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每当我们购买或使用一种新的设备、机器时,材料科学都会影响我们的生活。材料科学与工程(Materials science and engineering)学术领域的定义源于对每一种材料应用的认识: 是材料的特性赋予了它价值。一种材料的选择可能是由于其强度、电气性能、耐热性或耐腐蚀性,或许多其他原因;但它们都与材料本身的性质有关。
1953年,当埃德蒙·希拉里爵士(Sir Edmund Hillary)和丹增·诺尔盖(Tenzing Norgay)成为第一批登上珠穆朗玛峰峰顶的人时,他们穿的是厚厚的羊毛和棉花制作的衣服。在上山的路上,他们也只能睡在一个棉帐篷里。而如今的登山者都穿着轻薄的涤纶羊毛来保暖,它们不仅轻薄方便,更可以抵御寒风。并且使用的帐篷也是防水防风的。如果没有现代材料,这样的高科技装备是不可能实现的。
因此,材料科学与工程专业研究开发的每一种产品以及产品制造过程中使用的每一种材料都会对社会、经济和环境产生影响。例如,能够长期有效储存能量的电池技术可以通过增加风能和太阳能等可持续能源的使用率而大大减少有害排放,因为这些能源只能间歇性地产生高能量。同样,金属生产占全球温室气体年排放量的5%以上,通过开发改良生产地方法,或者研究较少二氧化碳排放的替代材料都可能会带来巨大的经济和环境效益。
材料工程主要学习哪些内容
我们知道工程学科通过构建工具和制定方案来解决人们日常生活中遇到的问题。而材料科学与工程(MSE)就是通过研究、理解、设计,并生产这些工具和方案所需要使用到的材料;或者是创造满足人类需求的新材料来帮助解决这些问题。这一跨学科领域几乎涵盖了每一种物质形式——从纳米材料的原子结构、生物物质的定向生长、到热处理钢的锻造,料科学与工程整合了从物理和生物到冶金和陶瓷等不同学科和工程的专业方法。
如今,在大多数大学,材料(Materials)都是由材料科学与工程系来研究的。这个名字自20世纪60年代西北大学(Northwestern University)首次提出以来,已经逐渐标准化。这些材料科学与工程系的前身主要是冶金系、冶金工程系、采矿系、陶瓷系等。作为一个材料工程专业的学生,你将使用数学和科学来学习陶瓷、金属、聚合物(如玻璃、橡胶和塑料)和其他材料的性质,并且学习如何发明和制造新材料。
那么我们以麻省理工大学(Massachusetts Institute of Technology)的材料科学与工程(MSE)专业为例,来看看这个专业的学生们在本科期间需要完成的课程有哪些。
1.体育课要求:游泳课,再加上四门共8分的体育课。
2.学院毕业要求General Institute Requirements (GIRs):通识课程共17学分。
3.专业项目核心课程Departmental Program:在以下专业课中至少选择两门指定为沟通强化(CI-M)的课程,以满足要求。
同时在以下课程中选择18学分:
4.专业选修课程:限制性选修课36个学分,只能从下列课程中选择。
从上面这些要求中可以看出,大多数课程的专业性还是非常高的,因此在准备进入专业课学习之前,学生们需要选修一些基础的数学课程以及物理化学课程等。如果在高中时就有参加相关AP课程考试并取得一定分数,可以置换一部分基础课程的学分,在进度上会更快一些。
大一刚入学的同学们可以参考以下的课程计划,来安排每个学期需要学习的课程:
Source:Course 3 Degree Chart
材料工程师的工作方向
材料工程师需要负责开发、加工和测试用于制造一系列产品的材料,从电脑芯片、飞机机翼到高尔夫球杆和生物医学设备等等。他们要研究金属、陶瓷、塑料、复合材料、纳米材料(极小的物质)和其他物质的性能和结构,以创造满足一定机械、电气和化学要求的新材料;还会帮助为特定的产品选择材料,并开发使用现有材料的新方法。
材料工程师的主要岗位有:
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陶瓷工程师Ceramic engineers:开发陶瓷材料以及将其制成有用产品的工艺,从高温火箭喷管到液晶平板显示器的玻璃。
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复合材料工程师Composites engineers:开发具有特殊工程性能的材料,用于飞机、汽车和相关产品。
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冶金工程师Metallurgical engineers:专门研究金属,如钢和铝,通常以合金形式添加其他元素以提供特定性能。
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塑料工程师Plastics engineers:开发和测试新的塑料(聚合物)用于新的应用。
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半导体加工工程师Semiconductor processing engineers:应用材料科学和工程原理开发用于计算、传感和相关应用的新型微电子材料。
材料工程师的工作职责通常有:
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计划和评估新项目,必要时咨询其他工程师和经理
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准备提案和预算,分析人工成本,撰写报告,执行其他管理任务
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监督技术人员、技术专家和其他工程师和科学家的工作
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设计和指导工艺流程的测试
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监控材料的性能并评估其退化的情况
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确定产品故障的原因并制定克服故障的方法
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评估与工艺或产品设计目标相关的技术规范和经济因素
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评估材料加工对环境的影响
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