当一种材料不具备合适的性能组合时，材料科学家创造出用两种或多种材料组成的复合材料，其组分保持明显的区别但在一起能完成所需要的工作。比如，用钢筋加强混凝土使其不在张力下崩溃，用玻璃或碳纤维使塑料变得更强。虽然设计复合材料也许比创造全新的材料更容易，但是为具体的应用找到合适的协同作用材料和性质仍是一个挑战，因为有许多可能的选择。目前的挑战包括设计用于比如汽车和飞机等交通工具的又强、又牢固、又轻的复合材料，这类材料也可用于保护人身和坦克的装甲。因为可能的材料组合范围很大，复合材料的设计、测试、和应用中存在一些问题。
