Наука о материалах
-
История материаловедения
- Материаловедение возникло в эпоху Просвещения как междисциплинарная область.
- Включает элементы физики, химии и инженерного дела.
- С 1940-х годов получило признание как особая область науки и техники.
-
Основные принципы материаловедения
- Понимание взаимосвязи между структурой, обработкой и свойствами материалов.
- Парадигма материалов используется в нанотехнологиях, биоматериалах и металлургии.
- Важная часть судебной экспертизы и анализа неисправностей.
-
Развитие материаловедения
- Изначально основано на производстве керамики и металлургии.
- Крупный прорыв в конце 19 века благодаря Джозайе Уилларду Гиббсу.
- Важные элементы: продукты космической гонки, каучуки, пластмассы, полупроводники и биоматериалы.
-
Фундаментальные основы
- Материал определяется как вещество для определенных областей применения.
- Включает изучение структуры, методов обработки и свойств материалов.
- Структура изучается на атомном, молекулярном и макроскопическом уровнях.
-
Структура материалов
- Атомная структура: расположение атомов, образование молекул и кристаллов.
- Связывание: изучение квантовой химии и физики для понимания связей.
- Кристаллография: изучение расположения атомов в кристаллических телах.
- Наноструктура: материалы с наноразмерными объектами, обладающими уникальными свойствами.
-
Наноструктура и микроструктура
- Наноструктура — это структура материала размером от 1 до 1000 нм.
- Микроструктура — это структура поверхности или тонкой пленки материала размером от 100 нм до нескольких сантиметров.
- Микроструктура влияет на физические свойства материала.
-
Макроструктура и свойства материалов
- Макроструктура — это внешний вид материала в масштабе от миллиметров до метров.
- Материалы обладают механическими, химическими, электрическими, тепловыми, оптическими и магнитными свойствами.
- Свойства материала определяют его практичность и инженерное применение.
-
Обработка и синтез материалов
- Синтез и обработка включают создание материала с желаемой микро-наноструктурой.
- Разработка методов обработки материалов важна для материаловедения.
- Различные материалы требуют различных методов обработки.
-
Термодинамика и кинетика
- Термодинамика описывает макроскопические переменные, такие как внутренняя энергия и энтропия.
- Кинетика изучает скорости изменения материалов под воздействием различных сил.
-
Исследования в материаловедении
- Материаловедение активно исследуется в различных областях, включая наноматериалы, биоматериалы, электронные, оптические и магнитные материалы.
- Исследования включают моделирование поведения материалов и их оптимизацию для конкретных применений.
-
Промышленное применение материаловедения
- Материаловедение применяется в разработке материалов, методах обработки и аналитических методах.
- Специалисты по материаловедению занимаются извлечением и преобразованием материалов в полезные формы.
- Методы экстракции и очистки влияют на конечные свойства материалов.
-
Классификация материалов
- Материалы классифицируются по эмпирическому составу и атомной структуре.
- Керамические контейнеры оптически прозрачны, но тяжелые и хрупкие.
- Металлические контейнеры прочны, но непрозрачны и дороги.
- Полимерные контейнеры прочны, прозрачны, недороги, но менее устойчивы к углекислому газу.
-
Керамика и стекло
- Керамика и стекло хрупкие, но используются в промышленности.
- Керамика содержит диоксид кремния, стекло — оксид металла.
- Стекло используется в окнах, защитных очках, телекоммуникациях.
- Керамика может быть упрочнена для инженерных применений.
-
Композитные материалы
- Композитные материалы состоят из двух или более макроскопических фаз.
- Примеры: железобетон, теплоизоляционные плиты, RCC для космических шаттлов.
- Композитные материалы используются в корпусах телевизоров и сотовых телефонов.
-
Полимеры
- Полимеры состоят из множества идентичных компонентов.
- Примеры: полиэтилен, полипропилен, ПВХ, нейлон, поликарбонат.
- Полимеры делятся на товарные, специальные и инженерные пластики.
-
Металлические сплавы
- Сплавы железа составляют наибольшую долю металлов.
- Стали различаются по содержанию углерода, что влияет на твердость и прочность.
- Чугун содержит более 2% углерода, нержавеющая сталь — более 10% хрома.
- Сплавы алюминия, титана, меди и магния используются в аэрокосмической промышленности.
-
Полупроводники
- Полупроводники обладают удельным сопротивлением между проводником и изолятором.
- Кремний и арсенид галлия являются наиболее популярными полупроводниками.
- Полупроводники используются в электронике, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы.
-
Преимущества GaAs
- Высокая подвижность электронов и скорость насыщения
- Применение в высокоскоростной электронике
- Использование в мобильных телефонах, спутниковой связи, микроволновых линиях и радиолокационных системах
-
Другие полупроводниковые материалы
- Германий, карбид кремния, нитрид галлия
- Различные области применения
-
История материаловедения
- Развитие с 1950-х годов
- Объединение металлургии, керамики, физики твердого тела, полимерной инженерии и других областей
-
Важность материаловедения
- Материалы имеют решающее значение для инженеров
- Материаловедение становится важной частью инженерного образования
-
Физика материалов
- Использование физических методов для описания свойств материалов
- Синтез физических наук, таких как химия, механика и физика твердого тела
- Применение фундаментальных концепций к сложным многофазным средам
-
Современные области работы физиков-материаловедов
- Электронные, оптические и магнитные материалы
- Новые материалы и структуры
- Квантовые явления в материалах
- Неравновесная физика и физика мягких конденсированных сред
-
Междисциплинарность материаловедения
- Тесные связи с науками о жизни и археологией
- Биоинспирированные и палеоинспирированные подходы
-
Субдисциплины материаловедения
- Керамика, металлы, полимеры, композиты
- Разработка керамики, металлургия, наука и техника о полимерах, разработка композиционных материалов
-
Смежные и междисциплинарные области
- Физика конденсированных сред, физика твердого тела, химия твердого тела
- Нанотехнологии, минералогия, супрамолекулярная химия, наука о биоматериалах
-
Профессиональные сообщества
- Американское керамическое общество, Международная организация ASM, Ассоциация по технологиям черной металлургии, Общество по исследованию материалов, Общество минералов, металлов и материалов
-
Дополнительные ресурсы
- Научный портал, Инженерный портал
- Материал на биологической основе, Биопластичный
- Разработка криминалистических материалов
- Список новейших технологий в области материаловедения, Список журналов по материаловедению, Перечень методов анализа материалов
- Материаловедение в научной фантастике, Хронология развития технологии материалов
- Рекомендации, Цитаты, Библиография, Дальнейшее чтение
- Внешние ссылки, Конференция MS&T, Открытое программное обеспечение MIT для MSE