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翟文美加部主管

【专业介绍】工程类 -- 材料科学与工程
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1.1 专业简介

材料科学,又名为材料工程,涉及物质的性质及其在各个科学和工程学领域的整合应用,是一个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跨领域学科。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。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。今日许多科技上的问题受限于材料能够容许的极限,也因此,在此领域的突破在未来科技具有指标性的影响。材料科学有着广泛的应用前景,因此被国际学术界誉为21世纪最有前途的学科。

 

中国和美国材料学差别有多大呢?

首先,从总体上看,美国的材料学教学和研究领先于中国的材料学教育与研究大约50年左右。其次,从教学内容上看,中国材料学的教学更加注重理论学习,实际操作经验较少,国内使用教材大多是从国外教科书翻译。理论学习中实验机会较少,主要分为材料加工,材料物理和化学三个教学方向。其中科研中常见方向包括但是不限于功能材料、铸造和耐磨材料、表面表面强化与器件制造、焊接研究、新材料、工程材料、材料强度研究。而美国材料学在本科学习过程中,更加注重实际操作经验, 本科学习期间理论和实践结合很密切。比如会用软件设计模型,用软件模拟铸造过程中可能产生的缺陷,然后进行实际操作,另外更加注重实习。

1.2 专业方向

材料科学可按多种方法进行分类。每个学校的研究侧重点也各有不同,下面我们为大家介绍几个常见的分支学科。具体分支方向及研究内容请到申请学校官网查询。

以下是材料学常见的一些研究方向:

 

金属材料Metallic Materials

材料领域最古老最传统的方向,主要学习包括金属和以金属为基的合金,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。

    这个方向是材料领域最古老最传统的方向,美国风气偏新材料而非传统材料,所以申请美国竞争不是很激烈,对GPA 以及GT 成绩的要求不是很高,申请者一般都是国内大学金属材料及相关专业的学生,即使学校一般,GPA 3.0 左右,TOEFL 90 左右,GRE 310 左右,一般都可以获得TOP100 学校的录取。该方向申请人数不多,就业方向基本有二:金属材料的科研领域,留在实验室或做老师;进工业界做技术人员,如钢铁公司、冶金、机械、军工、航空航天、仪表等行业。金属材料在美国的就业前景比陶瓷材料要好很多,社会实用性强,就业前景比较乐观。

 

高分子材料和聚合物Polymer

    高分子材料是当今世界发展最迅速的产业之一,高分子材料已广泛应用到电子信息、生物医药、航天航空、汽车工业、包装、建筑等各个领域。研究内容包括活性聚合、新材料的合成与开发、聚合物结构与性能、反应性加工、先进复合材料及应用、超细材料及纳米材料、生物材料、新型功能材料、化学建材和化学纤维等。

    高分子材料是当今世界发展最迅速的产业之一,高分子材料已广泛应用到电子信息、生物医药、航天航空、汽车工业、包装、建筑等各个领域。最近几年高分子材料的发展非常迅速,有很多美国大学都在高分子的研究领域投入了巨大的科研力量,这个领域不像金属材料,经过上百年的发展已经到了非常成熟的地步。高分子的兴起才几十年,研究成果层出不穷,高分子导电,软光刻技术的发展对电子工业的发展起到了巨大的推动作用。

    这个方向的竞争还是比较大的。一般来说需要有物理或者化学以及跟高分子交叉的专业背景,平均分情况是:GPA >3.4, GRE Q>160, TOEFL>88(美国牛校会比平均分高)。 研究生申请高分子材料PhD, Research Experiences 和Internship 会比申请者硬件条件更重要,所以硬件条件一般的学生可以在Research Experiences, Internship, Paper 上多下功夫。本科生申请PhD,要在保证硬件条件很好的情况下,尽可能的去多进实验室做项目,为自己的Resume 积累素材。关于奖学金,PhD 的拿奖率大于Master,所以学习时间会比较长,但是这个专业的回报率还是比较高的。就业方面可以从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作。

 

电子,光学和磁性材料Optical、Electronic and 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。该专业在很多学校都是在EE 下面,作为materials Science 与EE 的交叉学科,所以光电和磁学物理的同学可以直接申请。

该专业是现在材料科学中最大的热门,申请人数最多,竞争也就最为激烈。硬件条件和软件条件都有很高的要求。申请者在具备扎实的数学、物理、外语、电子学和计算机科学基础的同时,需要具备熟练的实验技能。由于现在社会朝微电子方向发展,所以就业前景是材料专业里最为乐观的,可以去电子业、研究机构、汽车等行业。

 

计算材料科学Computational Materials Science

交叉学科,是一门正在快速发展的新兴学科,是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科。这个领域主要是理论研究,申请的人比较少,竞争不激烈。这个领域PhD 学习难度比较大,完成学位的时间比较长,最短也要5 年,一般都是6 年。就业前景一般,职位一般集中于美国几个大型的国家实验室,如:橡树岭(Oak Ridge)国家实验室等。

 

无机非金属材料Ceramic Materials

无机非金属材料是三大基础材料之一,包括结构陶瓷、功能陶瓷、日用陶瓷,耐火材料、玻璃、水泥等。研究内容主要包括固体电解质材料的制备,结构和性能研究;结构陶瓷的制备,组织结构和性能的研究;磁性材料、电性材料、压电陶瓷、半导体陶瓷等功能材料的制备和研究;古陶瓷和日用陶瓷的研究和开发;高温陶瓷、耐火材料的制备和开发等。该专业方向比金属材料难申请。近几年,陶瓷领域的发展比金属材料要迅速很多,例如,高温超导陶瓷材料的发现对经济产生了比较大的影响,目前在这个领域的研究非常活跃。因此这个申请方向比金属材料竞争激烈,将来就业主要是在科研机构搞研究。该方向GPA 要求3.0 以上,基于申请的不同学位,学校会对申请者有特殊的要求。在申请过程中,Research Experiences,Internship 和论文有会对申请有一定促进作用,不同等级的学校在要求上会有所不同,这个专业申请的人数相对于申请金属材料的人略多一点,目前该专业就业状况供求基本平衡,但在从事更高层次的材料人才却比较短缺。无机非金属里玻璃方向的就业比其他陶瓷方向要乐观,陶瓷材料包括功能陶瓷正逐渐淡出工业界。

 

纳米材料Nanometer Materials

纳米科技的内容包含纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米加工学、纳米光子学、纳米检测与表征。而纳米材料与技术又是这些分支学科的共同交点,是纳米科技的核心和基础。通常纳米材料与半导体材料相关,与EE 高度重合,申请这个方向的同学可以去关注学校的EE 方向是否有相关的分支。就目前纳米科技整体发展状况而言,欧、美、日已大力发展多年,截至2007 年初,美国已投入56 亿美元用于纳米技术的研发,而日本每年用于纳米技术研究的投资也在5 亿美元左右。国内的纳米科技研究刚开始不久,无论是科研水平以及与市场的契合度,与欧美日差距都还很大。但是差距大也意味着潜力、空间大,一旦纳米技术进入生活,这方面的专业人才需求量肯定会急剧上升。纳米材料人才主要承担工作任务为纳米材料表征、石墨烯及碳纳米材料研发、纳米材料改性、纳米材料合成、无机纳米材料制备以及交叉学科纳米材料应用。纳米材料与技术专业毕业生一般都可以在科研院校及纳米材料、黏合剂、涂料、电镀、陶瓷等相关领域从事相关产品开发、生产和检测等工作。与材料专业方面的学生基本有着相似的职业发展道路。总的来说,纳米材料专业同学可以有以下去处: 一是进入研究院从事纳米材料研发工作,这是纳米材料人才继续本领域内研究的主要途径。二是选择进入纳米材料行业企业。三是进入传统材料相关企业。

 

生物材料Biomaterials 

  主要研究碳纳米管的合成及自然材料的特征、无机材料的合成、有机和生物材料化学、材料加工、材料热力学、生物应用材料、分子细胞和生物力学、材料力学和生物材料、材料成像。在研究过程中也会和仿生学相结合,比方说人造骨骼和人造肌肉。

 

能源材料Energy Materials 

  主要研究太阳能电池、能量贮存、经济和环境材料选择、高级能量转换的基础、固态元件和能量转换、材料的能量贮存、能量和材料制定政策、未来能源系统材料。应用最为广泛,也最常见的就是太阳能电池板了。

 

复合材料Composite materials 

  复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

  

1.3 常见学位

美国大学的材料科学与工程专业一般是设在工程学院下,有独立的Department。其学位设置每个学校会有所不同,大体可以分为两种情况:

1.    只开设MS 和PhD 学位,这里的MS 学位通常是针对就业的Professional 学位;

2.    开设有常规的MS, MEng 和PhD 学位,MS 通常是两年,以授课为主,侧重学术,毕业后可以选择就业也可继续攻读PhD 学位;而MEng 则是一年,主要针对就业,更侧重于实践。

  值得注意的是,有不少学校只对国际生开设PhD 课程,即使有MS 学位的开设,招收国际学生的数量很少,甚至有一些学校MSE MS 项目不收国际学生,或者只是挂名而不开班。所以想申MSE 硕士的同学申请前务必确认所选的学校是否会招MSE 国际硕士以及招收的人数情况。

 

 

申请要求

2.1 专业背景

材料科学与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,是研究材料的制备或者加工工艺,材料的微观结构与材料宏观性能三者之间相互关系的科学,所以需要学生具备物理学、化学等学科知识。一般申请材料科学的学生本科专业为:材料科学与工程,材料化学,材料物理,材料成型与控制工程,材料加工工程,高分子材料与工程,纳米材料与技术等等。

 

2.2 实习&科研

科研去向:联系大学老师做科研,或者参加中科院等知名科研所的科研

实习去向:

1. 工程塑料行业的公司:比如在上海有杰仕杰,普利特,广州有LG化学。

2. 较大的跨国公司,如电器公司,电子公司,玩具公司,汽车制造行业。

3. 橡胶行业选择面较窄,主要为轮胎厂或者轮胎配件公司,但是国内公司较少,利润也较低,不建议作为全职工作。

4. 石油行业也是材料专业学生不错的实习和就业选择,国内外分别有中石油中石化等,跨国企业有美孚,BP等。

 

2.3 如何决定申请MS 还是PhD 呢?

首先申请者应该明确自己的留学需求,如果要做学术科研,PhD 一定是必经之路,硕士两年的学习是远远达不到需求的,特别是材料科学这种偏重学术研究的专业,只有常年在实验室和faculty 工作,才能接触到更前沿的学术成果。所以,有不少的学校在MSE 专业的学位设置时明确只招收PhD,即使有MS 学位通常也不太会招收国际生。另外,据海外学生反馈的情况来看,如果是材料专业MS,找工作的机会也是很小的,单纯的上一年或是两年课,对找工作帮助会很小。对于想申MSE PhD 的学生,学校一定会更加看重科研背景,建议重点增加科研实力,GT 成绩满足学校要求。同时也建议不要只把眼光放在MSE 系。近几年国内学MSE 的学生很多,申请的人数也日益增加,再加上最近美国MSE Funding 比较紧张,使得MSE offer 比较难拿。建议申请者可以充分利用MSE 专业interdisciplinary 的特点,考虑一下申请相关专业。选校的时候一定要看系里faculty 的方向是否和自己匹配,美国大学非常看重学生背景与教授研究背景的匹配度,不一定非得参考专业排名。套磁能够增大自身的录取几率,找到与自己专业方向匹配的教授,但并不是说套到教授就一定会被录取。

 

已知的必须套磁的学校有:PSU, UT-Austin, UMD, JHU, UCDavis, WSU 以及加拿大的学校都必须套磁或者反套磁才有希望拿全奖offer,否则希望渺茫。USC 的申请虽然是committee,但faculty 有推荐权。有一些学校套磁基本无用:UMich, Purdue, RPI, CMU, TAMU, OSU, Brown 等。这些学校都是committee 决定,但如果能套到committee 成员无疑是一个bonus。

 

2.4 转专业

其他专业想转专业申请MSE 需要哪些背景呢?一般可以转专业申请MSE 的专业有Electrical Engineering, Mechanical Engineering, Chemical Engineering, Chemistry, Physics 等。近年来被录取的新生均具有扎实的数学、物理学、电子学和计算机科学基础。

 

材料专业的基础课程通常有数学、通信、计算机科学、自然科学(特别是物理和化学)、人文科学、社会学、工程学、工程设计学等。美国材料工程典型的先修课程包括:Introduction to materials, Thermodynamics of material, Kinetics of materials, Physical metallurgy, Processing and properties of ceramics, Composites, Fundamentals of polymers, Polymer processing, Mechanical behavior of solids, Materials engineering design, Materials characterization laboratory, Engineering computational laboratory, Degradation of material, Failure analysis, Phase equilibria, Senior design project。

 

从一些学校的MSE 系对国际学生只开放PhD 项目的情况可以看出,MSE 在美国是一门偏研究型的学科,与实际应用有一定的差距。像纳米材料、超导材料甚至很多陶瓷材料等,研究这些方向的学生毕业了大部分会选择留在学术界做Faculty。对于其他大部分人而言,主要还是进入工业界,但近几年材料专业就业形势不是很好。所以对于本科MSE 的同学可以考虑转专业申请:

·         如果本科研究Polymer 或合成材料,可以转专业申化学专业甚至Petroleum Engineering,事实上有不少的学校材料与化工是在同一个系的,但是现在这两个方向的就业都比较惨淡;

·         如果本科研究材料成型、铸锻焊、Materials Processing 等,可以转专业申ME;      

·         如果本科研究材料物理,可以转专业申EE 下细分的半导体器件或Solid State Electronics 等;

·         如果是研究数值模拟、计算材料,可以转专业申CS;

·         可转专业申请工业工程

·         光电,半导体,纳米材料方向,都可以直接申请EE 相关方向。

 

对大部分学生来说,转EE 或CS 还是很常见的。转到这些相关方向的好处是,这些可转申的专业比MSE 更容易就业,而且由于它们相对于MSE 更偏向于应用,一般都会招收国际MS 学生。

 

2.5 学校特点

除了地理位置的考虑,学校的自身特点和研究特色也是申请者需要重点考虑的因素。美国有材料科学的大学分别有自己不同的特点,从名称上看都叫材料科学与工程,但实际上不同的学校研究的方向和侧重点有很大的差别,不同学术背景的申请者应该选择适合自己的学校申请。

 

下面是对美国开设材料科学与工程的学校进行分类说明,仅供参考:

 

1. 综合材料类:

这类学校研究领域很全面,综合排名和专业排名都非常高,因此申请难度比较大:University of Illinois-Urbana Champaign, University of California at Berkley, MIT, Northwestern University, Pennsylvania State University, Georgia Institute of Technology, Cornell University.

 

2. 偏重金属材料的学校:

这类学校的材料科学与工程系主要偏重粉末冶金,凝固与铸造,合金相变,磁性材料的性能与制备,材料的力学性能等。这类学校适合那些从事传统金属材料学习和研究的申请者。这类学校主要有:University of Tennessee, Michigan Tech, New Mexico Institute of Mines and Tech, University of Connecticut, University of Missouri-Rolla, Purdue University, Case Western Reserve University, Michigan State University, Auburn University, Worcester Polytechnic Institute.

 

3. 偏重高分子材料的学校:

这类学校适合那些在中国从事高分子材料或者化学、化工背景的申请者。The university of Akron, Case Western Reserve University, University of Virginia, University of Delaware, University of California-Davis, Clemson University, SUNY-Stony Brook.

 

4. 高度交叉类的学校:

偏重于新兴纳米材料,半导体材料,纳米光电子材料的学校。这类学校材料系研究的都是非常前沿的课题,他们的课题和教授都和其他的院系有非常紧密的联系,充分体现了当前材料研究的高度交叉性:

 

Princeton University 专门开设有普林斯顿材料研究院PRISM,主要从事纳米光电子,纳米量子材料器件的研究,申请者不仅要有扎实的材料基础,同时还必须有非常强的物理电子学背景,申请的难度很大。

 

University of California-San Diego 这个学校的材料系是不同的院系组合起来的,没有专门的材料系的faculty,几乎所有的项目都来自不同的院系。这样的材料系适合具有物理,化学,电子工程等专业背景,并偏重材料研究的申请者,对于专门学习材料专业的申请者不是非常合适。

 

Columbia University 材料系是固体物理系和地质科学与采矿系共同组建的,主要从事半导体材料的研究,偏重于从固体物理的角度研究材料的特性,因此比较适合物理背景的申请者。材料系的申请者物理基础比较单薄,申请比较困难。

 

2.6 选校策略

地理位置

    学校所在的地理位置对于将来的实习和就业有着重要意义。因此,在选校时一定要格外关注学校的地理位置和周边的产业分布。大城市就业机会多,这是一个不争的事实。除此之外,对于大部分材料专业的学生来讲,还要考虑其专业分支方向的选择,不同的分支研究可进入的就业领域也是有区别的。选择生物医学材料方向的毕业生,主要是进入医院或是制药厂做研究,因此东北部地区特别是新泽西州众多的制药公司就是一个很好的选择;选择金属等传统材料方向的毕业生,

 

    大部分会进入重工业领域,对于五大湖地区特别是匹兹堡这样的传统工业区是比较匹配的;而选择新兴纳米材料、能源材料以及半导体等方向的研究,加州会是不错的选择。

 

GT 成绩与科研

    选校的定位比较复杂,需要考虑申请人各方面的背景以及各学校往年的录取标准。有些学校是GT、GPA 控,比如CMU、UIUC、UT-Austin、JHU,西北(T90 是假象要求);有些学校是非GT 控,譬如Purdue, UMich,PSU,USC,UCDavis( 他们家是paper 控,T 没100 也可以申请的,不像网站上说的那样), UMD,TAMU,UVa, UWisc 等。具体还要参考学校每年的实际录取情况要求。

 

需要额外说明的是,有论文会是一个加分项。科研项目和学术论文在博士申请中则起到很重要的作用,质量高、影响因子高的学术论文是套磁导师的神器。

 

就业分析

 4.1 常见方向

希望成为材料工程师基本需要具备本科以上学历,材料工程或者材料科学毕业。在美国拥有PE(professional engineer)执照可以提高材料工程师的职业竞争力。在美国, 希望成为一名注册工程师,需要具备以下条件:

(1)  毕业于受美国工程与技术鉴定委员会(ABETA)认证的项目

(2)  通过工程基础考试(FE)

(3)  相关工作经验

(4)  通过工程专业考试(PE)

(5)  工程基础考试本科毕业即可参加,通过考试的学生被称为见习工程师(EIT

Engineer in Training),EIT参加工作获得一定工作经验之后就可以参加第二次工程考试:工程原理与实践考试(principles and practice of Engineering Exam)指的也是工程专业考试(PE) 另外,不同州的工程署证书在美国大多数州都是可以通行的。美国金属学会(American Society for Metals)办法的证书也可以提高材料工程师的职业竞争力。

同时,根据专擅的领域不同,材料工程师主要分为以下五种:陶瓷工程师,复合材料工程师,冶金工程师,塑料工程师和半导体材料工程师。主要工作职责包括:检查,监视并评估材料性能和退化情况,确定产品失效原因并给出解决方案,监管技师、技术员和其他工程师的工作,设计和主导测试处理过程,评估技术规范,准备提案及预算、分析成本、制作报告及其他管理工作,规划和评估新项目,提供专业咨询向其他分专业人士

 

4.2 就业情况

主要产业分布在飞机生产,建筑与工程,科研开发与半导体等产业。材料工程师需要使用CAD软件办公,少数情况也需要前往工工厂或者施工现场处理相关工作。以下是材料工程师在美国的行业招聘及待遇情况(来源自美国劳工部2018年5月数据):

1)招聘人数最多的行业招聘及待遇情况

行业

招聘人数

时薪

平均年薪

建筑行业

3,510

$45.40  

$94,420  

航空制造业

3,180

$54.15  

$112,630  

科学研究

2,300

$51.69  

$107,520  

联邦机构分支

1,370

$56.51  

$117,530  

半导体和电子元件

1,320

$43.46  

$90,400  

 

2)招聘人数最多的地区的招聘及待遇情况

地区

雇佣人数

时薪

平均年薪

California

2,590

$51.72  

$107,570  

Texas

2,400

$47.98  

$99,790  

Ohio

2,000

$43.92  

$91,360  

Pennsylvania

1,690

$42.87  

$89,180  

Michigan

1,370

$39.70  

$82,570  

 

3)收入最高的地区的招聘及待遇情况

地区

雇佣人数

时薪

平均年薪

New   Mexico

330

$59.99  

$124,780  

Maryland

920

$55.95  

$116,380  

Tennessee

760

$53.69  

$111,670  

Louisiana

330

$52.60  

$109,410  

California

2,590

$51.72  

$107,570  

 

 

 

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