材料科学是跨学科领域，通常也称为材料科学与工程，该学科的主要研究的是设计和发现新材料，特别是在固体材料方面。材料科学的知识起源于启蒙运动，当时研究人员开始使用化学、物理和工程方面的知识去观察分析理解冶金和矿物学中出现的古老的现象。[1][2] 材料科学领域也包含物理、化学和工程元素，因此，该学科长期以来被学术机构视为这些相关领域的一个分支。从20世纪40年代开始，材料科学开始越来越被广泛地认为是科学与工程的一个专门的领域，世界各地主要的工科大学在科学或工程学院内创建了专门的研究院，材料科学也因此得名。
材料科学家强调理解材料的处理时间过程(加工过程)如何影响其结构，从而影响材料的性能。对加工-结构-性质关系的理解被称为材料研究的范式。随着近年来媒体将注意力大量集中在纳米科学上，材料科学在科学与工程学领域越来越广为人知。它也是鉴识科学和破坏分析中的一个重要组成部分，以后者为例，它是分析各种飞航意外的关键。
人类目前面临的许多最紧迫的科学问题都是现有材料及其使用方式的限制所导致的。因此，材料科学的突破很可能会对科学技术的未来产生重大影响。
在一个给定的时期，材料的选择往往成为该时代的象征。诸如石器时代、青铜时代、铁器时代和钢铁时代这样的短语，其中任意的例子，都是历史性的。材料科学起源于陶瓷制造及由此而衍生的冶金，是最古老的工程和应用科学形式之一。现代材料科学直接从冶金学发展而来，冶金学本身从采矿和(或许可能是)陶瓷发展而来，甚至更早可以追溯到火的使用。对材料的认识的一个重大突破发生在19世纪末，当时由美国科学家乔赛亚·威拉德·吉布斯证明了不通相的原子结构有关的热力学性质与材料的物理性质有关。现代材料科学的重点研究领域来源于太空竞赛:对金属合金、硅和碳材料的研究和工程应用，所研究的这些材料可用于建造能够探索太空的航天器。材料科学推动橡胶、塑料、半导体和生物材料等革命性技术的发展并被其反推动。
在20世纪60年代之前(在某些地方是几十年之后)，许多材料科学研究部门是冶金或陶瓷工程部门，这反映了19世纪和20世纪初对金属和陶瓷的重视。美国材料科学的发展部分是由高级研究项目署所推动的，该机构在20世纪60年代早期资助了一系列大学所管理的实验室，“以此来扩大对材料科学的基础研究和训练的国家计划”[3]此后，该领域扩大到包括每一类材料，包括陶瓷、高分子材料、半导体、磁性材料、生物材料和纳米材料，按类别其通常分为三类:陶瓷、金属和高分子材料。近几十年来在材料科学研究中的显著变化就是使用计算机模拟来发现新材料、预测材料的性能和解释出现的现象。
材料的定义是用于某些应用的物质(通常表现是固体，但也可以认为是其他凝聚相)。[4]我们生活环境中有无数的材料——从建筑物到宇宙飞船上任何地方找到材料的身影。材料通常可以进一步分为两类:晶体和非晶体。材料传统上指的是金属、半导体、陶瓷和高分子材料。[5]正在开发的新的先进材料包括纳米材料、生物材料、[6]和能源材料等。
材料科学的基础包括研究材料的结构，并将结构与材料的性能联系起来。一旦材料科学家研究得出了这种结构-性能的联系，他们就可以得知材料在给定实际应用中的相应的性能。一种材料的结构及其性能的主要决定因素是它的化学组成元素和加工成型状态。把这些特征结合在一起，再通过热力学和动力学定律联系在一起，决定了材料的微观结构，从而决定了材料的性能。
如上所述，材料结构是材料科学研究领域最重要的组成部分之一。材料科学对材料结构的研究从原子尺度，一直到宏观尺度，。表征是材料科学家研究材料结构的方式。这些手段包括诸如用x光、电子或中子衍射的方法，以及诸如拉曼光谱、能谱、色谱、热分析、电子显微镜分析等各种形式的光谱和化学分析。在不同层次上对材料结构的研究，详情如下。
原子结构
这涉及材料的原子，以及它们是如何排列成分子、晶体等的。材料的许多电、磁和化学性能都源于材料原子层次的结构。这种结构所涉及的尺度范围以埃为单位。研究任何材料的性能都是以研究原子和分子结合和排列的方式为基础的。
纳米结构
富勒烯纳米结构纳米结构指的是1-100nm范围内的物体和结构。[7]在许多材料中，原子或分子聚集在一起形成纳米级的物体,这就导致了许多特殊的电学、磁学、光学和力学性能。
在描述纳米结构时，有必要区分纳米尺度上的维数。纳米结构表面在纳米尺度上具有一维的特征，即物体表面的厚度只在0.1至100纳米之间。纳米管在纳米尺度上有二维的特性，即管的直径在0.1和100纳米之间；但它的长度会比直径大得多。最后，球形纳米粒子在纳米尺度上具有三维特性，即粒子在每个空间维度的尺度在0.1和100纳米之间。术语纳米粒子和超细粒子(UFP)经常被用作同义词，尽管UFP可以达到微米范围。“纳米结构”一词通常用于指磁性技术。生物学中的纳米级结构通常被称为超微结构。
由纳米级的原子和分子组成的(即它们形成纳米结构)的材料称为纳米材料。纳米材料因其独特的性能而成为材料科学界热门的研究主题。
微观结构
微观结构是指将准备好的材料表面或薄箔的通过显微镜放大25倍以上所显示的微观图像。显微镜可以观察从100纳米到几厘米的物体。材料的微观结构(可分为金属、聚合物、陶瓷和复合材料)可显著影响材料的物理性能，如强度、韧性、延展性、硬度、耐腐蚀性、高/低温性能、耐磨性等。大多数传统材料(如金属和陶瓷)都是由微结构所影响性能的。
制造一种完美的晶体在物理学上是不现实的。例如，任何晶体材料都包含缺陷，如固溶物、晶界(霍尔-佩奇关系)、空位、间隙原子或取代原子。材料的微观结构呈现了这些较大的缺陷，因此可以对其进行研究，模拟技术方面的重大发展使得对如何利用缺陷来提高材料性能的认识呈指数级增长。
宏观结构
宏观结构是材料以一种以毫米到米为尺度的表现形式——可通过肉眼直接观察。
晶体学是研究晶体中原子排列的科学。晶体学是材料科学家的研究材料科学的重要工具。在单晶中，从宏观角度上看，很容易观察到原子晶体排列的效果，因为晶体的自然形状表现形式反映了原子排列结构。此外，物理性能通常受晶体缺陷影响。认识晶体结构是研究晶体缺陷的重要前提。大多数情况下，材料不是以单晶的形式出现，而是以多晶的形式出现，即以不同取向的小晶粒的集合体出现。因此，粉末衍射法在晶体结构测定中起着重要的作用，该方法利用具有大量晶粒的多晶样品的衍射图案进行结构分析。大多数材料都有晶体结构，但是一些其他重要的材料并不具有规则的晶体结构。高分子化合物具有不同程度的结晶度，甚至许多完全是非结晶状态。玻璃、某些陶瓷和许多天然材料是非晶态的，它们的原子排列属于长程无序。对高分子材料的研究通过结合化学和统计热力学两大学科，再由其给出热力学和力学的物理性能的描述。
为了全面了解材料结构及其与性能的关系，材料科学家须研究不同的原子、离子和分子是如何排列和相互结合的。这涉及到量子化学或量子物理的研究和应用。固态物理、固态化学和物理化学同样也涉及到键和结构的研究。
材料表现出多种特性，包括以下特性。
材料的性能决定了它的实用性，从而决定了它适用的工程应用。
合成和加工过程中包括产生材料所需的微纳结构。从工程角度来看，一种材料如果没有找到经济的生产方法，那么这种材料就不能应用于工业。因此，材料加工对材料科学领域至关重要。
生产不同的材料需要不同的加工或合成方法。例如，金属加工在历史上一直非常重要，也是在材料科学领域的一个分支——物理冶金下研究的。此外，化学和物理方法也用于合成其他材料，如高分子材料、陶瓷、薄膜等。至此21世纪初，合成石墨烯等纳米材料的新方法正在开发中。
热力学是指关于热和温度以及它们与能量和功的关系。它定义了诸如内能、熵和压力之类的宏观变量，这些变量在一定程度上描述了物质或辐射。热力学指出这些变量的变化受所有材料共有的一般约束。而这些一般的约束可用热力学的四个定律来表达。热力学描述的是物质的整体行为，而不是大量微观粒子(如分子)的微观行为。这些微观粒子的行为可由统计力学描述，而热力学定律来自统计力学。
热力学的研究是材料科学的基础。它奠定了处理材料科学与工程中的一般现象的基础，包括化学反应、磁性、极化率和弹性。同时也有助于理解相图和相平衡。
化学动力学是对不平衡系统在各种力的影响下发生变化的速率的研究。当动力学应用于材料科学时，它解决应用在某一领域的材料如何随时间变化的问题(从非平衡状态移动到平衡状态)。它详细说明了材料在各种处理过程中的变化速度，包括形状、尺寸、成分和结构。扩散是材料内部发生变化的最常见机制，这就决定了它在动力学的研究中很重要。
动力学详细解释了在材料加工中微观结构如何随着加热而变化的，因此除其他外，其在材料加工中是至关重要的。
材料科学的研究材料科学已经受到科学界研究者的极大关注。在大多数大学里，不仅只有材料科学系，同时也包括物理、化学与化工等系都参与材料科学的研究。材料科学的研究涵盖了广泛的主题——以下非详尽的列表强调了举例出几个重要的研究领域。
纳米材料原则上是指单个单元的尺寸(至少一维)在1至1000纳米(10-9m)之间，但通常为1-100纳米的材料。
纳米材料研究采用基于材料科学的纳米技术方法，利用了那些为了支持显微制造研究而取得的材料计量和合成方面的进展。纳米级结构的材料通常具有独特的光学、电学或力学性能。
纳米材料领域与传统化学领域一样，分类简单，可分为有机(碳基)纳米材料(如富勒烯)和基于其他元素(如硅)的无机纳米材料。纳米材料的例子包括富勒烯、碳纳米管、纳米晶体等。
生物材料指的是与生物系统相互作用的任何物质、表面或结构。生物材料的研究被称为生物材料科学。其在历史上经历了稳定而强劲的增长，许多公司投入大量资金开发新产品。生物材料科学包含医学、生物学、化学、组织工程和材料科学的元素。
生物材料可以来源于自然环境，也可以在实验室中使用利用金属成分、高分子材料、生物陶瓷或复合材料的各种化学方法合成。它们通常是为医疗应用而设计或改造的，例如执行、增强或替代自然功能的生物医学设备。这种功能可以是良性的，例如用于心脏瓣膜，或者是诸如羟基磷灰石涂层髋关节植入物之类具有生物活性的且具有更交互式的功能。生物材料也日常在牙科应用、外科手术和药物输送方面进行应用。例如，可以将含有浸渍药物产品的生物材料放入体内，这使得药物能够延长在体内的停留的时间且长时间释放。生物材料也可以是用作器官移植材料的自体移植物、同种异体移植物或异种移植物。
半导体、金属和陶瓷如今被用来构造高度复杂的系统，例如集成电路、光电器件以及磁和光大容量存储介质。这些材料构成了我们现代计算世界的基础，因此对这些材料的研究至关重要。
半导体是这类材料的一个典型例子。它们是具有介于导体和绝缘体之间的性能的材料。半导体材料的电导率对杂质的浓度非常敏感，这使得可以使用掺杂来获得期望的导电性能。因此，半导体构成了传统计算机的基础。这个领域还包括诸如超导材料、自旋电子学、超材料等新的研究领域，。这些材料的研究涉及材料科学和固态物理或凝聚态物理的知识。
随着计算能力的不断提高，模拟材料的行为已经成为可能。这使得材料科学家能够认识材料的行为和机制，设计新材料，并解释以前不太了解的特性。现在围绕综合计算材料工程所做的努力正集中在将计算方法与实验相结合上面，这种工作可以大大减少针对给定应用场景进行优化材料性能的所需时间和努力。这种方法包括使用密度泛函理论、分子动力学、蒙特卡罗算法、位错动力学、相场模型、有限元方法等方法，并且可以模拟各种尺寸的材料。
材料的快速发展可以推动新产品甚至新产业的诞生，但是传统工业也聘用材料科学家来进行渐进的改进，并解决当前使用材料所出现的问题。材料科学的工业应用包括材料设计、材料工业生产中的成本效益权衡、加工方法(铸造、轧制、焊接、离子注入、晶体生长、薄膜沉积、烧结、玻璃吹制等)。)和分析方法(表征方法如电子显微镜、x光衍射、量热法、核显微镜(HEFIB)、卢瑟福背散射、中子衍射、小角x光散射(SAXS)等。)。
除了材料表征，材料科学家或工程师还处理提取材料并将其转化为有用的形式的工作。因此材料工程师需掌握铸锭、铸造方法、鼓风炉提取和电解提取相关的部分的知识。通常，材料生产过程中对微量元素或者第二元素的添加或不添加，或者成分改变很大，这些方式都将极大地影响所生产材料的最终性能。例如，钢根据其所含碳和其他合金元素的1/10和1/100质量分数进行分类。因此，用于在高炉中提取和纯化铁的方法会影响所生产的钢的质量。
材料科学所研究的的另一个实例是陶瓷和玻璃的结构，这种结构通常与最易碎的材料有关。陶瓷和玻璃中的键和关系是共价健和离子键类型，其中二氧化硅(二氧化硅或沙子)作为基本构件的典型。陶瓷既可以像粘土一样软，也可以像石头和混凝土一样硬。大多数玻璃含有与二氧化硅熔融的金属氧化物，因此通常，它们是水晶状的。。在用于制备玻璃的高温下，玻璃材料是一种粘性液体。玻璃在冷却时形成非晶态结构。其中窗户玻璃和眼镜是重要的应用例子。当然也有玻璃纤维。众所周知耐磨的康宁大猩猩玻璃是一个材料科学应用的例子，其大幅提高普通组件的性能。石墨形式的金刚石和碳被认为是陶瓷。
工程陶瓷因其在高温、高压和高电压下的硬度和稳定性而闻名。氧化铝、碳化硅和碳化钨是在用粘合剂烧结的过程中由它们的组分的细粉制成的。热压使得材料具有更高密度。化学气相沉积可以将陶瓷薄膜置于另一种材料上。金属陶瓷是含有一些金属的陶瓷颗粒。硬质合金可制成耐磨工具，通常硬质合金是通过添加钴和镍的金属相来改善性能。
长丝通常用于复合材料的增强。
材料科学在工业中的另一个应用是制造复合材料。复合材料是由两个或多个宏观相组成的结构化材料。其应用范围从钢筋混凝土等结构元件到隔热瓦，其中，隔热瓦在美国国家航空航天局的航天飞机热保护系统中发挥着不可或缺的作用，该系统用于保护航天飞机表面免受重返地球大气层的热量。还一种例子是增强碳-碳材料，这种浅灰色的材料能够承受在重返大气层时高达1510摄氏度(2750华氏度)的温度，可保护航天飞机的机翼前缘和机头盖。RCC是一种层压复合材料，由人造石墨织物并用酚醛树脂浸渍制成，。在高压釜中高温固化后，层压材料被热解后将树脂转化为碳，再在真空室中用糠醛醇浸渍，并被固化-热解以将糠醛醇转化为碳。为了提供抗氧化的再利用能力，碳碳增强材料的外层被转化为碳化硅。
其他例子可以在电视机、手机等的“塑料”外壳中看到。这些塑料外壳通常是由热塑性基体如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)组成的复合材料所制成，其中加入碳酸钙白垩、滑石、玻璃纤维或碳纤维以增加强度、体积或静电分散。根据具体用途，这些添加剂可以称为增强纤维或分散剂。
高分子材料是由大量像链一样连接在一起的相同成分组成的化合物。它们是材料科学的重要组成部分。高分子材料是用来制造通常所说的塑料和橡胶的原材料(树脂)。塑料和橡胶实际上是高分子材料的最终产品形态，其是在加工过程中将一种或多种聚合物或添加剂添加到树脂中，然后将其成型为最终形态后产生的。已经存在并且目前广泛使用的塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚酯、丙烯酸树脂、聚氨酯和聚碳酸酯，已经存在的橡胶还有天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁二烯和丁二烯橡胶。塑料一般分为商品塑料、特种塑料和工程塑料。
聚氯乙烯用途广泛，价格低廉，年产量大。它适合各种各样的应用，从人造革到电绝缘材料和电缆、包装和容器。它的制造和加工简单而成熟。聚氯乙烯由于其接受各种增塑剂和其他添加剂使得其具有多功能性。高分子科学中的“添加剂”一词是指添加到聚合物基体中以改变其材料性能的化学元素和化合物。
聚碳酸酯通常被认为是工程塑料(其他例子包括聚醚醚酮、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)中的组成物。这种塑料因其优越的强度和其他特殊的材料性能而受到重视。它们通常不用于一次性应用，不像商品塑料。
特种塑料是具有超高强度、导电性、电荧光性、高热稳定性等独特性能的材料。
不同类型塑料之间的分界线不是基于所使用的材料，而是基于它们的性能和应用。例如，聚乙烯(PE)是一种廉价、不耐磨的高分子材料，通常用于制造购物和垃圾用的一次性袋子，被认为是一种商品塑料，而中密度聚乙烯(MDPE)用于地下燃气和水管，另一种称为超高分子聚乙烯(UHMWPE)是一种工程塑料，广泛用作工业设备的滑轨和植入髋关节的低摩擦插座。
金属合金的研究是材料科学研究的重要组成部分。在当今使用的所有金属合金中，铁合金(钢、不锈钢、铸铁、工具钢、合金钢)在数量和商业价值上占比最大。与不同比例碳形成铁碳合金可制成低碳钢、中碳钢和高碳钢。铁碳合金中只有当碳含量在0.01%和2.00%之间时才被认为是钢。对于钢来说，钢的硬度和抗拉强度与碳含量有关，碳含量增加也会导致延展性和韧性降低。然而，淬火和回火等热处理工艺会显著改善这些性能。铸铁被定义为碳含量超过2.00%但低于6.67%的铁-碳合金。不锈钢是指铬合金含量超过10%(重量)的普通钢合金。镍和钼通常也存在于不锈钢中。
其他重要的金属合金包含有铝、钛、铜和镁。铜合金早已为人所知(自青铜时代起)，而其他三种金属的合金则是最近才发展起来的。由于这些金属的化学活性，生产其所需的电解提取工艺只是最近才发展起来的。铝、钛和镁的合金也因其高的强度与重量之间比值以及镁的电磁屏蔽能力而为人所知并受到重视。这些材料非常适合那些不计成本且需要高强质轻的的更重要的应用场景中，例如在航空航天工业和某些汽车工程应用中。
半导体研究是材料科学研究领域的重要组成部分。半导体是一种介于金属和绝缘体之间具有电阻率的材料。它的导电性能可以通过引入杂质或掺杂而大大改变。通过利用这些半导体材料，可以制造出二极管、晶体管、发光二极管以及模拟和数字电路，并且使得它们成为工业上热门的材料。半导体器件在大多数应用中已经取代了热离子器件(真空管)。半导体器件既作为单个分立器件制造，也作为集成电路制造，集成电路由在单个半导体衬底上制造和连接的数个——从几个到几百万个——器件组成。[8]
在当今使用的所有半导体中，硅在数量和商业价值上都占了最大比例。单晶硅用于生产半导体和电子工业中使用的晶片。砷化镓(GaAs)是仅次于硅的第二大半导体。与硅相比，它具有更高的电子迁移率和饱和速度，因此是高速电子应用的首选材料。这些优越的性能使得GaAs电路在移动电话、卫星通信、微波点对点链路和高频雷达系统中成为了的稳定可靠的材料。其他半导体材料包括锗、碳化硅和氮化镓，其也在各种领域中进行应用。
材料科学从20世纪50年代开始发展，因为人们认识到要创造、发现和设计新材料，必须以统一的方式进行。因此，材料科学与工程开始以多种方式出现:重命名和/或合并现有的冶金和陶瓷工程部门；从现有的固态物理研究中分离出来，其本身发展成为凝聚态物理)；引进相对较新的高分子工程和高分子科学；重组以前诸如化学、化学工程、机械工程和电气工程等更多的学科，以及更多其他的方式。
材料科学领域本质上是跨学科的，材料科学家/工程师必须学习了解到并利用物理学家、化学家和工程师的方法。因此，材料科学与这些学科保持密切关系。同样，许多物理学家、化学家和工程师也清楚自己在材料科学领域工作进行研究。
无论从科学角度还是从工程角度来看，材料科学与工程领域都很重要。当发现新材料时，人们会遇到以前可能没有观察到的新现象。因此，在研究材料时，有许多科学现象有待发现。材料科学也为凝聚态物理的理论提供了一个先验。
材料对工程师来说至关重要，因为使用合适的材料去设计系统是至关重要的。因此，工程师教育中材料科学成为了越来越重要的一部分。
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