「材料科學」專輯卷首語

「材料科學」專輯卷首語*

1989年1月1日 星期日

【摘要】材料與能源及資訊並列為人類的基本資源。科技進展常受限於材料。本文就材料科學工程之界定、材料教育與研究，以及本專輯的策畫安排作一簡介。

材料科學與工程

材料科學主要探討材料之結構、性質、製程和功能的相互關係。材料性質由結構（包括成分、晶體結構、缺陷組織）決定。利用製程控制材料之結構以發揮其功能，屬工程應用範圍，故材料科學常與材料工程並列。

材料科學研究對象為可製成器物元件之工程材料。由於工程「實用」材料一般屬多晶體，含有大量缺陷及各種雜質，不同於理想的高純度、無缺陷單晶體，因此取得材料製程的經驗數據，對材料的基本了解占有非常重要的地位。另一方面，材料製程控制亦亟需對材料在製程各階段之構造有充分了解。由此看來，要解決工程材料問題，必須材料科學家與工程師密切合作。因此，材料科學與工程交聯互依之關係緊密。材料科學與工程學系之成立即反應此一特質。

材料教育

材料學門之「獨立」成形約可溯源於1950年代末期的美國。當時固態科學包括固態物理與固態化學，已進展到相當程度，而開始展現應用的潛力。半導體電晶體及人造纖維之發展，使政府、企業界及學術界增強了對材料科學與工程緊密結合以促進產業革新之信心。因而策畫推行「國家材料方案」，揭櫫以吸納多學門人才（multidisciplinary），以科際整合方式（interdisciplinary）探討材料之結構、性質、製程與功能之相互關係。促成學術機構成立相關科系，以為提供知識之基礎及架構。另外在部分學校成立「科際整合研究室」（IDL），以提升材料研究，加強政府、企業界及學術界之合作關係。這些IDL即為目前「材料科學中心」、「材料研究中心」或相關機構之前身。

由於歷史淵源，世界各國材料相關科系多源自治金學系，部分則自機械、化工學系分出。故在初期課程與訓練常為某一學程（如金屬、高分子）所主導。但近年來，較具規模之材料科系均努力發展多學程。而由於產業形態改變、學生就業機會丕變，也迫使一般學校在學程安排上有所因應。例如「美國麻省理工學院」材料科學工程學系，在數年統計近年畢業生之就業情況，發現大多數均在電子公司任職，但該系師資課程均偏重冶金，因此決定充實電子材料學程。目前該系將課程分為冶金學、電子材料、陶瓷材料及高分子材料四學程，頗具代表性。故以該系所開課程為例，說明材料科系學生所受之教育與訓練：

一、基礎課程：普通物理、普通化學、微積分；

二、一般材料課程：熱力學、動力學、傳播現象、力學、結構、化學物理、微分方程（或應用數學）、材料實驗；

三、各學程課程：

（一）冶金學：晶體缺陷及相變化、物理冶金、化學冶金、材料製程實驗；

（二）電子材料：電機、光學、磁性材料學元件、電子材料、電子材料製程、微電子技術、電子材料專題實驗；

（三）陶瓷材料：陶瓷導論、玻璃科學與工程、陶瓷製程、陶瓷及玻璃實驗；

（四）高分子材料：高分子化學、高分子結構與性質、高分子工程、高分子實驗。他們課程安排與國內材料系所甚為相近。另外，亦可看出課程內容雖部分與傳統理工科系如物理、化學、電機、機械、化工等科系一致，但所受訓練以探討材料結構、性質、製程、功能相互關係為中心，則深具特色。

在研究所階段，比較能彰顯材料研究所特色，而為大多數研究生選修之課程包括：固態熱力學、固態動力學、差排理論、固態相變化、繞射結晶學及表面分析。

目前世界各國材料相關科系，開拓多學程而冠以「材料」名銜，已成風尚。以美國為例，1964年冠有「材料」字眼系所僅有11個，到1985年已達51個，而未冠「材料」名銜之相關系所則僅餘39系所。

國內大學以材料研究教學為主之系所原限於「成功大學礦冶學系」。民國六十一年「清華大學」首先成立「材料科學工程研究所及學系」。目前國內設有材料系所之大學包括清大、成大及大同工學院，台大及中山大學設有材料研究所，逢甲大學則設有材料學系。各國立大學材料研究所均設有博士班。另「交通大學」已奉准於民國七十八年成立材料研究所。據統計由國內材料研究所訓練出的博士級研究人員，已超過20人，除在大學任教外，散布於各研究機構，頗受好評。

材料科學研究

美國官方於第二次世界大戰中，由武器系統發展的經驗，開始深切了解材料之關鍵性。而許多科學家也發現，由於材料科學知識的匱乏，限制了科技的進展，而亟思由培育人才著手，提升材料科學水準。在1957年歷經蘇俄搶先發射人造衛星的震憾，美國總統科學顧問委員會，將材料研究及教育列為美國因應最高優先措施之一。經過各政府機構之商議籌畫，於1960年起，陸續資助美國約二十所大學成立科際整合研究室。其宗旨在：聚集材料科學領域中各科學與工程學門人才，以密切合作方式解決共同材料問題。1972年，更增列推動重大材料科學工程研究的目標，提高材料科技研究水準，培育材料高級人才。而對一般學校，在材料研究上亦給予重點支持，據估計在1985年，美國政府機構補助大學材料研究經費達美金兩億元。另外，在國家研究所材料研究預算亦約美金兩億元。工業界支出則遠超過此數。產業巨人如「美國電話電報公司」、「萬國商業機械公司」、「全錄公司」、「柯達公司」、「通用汽車公司「等設置的材料部門，在國際上均屬頂尖。因此，美國材料研究有相當厚實的基礎，目前仍居世界領先地位，但近年日本及西歐國家亦急起直追。而美國某些產業漸趨沒落，加以管理階層追求近利之經營理念，材料研究發展水準大不如前，如鋼鐵材料研究，即有許多專家認為落後日本很多。

我國政府體認材料科技的重要性及其科際整合性，在民國七十年明定材料科技為重點科技之一。其具體的措施之一，即於七十一年，正式在「工業技術研究院」內成立「工業材料研究所」，以統籌工業材料之研究開發。歷年並在「科技發展方案」項下，由教育部撥助專款協助各大學材料系所購買貴重儀器，打破編制限制，充實師資。並於七十三年在清華大學成立「材料研究中心」。七十六年起又於各國立大學材料研究所推行「第二重點」方案，以三年為期，以充實師資及設備方式，協助各所建立冶金學以外之第二甚至第三重點，使學術不僅在數量方面大幅度的增加，在品質方面亦有相當的提升。筆者於六十六年返國任教時，材料界具博士學位者屈指可數，目前僅以學術界而言，估計博士級研究人員已不止百人。再加上研究機構，博士級研究人員不下兩百人。在質方面，與材料有關國際性著名期刊，均可經常看到國內學者發表的論文。國際性學術會議中，邀請國內學者發表專題講演亦時有所聞。

在研究機構方面，由於國內工業多屬「中小企業」，研究發展能力有限。正如李國鼎先生在一項材料問題討論會上所說：「土地廟到處都是，像樣的卻不多。」但「工業技術研究院」「工業材料研究所」、「中國鋼鐵公司」及「中山科學研究院」材料發展中心，則顯然是例外。同時此三機構亦是現在及可預見將來，材料系所畢業生最大的雇主。故特約請此三機構主管，就各該機構材料研究作一整體介紹。

專輯之另一部分為各種材料介紹。材料有各種分類方法，可以結構、性質、功能、工程目的等畫分。因限於篇幅，在題材選取上要面面兼顧實非易事。最後決定化繁為簡，依適時性，敦請文筆流暢而不憚催稿之專家執筆。所約「高溫超導體材料」稿件（編案：本刊曾在76－12月號發表過「高溫超導體專輯」，請讀者參閱）至截稿日尚未完稿，希望不久仍能於《科學月刊》與大家見面。同時希望國內材料學者，能陸續對其他各種材料作簡明之介紹，刊於《科月》之中，以饗讀者。

參考資料

l. Advancing Materials Research, edited by P.A. Psaras and H.D. Langford, National Academy Press, Washington, 1987.

2.Frontiers in Materials Education, edited by L.W. Hobbs and G.L. Liedl, Materials Research Society, Pittsburgh, 1986.

3.《材料科學專文集》工業技術研究院工業材料研究所籌備處 民國七十一年

*原載「科學月刊」第229期 (1989年1月)