Материаловедение (от и ) — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся: структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука — материаловедение. Оно охватывает разработку и открытие новых материалов, особенно твердых тел. Интеллектуальные истоки материаловедения восходят к эпохе Просвещения, когда исследователи начали использовать аналитическое методы из химии, физики и инженерии, чтобы понять древние феноменологические наблюдения в металлургии и минералогии . Материаловедение по-прежнему включает в себя элементы физики, химии и инженерных наук. 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 её изучения.

Материаловеды подчеркивают понимание того, как история материала (обработки) влияет на его структуру и, следовательно, на свойства и характеристики материала. Понимание взаимосвязей обработка-структура-свойства называется парадигмой материалов. Эта парадигма используется для углубления понимания в различных областях исследований, включая нанотехнологии, биоматериалы и металлургию.

Материаловедение также является важной частью судебной экспертизы и анализа отказовисследование материалов, продуктов, конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не функционируют должным образом, что приводит к травмам или повреждению имущества. Такие расследования — это ключ к пониманию, например, причин различных авиационных происшествий и инцидентов.

История

Выбор материала той или иной эпохи часто является определяющим моментом. Такие фразы, как каменный век, бронзовый век, железный век и стальной век, являются историческими, хотя и произвольными примерами. Исходя из производства керамики и производной от неё 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 произошёл в конце 19 века, когда американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс продемонстрировал, что термодинамические свойства, зависящие от атомной структуры 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 в создании космических аппаратов, позволяющих исследовать космос. Материаловедение является движущей силой развития революционных технологий, таких как каучуки, пластмассы, полупроводники и биоматериалы.

До 1960-х годов (а в некоторых случаях спустя десятилетия) многие разделы материаловедения были разделами металлургии или наук о керамике, что отражало упор на металлы и керамику в XIX и начале XX века. Рост исследований в материаловедении в Соединённых Штатах был частично вызван Управлением 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.

Основы

Материал определяется как вещество (чаще всего твердое, но могут быть включены и другие конденсированные фазы), которое предназначено для использования в определённых областях применения«For Authors: Nature Materials» . Вокруг нас множество материалов; их можно найти в чём угодно, от зданий и автомобилей до космических кораблей. Основные классы материалов — это металлы, полупроводники, керамика и полимерыCallister, Jr., Rethwisch. «Materials Science and Engineering — An Introduction» (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.5-6. Новые и современные материалы, которые разрабатываются, включают наноматериалы, биоматериалыCallister, Jr., Rethwisch. Materials Science and Engineering — An Introduction (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.10-12 и энергетические материалы, и это лишь некоторые из них.

В основе материаловедения лежит изучение взаимосвязи между структурой материалов, методами обработки для получения этого материала и получаемыми в результате свойствами материала. Сложная комбинация всех этих аспектов обеспечивает характеристики материала в конкретном применении. Многие характеристики 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 Структура — одна из важнейших составляющих области материаловедения. Материаловедение изучает структуру материалов от атомного масштаба до макроуровня. Характеризация — это способ, которым материаловеды исследуют структуру материала. Сюда входят такие методы, как дифракция рентгеновских лучей, электронов или нейтронов, а также различные формы спектроскопии и химического анализа, такие как рамановская спектроскопия, энергодисперсионная спектроскопия, хроматография, термический анализ, анализ с помощью электронного микроскопа и так далее.

Структура изучается на следующих уровнях.

Атомная структура Это касается атомов материалов и того, как они устроены, располагаясь в молекулы, кристаллы и так далее. Многие электрические, магнитные и химические свойства материалов возникают на этом уровне структуры. Используемые масштабы длины указаны в ангстремах (Å). Химическая связь и расположение атомов (кристаллография) имеют фундаментальное значение для изучения свойств и поведения любого материала.

Атомные связи 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, химия твердого тела и физическая химия также вовлечены в изучение атомных связей и структуры.

Кристаллография

Кристаллография — это наука, изучающая расположение атомов в кристаллических твердых телах. Кристаллография — полезный инструмент для материаловедов. В монокристаллах эффекты кристаллического расположения атомов часто легко увидеть на макроскопическом уровне, 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, то есть как совокупность мелких кристаллов или зерен с разной кристаллографической ориентацией. По этой причине метод порошковой дифракции, в котором используются дифракционные картины от поликристаллических образцов с большим количеством кристаллов, играет важную роль в определении структуры. Большинство твёрдых 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 имеют аморфную структуру, не обладающую дальним порядком в расположении атомов. Изучение полимеров сочетает в себе элементы химической и статистической термодинамики, чтобы дать термодинамическое и механическое описание их физических свойств.

Наноструктура

Материалы, атомы и молекулы которых образуют структуры в наномасштабе (то есть 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 их интересных электрических, магнитных, оптических и механических свойств.

При описании наноструктур необходимо различать количество измерений в нанодиапазоне.

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

Нанотрубки имеют два измерения в наномасштабе, то есть диаметр трубки составляет от 0,1 до 100 нм; а его длина может 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 ультрадисперсные частицы часто используются как синонимы, хотя их размеры могут достигать микрометрового диапазона. Термин «наноструктура» часто используется в отношении магнитных технологий. Наноразмерную структуру в биологии часто называют ультраструктурой.

Микроструктура

Микроструктура определяется как структура подготовленной поверхности или тонкой фольги материала, выявленная под микроскопом при увеличении более 25 раз. Она имеет дело 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 или низких температурах, износостойкость и так далее. 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 преципитат, 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 Макроструктура — это внешний вид материала в масштабе от миллиметров до метров, это структура материала, то есть видимая невооружённым глазом.

Характеристики Материалы демонстрируют множество свойств, в том числе следующие. Механические свойства см. Прочность материалов. Химические свойства, см. Химия. Электрические свойства, см. Электричество. Тепловые свойства, см. Термодинамика Оптические свойства, см. Оптика и фотоника. Магнитные свойства, см. Магнетизм

Свойства материалов определяют их удобство использования и, следовательно, их инженерное применение.

Обработка