材料科学或材料工程是一个多学科领域,涉及物质的性质及其在各个科学和工程领域的应用。它是研究材料的制备或加工工艺、材料的微观结构与材料宏观性能三者之间的相互关系的科学。涉及的理论包括固体物理学,材料化学,应用物理和化学,以及化学工程,机械工程,土木工程和电机工程。与电子工程结合,则衍生出电子材料,与机械结合则衍生出结构材料,与生物学结合则衍生出生物材料等等。

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材料是国民经济的基础,新材料的发现是推动现代科学发展与技术革新的源动力之一,传统的实验“试错型”研究方法具有成本高、周期长和存在偶然性等特点,难以满足现代材料的研究需求。近些年,随着人工智能和数据驱动技术的飞速发展,机器学习作为其主要分支和重要工具,受到的关注日益增加,并在各学科领域展现出巨大的应用潜力。将机器学习技术与材料科学研究相结合,从大量实验与计算模拟产生的数据中挖掘信息,具有精度高、效率高等优势,给新材料的研发和材料基础理论的研究提供了新的契机。

机器学习技术结合了计算机科学、概率论、统计学、数据库理论以及工程学等知识,计算速度快、泛化能力强,能有效地处理一些难以运用传统实验及模拟计算方法解决的体系和问题。近10年,机器学习在材料科学研究中的应用呈现出爆炸式的增长,尤其在新材料的合成设计、性能预测、材料微观结构深入表征以及改进材料计算模拟方法几个方面,均有着出色的表现。当然,作为一项数据驱动技术,如何获取大量实验数据并将其构建为行之有效的数据集仍是现阶段机器学习技术在材料科学领域应用的热点和难点。

本文概述了机器学习技术的基本原理、主要工作流程和常用算法,简述了机器学习技术在材料科学领域中的研究重心及应用进展,分析了机器学习在材料学研究中尚存在的问题,并对未来此领域的发展热点进行了展望。

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