Materialevidenskab (fra russisk materiale og at vide ) er en tværfaglig gren af videnskaben, der studerer ændringer i materialers egenskaber i både fast og flydende tilstand, afhængigt af nogle faktorer. De undersøgte egenskaber omfatter: strukturen af stoffer, elektroniske, termiske, kemiske, magnetiske, optiske egenskaber af disse stoffer. Materialevidenskab kan tilskrives de dele af fysik og kemi , der studerer materialers egenskaber . Derudover bruger denne videnskab en række metoder til at udforske strukturen af materialer. Ved fremstilling af videnskabstunge produkter i industrien, især når man arbejder med objekter af mikro- og nanostørrelser, er det nødvendigt at kende i detaljer materialernes egenskaber, egenskaber og struktur. Materialevidenskaben er opfordret til at løse disse problemer. Det dækker udvikling og opdagelse af nye materialer, især faste stoffer . Materialevidenskabens intellektuelle oprindelse går tilbage til oplysningstiden , hvor forskere begyndte at bruge analytiske metoder fra kemi , fysik og teknik til at forstå oldtidens fænomenologiske observationer inden for metallurgi og mineralogi [1] [2] . Materialevidenskab omfatter stadig elementer af fysik, kemi og ingeniørvidenskab. Således har feltet længe været betragtet af akademiske institutioner som et underområde af disse beslægtede felter. Begyndende i 1940'erne begyndte materialevidenskab at vinde bredere anerkendelse som et distinkt og særskilt område inden for videnskab og teknologi, og store tekniske universiteter rundt om i verden etablerede specialskoler for dets studier.
Materialeforskere lægger vægt på forståelsen af, hvordan et materiales historie ( bearbejdning ) påvirker dets struktur og dermed materialets egenskaber og karakteristika. At forstå forholdet bearbejdning-struktur-egenskaber kaldes materialeparadigmet. Dette paradigme bruges til at fremme forståelsen inden for forskellige forskningsområder, herunder nanoteknologi , biomaterialer og metallurgi.
Materialevidenskab er også en vigtig del af retsmedicin og fejlanalyse. – undersøgelse af materialer, produkter, strukturer eller komponenter, der svigter eller ikke fungerer korrekt, hvilket resulterer i person- eller ejendomsskade. Sådanne undersøgelser er nøglen til at forstå f.eks. årsagerne til forskellige flyulykker og hændelser .
Valget af materiale fra en bestemt æra er ofte det afgørende øjeblik. Sætninger som stenalder , bronzealder , jernalder og stålalder er historiske, om end vilkårlige, eksempler. Materialevidenskab stammer fra produktionen af keramik og dens afledte metallurgi og er en af de ældste former for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab. Moderne materialevidenskab opstod direkte fra metallurgi , som igen opstod fra minedrift og (sandsynligvis) keramik, og tidligere fra brugen af ild. Et stort gennembrud i forståelsen af materialer kom i slutningen af det 19. århundrede, da den amerikanske videnskabsmand Josiah Willard Gibbs påviste, at de termodynamiske egenskaber, som afhænger af atomstrukturen i forskellige faser , er relateret til materialets fysiske egenskaber. Vigtige elementer i moderne materialevidenskab har været produkter af rumkapløbet ; forståelse og udvikling af metallegeringer , silica og kulstofmaterialer , der bruges til at bygge rumfartøjer for at tillade rumudforskning. Materialevidenskab er drivkraften bag udviklingen af revolutionerende teknologier såsom gummi , plast , halvledere og biomaterialer .
Indtil 1960'erne (og i nogle tilfælde årtier senere) var mange grene af materialevidenskaben grene af metallurgi eller keramikvidenskab , hvilket afspejlede vægten på metaller og keramik i det 19. og det tidlige 20. århundrede. Væksten i forskning inden for materialevidenskab i USA blev til dels drevet af Advanced Research Projects Agency , som finansierede en række universitetslaboratorier i begyndelsen af 1960'erne "for at udvide det nationale materialevidenskabelige grundforsknings- og træningsprogram" [3] . Feltet er siden udvidet til at omfatte alle klasser af materialer, herunder keramik , polymerer , halvledere , magnetiske materialer, biomaterialer og nanomaterialer , som generelt er opdelt i tre forskellige grupper: keramik, metaller og polymerer. En bemærkelsesværdig ændring i materialevidenskab i løbet af de sidste årtier har været den aktive brug af computersimulering til at søge efter nye materialer, forudsige egenskaber og forstå fænomener.
Et materiale defineres som et stof (oftest et fast stof, men andre kondenserede faser kan være inkluderet), der er beregnet til at blive brugt i visse applikationer [4] . Der er mange materialer omkring os; de kan findes i alt fra bygninger og biler til rumskibe. Hovedklasserne af materialer er metaller , halvledere , keramik og polymerer [5] . Nye og avancerede materialer, der er under udvikling, omfatter nanomaterialer , biomaterialer [6] og energimaterialer, for blot at nævne nogle få.
Materialevidenskab er baseret på studiet af forholdet mellem materialers struktur, forarbejdningsmetoderne til at opnå dette materiale og de resulterende materialeegenskaber. Den komplekse kombination af alle disse aspekter giver materialets egenskaber i en bestemt anvendelse. Mange karakteristika i mange længdeskalaer påvirker et materiales egenskaber, startende med dets kemiske elementer, dets mikrostruktur og dets makroskopiske karakteristika som et resultat af forarbejdning. Sammen med termodynamikkens og kinetikkens love stræber materialeforskere efter at forstå og forbedre materialer.
Struktur er en af de vigtigste komponenter inden for materialevidenskab. Materialevidenskab studerer strukturen af materialer fra atomskala til makroniveau. Karakterisering er den måde, materialeforskere undersøger strukturen af et materiale på. Dette omfatter teknikker såsom røntgen- , elektron- eller neutrondiffraktion og forskellige former for spektroskopi og kemisk analyse såsom Raman-spektroskopi , energidispergerende spektroskopi , kromatografi , termisk analyse, elektronmikroskopanalyse og så videre.
Strukturen studeres på følgende niveauer.
AtomstrukturDette vedrører materialers atomer, og hvordan de er arrangeret, arrangeret i molekyler, krystaller og så videre. Mange elektriske, magnetiske og kemiske egenskaber ved materialer opstår på dette strukturniveau. De anvendte længdeskalaer er i ångstrøm ( Å ). Kemisk binding og arrangementet af atomer ( krystallografi ) er grundlæggende for studiet af ethvert materiales egenskaber og opførsel.
AtombindingerFor at få en fuldstændig forståelse af strukturen af et materiale, og hvordan det forholder sig til dets egenskaber, skal en materialeforsker studere, hvordan de forskellige atomer, ioner og molekyler er arrangeret og forbundet med hinanden. Dette omfatter undersøgelse og brug af kvantekemi eller kvantefysik . Faststoffysik , faststofkemi og fysisk kemi er også involveret i studiet af atombindinger og struktur.
KrystallografiKrystallografi er den videnskab, der studerer arrangementet af atomer i krystallinske faste stoffer. Krystallografi er et nyttigt værktøj for materialeforskere. I enkeltkrystaller er virkningerne af det krystallinske arrangement af atomer ofte nemme at se på makroskopisk niveau, fordi krystallernes naturlige former afspejler atomstrukturen. Derudover styres fysiske egenskaber ofte af krystaldefekter. Forståelse af krystalstrukturer er en vigtig forudsætning for at forstå krystallografiske defekter. Grundlæggende findes materialer ikke i form af enkeltkrystaller, men i en polykrystallinsk form, det vil sige som en samling af små krystaller eller korn med forskellige krystallografiske orienteringer. Af denne grund spiller pulverdiffraktionsmetoden, som anvender diffraktionsmønstre fra polykrystallinske prøver med et stort antal krystaller, en vigtig rolle i at bestemme strukturen. De fleste faste materialer har en krystallinsk struktur, men nogle vigtige materialer har ikke en regulær krystallinsk struktur. Polymerer udviser varierende grader af krystallinitet, og mange er fuldstændig ikke-krystallinske. Glas , noget keramik og mange naturlige materialer har en amorf struktur, der ikke har lang rækkefølge i arrangementet af atomer. Studiet af polymerer kombinerer elementer af kemisk og statistisk termodynamik for at give en termodynamisk og mekanisk beskrivelse af deres fysiske egenskaber.
NanostrukturMaterialer, hvis atomer og molekyler danner strukturer på nanoskala (det vil sige de danner en nanostruktur), kaldes nanomaterialer. Nanomaterialer er genstand for intens forskning i det materialevidenskabelige samfund på grund af de unikke egenskaber, de udviser.
Nanostruktur omhandler objekter og strukturer, der er i området fra 1 til 100 nm [8] . I mange materialer agglomererer atomer eller molekyler sammen for at danne objekter på nanoskala. Dette forårsager mange af deres interessante elektriske, magnetiske, optiske og mekaniske egenskaber.
Når man skal beskrive nanostrukturer, er det nødvendigt at skelne mellem antallet af målinger i nanoområdet .
Nanostrukturerede overflader har én dimension på nanoskalaen, det vil sige, at kun tykkelsen af overfladen af et objekt er mellem 0,1 og 100 nm.
Nanorør har to dimensioner på nanoskalaen, dvs. rørets diameter er mellem 0,1 og 100 nm; og dens længde kan være meget længere.
Endelig har sfæriske nanopartikler tre dimensioner på nanoskala, dvs. partiklerne varierer i størrelse fra 0,1 til 100 nm i hver rumlig dimension. Udtrykkene nanopartikler og ultrafine partikler bruges ofte i flæng, selvom deres størrelser kan nå mikrometerområdet. Udtrykket "nanostruktur" bruges ofte i relation til magnetiske teknologier. En struktur i nanoskala i biologi omtales ofte som en ultrastruktur .
MikrostrukturMikrostruktur er defineret som strukturen af en forberedt overflade eller tynd folie af et materiale set under et mikroskop ved mere end 25x forstørrelse. Den beskæftiger sig med objekter fra 100 nm til flere centimeter. Mikrostrukturen af et materiale (som bredt kan opdeles i metal, polymer, keramik og komposit) kan i høj grad påvirke fysiske egenskaber såsom styrke, sejhed, duktilitet, hårdhed, korrosionsbestandighed, adfærd ved høje eller lave temperaturer, slidstyrke og så videre.. De fleste traditionelle materialer (såsom metaller og keramik) er mikrostrukturerede.
At lave en perfekt krystal af et materiale er fysisk umuligt. For eksempel vil ethvert krystallinsk materiale indeholde defekter såsom bundfald , korngrænser ( Hall-Petch-forhold ), ledige pladser, interstitielle atomer eller substitutionsatomer. Materialernes mikrostruktur afslører disse større defekter, og fremskridt inden for modellering har gjort det muligt bedre at forstå, hvordan defekter kan bruges til at forbedre materialeegenskaber.
MakrostrukturMakrostruktur er udseendet af et materiale på en skala fra millimeter til meter, det er materialets struktur, det vil sige synligt for det blotte øje.
Materialer udviser mange egenskaber, herunder følgende.
Materialernes egenskaber bestemmer deres anvendelighed og dermed deres tekniske anvendelser.
Syntese og forarbejdning involverer at skabe et materiale med den ønskede mikronanostruktur. Ud fra et ingeniørmæssigt synspunkt kan et materiale ikke bruges i industrien, medmindre der er udviklet en økonomisk produktionsmetode til det. Materialebearbejdning er således afgørende for materialevidenskab. Forskellige materialer kræver forskellige behandlings- eller syntesemetoder. For eksempel har metalbearbejdning historisk set haft stor betydning og studeres under grenen af materialevidenskab kaldet metallurgi . Derudover bruges kemiske og fysiske metoder også til at syntetisere andre materialer såsom polymerer , keramik , tynde film og så videre. I begyndelsen af det 21. århundrede udvikles nye metoder til at syntetisere nanomaterialer såsom grafen .
Termodynamik er studiet af varme og temperatur og deres forhold til energi og arbejde . Den definerer makroskopiske variabler såsom intern energi , entropi og tryk , som delvist beskriver stof eller stråling. Det siger, at disse variables opførsel er underlagt de generelle begrænsninger for alle materialer. Disse generelle grænser er udtrykt ved termodynamikkens fire love. Termodynamik beskriver en krops bulk opførsel, ikke den mikroskopiske opførsel af et meget stort antal af dets bestanddele, såsom molekyler. Disse mikroskopiske partiklers opførsel er beskrevet af statistisk mekanik , og termodynamikkens love følger deraf.
Studiet af termodynamik er grundlæggende for materialevidenskab. Det danner grundlag for studiet af generelle fænomener inden for materiale- og ingeniørvidenskab, herunder kemiske reaktioner, magnetisme, polariserbarhed og elasticitet. Det hjælper også med at forstå fasediagrammer og faseligevægt.
Kemisk kinetik er studiet af den hastighed, hvormed systemer ud af termodynamisk ligevægt ændres under indflydelse af forskellige kræfter. Som anvendt på materialevidenskab beskæftiger det sig med, hvordan et materiale ændrer sig over tid (overgange fra en ikke-ligevægtstilstand til en ligevægtstilstand) på grund af anvendelsen af en vis ydre påvirkning. Den beskriver i detaljer hastigheden af forskellige processer, der forekommer i materialer, herunder form, størrelse, sammensætning og struktur. Diffusion er vigtig i studiet af kinetik, da det er den mest almindelige mekanisme, hvorved materialer undergår forandring. Kinetik er vigtig i materialebearbejdning, fordi den blandt andet beskriver, hvordan mikrostrukturen ændres, når der tilføres varme.
Materialevidenskab er et aktivt forskningsområde. Sammen med institutterne for materialevidenskab beskæftiger institutterne for fysik , kemi og mange ingeniørvidenskaber sig med materialeforskning . Materialeforskning dækker en bred vifte af emner, den følgende ikke-udtømmende liste fremhæver flere vigtige forskningsområder.
Nanomaterialer beskriver i princippet materialer, hvis enkeltelementstørrelse (mindst i én dimension) er mellem 1 og 1000 nanometer (10 −9 meter), men normalt er mellem 1 nm og 100 nm. Nanomaterialeforskning bruger en materialevidenskabelig tilgang til nanoteknologi ved at bruge fremskridt inden for metrologi og materialesyntese, der er blevet udviklet til at støtte forskning i mikrofabrikation. Materialer med struktur på nanoskala har ofte unikke optiske, elektroniske og mekaniske egenskaber. Området for nanomaterialer er løst organiseret, ligesom det traditionelle felt inden for kemi, i organiske (kulstofbaserede) nanomaterialer såsom fullerener og uorganiske nanomaterialer baseret på andre grundstoffer såsom silicium. Eksempler på nanomaterialer omfatter fullerener , kulstofnanorør , nanokrystaller og så videre.
Et biomateriale er ethvert materiale, overflade eller struktur, der interagerer med biologiske systemer. Studiet af biomaterialer kaldes biomaterialevidenskab. Gennem sin historie har videnskaben oplevet en stabil og stærk vækst, og mange virksomheder har investeret store summer i udviklingen af nye produkter. Biomaterialevidenskab omfatter elementer af medicin , biologi , kemi , vævsteknik og materialevidenskab.
Biomaterialer kan enten tages fra naturen eller syntetiseres i laboratoriet ved hjælp af en række kemiske tilgange ved hjælp af metalkomponenter, polymerer , biokeramik eller kompositmaterialer . De er ofte designet eller tilpasset til medicinske applikationer såsom biomedicinsk udstyr, der udfører, supplerer eller erstatter naturlige funktioner i kroppen. Sådanne træk kan være godartede, såsom ved brug af en hjerteklap, eller kan være bioaktive med mere interaktive, såsom hydroxyapatit -coatede hofteimplantater . Biomaterialer bruges også hver dag i tandpleje, kirurgi og målrettet medicinlevering. For eksempel kan en farmaceutisk imprægneret konstruktion anbringes i kroppen, hvilket tillader frigivelsen af lægemidlet at blive forlænget over en længere periode. Biomaterialet kan også være et autograft , et allograft eller et xenograft , der anvendes som organtransplantationsmateriale.
Halvledere, metaller og keramik bruges i dag til at danne meget komplekse systemer såsom integrerede elektroniske kredsløb, optoelektroniske enheder og magnetiske og optiske lagringsmedier. Disse materialer danner grundlaget for vores moderne computerverden, og derfor er forskning i disse materialer af vital betydning.
Halvledere er et traditionelt eksempel på sådanne materialer. Det er materialer, der har mellemliggende egenskaber mellem ledere og isolatorer . Deres elektriske ledningsevne er meget følsom over for koncentrationen af urenheder, hvilket tillader brugen af doping for at opnå de ønskede elektroniske egenskaber. Halvledere danner grundlaget for en traditionel computer.
Dette felt omfatter også nye forskningsområder såsom superledende materialer, spintronik , metamaterialer og så videre. Studiet af disse materialer kræver viden om materialevidenskab og faststoffysik eller kondenseret stoffysik .
Med den fortsatte stigning i computerkraft er det blevet muligt at modellere materialers adfærd. Dette giver materialeforskere mulighed for at forstå adfærd og mekanismer, designe nye materialer og forklare egenskaber, der tidligere var dårligt forstået. Indsatser relateret til integreret datamateriel engineering er nu fokuseret på at kombinere numeriske metoder med eksperimenter for drastisk at reducere tiden og indsatsen for at optimere materialeegenskaber til en specifik applikation. Dette inkluderer modellering af materialer i alle længdeskalaer ved hjælp af metoder såsom tæthedsfunktionel teori , molekylær dynamik , Monte Carlo , dislokationsdynamik, fasefelt , finite element-metode og mange andre.
Radikale fremskridt inden for materialer kan anspore til skabelsen af nye produkter eller endda nye industrier, men stabile industrier ansætter også materialespecialister til at foretage trinvise forbedringer og løse problemer med aktuelt brugte materialer. Industrielle anvendelser af materialevidenskab omfatter materialedesign, cost-benefit-afvejninger i industriel materialeproduktion, forarbejdningsteknikker ( støbning , valsning , svejsning , ionimplantation , krystalvækst , tyndfilmaflejring , sintring , glasblæsning og så videre) og analytiske teknikker. Karakteriseringsmetoder omfatter såsom elektronmikroskopi , røntgendiffraktion , kalorimetri , nuklear mikroskopi , Rutherford-tilbagespredning , neutrondiffraktion , røntgenspredning med små vinkler og så videre.
Ud over materialekarakterisering er en materialeforsker eller ingeniør også beskæftiget med at udvinde materialer og omdanne dem til nyttige former. Således er barrestøbning, støbemetoder, højovnsudvinding og elektrolytisk ekstraktion alle en del af den nødvendige viden hos en materialeingeniør. Ofte påvirker tilstedeværelsen, fraværet eller ændringen af mindre mængder af sekundære grundstoffer og forbindelser i bulkmateriale de endelige egenskaber af de producerede materialer. For eksempel klassificeres stål baseret på 1/10 og 1/100 vægtprocent kulstof og andre legeringselementer, de indeholder. De udvindings- og raffineringsmetoder, der bruges til at udvinde jern i en højovn, kan således påvirke kvaliteten af det producerede stål.
En anden anvendelse af materialevidenskab er strukturerne af keramik og glas, normalt forbundet med de mest skøre materialer. Kemiske bindinger i keramik og glas er af kovalente og ionisk-kovalente typer med SiO 2 (siliciumdioxid eller silica) som hovedbyggesten. Keramik er blødt som ler eller hårdt som sten og beton. De har normalt en krystallinsk form. De fleste glas indeholder et metaloxid smeltet sammen med silica. Ved de høje temperaturer, der bruges til at fremstille glas, er materialet en tyktflydende væske. Ved afkøling går glasstrukturen over i en amorf tilstand. Glasfiber er også tilgængelig. Ridsefast Corning Gorilla Glass er et velkendt eksempel på brug af materialevidenskab til dramatisk at forbedre egenskaberne af konventionelle komponenter. Diamant og kulstof i sin grafitform betragtes som keramik.
Teknisk keramik er kendt for deres stivhed og stabilitet under høje temperaturer, kompression og elektrisk stress. Aluminiumoxid, siliciumcarbid og wolframcarbid fremstilles af et fint pulver af deres bestanddele i en sintringsproces med et bindemiddel. Varmpresning giver en højere densitet af materialet. Kemisk dampaflejring kan bruges til at afsætte keramiske film på andre materialer. Cermets er keramiske partikler, der indeholder visse metaller. Værktøjsslidstyrke opnås af cementerede karbider med en kobolt- og nikkelmetalfase, normalt tilsat for at ændre deres egenskaber.
En anden anvendelse af materialevidenskab i industrien er skabelsen af kompositmaterialer . Disse er strukturerede materialer, der består af to eller flere makroskopiske faser.
Anvendelser spænder fra strukturelle elementer såsom armeret beton til termiske isoleringsfliser, som spiller en central og integreret rolle i NASAs rumfærge termiske beskyttelsessystem , som bruges til at beskytte rumfærgens overflade mod varme under genindtræden i jordens atmosfære. Et eksempel er Reinforced Carbon-Carbon (RCC), et lysegråt materiale, der kan modstå temperaturer op til 1510°C (2750°F) og beskytter de forreste kanter af vingen og næsen på rumfærgen. RCC er et lamineret kompositmateriale fremstillet af grafitviscosestof og imprægneret med phenolharpiks . Efter hærdning ved høj temperatur i en autoklave pyrolyseres laminatet for at omdanne harpiks til kulstof, imprægneres med furfuralalkohol i et vakuumkammer og udsættes for hærdningspyrolyse for at omdanne furfuralalkohol til kulstof. For at give oxidationsmodstand til genbrug omdannes de ydre lag af RCC til siliciumcarbid .
Andre eksempler kan ses i "plastik" etuier af fjernsyn, mobiltelefoner og så videre. Disse plastikskaller er typisk et kompositmateriale , der består af en termoplastisk matrix, såsom acrylonitril-butadienstyren (ABS), der er tilføjet calciumcarbonatkridt , talkum , glasfiber eller kulfibre for øget styrke eller bulk. Disse additiver kan omtales som forstærkende fibre eller dispergeringsmidler, afhængigt af deres formål.
Polymerer er kemiske forbindelser, der består af et stort antal identiske komponenter forbundet som kæder. De er en vigtig del af materialevidenskab. Polymerer er råmaterialer (harpikser), der bruges til fremstilling af såkaldt plast og gummi. Plast og gummi er faktisk slutprodukter, der skabes, efter at en eller flere polymerer eller additiver er tilsat en harpiks under forarbejdningen, som derefter formes til sin endelige form. Plast, der er allestedsnærværende og nu udbredt, omfatter polyethylen , polypropylen , polyvinylchlorid (PVC), polystyren , nylon , polyestere , akryl , polyurethaner og polycarbonater , såvel som almindelige gummier er naturgummi, styren-butadiengummi , chloropren og butadiengummi . gummi . Plast er generelt klassificeret i råvare , specialitet og teknik .
Polyvinylchlorid (PVC) er meget udbredt, billigt, og produktionsvolumen er stor. Den er velegnet til en bred vifte af applikationer, fra kunstlæder til elektrisk isolering og kabler, emballage og beholdere . Dens fremstilling og forarbejdning er enkel og veletableret. PVC's alsidighed skyldes en bred vifte af blødgøringsmidler og andre tilsætningsstoffer, der ændrer dens egenskaber. Udtrykket "additiver" i polymervidenskab refererer til kemikalier og forbindelser tilsat til en polymerbase for at ændre materialets egenskaber.
Polycarbonat betragtes som et eksempel på en ingeniørplast (andre eksempler omfatter PEEK, ABS). Sådan plast er værdsat for deres overlegne styrke og andre specielle materialeegenskaber. De bruges typisk ikke til engangsbrug, i modsætning til råvareplast.
Speciel plast er materialer med unikke egenskaber såsom ultrahøj styrke, elektrisk ledningsevne, elektrofluorescens, høj temperaturbestandighed og så videre.
Grænserne mellem forskellige plasttyper er ikke baseret på materialer, men på deres egenskaber og anvendelser. For eksempel er polyethylen en billig polymer med lav friktion, der almindeligvis bruges til at lave indkøbs- og affaldsposer til engangsbrug. Det betragtes som en kommerciel plast, mens polyethylen med medium densitet (MDPE) bruges til underjordiske gas- og vandrør, og en anden række af polyethylen med ultrahøj molekylvægt (UHMWPE) er en ingeniørplast, der er meget udbredt som guider til industrielt udstyr og en lav friktionskoefficient i implanterede hofteled .
Studiet af metallegeringer er en vigtig gren af materialevidenskab. Af alle de metallegeringer, der er i brug i dag, udgør jernlegeringer ( stål , rustfrit stål , støbejern , værktøjsstål , legeret stål ) den største andel både i mængde og kommerciel værdi.
Jern legeret med kulstof i varierende proportioner producerer stål med lavt, medium og højt kulstofindhold . En legering af jern og kulstof betragtes kun som stål, hvis kulstofniveauet er mellem 0,01% og 2,00%. Med hensyn til stål er stålets hårdhed og trækstyrke relateret til mængden af tilstedeværende kulstof, hvor en stigning i kulstofniveauer også fører til et fald i duktilitet og sejhed. Imidlertid kan varmebehandlingsprocesser såsom bratkøling og temperering ændre disse egenskaber væsentligt. Støbejern er defineret som en jern-carbon-legering med et kulstofindhold på mere end 2,00 %, men mindre end 6,67 %. Rustfrit stål er defineret som en almindelig stållegering med mere end 10 vægtprocent krom. Nikkel og molybdæn tilsættes også almindeligvis til rustfrit stål.
Andre vigtige metallegeringer er dem af kobber , aluminium , titanium og magnesium . Kobberlegeringer har været kendt i lang tid (siden bronzealderen ), mens legeringer af de tre andre metaller er blevet udviklet relativt nylig. På grund af disse metallers reaktivitet er de nødvendige elektrolytiske ekstraktionsprocesser blevet etableret relativt for nylig. Legeringer af aluminium, titanium og magnesium er også kendt og værdsat for deres høje styrke til vægtforhold og, i tilfælde af magnesium, for deres evne til at give elektromagnetisk afskærmning. Disse materialer er ideelle til situationer, hvor et højt styrke-til-vægt-forhold er vigtigere end volumetriske omkostninger, såsom i rumfart og nogle bilindustrier.
En halvleder er et materiale, der har modstand i området mellem metallet og isolatoren. Dens elektroniske egenskaber kan i høj grad ændres ved bevidst introduktion af urenheder eller doping. Enheder som dioder , transistorer , lysemitterende dioder og analoge og digitale elektriske kredsløb kan bygges af disse halvledermaterialer , hvilket gør dem til materialer af interesse for industrien. Halvlederenheder har erstattet termioniske enheder (vakuumrør) i de fleste applikationer. Halvlederenheder fremstilles både som separate diskrete enheder og som integrerede kredsløb (IC'er), som består af et antal - fra flere til millioner - af enheder fremstillet og sammenkoblet på et enkelt halvledersubstrat [11] .
Af alle de halvledere, der er i brug i dag, udgør silicium den største del både i mængde og i kommerciel værdi. Monokrystallinsk silicium bruges til at fremstille wafere, der bruges i halvleder- og elektroniske industrier. På andenpladsen efter silicium er galliumarsenid (GaAs). På grund af højere elektronmobilitet og drifthastighedsmætning sammenlignet med silicium er dette materiale mere foretrukket til højfrekvente elektronikapplikationer. Disse fremragende egenskaber er gode grunde til at bruge GaAs-kredsløb i mobiltelefoner, satellitkommunikation, punkt-til-punkt mikrobølgeforbindelser og højfrekvente radarsystemer. Andre halvledermaterialer omfatter germanium , siliciumcarbid og galliumnitrid og har forskellige anvendelser.
Materialevidenskab har udviklet sig siden 1950'erne, fordi der var en forståelse af, at for at skabe, opdage og udvikle nye materialer, skal du nærme dig dem på en samlet måde. Materialevidenskab og ingeniørvidenskab opstod således på forskellige måder: omdøbning og/eller sammenlægning af eksisterende afdelinger for metallurgi og keramik; adskillelse fra eksisterende faststoffysikforskning , som har udviklet sig til kondenseret stoffysik ; engagere relativt ny polymerteknik og polymervidenskab ; konverteret fra tidligere, samt kemi , kemiteknik , mekanik og elektroteknik ; og andre.
Området for materialevidenskab og ingeniørvidenskab er vigtigt både fra videnskabelige og anvendte synspunkter. Materialer er af afgørende betydning for ingeniører (eller andre anvendelsesområder), fordi brugen af passende materialer er afgørende i systemdesign. Som følge heraf bliver materialevidenskab en stadig vigtigere del af en ingeniøruddannelse.
Dette videnskabsområde er tværfagligt af natur , og materialeforskere eller ingeniører skal kende og bruge teknikkerne fra fysikeren, kemikeren og ingeniøren. Der opretholdes således et tæt forhold til disse felter. Omvendt arbejder mange fysikere, kemikere og ingeniører inden for materialevidenskab på grund af betydelig overlapning mellem disse felter.
| Nye teknologier | Status | Potentielt fordrevne teknologier | Mulige anvendelser | relaterede artikler |
|---|---|---|---|---|
| Aerogel | Hypotetiske, eksperimenter, formidling,
tidlig brug [12] |
Traditionel isolering, glas | Forbedret isolering, isoleringsglas, hvis det kan være gennemsigtigt, slanger til olierørledninger, rumfart, høje temperaturer og ekstrem kulde. | |
| amorft metal | Eksperimenter | Kevlar | Rustning | |
| Ledende polymerer | Forskning, eksperimenter, prototyper | konduktører | Lettere og billigere ledninger, antistatiske materialer, organiske solceller | |
| fulleren | Eksperimenter, distribution | Syntetiske diamant- og kulstofnanorør (Buckypaper) | Programmerbar materie | |
| Grafen | Hypotetiske, eksperimenter, formidling, | Silicium integreret kredsløb | Komponenter med et højere styrke-til-vægt-forhold, transistorer, der fungerer ved højere frekvenser, lavere omkostninger til skærme i mobile enheder, brintlagring til brændselscellekøretøjer, filtreringssystemer, længerevarende og hurtigere opladede batterier, sensorer til diagnosticering af sygdomme [ 15 ] | Mulige anvendelser af grafen |
| Høj temperatur superledningsevne | Systemer til input-delen af den kryogene modtager af RF- og mikrobølgefiltre til basestationer på mobiltelefoner; prototyper i tøris ; Hypotetiske og eksperimenter for højere temperaturer [16] | Kobbertråd, halvleder integrerede kredsløb | Tabsfri ledere, rullelejer, magnetisk levitation , tabsfri højkapacitetsbatterier , elektriske køretøjer , integrerede kredsløb og kolde processorer | |
| LiTraCon | Eksperimenter, der allerede er brugt til at skabe Europas portmonument | Glas | Konstruktion af skyskrabere, tårne og skulpturer såsom Europas porte. | |
| Metamaterialer | Hypotetiske, eksperimenter [17] | Klassisk optik | Mikroskoper , kameraer , camouflage baseret på metamaterialer. | |
| metal skum | Forskning, kommercialisering | Korps | Rumkolonier , flydende byer | |
| Multifunktionelle strukturer [18] | Hypotetiske, eksperimenter, et par prototyper, et par kommercielle | Kompositmaterialer | Bred rækkevidde, såsom selvkontrol, selvhelbredelse, morphing. | |
| Nanomaterialer : kulstof nanorør | Hypotetiske, eksperimenter, formidling, | Konstruktionsstål og aluminium _ | Stærkere og lettere materialer, rumelevator | Mulige anvendelser af kulstof nanorør, kulfiber . |
| Programmerbar materie | Hypotetiske, eksperimenter [21] [22] | Belægninger , katalysatorer | Bredt spektrum, fx claytronics , syntetisk biologi | |
| kvanteprikker | Forskning, eksperimenter, prototyper [23] | LCD , LED | Kvantepunktlaser , fremtidig brug som programmerbart materiale i displayteknologier (fjernsyn, projektion), optisk datatransmission (højhastighedsdatatransmission), medicin (laserskalpel) | |
| Silicen | Hypotetisk, undersøgende | FET'er |
De vigtigste grene af materialevidenskab kommer fra tre hovedklasser af materialer: keramik, metaller og polymerer:
Der er også bredt anvendelige, uanset materialer, virksomheder.
Også inden for materialevidenskab lægges der stor vægt på specifikke fænomener og metoder.
| Afsnit af materialevidenskab | ||
|---|---|---|
| Grundlæggende definitioner | ||
| Hovedretninger | ||
| Generelle aspekter |
| |
| Andre vigtige retninger |
| |
| Beslægtede videnskaber | ||