合效应的新型功能材料，同时对材料与环境的协调性等方面的要求也日益提高。金属材料、无机非金属材料、高分子材料、纤维材料、复合材料、生物医用材料、光电信息材料与器件、能源材料、纳米材料技术、环境材料等已逐渐成为材料研究的重要领域。同时，计算科学在材料领域中的应用，为定量解析材料成分、制备工艺、组织结构性能的关系提供了可能，也为材料制备过程组织演变模拟提供了强有力的工具，材料基因工程逐步发展成材料科学与工程的一个重要分支，为高效率、体系化材料设计和新材料迭代快速发展奠定了重要基础。近年来，超轻材料、超柔材料等新材料的快速发展，使材料及其器件的设计理念和应用领域更加丰富。材料科学与工程的定量化研究与材料设计，是其发展的必由之路，通过揭示成分、制备工艺控制参量、微观组织结构参数与宏观性能之间的定量解析关系，从而达到根据性能要求，设计出材料的目标。展望未来，材料科学与工程学科的发展方向主要包括如下几个方面：实现微结构不同层次上的材料设计以及在此基础上的新材料开发；材料的复合化、低维化、智能化和结构功能一体化设计与制备技术研发；材料加工过程的智能化、自动化、集成化、绿色化、超精密化技术的开发等。另外，一方面要注重研究和解决有关材料的质量和工程问题，不断挖掘传统材料的潜力；另一方面，也要特别注重研究和解决与能源、信息相关的新兴材料，支撑社会可持续发展。材料科学与工程学科已成为现代科学技术的重要分支，持续不断地为国民经济的发展和社会科技的进步做出重要贡献。
（二）学科内涵
材料科学与工程学科属于工学门类的一级学科，它主要研究材料的成分、组织结构、合成加工、基本性质及使役性能等要素和它们之间相互关系的规律，并研究材料的生产过程及其技术。一般而言，材料是由若干组分组成的，但它绝不是各组分的简单机械混合，而是由各组分经物理和（或）化学过程首先生成若干相，再由各相以一定的空间配置方式构成材料。根据材料的组成形式，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等；根据材料的性能特征，又可分为以力学性能为应用基础的结构材料和以物理及化学性能为应用基础的功能材料。
材料首先需要合成或制备，因此材料科学首先要揭示相的生成和相间平衡遵循的规律，各相内多层次结构（如电子结构、晶体结构和界面结构等）形成和演变，以及不同相共存配置（微观结构）的问题。再者，材料科学需要解决材料复杂状态下各层次结构的表征和测定，解决外场作用下材料做出的反应（即材料性能）的描述和测试，这些问题的解决需要在数学和物理基本原理基础上，发展适合材料状态的理论和方法，这是材料科学的重要篇章。材料在服役环境下结构性能变化和对环境的适应性及反作用也是材料科学的重要研究内容。材料生产工艺规范化、产品性能的同一化和规模化则是材料工程化的重要方向。
材料科学与工程学科以数学、物理学、化学、力学和生物学等科学为基础，以机械工程、冶金工程、化学工程与技术、能源动力、生物医学工程、土木工程等工程学科为服务和支撑对象，具有理工医结合、多学科交叉的鲜明特色，其研究领域涉及自然科学、应用科学以及工程学。材料科学与其他工程学科的结合发展和相互丰富，充实了人们对自然科学的认识，推动和促进了科学技术的发展和进步。
材料科学与工程一级学科共设有11个二级学科，包括材料学、材料物理与化学、材料加工工程等3个基本二级学科，以及高分子材料、复合材料、纳米材料技术、材料基因工程、光电信息材料与器件、能源材料、生物医用材料、环境材料等8个特色二级学科，其中，基本二级学科，重点研究不同材料间共同或相似的科学基础、研究方法、制备技术等；特色二级学科，重点研究具有特定应用领域或研究方法的一类特色材料学科。
（三）学科范围
1.材料学
材料学是研究材料的成分、组织及结构、合成制备及加工工艺与性能及服役特性之间关系的学科，为材料设计、制备、工艺优化和合理使用提供科学依据，是探讨材料普遍规律、支撑材料加工技术的一门应用基础学科。
材料学以物理、化学为理论基础，以金属学、有机高分子化学与物理、硅酸盐物理与化学、材料现代研究方法为核心知识体系，重点研究材料的强度与断裂力学、材料物理性能、材料失效分析和寿命预测、材料化学性能、材料热力学与动力学、材料的表面与界面等内容。
研究方向主要包括：各类高强、高韧、耐热、耐磨、耐腐蚀等材料；各种具有力、热、声、光、电、磁等特殊性能及其耦合效应的材料；特殊应用领域的新材料；材料的复合化、低维化、智能化和结构功能一体化的设计与制备技术。研究上述材料的成分、组织与结构和使役性能之间的关系，以及探索实现材料性能优化的科学理论和技术途径。
材料学不仅与揭示材料本质和演化规律的材料物理与化学学科相关，而且和提供材料工程技术的材料加工工程学科等基本二级学科有密切关系。材料学还是材料自身发展延伸的复合材料、纳米材料技术和集成计算材料工程，以及特殊应用交叉领域衍生的光电信息材料与器件、能源材料、生物医用材料和环境材料等特色二级学科的基础。
2.材料物理与化学
材料物理与化学是一门以物理学、化学等自然科学为基础，从电子、原子、分子，以及微观与介观结构等多尺度研究材料的结构及其与物理、化学性质之间的关系的学科。材料物理与化学学科重点基于物理、化学的基本原理，结合材料科学的前沿研究与发展趋势，利用先进的理论研究、分析与设计方法和技术，以及高水平的实验平台、装备和工艺，致力于探索新材料中化学组分、结构、材料性能之间的本征关联及其内在的热/动力学演变规律。
目前的主要研究领域为：能量转换／存储材料、信息与传感材料、新型显示材料与电子材料、生物医用材料、稀有金属材料、核材料、智能材料、低维材料、量子材料、纳米材料等。
不同于以材料本征属性（金属/无机非金属/高分子）、功能性（信息/能源）和应用驱动（加工工艺）为重点的其他二级学科，材料物理与化学强调以理论物理、凝聚态物理、化学和生物学等基础学科为出发点，利用现代物理与化学研究方法和计算技术，基于材料新奇的物理、化学或生物等效应，进行新材料设计和新型器件研发的学科，重点研究材料科学中的基础关键科学问题，建立新材料设计、合成、制备、表征和加工的系统知识体系。
3.材料加工工程
材料加工工程是研究各种零部件及制品在成形过程中的控形控性技术，以满足使用功能和服役安全与预期寿命的学科，涉及材料加工过程的组织性能演变规律、成形模具与装备智能化研发；是一门以数学、物理、化学和工程力学为基础，以材料科学为核心，以成形装备自动化与智能化为支撑的学科。
材料加工工程的主要研究方向包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等加工成形，涉及材料的外部形状和内部组织与微结构演变规律和控制技术。主要研究内容包括凝固成形、固态塑性成形和粉末近成形，材料加工过程组织性能控制及数字孪生系统、加工过程及装备的自动化与智能化，材料加工的模具和关键设备的设计与改进，多场耦合作用下的加工、表面工程和材料连接，增/减材制造与再制造成形理论与技术等。
材料加工工程学科是突出“材成器”的成形过程与性能控制，材料学学科是突出“料成材”的高性能材料研制，材料物理与化学学科的基础物理化学理论是材料加工学科的有力支撑。同时，材料加工工程学科又与机电、自动化、计算机、软件等学科高度交叉、相互依存和彼此促进。
4.高分子材料
高分子材料学科是研究分子量较大或重复单元较多的有机材料类型的学科，它的内禀属性是单分子内存在独特的相互作用并可形成独立的功能器件。它主要研究高分子材料的组成与结构、合成与加工、基本性质及服役行为等要素及其相互关系的规律，研究高分子材料的生产过程及技术。高分子化学、高分子物理和高分子加工工程等研究领域组成了高分子材料学科的基本内涵。高分子材料学科以化学、物理学、数学、力学和生物学等基础科学为基础，以化学工程、机械工程、先进制造、人工智能、医学等学科为服务和支撑对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学科，其研究领域涉及自然科学、应用科学以及工程学等。
高分子材料学科历经几十年的发展与积累，形成了学科交叉、独具特色的研究方向，重点涉及高分子材料合成与加工、工程设计、产品开发、生产以及技术管控等研究内容。根据高分子材料的功能特征，可分为通用高分子材料、光电磁功能高分子材料、生物医用高分子材料、智能与仿生高分子材料、环境资源高分子材料等；根据高分子材料的组成特征，可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂、高分子基复合材料以及新型高分子材料等方面。
高分子材料学科紧密依托化学、物理学和生物学等基础学科，具有相对独立的专业知识体系，已形成若干明确的研究方向，与所属一级学科下的其他二级学科具有近似的理论基础。本二级学科侧重点软物质材料及其杂化材料的设计与制备、成形加工、功能开发以及工程应用等。
5.复合材料
复合材料是指由两种或两种以上物理或化学性质不同的材料按照设计的结构和比例组合而成的一种多组分材料。复合材料学科是研究复合材料设计、制备、宏微观结构、成型工艺、性能、服役及其相互关系的学科，为复合材料的组分和结构设计、工艺开发、性能调控、工艺和设备开发提供理论依据。复合材料学科以数学、力学、物理学、化学等基础科学为基础，以材料科学基础、材料复合原理、复合材料学、复合材料工艺与设备、材料表面与界面为基础课程。复合材料学科具有明显的应用导向特征，利用各组分材料之间的协同效应或者互补效应，满足国防军工、航空航天、交通运载、新能源、高端装备制造等行业对特定性能材料的迫切需求。
复合材料学科的研究领域涉及自然科学、应用科学以及工程学，主要研究复合材料的组成结构、合成加工、基本性质、服役性能及其相互关系，研究复合材料的生产工艺技术与装备。研究方向包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料、树脂基复合材料、橡塑基复合材料、水泥基复合材料、生物复合材料、结构功能复合材料和纳米复合材料等。
复合材料学科与材料学、材料加工工程、高分子材料与工程等二级学科具有相近的理论基础，各二级学科之间相互交叉，但各个学科的侧重点不同。复合材料学科更加关注两种或者多种材料体系间的协同机理和复合效应，与其他二级学科是相互促进的关系，可以共同丰富材料学科的科学和技术内涵。
6.纳米材料技术
纳米材料技术是研究当材料尺寸在纳米量级（0.1-100 nm）时的组成、结构、合成与制备、性质以及应用技术的学科，是一门涉及物理学、化学、生物学和传统材料科学的综合性交叉学科。纳米材料与器件的制备是整个纳米科技的基础，纳米物理学、纳米化学、纳米生物学是纳米技术的理论基础。
目前，研究方向主要包括：纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米光电子学、纳米加工学、纳米力学等。
研究内容主要包括纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征等三个领域，探索材料在纳米尺度下的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等独特的物理、化学、生物和力学特性。
纳米材料技术与材料学、材料物理与化学、材料加工工程等二级学科具有共同或相似的学科基础、科学内涵、乃至通用的研究方法与研究设备，是这些二级学科的高度交叉、融合及拓展。
纳米材料技术以材料学、材料物理与化学的基本理论为基础，利用纳米尺寸效应拓展材料科学的新理论与新方法；以材料加工工程中的微纳制造为技术手段，同时又引领超精密化材料加工技术的发展。
7.材料基因工程
材料基因工程是全新的前沿交叉学科，主要综合利用材料科学、人工智能、大数据技术、计算机科学、物理学和化学等相关学科的基本知识和技术，实现对材料成分、制备、加工、结构、性能和服役行为之间复杂内禀关系的深入解析与高效优化设计，缩短材料研发周期，降低材料过程成本。
材料基因工程是以人工智能和大数据技术为牵引、科学-技术-工程深度融合的全新研究领域。研究内容主要包括：高通量并发式计算、自动流程计算、自主计算、集成计算材料工程等材料先进计算方法；高通量实验、自动化实验、智能化实验等材料先进制备与表征技术；材料数据库与大数据技术等。
材料基因工程对材料科学与工程各二级学科具有显著的支撑作用，助力实现学科全链条发展建设，推动新材料研发从“经验试错”向“数字化、智能化”新模式的转变。
8.光电信息材料与器件
光电信息材料与器件学科主要涵盖在信息技术领域（包括电子学及微电子技术、光电子技术、光子及量子信息技术等）中应用的关键功能材料及相关元器件的科学、技术和工程问题。
研究范围包括各类半导体材料、电介质材料、压电及铁电材料、导电功能材料、光电功能材料、发光材料、激光材料、导光材料、光调制材料、光学非线性材料、磁性材料、低维光电材料、量子信息材料、以及具有各种光电性质的超材料等材料与相关器件，研究内容包括材料的结构与物理基础、功能与响应机制、合成与制备方法、器件设计原理、方法与制造工艺等。
该二级学科是材料科学与工程与信息科学技术的交叉学科，其材料方面的基础主要来自于材料学、材料物理与化学及材料加工工程，其原理和物理基础部分来自于物理学和电子学，与器件和应用相关的内容则与电子科学与技术、信息与通信工程、光学工程、集成电路等一级学科中部分二级学科有一定的交叉。
9.能源材料
能源材料学科是一门以物理、化学等自然科学为基础，针对能源应用与开发，从电子、原子、分子及聚集态等多个层次研究材料的物理、化学行为发的应用型学科。本学科应用现代物理、化学、材料科学的研究方法和研究手段，研究材料能源转换过程中的微观结构演变规律及与材料本征物理、化学性能之间的关系；运用这些规律改进材料性能，研制新型能源材料与器件，发展材料科学基础理论，并探索从基本理论出发进行能源材料设计、加工和制备。
能源材料学科的研究内容主要包括：化石资源的高效绿色利用、非化石清洁能源的制备、存储及高效转化、生物质选择转化和生物燃料电池、热电-光电-光热等高效能源转换材料与器件、动力与储能型各类电池材料与器件、高效节能材料与器件等。
能源材料属交叉学科，涉及材料学、材料物理与化学、材料加工工程、高分子材料、复合材料、纳米材料技术、计算材料学、光电信息材料与器件、生物医用材料、环境材料等多个学科。通过上述学科的相互交叉与融合，促进清洁能源的高效转化、储存和节能利用等方面的技术进步。
10.生物医用材料
生物医用材料是一门以金属、无机非金属、有机高分子等材料为基础，基于材料学、材料加工、材料物理化学、生物医学的基本原理和研究方法，研究疾病预防、诊断、治疗用途的材料及其与机体相互作用的现象、机理、调控方法的应用交叉基础学科。生物医学材料的重点是结合机体特征需求，研究材料的组成、组织结构、成分、成型工艺、表面构型与机体功能之间的相互影响机制及其蕴含的生物化学与物理性质，寻求材料与机体组织之间相容性的基本规律，以及材料的有效性、耐久性、安全性等基本特征和属性，为材料在临床机体的合理应用提供科学依据。
目前，主要研究领域为：新型组织器官再生与修复材料、生物医学检测诊断材料、具有精准医疗的生物医用材料、药物载体与可控释放材料、生物活性表面可控改性材料、可降解/可吸收生物医用材料、多孔医用材料、新型医用防护材料等。
生物医用材料二级学科的内涵、理论和制备方法来自基于材料物理与化学、材料学、材料加工工程等二级学科基本理论产生的材料在机体中的应用规律，主要特征体现在材料与机体之间的相容性、材料的有效性、耐久性、安全性等方面。
11.环境材料
环境材料以生命周期工程理论为基础，通过揭示资源、环境等信息在材料/产品生命周期不同阶段的分布规律及其作用原理，设计开发满足使用性能要求，同时具有全生命周期环境协调性的材料，以及资源、环境、工业过程、信息等多学科交叉特征。主要研究方向和研究内容包括：
（1）材料生命周期评价方法和生态设计技术。主要研究：材料制备过程环境负荷表征方法，大数据技术驱动的材料产品全生命周期多维评价方法，材料零碳/低碳技术设计及评价方法，材料及其产业绿色低碳循环发展理论与评价方法。
（2）环境材料设计与制备。主要研究：毒害元素替代材料的设计与制造技术，先进基础材料零碳/低碳制造技术，材料先进循环流程开发与高效回收技术，材料资源循环再生原理与技术，工业固废、城市固废回收体系设计、再利用、再制造与资源化技术，工业污染物减排材料设计与制备技术。
环境材料学科以生命周期工程理论为指导，建立材料物理与化学、材料学、材料加工工程、高分子材料等其他二级学科与资源、能源、环境等宏观尺度的多维关联，并协同推进学科面向材料绿色发展的新模式，对全面提升低环境负荷材料的研发、生产、管理和服务水平，实现各类材料研发应用的可持续发展和材料产业碳中和目标具有重要的现实意义。
（四）培养目标
1.硕士学位
拥护中国共产党的领导、拥护社会主义制度，经德育考核合格。具备基本的材料科学与工程基础理论知识和系统的专业知识，了解本学科的发展动向，能够掌握相关材料研究领域中先进的工艺设备、测试手段及评价技术；具有从事科学研究工作和技术工作的能力；能做出具有学术价值或应用价值的研究成果。
2.博士学位
拥护中国共产党的领导、拥护社会主义制度，经德育考核合格。在材料科学与工程方面具有坚实宽广的理论基础和系统深入的专门知识，全面地了解和掌握所从事领域的发展动向；具有研究材料的成分及结构，加工及制备工艺与使役性能，环境影响与保护之间的内在联系和基本规律的科研能力；掌握相关的先进工艺、装备、测试评价技术；具有独立从事科学研究与工程技术开发的能力，具有成熟的创新意识和完善的创新能力，能够获得创造性的成果。
（五）相关学科
数学、物理学、化学、生物学、力学、纳米科学与工程、机械工程、冶金工程、化学工程与技术、动力工程及工程热物理、生物医学工程、土木工程、纺织科学与工程、轻工技术与工程、环境科学与工程、航空宇航科学与技术、电气工程、电子科学与技术、集成电路科学与工程、光学工程、仪器科学与技术、计算机科学与技术、控制科学与工程、船舶与海洋工程、兵器科学与技术、核科学与技术等。