Materialvetenskap

En diamantkuboktaeder som visar sju kristallografiska plan, avbildad med svepelektronmikroskopi
Six classes of conventional engineering materials.
Sex klasser av konventionella tekniska material

Materialvetenskap är ett tvärvetenskapligt område för forskning och upptäckt av material . Materialteknik är ett teknikområde för att designa och förbättra material och hitta användningsområden för material inom andra områden och industrier.

Materialvetenskapens intellektuella ursprung härrör från upplysningstiden , då forskare började använda analytiskt tänkande från kemi , fysik och ingenjörskonst för att förstå forntida fenomenologiska observationer inom metallurgi och mineralogi . Materialvetenskap innehåller fortfarande element av fysik, kemi och ingenjörskonst. Som sådant ansågs fältet länge av akademiska institutioner som ett underområde till dessa relaterade fält. Med början på 1940-talet började materialvetenskap bli mer allmänt erkänd som ett specifikt och distinkt fält inom vetenskap och teknik, och stora tekniska universitet runt om i världen skapade dedikerade skolor för sina studier.

Materialvetare betonar att förstå hur ett materials historia ( bearbetning ) påverkar dess struktur och därmed materialets egenskaper och prestanda. Förståelsen av relationer mellan process-struktur och egenskaper kallas materialparadigmet. Detta paradigm används för att främja förståelse inom en mängd olika forskningsområden, inklusive nanoteknik , biomaterial och metallurgi .

Materialvetenskap är också en viktig del av kriminalteknik och felanalys – att undersöka material, produkter, strukturer eller komponenter som misslyckas eller inte fungerar som avsett, vilket orsakar person- eller egendomsskador. Sådana undersökningar är nyckeln till att förstå till exempel orsakerna till olika flygolyckor och tillbud .

Historia

Huvudartikel: Materialvetenskapens historia
Ett svärd eller dolkblad från sen bronsålder

Det material som valts för en given era är ofta en avgörande punkt. Fraser som stenåldern , bronsåldern , järnåldern och stålåldern är historiska, om än godtyckliga exempel. Ursprungligen härrörande från tillverkning av keramik och dess förmodade derivatmetallurgi, är materialvetenskap en av de äldsta formerna av ingenjörsvetenskap och tillämpad vetenskap. Modern materialvetenskap utvecklades direkt från metallurgin , som i sig utvecklades från användningen av eld. Ett stort genombrott i förståelsen av material inträffade i slutet av 1800-talet, när den amerikanske vetenskapsmannen Josiah Willard Gibbs visade att de termodynamiska egenskaperna relaterade till atomstruktur i olika faser är relaterade till ett materials fysikaliska egenskaper. Viktiga delar av modern materialvetenskap var produkter från rymdkapplöpningen ; förståelse och ingenjörskonst av metallegeringar , och kiseldioxid och kolmaterial , som används för att bygga rymdfarkoster som möjliggör utforskning av rymden. Materialvetenskap har drivit, och drivits av, utvecklingen av revolutionerande teknologier som gummi , plast , halvledare och biomaterial .

Före 1960-talet (och i vissa fall decennier efter), var många eventuella materialvetenskapliga avdelningar metallurgi- eller keramiktekniska avdelningar, vilket återspeglar 1800-talets och början av 1900-talets betoning på metaller och keramik. Tillväxten av materialvetenskap i USA katalyserades delvis av Advanced Research Projects Agency , som finansierade en serie av universitetsvärdade laboratorier i början av 1960-talet, "för att utöka det nationella programmet för grundläggande forskning och utbildning inom materialvetenskap. " I jämförelse med maskinteknik fokuserade det begynnande materialvetenskapliga fältet på att adressera material från makronivå och på synsättet att material designas utifrån kunskap om beteende på mikroskopisk nivå. På grund av den utökade kunskapen om kopplingen mellan atomära och molekylära processer samt materialens övergripande egenskaper kom designen av material att baseras på specifika önskade egenskaper. Materialvetenskapsområdet har sedan dess breddats till att omfatta alla klasser av material, inklusive keramik, polymerer , halvledare, magnetiska material, biomaterial och nanomaterial , generellt klassificerade i tre distinkta grupper: keramik, metaller och polymerer. Den framträdande förändringen inom materialvetenskap under de senaste decennierna är aktiv användning av datorsimuleringar för att hitta nya material, förutsäga egenskaper och förstå fenomen.

Grunderna

Materialparadigmet representerat i form av en tetraeder

Ett material definieras som ett ämne (oftast ett fast ämne, men andra kondenserade faser kan ingå) som är avsett att användas för vissa tillämpningar. Det finns en myriad av material runt omkring oss; de kan hittas i allt från byggnader och bilar till rymdfarkoster. Huvudklasserna av material är metaller , halvledare , keramik och polymerer . Nya och avancerade material som utvecklas inkluderar nanomaterial , biomaterial och energimaterial för att nämna några.

Grunden för materialvetenskap är att studera samspelet mellan materialens struktur, bearbetningsmetoderna för att göra det materialet och de resulterande materialegenskaperna. Den komplexa kombinationen av dessa ger prestandan hos ett material i en specifik tillämpning. Många egenskaper över många längdskalor påverkar materialets prestanda, från de ingående kemiska elementen, dess mikrostruktur och makroskopiska egenskaper från bearbetningen. Tillsammans med termodynamikens och kinetikens lagar strävar materialforskare efter att förstå och förbättra material.

Strukturera

Struktur är en av de viktigaste komponenterna inom materialvetenskap. Själva definitionen av fältet menar att det handlar om undersökningen av "de samband som finns mellan strukturer och egenskaper hos material". Materialvetenskap undersöker materialens struktur från atomskalan, ända upp till makroskalan. Karakterisering är sättet som materialforskare undersöker strukturen hos ett material. Det handlar om metoder som diffraktion med röntgenstrålar , elektroner eller neutroner och olika former av spektroskopi och kemisk analys som Ramanspektroskopi , energispridande spektroskopi , kromatografi , termisk analys , elektronmikroskopanalys , etc.

Struktur studeras på följande nivåer.

Atomstruktur

Atomstruktur handlar om materialens atomer, och hur de är arrangerade för att ge upphov till molekyler, kristaller etc. Mycket av de elektriska, magnetiska och kemiska egenskaperna hos material härrör från denna strukturnivå. De involverade längdskalorna är i ångström ( Å ). Den kemiska bindningen och atomarrangemanget (kristallografi) är grundläggande för att studera egenskaperna och beteendet hos något material.

Bindning
Huvudartikel: Kemisk bindning

För att få en full förståelse för materialstrukturen och hur den förhåller sig till dess egenskaper måste materialvetaren studera hur de olika atomerna, jonerna och molekylerna är ordnade och bundna till varandra. Detta involverar studier och användning av kvantkemi eller kvantfysik . Fasta tillståndets fysik , fasta tillståndskemi och fysikalisk kemi är också involverade i studiet av bindning och struktur.

Kristallografi
Huvudartikel: Kristallografi
Kristallstruktur av en perovskit med en kemisk formel ABX 3

Kristallografi är vetenskapen som undersöker arrangemanget av atomer i kristallina fasta ämnen. Kristallografi är ett användbart verktyg för materialvetare. I enkristaller är effekterna av det kristallina arrangemanget av atomer ofta lätta att se makroskopiskt, eftersom de naturliga formerna av kristaller återspeglar atomstrukturen. Vidare styrs fysikaliska egenskaper ofta av kristallina defekter. Förståelsen av kristallstrukturer är en viktig förutsättning för att förstå kristallografiska defekter . Oftast förekommer material inte som en enkristall, utan i polykristallin form, som ett aggregat av små kristaller eller korn med olika orientering. På grund av detta spelar pulverdiffraktionsmetoden , som använder diffraktionsmönster av polykristallina prover med ett stort antal kristaller, en viktig roll vid strukturell bestämning. De flesta material har en kristallin struktur, men vissa viktiga material uppvisar inte regelbunden kristallstruktur. Polymerer uppvisar olika grader av kristallinitet, och många är helt icke-kristallina. Glas , viss keramik och många naturliga material är amorfa och har inte någon ordning på lång räckvidd i sina atomarrangemang. Studiet av polymerer kombinerar element av kemisk och statistisk termodynamik för att ge termodynamiska och mekaniska beskrivningar av fysikaliska egenskaper.

Nanostruktur

Huvudartikel: Nanostruktur
Buckminsterfulleren nanostruktur

Material, vilka atomer och molekyler bildar beståndsdelar i nanoskalan (dvs de bildar nanostruktur) kallas nanomaterial. Nanomaterial är föremål för intensiv forskning inom materialvetenskapssamhället på grund av de unika egenskaper som de uppvisar.

Nanostruktur handlar om objekt och strukturer som ligger i intervallet 1 - 100 nm. I många material agglomererar atomer eller molekyler tillsammans för att bilda föremål på nanoskala. Detta orsakar många intressanta elektriska, magnetiska, optiska och mekaniska egenskaper.

Vid beskrivning av nanostrukturer är det nödvändigt att skilja mellan antalet dimensioner på nanoskalan .

Nanotexturerade ytor har en dimension på nanoskalan, dvs bara tjockleken på ytan på ett föremål är mellan 0,1 och 100 nm.

Nanorör har två dimensioner på nanoskala, dvs. diametern på röret är mellan 0,1 och 100 nm; dess längd kan vara mycket längre.

har sfäriska nanopartiklar tre dimensioner på nanoskala, dvs partikeln är mellan 0,1 och 100 nm i varje rumslig dimension. Termerna nanopartiklar och ultrafina partiklar (UFP) används ofta synonymt även om UFP kan nå in i mikrometerområdet. Termen "nanostruktur" används ofta när man hänvisar till magnetisk teknik. Nanoskalastruktur inom biologi kallas ofta ultrastruktur .

Mikrostruktur

Huvudartikel: Mikrostruktur
Mikrostruktur av perlit

Mikrostruktur definieras som strukturen av en förberedd yta eller tunn folie av material som avslöjas av ett mikroskop över 25x förstoring. Den behandlar föremål från 100 nm till några cm. Mikrostrukturen hos ett material (som brett kan klassificeras i metall, polymer, keramik och komposit) kan starkt påverka fysikaliska egenskaper såsom hållfasthet, seghet, duktilitet, hårdhet, korrosionsbeständighet, hög/låg temperatur beteende, slitstyrka och så vidare . De flesta av de traditionella materialen (som metaller och keramik) är mikrostrukturerade.

Tillverkningen av en perfekt kristall av ett material är fysiskt omöjligt. Till exempel kommer alla kristallina material att innehålla defekter som fällningar , korngränser ( Hall-Petch-förhållande ), vakanser, interstitiella atomer eller substitutionsatomer. Materialens mikrostruktur avslöjar dessa större defekter och framsteg inom simulering har möjliggjort en ökad förståelse för hur defekter kan användas för att förbättra materialegenskaper.

Makrostruktur

Makrostruktur är utseendet på ett material i skalan millimeter till meter, det är materialets struktur sett med blotta ögat.

Egenskaper

Huvudartikel: Lista över materialegenskaper

Material uppvisar otaliga egenskaper, inklusive följande.

Egenskaperna hos ett material bestämmer dess användbarhet och därmed dess tekniska tillämpning.

Bearbetning

Syntes och bearbetning innebär skapandet av ett material med önskad mikronanostruktur. Ur ingenjörssynpunkt kan ett material inte användas inom industrin, om ingen ekonomisk produktionsmetod för det har utvecklats. Således är bearbetning av material avgörande för materialvetenskap. Olika material kräver olika bearbetning eller syntesmetoder. Till exempel har bearbetning av metaller historiskt varit mycket viktig och studeras under grenen av materialvetenskap som heter fysikalisk metallurgi . Dessutom används kemiska och fysikaliska metoder för att syntetisera andra material såsom polymerer , keramik , tunna filmer , etc. Från och med början av 2000-talet utvecklas nya metoder för att syntetisera nanomaterial som grafen .

Termodynamik

Huvudartikel: Termodynamik
Ett fasdiagram för ett binärt system som visar en eutektisk punkt

Termodynamik handlar om värme och temperatur och deras relation till energi och arbete . Den definierar makroskopiska variabler, såsom intern energi , entropi och tryck , som delvis beskriver en materia eller strålning. Den anger att beteendet hos dessa variabler är föremål för allmänna begränsningar som är gemensamma för alla material. Dessa allmänna begränsningar uttrycks i termodynamikens fyra lagar. Termodynamik beskriver kroppens bulkbeteende, inte det mikroskopiska beteendet hos det mycket stora antalet av dess mikroskopiska beståndsdelar, såsom molekyler. Beteendet hos dessa mikroskopiska partiklar beskrivs av, och termodynamikens lagar härleds från, statistisk mekanik .

Studiet av termodynamik är grundläggande för materialvetenskap. Den utgör grunden för att behandla allmänna fenomen inom materialvetenskap och ingenjörskonst, inklusive kemiska reaktioner, magnetism, polariserbarhet och elasticitet. Det hjälper också till att förstå fasdiagram och fasjämvikt.

Kinetik

Huvudartikel: Kemisk kinetik

Kemisk kinetik är studiet av de hastigheter med vilka system som inte är i jämvikt förändras under påverkan av olika krafter. När det tillämpas på materialvetenskap handlar det om hur ett material förändras med tiden (flyttar från icke-jämvikt till jämviktstillstånd) på grund av tillämpning av ett visst fält. Den beskriver hastigheten för olika processer som utvecklas i material inklusive form, storlek, sammansättning och struktur. Diffusion är viktig i studiet av kinetik eftersom detta är den vanligaste mekanismen genom vilken material genomgår förändring. Kinetiken är väsentlig vid bearbetning av material eftersom den bland annat beskriver hur mikrostrukturen förändras med applicering av värme.

Forskning

Materialvetenskap är ett mycket aktivt forskningsområde. Tillsammans med materialvetenskapliga institutioner fysik , kemi och många ingenjörsavdelningar involverade i materialforskning. Materialforskning täcker ett brett spektrum av ämnen; följande icke uttömmande lista belyser några viktiga forskningsområden.

Nanomaterial

Huvudartikel: Nanomaterial
En svepelektronmikroskopibild av kolnanorörbuntar

Nanomaterial beskriver i princip material vars en enda enhet är dimensionerad (i minst en dimension) mellan 1 och 1000 nanometer (10 −9 meter), men vanligtvis är 1 nm - 100 nm. Nanomaterialforskning tar ett materialvetenskapligt tillvägagångssätt till nanoteknologi , med hjälp av framsteg inom materialmetrologi och -syntes, som har utvecklats till stöd för mikrotillverkningsforskning . Material med struktur på nanoskala har ofta unika optiska, elektroniska eller mekaniska egenskaper. Området nanomaterial är löst organiserat, liksom det traditionella kemiområdet, i organiska (kolbaserade) nanomaterial, såsom fullerener, och oorganiska nanomaterial baserade på andra grundämnen, såsom kisel. Exempel på nanomaterial är fullerener , kolnanorör , nanokristaller , etc.

Biomaterial

Huvudartikel: Biomaterial
Den skimrande pärlemorna inuti ett nautilusskal

Ett biomaterial är vilken materia, yta eller konstruktion som helst som interagerar med biologiska system. Studiet av biomaterial kallas biomaterialvetenskap . Det har upplevt en stadig och stark tillväxt under sin historia, med många företag som investerar stora summor pengar på att utveckla nya produkter. Biomaterialvetenskap omfattar element av medicin , biologi , kemi , vävnadsteknik och materialvetenskap.

Biomaterial kan härledas antingen från naturen eller syntetiseras i ett laboratorium genom att använda en mängd olika kemiska metoder med metallkomponenter, polymerer , biokeramer eller kompositmaterial . De är ofta avsedda eller anpassade för medicinska tillämpningar, såsom biomedicinska apparater som utför, förstärker eller ersätter en naturlig funktion. , som att de används för en hjärtklaff , eller kan vara bioaktiva med en mer interaktiv funktionalitet som hydroxylapatitbelagda höftimplantat . Biomaterial används också varje dag i dentala tillämpningar, kirurgi och läkemedelsleverans. Till exempel kan en konstruktion med impregnerade farmaceutiska produkter placeras i kroppen, vilket tillåter förlängd frisättning av ett läkemedel under en längre tidsperiod. Ett biomaterial kan också vara ett autograft , allotransplantat eller xenograft som används som ett organtransplantationsmaterial .

Elektronisk, optisk och magnetisk

Negativt index-metamaterial

Halvledare, metaller och keramik används idag för att bilda mycket komplexa system, såsom integrerade elektroniska kretsar, optoelektroniska enheter och magnetiska och optiska masslagringsmedia. Dessa material utgör grunden för vår moderna datorvärld, och därför är forskning om dessa material av avgörande betydelse.

Halvledare är ett traditionellt exempel på dessa typer av material. De är material som har egenskaper som ligger mellan ledare och isolatorer . Deras elektriska ledningsförmåga är mycket känsliga för koncentrationen av föroreningar, vilket tillåter användning av dopning för att uppnå önskvärda elektroniska egenskaper. Därför utgör halvledare grunden för den traditionella datorn.

Detta område inkluderar också nya forskningsområden som supraledande material, spintronik , metamaterial , etc. Studiet av dessa material involverar kunskaper om materialvetenskap och fasta tillståndets fysik eller kondenserad materiens fysik .

Beräkningsmaterialvetenskap

Huvudartikel: Beräkningsmaterialvetenskap

Med fortsatta ökningar av datorkraft har simulering av material beteende blivit möjligt. Detta gör det möjligt för materialvetare att förstå beteende och mekanismer, designa nya material och förklara egenskaper som tidigare var dåligt förstådda. Insatser kring integrerad beräkningsmaterialteknik fokuserar nu på att kombinera beräkningsmetoder med experiment för att drastiskt minska tiden och ansträngningen för att optimera materialegenskaper för en given applikation. Detta involverar simulering av material i alla längdskalor, med hjälp av metoder som densitetsfunktionsteori , molekylär dynamik , Monte Carlo , dislokationsdynamik, fasfält , finita element och många fler.

Industri

Dryckesbehållare av alla tre materialtyperna: keramik (glas), metall (aluminium) och polymer (plast).

Radikala materialframsteg kan driva fram skapandet av nya produkter eller till och med nya industrier, men stabila industrier anställer också materialforskare för att göra stegvisa förbättringar och felsöka problem med för närvarande använda material. Industriella tillämpningar av materialvetenskap inkluderar materialdesign, kostnads-nyttoavvägningar vid industriell produktion av material, bearbetningsmetoder ( gjutning , valsning , svetsning , jonimplantation , kristalltillväxt , tunnfilmsavsättning , sintring , glasblåsning , etc.) och analytiska metoder (karakteriseringsmetoder såsom elektronmikroskopi , röntgendiffraktion , kalorimetri , kärnmikroskopi (HEFIB) , Rutherford-återspridning , neutrondiffraktion , röntgendiffraktion med liten vinkel (SAXS), etc.).

Förutom materialkaraktärisering sysslar materialvetaren eller ingenjören också med att utvinna material och omvandla dem till användbara former. Sålunda är götgjutning, gjuterimetoder, masugnsextraktion och elektrolytisk extraktion alla en del av den erforderliga kunskapen hos en materialingenjör. Ofta kommer närvaron, frånvaron eller variationen av små mängder av sekundära element och föreningar i ett bulkmaterial att i hög grad påverka de slutliga egenskaperna hos de producerade materialen. Till exempel klassificeras stål baserat på 1/10 och 1/100 viktprocent av kolet och andra legeringsämnen de innehåller. De utvinnings- och reningsmetoder som används för att utvinna järn i en masugn kan alltså påverka kvaliteten på stålet som produceras.

Fasta material är i allmänhet grupperade i tre grundläggande klassificeringar: keramik, metaller och polymerer. Denna breda klassificering är baserad på den empiriska sammansättningen och atomstrukturen hos de fasta materialen, och de flesta fasta ämnen faller inom en av dessa breda kategorier. Ett föremål som ofta tillverkas av var och en av dessa materialtyper är dryckesbehållaren. Materialtyperna som används för dryckesbehållare ger följaktligen olika fördelar och nackdelar, beroende på vilket material som används. Keramiska (glas) behållare är optiskt transparenta, ogenomträngliga för passage av koldioxid, relativt billiga och är lätta att återvinna, men är också tunga och spricker lätt. Metall (aluminiumlegering) är relativt stark, är en bra barriär mot diffusion av koldioxid och är lätt att återvinna. Burkarna är dock ogenomskinliga, dyra att tillverka och kan lätt bucklas och punkteras. Polymerer (polyetenplast) är relativt starka, är optiskt transparenta, är billiga och lätta och kan återvinnas, men är inte lika ogenomträngliga för koldioxid som aluminium och glas.

Keramik och glas

Huvudartikel: Keramik
Si 3 N 4 keramiska lagerdelar

En annan tillämpning av materialvetenskap är studiet av keramik och glas , vanligtvis de mest spröda materialen med industriell relevans. Många keramik och glas uppvisar kovalent eller jonisk-kovalent bindning med SiO 2 ( kiseldioxid ) som en grundläggande byggsten. Keramik - inte att förväxla med rå, obränd lera - ses vanligtvis i kristallin form. De allra flesta kommersiella glasen innehåller en metalloxid smält med kiseldioxid. Vid de höga temperaturer som används för att framställa glas är materialet en trögflytande vätska som stelnar till ett oordnat tillstånd vid kylning. Fönsterglas och glasögon är viktiga exempel. Glasfibrer används också för långväga telekommunikation och optisk överföring. Reptåligt Corning Gorilla Glass är ett välkänt exempel på tillämpning av materialvetenskap för att drastiskt förbättra egenskaperna hos vanliga komponenter.

Teknikkeramik är kända för sin styvhet och stabilitet under höga temperaturer, kompression och elektrisk stress. Aluminiumoxid, kiselkarbid och volframkarbid är gjorda av ett fint pulver av deras beståndsdelar i en process av sintring med ett bindemedel. Varmpressning ger material med högre densitet. Kemisk ångavsättning kan placera en film av en keramik på ett annat material. Cermets är keramiska partiklar som innehåller vissa metaller. Slitstyrkan hos verktyg härrör från hårdmetaller med metallfasen av kobolt och nickel vanligtvis tillsatt för att modifiera egenskaperna.

Kompositer

Huvudartikel: Kompositmaterial
Ett kolfilament med en diameter på 6 μm (löper från nedre vänster till höger) placerat ovanpå det mycket större människohåret

En annan tillämpning av materialvetenskap inom industrin är att tillverka kompositmaterial . Dessa är strukturerade material som består av två eller flera makroskopiska faser.

Tillämpningar sträcker sig från strukturella element som stålarmerad betong, till värmeisolerande plattor, som spelar en viktig och integrerad roll i NASAs termiska skyddssystem för rymdfärjan, som används för att skydda skyttelns yta från värmen från återinträde. in i jordens atmosfär. Ett exempel är förstärkt Carbon-Carbon (RCC), det ljusgrå materialet, som tål återinträdestemperaturer upp till 1 510 °C (2 750 °F) och skyddar rymdfärjans vingkanter och nosskydd. RCC är ett laminerat kompositmaterial tillverkat av grafit rayontyg och impregnerat med en fenolharts . Efter härdning vid hög temperatur i en autoklav pyroliseras laminatet för att omvandla hartset till kol, impregneras med furfuralalkohol i en vakuumkammare och härdas-pyroliseras för att omvandla furfuralalkoholen till kol . För att ge oxidationsbeständighet för återanvändningsförmåga, omvandlas de yttre skikten av RCC till kiselkarbid .

Andra exempel kan ses i "plast" höljen till tv-apparater, mobiltelefoner och så vidare. Dessa plasthöljen är vanligtvis ett kompositmaterial som består av en termoplastisk matris såsom akrylnitrilbutadienstyren (ABS) i vilken kalciumkarbonatkrita , talk , glasfibrer eller kolfibrer har tillsatts för ökad styrka, bulk eller elektrostatisk dispersion. Dessa tillsatser kan kallas förstärkande fibrer eller dispergeringsmedel, beroende på deras syfte.

Polymerer

Huvudartikel: Polymer
Den repeterande enheten av polymeren polypropen
Förpackning av expanderad polystyrenpolymer

Polymerer är kemiska föreningar som består av ett stort antal identiska komponenter sammanlänkade som kedjor. De är en viktig del av materialvetenskapen. Polymerer är de råvaror (hartserna) som används för att tillverka vad som vanligtvis kallas plast och gummi. Plast och gummi är egentligen slutprodukten, skapad efter att en eller flera polymerer eller tillsatser har tillsatts till ett harts under bearbetningen, som sedan formas till en slutlig form. Plast som har funnits, och som är i utbredd användning för närvarande, inkluderar polyeten , polypropen , polyvinylklorid (PVC), polystyren , nylon , polyestrar , akryl , polyuretaner och polykarbonater och även gummi, som har funnits är naturgummi, styren -butadiengummi , kloropren och butadiengummi . Plast klassificeras generellt som råvaru- , special- och ingenjörsplast .

Polyvinylklorid (PVC) används flitigt, billigt och årliga produktionskvantiteter är stora. Den lämpar sig för en mängd olika applikationer, från konstläder till elektrisk isolering och kablar, förpackningar och behållare . Dess tillverkning och bearbetning är enkel och väletablerad. PVCs mångsidighet beror på det breda utbudet av mjukgörare och andra tillsatser som den accepterar. Termen "tillsatser" inom polymervetenskap hänvisar till kemikalier och föreningar som tillsätts polymerbasen för att modifiera dess materialegenskaper.

Polykarbonat skulle normalt betraktas som en teknisk plast (andra exempel inkluderar PEEK, ABS). Sådan plast är värderad för sin överlägsna styrka och andra speciella materialegenskaper. De används vanligtvis inte för engångsapplikationer, till skillnad från råvaruplast.

Specialplaster är material med unika egenskaper, såsom ultrahög hållfasthet, elektrisk ledningsförmåga, elektrofluorescens, hög termisk stabilitet, etc.

Skiljelinjerna mellan de olika plasttyperna baseras inte på material utan snarare på deras egenskaper och användningsområden. Till exempel polyeten (PE) en billig polymer med låg friktion som vanligen används för att göra engångspåsar för shopping och sopor, och anses vara en handelsvara, medan polyeten med medeldensitet (MDPE) används för underjordiska gas- och vattenledningar, och en annan variant som kallas ultrahögmolekylär polyeten (UHMWPE) är en teknisk plast som används flitigt som glidskenor för industriell utrustning och lågfriktionssockel i implanterade höftleder .

Metalllegeringar

Huvudartikel: Legering
Stållina av stållegering

Studiet av metallegeringar är en betydande del av materialvetenskapen. Av alla metalllegeringar som används idag utgör legeringarna av järn ( stål , rostfritt stål , gjutjärn , verktygsstål , legerat stål ) den största andelen både till kvantitet och kommersiellt värde.

Järn legerat med olika andelar kol ger låg-, mellan- och högkolhaltiga stål . En järn-kol-legering betraktas endast som stål, om kolhalten är mellan 0,01 % och 2,00 %. För stålen hårdhet och draghållfasthet relaterad till mängden kol som finns närvarande, med ökande kolnivåer som också leder till lägre duktilitet och seghet. Värmebehandlingsprocesser såsom härdning och härdning kan dock väsentligt förändra dessa egenskaper. Gjutjärn definieras som en järn-kollegering med mer än 2,00 % men mindre än 6,67 % kol. Rostfritt stål definieras som en vanlig stållegering med mer än 10 viktprocent legeringshalt av krom. Nickel och molybden finns vanligtvis också i rostfria stål.

Andra betydande metalliska legeringar är de av aluminium , titan , koppar och magnesium . Kopparlegeringar har varit kända under lång tid (sedan bronsåldern) , medan legeringarna av de andra tre metallerna har utvecklats relativt nyligen. På grund av den kemiska reaktiviteten hos dessa metaller utvecklades de elektrolytiska extraktionsprocesserna som krävs först relativt nyligen. Legeringarna av aluminium, titan och magnesium är också kända och värderade för sina höga hållfasthet till viktförhållanden och, när det gäller magnesium, deras förmåga att tillhandahålla elektromagnetisk avskärmning. Dessa material är idealiska för situationer där höga hållfasthets- och viktförhållanden är viktigare än bulkkostnaden, såsom inom flygindustrin och vissa fordonstekniska tillämpningar.

Halvledare

Studiet av halvledare är en betydande del av materialvetenskapen. En halvledare är ett material som har en resistivitet mellan en metall och isolator. Dess elektroniska egenskaper kan avsevärt förändras genom att avsiktligt införa föroreningar eller dopning. Av dessa halvledarmaterial kan saker som dioder , transistorer , lysdioder (LED) och analoga och digitala elektriska kretsar byggas, vilket gör dem till material av intresse inom industrin. Halvledarenheter har ersatt termioniska enheter (vakuumrör) i de flesta applikationer. Halvledarenheter tillverkas både som enskilda diskreta enheter och som integrerade kretsar (ICs), som består av ett antal – från några till miljoner – enheter tillverkade och sammankopplade på ett enda halvledarsubstrat.

Av alla halvledare som används idag utgör kisel den största delen både vad gäller kvantitet och kommersiellt värde. Monokristallint kisel används för att producera wafers som används inom halvledar- och elektronikindustrin . Näst efter kisel galliumarsenid (GaAs) den näst mest populära halvledaren som används. På grund av dess högre elektronrörlighet och mättnadshastighet jämfört med kisel är det ett valmaterial för höghastighetselektroniktillämpningar. Dessa överlägsna egenskaper är övertygande skäl att använda GaAs-kretsar i mobiltelefoner, satellitkommunikation, mikrovågspunkt-till-punkt-länkar och högre frekvens radarsystem. Andra halvledarmaterial inkluderar germanium , kiselkarbid och galliumnitrid och har olika tillämpningar.

Relation till andra områden

Google Ngram Viewer -diagram som visualiserar söktermerna för terminologi för komplexa ämnen (1940-2018). Grönt: "materialvetenskap", rött: " kondenserad materiens fysik " och blått: " fast tillståndets fysik ".

Materialvetenskapen utvecklades från 1950-talet eftersom man insåg att för att skapa, upptäcka och designa nya material måste man närma sig det på ett enhetligt sätt. Sålunda uppstod materialvetenskap och ingenjörskonst på många sätt: döpa om och/eller kombinera befintliga metallurgi- och keramiktekniska avdelningar; splittring från existerande inom fast tillståndsfysik (som i sig växer till fysik av kondenserad materia) ; dra in relativt ny polymerteknik och polymervetenskap ; rekombination från föregående, såväl som kemi , kemiteknik , maskinteknik och elektroteknik ; och mer.

Området materialvetenskap och teknik är viktigt både ur ett vetenskapligt perspektiv och för applikationsområdet. Material är av yttersta vikt för ingenjörer (eller andra tillämpade områden) eftersom användningen av lämpliga material är avgörande vid design av system. Som ett resultat är materialvetenskap en allt viktigare del av en ingenjörsutbildning.

Materialfysik är användningen av fysik för att beskriva materials fysikaliska egenskaper. Det är en syntes av fysikaliska vetenskaper som kemi , fast mekanik , fast tillståndsfysik och materialvetenskap. Materialfysik anses vara en delmängd av kondenserad materiens fysik och tillämpar grundläggande koncept för kondenserad materia på komplexa flerfasmedier, inklusive material av tekniskt intresse. Aktuella områden som materialfysiker arbetar inom inkluderar elektroniska, optiska och magnetiska material, nya material och strukturer, kvantfenomen i material, icke-jämviktsfysik och mjuk kondenserad materiens fysik. Nya experimentella och beräkningsverktyg förbättrar ständigt hur materialsystem modelleras och studeras och är också områden där materialfysiker arbetar inom.

Området är till sin natur tvärvetenskapligt , och materialvetarna eller ingenjörerna måste vara medvetna om och använda sig av fysikerns, kemistens och ingenjörens metoder. Omvänt kan områden som biovetenskap och arkeologi inspirera till utveckling av nya material och processer, i bioinspirerade och paleoinspirerade tillvägagångssätt. Det finns alltså fortfarande nära relationer till dessa områden. Omvänt finner många fysiker, kemister och ingenjörer att de arbetar inom materialvetenskap på grund av de betydande överlappningarna mellan fälten.

Nya teknologier

Ny teknik Status Potentiellt marginaliserade teknologier Potentiella applikationer Relaterade artiklar
Aerogel Hypotetiska, experiment, diffusion,

tidiga användningar

 Traditionell isolering, glas Förbättrad isolering, isolerande glas om det kan göras klart, hylsor för oljeledningar, flyg, hög värme och extrem kyla applikationer
Amorf metall Experiment Kevlar Rustning
Konduktiva polymerer Forskning, experiment, prototyper Konduktörer Lättare och billigare ledningar, antistatiska material, organiska solceller
Femtoteknik , pikoteknik Hypotetisk Nuvarande kärnkraft Nya material; kärnvapen, makt
Fulleren Experiment, diffusion Syntetiska diamant- och kolnanorör (Buckypaper) Programmerbar materia
Grafen Hypotetiska, experiment, diffusion,

tidiga användningar

 Kiselbaserad integrerad krets Komponenter med högre styrka i förhållande till vikt, transistorer som arbetar med högre frekvens, lägre kostnad för bildskärmar i mobila enheter, lagring av vätgas för bränslecellsdrivna bilar, filtreringssystem, batterier som håller längre och snabbare laddas, sensorer för att diagnostisera sjukdomar Potentiella tillämpningar av grafen
Supraledning vid hög temperatur Cryogenic receiver front-end (CRFE) RF- och mikrovågsfiltersystem för mobiltelefonbasstationer; prototyper i torris ; Hypotetiska och experiment för högre temperaturer Koppartråd, halvledarintegrerade kretsar Inga förlustledare, friktionsfria lager, magnetisk levitation , förlustfria högkapacitetsackumulatorer , elbilar , värmefria integrerade kretsar och processorer
LiTraCon Experiment, som redan används för att göra Europe Gate Glas Bygga skyskrapor, torn och skulpturer som Europaporten
Metamaterial Hypotetiskt, experiment, diffusion Klassisk optik Mikroskop , kameror , cloaking av metamaterial , cloaking-anordningar
Metallskum Forskning, kommersialisering Skrov Rymdkolonier , flytande städer
Flerfunktionsstrukturer Hypotetiska, experiment, några prototyper, få kommersiella Kompositmaterial Brett utbud, t.ex. övervakning av självhälsa, självläkande material , morphing
Nanomaterial : nanorör av kol Hypotetiska, experiment, diffusion,

tidiga användningar

 Konstruktionsstål och aluminium _ Starkare, lättare material, rymdhissen Potentiella tillämpningar av kolnanorör , kolfiber
Programmerbar materia Hypotetiska, experiment Beläggningar , katalysatorer Brett utbud, t.ex. claytronics , syntetisk biologi
Kvantprickar Forskning, experiment, prototyper LCD , LED Kvantpunktslaser , framtida användning som programmerbar materia i displayteknik (TV, projektion), optisk datakommunikation (höghastighetsdataöverföring), medicin (laserskalpell)
Silicen Hypotetiskt, forskning Fälteffekttransistorer

Underdiscipliner

Materialvetenskapens huvudgrenar härrör från de fyra huvudklasserna av material: keramik, metaller, polymerer och kompositer.

Det finns dessutom brett tillämpliga, materialoberoende, strävanden.

Det finns också relativt brett fokus över material på specifika fenomen och tekniker.

Närliggande eller tvärvetenskapliga områden

Professionella föreningar

Se även

Citat

Bibliografi

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Materials_science&oldid=1139870668 "