Междисциплинарная область материаловедения, также часто называют материалы науки и техники, охватывает 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.. 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.
Материаловеды подчеркивают понимание того, как история материала ( обработки) влияет на его структуру и, следовательно, на свойства и характеристики материала. Понимание взаимосвязи обработки, структуры и свойств называется парадигмой материалов. Эта парадигма используется для углубления 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, что приводит к травмам или повреждению имущества. Такие расследования являются ключом к пониманию, например, причин различных авиационных происшествий и инцидентов.
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. Главный 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. 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 керамики, что отражало 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. " С тех пор эта область расширилась и включает все классы материалов, включая керамику, полимеры, полупроводники, магнитные материалы, биоматериалы и наноматериалы, которые обычно 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.
Материал определяется как вещество (чаще всего твердое, но могут быть включены и другие конденсированные фазы), которое предназначено для использования в определенных областях применения. Вокруг нас множество материалов; их можно найти в чем угодно, от зданий и автомобилей до космических кораблей. Основные классы материалов - это металлы, полупроводники, керамика и полимеры. Разрабатываются новые и современные материалы, включая наноматериалы, биоматериалы и энергетические материалы, и это лишь некоторые из них.
Основа материаловедения - это изучение взаимосвязи между структурой материалов, методами обработки для получения этого материала и получаемыми в результате свойствами материала. Сложная комбинация этих характеристик обеспечивает характеристики материала в конкретном применении. Многие особенности во многих масштабах длины влияют на характеристики материала, начиная с составляющих химических элементов, его микроструктуры и макроскопических характеристик в результате обработки. Вместе с законами термодинамики и кинетики материаловеды стремятся понять и улучшить материалы.
Структура - одна из важнейших составляющих 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 на рентгеновских лучах, электронах или нейтронах, 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, чтобы дать начало молекулам, кристаллам и т. Д. Большая часть электрических, магнитных и химических свойств материалов проистекает из этого уровня структуры. Используемые масштабы длины указаны в ангстремах ( Å ). Химическая связь и расположение атомов (кристаллография) имеют фундаментальное значение для изучения свойств и поведения любого материала.
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 - 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 мелких кристаллов или зерен 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.
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, которые находятся в диапазоне от 1 до 100 нм. Во многих материалах атомы или молекулы агломерируются вместе, образуя объекты на наноуровне. Это обуславливает множество интересных электрических, магнитных, оптических и механических свойств.
При описании наноструктур необходимо различать количество измерений в наномасштабе.
Поверхности с нанотекстурой 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 определяется как структура подготовленной поверхности или тонкой фольги материала, выявленная 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, а успехи в моделировании позволили лучше понять, 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 демонстрируют множество свойств, в том числе следующие.
Свойства материала определяют его удобство использования и, следовательно, его инженерное применение.
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 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.
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.
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 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 исследований в области микротехнологий. 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.
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 имплантаты бедра, 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 лекарственного средства в течение продолжительного 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 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.
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.
Радикальные достижения в области материалов могут стимулировать создание новых продуктов или даже новых отраслей, но в стабильных отраслях также работают специалисты по материалам, чтобы вносить дополнительные улучшения и устранять проблемы 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, дифракция рентгеновских лучей, калориметрия, ядерная микроскопия (HEFIB), обратное рассеяние Резерфорда, дифракция нейтронов, малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) и т. д.).
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.
Еще одно применение материаловедения - изучение керамики и стекла, как правило, наиболее хрупких материалов, имеющих промышленное значение. Многие керамика и стекло демонстрируют ковалентную или ионно-ковалентную связь с SiO 2 ( диоксид кремния ) в качестве основного строительного блока. Керамика - не путать с сырой необожженной глиной - обычно бывает в кристаллической форме. 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 в неупорядоченном состоянии. Оконные стекла и очки - важные примеры. Стеклянные волокна также используются для дальней связи и оптической передачи. Устойчивое к царапинам стекло Corning Gorilla Glass - хорошо известный пример применения материаловедения для значительного улучшения свойств обычных компонентов.
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.
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 - 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 придается окончательная форма. Пластмассы, которые были вокруг и которые в настоящее время широко используются, включают полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), полистирол, нейлон, полиэфиры, акрил, полиуретаны и поликарбонаты, а также каучуки, которые были вокруг, - 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.
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 бронзового века ), 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 соотношение 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.
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 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.
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 имеют различные применения.
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 и электротехника ; 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), 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 природе является междисциплинарной, и материаловеды или инженеры должны знать и использовать методы физика, химика и инженера. Таким образом, с этими полями сохраняется тесная связь. И наоборот, многие физики, химики и инженеры работают в области материаловедения из-за значительного дублирования между этими областями.
Новые технологии | Положение дел | Потенциально маргинальные технологии | Возможные приложения | Статьи по Теме |
---|---|---|---|---|
Аэрогель | Гипотетические, эксперименты, распространение, раннее использование | Традиционная изоляция, стекло | Улучшенная изоляция, изолирующее стекло, если оно может быть прозрачным, рукава для нефтепроводов, аэрокосмической промышленности, применения в условиях высоких температур и экстремально низких температур. | |
Аморфный металл | Эксперименты | Кевлар | Броня | |
Проводящие полимеры | Исследования, эксперименты, прототипы | Дирижеры | Более легкие и дешевые провода, антистатические материалы, органические солнечные элементы | |
Фемтотехнология, пикотехнология | Гипотетический | Настоящее ядерное | Новые материалы; ядерное оружие, мощь | |
Фуллерен | Эксперименты, распространение | Синтетический алмаз и углеродные нанотрубки (Buckypaper) | Программируемая материя | |
Графен | Гипотетические, эксперименты, распространение, раннее использование | Интегральная схема на основе кремния | Компоненты с более высоким отношением прочности к весу, транзисторы, работающие на более высокой частоте, более низкая стоимость экранов дисплеев в мобильных устройствах, хранение водорода для автомобилей с топливными элементами, системы фильтрации, более долговечные и быстро заряжаемые батареи, датчики для диагностики заболеваний | Возможные применения графена |
Высокотемпературная сверхпроводимость | Системы входной части криогенного приемника (CRFE) ВЧ- и СВЧ-фильтров для базовых станций мобильных телефонов; прототипы в сухом льду ; Гипотетические и эксперименты для более высоких температур | Медный провод, полупроводниковые интегральные схемы | Проводники без потерь, подшипники качения, магнитная левитация, аккумуляторы большой емкости без потерь, электромобили, интегральные схемы и процессоры без нагрева | |
LiTraCon | Эксперименты, уже использованные для создания Ворот Европы | Стакан | Строительство небоскребов, башен и скульптур, таких как Ворота Европы. | |
Метаматериалы | Гипотетический, эксперименты, распространение | Классическая оптика | Микроскопы, камеры, маскировка из метаматериалов, маскирующие устройства | |
Металлическая пена | Исследования, коммерциализация | Корпуса | Космические колонии, плавучие города | |
Многофункциональные конструкции | Гипотетические, эксперименты, несколько прототипов, несколько коммерческих | Композитные материалы | Широкий диапазон, например, самоконтроль, самовосстановление, морфинг. | |
Наноматериалы : углеродные нанотрубки | Гипотетические, эксперименты, распространение, раннее использование | Конструкционная сталь и алюминий | Более прочные и легкие материалы, космический лифт | Возможные области применения углеродных нанотрубок, углеродного волокна |
Программируемая материя | Гипотетические, эксперименты | Покрытия, катализаторы | Широкий спектр, например, клэйтроника, синтетическая биология | |
Квантовые точки | Исследования, эксперименты, прототипы | LCD, LED | Лазер на квантовых точках, будущее использование в качестве программируемого материала в технологиях отображения (телевидение, проекция), оптической передаче данных (высокоскоростная передача данных), медицине (лазерный скальпель) | |
Силицен | Гипотетический, исследовательский | Полевые транзисторы |
Основные отрасли материаловедения происходят из трех основных классов материалов: керамики, металлов и полимеров.
Есть также широко применимые, независимые от материалов, начинания.
В материалах также довольно много внимания уделяется конкретным явлениям и методам.