Inżynieria materiałowa
Nauka o materiałach jest interdyscyplinarną dziedziną badań i odkrywania materiałów . Inżynieria materiałowa to dziedzina inżynierii zajmująca się projektowaniem i ulepszaniem materiałów oraz znajdowaniem zastosowań materiałów w innych dziedzinach i branżach.
Intelektualne początki materiałoznawstwa wywodzą się z epoki oświecenia , kiedy badacze zaczęli wykorzystywać myślenie analityczne z chemii , fizyki i inżynierii , aby zrozumieć starożytne obserwacje fenomenologiczne w metalurgii i mineralogii . Nauka o materiałach nadal zawiera elementy fizyki, chemii i inżynierii. W związku z tym dziedzina ta była od dawna uważana przez instytucje akademickie za poddziedzinę tych pokrewnych dziedzin. Począwszy od lat czterdziestych XX wieku materiałoznawstwo zaczęło być szerzej uznawane za specyficzną i odrębną dziedzinę nauki i inżynierii, a główne uniwersytety techniczne na całym świecie utworzyły specjalne szkoły do jego studiowania.
Materiałoznawcy kładą nacisk na zrozumienie, w jaki sposób historia materiału ( obróbka ) wpływa na jego strukturę, a tym samym na właściwości i działanie materiału . Zrozumienie relacji przetwarzanie-struktura-właściwości nazywane jest paradygmatem materiałów. Ten paradygmat jest używany do pogłębiania wiedzy w różnych obszarach badawczych, w tym nanotechnologii , biomateriałów i metalurgii .
Nauka o materiałach jest również ważną częścią inżynierii kryminalistycznej i analizy awarii – bada materiały, produkty, konstrukcje lub komponenty, które zawodzą lub nie działają zgodnie z przeznaczeniem, powodując obrażenia ciała lub uszkodzenie mienia. Takie badania są kluczowe dla zrozumienia, na przykład, przyczyn różnych wypadków i incydentów lotniczych .
Historia
.jpg)
Wybór materiału z danej epoki jest często punktem definiującym. Zwroty takie jak epoka kamienia , epoka brązu , epoka żelaza i epoka stali są historycznymi, choć arbitralnymi przykładami. Pierwotnie wywodząca się z produkcji ceramiki i jej domniemanej pochodnej metalurgii, materiałoznawstwo jest jedną z najstarszych form inżynierii i nauk stosowanych. Nowoczesna materiałoznawstwo wyewoluowało bezpośrednio z metalurgii , który sam wyewoluował z użycia ognia. Istotny przełom w rozumieniu materiałów nastąpił pod koniec XIX wieku, kiedy amerykański naukowiec Josiah Willard Gibbs wykazał, że właściwości termodynamiczne związane z budową atomu w różnych fazach są powiązane z właściwościami fizycznymi materiału. Ważnymi elementami nowoczesnej materiałoznawstwa były produkty Wyścigu Kosmicznego ; zrozumienie i inżynieria stopów metali , krzemionki i węglowe , wykorzystywane do budowy pojazdów kosmicznych umożliwiających eksplorację kosmosu. Nauka o materiałach napędzała i była napędzana przez rozwój rewolucyjnych technologii, takich jak gumy , tworzywa sztuczne , półprzewodniki i biomateriały .
Przed latami sześćdziesiątymi (aw niektórych przypadkach dziesiątki lat później) wiele ewentualnych wydziałów materiałoznawstwa było wydziałami metalurgii lub inżynierii ceramiki , co odzwierciedla nacisk XIX i początku XX wieku na metale i ceramikę. Rozwój inżynierii materiałowej w Stanach Zjednoczonych był częściowo katalizowany przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych , która na początku lat 60. sfinansowała szereg laboratoriów uniwersyteckich, „w celu rozszerzenia krajowego programu badań podstawowych i szkoleń w zakresie nauk o materiałach”. W porównaniu z inżynierią mechaniczną, rodząca się dziedzina materiałoznawstwa koncentrowała się na podejściu do materiałów na poziomie makro oraz na podejściu, zgodnie z którym materiały są projektowane na podstawie wiedzy o zachowaniu na poziomie mikroskopowym. Ze względu na poszerzoną wiedzę na temat powiązań między procesami atomowymi i molekularnymi, a także ogólnych właściwości materiałów, projektowanie materiałów zaczęło opierać się na określonych pożądanych właściwościach. Od tego czasu dziedzina materiałoznawstwa poszerzyła się, obejmując wszystkie klasy materiałów, w tym ceramikę, polimery , półprzewodniki, materiały magnetyczne , biomateriały i nanomateriały , ogólnie podzielone na trzy odrębne grupy: ceramikę, metale i polimery. Najważniejszą zmianą w materiałoznawstwie w ostatnich dziesięcioleciach jest aktywne wykorzystanie symulacji komputerowych do znajdowania nowych materiałów, przewidywania właściwości i zrozumienia zjawisk.
Podstawy
Materiał jest definiowany jako substancja (najczęściej jest to substancja stała, ale można uwzględnić inne fazy skondensowane), która jest przeznaczona do określonych zastosowań. Wokół nas jest mnóstwo materiałów; można je znaleźć we wszystkim, od budynków i samochodów po statki kosmiczne. Główne klasy materiałów to metale , półprzewodniki , ceramika i polimery . Opracowywane nowe i zaawansowane materiały obejmują między nanomateriały , biomateriały i materiały energetyczne .
Podstawą materiałoznawstwa jest badanie wzajemnych zależności między strukturą materiałów, metodami przetwarzania w celu wytworzenia tego materiału i wynikającymi z tego właściwościami materiału. Złożona kombinacja tych elementów zapewnia właściwości materiału w określonym zastosowaniu. Wiele cech w wielu skalach długości wpływa na wydajność materiału, od składowych pierwiastków chemicznych, jego mikrostruktury po cechy makroskopowe wynikające z przetwarzania. Wraz z prawami termodynamiki i kinetyki materiałoznawcy dążą do zrozumienia i ulepszenia materiałów.
Struktura
Struktura jest jednym z najważniejszych elementów dziedziny inżynierii materiałowej. Sama definicja dziedziny głosi, że zajmuje się ona badaniem „związków istniejących między strukturami a właściwościami materiałów”. Nauka o materiałach bada strukturę materiałów od skali atomowej, aż do skali makro. Charakterystyka to sposób, w jaki naukowcy zajmujący się materiałami badają strukturę materiału. Obejmuje to metody takie jak dyfrakcja promieni rentgenowskich , elektronów lub neutronów oraz różne formy spektroskopii oraz analizy chemiczne, takie jak spektroskopia ramanowska , spektroskopia dyspersji energii , chromatografia , analiza termiczna , analiza mikroskopem elektronowym itp.
Struktura jest badana na następujących poziomach.
Struktura atomowa
Struktura atomowa dotyczy atomów materiałów i ich ułożenia w celu powstania cząsteczek, kryształów itp. Wiele właściwości elektrycznych, magnetycznych i chemicznych materiałów wynika z tego poziomu struktury. Stosowane skale długości są w angstremach ( Å ). Wiązania chemiczne i układ atomów (krystalografia) mają fundamentalne znaczenie dla badania właściwości i zachowania dowolnego materiału.
Klejenie
Aby uzyskać pełne zrozumienie struktury materiału i jej związku z jego właściwościami, materiałoznawcy muszą zbadać, w jaki sposób różne atomy, jony i cząsteczki są ułożone i połączone ze sobą. Obejmuje to badanie i stosowanie chemii kwantowej lub fizyki kwantowej . Fizyka ciała stałego , chemia ciała stałego i chemia fizyczna są również zaangażowane w badanie wiązań i struktury.
Krystalografia
Krystalografia jest nauką zajmującą się badaniem rozmieszczenia atomów w krystalicznych ciałach stałych. Krystalografia jest użytecznym narzędziem dla materiałoznawców. W monokryształach efekty krystalicznego ułożenia atomów są często łatwe do zaobserwowania makroskopowo, ponieważ naturalne kształty kryształów odzwierciedlają strukturę atomową. Ponadto właściwości fizyczne są często kontrolowane przez defekty krystaliczne. Zrozumienie struktur krystalicznych jest ważnym warunkiem zrozumienia defektów krystalograficznych . Przeważnie materiały nie występują jako pojedynczy kryształ, ale w postaci polikrystalicznej, jako agregat małych kryształów lub ziaren o różnych orientacjach. Z tego powodu metoda dyfrakcji proszkowej , która wykorzystuje wzory dyfrakcyjne próbek polikrystalicznych z dużą liczbą kryształów, odgrywa ważną rolę w określaniu struktury. Większość materiałów ma strukturę krystaliczną, ale niektóre ważne materiały nie wykazują regularnej struktury krystalicznej. Polimery wykazują różne stopnie krystaliczności, a wiele z nich jest całkowicie niekrystalicznych. Szkło , niektóre ceramiki i wiele naturalnych materiałów amorficzne , nie posiadające żadnego porządku dalekiego zasięgu w swoich układach atomowych. Badanie polimerów łączy elementy termodynamiki chemicznej i statystycznej, dając termodynamiczny i mechaniczny opis właściwości fizycznych.
Nanostruktura
Materiały, których atomy i cząsteczki tworzą składniki w nanoskali (tj. tworzą nanostrukturę) nazywane są nanomateriałami. Nanomateriały są przedmiotem intensywnych badań w środowisku materiałoznawców ze względu na ich unikalne właściwości.
Nanostruktura zajmuje się obiektami i strukturami w zakresie 1 - 100 nm. W wielu materiałach atomy lub cząsteczki aglomerują się, tworząc obiekty w nanoskali. Powoduje to wiele interesujących właściwości elektrycznych, magnetycznych, optycznych i mechanicznych.
Przy opisywaniu nanostruktur konieczne jest rozróżnienie liczby wymiarów w nanoskali .
Nanoteksturowane powierzchnie mają jeden wymiar w nanoskali, tj. tylko grubość powierzchni obiektu wynosi od 0,1 do 100 nm.
Nanorurki mają dwa wymiary w nanoskali, tj. średnica rurki wynosi od 0,1 do 100 nm; jego długość mogłaby być znacznie większa.
Wreszcie sferyczne nanocząstki mają trzy wymiary w nanoskali, tj. cząstka ma od 0,1 do 100 nm w każdym wymiarze przestrzennym. Terminy nanocząstki i ultradrobne cząstki (UFP) są często używane jako synonimy, chociaż UFP może sięgać nawet mikrometrów. Termin „nanostruktura” jest często używany w odniesieniu do technologii magnetycznej. Nanoskalowa struktura w biologii jest często nazywana ultrastrukturą .
Mikrostruktura
Mikrostruktura jest zdefiniowana jako struktura przygotowanej powierzchni lub cienkiej folii materiału ujawniona pod mikroskopem powyżej 25-krotnego powiększenia. Zajmuje się obiektami od 100 nm do kilku cm. Mikrostruktura materiału (który można ogólnie podzielić na metaliczny, polimerowy, ceramiczny i kompozytowy) może silnie wpływać na właściwości fizyczne, takie jak wytrzymałość, ciągliwość, plastyczność, twardość, odporność na korozję, zachowanie w wysokich/niskich temperaturach, odporność na zużycie itd. . Większość tradycyjnych materiałów (takich jak metale i ceramika) ma mikrostrukturę.
Wytworzenie idealnego kryształu materiału jest fizycznie niemożliwe. Na przykład każdy materiał krystaliczny będzie zawierał defekty , takie jak osady , granice ziaren ( zależność Halla-Petcha ), luki, atomy śródmiąższowe lub atomy substytucyjne. Mikrostruktura materiałów ujawnia te większe defekty, a postępy w symulacjach pozwoliły lepiej zrozumieć, w jaki sposób można wykorzystać defekty do poprawy właściwości materiałów.
Makrostruktura
Makrostruktura to wygląd materiału w skali od milimetrów do metrów, jest to struktura materiału widziana gołym okiem.
Nieruchomości
Materiały wykazują niezliczone właściwości, w tym następujące.
- Właściwości mechaniczne, patrz Wytrzymałość materiałów
- Właściwości chemiczne, patrz Chemia
- Właściwości elektryczne, patrz Elektryczność
- Właściwości termiczne, patrz Termodynamika
- Właściwości optyczne, patrz Optyka i fotonika
- Właściwości magnetyczne, patrz Magnetyzm
Właściwości materiału określają jego użyteczność, a tym samym jego zastosowanie inżynierskie.
Przetwarzanie
Synteza i przetwarzanie polega na stworzeniu materiału o pożądanej mikronanostrukturze. Z inżynierskiego punktu widzenia materiał nie może być stosowany w przemyśle, jeśli nie opracowano ekonomicznej metody jego produkcji. Zatem przetwarzanie materiałów ma kluczowe znaczenie w dziedzinie materiałoznawstwa. Różne materiały wymagają różnych metod przetwarzania lub syntezy. Na przykład obróbka metali była historycznie bardzo ważna i jest badana w ramach gałęzi materiałoznawstwa zwanej metalurgią fizyczną . Metody chemiczne i fizyczne są również wykorzystywane do syntezy innych materiałów, takich jak polimery , ceramika , cienkie warstwy itp. Od początku XXI wieku opracowywane są nowe metody syntezy nanomateriałów, takich jak grafen .
Termodynamika
Termodynamika zajmuje się ciepłem i temperaturą oraz ich związkiem z energią i pracą . Definiuje makroskopowe , takie jak energia wewnętrzna , entropia i ciśnienie , które częściowo opisują ciało materii lub promieniowanie. Stwierdza, że zachowanie tych zmiennych podlega ogólnym ograniczeniom wspólnym dla wszystkich materiałów. Te ogólne ograniczenia są wyrażone w czterech prawach termodynamiki. Termodynamika opisuje masowe zachowanie ciała, a nie mikroskopijne zachowanie bardzo dużej liczby jego mikroskopijnych składników, takich jak cząsteczki. Zachowanie tych mikroskopijnych cząstek opisuje i wywodzi się z nich prawa termodynamiki: mechanika statystyczna .
Badanie termodynamiki ma fundamentalne znaczenie dla materiałoznawstwa. Stanowi podstawę do leczenia ogólnych zjawisk w materiałoznawstwie i inżynierii materiałowej, w tym reakcji chemicznych, magnetyzmu, polaryzowalności i elastyczności. Pomaga również w zrozumieniu diagramów fazowych i równowagi fazowej.
Kinetyka
Kinetyka chemiczna to nauka o szybkości, z jaką układy, które nie są w równowadze, zmieniają się pod wpływem różnych sił. W zastosowaniu do materiałoznawstwa zajmuje się tym, jak materiał zmienia się w czasie (przechodzi od stanu nierównowagi do stanu równowagi) w wyniku zastosowania określonego pola. Zawiera szczegółowe informacje na temat tempa różnych procesów ewoluujących w materiałach, w tym kształtu, rozmiaru, składu i struktury. Dyfuzja jest ważna w badaniu kinetyki, ponieważ jest to najpowszechniejszy mechanizm zmiany materiałów. Kinetyka jest niezbędna w obróbce materiałów, ponieważ między innymi szczegółowo opisuje zmiany mikrostruktury pod wpływem ciepła.
Badania
Nauka o materiałach jest bardzo aktywnym obszarem badań. Wraz z wydziałami materiałoznawstwa, badaniami materiałowymi zajmują się wydziały fizyki , chemii i wiele wydziałów inżynierii . Badania materiałów obejmują szeroki zakres tematów; poniższa niewyczerpująca lista przedstawia kilka ważnych obszarów badawczych.
Nanomateriały
Nanomateriały opisują w zasadzie materiały, których pojedyncza jednostka ma rozmiar (w co najmniej jednym wymiarze) od 1 do 1000 nanometrów (10-9 metrów ), ale zwykle wynosi od 1 nm do 100 nm. Badania nad nanomateriałami przyjmują podejście do nanotechnologii oparte na materiałoznawstwie , wykorzystując postępy w metrologii i syntezie materiałów, które zostały opracowane w celu wsparcia mikrowytwarzania badania. Materiały o strukturze w nanoskali często mają unikalne właściwości optyczne, elektroniczne lub mechaniczne. Dziedzina nanomateriałów jest luźno zorganizowana, podobnie jak tradycyjna dziedzina chemii, na nanomateriały organiczne (oparte na węglu), takie jak fulereny, oraz nanomateriały nieorganiczne oparte na innych pierwiastkach, takich jak krzem. Przykłady nanomateriałów obejmują fulereny , nanorurki węglowe , nanokryształy itp.
Biomateriały
Biomateriał to dowolna materia, powierzchnia lub konstrukt, który oddziałuje z systemami biologicznymi. Badanie biomateriałów nazywa się nauką o biomateriałach . Odnotowuje stały i silny wzrost w swojej historii, a wiele firm inwestuje duże kwoty w opracowywanie nowych produktów. Nauka o biomateriałach obejmuje elementy medycyny , biologii , chemii , inżynierii tkankowej i materiałoznawstwa.
Biomateriały mogą pochodzić z natury lub być syntetyzowane w laboratorium przy użyciu różnych metod chemicznych z wykorzystaniem składników metalicznych, polimerów , bioceramiki lub materiałów kompozytowych . Często są przeznaczone lub przystosowane do zastosowań medycznych, takich jak urządzenia biomedyczne, które pełnią, wzmacniają lub zastępują naturalną funkcję. Takie funkcje mogą być łagodne, na przykład zastawki serca , lub mogą być bioaktywne z bardziej interaktywną funkcjonalnością, taką jak implanty biodrowe pokryte hydroksyapatytem . Biomateriały są również używane na co dzień w zastosowaniach dentystycznych, chirurgii i dostarczaniu leków. Na przykład konstrukt z impregnowanymi produktami farmaceutycznymi można umieścić w organizmie, co pozwala na przedłużone uwalnianie leku przez dłuższy okres czasu. Biomateriałem może być również autoprzeszczep , alloprzeszczep lub ksenoprzeszczep stosowany jako materiał do przeszczepu narządu .
Elektroniczne, optyczne i magnetyczne
Półprzewodniki, metale i ceramika są dziś wykorzystywane do tworzenia bardzo złożonych systemów, takich jak zintegrowane układy elektroniczne, urządzenia optoelektroniczne oraz magnetyczne i optyczne nośniki pamięci masowej. Materiały te stanowią podstawę naszego współczesnego świata komputerowego, dlatego badania nad tymi materiałami mają ogromne znaczenie.
Półprzewodniki są tradycyjnym przykładem tego typu materiałów. Są to materiały o właściwościach pośrednich między przewodnikami a izolatorami . Ich przewodnictwo elektryczne jest bardzo wrażliwe na stężenie zanieczyszczeń, co pozwala na zastosowanie domieszkowania w celu uzyskania pożądanych właściwości elektronicznych. Dlatego półprzewodniki stanowią podstawę tradycyjnego komputera.
Dziedzina ta obejmuje również nowe obszary badań, takie jak materiały nadprzewodzące , spintronika , metamateriały itp. Badanie tych materiałów wymaga wiedzy z zakresu materiałoznawstwa i fizyki ciała stałego lub fizyki materii skondensowanej .
Obliczeniowa nauka o materiałach
Wraz z ciągłym wzrostem mocy obliczeniowej możliwe stało się symulowanie zachowania materiałów. Umożliwia to materiałoznawcom zrozumienie zachowania i mechanizmów, projektowanie nowych materiałów i wyjaśnianie właściwości, które wcześniej były słabo poznane. Wysiłki związane ze zintegrowaną obliczeniową inżynierią materiałową koncentrują się obecnie na łączeniu metod obliczeniowych z eksperymentami, aby radykalnie skrócić czas i wysiłek związany z optymalizacją właściwości materiałów dla danego zastosowania. Obejmuje to symulowanie materiałów we wszystkich skalach długości, przy użyciu metod takich jak teoria funkcjonału gęstości , dynamika molekularna , Monte Carlo , dynamika dyslokacji, pole fazowe , element skończony i wiele innych.
Przemysł
Radykalne postępy w zakresie materiałów mogą napędzać tworzenie nowych produktów, a nawet nowych branż, ale stabilne branże zatrudniają również naukowców zajmujących się materiałami, którzy wprowadzają stopniowe ulepszenia i rozwiązują problemy z obecnie używanymi materiałami. Przemysłowe zastosowania materiałoznawstwa obejmują projektowanie materiałów, kompromisy kosztów i korzyści w przemysłowej produkcji materiałów, metody przetwarzania ( odlewanie , walcowanie , spawanie , implantacja jonów , wzrost kryształów , osadzanie cienkowarstwowych , spiekanie , dmuchanie szkła itp.) oraz metody analityczne (metody charakteryzacji, takie jak mikroskopia elektronowa , dyfrakcja rentgenowska , kalorymetria , mikroskopia jądrowa (HEFIB) , rozpraszanie wsteczne Rutherforda , dyfrakcja neutronów , rozpraszanie promieni rentgenowskich pod małymi kątami (SAXS) itp.) .
Oprócz charakteryzacji materiałów, materiałoznawca lub inżynier zajmuje się również wydobywaniem materiałów i przekształcaniem ich w użyteczne formy. Tak więc odlewanie wlewków, metody odlewnicze, ekstrakcja wielkopiecowa i ekstrakcja elektrolityczna są częścią wymaganej wiedzy inżyniera materiałowego. Często obecność, brak lub zmienność niewielkich ilości drugorzędnych pierwiastków i związków w materiale sypkim ma ogromny wpływ na końcowe właściwości wytwarzanych materiałów. Na przykład stale są klasyfikowane na podstawie 1/10 i 1/100 procentów wagowych węgla i innych pierwiastków stopowych, które zawierają. Zatem metody ekstrakcji i oczyszczania stosowane do ekstrakcji żelaza w wielkim piecu mogą wpływać na jakość produkowanej stali.
Materiały stałe są ogólnie podzielone na trzy podstawowe klasyfikacje: ceramika, metale i polimery. Ta szeroka klasyfikacja opiera się na empirycznym składzie i strukturze atomowej materiałów stałych, a większość ciał stałych należy do jednej z tych szerokich kategorii. Elementem często wykonywanym z każdego z tych materiałów jest pojemnik na napoje. Rodzaje materiałów stosowanych na pojemniki na napoje mają odpowiednio różne zalety i wady, w zależności od zastosowanego materiału. Ceramiczne (szklane) pojemniki są optycznie przezroczyste, nieprzepuszczalne dla dwutlenku węgla, stosunkowo niedrogie i łatwe do recyklingu, ale są również ciężkie i łatwo pękają. Metal (stop aluminium) jest stosunkowo wytrzymały, stanowi dobrą barierę dla dyfuzji dwutlenku węgla i łatwo poddaje się recyklingowi. Jednak puszki są nieprzezroczyste, drogie w produkcji i łatwo wgniatają się i przebijają. Polimery (plastik polietylenowy) są stosunkowo mocne, optycznie przezroczyste, niedrogie i lekkie oraz nadają się do recyklingu, ale nie są tak odporne na przenikanie dwutlenku węgla jak aluminium i szkło.
Ceramika i okulary
Innym zastosowaniem materiałoznawstwa jest badanie ceramiki i szkła , zazwyczaj najbardziej kruchych materiałów o znaczeniu przemysłowym. Wiele materiałów ceramicznych i szklanych wykazuje wiązania kowalencyjne lub jonowo-kowalencyjne z SiO 2 ( krzemionką ) jako podstawowym budulcem. Ceramika - nie mylić z surową, niewypaloną gliną - zwykle występują w postaci krystalicznej. Zdecydowana większość szkła komercyjnego zawiera tlenek metalu stopiony z krzemionką. W wysokich temperaturach stosowanych do przygotowania szkła materiał jest lepką cieczą, która po schłodzeniu krzepnie do stanu nieuporządkowanego. Ważnymi przykładami są szyby okienne i okulary. Włókna szklane są również wykorzystywane w telekomunikacji dalekiego zasięgu i transmisji optycznej. Odporne na zarysowania szkło Corning Gorilla Glass jest dobrze znanym przykładem zastosowania materiałoznawstwa do radykalnej poprawy właściwości typowych komponentów.
Ceramika inżynierska jest znana ze swojej sztywności i stabilności w wysokich temperaturach, ściskaniu i naprężeniach elektrycznych. Tlenek glinu, węglik krzemu i węglik wolframu są wytwarzane z drobnego proszku ich składników w procesie spiekania ze spoiwem. Prasowanie na gorąco zapewnia materiał o większej gęstości. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej może umieścić warstwę ceramiki na innym materiale. Cermetale to cząstki ceramiczne zawierające niektóre metale. Odporność narzędzi na zużycie pochodzi z węglików spiekanych z fazą metaliczną kobaltu i niklu, zwykle dodawanych w celu modyfikacji właściwości.
Kompozyty
Innym zastosowaniem materiałoznawstwa w przemyśle jest wytwarzanie materiałów kompozytowych . Są to materiały strukturalne złożone z dwóch lub więcej faz makroskopowych.
Zastosowania sięgają od elementów konstrukcyjnych, takich jak beton zbrojony stalą, po płytki termoizolacyjne, które odgrywają kluczową i integralną rolę w systemie ochrony termicznej promu kosmicznego NASA , który jest używany do ochrony powierzchni promu przed ciepłem podczas ponownego wejścia w ziemską atmosferę. Jednym z przykładów jest wzmocniony materiał Carbon-Carbon (RCC), jasnoszary materiał, który wytrzymuje temperatury przy wejściu do atmosfery do 1510°C (2750°F) i chroni przednie krawędzie skrzydeł promu kosmicznego oraz osłonę nosa. RCC to laminowany materiał kompozytowy wykonany z grafitowego sztucznego jedwabiu płótnem i impregnowane żywicą fenolową . Po utwardzeniu w wysokiej temperaturze w autoklawie laminat jest poddawany pirolizie w celu przekształcenia żywicy w węgiel, impregnowany alkoholem furfuralowym w komorze próżniowej i utwardzany-pirolizowany w celu przekształcenia alkoholu furfuralowego w węgiel . Aby zapewnić odporność na utlenianie w celu ponownego użycia, zewnętrzne warstwy RCC są przekształcane w węglik krzemu .
Inne przykłady można zobaczyć w "plastikowych" obudowach telewizorów, telefonów komórkowych itp. Te plastikowe osłonki są zwykle materiałem kompozytowym złożonym z matrycy termoplastycznej, takiej jak akrylonitryl-butadien-styren (ABS), do którego dodano kredę węglanu wapnia , talk , włókna szklane lub włókna węglowe w celu zwiększenia wytrzymałości, objętości lub dyspersji elektrostatycznej. Te dodatki można nazwać włóknami wzmacniającymi lub dyspergatorami, w zależności od ich przeznaczenia.
polimery
Polimery to związki chemiczne składające się z dużej liczby identycznych składników połączonych ze sobą jak łańcuchy. Są ważną częścią materiałoznawstwa. Polimery to surowce (żywice) używane do produkcji tak zwanych tworzyw sztucznych i gumy. Tworzywa sztuczne i guma są tak naprawdę produktem końcowym, powstałym po dodaniu jednego lub więcej polimerów lub dodatków do żywicy podczas przetwarzania, który jest następnie kształtowany w ostateczną formę. Tworzywa sztuczne, które istniały i są obecnie szeroko stosowane, obejmują polietylen , polipropylen , polichlorek winylu (PVC), polistyren , nylony , poliestry , akryle , poliuretany i poliwęglany , a także kauczuki, które były znane to kauczuk naturalny, kauczuk butadienowo-styrenowy , kauczuk chloroprenowy i kauczuk butadienowy . Tworzywa sztuczne są ogólnie klasyfikowane jako konstrukcyjne tworzywa sztuczne towarowe , specjalistyczne i .
Polichlorek winylu (PVC) jest szeroko stosowany, niedrogi, a roczna produkcja jest duża. Nadaje się do szerokiej gamy zastosowań, od sztucznej skóry po izolację elektryczną i okablowanie, opakowania i pojemniki . Jego produkcja i obróbka są proste i dobrze znane. Uniwersalność PCW wynika z szerokiej gamy plastyfikatorów i innych dodatków, które akceptuje. Termin „dodatki” w nauce o polimerach odnosi się do chemikaliów i związków dodawanych do bazy polimerowej w celu modyfikacji jej właściwości materiałowych.
Poliwęglan byłby zwykle uważany za tworzywo konstrukcyjne (inne przykłady to PEEK, ABS). Takie tworzywa sztuczne są cenione ze względu na ich doskonałą wytrzymałość i inne specjalne właściwości materiałowe. Zwykle nie są używane do zastosowań jednorazowych, w przeciwieństwie do tworzyw sztucznych.
Specjalistyczne tworzywa sztuczne to materiały o unikalnych właściwościach, takich jak ultrawysoka wytrzymałość, przewodność elektryczna, elektrofluorescencja, wysoka stabilność termiczna itp.
Linie podziału między różnymi rodzajami tworzyw sztucznych nie opierają się na materiale, ale raczej na ich właściwościach i zastosowaniach. Na przykład polietylen (PE) jest tanim polimerem o niskim współczynniku tarcia, powszechnie używanym do produkcji jednorazowych toreb na zakupy i śmieci, i jest uważany za tworzywo sztuczne, podczas gdy polietylen o średniej gęstości (MDPE) jest używany do podziemnych rur gazowych i wodociągowych oraz inna odmiana, zwana polietylenem o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE), jest tworzywem konstrukcyjnym, które jest szeroko stosowane jako szyny ślizgowe w sprzęcie przemysłowym i gniazdo o niskim współczynniku tarcia we implantowanych stawy biodrowe .
Stopy metali
Badanie stopów metali jest istotną częścią materiałoznawstwa. Spośród wszystkich używanych obecnie stopów metali stopy żelaza ( stal , stal nierdzewna , żeliwo , stal narzędziowa , stale stopowe ) stanowią największą część zarówno pod względem ilości, jak i wartości handlowej.
Żelazo stopowe z różnymi proporcjami węgla daje stale nisko, średnio i wysokowęglowe . Stop żelazo-węgiel jest uważany za stal tylko wtedy, gdy zawartość węgla wynosi od 0,01% do 2,00%. W przypadku stali twardość a wytrzymałość stali na rozciąganie jest związana z ilością obecnego węgla, przy czym rosnący poziom węgla prowadzi również do niższej plastyczności i udarności. Procesy obróbki cieplnej, takie jak hartowanie i odpuszczanie, mogą jednak znacząco zmienić te właściwości. Żeliwo jest definiowane jako stop żelazowo-węglowy zawierający więcej niż 2,00%, ale mniej niż 6,67% węgla. Stal nierdzewna jest zdefiniowana jako zwykły stop stali zawierający więcej niż 10% wagowych zawartości stopu chromu. Nikiel i molibden zwykle występują również w stalach nierdzewnych.
Inne znaczące stopy metali to aluminium , tytan , miedź i magnez . Stopy miedzi znane są od dawna (od epoki brązu ), podczas gdy stopy pozostałych trzech metali zostały opracowane stosunkowo niedawno. Ze względu na reaktywność chemiczną tych metali wymagane procesy ekstrakcji elektrolitycznej opracowano stosunkowo niedawno. Stopy aluminium, tytanu i magnezu są również znane i cenione ze względu na wysoki stosunek wytrzymałości do masy oraz, w przypadku magnezu, zdolność do ekranowania elektromagnetycznego. Materiały te są idealne w sytuacjach, w których wysoki stosunek wytrzymałości do masy jest ważniejszy niż koszt hurtowy, na przykład w przemyśle lotniczym i niektórych zastosowaniach inżynierii samochodowej.
Półprzewodniki
Badanie półprzewodników jest istotną częścią materiałoznawstwa. Półprzewodnik , którego rezystywność mieści się między metalem a izolatorem. Jego właściwości elektroniczne można znacznie zmienić poprzez celowe wprowadzenie zanieczyszczeń lub domieszek. Z tych materiałów półprzewodnikowych takie rzeczy jak diody , tranzystory , diody elektroluminescencyjne (LED) oraz analogowe i cyfrowe obwody elektryczne mogą być budowane, co czyni je materiałami interesującymi w przemyśle. W większości zastosowań urządzenia półprzewodnikowe zastąpiły urządzenia termoelektryczne (lampy próżniowe). Urządzenia półprzewodnikowe są produkowane zarówno jako pojedyncze urządzenia dyskretne, jak i jako układy scalone (IC), które składają się z wielu — od kilku do milionów — urządzeń wyprodukowanych i połączonych ze sobą na jednym podłożu półprzewodnikowym.
Ze wszystkich używanych obecnie półprzewodników krzem stanowi największą część zarówno pod względem ilości, jak i wartości handlowej. Krzem monokrystaliczny jest wykorzystywany do produkcji płytek wykorzystywanych w przemyśle półprzewodnikowym i elektronicznym . Drugi po krzemie arsenek galu (GaAs) jest drugim najczęściej używanym półprzewodnikiem. Ze względu na wyższą ruchliwość elektronów i prędkość nasycenia w porównaniu z krzemem jest materiałem z wyboru do zastosowań w elektronice o dużej szybkości. Te doskonałe właściwości są przekonującymi powodami do stosowania obwodów GaAs w telefonach komórkowych, komunikacji satelitarnej, mikrofalowych łączach typu punkt-punkt i systemach radarowych o wyższej częstotliwości. Inne materiały półprzewodnikowe obejmują german , węglik krzemu i azotek galu i mają różne zastosowania.
Związek z innymi dziedzinami
Nauka o materiałach ewoluowała, począwszy od lat pięćdziesiątych XX wieku, ponieważ uznano, że aby tworzyć, odkrywać i projektować nowe materiały, trzeba do tego podejść w sposób ujednolicony. W ten sposób inżynieria materiałowa i inżynieria pojawiły się na wiele sposobów: zmiana nazwy i / lub połączenie istniejących wydziałów metalurgii i inżynierii ceramiki ; oderwanie się od istniejących badań fizyki ciała stałego (które same przekształciły się w fizykę materii skondensowanej ); włączenie stosunkowo nowej inżynierii polimerów i nauki o polimerach ; rekombinacja z poprzedniego, jak również chemia , inżynieria chemiczna , inżynieria mechaniczna i elektrotechnika ; i więcej.
Dziedzina materiałoznawstwa i inżynierii materiałowej jest ważna zarówno z punktu widzenia naukowego, jak i aplikacyjnego. Materiały mają ogromne znaczenie dla inżynierów (lub innych dziedzin), ponieważ użycie odpowiednich materiałów ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu systemów. W rezultacie materiałoznawstwo jest coraz ważniejszą częścią edukacji inżyniera.
Fizyka materiałów to wykorzystanie fizyki do opisu właściwości fizycznych materiałów. Jest to synteza nauk fizycznych , takich jak chemia , mechanika ciała stałego , fizyka ciała stałego i materiałoznawstwo. Fizyka materiałów jest uważana za podzbiór fizyki materii skondensowanej i stosuje podstawowe koncepcje materii skondensowanej do złożonych mediów wielofazowych, w tym materiałów o znaczeniu technologicznym. Obecne dziedziny, w których pracują fizycy materiałów, obejmują materiały elektroniczne, optyczne i magnetyczne, nowe materiały i struktury, zjawiska kwantowe w materiałach, fizykę stanu nierównowagi i fizykę miękkiej materii skondensowanej. Nowe narzędzia eksperymentalne i obliczeniowe stale ulepszają sposób modelowania i badania systemów materiałowych, a także są dziedzinami, w których pracują fizycy materiałów.
Dziedzina jest z natury interdyscyplinarna , a naukowcy zajmujący się materiałami lub inżynierowie muszą być świadomi i wykorzystywać metody fizyka, chemika i inżyniera. I odwrotnie, dziedziny takie jak nauki przyrodnicze i archeologia mogą inspirować rozwój nowych materiałów i procesów w podejściach bioinspirowanych i paleoinspirowanych . W związku z tym pozostają bliskie związki z tymi dziedzinami. I odwrotnie, wielu fizyków, chemików i inżynierów pracuje w materiałoznawstwie ze względu na znaczne nakładanie się dziedzin.
Nowe technologie
| Powstająca technologia | Status | Potencjalnie marginalizowane technologie | Potencjalne aplikacje | Powiązane artykuły |
|---|---|---|---|---|
| aerożel | Hipotetyczne, eksperymenty, dyfuzja, wczesne zastosowania |
Tradycyjna izolacja, szkło | Ulepszona izolacja, szkło izolacyjne, jeśli można je wyczyścić, rękawy do rurociągów naftowych, lotnictwo, zastosowania w wysokich temperaturach i ekstremalnie niskich temperaturach | |
| Amorficzny metal | Eksperymenty | Kevlar | Zbroja | |
| Polimery przewodzące | Badania, eksperymenty, prototypy | Przewody | Lżejsze i tańsze przewody, materiały antystatyczne, organiczne ogniwa słoneczne | |
| Femtotechnologia , pikotechnologia | Hipotetyczny | Obecna energia jądrowa | Nowe materiały; broń jądrowa, energia | |
| fuleren | Eksperymenty, rozpowszechnianie | Syntetyczne nanorurki diamentowe i węglowe (Buckypaper) | Programowalna materia | |
| Grafen | Hipotetyczne, eksperymenty, dyfuzja, wczesne zastosowania |
Układ scalony na bazie krzemu | Komponenty o wyższym stosunku wytrzymałości do masy, tranzystory pracujące z wyższą częstotliwością, niższy koszt wyświetlaczy w urządzeniach mobilnych, magazynowanie wodoru do samochodów napędzanych ogniwami paliwowymi, systemy filtracji, trwalsze i szybciej ładujące się akumulatory, czujniki do diagnozowania chorób | Potencjalne zastosowania grafenu |
| Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe | filtrów RF i mikrofalowych odbiorników kriogenicznych (CRFE) do stacji bazowych telefonii komórkowej; prototypy w suchym lodzie ; Hipotetyczne i eksperymentalne dla wyższych temperatur | Drut miedziany, układy scalone półprzewodnikowe | Bezstratne przewodniki, łożyska bez tarcia, lewitacja magnetyczna , bezstratne akumulatory o dużej pojemności , samochody elektryczne , bezciepłe układy scalone i procesory | |
| LiTraCon | Eksperymenty, które już wykorzystano do stworzenia Europe Gate | Szkło | Budowanie drapaczy chmur, wież i rzeźb, takich jak Brama Europy | |
| Metamateriały | Hipotetyczne, eksperymenty, dyfuzja | Optyka klasyczna | Mikroskopy , kamery , maskowanie metamateriałowe , urządzenia maskujące | |
| Pianka metalowa | Badania, komercjalizacja | kadłuby | Kosmiczne kolonie , pływające miasta | |
| Struktury wielofunkcyjne | Hipotetyczne, eksperymenty, trochę prototypów, kilka komercyjnych | Materiały kompozytowe | Szeroki zakres, np. monitorowanie samozdrowia, materiał samonaprawiający się , morfing | |
| Nanomateriały : nanorurki węglowe | Hipotetyczne, eksperymenty, dyfuzja, wczesne zastosowania |
Stal konstrukcyjna i aluminium | Mocniejsze, lżejsze materiały, winda kosmiczna | Potencjalne zastosowania nanorurek węglowych , włókno węglowe |
| Programowalna materia | Hipotetyczny, eksperymenty | Powłoki , katalizatory | Szeroki zakres, np. claytronika , biologia syntetyczna | |
| Kropki kwantowe | Badania, eksperymenty, prototypy | LCD , LED | Laser z kropkami kwantowymi , przyszłe zastosowanie jako programowalna materia w technologiach wyświetlania (telewizja, projekcja), optyczna komunikacja danych (szybka transmisja danych), medycyna (laserowy skalpel) | |
| silicen | Hipotetyczny, badanie | Tranzystory polowe |
Subdyscypliny
Główne gałęzie materiałoznawstwa wywodzą się z czterech głównych klas materiałów: ceramiki, metali, polimerów i kompozytów.
Istnieją dodatkowo szeroko stosowane, niezależne od materiałów przedsięwzięcia.
- Charakterystyka materiałów ( spektroskopia , mikroskopia , dyfrakcja )
- Obliczeniowa nauka o materiałach
- Informatyka i dobór materiałów
Istnieją również stosunkowo szerokie skupienia w różnych materiałach na określonych zjawiskach i technikach.
Dziedziny pokrewne lub interdyscyplinarne
- Fizyka materii skondensowanej , fizyka ciała stałego i chemia ciała stałego
- Nanotechnologia
- Mineralogia
- Chemia supramolekularna
- Nauka o biomateriałach
Towarzystwa zawodowe
- Amerykańskie Towarzystwo Ceramiczne
- ASM International
- Stowarzyszenie Technologii Żelaza i Stali
- Towarzystwo Badań Materiałowych
- Towarzystwo Minerałów, Metali i Materiałów
Zobacz też
Cytaty
Bibliografia
- Ashby, Michael; Hugh Shercliffa; David Cebon (2007). Materiały: inżynieria, nauka, przetwarzanie i projektowanie (wyd. 1). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3 .
- Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phule (2005). Nauka i inżynieria materiałów (wyd. 5). Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-55396-8 .
- Callister, Jr., William D. (2000). Nauka o materiałach i inżynieria - wprowadzenie (wyd. 5). John Wiley i synowie. ISBN 978-0-471-32013-5 .
- Eberhart, Mark (2003). Dlaczego wszystko się psuje: zrozumienie świata na podstawie tego, jak się rozpada . Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4 .
- Gaskell, David R. (1995). Wprowadzenie do termodynamiki materiałów (wyd. 4). Wydawnictwo Taylora i Francisa. ISBN 978-1-56032-992-3 .
- González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Wprowadzenie do nauki o materiałach . Wydawnictwo Uniwersytetu Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1 .
- Gordon, James Edward (1984). Nowa nauka o mocnych materiałach lub dlaczego nie spadasz przez podłogę (wydanie elektroniczne). Wydawnictwo Uniwersytetu Princeton. ISBN 978-0-691-02380-9 .
- Mathews, Floryda i Rawlings, RD (1999). Materiały kompozytowe: inżynieria i nauka . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1 .
- Lewis, PR; Reynolds, K. i Gagg, C. (2003). Inżynieria materiałów kryminalistycznych: studia przypadków . Boca Raton: CRC Press. ISBN 9780849311826 .
- Wachtman, John B. (1996). Właściwości mechaniczne ceramiki . Nowy Jork: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 978-0-471-13316-2 .
- Walker, P., wyd. (1993). Chambers Dictionary of Material Science and Technology . Wydawnictwo Izby. ISBN 978-0-550-13249-9 .
- Mahajan, S. (2015). „Rola materiałoznawstwa w ewolucji mikroelektroniki” . Biuletyn MRS . 12 (40): 1079–1088. Bibcode : 2015MRSBu..40.1079M . doi : 10.1557/mrs.2015.276 .
Dalsza lektura
- Kalendarium nauki o materiałach w The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) - dostęp: marzec 2007
- Burns, G.; Glazer, AM (1990). Grupy kosmiczne dla naukowców i inżynierów (wyd. 2). Boston: Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-145761-7 .
- Cullity, BD (1978). Elementy dyfrakcji rentgenowskiej (wyd. 2). Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 978-0-534-55396-8 .
- Giacovazzo, C; Monako HL; Viterbo D; Scordari F; Gilli G; Zanotti G; Catti M (1992). Podstawy krystalografii . Oksford: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-855578-0 .
- Zielony, DJ; Hannink, R.; Swain, MV (1989). Transformacyjne hartowanie ceramiki . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2 .
- Lovesey, SW (1984). Teoria rozpraszania neutronów w materii skondensowanej; Tom 1: Rozpraszanie neutronów . Oksford: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-852015-3 .
- Lovesey, SW (1984). Teoria rozpraszania neutronów w materii skondensowanej; Tom 2: Materia skondensowana . Oksford: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-852017-7 .
- O'Keeffe, M.; Hyde, BG (1996). struktury krystaliczne; I. Wzory i symetria . Zeitschrift für Kristallographie . Tom. 212. Waszyngton, DC: Towarzystwo Mineralogiczne Ameryki, seria monografii. P. 899. Bibcode : 1997ZK....212..899K . doi : 10.1524/zkri.1997.212.12.899 . ISBN 978-0-939950-40-9 .
- Giermkowie, GL (1996). Wprowadzenie do teorii rozpraszania neutronów termicznych (wyd. 2). Mineola, Nowy Jork: Dover Publications Inc. ISBN 978-0-486-69447-4 .
- Młody, RA, wyd. (1993). Metoda Rietvelda . Oxford: Oxford University Press i Międzynarodowa Unia Krystalografii. ISBN 978-0-19-855577-3 .
|
Gałęzie inżynierii materiałowej
| |
|---|---|
| Główne zajęcia | |
| Materiał niezależny | |
| Domeny | |
| Interdyscyplinarny | |
|
Specjalizacje i Interdyscyplinarność |
|
 |
||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Wykształcenie inżynierskie | ||||||||||||
| powiązane tematy | ||||||||||||
| Glosariusze | ||||||||||||
|
Gałęzie chemii
| |
|---|---|
| Analityczny | |
| Teoretyczny | |
| Fizyczny | |
| Nieorganiczny | |
| Organiczny | |
| Biologiczny | |
| Interdyscyplinarność | |
| Zobacz też | |
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
