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【干货】深度剖析材料科学与工程专业

吴玉珍
2019-04-29 09:38:14
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材料科学与工程专业是一个非常综合的交叉学科,涉及很多学科,关系到我们生活的方方面面。这么多分支都有什么区别?今天老师带你来好好看一下

纵观人类文明发展史,就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。在现代科学技术中,材料、能源、信息更是构成社会文明和国民经济的三大支柱。材料作为科学技术发展的物质基础和技术先导,从民生制造到航天工程,无不与之有关联。吃、穿、住、行,每个人每天会碰到诸如金属、橡胶、磁性、光电等众多材料,小到一根针、一张纸、一个塑料袋、一件衣服,大到交通工具、医疗器械、工程建筑、信息通讯、航天航空,处处都有材料科学的身影。下面就为大家详细介绍下美国材料科学与工程的专业设置、申请要求、发展前景等。

专业设置 Overview of Programs

国内:

材料科学与工程属于工学学科门类之中的其中一个一级学科,下设3个二级学科,分别是:材料物理与化学、材料学、材料加工工程。

材料科学与工程专业是研究材料成分、结构、加工工艺与其性能和应用的学科。主要专业方向有金属材料、无机非金属材料、高分子材料、耐磨材料、表面强化、材料加工工程等等。

美国材料科学与工程专业硕士概况:

美国院校的材料科学与工程(Materials Science an Engineering, MSE )设立在工程学院。学位一般分为Master of Science, Master of Engineering, PhD. MS通常是两年,侧重学术研究,大部分需要写毕业论文,可以选择就业也可继续攻读PHD学位。 Master of Engineering一般为一 年,更侧重于实践和就业,可以不写毕业论文。此外,有的学校的MS学位是作为PhD学生的中间学位,不招收terminal master的学生。

主要研究方向 Research Areas

材料科学与工程可按多种方法进行分类:

☀ 按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等

☀ 按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等

☀ 实际应用中又常分为结构材料和功能材料

但不管如何分类,美国院校开设的材料科学与工程的硕博项目中,主要有以下研究方向:

0 1

金属材料

Metallic Materials

金属材料是最传统的材料如钢铁材料、非晶态合金、结构金属材料、功能金属,它们的微观结构对材料力学和物理性能影响,合金中不同成份比例对材料硬度、韧性、拉伸强度的影响。主要课程有当代材料、材料科学和工程介绍、金属处理、粉末冶、金腐蚀与防护等。

这个方向比较传统,竞争不太激烈,要求在国内大学里有金属材料的背景。

就业方向是在钢铁公司、冶金、机械、军工、航空航天、仪表等行业的公司。

0 2

无机非金属材料

Ceramic Materials

主要研究水泥、玻璃、光导纤维、非金属矿、绝缘材料、功能陶瓷如压电陶瓷,由于陶瓷材料耐高温、耐磨、硬度大在无机非金属材料中应用最广泛。这几年无机非金属材料要比金属材料发展迅速,尤其是陶瓷方面竞争比较激烈。主要课程有工程力学、材料科学、工程材料介绍机械制图、陶瓷材料介绍等。将来就业可以去建设单位、设计院、研究所、建筑施工及管理企业、质检机构。 0 3

计算材料科学

Computational Materials Science

主要用计算机模拟以及分子动力学的方法进行材料结构、特征模拟、复杂材料的统计力学、大分子材料理论。主要是理论方面的研究,需要有数学、线性代数、统计学的背景。课程设置有材料原理、混乱和损坏理论、量子力学与分子动态仿真、仿真和纳米模型系统、计算机模型、完整的微电子器件装置。

申请人较少,Ph.D.学习难度大,完成学位时间长,一般需要6年的时间,甚至有些课题需要7年,就业一般是去大学任教继续从事理论方面的研究。

0 4

高分子材料

Polymer Materials

主要研究橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料以及这些材料的制备、表征、加工、形貌、特性。主要课程有当代材料、材料选择、聚合物科学和工程介绍、高分子合成介绍、高分子材料、高分子物理、高分子化学。

相对较热门,申请难度比较大。最好有比较好的科研经历,近些年高分子材料发展迅速应用到生活中的各个领域,高分子材料发展时间不长,所以研究成果多。

就业:研究所、设计院、日化公司、汽车、电子电气、航空航天等企业。

0 5

电子、光学、磁性材料

Electronic Materials, Photonic Materials, Magnetic Materials

主要研究光学与光谱学、液晶、聚合物二级管、光电池和光子晶体、半导体材料和装置、磁存储器、磁性薄膜及磁性发电机装置、压电晶体的表面和界面特性。主要课程有量子力学、材料化学、势力学及阶段均衡、结构固定的缺点、材料的机械性能、电子学、热力学、非结晶固定、高分子物理、材料成像、电子电磁材料。

这个方向竞争最激烈,由于现在社会朝微电子方向发展,所以就业前景非常乐观,可以去电子业、研究机构、汽车等行业。

0 6

新兴材料

Emergering Materials

主要包括纳米材料、纳米复合材料、生物材料、能源材料,这些材料近些年来迅猛发展,申请难度比较大,需要申请者有很好的物理、生物、化学背景。就业非常好,可以去制药厂、医疗器材、国防机构等。

● 纳米材料nanomaterials

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。

纳米材料的应用前景是十分广阔的,如:纳米电子器件,医学和健康,航天、航空和空间探索,环境、资源和能量,生物技术等。目前只有纳米粉末实现了工业化生产(如碳酸钙、白炭黑、氧化锌等),其它纳米材料基本上还处于实验室研究阶段。

● 生物材料Biomaterials

生物材料是用来对人体组织和器官进行诊断、治疗、修复或增进其功能的先进材料,又称生物医用材料。生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域,其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科,同时还涉及工程技术和管理科学的范畴。

现代医学正向再生和重建被损坏的人体组织和器官、恢复和增进人体生理功能、个性化和微创治疗等方向发展。传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料已不能满足医学发展的要求,生物医学材料科学与工程面临着新的机遇与挑战。未来,生物医用材料的市场占有率大有可能将赶上药物。因此,我国生物医用材料的研临床应用研究和推广应用有很大的发展前景。

● 能源材料Energy Materials

在新材料领域,能源材料指的是那些正在发展的、可能支持建立新能源系统满足各种新能源及节能技术的特殊要求的材料。大体上按照使用目的可以把能源材料分成能源工业材料、新能源材料、节能材料、储能材料等大类。

随着科技的不断发展,绿色环保观念也不断深入人心,不可再生能源的逐步减少也必然促使人类寻求新型能源。随着可持续发展的持续推荐,新能源汽车的普及,新能源材料也会持续快速发展。

重点院校推荐 Flagship Programs

西北大学 Northwestern University

世界顶尖的私立研究型大学,是十大联盟(Big Ten Conference)创始成员和北美顶尖大学学术联盟美国大学协会(AAU)的成员之一,2019年US News全美排名第10, 2018 Times世界排名第20。西北大学的材料学多年来一直保持在全美前3,实力强悍。

专业研究方向非常强大,包括:艺术保护科学(Art Conservation Science)、生物材料(Biomaterials)、陶瓷(Ceramics)、复合材料(Composites)、能源材料(Energy)、磁性材料(Magnetic Materials)、电子与光学材料(Materials for Electronics an Photonics)、材料合成和加工(Materials Synthesis & Processing)、材料计算和设计(Materials Theory, Computation, an Design)、金属(Metals)、纳米材料(Nanomaterials)、聚合物(Polymers)、自组装材料(Self-Assembly)、材料表面与界面(Surfaces an Interfaces)。提供MS和PHD两种学位。作为材料大系,每年招生人数算是不少的。

加州大学-圣巴巴拉分校 University of California—Santa Barbara

属于加利福尼亚大学系统,是美国顶尖的以研究科学为主,且学术声望非常高的研究性公立大学,校园两面环海并拥有紧邻著太平洋的一片美丽迷人的海滩。该校工学院的材料科学系在加州大学的排名第一,全美国排名第三。需要注意的是,该校虽然也提供MS硕士学位,但是主要招收PhD的学生。研究方向包括:

电子/光子材料(半导体、量子结构和光电材料)

无机材料(铁电体、热电元件、光学、磁性和强关联材料)

生物分子材料(自组装聚合物、生物聚合物、生物膜和有机电子)

结构材料(金属、陶瓷、复合材料和涂料,包括材料力学)

申请要求方面,本科专业是工程、物理科学、数学类专业都可以。需学过以下课程:高等数学、工程热力学、有机或无机化学、固体物理、物理化学、材料科学、量子力学,固体力学。本科生需要GPA3.2,硕士需GPA3.5,托福100+/雅思7.0,还需要若干科研经历,最好有论文。再有强有力的推荐信就更好了。

哥伦比亚大学 Columbia University

哥伦比亚大学,常春藤盟校之一,位于纽约曼哈顿的世界顶级私立研究型大学,美国大学协会的14个创始院校之一,全美历史最悠久的五所大学之一。2019 US News全美排名第3,拥有世界一流的法学院、商学院、医学院、新闻学院、工程学院等。作为美国重要的研究机构之一,是北美第一个实现原子核裂变-曼哈顿计划的诞生地。哥大的材料科学与工程专业设于应用物理与数学系下面,招收MS与PHD, D.Eng学生,硕士一般1年半毕业。研究方向主要为:薄膜、纳米材料、电子光学与磁性材料、材料力学等等。本科是材料科学、冶金、物理、化学或其他工程类专业均可申请。 申请要求方面 托福99+/雅思7.0+,建议GRE Verbal 155+,Q 165+。

密歇根大学安娜堡分校 University of Michigan—Ann Arbor

世界著名公立研究型大学,在学术界享有盛誉,素来被誉为公立常春藤之一,尤以理工科最强势。密大也是美国为数不多的几个培养华人精英的摇篮和聚集地之一。丁肇中、朱光亚、吴大猷、张存浩、任新民等皆毕业或在此执教过。密大的材料科学系是全美历史最大最悠久的院系之一,实验室设备顶尖、经费充裕,拥有25位全职教授和12位兼职教授, 近140名在读MSE学生。有以下5个主要的核心研究方向:

结构材料

有机和生物材料

电子材料

无机纳米材料与

计算材料

申请方面:很看重院校背景、GPA和科研经历。语言要求不算太高,托福最低84,有多个托福90出头,但高GPA学生被录取的案例。

申请要求及注意事项

Application Requirements

申请要求

☀ 常说的“三围”:GPA+托福+GRE, 当然是越高越好。一般而言,GPA在很大程度上决定了学生最终可以申请到的院校层次。申请专业前30的话,基本要求学生GPA3.5+,托福100+,GRE 320+。

☀ 软性方面:重要的科研经历,如论文发表、专利、海外科研、实验室项目、大学生创新学术项目等都是加分项。

注意事项

☀ 早点报考托福、GRE;

☀ 成绩单认证: 约翰霍普金斯大学需要WES认证,哥伦比亚大学需要学信网认证;

☀ 是选择 MS还是PhD尽早决定,PhD要提前开始套磁。 


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