Материаловедение — это междисциплинарная область исследования и открытия материалов . Материаловедение — это инженерная область поиска применений материалов в других областях и отраслях.
Интеллектуальные истоки материаловедения берут начало в эпоху Просвещения , когда исследователи начали использовать аналитическое мышление из химии , физики , математики и инженерии для понимания древних феноменологических наблюдений в металлургии и минералогии . [1] [2] Материаловедение по-прежнему включает в себя элементы физики, химии и инженерии. Таким образом, эта область долгое время рассматривалась академическими институтами как подобласть этих смежных областей. Начиная с 1940-х годов материаловедение стало более широко признаваться как особая и отдельная область науки и техники, и крупные технические университеты по всему миру посвятили школы ее изучению.
Материаловеды подчеркивают важность понимания того, как история материала ( обработка ) влияет на его структуру, а также на свойства и производительность материала . Понимание взаимосвязей свойств структуры и обработки называется парадигмой материалов. Эта парадигма используется для углубленного понимания в различных областях исследований, включая нанотехнологии , биоматериалы и металлургию .
Материаловедение также является важной частью судебной инженерии и анализа отказов — исследования материалов, продуктов, конструкций или их компонентов, которые выходят из строя или не функционируют должным образом, вызывая травмы или ущерб имуществу. Такие исследования являются ключом к пониманию. Например, причин различных авиационных происшествий и инцидентов .
.jpg/1280px-Sword_bronze_age_(2nd_version).jpg)
Материал, выбранный для определенной эпохи, часто является определяющим моментом. Такие фазы, как каменный век , бронзовый век , железный век и стальной век , являются историческими, хотя и произвольными примерами. Первоначально возникшее из производства керамики и ее предполагаемой производной металлургии, материаловедение является одной из старейших форм инженерии и прикладных наук. [3] Современное материаловедение развилось непосредственно из металлургии , которая сама развилась из использования огня. Крупный прорыв в понимании материалов произошел в конце 19 века, когда американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс продемонстрировал, что термодинамические свойства, связанные с атомной структурой в различных фазах , связаны с физическими свойствами материала. [4] Важными элементами современного материаловедения стали продукты космической гонки : понимание и проектирование металлических сплавов , а также кремниевых и углеродных материалов, используемых при создании космических аппаратов, позволяющих исследовать космос. Материаловедение стимулировало и стимулировало развитие революционных технологий, таких как резина , пластик , полупроводники и биоматериалы .
До 1960-х годов (а в некоторых случаях и десятилетия спустя) многие будущие кафедры материаловедения были кафедрами металлургии или керамической инженерии , что отражало акцент 19-го и начала 20-го века на металлах и керамике. Рост материаловедения в Соединенных Штатах был отчасти катализирован Агентством перспективных исследовательских проектов , которое финансировало ряд университетских лабораторий в начале 1960-х годов, « чтобы расширить национальную программу фундаментальных исследований и обучения в области материаловедения ». [5] По сравнению с машиностроением, зарождающаяся область материаловедения была сосредоточена на рассмотрении материалов на макроуровне и на подходе, согласно которому материалы проектируются на основе знания поведения на микроскопическом уровне. [6] Благодаря расширенным знаниям о связи между атомными и молекулярными процессами, а также общими свойствами материалов, проектирование материалов стало основываться на конкретных желаемых свойствах. [6] С тех пор область материаловедения расширилась и теперь включает в себя все классы материалов, включая керамику, полимеры , полупроводники, магнитные материалы, биоматериалы и наноматериалы , которые 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, прогнозирования свойств и понимания явлений.
Материал определяется как вещество (чаще всего твердое, но могут быть включены и другие конденсированные фазы), которое предназначено для использования в определенных приложениях. [7] Вокруг нас существует множество материалов; их можно найти в чем угодно, от [8] новых и передовых материалов, которые разрабатываются, включая наноматериалы , биоматериалы , [9] и энергетические материалы , и это лишь некоторые из них. [10]
Основой материаловедения является изучение взаимодействия между структурой материалов, методами обработки для получения этого материала и полученными свойствами материала. Сложное сочетание этих факторов обеспечивает производительность материала в определенном приложении. На производительность материала влияют многие характеристики во многих масштабах длины, от составляющих химических элементов, его микроструктуры и макроскопических характеристик от обработки. Вместе с законами термодинамики и кинетики ученые-материаловеды стремятся понять и улучшить материалы.
Структура является одним из важнейших компонентов области материаловедения. Само определение области гласит, что она занимается исследованием «взаимосвязей, существующих между структурами и свойствами материалов». [11] Материаловедение изучает структуру материалов от атомного масштаба до макромасштаба. [3] Характеризация — это способ, которым материаловеды изучают структуру материала. Это включает в себя такие методы, как дифракция с рентгеновскими лучами , электронами или нейтронами , а также различные формы спектроскопии и химического анализа, такие как спектроскопия Рамана , энергодисперсионная спектроскопия , хроматография , термический анализ , анализ с помощью электронного микроскопа и т. д.
Структура изучается на следующих уровнях.
Атомная структура имеет дело с атомами материала и тем, как они организованы, чтобы дать начало молекулам, кристаллам и т. д. Большая часть электрических, магнитных и химических свойств материалов возникает из этого уровня структуры. Масштабы длины указаны в ангстремах ( Å ). Химическая связь и атомное расположение (кристаллография) имеют основополагающее значение для изучения свойств и поведения любого материала.
Чтобы получить полное понимание структуры материала и того, как она связана со свойствами, ученый-материаловед должен изучить, как различные атомы, ионы и молекулы расположены и связаны друг с другом. Это включает в себя изучение и использование квантовой химии или квантовой физики . Физика твердого тела , химия твердого тела и физическая химия также участвуют в изучении связей и структур.
Кристаллография — это наука, которая изучает расположение атомов в кристаллических твердых телах. Кристаллография — полезный инструмент для материаловедов. Одно из фундаментальных понятий, касающихся кристаллической структуры материала, включает элементарную ячейку , которая является наименьшей единицей кристаллической решетки (пространственной решетки), которая повторяется, образуя макроскопическую кристаллическую структуру. Наиболее распространенные структурные материалы включают параллелепипедные и гексагональные типы решеток. [13] 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 является важной предпосылкой для понимания кристаллографических дефектов . Примерами дефектов кристаллов являются дислокации, включая края, винты, вакансии, собственные междоузлия и многое другое, что является линейными, плоскими и трехмерными типами дефектов. [14] Новые и передовые материалы, которые разрабатываются, включают наноматериалы , биоматериалы . [15] В основном материалы не встречаются в виде монокристалла, а в поликристаллической форме, как совокупность мелких кристаллов или зерен с различной ориентацией. Из-за этого метод порошковой дифракции , который использует дифракционные картины поликристаллических образцов с большим количеством кристаллов, играет важную роль в определении структуры. Большинство материалов имеют кристаллическую структуру, но некоторые важные материалы не демонстрируют регулярной кристаллической структуры. [16] Полимеры проявляют различную степень кристалличности, и многие из них полностью некристалличны. Стекло , некоторые виды керамики и многие природные материалы являются аморфными , не обладающими каким-либо дальним порядком в своих атомных расположениях. Изучение полимеров объединяет элементы химической и статистической термодинамики, чтобы дать термодинамические и механические описания физических свойств.
Материалы, атомы и молекулы которых образуют составляющие в наномасштабе (т.е. они образуют наноструктуры), называются наноматериалами. Наноматериалы являются предметом интенсивных исследований в сообществе материаловедения из-за уникальных свойств, которые они демонстрируют.
Наноструктура имеет дело с объектами и структурами, которые находятся в диапазоне 1–100 нм. [17] Во многих материалах атомы или молекулы объединяются, образуя объекты в наномасштабе. Это вызывает множество интересных электрических, магнитных, оптических и механических свойств. При описании наноструктур необходимо различать количество измерений в наномасштабе . Нанотекстурированные поверхности имеют одно измерение в наномасштабе, т. е. 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; ее длина может быть намного больше.
Наконец, сферические наночастицы имеют три измерения в наномасштабе, то есть частица находится между 0,1 и 100 нм в каждом пространственном измерении. Термины наночастицы и ультратонкие частицы (UFP) часто используются как синонимы, хотя UFP может достигать микрометрового диапазона. Термин «наноструктура» часто используется, когда речь идет о магнитной технологии. Наномасштабную структуру в биологии часто называют ультраструктурой .
Микроструктура определяется как структура подготовленной поверхности или тонкой фольги материала, выявляемая микроскопом с увеличением более 25×. Она имеет дело с объектами от 100 нм до нескольких см. Микроструктура материала (который можно в целом классифицировать как металлический, полимерный, керамический и композитный) может сильно влиять на физические свойства, такие как прочность, ударная вязкость, пластичность, твердость, коррозионная стойкость, поведение при высоких/низких температурах, износостойкость и т. д. [18] Большинство традиционных материалов (таких как металлы и керамика) являются микроструктурированными.
Изготовление идеального кристалла материала физически невозможно. Например, любой кристаллический материал будет содержать дефекты , такие как выделения , границы зерен ( соотношение Холла-Петча ), вакансии, межузельные атомы или замещающие атомы. [19] Микроструктура материалов выявляет эти более крупные дефекты, а достижения в моделировании позволили улучшить понимание того, как дефекты могут быть использованы для улучшения свойств материала.
Макроструктура — это внешний вид материала в масштабе от миллиметров до метров, это структура материала, видимая невооруженным глазом.
Материалы обладают множеством свойств, включая следующие.
Свойства материала определяют его пригодность к использованию и, следовательно, его инженерное применение.
Синтез и обработка включают создание материала с желаемой микро-наноструктурой. Материал не может быть использован в промышленности, если для него не разработан экономически жизнеспособный метод производства. Поэтому разработка методов обработки материалов, которые являются достаточно эффективными и экономически выгодными, имеет жизненно важное значение для области материаловедения. Различные материалы требуют различных методов обработки или синтеза. Например, обработка металлов исторически определяла такие эпохи, как бронзовый век и железный век , и изучается в рамках раздела материаловедения, называемого физической металлургией . Химические и физические методы также используются для синтеза других материалов, таких как полимеры , керамика , полупроводники и тонкие пленки . С начала 21-го века разрабатываются новые методы синтеза наноматериалов, таких как графен .
Термодинамика занимается теплом и температурой , а также их связью с энергией и работой . Она определяет макроскопические переменные, такие как внутренняя энергия , энтропия и давление , которые частично описывают тело материи или излучение. Она утверждает, 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 статистической механикой , а законы термодинамики выводятся из нее .
Изучение термодинамики является основополагающим для материаловедения. Оно формирует основу для изучения общих явлений в материаловедении и инженерии, включая химические реакции, магнетизм, поляризуемость и эластичность. [20] Оно объясняет такие фундаментальные инструменты, как фазовые диаграммы , и такие концепции, как фазовое равновесие .
Химическая кинетика — это изучение скоростей, с которыми системы, находящиеся вне равновесия, изменяются под воздействием различных сил. Применительно к материаловедению она изучает, как материал изменяется со временем (переходит из неравновесного состояния в равновесное) из-за приложения определенного поля. Она подробно описывает скорость различных процессов, происходящих в материалах, включая форму, размер, состав и структуру. Диффузия важна при изучении кинетики, поскольку это наиболее распространенный механизм, посредством которого материалы претерпевают изменения. [21] Кинетика важна при обработке материалов, поскольку, среди прочего, она подробно описывает, как изменяется микроструктура при приложении тепла.
Материаловедение является высокоактивной областью исследований. Вместе с кафедрами материаловедения, физика , химия и многие инженерные кафедры участвуют в исследовании материалов. Исследование материалов охватывает широкий спектр тем; следующий неисчерпывающий список выделяет несколько важных областей исследований.
Наноматериалы описывают, в принципе, материалы, единичная единица которых имеет размер (по крайней мере в одном измерении) от 1 до 1000 нанометров (10 −9 метра), но обычно составляет 1 нм – 100 нм. Исследования наноматериалов используют подход, основанный на материаловедении, к нанотехнологиям , используя достижения в метрологии и синтезе материалов, которые были разработаны в поддержку исследований микропроизводства . Материалы со структурой в 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. Примерами наноматериалов являются фуллерены , углеродные нанотрубки , нанокристаллы и т. д.
Биоматериал — это любая материя, поверхность или конструкция, которая взаимодействует с биологическими системами . [22] Наука о биоматериалах охватывает элементы медицины, биологии, химии, тканевой инженерии и материаловедения.
Биоматериалы могут быть получены либо из природы, либо синтезированы в лаборатории с использованием различных химических подходов с использованием металлических компонентов, полимеров , биокерамики или композитных материалов . Они часто предназначены или адаптированы для медицинских применений, таких как биомедицинские устройства, которые выполняют, дополняют или заменяют естественную функцию. Такие функции могут быть доброкачественными, например, используемые для сердечного клапана , или могут быть биоактивными с более интерактивной функциональностью, например, покрытые гидроксиапатитом тазобедренные имплантаты . Биоматериалы также используются каждый день в стоматологии, хирургии и доставке лекарств. Например, конструкция с пропитанными фармацевтическими продуктами может быть помещена в тело, что позволяет пролонгированно высвобождение лекарства в течение длительного периода времени. Биоматериал также может быть аутотрансплантатом , аллотрансплантатом или ксенотрансплантатом , используемым в качестве материала для трансплантации органов .
Полупроводники, металлы и керамика используются сегодня для создания сложнейших систем, таких как интегральные электронные схемы, оптоэлектронные устройства, магнитные и оптические носители информации. Эти материалы составляют основу нашего современного вычислительного мира, и поэтому исследования этих материалов имеют жизненно важное значение.
Полупроводники являются традиционным примером таких типов материалов. Это материалы, которые обладают свойствами, промежуточными между проводниками и изоляторами . Их электропроводность очень чувствительна к концентрации примесей, что позволяет использовать легирование для достижения желаемых электронных свойств. Таким образом, полупроводники составляют основу традиционного компьютера.
Эта область также включает в себя новые направления исследований, такие как сверхпроводящие материалы, спинтроника , метаматериалы и т. д. Изучение этих материалов требует знаний в области материаловедения и физики твердого тела или физики конденсированного состояния .
С постоянным ростом вычислительной мощности стало возможным моделирование поведения материалов. Это позволяет ученым-материаловедам понимать поведение и механизмы, разрабатывать новые материалы и объяснять свойства, которые ранее были плохо поняты. Усилия, связанные с интегрированной вычислительной инженерией материалов , теперь сосредоточены на объединении вычислительных методов с экспериментами, чтобы радикально сократить время и усилия по оптимизации свойств материалов для данного приложения. Это включает моделирование материалов во всех масштабах длины с использованием таких методов, как теория функционала плотности , молекулярная динамика , Монте-Карло , динамика дислокаций, фазовое поле , конечный элемент и многие другие. [25]
Радикальные достижения в области материалов могут стимулировать создание новых продуктов или даже новых отраслей, но стабильные отрасли также нанимают ученых-материаловедов для внесения дополнительных улучшений и устранения проблем с используемыми в настоящее время материалами. Промышленные приложения материаловедения включают проектирование материалов, компромиссы между затратами и выгодами в промышленном производстве материалов, методы обработки ( литье , прокатка , сварка , ионная имплантация , выращивание кристаллов , осаждение тонких пленок , спекание , выдувание стекла и т. д.) и аналитические методы (методы характеризации, такие как электронная микроскопия , рентгеновская дифракция , калориметрия , ядерная микроскопия (HEFIB) , обратное рассеяние Резерфорда , нейтронная дифракция , малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) и т. д.).
Помимо характеристики материалов, материаловед или инженер также занимается извлечением материалов и преобразованием их в полезные формы. Таким образом, литье слитков , методы литья , извлечение в доменной печи и электролитическое извлечение являются частью требуемых знаний инженера-материаловеда. Часто наличие, отсутствие или изменение мельчайших количеств вторичных элементов и соединений в объемном материале будет сильно влиять на конечные свойства производимых материалов. Например, стали классифицируются на основе 1/10 и 1/100 весовых процентов углерода и других легирующих элементов, которые они содержат. Таким образом, методы извлечения и очистки, используемые для извлечения железа в доменной печи, могут влиять на качество производимой стали.
Твердые материалы обычно группируются в три основные классификации: керамика, металлы и полимеры. Эта широкая классификация основана на эмпирическом составе и атомной структуре твердых материалов, и большинство твердых веществ попадают в одну из этих широких категорий. [26] Изделие, которое часто изготавливается из каждого из этих типов материалов, — это контейнер для напитков. Типы материалов, используемых для контейнеров для напитков, соответственно обеспечивают различные преимущества и недостатки в зависимости от используемого материала. Керамические (стеклянные) контейнеры оптически прозрачны, непроницаемы для прохождения углекислого газа, относительно недороги и легко перерабатываются, но также тяжелы и легко ломаются. Металл (алюминиевый сплав) относительно прочен, является хорошим барьером для диффузии углекислого газа и легко перерабатывается. Однако банки непрозрачны, дороги в производстве и легко вмятины и прокалываются. Полимеры (полиэтиленовый пластик) относительно прочны, могут быть оптически прозрачными, недороги и легки и могут перерабатываться, но не так непроницаемы для прохождения углекислого газа, как алюминий и стекло.
Другое применение материаловедения — изучение керамики и стекла , как правило, самых хрупких материалов, имеющих промышленное значение. Многие виды керамики и стекла демонстрируют ковалентную или ионно-ковалентную связь с SiO 2 ( кремнеземом ) в качестве основного строительного блока. Керамика — не путать с сырой, необожженной глиной — обычно встречается в кристаллической форме. Подавляющее большинство коммерческих стекол содержит оксид металла, сплавленный с кремнеземом. При высоких температурах, используемых для изготовления стекла, материал представляет собой вязкую жидкость, которая затвердевает в неупорядоченное состояние при охлаждении. Оконные стекла и очки являются важными примерами. Волокна стекла также используются для дальней телекоммуникации и оптической передачи. Устойчивое к царапинам стекло Corning Gorilla Glass является хорошо известным примером применения материаловедения для радикального улучшения свойств обычных компонентов.
Инженерная керамика известна своей жесткостью и стабильностью при высоких температурах, сжатии и электрическом напряжении. Оксид алюминия, карбид кремния и карбид вольфрама изготавливаются из тонкого порошка их компонентов в процессе спекания со связующим веществом. Горячее прессование обеспечивает более высокую плотность материала. Химическое осаждение из паровой фазы может помещать пленку керамики на другой материал. Керметы представляют собой керамические частицы, содержащие некоторые металлы. Износостойкость инструментов обеспечивается за счет цементированных карбидов с металлической фазой кобальта и никеля, обычно добавляемой для изменения свойств.
Керамика может быть значительно усилена для инженерных приложений с использованием принципа отклонения трещины . [27] Этот процесс включает стратегическое добавление частиц второй фазы в керамическую матрицу, оптимизируя их форму, размер и распределение для направления и контроля распространения трещины. Такой подход повышает вязкость разрушения, прокладывая путь для создания передовой, высокопроизводительной керамики в различных отраслях промышленности. [28]
Другим применением материаловедения в промышленности является создание композитных материалов . Это структурированные материалы, состоящие из двух или более макроскопических фаз.
Области применения варьируются от структурных элементов, таких как железобетон, до теплоизоляционных плиток, которые играют ключевую и неотъемлемую роль в системе тепловой защиты космического челнока NASA , которая используется для защиты поверхности челнока от тепла при входе в атмосферу Земли. Одним из примеров является армированный углерод-углерод (RCC), светло-серый материал, который выдерживает температуры входа в атмосферу до 1510 °C (2750 °F) и защищает передние кромки крыльев и носовой колпак космического челнока. [29] RCC представляет собой ламинированный композитный материал, изготовленный из графитовой вискозной ткани и пропитанный фенольной смолой . После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат пиролизуется для преобразования смолы в углерод, пропитывается фурфуриловым спиртом в вакуумной камере и отверждается-пиролизуется для преобразования фурфурилового спирта в углерод. Для обеспечения стойкости к окислению и возможности повторного использования внешние слои RCC преобразуются в карбид кремния .
Другие примеры можно увидеть в «пластиковых» корпусах телевизоров, сотовых телефонов и т. д. Эти пластиковые корпуса обычно представляют собой композитный материал, состоящий из термопластичной матрицы, такой как акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), в которую для дополнительной прочности, объема или электростатической дисперсии добавлены карбонат кальция , мел , тальк , стекловолокно или углеродные волокна . Эти добавки можно назвать армирующими волокнами или диспергаторами, в зависимости от их назначения.
Полимеры — это химические соединения, состоящие из большого количества идентичных компонентов, связанных вместе, как цепи. [30] Полимеры — это сырье (смолы), используемое для производства того, что обычно называют пластиками и резиной . Пластики и резина — это конечный продукт, созданный после того, как один или несколько полимеров или добавок были добавлены к смоле во время обработки, которая затем формируется в окончательную форму. Пластики в прошлом и в настоящее время широко используются, включают полиэтилен , полипропилен , поливинилхлорид (ПВХ), полистирол , нейлоны , полиэфиры , акрилы , полиуретаны и поликарбонаты . Каучуки включают натуральный каучук, стирол-бутадиеновый каучук, хлоропрен и бутадиеновый каучук . Пластики обычно классифицируются как товарные , специальные и инженерные пластики .
Поливинилхлорид (ПВХ) широко используется, недорог, и его годовые объемы производства велики. Он подходит для широкого спектра применений, от искусственной кожи до электроизоляции и кабелей, упаковки и контейнеров . Его изготовление и обработка просты и хорошо отлажены. Универсальность ПВХ обусловлена широким спектром пластификаторов и других добавок, которые он принимает. [31] Термин «добавки» в полимерной науке относится к химическим веществам и соединениям, добавляемым к полимерной основе для изменения свойств ее материала.
Поликарбонат обычно считается инженерным пластиком (другие примеры включают PEEK , ABS). Такие пластики ценятся за их превосходную прочность и другие особые свойства материала. Они обычно не используются для одноразового использования, в отличие от товарных пластиков.
Специальные пластмассы — это материалы с уникальными характеристиками, такими как сверхвысокая прочность, электропроводность, электрофлуоресценция, высокая термостойкость и т. д.
Разделительные линии между различными типами пластика основаны не на материале, а на их свойствах и применении. Например, полиэтилен (ПЭ) — это дешевый полимер с низким коэффициентом трения, который обычно используется для изготовления одноразовых пакетов для покупок и мусора и считается товарным пластиком, тогда как полиэтилен средней плотности (ПЭСП) используется для подземных газо- и водопроводных труб, а другая разновидность, называемая сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (СВМПЭ), — это конструкционный пластик, который широко используется в качестве направляющих для промышленного оборудования и гнезд с низким коэффициентом трения в имплантируемых тазобедренных суставах .
Сплавы железа ( сталь , нержавеющая сталь , чугун , инструментальная сталь , легированная сталь ) составляют сегодня наибольшую долю металлов как по количеству, так и по коммерческой стоимости.
Железо, легированное различными пропорциями углерода, дает низко- , средне- и высокоуглеродистые стали . Сплав железа и углерода считается сталью только в том случае, если уровень углерода составляет от 0,01% до 2,00% по весу. Для сталей твердость и предел прочности стали на разрыв связаны с количеством присутствующего углерода, причем увеличение уровня углерода также приводит к снижению пластичности и вязкости. Однако процессы термообработки, такие как закалка и отпуск, могут значительно изменить эти свойства. Напротив, некоторые металлические сплавы демонстрируют уникальные свойства, при которых их размер и плотность остаются неизменными в диапазоне температур. [32] Чугун определяется как сплав железа и углерода с содержанием углерода более 2,00%, но менее 6,67%. Нержавеющая сталь определяется как обычный стальной сплав с содержанием легирующего хрома более 10% по весу . Никель и молибден обычно также добавляют в нержавеющие стали.
Другие значимые металлические сплавы — это сплавы алюминия , титана , меди и магния . Медные сплавы известны уже давно (со времен бронзового века ), в то время как сплавы трех других металлов были разработаны сравнительно недавно. Из-за химической активности этих металлов необходимые процессы электролитического извлечения были разработаны лишь сравнительно 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. [33] Эти материалы идеально подходят для ситуаций, когда высокое отношение прочности к весу важнее, чем стоимость, например, в аэрокосмической промышленности и некоторых областях автомобилестроения.
Полупроводник — это материал, имеющий удельное сопротивление между проводником и изолятором . Современная электроника работает на полупроводниках, и в 2021 году объем рынка этой отрасли оценивался в 530 миллиардов долларов США. [34] Его электронные свойства могут быть значительно изменены путем преднамеренного введения примесей в процессе, называемом легированием. Полупроводниковые материалы используются для создания диодов , транзисторов , светодиодов (LED), а также аналоговых и цифровых электрических схем , среди их многочисленных применений. Полупроводниковые приборы заменили термоионные приборы, такие как вакуумные трубки, в большинстве приложений. Полупроводниковые приборы производятся как в виде отдельных дискретных устройств, так и в виде интегральных схем (ИС), которые состоят из ряда — от нескольких до миллионов — устройств, изготовленных и соединенных между собой на одной полупроводниковой подложке . [35]
Из всех полупроводников, используемых сегодня, кремний составляет наибольшую часть как по количеству, так и по коммерческой стоимости. Монокристаллический кремний используется для производства пластин, используемых в полупроводниковой и электронной промышленности . Арсенид галлия (GaAs) является вторым по популярности используемым полупроводником. Благодаря более высокой подвижности электронов и скорости насыщения по сравнению с кремнием, он является предпочтительным материалом для высокоскоростных электронных приложений. Эти превосходные свойства являются убедительными причинами для использования схем GaAs в мобильных телефонах, спутниковой связи, микроволновых двухточечных линиях связи и высокочастотных радиолокационных системах. Другие полупроводниковые материалы включают германий , карбид кремния и нитрид галлия и имеют различные применения.
Материаловедение развивалось, начиная с 1950-х годов, поскольку было признано, что для создания, открытия и проектирования новых материалов необходимо подходить к этому унифицированным образом. Таким образом, материаловедение и инженерия возникли многими способами: переименование и/или объединение существующих отделов металлургии и керамической инженерии ; отделение от существующих исследований физики твердого тела (которые сами переросли в физику конденсированных сред ); привлечение относительно новых полимерной инженерии и полимерной науки ; повторное объединение из предыдущих, а также химии , химической инженерии , машиностроения и электротехники ; и многое другое.
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 инженерного образования.
Физика материалов — это использование физики для описания физических свойств материалов. Это синтез физических наук, таких как химия , механика твердого тела , физика твердого тела и материаловедение. Физика материалов считается подмножеством физики конденсированного состояния и применяет фундаментальные концепции конденсированного состояния к сложным многофазным средам, включая материалы, представляющие технологический интерес. Текущие области, в которых работают физики-материаловеды, включают электронные, оптические и магнитные материалы, новые материалы и структуры, квантовые явления в материалах, неравновесную физику и физику мягких конденсированных сред. Новые экспериментальные и вычислительные инструменты постоянно совершенствуют то, как моделируются и изучаются системы материалов, а также являются областями, в которых работают физики-материаловеды.
Область по своей сути является междисциплинарной , и специалисты по материалам или инженеры должны знать и использовать методы физика, химика и инженера. Напротив, такие области, как науки о жизни и археология, могут вдохновлять разработку новых материалов и процессов в биоинспирированных и палеоинспирированных подходах. Таким образом, сохраняются тесные связи с этими областями. Напротив, многие физики, химики и инженеры оказываются работающими в области материаловедения из-за значительного совпадения между областями.
Основные отрасли материаловедения основаны на четырех основных классах материалов: керамика, металлы, полимеры и композиты.
Существуют также широко применимые, независимые от материалов, начинания.
В материалах также довольно широко рассматриваются конкретные явления и методы.
