I. Les quatre éléments fondamentaux de la science des matériaux

1. Propriétés et performances en service
    
   Les propriétés sont des descripteurs des caractéristiques fonctionnelles et de l'efficacité d'un matériau, reflétant sa réponse aux charges électriques, magnétiques, optiques, thermiques et mécaniques. Les propriétés mécaniques sont au cœur des matériaux de structure, notamment la résistance (résistance aux contraintes externes), la plasticité (capacité à subir une déformation permanente irréversible sans dommage), la dureté (résistance à la déformation ou à la rupture dans une petite zone de surface), la rigidité (résistance à la déformation élastique sous contrainte externe), la résistance à la fatigue (résistance à la rupture sous contrainte alternée), la résistance au fluage (résistance à la déformation sous contrainte constante) et la ténacité (capacité à absorber l'énergie pendant la déformation plastique jusqu'à la rupture). Chaque propriété a des paramètres de caractérisation correspondants, tels que la limite d'élasticité pour la résistance, l'allongement pour la plasticité et la dureté Brinell pour la dureté.
    
   Les propriétés physiques couvrent les aspects électriques, magnétiques, optiques et thermiques, avec des indicateurs clés tels que la conductivité, la perméabilité magnétique, la réflectivité de la lumière et la conductivité thermique. Notamment, les matériaux fonctionnels modernes présentent souvent des interactions physiques spéciales, telles que les effets piézoélectriques (interaction mécanique-électrique) et l'électroluminescence (interaction électrique-optique), qui sont cruciales pour l'innovation technologique.
    
   La performance en service fait référence au comportement des matériaux dans leur état d'application final, caractérisé par la fiabilité, la durabilité, la durée de vie, le rapport coût-performance et la sécurité. Contrairement aux propriétés intrinsèques qui restent relativement stables, la performance en service est une variable progressive affectée par des facteurs externes. Lorsque l'accumulation de changements quantitatifs atteint un certain seuil, les propriétés du matériau subiront des changements qualitatifs fondamentaux.
2. Structure et composition
    
   La structure des matériaux comprend la structure de liaison, la structure cristalline et la structure organisationnelle. Les structures de liaison sont divisées en liaisons chimiques (liaisons ioniques, covalentes et métalliques) et en liaisons physiques (liaisons hydrogène et forces de van der Waals). Par exemple, la glace combine des liaisons covalentes et des liaisons hydrogène. Les structures cristallines sont classées en cristaux (arrangement atomique ordonné à longue portée), matériaux amorphes (ordonnés à courte portée) et quasicristaux (ordonnés à longue portée mais non périodiques). Les structures organisationnelles comprennent les structures homogènes, eutectiques, martensitiques et austénitiques, qui affectent directement les propriétés des matériaux.
    
   La composition et la structure des matériaux sont détectées grâce à diverses technologies. L'analyse chimique, l'analyse physique et l'analyse spectroscopique (spectroscopie infrarouge, spectroscopie photoélectronique, etc.) sont utilisées pour l'analyse des composants. L'analyse structurale repose sur des instruments de différentes résolutions : microscopes stéréoscopiques (niveau mm à μm), microscopes optiques (niveau μm), microscopes électroniques à balayage (niveau μm à nm, jusqu'à 0,7 nm) et microscopes électroniques à transmission (capables d'observer l'arrangement atomique, jusqu'à 0,2 nm). Des bases de données telles que les bases de données de diffraction des rayons X et les bases de données de diagrammes de phase fournissent un soutien important à la recherche dans ce domaine.
3. Synthèse et traitement
    
   La synthèse et le traitement impliquent le contrôle de l'arrangement des atomes, des molécules et des groupes moléculaires à toutes les échelles et la fabrication efficace des matériaux. La synthèse fait référence aux méthodes chimiques et physiques pour combiner des atomes/molécules en matériaux, tandis que le traitement implique des modifications à grande échelle, y compris la fabrication de matériaux. Les deux concepts sont de plus en plus liés dans la science des matériaux moderne.
    
   Le contenu principal comprend la préparation des matériaux (métallurgie, fusion et solidification, frittage des poudres, polymérisation des polymères), le traitement des matériaux (coupe, formage, modification, assemblage), l'ingénierie des surfaces (modification de surface, protection et technologie des couches minces) et la composition des matériaux (matrice métallique, matrice céramique et composites à matrice polymère). Des technologies clés telles que la trempe, le recuit et l'alliage sont largement utilisées dans la modification des matériaux pour optimiser les performances. Par exemple, la trempe améliore les matériaux en obtenant des structures non équilibrées instables grâce à un refroidissement rapide.
    
   La tendance de développement de la synthèse et du traitement penche vers des conditions extrêmes, telles que les environnements ultra-purs pour les plaquettes de silicium monocristallin, les conditions de haute pression pour les diamants synthétiques et les conditions de basse température pour les supraconducteurs. Cependant, des écarts persistent entre la Chine et les pays industrialisés dans ce domaine, en particulier en ce qui concerne la proportion de pièces moulées et de pièces forgées de précision, ainsi que la consommation d'énergie.
4. Instruments et équipements
    
   Les instruments et équipements sont essentiels à la recherche sur les matériaux, leur précision reflétant la force technologique globale d'un pays. Les instruments de caractérisation des composants et des structures, allant des diffractomètres à rayons X aux microscopes à effet tunnel (avec une résolution de 0,05 à 0,2 nm), permettent l'exploration du monde microscopique. Les instruments d'essai des performances des matériaux, tels que les machines d'essai de fluage-fatigue et les fixations en céramique haute température, simulent les environnements de service pour convertir les réponses des matériaux en données mesurables.
    
   L'équipement de synthèse et de traitement comprend des fours à monocristaux, des presses isostatiques à froid et des dispositifs de préparation de nanomatériaux, qui fournissent l'espace, les forces externes et l'énergie nécessaires à la production de matériaux. Le contrôle du processus repose sur des capteurs fabriqués à partir de matériaux sensibles inorganiques non métalliques, qui détectent la teneur en oxygène, l'humidité, la pression et la température en se basant sur des principes tels que la conductivité ionique et la piézoélectricité.

II. Systèmes de soutien clés en science des matériaux

1. Bases de données sur les performances des matériaux
    
   Ces bases de données sont des prérequis pour la sélection des matériaux et le fondement de la sélection des matériaux assistée par ordinateur (CAMS), de la conception assistée par ordinateur (CAO) et de la fabrication assistée par ordinateur (FAO). Au niveau international, il existe des bases de données collaboratives telles que celle co-construite par les sociétés métallurgiques britannique et américaine et le « Programme de Versailles » du G7. Au niveau national, des institutions comme l'Université des sciences et technologies de Pékin et l'Institut de protection des matériaux de Wuhan ont créé des bases de données spécialisées couvrant la corrosion, l'usure et les aciers alliés.
2. Analyse et modélisation (conception de matériaux)
    
   Le développement traditionnel des matériaux par « essais et erreurs » a été remplacé par la conception des matériaux, stimulée par le développement des théories de base (mécanique quantique, théorie des bandes), de la technologie informatique et des procédés de synthèse avancés. La conception des matériaux couvre la conception des composants-structures, la prédiction des propriétés-performances et l'optimisation de la synthèse-traitement.
    
   Les cas typiques incluent les matériaux hybrides (mélange uniforme de matériaux distincts au niveau atomique/moléculaire, tels que les hybrides polyéthylène-tungstène), les calculs de structure cristalline, la prédiction des composés intermétalliques (pour le stockage de l'hydrogène et les matériaux supraconducteurs) et la conception de structures de superréseau (films minces alternés pour induire des effets quantiques). Elle s'étend également à la simulation numérique des champs physiques, à l'analyse de la formation de la microstructure des alliages, à la recherche sur la mécanique de la rupture et à la conception d'interfaces graduelles pour les matériaux composites.

III. Importance pratique et perspectives de l'industrie