Материаловедение

Алмазов кубооктаэдр показывая семь кристаллографических плоскостей, визуализируют с помощью сканирующей электронной микроскопии

Междисциплинарная область науки о материалах , также часто называют материалов науки и техники , является проектирование и открытие новых материалов, в частности твердых частиц . Интеллектуальные истоки материаловедения восходят к эпохе Просвещения , когда исследователи начали использовать аналитическое мышление из химии , физики и инженерии, чтобы понять древние феноменологические наблюдения 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 учреждениями как подобласть этих смежных областей. Начиная с 1940-х годов, материаловедение стало получать более широкое признание как особая и обособленная область науки и техники, и крупные технические университеты по всему миру создали специальные школы для ее изучения.

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. ^{[3] [4]}

Материаловеды подчеркивают понимание того, как история материала ( обработки ) влияет на его структуру и, следовательно, на свойства и характеристики материала. Понимание взаимосвязей обработка-структура-свойства называется парадигмой материалов. Эта парадигма используется для углубления понимания в различных областях исследований, включая нанотехнологии , биоматериалы и металлургию. Материаловедение также является важной частью судебной экспертизы и анализа отказов. - исследование материалов, продуктов, конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не функционируют должным образом, что приводит к травмам или повреждению имущества. Такие расследования являются ключом к пониманию, например, причин различных авиационных происшествий и инцидентов .

История

Выбор материала той или иной эпохи часто является определяющим моментом. Такие фразы, как каменный век , бронзовый век , железный век и стальной век, являются историческими, хотя и произвольными примерами. Исходя из производства керамики и производной от нее металлургии, материаловедение является одной из старейших форм инженерии и прикладной науки. Современное материаловедение возникло непосредственно из металлургии , которая, в свою очередь, возникла из горнодобывающей промышленности и (вероятно) керамики, а ранее - из использования огня. Большой прорыв в понимании материалов произошел в конце 19 века, когда американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс продемонстрировал, чтотермодинамические свойства, связанные со структурой атомов в различных фазах , связаны с физическими свойствами материала. Важные элементы современного материаловедения были продуктами космической гонки ; понимание и разработка металлических сплавов , кремнезема и углеродных материалов, используемых 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 спустя десятилетия) многие отделы материаловедения были отделами металлургии или инженерии керамики , что отражает упор на металлы и керамику в XIX и начале XX века. Рост материаловедения в Соединенных Штатах был частично катализатором Агентства перспективных исследовательских проектов , которое в начале 1960-х годов профинансировало ряд университетских лабораторий, «чтобы расширить национальную программу фундаментальных исследований и подготовки кадров в области материаловедения. " ^[5] С тех пор эта область расширилась и теперь включает все классы материалов, включая керамику , полимеры , полупроводники ,магнитные материалы, биоматериалы и наноматериалы , как правило, делятся 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

Материал определяется как вещество (чаще всего твердое, но могут быть включены и другие конденсированные фазы), которое предназначено для использования в определенных областях применения. ^[6] Вокруг нас множество материалов, их можно найти в чем угодно, от зданий, машин до космических кораблей. Материалы обычно можно разделить на два класса: кристаллические и некристаллические . Традиционными примерами материалов являются металлы , полупроводники , керамика и полимеры . ^[7] Новые и современные материалы, которые разрабатываются, включают наноматериалы , биоматериалы , ^[8] иэнергетические материалы и многие другие.

В основе материаловедения лежит изучение структуры материалов и их соотнесение с их свойствами . Как только ученый-материаловед узнает об этой корреляции структура-свойство, 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, вместе взятые и связанные через законы термодинамики и кинетики , определяют микроструктуру материала и , следовательно, его свойства.

Структура

Как упоминалось выше, структура - один из важнейших компонентов в области материаловедения. Материаловедение изучает структуру материалов от атомного масштаба до макроуровня. Характеристика - это способ, которым материаловеды исследуют структуру материала. Сюда входят такие методы, как дифракция с помощью рентгеновских лучей , электронов или нейтронов , а также различные формы спектроскопии и химического анализа, такие как рамановская спектроскопия , энергодисперсионная спектроскопия , хроматография , термический анализ , электронный микроскоп. анализ и др.

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 масштабы длины указаны в ангстремах ( Å ). Химическая связь и расположение атомов (кристаллография) имеют фундаментальное значение для изучения свойств и поведения любого материала.

Склеивание

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 включает в себя изучение и использование квантовой химии или квантовой физики . Физика твердого тела , химии твердого тела и физической химии , также участвуют в изучении связи и структуры.

Кристаллография

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, потому что 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, как совокупность небольших кристаллов с разной ориентацией. По этой причине метод порошковой дифракции, который использует дифрактограммы поликристаллических образцов с большим количеством кристаллов, играет важную роль в определении структуры.Большинство материалов имеют кристаллическую структуру, но некоторые важные материалы не имеют регулярной кристаллической структуры.Полимеры обладают различной степенью кристалличности, и многие из них полностью некристаллические. Стекло , некоторые керамические изделия и многие природные материалы аморфны и не обладают дальним порядком в атомном расположении. Изучение полимеров сочетает в себе элементы химической и статистической термодинамики, чтобы дать термодинамическое и механическое описание физических свойств.

Наноструктура

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

Наноструктура имеет дело с объектами и структурами в диапазоне от 1 до 100 нм. ^[10] 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 в наномасштабе .

Нанотекстурированные поверхности имеют одно измерение в наномасштабе, то есть только толщина поверхности объекта составляет от 0,1 до 100 нм.

Нанотрубки имеют два измерения в наномасштабе, то есть диаметр трубки составляет от 0,1 до 100 нм; его длина могла быть намного больше.

Наконец, сферические наночастицы имеют три измерения в наномасштабе, то есть частицы имеют размер 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 в отношении магнитной технологии. Наноразмерную структуру в биологии часто называют ультраструктурой .

Микроструктура

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 кристалла из материала физически невозможно. Например, любой кристаллический материал будет содержать дефекты, такие как выделения , границы зерен ( соотношение 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

Материалы демонстрируют множество свойств, в том числе следующие.

• Механические свойства см. Прочность материалов.
• Химические свойства, см. Химия.
• Электрические свойства, см. Электричество.
• Тепловые свойства, см. Термодинамика
• Оптические свойства, см. Оптика и фотоника.
• Магнитные свойства, см. Магнетизм

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 нельзя использовать 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 была очень важной и изучается в отрасли материаловедения им физическая 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

Термодинамика изучает тепло и температуру и их связь 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 вытекают из нее .

Изучение термодинамики является фундаментальным 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

Химическая кинетика - это исследование скорости, с которой системы, находящиеся вне равновесия, изменяются под действием различных сил. Применительно к материаловедению он имеет дело с тем, как материал изменяется со временем (переходит из неравновесного состояния в равновесное) из-за приложения определенного поля. Он детализирует скорость различных процессов, происходящих в материалах, включая форму, размер, состав и структуру. Диффузия важна 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.

Исследование

Материаловедение - очень активная область исследований. Наряду с кафедрами материаловедения, исследованиями материалов занимаются кафедры физики , химии и многие инженерные науки. Материалы исследования охватывают широкий круг тем, следующий неполный список выделяет несколько важных областей исследования.

Наноматериалы

Наноматериалы в принципе описывают материалы, размер одного элемента которых (по крайней мере, в одном измерении) составляет от 1 до 1000 нанометров (10 ^-9 метров), но обычно составляет от 1 до 100 нм. В исследовании наноматериалов используется подход к нанотехнологиям , основанный на науке о материалах , с использованием достижений в метрологии и синтезе материалов, которые были разработаны в поддержку микротехнологии.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 и т. Д.

Биоматериалы

Биоматериал - это любой материал, поверхность или конструкция, которые взаимодействуют с биологическими системами. Исследование биоматериалов называется био материаловедении . За свою историю компания пережила устойчивый и сильный рост, и 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 природой, 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 приложений, таких как биомедицинские устройства, которые выполняют, дополняют или заменяют естественную функцию. Такие функции могут быть доброкачественными, 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, конструкция с пропитанными фармацевтическими продуктами может быть помещена в тело, что позволяет пролонгировать высвобождение лекарства в течение продолжительного периода времени. Биоматериал также может представлять собой аутотрансплантат , аллотрансплантат или ксенотрансплантат, используемый в качестве материала для трансплантации органов .

Электронный, оптический и магнитный

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, и поэтому исследования этих материалов имеют жизненно важное значение.

Полупроводники - традиционный пример таких материалов. Это материалы, которые имеют промежуточные свойства 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 новые области исследований, такие как сверхпроводящие материалы, спинтроника , метаматериалы и т. Д. Изучение этих материалов требует знания материаловедения и физики твердого тела или физики конденсированного состояния .

Вычислительное материаловедение

С продолжающимся увеличением вычислительной мощности стало возможным моделирование поведения материалов. Это позволяет материаловедам понять поведение и механизмы, разрабатывать новые материалы и объяснять свойства, которые ранее были плохо изучены. Усилия, связанные с Интегрированной вычислительной инженерией 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 на всех масштабах длины с использованием таких методов, как теория функционала плотности , молекулярная динамика , Монте-Карло , динамика дислокаций, фазовое поле , конечный элемент и многие другие.

Промышленность

Радикальные достижения в области материалов могут стимулировать создание новых продуктов или даже новых отраслей, но в стабильных отраслях промышленности также работают специалисты по материалам для внесения дополнительных улучшений и устранения проблем с используемыми в настоящее время материалами. Промышленные применения материаловедения включают дизайн материалов, компромисс между рентабельностью при промышленном производстве материалов, методы обработки ( литье , прокатка , сварка , ионная имплантация , рост 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 резерфордовское рассеяние , нейтронная дифракция , малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) 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

Еще одно применение материаловедения - это структуры керамики и стекла, обычно связанные с наиболее хрупкими материалами. При связывании керамики и стекла используются ковалентные и ионно-ковалентные типы с SiO ₂ (диоксид кремния 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. Устойчивое к царапинам стекло Corning Gorilla Glass- 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. Оксид алюминия, карбид кремния и карбид вольфрама производятся из тонкого 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 за счет цементированных карбидов с металлической фазой кобальта и никеля, обычно добавляемой для изменения свойств.

Композиты

Еще одно применение материаловедения в промышленности - создание композитных материалов . Это структурированные материалы, состоящие из двух или более макроскопических фаз.

Области применения варьируются от конструктивных элементов, таких как железобетон, до теплоизоляционных плиток, которые играют ключевую и неотъемлемую роль в системе тепловой защиты космического шаттла НАСА , которая используется для защиты поверхности шаттла от тепла повторного входа. 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, изготовленный из графитовой вискозной ткани и пропитанный фенольной смолой.. После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат подвергается пиролизу для преобразования смолы в углерод, пропитывается фурфуроловым спиртом в вакуумной камере и подвергается пиролизу отверждения для преобразования спирта фурфурола 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 оболочки обычно представляют собой композитный материал, состоящий из термопластической матрицы, такой как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), в который добавлены мел карбонат кальция , тальк , стекловолокно или углеродные волокна для дополнительной прочности, объема или электростатического диспергирования. Эти добавки могут быть названы армирующими волокнами или диспергаторами, в зависимости от их назначения.

Полимеры

Полимеры - это 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. Пластики, которые были вокруг и которые в настоящее время широко используются, включают полиэтилен , полипропилен , поливинилхлорид (ПВХ), полистирол , нейлон , полиэфир , акрил ,применяемые полиуретаны и поликарбонаты, а также каучуки - это натуральный каучук, стирол-бутадиеновый каучук, хлоропрен и бутадиеновый каучук . Пластмассы , как правило , классифицируются как сырьевые товары , специальности и инженерных пластмасс .

Поливинилхлорид (ПВХ) широко используется, недорог, а объемы производства большие. Он подходит для широкого спектра применений, от искусственной кожи до электрической изоляции и кабелей, упаковки и контейнеров . Его изготовление и обработка просты и хорошо налажены. Универсальность ПВХ обусловлена ​​широким спектром пластификаторов и других добавок, 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, скорее, 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 и другая разновидность полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы (UHMWPE) представляет собой конструкционный пластик, который широко используется в качестве направляющих для промышленного оборудования и гнезда с низким коэффициентом трения в имплантированных тазобедренных суставах .

Металлические сплавы

Изучение металлических сплавов - важная часть материаловедения. Из всех металлических сплавов, используемых сегодня, сплавы железа ( сталь , нержавеющая сталь , чугун , инструментальная сталь , легированные стали ) составляют самую большую долю как по количеству, так и по коммерческой стоимости.

Железо, легированное углеродом в различных пропорциях, дает стали с низким, средним и высоким содержанием углерода . Сплав железа с углеродом считается сталью, только если уровень углерода составляет от 0,01% до 2,00%. Что касается сталей, твердость и предел прочности стали связаны с количеством присутствующего углерода, при этом повышение уровня 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 важными металлическими сплавами являются сплавы алюминия , титана , меди и магния . Медные сплавы известны давно (с эпохи бронзы).), тогда как сплавы трех других металлов были разработаны относительно недавно. Из-за химической активности этих металлов необходимые 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. Полупроводниковый материал , который имеет удельное сопротивление между металлом и изолятором. Его электронные свойства могут быть сильно изменены путем преднамеренного введения примесей или легирования. Из этих полупроводниковых материалов могут быть построены такие вещи, как диоды , транзисторы , светодиоды (светодиоды), а также аналоговые и цифровые электрические схемы , 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 интегральных схем.(ИС), которые состоят из ряда - от нескольких до миллионов - устройств, изготовленных и соединенных между собой на одной полупроводниковой подложке. ^[13]

Из всех полупроводников, используемых сегодня, кремний составляет самую большую часть как по количеству, так и по коммерческой стоимости. Монокристаллический кремний используется для изготовления пластин, используемых в полупроводниковой и электронной промышленности. На втором месте после кремния арсенид галлия (GaAs) является вторым по популярности используемым полупроводником. 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, двухточечных микроволновых каналах 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 кафедр металлургии и керамики ; отделение от существующих исследований физики твердого тела (само перерастает в физику конденсированного состояния ); привлечение относительно новой полимерной инженерии и науки о полимерах ; рекомбинирование из предыдущего, а также химия , химическая инженерия , машиностроение иэлектротехника ; 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), потому что использование соответствующих материалов имеет решающее значение при проектировании систем. В результате материаловедение становится все более важной частью образования инженера.

Эта область по своей сути является междисциплинарной , и материаловеды или инженеры должны знать и использовать методы физика, химика и инженера. Таким образом, сохраняется тесная связь с этими полями. И наоборот, многие физики, химики и инженеры работают в области материаловедения из-за значительного дублирования между этими областями.

Новые технологии

Поддисциплины

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

• Керамическая инженерия
• Металлургия
• Наука о полимерах и полимерная инженерия

Есть также широко применимые, независимые от материалов, начинания.

• Характеристика материалов
• Вычислительное материаловедение
• Материалы информатики

В материалах также довольно много внимания уделяется конкретным явлениям и методам.

• Кристаллография
• Ядерная спектроскопия
• Наука о поверхности
• Трибология

Связанные поля

• Физика конденсированного состояния
• Минералогия
• Химия твердого тела
• Физика твердого тела
• Супрамолекулярная химия

Профессиональные общества

• Американское керамическое общество
• ASM International
• Ассоциация производителей чугуна и стали
• Общество исследования материалов
• Общество минералов, металлов и материалов

Смотрите также

Рекомендации

Цитаты

Библиография

• Эшби, Майкл; Хью Шерклифф; Дэвид Себон (2007). Материалы: инженерия, наука, обработка и дизайн (1-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-8391-3.
• Аскеланд, Дональд Р .; Прадип П. Фуле (2005). Наука и инженерия материалов (5-е изд.). Томсон-Инжиниринг. ISBN 978-0-534-55396-8.
• Каллистер-младший, Уильям Д. (2000). Материаловедение и инженерия - Введение (5-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-32013-5.
• Эберхарт, Марк (2003). Почему вещи ломаются: понимание мира по его разногласиям . Гармония. ISBN 978-1-4000-4760-4.
• Гаскелл, Дэвид Р. (1995). Введение в термодинамику материалов (4-е изд.). Издательство Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-1-56032-992-3.
• Гонсалес-Виньяс, W. & Mancini, HL (2004). Введение в материаловедение . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-07097-1.
• Гордон, Джеймс Эдвард (1984). Новая наука о прочных материалах или почему вы не падаете сквозь пол (изд.). Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-02380-9.
• Мэтьюз, Флорида и Роулингс, Р. Д. (1999). Композиционные материалы: техника и наука . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1.
• Льюис, PR; Рейнольдс К. и Гагг К. (2003). Судебная инженерия материалов: примеры из практики . Бока-Ратон: CRC Press.
• Вахтман, Джон Б. (1996). Механические свойства керамики . Нью-Йорк: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 978-0-471-13316-2.
• Уокер, П., изд. (1993). Словарь Чемберса по материаловедению и технологии . Издательство Chambers. ISBN 978-0-550-13249-9.

дальнейшее чтение

• Хронология материаловедения в Обществе минералов, металлов и материалов (TMS) - по состоянию на март 2007 г.
• Burns, G .; Глейзер, AM (1990). Космические группы для ученых и инженеров (2-е изд.). Бостон: Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-145761-7.
• Каллити, Б. Д. (1978). Элементы рентгеновской дифракции (2-е изд.). Ридинг, Массачусетс: издательство Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 978-0-534-55396-8.
• Giacovazzo, C; Монако HL; Viterbo D; Scordari F; Gilli G; Zanotti G; Катти М. (1992). Основы кристаллографии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-855578-0.
• Грин, диджей; Hannink, R .; Суэйн, М.В. (1989). Трансформационное упрочнение керамики . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.
• Лавси, SW (1984). Теория рассеяния нейтронов в конденсированных средах; Том 1: Рассеяние нейтронов . Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-852015-3.
• Лавси, SW (1984). Теория рассеяния нейтронов в конденсированных средах; Том 2: Конденсированное вещество . Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-852017-7.
• О'Киф, М .; Гайд, Б.Г. (1996). Кристаллические структуры; I. Паттерны и симметрия . Zeitschrift für Kristallographie . 212 . Вашингтон, округ Колумбия: Минералогическое общество Америки, серия монографий. п. 899. Bibcode : 1997ZK .... 212..899K . DOI : 10.1524 / zkri.1997.212.12.899 . ISBN 978-0-939950-40-9.
• Сквайрс, GL (1996). Введение в теорию теплового рассеяния нейтронов (2-е изд.). Минеола, Нью-Йорк: ISBN Dover Publications Inc. 978-0-486-69447-4.
• Янг, Р.А., изд. (1993). Метод Ритвельда . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета и Международный союз кристаллографии. ISBN 978-0-19-855577-3.

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по материаловедению .

В Викиучебнике есть книга на тему: Материаловедение.

• Конференция MS&T, организованная обществами основных материалов
• MIT OpenCourseWare для MSE
• Материаловедение в Curlie