计算机材料科学PPT课件

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《材料科学基础》课件

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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化学稳定性和机械强度。

计算机在材料科学中的应用1PPT课件

(d)聚合物体系的性能预测和分析软件 (Property Prediction &
Analysis of Polymer Systems)
(a)电子层次 (如电子结构)
(F)计算机模拟 (b)原子/分子层次 (如结构、力学性能、热力学和动力学性能)
的层次划分
(c)微观结构层次 (如晶粒生长、烧结、位错、极化和织构等)
能够按照使用要求对材料性能进行设计创造
-
5
材料的分类方法
（A）根据组成与结构：金属、无机非金属、有
机高分子、复合材料（B）根据性能特征和作用：结构材料、功能材料（C）根据用途：建筑材料、能源材料、电子材料、
耐火材料、医用材料和耐蚀材料等
材料的发展历程
简单⇒复杂，以经验为主⇒以科学知识为主独立学科：材料科学与工程学科
-
4
总体了解
（A）地位重要
20世纪60年代：材料、能源与信息当代文明的三大支柱 20世纪70年代：新型材料、信息技术和生物技术新技术
革命的主要标志目前：新材料不仅是当今世界高新技术的核心支柱，也是
产业进步的重要推动力
（B）研究时间长
转折点：19世纪
（C）目前的研究状况
人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间的内在关系，
(C)水平：
简单顺序控制⇒数学模型在线控制和统计过程控制
分散的个别设备的控制⇒计算机综合管理与控制
控制水平提高，可靠性得到充- 分保证
14
计算机用于数据和图像处理
(A)数据（原始资料）：存储、计算、绘图、拟合及快速查询
(B)图像（二维照片）：Origin、Photoshop等
-
15
计算机网络在材料研究中的应用

计算机在材料科学与工程中的应用(1)讲解

在材料科学与工程中，一些仪器就采用了图象处理技术，如SEM等仪器。在工程中，采用图像处理技术可代替人工对产品进行自动检测，大大节省了人力资源，提高了劳动生产率。
在线自动检验------通过数码相机，将照得的图像自动处理，辨识技术，达到自动检验的目的。
在军事上，弹道导弹，巡航导弹
第二章计算机应用数学基础
众所周知:要是方程有唯一的解,这些方程应是线性无关.也就是系数矩阵行列式不等于零.主要解法有消元法,追赶法,迭代法.
实际上,可分为两大类
直接法: 高斯法
间接法 : 迭代法
2.3.1 直接解法
1. 高斯消元法高斯消元法的分类:
a. 顺序消元法, b. 列主元素法 c.全主元素法
a. 顺序消元法
xmid=(xn+1+xn)/2 再算出点的函数值f(xmid),若f(xmid)与f(xn)同号，则用 f(xmid)代替f(xn)，否则， f(xmid)代替f(xn+1)。于是含根区间就成为[xmid,xn+1]或[xn,xmid],根的区间范围进一步减小。如此继续下去，当误差足够小时，就停止迭代。
动量传递耦合应用
3.材料: 从头算,量子力学和量子化学计算指导分子设计
4.管理:ERP 5.CAD和CAI 6. 图象处理
(1)数值计算数值计算（numerical computation）
就是有效使用数字计算机求数学问题近似解的方法与过程，以及由相关理论构成的学科。
①研究新材料。可以采用数据处理、仿真技术、数学模型、数
以x*求出发f(x*)后与f(xn)和f(xn+1)比较，照例以f(x*)代替f(xn)和f(xn+1)中的同号者。如果f(x*)不十分接近零，在重复上述步骤，

材料科学基础PPT精品课件幻灯片

❖ 材料发展动力： ▪ 社会需求（市场拉动） ▪ 技术发展（技术推动） ▪ 科学发展（对物质的了解，是创新的源泉）
• 硅时代（1950年）
• 20新20/材12/1料9 时代（1990年材、料科特学征与工是程多学院种材材料学料教研并室存）
8
2020/12/19
材料科学与工程学院材料学教研室
9
材料的历史：300,000 BC—3,500 BC
川徐家岭楚墓出土。龙首、虎颈、虎身、虎尾、
编钟：春秋中期，1978年河南淅川出土，龟足，张口吐舌，牙齿犀利。龙首上附六条蛇
最大钟通高120.4厘米，舞修52.3厘米，
形龙。脊背上有有一方座，座上有一神兽也为
铣间59.7厘米。该钟一组26件，形制相同，龙首，口衔一条龙，龙首。通身饰动物纹和
大2小02依0/1次2/递19减。
2020/12/19
材料科学与工程学院材料学教研室
3
提到“材料”，同学们会想到什么？列举一下现代生活中用到了哪些材料？给材料下个定义。
请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如果能，是怎样划分的？材料科学与材料工程有什么区别？
请问同学们材料是怎样分类的？
如何认识材料的科学问题？（链接）
2020/12/19
•
由于材料的重要性，历史学家常常根据人类使用的材料来划分
人类社会发展的历史阶段。从古代到现在人类使用材料的历史共经
历了七个时代，其中的有些时代持续了几个世纪，各时代的开始时
间：
• 旧、新石器时代（公元前10万年） • 陶器时代 • 青铜器时代（公元前3000年） • 铁器时代（公元前1000年） • 水泥时代（公元0年） • 钢时代（1800年）
6

《材料科学基础》PPT课件

编辑版ppt
9
w（Cu）为35%的Sn-Cu合金冷却到415℃时发生L+ε→η的包晶转变，如图 7.35（a）所示，剩余的液相冷却227℃又发生共晶转变，所以最终的平衡组织为η+（η+Sn）。而实际的非平衡组织（见图7.35（b））却保留相当数量的初生相ε（灰色），包围它的是η相（白色），而外面则是黑色的共晶组织。
Pt等。
编辑版ppt
3
图7.30所示的PT-AG相图是具有包晶转变相图中的典型代表
图中ACB是液相线，AD，PB是固相线，DE是Ag在Pt为基的α固溶体的溶解度曲线，PF是Pt在Ag为基的β固溶体的溶解度曲线。水平线DPC是包晶转变线，成分在DC范围内的合金在该温度都将发生包晶转变：
LC+αD βP 包晶反应是恒温转变，图中P点称为包晶点
室温平衡组织为:β+αⅡ
合金Ⅱ缓慢冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金Ⅱ中的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液相在继续冷却过程中，将按匀晶转变的方式继续结晶出β相，其相对成分沿CB液相线变化，而β相的成分沿PB线变化，直至t3温度全部凝固结束，β相成分为原合金成分。在t3至t4温度之间，单相β无任何变化。在t4温度以下，随着温度下降，将从β相中不断析出αⅡ。
第七章二元系相图及其合金的凝固
制作人:李凌锋 080207022
编辑版ppt
1
7.3.3包晶相图及其合金凝固
1.包晶相图 2.包晶合金的凝固及其平衡组织 3.包晶合金的非平衡凝固 7.3.4溶混间隙相图与调幅分解
编辑版ppt
2
ONE.包晶相图
包晶转变定义：
组成包晶相图的两组元，在液态可无限互溶，而在固态只能部分互溶。在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。具有包晶转变的二元合金有Fe-C，Cu-Zn，Ag-Sn，Ag-

《材料科学概论》课件

材料科学是研究材料性质和结构的学科，涉及物质的选择、加工和应用。
2 原子结构和元素周期表
通过了解原子的组成和元素周期表，我们可以深入了解材料的基本构成和特性。
3 材料分类和特性
材料可以根据其组成、结构和性能进行分类，不同材料具有各自独特的特性和应用。
材料的加工与性能
1
材料的性能评估方法
2
了解材料性能评估的常用方法，如力学性能测试、热学性质分析等，以评估材
未来发展趋势
1 材料科学的新挑战
2 人工智能
探讨材料科学在面对新兴技术和需求时所面临的挑战，如环境友好材料、可持续发展等。
了解人工智能在材料科学中的应用，如材料设计、加工过程优化等，以推动材料科学的发展。
学习方法
课程将采用讲座、案例分析和实验等多种教学方法，帮助学习者全面理解材料科学的概念和应用。
课程内容
我们将涵盖材料科学的基础知识、加工与性能、新材料与应用，以及未来发展趋势等内容。
考试评估
学习者将参加期中考试和期末考试，以及完成课程作业和实验报告，综合评估学习成果。
基础知识
1 材料科学的定义
《材料科学概论》PPT课件
欢迎来到《材料科学概论》PPT课件！在这个课程中，我们将一起探索材料科学的世界，了解材料的定义、分类和加工方式，还会探讨材料的性能评估、新材料与应用，以及材料科学的未来发展趋势。
课程介绍
课程目标
通过本课程，学习者将了解材料科学的基础知识，培养对材料的分类和性能评估的认知，以及掌握材料加工方法。
料的可行性和应用潜力。
材料的加工方法
学习不同的材料加工方法，包括冶金和塑料加工，了解其原理和实际应用。
新材料和的材料研究进展，如纳米材料、新能源材料等，了解它们带来的革新和应用领域。

材料科学基础 ppt课件

当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。因为系统都具有最小自由能的倾向，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。
（5）结合键与性能
材料结合键的类型及键能大小对某些性能有重要影响，主要表现在以下两个方面：
1.物理性能：（1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。物质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳定结合时，便会发生熔化，所以熔点与键能值有较好的对应关系：共价键、离子键化合物的熔点较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属的熔点相对较低，但过渡族金属有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点都很高。而具有二次键结合的材料的熔点一般很低，如聚合物
2.根据排列次序建立了元素周期表，各个周期中的元素的性质呈现相同的周期变化规律，元素在周期表上的位置不仅决定了单个原子的行为，也决定了材料中原子的结合方式以及材料的化学性能和物理性能。
第二节原子结合键
一.原子结合键 1.存在状态：凝聚态（液态和固态）分类 2.一次键：结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。 3.二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。
二. 一次键
1.离子键
（1）通过电子转移形成稳定结构，存在于大多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCI、MgO 、CuO、Mg2Si、CrO2。
（2）基本特点是以离子为基本结合单位。
(3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
电子云
原子核
电子云
原子核 a）理论电子云的分布
b）原子偶极矩的产生
4.氢键
氢键是一种特殊的分子间作用力，本质上与
范德瓦耳斯键一样，它是由氢原子同时与两个电

材料科学基础完整材料的动力学部分ppt课件

.
6
第二节宏观动力学方程
一、稳定扩散和不稳定扩散
稳定扩散：扩散物质在扩散层内各处的浓度不
随时间而变化，即 dc/dt=0
不稳定扩散：扩散物质在扩散层内各处的浓度随时
间而变化，即 dc/dt 0
.
7
二、扩散的动力学方程
1、菲克第一定律（Fick’s First Law）
在扩散体系中，参与扩散质点的浓度因位置而异、且可随时间而变化。即浓度c是位置坐标（x、y、z）和时间（t）的函数，表述为：原子的扩散通量与浓度梯度成正比。
.
3
二、从不同的角度对扩散进行分类
1、按浓度均匀程度分
互扩散：有浓度差的空间扩散；自扩散：没有浓度差的扩散。
2、按扩散方向分顺扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散，又称下坡扩散; 逆扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散，又称上坡扩散。
3、按原子的扩散方向分
体扩散：在晶粒内部进行的扩散；
表面扩散：在表面进行的扩散；
即 c＝Κ p
因此，可得出单位时间内球罐中氧气的泄漏量为：
.
15
不稳定扩散
不稳定扩散根据边界条件分为两种情况：
➢ 一是扩散物质浓度（C0）在晶体表面保持不变； ➢ 二是一定量（Q）的物质由表面向晶体内部扩散。
c c
c0
x
.
16 x
第一种情况
C(x,t)C0er(f2cxD)t
e( r) f 2e 2 d,e( r)f 1 c 2e 2 d
.
5
四、扩散的意义
➢ 材料制备工艺中很多重要的物理化学过程都与扩散有关系。例如：固溶体的形成、离子晶体的导电性、材料的热处理、相变过程、氧化、固相反应、烧结、金属陶瓷材料的封接、金属材料的涂搪与耐火材料的侵蚀。

计算机在材料科学与工程中的应用

据库在材料设计、合理选材等方面发挥了巨大作用。
例如/SDB/
2021/4/6
15
2021/4/6
16
3、计算机在材料的组成和结构研究中的应用
材料的组成和结构对于材料的性能和应用有着非常强烈的影响。
现今材料的组成和结构表征主要采取各种大型分析设备，如扫描电镜 (SEM)，透射电镜 (TEM)，分析电镜 (AEM)，扫描探针显微镜 (SPM) 等；各种谱仪如可见光谱，红外光谱，拉曼光谱，原子吸收光谱，等离子体发射光谱，荧光光谱等；各种衍射仪，如X射线衍射仪，电子衍射，中子衍射等。
。
Jaguar速度达到每秒1750万亿次运算排名第一 ,中国深圳国家超级计算机中心的曙光星云计算机以1271万亿次排名第二
2021/4/6
6
世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)
2021/4/6
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1946年美国 ENIAC
1955年退役ຫໍສະໝຸດ 十进制运算18 000 1 500
150 30 1 500 5 000
材料科学目前还更多地依赖于事实和经验积累的特点，使得计算机在材料科学中的应用以及所起的作用更为重要。
2021/4/6
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1 、计算机用于材料设计
材料设计是研究材料的合成和制备问题的终极目标之一，材料科学的发展现状离材料设计这一终极目标尚远，许多化学家、物理学家和材料学家仍然在这一方向上进行着艰难和持续的努力。
计算机在材料科学与工程中的应用
Computer in MSE
2021/4/6
1
一、材料科学与工程(MSE)
1、MSE研究内容是研究材料组成、结构、性能、制备工艺和
使用性能以及它们之间相互关系的科学。

材料科学材料性能与指标PPT课件

树脂材料拉伸曲线
10
20
30
e(%)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
s(MPa)
低碳钢
锰钢
硬铝
退火球墨铸铁
延展性或塑性的表征
延伸率 elongation 断面收缩率 reduction of area
< 5%：脆性材料
塑性材料和脆性材料力学性能比较:
塑性材料
各种材料的能带结构
2.4.2 介电性能 Dielectric Property
电容C（capacitance）——电荷量q与电压V的比值：
平板电容计算： C = (A/L)
：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力；相对介电常数r： r=/0 (介质常数、介电系数或电容率)
2.3.2 热膨胀 thermal expansion
势能一原子间距离曲线
假想的
实际的
热膨胀现象解释
金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；聚合物材料则较大。
键强与热膨胀
膨胀的差异 ——原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。
热量通量q ：热导率：表征物质热传导性能的物理量。单位：Wm-1K-1，或 calcm-1s-1K-1 1 calcm-1s-1K-1=4.2102 Wm-1K-1
溶蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗氧化性
——材料抵抗各种介质作用的能力
化学稳定性
2.1 化学性能 Chemical Performance
氧化物成核生长氧溶解
氧化膜生长内氧化
缝隙孔洞微裂纹
宏观裂纹
吸附
（1）化学锈蚀

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计算模拟技术已应用于材料行为工艺研究的各个方面，包括材料组织结构的计算机模拟、材料热处理计算机模拟、材料腐蚀与防护的计算模拟、铸造过程计算机模拟、材料塑性成形过程计算机模拟、材料焊接过程计算机模拟等。
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模拟的主要目的是将理论与实验工作直接结合起来。首先是建立模型，这个模型要有一个可靠的理论基础，考虑世界的真实性。基于理论的模型才能够预测实验行为，也才能够使实验者根据现代理论解释实验结果。反过来，模拟进一步完善理论和实验研究。也就是说模拟离不开理论和实验，它们相互影响、相互促进。例如，可以通过模拟计算出一个传统的加工工艺为什么会出现问题，然后结合理论知识改进工艺方案，最后通过实际生产来验证改进的模拟结果，进一步也验证了所用模型、理论的合理性。
计算机在材料科学与工程中的应用 Computer in MSE（Material Science and Engineering）
1
主要参考资料
1、计算机在材料科学与工程中的应用---杨明波胡红军唐丽文（化学工业出版社,2008） 2、计算机在材料工程中的应用---汤爱涛 (重庆大学出版社,2008) 3、计算机在材料科学与工程中的应用--- 曾令可(武汉理工大学出版,2004) 4、计算机在材料科学中的应用-----许鑫华（机械工业出版社,2003） 5、计算机在材料科学与工程中的应用-----刘兴江（东北大学出版社,2007 ） 6、计算机在材料科学中的应用-----李琼（电子科技出版社,2007）
新技术革命主要标志（ 20世纪 70年代说法）：新材料、信息技术和生物技术
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材
金属材料无机非金属材料
料
有机高分子材料复合材料
的
结构材料
分
功能材料
类
建筑材料
能源材料
电子材料
耐火材料医用材料
耐火材料
7
1.1.2 MSE研究内容
研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学。
7、材料科学中计算机的应用-----乔宁（中国纺织出版社,2007） 8、计算机在材料科学与工程中的应用—张朝晖（中南大学出版社,2008）
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目录
第一章计算机在材料与工程中的应用概述第二章材料科学与工程中数据的计算机处理（原理、方法以及计算机的实现）第三章材料科学研究中数学模型的建立及数值求解第四章材料科学研究中主要物理场数值模拟第五章计算机辅助材料设计与模拟第六章材料数据库及专家系统第七章 Internet与材料科学
Properties 材料性能.
Structure 组织结构
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 19899
MSE特点：
多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学科有着不可分割的联系，如固体物理学、电子学、光学、声学、量子化学、数学与计算机等。
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计算模拟技术是一种根据实际体系在计算机上进行的模型试验，通过将模拟结果和实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的正确性，也可以检验由计算模型得到的解析理论所作的简化近似是否成功。在模型体系上获得的相关信息一般比在实际体系上通过实验得到的信息更多。在很多情况下，计算机模拟可以部分地取代实验。另外，计算机模拟对于理论的发展具有重要的支撑作用，它们为现实模型和实验室中无法实现的探索模型提供了一种行之有效的研究方法，如材料在超高压力和温度条件下相变，材料在超高速冲击条件下的损伤与失效等，都可以借助计算机模拟技术进行详细研究。
计算模拟架起了从微观到宏观，从基础研究到工程应用的桥梁。小到原子分子，大到飞机航母等尺度的材料行为都能通过不同的模拟方法进行计算模拟。甚至随着材料科学和计算机的发展，能实现多尺度的耦合模拟，毋庸置疑，这大大扩宽了人类认识的眼界。
一门发展不成熟的学科，它的研究很大程度依赖于实验和经验的积累，系统的研究材料还有一个很长的过程。
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1.2 计算机在MSE中的应用
计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了有力保证。
Moore定律（1965）：计算机的CPU速度每1.5年增加一倍。
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计算机在MSE的应用非常广泛。材料科学是研究材料的组成与结构、合成与制备、性能与应用以及它们之间相互关系的一门科学,在所有的这些方面,计算机都发挥了非常重要的作用。
3
本课程在教学计划中的地位、作用和任务
本课程是一门专业基础课。课程教学所要达到的目的：
了解计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用；
初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方法和原理；
初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去。
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考核方式：查阅一篇计算机在材料科学与工程中应用的文献；上机考试。
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第1章计算机在材料科学与工程中应用概述
1.1 材料科学与工程(MSE) 1.1.1 材料的作用与分类
材料是用以制造有用物件的物质
材料是人类社会发展的里程碑，是人类生产和生活水平提高的物质基础，是现代文明进步的重要标志和发展高新技术的基础和先导。
石器时代
铜器时代
铁器时代
当代文明三大支柱（20世纪60年代说法）：材料、能源和信息
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1.2.1计算机模拟技术用于材料行为工艺研究
材料行为工艺的计算模拟是指利用计算机对真实的系统进行模拟实验，提供材料在某种工艺条件下的行为变化规律。如对材料相变、对材料成型过程、对材料在冲击载荷下的计算机模拟等。采用计算机模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程，了解材料的内部微观性质及其宏观力学行为，并且在没有实际制备加工出这些新材料之前就能预测它们的性能，为设计优异性能的新型材料提供强有力的理论指导，同时可避免大量的实验工作，提高材料研究的效率，降低工作强度，节省研究经费。
美国国家研究院材料科学与工程委员会《90年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力》材料科学与工程领域存在四个要素（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成与加工）两个关键（仪器设备和分析建模）
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四个要素
Performance 使用性能
Composition &
Processing 成分与工艺