Materiály a materiálový výzkum jsou základním předpokladem pro strojírenství 21. století. Využití stávajících i nových kovových i nekovových (plastů, keramik a kompozitů) materiálů při současném vývoji technologií obrábění, tváření, vstřikování, nanášení či aditivních výrob včetně práškové metalurgie je klíčové pro návrh nových komponent, strojů či zařízení. Pokročilé materiály pokrývají všechny typy materiálů, které představují znatelný pokrok oproti tradičním, dosud používaným materiálům. Z tohoto pohledu se pokročilé materiály týkají i všech modifikací stávajících materiálů, které mají nové nebo lepší vlastnosti, popř. kombinaci vlastností, které jsou kritické pro danou aplikaci. Zvláště to platí pro materiály směřované do specifických aplikací, jako tomu je v případě chytrých komponent.
Aktuálně jedním z největších problémů v oblasti užití konstrukčních materiálů je dopad na životní prostředí, který daný produkt indukuje během výroby či užití. Je odhadováno, že 56 % průmyslových emisí CO2 pochází z výroby materiálů (zejména oceli, hliníku, plastů, cementu či papíru). Predikce ukazují, že se požadavky na produkci materiálů v průběhu následujících přibližně 40 let zdvojnásobí . Významnou obavu vzbuzují dostupné zásoby surovin, včetně jejich lokalizace ve světě. Současně s volatilitou cen některých materiálů v posledním desetiletí se některé prvky (např. kovy vzácných zemin) začínají jevit jako kriticky nedostatkové . Ve snaze dostat tyto trendy pod kontrolu vzrůstá požadavek na zásadní pokles množství produkce materiálů. Jedním z možných řešení jsou takové materiály, které budou navržené speciálně pro danou aplikaci. Množství použitého materiálu přitom bude minimalizováno, a to za současného splnění všech dalších kritérií (pevnost, tuhost, odolnost vůči lomu a další funkcionality). Tento inovativní koncept je základní ideou cíleně vnitřně strukturovaných kovových multimateriálů. Jedná se o materiály, které mají takovou vnitřní architekturu, aby jejich chování vykazovalo výrazně lepší užitné vlastnosti než chování jejich jednotlivých složek samostatně, podobně jako je tomu u výztuže v železobetonu nebo u přírodních biomateriálů .
Z hlediska uplatnění ve strojírenství se jeví jako zásadní výzkum stávajících i nových kovových i nekovových materiálů a vnitřně strukturovaných materiálů se specifickými vlastnostmi, jakými jsou např. zvýšená odolnost proti opotřebení, nízký součinitel tření, snížená hmotnost, zvýšená tuhost a pevnost nebo další specifické vlastnosti s vazbou na nákladovost a cenovou dostupnost . Jedná se o materiály se schopností disipace deformační energie, materiály pro energy harvesting či materiály se specifickým stupněm provozního zatížení (např. v komponentách pro letecký či automobilový průmysl) . Další oblastí jsou materiály a technologie pro aditivní a environmentálně šetrnou výrobu, integraci konvenčních a aditivních technologií a perspektivní technologie studené kinetické depozice. Je žádoucí se zaměřit na vývoj materiálů pro aditivní a hybridní technologie (prášků pro aditivní výrobu včetně multimateriálových kov-kov a kov-keramika, drátů, pelet ad.), a to včetně návrhu jejich procesních parametrů . U kompozitů je důležitým tématem využití levnějších vláknových či částicových kompozitů, blížících se cenově uhlíkovým vláknům, avšak převyšujících je svými užitnými vlastnostmi, a dále duplexních a duálních struktur. Neméně důležité jsou keramické materiály, které v mnohých aplikacích, zejména pak u součástí vysoce namáhaných v korozním prostředí spalin či vodných roztoků bezkonkurenčně nahrazují kovové materiály.
Klíčové postavení v moderním strojírenství bude stále více příslušet funkčním a funkčně gradientním materiálům. Ve zjednodušené podobě jsou tyto materiály již používány jako materiály s funkčními povrchy připravenými odpovídajícími postupy povrchového inženýrství (PVD, CVD metody povlakování, tepelné nástřiky, studená kinetická depozice, zpracování koncentrovanými zdroji energie – laserový nebo elektronový paprsek apod). Pokročilejší aplikace pak představují materiály povrchů s další přidanou funkcí, ochranné tepelné bariéry, materiály se samozaléčovací schopností, materiály s magnetickou tvarovou pamětí, zvýšenou plasticitou díky nano-dvojčatění, gradientní materiály atd.
Výsledky materiálového inženýrství poskytují buď impuls pro vývoj nových produktů, nebo naopak vývoj nových a inovovaných produktů definuje specifické požadavky na vlastnosti materiálů, které je nutno docílit. Podle provedených studií je cca. 70% inovace produktů založeno na nových (inovovaných) materiálech. Trendy v oblasti materiálového inženýrství vedou na adaptibilní a funkční materiály, kde lze řízením vnitřní struktury řídit odezvu materiálu na vnější zatížení a environmentální prostředí. Klíčovým tématem jsou aditivní technologie, které mají potenciál být nástrojem pro výrobu velké části těchto materiálů. Řízením vnitřní struktury materiálů lze docílit speciální vlastnosti, jinými technologiemi těžko dosažitelné. Pokročilejší aplikace představují materiály povrchů s další přidanou funkcí ochranné tepelné bariéry, materiály s magnetickou tvarovou pamětí, zvýšenou plasticitou nebo gradientní materiály. Důležitou složkou výzkumu je také udržitelnost stávajících běžně používaných materiálů (polymerů, kovů, keramik) jak z hlediska současného vývoje nových technologií, tak z hlediska oběhového hospodářství, zlepšení možností recyklace a druhotného zpracování. Ukazuje se ale, že vlastnosti recyklovaného materiálu jsou přímo úměrné kvalitě recyklátu, a i samotný proces opakované výroby, většinu užitných vlastností degraduje.
Přes všechny dosavadní znalosti v materiálovém a strojním inženýrství, bývá příčinou lomů a poruch strojních součástí až z 90 % únava materiálu, resp. selhání dílu při cyklickém zatěžování v komplexním pracovním prostředí (vliv teplot, agresivního prostředí, technologického stavu dílu aj.). Nástup nových typů materiálů (např. polymerních, keramických nebo kovových kompozitů), nových technologií (zejména aditivních technologií) předznamenal nejen nové možnosti konstrukčních řešení a aplikací, ale vedl také k otevření řady nových dosud neřešených problémů s mechanickou a teplotně-mechanickou únavou a degradací nových materiálů a komponent. Mechanismy jejich porušení jsou velice komplexní a je třeba využívat jak nejnovější experimentální techniky (jako jsou třeba in-situ mechanické testy v synchrotronu), tak moderní simulační nástroje a nástroje pro zpracování velkých datových souborů.
