Материаловедение — это междисциплинарная область исследования и открытия материалов . Материаловедение — это инженерная область поиска применений материалов в других областях и отраслях.
Интеллектуальное происхождение материаловедения уходит корнями в эпоху Просвещения , когда исследователи начали использовать аналитическое мышление в области химии , физики и техники , чтобы понять древние феноменологические наблюдения в металлургии и минералогии . [1] [2] Материаловедение по-прежнему включает в себя элементы физики, химии и техники. Таким образом, эта область долгое время рассматривалась академическими учреждениями как часть этих смежных областей. Начиная с 1940-х годов материаловедение стало более широко признаваться как специфическая и самостоятельная область науки и техники, и крупные технические университеты по всему миру создали специализированные школы для его изучения.
Ученые-материаловеды подчеркивают, как история материала ( обработка ) влияет на его структуру и, следовательно, на свойства и характеристики материала . Понимание взаимосвязей обработка-структура-свойства называется парадигмой материалов. Эта парадигма используется для улучшения понимания в различных областях исследований, включая нанотехнологии , биоматериалы и металлургию .
Материаловедение также является важной частью судебно-медицинской экспертизы и анализа отказов — исследования материалов, продуктов, конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не функционируют должным образом, вызывая травмы людей или материальный ущерб. Подобные расследования являются ключом к пониманию, например, причин различных авиационных происшествий и происшествий .
.jpg/1280px-Sword_bronze_age_(2nd_version).jpg)
Выбор материала той или иной эпохи часто является определяющим моментом. Такие фазы, как каменный век , бронзовый век , железный век и стальной век , являются историческими, хотя и произвольными примерами. Первоначально возникшая из производства керамики и ее предполагаемой производной металлургии, материаловедение является одной из старейших форм инженерной и прикладной науки. [3] Современное материаловедение развилось непосредственно из металлургии , которая сама возникла из использования огня. Крупный прорыв в понимании материалов произошел в конце 19 века, когда американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс продемонстрировал, что термодинамические свойства, связанные со структурой атомов в различных фазах , связаны с физическими свойствами материала. [4] Важные элементы современного материаловедения были продуктами космической гонки ; понимание и разработка металлических сплавов , а также кремнеземных и углеродных материалов, используемых при создании космических аппаратов, позволяющих исследовать космос. Материаловедение стимулировало и стимулировало развитие революционных технологий, таких как каучуки , пластмассы , полупроводники и биоматериалы .
До 1960-х годов (а в некоторых случаях и десятилетия спустя) многие факультеты материаловедения были кафедрами металлургии или керамики , что отражало акцент XIX и начала XX веков на металлах и керамике. Росту материаловедения в Соединенных Штатах частично способствовало Агентство перспективных исследовательских проектов , которое в начале 1960-х годов финансировало ряд университетских лабораторий, «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 разрабатываются на основе знаний о поведении на микроскопическом уровне. [6] Благодаря расширению знаний о связи между атомными и молекулярными процессами, а также об общих свойствах материалов, дизайн материалов стал основываться на конкретных желаемых свойствах. [6] Область материаловедения с тех пор расширилась и теперь включает 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 целях. [7] Вокруг нас множество материалов; их можно найти где угодно: от зданий и автомобилей до космических кораблей. Основными классами материалов являются металлы , полупроводники , керамика и полимеры . [8] Новые и передовые материалы, которые разрабатываются, включают наноматериалы , биоматериалы , [9] и энергетические материалы, и это лишь некоторые из них. [10]
Основой материаловедения является изучение взаимодействия между структурой материалов, методами обработки этого материала и полученными свойствами материала. Сложная комбинация этих факторов обеспечивает эффективность материала в конкретном применении. Многие характеристики во многих масштабах длины влияют на характеристики материала, включая составные химические элементы, его микроструктуру и макроскопические характеристики, возникающие в результате обработки. Наряду с законами термодинамики и кинетики материаловеды стремятся понять и улучшить материалы.
Структура является одним из наиболее важных компонентов области материаловедения. Само определение этой области гласит, что она связана с исследованием «отношений, существующих между структурами и свойствами материалов». [11] Материаловедение исследует структуру материалов от атомного уровня до макромасштаба. [3] Характеристика – это способ, с помощью которого ученые-материаловеды исследуют структуру материала. Сюда входят такие методы, как дифракция рентгеновских лучей , электронов или нейтронов , а также различные формы спектроскопии и химического анализа , такие как рамановская спектроскопия , энергодисперсионная спектроскопия , хроматография , термический анализ , анализ с помощью электронного микроскопа и т. д.
Структура изучается на следующих уровнях.
Атомная структура имеет дело с атомами материалов и с тем, как они устроены, образуя молекулы, кристаллы и т. д. Большая часть электрических, магнитных и химических свойств материалов возникает на этом уровне структуры. Используемые масштабы выражены в ангстремах ( Å ). Химическая связь и расположение атомов (кристаллография) имеют основополагающее значение для изучения свойств и поведения любого материала.
Чтобы получить полное представление о структуре материала и о том, как она связана с его свойствами, ученый-материаловед должен изучить, как различные атомы, ионы и молекулы расположены и связаны друг с другом. Это предполагает изучение и использование квантовой химии или квантовой физики . Физика твердого тела , химия твердого тела и физическая химия также участвуют в изучении связей и структуры.
Кристаллография – наука, изучающая расположение атомов в кристаллических твёрдых 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 . Преимущественно материалы встречаются не в виде монокристалла, а в поликристаллической форме, в виде совокупности мелких кристаллов или зерен различной ориентации. В связи с этим важную роль в структурном определении играет метод порошковой дифракции , использующий дифрактограммы поликристаллических образцов с большим количеством кристаллов. Большинство материалов имеют кристаллическую структуру, но некоторые важные материалы не имеют регулярной кристаллической структуры. [13] Полимеры имеют различную степень кристалличности, и многие из них совершенно некристаллические. Стекло , некоторые виды керамики и многие природные материалы аморфны и не обладают дальним порядком в расположении атомов. Изучение полимеров сочетает в себе элементы химической и статистической термодинамики для термодинамического и механического описания физических свойств.
Материалы, атомы и молекулы которых образуют составляющие на наноуровне (т.е. образуют наноструктуру), называются наноматериалами. Наноматериалы являются предметом интенсивных исследований в области материаловедения из-за уникальных свойств, которые они проявляют.
Наноструктура имеет дело с объектами и структурами в диапазоне 1–100 нм. [14] Во многих материалах атомы или молекулы агломерируются вместе, образуя объекты наномасштаба. Это обуславливает множество интересных электрических, магнитных, оптических и механических свойств.
При описании наноструктур необходимо различать количество измерений на 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 на наноуровне, т. е. диаметр трубки составляет от 0,1 до 100 нм; его длина могла быть значительно больше.
Наконец, сферические наночастицы имеют три измерения в наномасштабе, т.е. размер частицы составляет от 0,1 до 100 нм в каждом пространственном измерении. Термины «наночастицы» и «ультрамелкие частицы» (UFP) часто используются как синонимы, хотя UFP может достигать микрометрового диапазона. Термин «наноструктура» часто используется применительно к магнитной технологии. Наноразмерную структуру в биологии часто называют ультраструктурой .
Микроструктура определяется как структура подготовленной поверхности или тонкой фольги материала, выявляемая под микроскопом с увеличением более 25×. Речь идет об объектах размером от 100 нм до нескольких см. Микроструктура материала (который 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. . [15] Большинство традиционных материалов (таких как металлы и керамика) имеют микроструктуру.
Изготовление идеального кристалла материала физически невозможно. Например, любой кристаллический материал будет содержать такие дефекты , как выделения , границы зерен ( отношения Холла-Петча ), вакансии, межузельные атомы или атомы замещения. [16] Микроструктура материалов выявляет эти более крупные дефекты, а достижения в моделировании позволили лучше понять, как дефекты можно использовать 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 удобство использования и, следовательно, его применение в технике.
Синтез и обработка предполагают создание материала с желаемой микронаноструктурой. Материал не может быть использован в промышленности, если не разработан экономически обоснованный способ его производства. Поэтому разработка методов обработки материалов, которые были бы достаточно эффективными и экономичными, жизненно важна для области материаловедения. Разные материалы требуют разных методов обработки или синтеза. Например, обработка металлов исторически определила такие эпохи, как бронзовый век и железный век , и изучается в рамках отрасли материаловедения, называемой физической металлургией . Химические и физические методы также используются для синтеза других материалов, таких как полимеры , керамика , полупроводники и тонкие пленки . В начале XXI века разрабатываются новые методы синтеза наноматериалов, таких как графен .
Термодинамика занимается теплом и температурой и их связью с энергией и работой . Он определяет макроскопические 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 статистической механикой , а законы термодинамики выводятся из нее .
Изучение термодинамики имеет фундаментальное значение для материаловедения. Он формирует основу для рассмотрения общих явлений в материаловедении и технике, включая химические реакции, магнетизм, поляризуемость и упругость. [17] В нем объясняются фундаментальные инструменты, такие как фазовые диаграммы , и такие концепции, как фазовое равновесие .
Химическая кинетика — это изучение скорости, с которой системы, находящиеся вне равновесия, изменяются под действием различных сил. В применении к материаловедению он изучает, как материал изменяется со временем (переходит из неравновесного состояния в равновесное) под действием определенного поля. Он детализирует скорость различных процессов, развивающихся в материалах, включая форму, размер, состав и структуру. Диффузия важна при изучении кинетики, поскольку это наиболее распространенный механизм изменения материалов. [18] Кинетика важна при обработке материалов, потому что, среди прочего, она подробно описывает, как микроструктура изменяется под воздействием тепла.
Материаловедение — очень активная область исследований. Вместе с кафедрами материаловедения исследованиями материалов занимаются физики , химии и многие инженерные кафедры. Исследование материалов охватывает широкий круг тем; Следующий неисчерпывающий список выделяет несколько важных областей исследований.
Наноматериалы, в принципе, описывают материалы, размер отдельной единицы которых (по крайней мере, в одном измерении) составляет от 1 до 1000 нанометров (10–9 метров ), но обычно он составляет 1–100 нм. Исследования наноматериалов используют подход к нанотехнологиям , основанный на материаловедении , с использованием достижений в области метрологии и синтеза материалов, которые были разработаны для поддержки исследований в области микропроизводства . Материалы со структурой наномасштаба часто обладают уникальными оптическими, электронными или механическими свойствами. Область наноматериалов, как и традиционная область химии, слабо организована на органические (углеродные) наноматериалы, такие как фуллерены, и неорганические наноматериалы на основе других элементов, таких как кремний. Примеры наноматериалов включают фуллерены , углеродные нанотрубки , нанокристаллы и т. д.
Биоматериал — это любая материя, поверхность или конструкция, которая взаимодействует с биологическими системами. Изучение биоматериалов называется биоматериаловедением . На протяжении всей своей истории он демонстрировал устойчивый и сильный рост, при этом многие компании инвестировали большие суммы денег в разработку новых продуктов. Наука о биоматериалах включает в себя 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, например, в качестве биомедицинских устройств, которые выполняют, дополняют или заменяют естественные функции. Такие функции могут быть безобидными, например, для сердечного клапана , или могут быть биоактивными с более интерактивными функциями, такими как тазобедренные имплантаты, покрытые гидроксилапатитом . Биоматериалы также используются каждый день в стоматологии, хирургии и доставке лекарств. Например, в организм можно поместить конструкцию с импрегнированными фармацевтическими продуктами, что обеспечивает пролонгированное высвобождение лекарства в течение длительного периода времени. Биоматериал также может представлять собой аутотрансплантат , аллотрансплантат или ксенотрансплантат , используемый в качестве материала для трансплантации органов .
Полупроводники, металлы и керамика сегодня используются для создания 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, и поэтому исследование этих материалов имеет жизненно важное значение.
Полупроводники являются традиционным примером материалов такого типа. Это материалы, обладающие промежуточными свойствами между проводниками и изоляторами . Их электропроводность очень чувствительна к концентрации примесей, что позволяет использовать легирование для достижения желаемых электронных свойств. Следовательно, полупроводники составляют основу традиционного компьютера.
Эта область также включает в себя новые области исследований, такие как сверхпроводящие материалы, спинтроника , метаматериалы и т. д. Изучение этих материалов предполагает знание материаловедения и физики твердого тела или физики конденсированного состояния .
С продолжающимся 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 изучены. Усилия, связанные с интегрированной вычислительной инженерией материалов, в настоящее время сосредоточены на сочетании вычислительных методов с экспериментами, чтобы радикально сократить время и усилия по оптимизации свойств материалов для конкретного применения. Это включает в себя моделирование материалов во всех масштабах длины с использованием таких методов, как теория функционала плотности , молекулярная динамика , Монте-Карло , динамика дислокаций, фазовое поле , метод конечных элементов и многие другие. [21]
Радикальные достижения в области материалов могут стимулировать создание новых продуктов или даже новых отраслей, но стабильные отрасли также нанимают ученых-материаловедов для постепенного улучшения и устранения проблем с используемыми в настоящее время материалами. Промышленные применения материаловедения включают в себя проектирование материалов, соотношение затрат и выгод при 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) , резерфордовское обратное рассеяние , нейтронная дифракция , малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) и т. д.).
Помимо характеристики материалов, ученый-материаловед или инженер также занимается извлечением материалов и преобразованием их в полезные формы. Таким образом , литье слитков , методы литья , доменная экстракция и электролитическая экстракция — все это часть необходимых знаний инженера-материаловика. 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 весовых процентов углерода и других легирующих элементов, которые они содержат. Таким образом, методы экстракции и очистки, используемые для извлечения железа в доменной печи, могут повлиять на качество производимой стали.
Твердые материалы обычно группируются в три основные категории: 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. [22] Изделием, которое часто изготавливается из каждого из этих типов материалов, является контейнер для напитков. Соответственно, типы материалов, используемых для изготовления контейнеров для напитков, имеют различные преимущества и недостатки в зависимости от используемого материала. Керамические (стеклянные) контейнеры оптически прозрачны, непроницаемы для углекислого газа, относительно недороги и легко перерабатываются, но при этом они тяжелые и легко ломаются. Металл (алюминиевый сплав) относительно прочен, является хорошим барьером для диффузии углекислого газа и легко перерабатывается. Однако банки непрозрачны, их производство дорогое, их легко помять и проколоть. Полимеры (полиэтиленовый пластик) относительно прочны, могут быть оптически прозрачными, недорогими и легкими, пригодны для вторичной переработки, но не так непроницаемы для прохождения углекислого газа, как алюминий и стекло.
Еще одним применением материаловедения является изучение керамики и стекла , обычно наиболее хрупких материалов, имеющих промышленное значение. Многие керамики и стекла демонстрируют ковалентную или ионно-ковалентную связь с SiO 2 ( кремнеземом ) как фундаментальным строительным блоком. Керамика – не путать с сырой, необожженной глиной – обычно имеет кристаллическую форму. Подавляющее большинство коммерческих стекол содержат оксид металла, сплавленный с кремнеземом. При высоких температурах, используемых для изготовления стекла, материал представляет собой вязкую жидкость, которая при охлаждении затвердевает и переходит в неупорядоченное состояние. Важными примерами являются оконные стекла и очки. Стеклянные волокна также используются для телекоммуникаций и оптической передачи на большие расстояния. Устойчивое к царапинам стекло Corning Gorilla Glass — хорошо известный пример применения материаловедческих технологий для радикального улучшения свойств обычных компонентов.
Инженерная керамика известна своей жесткостью и стабильностью при высоких температурах, сжатии и электрическом напряжении. Глинозем, карбид кремния и карбид вольфрама изготавливаются из мелкого порошка их составляющих в процессе спекания со связующим. Горячее прессование обеспечивает получение материала более высокой плотности. Химическое осаждение из паровой фазы позволяет разместить пленку керамики на другом материале. Керметы – это керамические частицы, содержащие некоторые металлы. Износостойкость инструментов достигается за счет цементированных карбидов с металлической фазой кобальта и никеля, обычно добавляемой для изменения свойств.
Керамику можно значительно укрепить для инженерных целей, используя принцип отклонения трещины . [23] Этот процесс включает стратегическое добавление частиц второй фазы в керамическую матрицу, оптимизируя их форму, размер и распределение для направления и контроля распространения трещин. Такой подход повышает вязкость разрушения, открывая путь к созданию современной высокопроизводительной керамики в различных отраслях промышленности. [24]
Другое применение материаловедения в промышленности — изготовление композиционных материалов . Это структурированные материалы, состоящие из двух или более макроскопических фаз.
Область применения варьируется от структурных элементов, таких как железобетон, до теплоизоляционных плиток, которые играют ключевую и неотъемлемую роль в системе тепловой защиты космического корабля НАСА , которая используется для защиты поверхности шаттла от тепла при входе в атмосферу. в атмосферу Земли. Одним из примеров является армированный углерод-углерод (RCC), светло-серый материал, который выдерживает температуру входа в атмосферу до 1510 °C (2750 °F) и защищает передние кромки крыла и носовую часть космического челнока. [25] RCC представляет собой ламинированный композиционный материал, изготовленный из графитовой вискозной ткани и пропитанный фенольной смолой . После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат пиролизуется для превращения смолы в углерод, пропитывается фурфуриловым спиртом в вакуумной камере и отверждается пиролизом для превращения фурфурилового спирта в углерод. Чтобы обеспечить стойкость к окислению и возможность повторного использования, внешние слои RCC преобразуются в карбид кремния .
Другие примеры можно увидеть в «пластмассовых» корпусах телевизоров, мобильных телефонов и т.п. Эти пластиковые оболочки обычно представляют собой композитный материал, состоящий из термопластической матрицы, такой как акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), в которую добавлены мел карбоната кальция , тальк , стеклянные волокна или углеродные волокна для дополнительной прочности, объема или электростатического диспергирования . Эти добавки можно назвать армирующими волокнами или диспергаторами, в зависимости от их назначения.
Полимеры – это химические соединения, состоящие из большого количества одинаковых компонентов, связанных между собой в виде цепей. Полимеры — это сырье (смолы), используемое для изготовления того, что обычно называют пластмассами и резиной . Пластмассы и резина являются конечным продуктом, созданным после добавления одного или нескольких полимеров или добавок к смоле во время обработки, которой затем придается окончательная форма. К пластмассам, широко используемым в прошлом и в настоящее время, относятся полиэтилен , полипропилен , поливинилхлорид (ПВХ), полистирол , нейлон , полиэфиры , акрил , полиуретаны и поликарбонаты . Каучуки включают натуральный каучук, бутадиен-стирольный каучук, хлоропрен и бутадиеновый каучук . Пластмассы обычно подразделяются на товарные , специальные и конструкционные пластмассы .
Поливинилхлорид (ПВХ) широко используется, недорог, а ежегодные объемы производства велики. Он подходит для широкого спектра применений: от искусственной кожи до электроизоляции и прокладки кабелей, упаковки и контейнеров . Его изготовление и обработка просты и хорошо отработаны. Универсальность ПВХ обусловлена широким спектром пластификаторов и других добавок, которые он допускает. [26] Термин «добавки» в науке о полимерах относится к химическим веществам и соединениям, добавляемым к полимерной основе для изменения свойств ее материала.
Поликарбонат обычно считается конструкционным пластиком (другие примеры включают PEEK , ABS). Такие пластмассы ценятся за свою превосходную прочность и другие особые свойства материала. Они обычно не используются для одноразового применения, в отличие от товарного пластика.
Специальные пластмассы – это материалы с уникальными характеристиками, такими как сверхвысокая прочность, электропроводность, электрофлуоресценция, высокая термостойкость и т. д.
Разделительные линии между различными типами пластмасс основаны не на материале, а на их свойствах и применении. Например, полиэтилен (ПЭ) представляет собой дешевый полимер с низким коэффициентом трения, обычно используемый для изготовления одноразовых мешков для покупок и мусора и считается товарным пластиком, тогда как полиэтилен средней плотности (MDPE) используется для подземных газо- и водопроводных труб, а также для производства одноразовых мешков для покупок и мусора. Другая разновидность, называемая полиэтиленом сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ), представляет собой конструкционный пластик, который широко используется в качестве направляющих для промышленного оборудования и втулок с низким коэффициентом трения в имплантированных тазобедренных суставах .
Сплавы железа ( сталь , нержавеющая сталь , чугун , инструментальная сталь , легированные стали ) составляют сегодня наибольшую долю металлов как по количеству, так и по коммерческой ценности.
Железо, легированное различным содержанием углерода, дает низко- , средне- и высокоуглеродистые стали . Железо-углеродистый сплав считается сталью только в том случае, если уровень углерода составляет от 0,01% до 2,00% по весу. Что касается сталей, твердость и предел прочности стали связаны с количеством присутствующего углерода, при этом увеличение уровня углерода также приводит к снижению пластичности и ударной вязкости. Однако процессы термообработки , такие как закалка и отпуск , могут существенно изменить эти свойства. Напротив, некоторые металлические сплавы обладают уникальными свойствами: их размер и плотность остаются неизменными в широком диапазоне температур. [27] Чугун определяется как железо-углеродистый сплав 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 . В нержавеющие стали обычно также добавляют никель и молибден .
Другими важными металлическими сплавами являются сплавы алюминия , титана , меди и магния . Медные сплавы известны давно (со времен бронзового века ), тогда как сплавы трех других металлов разработаны сравнительно недавно. Из-за химической активности этих металлов необходимые процессы электролитической экстракции были разработаны сравнительно недавно. Сплавы алюминия, титана и магния также известны и ценятся за их высокое соотношение прочности к весу и, в случае магния, за их способность обеспечивать электромагнитное экранирование. [28] Эти материалы идеально подходят для ситуаций, когда высокое соотношение прочности и веса более важно, чем объемная стоимость, например, в аэрокосмической промышленности и некоторых применениях в автомобилестроении.
Полупроводник — это материал, который имеет удельное сопротивление между проводником и изолятором . Современная электроника работает на полупроводниках, и в 2021 году рынок этой отрасли оценивается в 530 миллиардов долларов США. [29] Ее электронные свойства могут быть значительно изменены путем преднамеренного введения примесей в процессе, называемом допингом. Полупроводниковые материалы используются для создания диодов , транзисторов , светоизлучающих диодов (СИД), а также аналоговых и цифровых электрических схем , а также для их многочисленных применений. Полупроводниковые устройства заменили термоэмиссионные устройства, такие как электронные лампы, в большинстве применений. Полупроводниковые устройства 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 . [30]
Из всех полупроводников, используемых сегодня, кремний составляет наибольшую долю как по количеству, так и по коммерческой ценности. Монокристаллический кремний используется для производства пластин, используемых в полупроводниковой и электронной промышленности . Арсенид галлия (GaAs) — второй по популярности используемый полупроводник. Благодаря 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 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 единым образом. Таким образом, материаловедение и инженерия возникли разными способами: переименование и/или объединение существующих кафедр металлургии и керамики ; отделение от существующих исследований в области физики твердого тела (которые сами по себе перерастают в физику конденсированного состояния ); привлечение относительно новых технологий в области полимерной инженерии и науки о полимерах ; рекомбинация из предыдущего, а также химии , химической технологии , машиностроения и электротехники ; и более.
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.
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 материалов, включают электронные, оптические и магнитные материалы, новые материалы и структуры, квантовые явления в материалах, неравновесную физику и физику мягкого конденсированного состояния. Новые экспериментальные и вычислительные инструменты постоянно совершенствуют способы моделирования и изучения систем материалов, а также являются областями, в которых работают физики материалов.
Эта область по своей сути является междисциплинарной , и ученые-материаловеды или инженеры должны знать и использовать методы физика, химика и инженера. И наоборот, такие области, как науки о жизни и археология, могут стимулировать разработку новых материалов и процессов с использованием биоинспирированных и палеоинспирированных подходов. Таким образом, сохраняются тесные связи с этими областями. И наоборот, многие физики, химики и инженеры работают в области материаловедения из-за значительного совпадения между этими областями.
Основные отрасли материаловедения связаны с четырьмя основными классами материалов: керамикой, металлами, полимерами и композитами.
Существуют также широко применимые, независимые от материалов начинания.
Существуют также относительно широкие материалы по конкретным явлениям и методам.
