1.材料制备工艺与技术

传统材料需要不断改进生产工艺和流程以提高产品质量、提高劳动生产率及降低成本，新材料的研究发展与工艺技术的关系就更为密切。例如，由于分子束外延生长技术的出现，可以精确地控制薄膜生长到几个原子的厚度，从而为实现“原子工程”及“能带工程”，并为材料的原子、分子设计提供了有效手段。快冷技术（104～108℃·sec-1）的采用，为金属材料的发展开辟了一条新途径：首先是非晶态的形成，出现了许多性能优异的材料；其次是通过快冷得到超细晶粒，提高了材料的性能；最后是通过快冷技术发现了准晶的存在，改变了晶体学中的传统观念。

纳米技术不仅可以来改善材料的性能，而且纳米材料本身由于巨大的表面能而有十分优异的性能。对工程陶瓷、高温超导体等，由于其脆性及稳定性以及成本太高的问题，需要新的工艺来解决。因此，发展新材料必须把工艺技术的研究与开发放在十分重要的地位。

新的制备工艺与技术往往与极端条件相联系。如利用空间失重条件进行晶体生长，强磁场、强冲击波、超高压、超高真空以及强制冷却等都可能成为材料制备工艺的有效手段。

2.科学仪器与检测装置

科学技术的发展在很大程度上依赖于科学仪器性能的提高。工业产品质量的改进往往决定于检测装置精度的提高。所以世界各工业发达国家对科学仪器检测装置的发展都给以足够的重视。电子光学仪器的发展，层出不穷。以显微镜为例，1863年金属材料首先应用光学显微镜；几十年后出现了电子显微镜、扫描电镜、高分辨电镜（HREM），后者的点分辨率在0.2纳米左右，足以观察到原子；再后又有了扫描透射电镜（STEM），不但可以观察到原子，而且可以分析出微小区域的化学成分和结构；20世纪80年代初出现的扫描隧道显微镜，可以在非真空条件下观察到原子，还可用来进行原子加工。

检测是控制工艺流程及产品质量的主要手段。无损检测是检测中重要的一类，不但可用以检查宏观缺陷，而且可以监控裂纹的萌生和发展。检测装置除了扩大品种，提高灵敏度与稳定性以外，主要是发展在线、动态以及适应各种恶劣环境的检测装置。

3.材料设计与计算机技术

材料设计是应用已知理论与信息，预报具有预期性能的材料，并提出其制备合成方案的研究方法。(www.daowen.com)

材料设计及材料研究技术从以经验为主过渡到可以通过计算来实现，主要归功于材料科学本身及计算机技术的发展。

材料设计作为一门分支学科，尚处在初创阶段。1985年日本出版了世界上第1本专著《新材料开发与材料设计学》，论及了材料设计前期的研究及应用情况。目前，越来越多的材料科学家、物理学家、化学家、计算机科学家、生物学家等从各自角度介入材料设计领域。

材料设计大体分为3个层次：第一个是微观层次，即运用量子力学与统计力学来研究原子、分子及其中的电子的行为；第二个层次为细观层次，其大小在微米以上，考虑的是许多原子或分子在一定范围内的平均性质，如形变、磁性，一般用连续方程如扩散方程来描述；第三个则是宏观层次，如宏观性能、生产流程与使用性能间的关系，材料的断裂以及微观结构的形成等。通常这三个层次的设计是分别进行的。如属于微观层次的“原子工程”与“能带工程”是功能材料的发展方向。第二层次的细观结构是当前材料科学工作者研究的重点，而且在某些方面已做到了按需要进行设计和优化设计。宏观层次是材料生产的工程技术人员与第二层次的科学工作者的结合点。即分别设计出合理成分，制订生产流程，而后生产出符合要求的材料。今后的发展方向是三个层次的统一，即把三个层次的因素都考虑在内，建立模型，利用计算机模拟，从而得出符合预期性能的新材料的最佳成分、最佳结构和最合理的工艺流程。

材料设计是十分复杂的，最关键的是要建立完善的材料数据库与知识库，发展符合实际的解析与数学模型。在材料设计中，计算机模拟和计算机专家系统起着重要作用。

当前，国际上的材料数据库正朝着智能化和网络化方向发展。材料设计的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程，包括合成、结构、性能、制备和使用等。在原子尺度上的模拟设计包括分子动学（Molecular dynamics，简称MD）法和蒙特卡洛（Monte carlo，简称MC）法等。材料设计专家系统发展了以知识检索（简单计算和推理）为基础的材料设计专家系统，着眼于结构和性能关系的大规模运算材料设计专家系统以及处理多种因子影响的以模式识别和人工神经网络为基础的材料设计专家系统。现在还发展了以材料智能加工为目标的材料设计专家系统。

4.材料的应用研究

材料的广泛应用是材料科学技术发展的主要动力。实验室制备出的具有优越性能的材料不等于在实际工作条件下能得到应用，还须通过应用研究做出判断，而后采取有效措施进行改进。材料在制成零部件以后的使用寿命的确定是材料应用研究的另一个方面，它关系到安全设计及经济性设计。