Наука о материалах
-
История материаловедения
- Материаловедение возникло из эпохи Просвещения и включает элементы физики, химии и инженерии.
- В 1940-х годах материаловедение стало отдельной областью науки и техники.
- Материаловеды изучают взаимосвязь между обработкой, структурой и свойствами материалов.
-
Развитие материаловедения
- Материаловедение развилось из металлургии и использования огня.
- В конце 19 века Джозайя Уиллард Гиббс продемонстрировал связь между термодинамическими свойствами и структурой атомов.
- В 1960-х годах материаловедение сосредоточилось на макроуровне и микроскопическом поведении материалов.
-
Фундаментальные основы материаловедения
- Материал определяется как вещество, предназначенное для определенных областей применения.
- Материаловедение изучает взаимосвязь между структурой, методами обработки и свойствами материалов.
- Структура материалов изучается на атомном, молекулярном и макроскопическом уровнях.
-
Структура материалов
- Атомная структура включает расположение атомов и их химические связи.
- Кристаллография изучает расположение атомов в кристаллических телах.
- Полимеры и аморфные материалы имеют различные степени кристалличности.
-
Наноструктура
- Наноматериалы имеют атомы и молекулы в наноразмерном масштабе.
- Наноструктуры имеют одно, два или три измерения на наноуровне.
- Наночастицы и ультрадисперсные частицы часто используются как синонимы.
-
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 разработку новых материалов.
-
Промышленное применение материаловедения
- Материаловедение применяется в различных отраслях промышленности, включая металлургию, электронику и биомедицину.
- Специалисты по материаловедению занимаются разработкой материалов, методами обработки и аналитическими методами.
- 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.
- Керамика используется в окнах, защитных очках, телекоммуникациях.
- Стекло Corning Gorilla Glass улучшает свойства обычных компонентов.
- Инженерная керамика известна своей жесткостью и стабильностью.
-
Композитные материалы
- Композитные материалы состоят из двух или более макроскопических фаз.
- Примеры: железобетон, теплоизоляционные плиты, RCC для космических шаттлов.
- RCC выдерживает высокие температуры и устойчив к окислению.
- Пластиковые корпуса телевизоров и телефонов содержат термопластичную матрицу и армирующие волокна.
-
Полимеры
- Полимеры состоят из множества идентичных компонентов, соединенных цепочками.
- Примеры полимеров: полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол, нейлон, сложные полиэфиры.
- Полимеры делятся на товарные, специальные и инженерные пластики.
- Поливинилхлорид (ПВХ) широко используется, но имеет различные добавки для изменения свойств.
- Поликарбонат считается инженерным пластиком, ценится за прочность и особые свойства.
-
Металлические сплавы
- Сплавы железа составляют наибольшую долю металлов.
- Стали различаются по содержанию углерода, что влияет на твердость и прочность.
- Чугун содержит более 2,00% углерода, нержавеющая сталь — более 10% хрома.
- Сплавы алюминия, титана, меди и магния ценятся за прочность и вес.
-
Полупроводники
- Полупроводники обладают удельным сопротивлением между проводником и изолятором.
- Кремний составляет наибольшую долю используемых полупроводников.
- Полупроводниковые приборы используются в электронике, заменяя термоэлектронные устройства.
- Полупроводники изготавливаются в виде дискретных устройств и интегральных схем.
-
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