Материаловедение - Materials science

А алмаз кубооктаэдр показаны семь кристаллографический самолеты, запечатленные с сканирующая электронная микроскопия

В междисциплинарный поле материаловедение, также обычно называемый материаловедение и инженерия, это разработка и открытие новых материалов, в частности твердые вещества. Интеллектуальные истоки материаловедения связаны с Просвещение, когда исследователи начали использовать аналитическое мышление из химия, физика, и инженерное дело понимать древнее, феноменологический наблюдения в металлургия и минералогия.[1][2] Материаловедение по-прежнему включает в себя элементы физики, химии и инженерии. Таким образом, эта область долгое время рассматривалась академическими учреждениями как подобласть этих смежных областей. Начиная с 1940-х годов, материаловедение стало получать более широкое признание как особая и отдельная область науки и техники, и крупные технические университеты по всему миру создали специальные школы для ее изучения.

Материаловедение - это синкретический дисциплина гибридизация металлургии, керамики, физика твердого тела, и химия. Это первый пример новой академической дисциплины, возникшей в результате синтеза, а не деления.[3]

Многие из наиболее острых научных проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются люди, связаны с ограниченностью доступных материалов и способами их использования. Таким образом, прорывы в науке о материалах могут существенно повлиять на будущее технологий.[4][5]

Материаловеды подчеркивают понимание того, как история материала (его обработка) влияет на его структуру и, следовательно, на свойства и характеристики материала. Понимание взаимосвязей обработка-структура-свойства называется § парадигма материалов. Эта парадигма используется для углубления понимания в различных областях исследований, включая нанотехнологии, биоматериалы, и металлургия. Материаловедение также является важной частью судебная экспертиза и анализ отказов - исследование материалов, продуктов, конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не функционируют должным образом, что приводит к травмам или повреждению имущества. Такие исследования являются ключом к пониманию, например, причин различных авиационные происшествия и инциденты.

История

Основная статья: История материаловедения
Поздно Меч бронзового века или лезвие кинжала

Выбор материала той или иной эпохи часто является определяющим моментом. Такие фразы, как Каменный век, Бронзовый век, Железный век, и Стальной век являются историческими, если не сказать произвольными примерами. Первоначально происходящие из производства керамика и его предполагаемая производная металлургия, материаловедение - одна из старейших форм инженерной и прикладной науки. Современное материаловедение возникло непосредственно из металлургия, который произошел от горного дела и (вероятно) керамики, а ранее от использования огня. Крупный прорыв в понимании материалов произошел в конце 19 века, когда американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс продемонстрировал, что термодинамический свойства, связанные с атомный структура в различных фазы связаны с физическими свойствами материала. Важными элементами современного материаловедения стали продукты Космическая гонка: понимание и инженерное дело металлического сплавы, и кремнезем и углерод материалы, используемые при создании космических аппаратов, позволяющих исследовать космос. Материаловедение было движущей силой и движущей силой развития революционных технологий, таких как каучуки, пластмассы, полупроводники, и биоматериалы.

До 1960-х годов (а в некоторых случаях и десятилетия спустя) многие в конечном итоге материаловедение отделы были металлургия или же керамика отделы, отражающие упор на металлы и керамику в XIX и начале XX века. Рост материаловедения в США частично был вызван Агентство перспективных исследовательских проектов, которая финансировала ряд лабораторий при университетах в начале 1960-х, «с целью расширения национальной программы фундаментальных исследований и подготовки кадров в области материаловедения».[6] С тех пор эта область расширилась и теперь включает все классы материалов, в том числе керамика, полимеры, полупроводники, магнитный материалы, биоматериалы, и наноматериалы, обычно подразделяются на три отдельные группы: керамика, металлы и полимеры. Заметным изменением в материаловедении за последние десятилетия стало активное использование компьютерного моделирования для поиска новых материалов, предсказания свойств и понимания явлений.

Основы

Материальная парадигма представлена ​​в виде тетраэдра.

Материал определяется как вещество (чаще всего твердое, но могут быть включены и другие конденсированные фазы), которое предназначено для использования в определенных областях.[7] Вокруг нас множество материалов - их можно найти в чем угодно, от зданий до космических кораблей. В целом материалы можно разделить на два класса: кристаллический и некристаллический. Традиционные примеры материалов: металлы, полупроводники, керамика и полимеры.[8] Новые и современные материалы, которые разрабатываются, включают: наноматериалы, биоматериалы,[9] и энергетические материалы назвать несколько.

В основе материаловедения лежит изучение структуры материалов и их соотнесение с их характеристики. Как только ученый-материаловед узнает об этой корреляции структуры и свойств, он может перейти к изучению относительных характеристик материала в данном приложении. Основными определяющими факторами структуры материала и, следовательно, его свойств являются составляющие его химические элементы и способ, которым он был переработан в свою окончательную форму. Эти характеристики, взятые вместе и связанные через законы термодинамика и кинетика, управлять материалом микроструктура, а значит, и его свойства.

Структура

Как упоминалось выше, структура - одна из важнейших составляющих области материаловедения. Материаловедение изучает структуру материалов от атомного масштаба до макроуровня. Характеристика Это способ, которым материаловеды исследуют структуру материала. Это включает в себя такие методы, как дифракция с Рентгеновские лучи, электроны, или же нейтроны, и различные формы спектроскопия и химический анализ Такие как Рамановская спектроскопия, энергодисперсионная спектроскопия (EDS), хроматография, термический анализ, электронный микроскоп анализ и т. д. Структура изучается на различных уровнях, как подробно описано ниже.

Атомная структура

Это касается атомов материалов и того, как они устроены, давая молекулы, кристаллы и т. Д. Многие электрические, магнитные и химические свойства материалов возникают на этом уровне структуры. Используемые шкалы длины указаны в ангстремах (Å Химическая связь и расположение атомов (кристаллография) имеют фундаментальное значение для изучения свойств и поведения любого материала.

Склеивание
Основная статья: Химическая связь

Чтобы получить полное представление о структуре материала и о том, как она соотносится с его свойствами, материаловед должен изучить, как различные атомы, ионы и молекулы расположены и связаны друг с другом. Это предполагает изучение и использование квантовая химия или же квантовая физика. Физика твердого тела, химия твердого тела и физическая химия также участвуют в изучении склеивания и структуры.

Кристаллография
Основная статья: Кристаллография
Кристаллическая структура перовскита с химической формулой ABX3[10]

Кристаллография - это наука, изучающая расположение атомов в кристаллических твердых телах. Кристаллография - полезный инструмент для материаловедов. В монокристаллах эффекты кристаллического расположения атомов часто легко увидеть макроскопически, поскольку естественные формы кристаллов отражают атомную структуру. Кроме того, физические свойства часто контролируются кристаллическими дефектами. Понимание кристаллических структур - важная предпосылка для понимания кристаллографических дефектов. В основном материалы встречаются не в виде монокристаллов, а в поликристаллической форме, то есть в виде совокупности небольших кристаллов с разной ориентацией. По этой причине метод порошковой дифракции, который использует дифрактограммы поликристаллических образцов с большим количеством кристаллов, играет важную роль в структурном определении. Большинство материалов имеют кристаллическую структуру, но некоторые важные материалы не демонстрируют регулярную кристаллическую структуру. Полимеры демонстрируют разную степень кристалличности, и многие из них полностью некристаллические. Стекло, некоторые керамические и многие натуральные материалы аморфный, не обладающие дальним порядком в своем атомном расположении. Изучение полимеров объединяет элементы химической и статистической термодинамики, чтобы дать термодинамическое и механическое описание физических свойств.

Наноструктура

Основная статья: Наноструктура
Бакминстерфуллерен наноструктура

Наноструктура имеет дело с объектами и структурами в диапазоне 1–100 нм.[11] Во многих материалах атомы или молекулы агломерируются вместе, образуя объекты в наномасштабе. Это обуславливает множество интересных электрических, магнитных, оптических и механических свойств.

При описании наноструктур необходимо различать количество измерений на наноразмер. Нанотекстурированные поверхности имеют одно измерение на наномасштабе, то есть только толщина поверхности объекта составляет от 0,1 до 100 нм. Нанотрубки имеют два измерения в наномасштабе, т.е. диаметр трубки составляет от 0,1 до 100 нм; его длина могла быть намного больше. Наконец, сферический наночастицы имеют три измерения на наномасштабе, то есть размер частицы составляет от 0,1 до 100 нм в каждом пространственном измерении. Термины наночастицы и сверхмелкие частицы (UFP) часто используются как синонимы, хотя UFP может достигать микрометрового диапазона. Термин «наноструктура» часто используется в отношении магнитной технологии. Наноразмерную структуру в биологии часто называют ультраструктура.

Материалы, атомы и молекулы которых образуют составляющие в наномасштабе (т. Е. Образуют наноструктуру), называются наноматериалами. Наноматериалы являются предметом интенсивных исследований в сообществе материаловедов из-за уникальных свойств, которые они демонстрируют.

Микроструктура

Основная статья: Микроструктура
Микроструктура перлита

Микроструктура определяется как структура подготовленной поверхности или тонкой фольги материала, обнаруженная под микроскопом при увеличении более 25 раз. Он работает с объектами от 100 нм до нескольких сантиметров. Микроструктура материала (который в широком смысле можно разделить на металлические, полимерные, керамические и композитные) может сильно влиять на физические свойства, такие как прочность, ударная вязкость, пластичность, твердость, коррозионная стойкость, поведение при высоких / низких температурах, износостойкость и т. Д. . Большинство традиционных материалов (таких как металлы и керамика) микроструктурированы.

Изготовление идеального кристалл материала физически невозможно. Например, любой кристаллический материал будет содержать дефекты Такие как осаждает, границы зерен (Отношения Холла-Петча ), вакансии, межузельные атомы или замещающие атомы. Микроструктура материалов выявляет эти более крупные дефекты, так что их можно изучать, благодаря значительному прогрессу в моделировании, что приводит к экспоненциальному росту понимания того, как дефекты могут быть использованы для улучшения свойств материала.

Макроструктура

Макроструктура - это внешний вид материала в масштабе от миллиметров до метров - это структура материала, видимая невооруженным глазом.

Характеристики

Основная статья: Список свойств материалов

Материалы обладают множеством свойств, включая следующие.

Свойства материала определяют его удобство использования и, следовательно, его инженерное применение.

Обработка

Синтез и обработка включают создание материала с желаемой микронаноструктурой. С инженерной точки зрения материал не может быть использован в промышленности, если для него не разработан экономичный метод производства. Таким образом, обработка материалов жизненно важна для материаловедения.

Для разных материалов требуются разные методы обработки или синтеза. Например, обработка металлов исторически имела большое значение и изучается в рамках раздела материаловедения под названием физический металлургия. Кроме того, химические и физические методы также используются для синтеза других материалов, таких как полимеры, керамика, тонкие пленки и т. д. В начале 21 века разрабатываются новые методы синтеза наноматериалов, таких как графен.

Термодинамика

Основная статья: Термодинамика
Фазовая диаграмма двойной системы, отображающая эвтектическую точку

Термодинамика занимается высокая температура и температура и их отношение к энергия и работай. Это определяет макроскопический переменные, такие как внутренняя энергия, энтропия, и давление, которые частично описывают тело материи или излучения. В нем говорится, что поведение этих переменных подчиняется общим ограничениям, общим для всех материалов. Эти общие ограничения выражены в четырех законах термодинамики. Термодинамика описывает объемное поведение тела, а не микроскопическое поведение очень большого числа его микроскопических составляющих, таких как молекулы. Поведение этих микроскопических частиц описывается, а законы термодинамики выводятся из статистическая механика.

Изучение термодинамики имеет фундаментальное значение для материаловедения. Он формирует основу для изучения общих явлений в материаловедении и инженерии, включая химические реакции, магнетизм, поляризуемость и упругость. Это также помогает в понимании фазовых диаграмм и фазового равновесия.

Кинетика

Основная статья: Химическая кинетика

Химическая кинетика - это изучение скорости, с которой системы, находящиеся вне равновесия, изменяются под действием различных сил. Применительно к материаловедению он касается того, как материал изменяется со временем (перемещается из неравновесного состояния в равновесное) из-за приложения определенного поля. В нем подробно описывается скорость различных процессов, происходящих в материалах, включая форму, размер, состав и структуру. Распространение важен при изучении кинетики, поскольку это наиболее распространенный механизм, с помощью которого материалы претерпевают изменения.

Кинетика важна при обработке материалов, потому что, помимо прочего, она детализирует, как микроструктура изменяется под воздействием тепла.

В исследованиях

Материаловедение - очень активная область исследований. Совместно с кафедрами материаловедения, физика, химия, и много инженерное дело кафедры занимаются материаловедением. Исследование материалов охватывает широкий круг тем - следующий неполный список выделяет несколько важных областей исследования.

Наноматериалы

Основная статья: Наноматериалы
А сканирующая электронная микроскопия изображение пучков углеродных нанотрубок

Наноматериалы описывают, в принципе, материалы, размер одного элемента которых (по крайней мере в одном измерении) составляет от 1 до 1000 нанометров (10−9 метр), но обычно составляет 1–100 нм.

Исследования наноматериалов основаны на материаловедении. нанотехнологии, используя достижения в материалах метрология и синтез, которые были разработаны в поддержку микротехнология исследование. Материалы со структурой на наномасштабе часто обладают уникальными оптическими, электронными или механическими свойствами.

Область наноматериалов слабо организована, как и традиционная область химии, в органические (на основе углерода) наноматериалы, такие как фуллерены, и неорганические наноматериалы на основе других элементов, таких как кремний. Примеры наноматериалов включают фуллерены, углеродные нанотрубки, нанокристаллы, так далее.

Биоматериалы

Основная статья: Биоматериал
Радужный перламутр внутри наутилус ракушка

Биоматериал - это любой материал, поверхность или конструкция, которые взаимодействуют с биологическими системами. Исследование биоматериалов называется био материаловедение. За свою историю компания пережила устойчивый и сильный рост, и многие компании вкладывали большие суммы денег в разработку новых продуктов. Наука о биоматериалах включает в себя элементы лекарство, биология, химия, тканевая инженерия, материаловедение.

Биоматериалы могут быть получены либо природой, либо синтезированы в лаборатории с использованием различных химических подходов с использованием металлических компонентов, полимеры, биокерамика, или же композитные материалы. Они часто предназначены или адаптированы для медицинских приложений, таких как биомедицинские устройства, которые выполняют, дополняют или заменяют естественную функцию. Такие функции могут быть безобидными, например, использоваться для сердечный клапан, или, может быть биоактивный с более интерактивными функциями, такими как гидроксилапатит -покрытый имплантаты бедра. Биоматериалы также используются каждый день в стоматологии, хирургии и доставке лекарств. Например, конструкция с пропитанными фармацевтическими продуктами может быть помещена в тело, что позволяет пролонгировать высвобождение лекарственного средства в течение продолжительного периода времени. Биоматериал также может быть аутотрансплантат, аллотрансплантат или же ксенотрансплантат используется как трансплантация органа материал.

Электронный, оптический и магнитный

Метаматериал с отрицательным индексом[12][13]

Полупроводники, металлы и керамика сегодня используются для формирования очень сложных систем, таких как интегральные электронные схемы, оптоэлектронные устройства, а также магнитные и оптические носители информации. Эти материалы составляют основу нашего современного компьютерного мира, поэтому исследования этих материалов имеют жизненно важное значение.

Полупроводники являются традиционным примером таких материалов. Это материалы, обладающие промежуточными свойствами между проводники и изоляторы. Их электропроводность очень чувствительна к концентрации примесей, что позволяет использовать допинг для достижения желаемых электронных свойств. Следовательно, полупроводники составляют основу традиционного компьютера.

Эта область также включает новые области исследований, такие как сверхпроводящий материалы, спинтроника, метаматериалы и др. Изучение этих материалов предполагает знания материаловедения и физика твердого тела или же физика конденсированного состояния.

Вычислительное материаловедение

Основная статья: Вычислительное материаловедение

С продолжающимся ростом вычислительной мощности стало возможным моделирование поведения материалов. Это позволяет материаловедам понимать поведение и механизмы, разрабатывать новые материалы и объяснять свойства, которые ранее были плохо изучены. Усилия окружающие Комплексная инженерия вычислительных материалов теперь сосредоточены на сочетании вычислительных методов с экспериментами, чтобы резко сократить время и усилия по оптимизации свойств материалов для конкретного приложения. Это включает моделирование материалов во всех масштабах длины с использованием таких методов, как теория функционала плотности, молекулярная динамика, Монте-Карло, динамика дислокации, фазовое поле, заключительный элемент и многое другое.

В промышленности

Радикальный материалы авансы может стимулировать создание новых продуктов или даже новых отраслей, но стабильные отрасли также нанимают материаловедов для внесения дополнительных улучшений и устранения проблем с используемыми в настоящее время материалами. Промышленные применения материаловедения включают проектирование материалов, компромисс между рентабельностью при промышленном производстве материалов, методы обработки (Кастинг, прокатка, сварка, ионная имплантация, рост кристаллов, осаждение тонких пленок, спекание, выдувание стекла и т. д.), и аналитические методы (методы характеризации, такие как электронная микроскопия, дифракция рентгеновских лучей, калориметрия, ядерная микроскопия (HEFIB), Резерфордовское обратное рассеяние, нейтронография, малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (МУРР) и др.).

Помимо характеристики материала, ученый-материаловед или инженер также занимается извлечением материалов и преобразованием их в полезные формы. Таким образом, литье слитков, методы литья, извлечение из доменной печи и электролитическое извлечение - все это часть необходимых знаний инженера по материалам. Часто присутствие, отсутствие или изменение незначительных количеств вторичных элементов и соединений в сыпучем материале сильно влияет на конечные свойства производимых материалов. Например, стали классифицируются на основе 1/10 и 1/100 массовых процентов углерода и других содержащихся в них легирующих элементов. Таким образом, методы извлечения и очистки, используемые для извлечения железа в доменной печи, могут повлиять на качество производимой стали.

Керамика и стекло

Основная статья: Керамика
Si3N4 керамические опорные части

Еще одно применение материаловедения - это структуры керамика и стекло обычно ассоциируется с наиболее хрупкими материалами. Для связывания керамики и стекла используются ковалентные и ионно-ковалентные типы с SiO.2 (кремнезем или песок) в качестве основного строительного блока. Керамика мягкая, как глина, или твердая, как камень и бетон. Обычно они имеют кристаллическую форму. Большинство стекол содержат оксид металла, сплавленный с кремнеземом. При высоких температурах, используемых для изготовления стекла, материал представляет собой вязкую жидкость. При охлаждении структура стекла переходит в аморфное состояние. Оконные стекла и очки - важные примеры. Также доступны стекловолокна. Устойчивый к царапинам Corning Стекло повышенной прочности это хорошо известный пример применения материаловедения для значительного улучшения свойств обычных компонентов. Алмаз и углерод в его графитовой форме считаются керамикой.

Техническая керамика известна своей жесткостью и стабильностью при высоких температурах, сжатии и электрическом напряжении. Глинозем, Карбид кремния, и карбид вольфрама изготавливаются из мелкодисперсного порошка составляющих их компонентов в процессе спекания со связующим. Горячее прессование обеспечивает более высокую плотность материала. Химическое осаждение из паровой фазы может нанести керамическую пленку на другой материал. Керметы - это керамические частицы, содержащие некоторые металлы. Износостойкость инструментов обеспечивается цементированными карбидами с металлической фазой кобальта и никеля, обычно добавляемой для изменения свойств.

Композиты

Основная статья: Композитный материал
Углеродная нить диаметром 6 мкм (идущая снизу слева направо), расположенная поверх гораздо более крупного человеческого волоса.

Нити обычно используются для армирования в композитные материалы.

Еще одно применение материаловедения в промышленности - создание композитные материалы. Это структурированные материалы, состоящие из двух или более макроскопических фаз. Применения варьируются от конструктивных элементов, таких как железобетон, до теплоизоляционных плиток, которые играют ключевую и неотъемлемую роль в деятельности НАСА. Система тепловой защиты Space Shuttle который используется для защиты поверхности шаттла от тепла при входе в атмосферу Земли. Одним из примеров является усиленный углерод-углерод (RCC), светло-серый материал, который выдерживает температуры входа в атмосферу до 1510 ° C (2750 ° F) и защищает передние кромки крыла и носовую часть космического челнока. RCC - это ламинированный композитный материал из графит район ткань и пропитанная фенольная смола. После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат подвергается пиролизу для преобразования смолы в углерод, пропитывается фурфуроловым спиртом в вакуумной камере и отверждается-пиролизируется для преобразования фурфурол спирт в углерод. Чтобы обеспечить стойкость к окислению для возможности повторного использования, внешние слои RCC преобразованы в Карбид кремния.

Другие примеры можно увидеть в «пластиковых» корпусах телевизоров, сотовых телефонов и так далее. Эти пластиковые корпуса обычно композитный материал состоящий из термопластической матрицы, такой как акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) в котором карбонат кальция мел тальк, стекловолокно или же углеродные волокна были добавлены для дополнительной прочности, пухлости или электростатической дисперсии. Эти добавки могут быть названы армирующими волокнами или диспергаторами, в зависимости от их назначения.

Полимеры

Основная статья: Полимер
Повторяющееся звено полимерного полипропилена
Упаковка из вспененного полистирола из полимера

Полимеры представляют собой химические соединения, состоящие из большого количества идентичных компонентов, связанных между собой как цепи. Они являются важной частью материаловедения. Полимеры - это сырье (смолы), используемое для производства так называемых пластмасс и резины. Пластмассы и резина на самом деле являются конечным продуктом, созданным после того, как один или несколько полимеров или добавок были добавлены в смолу во время обработки, которой затем придают окончательную форму. Пластмассы, которые были вокруг и которые сейчас широко используются, включают: полиэтилен, полипропилен, поливинил хлорид (ПВХ), полистирол, нейлон, полиэфиры, акрил, полиуретаны, и поликарбонаты а также применяемые резины - это натуральный каучук, стирол-бутадиен резинка, хлоропрен, и бутадиеновый каучук. Пластмассы обычно классифицируются как товар, специальность и инженерное дело пластмассы.

Поливинилхлорид (ПВХ) широко используется, недорог, а объемы производства большие. Он подходит для множества приложений, от искусственная кожа к электрическая изоляция и кабели, упаковка, и контейнеры. Его изготовление и обработка просты и хорошо налажены. Универсальность ПВХ обусловлена ​​широким ассортиментом пластификаторы и другие добавки, которые он принимает. Термин «добавки» в науке о полимерах относится к химическим веществам и соединениям, добавляемым к полимерной основе для изменения свойств материала.

Поликарбонат обычно считается инженерным пластиком (другие примеры включают PEEK, ABS). Такие пластмассы ценятся за их превосходную прочность и другие особые свойства материала. Обычно они не используются для одноразового использования, в отличие от товарных пластиков.

Специальные пластики - это материалы с уникальными характеристиками, такими как сверхвысокая прочность, электрическая проводимость, электрофлуоресценция, высокая термостойкость и т. Д.

Границы между различными типами пластмасс основаны не на материалах, а на их свойствах и применении. Например, полиэтилен (PE) - дешевый полимер с низким коэффициентом трения, обычно используемый для изготовления одноразовых пакетов для покупок и мусора, и считается товарным пластиком, тогда как полиэтилен средней плотности (MDPE) используется для подземных газовых и водопроводных труб, а другая разновидность называется полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ) - это инженерный пластик, который широко используется в качестве направляющих для промышленного оборудования и гнезда с низким коэффициентом трения в имплантированных тазобедренные суставы.

Металлические сплавы

Основная статья: Сплав
Трос из стали сплав

Изучение металлических сплавов - важная часть материаловедения. Из всех металлических сплавов, используемых сегодня, сплавы железа (стали, нержавеющая сталь, чугун, инструментальная сталь, легированные стали ) составляют наибольшую долю как по количеству, так и по коммерческой стоимости. Железо, легированное углеродом в различных пропорциях, дает низкие, средние и высокоуглеродистые стали. Сплав железа с углеродом считается сталью, только если уровень углерода составляет от 0,01% до 2,00%. Для сталей твердость а предел прочности стали на растяжение зависит от количества присутствующего углерода, при этом увеличение содержания углерода также приводит к снижению пластичности и вязкости. Однако процессы термообработки, такие как закалка и отпуск, могут значительно изменить эти свойства. Чугун определяется как сплав железо-углерод с содержанием углерода более 2,00%, но менее 6,67%. Нержавеющая сталь определяется как обычный стальной сплав с содержанием хрома более 10% по весу. Никель и молибден обычно также содержатся в нержавеющих сталях.

Другими значительными металлическими сплавами являются сплавы алюминий, титан, медь и магний. Медные сплавы известны давно (со времен Бронзовый век ), тогда как сплавы трех других металлов были разработаны относительно недавно. Из-за химической активности этих металлов требуемые процессы электролитической экстракции были разработаны относительно недавно. Сплавы алюминия, титана и магния также известны и ценятся за их высокое отношение прочности к весу и, в случае магния, за их способность обеспечивать электромагнитное экранирование. Эти материалы идеальны для ситуаций, когда высокое соотношение прочности к весу более важно, чем объемная стоимость, например, в аэрокосмической промышленности и некоторых областях автомобильной техники.

Полупроводники

Изучение полупроводников - важная часть материаловедения. А полупроводник это материал, который имеет удельное сопротивление между металлом и изолятором. Его электронные свойства можно сильно изменить путем преднамеренного введения примесей или легирования. Из этих полупроводниковых материалов такие вещи, как диоды, транзисторы, светодиоды (Светодиоды), аналоговые и цифровые электрические цепи могут быть построены, что делает их материалами, представляющими интерес для промышленности. Полупроводниковые устройства заменили термоэлектронные устройства (вакуумные лампы) в большинстве приложений. Полупроводниковые приборы производятся как в виде отдельных дискретных устройств, так и в виде интегральные схемы (ИС), которые состоят из ряда - от нескольких до миллионов - устройств, изготовленных и соединенных между собой на одной полупроводниковой подложке.[14]

Из всех полупроводников, используемых сегодня, кремний составляет наибольшую долю как по количеству, так и по коммерческой стоимости. Монокристаллический кремний используется для изготовления пластин, используемых в полупроводниковой и электронной промышленности. Второй после кремния, арсенид галлия (GaAs) - второй по популярности используемый полупроводник. Из-за более высокой подвижности электронов и скорости насыщения по сравнению с кремнием, этот материал является предпочтительным материалом для приложений высокоскоростной электроники. Эти превосходные свойства являются вескими причинами для использования схем из GaAs в мобильных телефонах, спутниковой связи, микроволновых каналах связи точка-точка и высокочастотных радиолокационных системах. Другие полупроводниковые материалы включают германий, Карбид кремния, и нитрид галлия и иметь различные приложения.

Связь с другими полями

Материаловедение развивалось - начиная с 1950-х годов - потому что было признано, что для создания, открытия и разработки новых материалов нужно подходить к ним единым образом. Таким образом, материаловедение и инженерия возникли по-разному: переименование и / или объединение существующих металлургия и керамика отделы; отделение от существующих физика твердого тела исследование (само превращается в физика конденсированного состояния ); втягивание относительно новых полимерная инженерия и полимерная наука; рекомбинируя из предыдущего, а также химия, химическая инженерия, машиностроение, и электротехника; и больше.

Область материаловедения и инженерии важна как с научной точки зрения, так и с точки зрения приложений. Материалы имеют первостепенное значение для инженеров (или других прикладных областей), поскольку использование соответствующих материалов имеет решающее значение при проектировании систем. В результате материаловедение становится все более важной частью образования инженера.

Поле по своей сути междисциплинарный, а материаловеды / инженеры должны знать и использовать методы физиков, химиков и инженеров. Таким образом, с этими полями сохраняется тесная связь. И наоборот, многие физики, химики и инженеры работают в области материаловедения из-за значительного дублирования между этими областями.

Новые технологии

Новые технологииПоложение делПотенциально маргинальные технологииВозможные приложенияСтатьи по Теме
АэрогельГипотетический, эксперименты, распространение, раннее использование[15]Традиционная изоляция, стеклоУлучшенная изоляция, изолирующее стекло, если оно может быть прозрачным, рукава для нефтепроводов, аэрокосмической промышленности, применения в условиях высоких температур и экстремально низких температур
Аморфный металлЭкспериментыКевларБроня
Проводящие полимерыИсследования, эксперименты, прототипыДирижерыБолее легкие и дешевые провода, антистатические материалы, органические солнечные батареи
Фемтотехнологии, пикотехнологияГипотетическийНастоящее ядерноеНовые материалы; ядерное оружие, мощь
ФуллеренЭксперименты, распространениеСинтетический алмаз и углеродные нанотрубки (например, Buckypaper)Программируемая материя
ГрафенГипотетический, эксперименты, распространение, раннее использование[16][17]На основе кремния Интегральная схемаКомпоненты с более высоким соотношением прочности к весу, транзисторы, работающие на более высокой частоте, более низкая стоимость экранов дисплеев в мобильных устройствах, хранение водорода для автомобилей с топливными элементами, системы фильтрации, более долговечные и быстро заряжаемые батареи, датчики для диагностики заболеваний[18]Возможные применения графена
Высокотемпературная сверхпроводимостьИнтерфейс криогенного приемника (CRFE) RF и микроволновый фильтр системы для базовых станций мобильной связи; прототипы в сухой лед; Гипотетические и эксперименты для более высоких температур[19]Медный провод, полупроводниковые интегральные схемыБез потерь проводники, подшипники качения, Магнитная левитация, без потерь большой емкости аккумуляторы, электромобили, ненагревательные интегральные схемы и процессоры
LiTraConЭксперименты, уже использованные для проведения Ворота ЕвропыСтеклоСтроительство небоскребов, башен и скульптур, таких как Ворота Европы.
МетаматериалыГипотетический, эксперименты, распространение[20]Классический оптикаМикроскопы, камеры, маскировка из метаматериалов, маскирующие устройства
Металлическая пенаИсследования, коммерциализацияКорпусаКосмические колонии, плавучие города
Многофункциональные конструкции[21]Гипотетические, эксперименты, несколько прототипов, несколько коммерческихКомпозитные материалы по большей частиШирокий диапазон, например, самоконтроль здоровья, самовосстанавливающийся материал, морфинг, ...
Наноматериалы: углеродные нанотрубкиГипотетический, эксперименты, распространение, раннее использование[22][23]Структурные стали и алюминийБолее прочные и легкие материалы, космический лифтВозможные применения углеродных нанотрубок, углеродное волокно
Программируемая материяГипотетические, эксперименты[24][25]Покрытия, катализаторыШирокий ассортимент, например, глина, синтетическая биология
Квантовые точкиИсследования, эксперименты, прототипы[26]ЖК-дисплей, ВЕЛЛазер на квантовых точках, будущее использование в качестве программируемого материала в технологиях отображения (телевидение, проекция), оптической передаче данных (высокоскоростная передача данных), медицине (лазерный скальпель)
СилиценГипотетический, исследовательскийПолевые транзисторы
СуперсплавИсследования, распространениеАлюминий, титан, композитные материалыАвиационные реактивные двигатели
Синтетический алмазраннее использование (сверла, украшения)Кремниевые транзисторыЭлектроника

Субдисциплины

Основные отрасли материаловедения происходят из трех основных классов материалов: керамики, металлов и полимеров.

Есть также широко применимые, независимые от материалов, начинания.

Кроме того, в материалах уделяется достаточно много внимания конкретным явлениям.

Связанные поля

Профессиональные общества

Смотрите также

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Эдди, Мэтью Дэниел (2008). Язык минералогии: Джон Уокер, химия и Эдинбургская медицинская школа 1750–1800 гг.. Ashgate. В архиве из оригинала от 03.09.2015.
  2. ^ Смит, Сирил Стэнли (1981). Поиск структуры. MIT Press. ISBN  978-0262191913.
  3. ^ Растум Рой (1979) междисциплинарная наука в кампусе, страницы 161–96 в Междисциплинарность и высшее образование, Дж. Дж. Кокельманс (редактор), Издательство Пенсильванского государственного университета
  4. ^ Хеммингер, Джон С. (август 2010 г.). Наука для энергетических технологий: усиление связи между фундаментальными исследованиями и промышленностью (Отчет). Министерство энергетики США, Консультативный комитет по фундаментальным энергетическим наукам. В архиве из оригинала от 21.08.2015. Получено 3 августа 2018.
  5. ^ Аливисатос, Пол; Бьюкенен, Мишель (март 2010 г.). Потребности в фундаментальных исследованиях для улавливания углерода: после 2020 г. (Отчет). Министерство энергетики США, Консультативный комитет по фундаментальным энергетическим наукам. В архиве из оригинала от 21.08.2015. Получено 3 августа 2018.
  6. ^ Мартин, Джозеф Д. (2015). «Что в изменении названия? Физика твердого тела, физика конденсированного состояния и материаловедение» (PDF). Физика в перспективе. 17 (1): 3–32. Bibcode:2015ФП .... 17 .... 3М. Дои:10.1007 / s00016-014-0151-7. S2CID  117809375.
  7. ^ «Авторам: Природные материалы» В архиве 01.08.2010 в Wayback Machine
  8. ^ Каллистер-младший, Ретвиш. «Материаловедение и инженерия - Введение» (8-е изд.). Джон Вили и сыновья, 2009, стр. 5–6.
  9. ^ Каллистер-младший, Ретвиш. Материаловедение и инженерия - Введение (8-е изд.). Джон Вили и сыновья, 2009, стр. 10–12
  10. ^ А. Навроцкий (1998). "Энергетика и кристаллохимическая систематика структур ильменита, ниобата лития и перовскита". Chem. Матер. 10 (10): 2787–2793. Дои:10.1021 / см 9801901.
  11. ^ Кристина Бузеа; Иван Пачеко и Кевин Робби (2007). «Наноматериалы и наночастицы: источники и токсичность». Биоинтерфазы. 2 (4): MR17 – MR71. arXiv:0801.3280. Дои:10.1116/1.2815690. PMID  20419892. S2CID  35457219. В архиве из оригинала от 03.07.2012.
  12. ^ Shelby, R.A .; Smith D.R .; Шульц С .; Немат-Нассер С.С. (2001). «Передача микроволн через двумерный изотропный левосторонний метаматериал» (PDF). Письма по прикладной физике. 78 (4): 489. Bibcode:2001АпФЛ..78..489С. Дои:10.1063/1.1343489. Архивировано из оригинал (PDF) 18 июня 2010 г.
  13. ^ Smith, D. R .; Padilla, WJ; Вье, округ Колумбия; Nemat-Nasser, SC; Шульц, S (2000). «Композитная среда с одновременно отрицательной проницаемостью и диэлектрической проницаемостью» (PDF). Письма с физическими проверками. 84 (18): 4184–7. Bibcode:2000ПхРвЛ..84.4184С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.84.4184. PMID  10990641. Архивировано из оригинал (PDF) на 18.06.2010.
  14. ^ «Архивная копия». 2013-09-06. В архиве из оригинала на 2016-06-04. Получено 2016-05-15.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  15. ^ "Sto AG, Cabot Create Airgel Insulation". Строительство Digital. 15 ноября 2011. Архивировано с оригинал 31 декабря 2011 г.. Получено 18 ноября 2011.
  16. ^ «Является ли графен чудо-материалом?». BBC Click. 21 мая 2011 г.. Получено 18 ноября 2011.
  17. ^ "Может ли графен быть новым кремнием?". Хранитель. 13 ноября 2011 г. В архиве из оригинала 2 сентября 2013 г.. Получено 18 ноября 2011.
  18. ^ «Приложения графена в стадии разработки». пониманиеnano.com. В архиве из оригинала от 21.09.2014.
  19. ^ «Новый век супер материалов». Новости BBC. 5 марта 2007 г.. Получено 27 апреля 2011.
  20. ^ "Strides in Materials, but No Invisibility Cloak". Нью-Йорк Таймс. 8 ноября 2010 г. В архиве с оригинала на 1 июля 2017 г.. Получено 21 апреля 2011.
  21. ^ NAE Website: Frontiers of Engineering В архиве 2014-07-28 в Wayback Machine. Nae.edu. Retrieved 22 February 2011.
  22. ^ "Carbon nanotubes used to make batteries from fabrics". Новости BBC. 21 января 2010 г.. Получено 27 апреля 2011.
  23. ^ "Researchers One Step Closer to Building Synthetic Brain". Daily Tech. 25 апреля 2011. Архивировано с оригинал 29 апреля 2011 г.. Получено 27 апреля 2011.
  24. ^ "Pentagon Developing Shape-Shifting 'Transformers' for Battlefield". Fox News. 10 июня 2009 г. В архиве из оригинала 5 февраля 2011 г.. Получено 26 апреля 2011.
  25. ^ "Intel: Programmable matter takes shape". ZD Net. 22 августа 2008 г.. Получено 2 января 2012.
  26. ^ "'Quantum dots' to boost performance of mobile cameras". Новости BBC. 22 марта 2010 г.. Получено 16 апреля 2011.

Библиография

дальнейшее чтение

внешняя ссылка