Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое материаловедение, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое материаловедение, метариал, характеристики материала , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов.
материаловедение (от рус. материал и ведать) — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов как в твердом, 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 наукоемких 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.
Материаловедением является область знаний, в которой излагаются закономерности, связывающие состав и структуру материалов с их функциональными свойствами, а также с изменением свойств материалов в условиях их эксплуатации. Материаловедческое направление, прежде всего, направлено на совершенствование традиционных металлических материалов. Последние 30 лет уделяется внимание созданию принципиально новых классов конструкционных материалов. Вид таких материалов тоже стал более разнообразным. Это может быть порошкообразный материал, материал в виде тонкой пленки или толстого покрытия на различных носителях. На протяжении всей истории развития материаловедение как инженерная дисциплина тесным образом связано с достижениями фундаментальных наук (физики, химии, механики). Поэтому можно выделить химическое материаловедение, физическое материаловедение и т.д.
Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учеными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны для процессов литья, проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления тонких пленок, обжига, дутья стекла и др.
Методы, используемые материаловедением: металлографический анализ, электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, механические свойства, калориметрия, ядерный магнитный резонанс, ширография, термография.
Совершенствование производства, оснащение современных предприятий электрооборудованием и различной аппаратурой невозможно без дальнейшего развития производства и освоения новых материалов. Материаловедение является одной из первых инженерных дисциплин, основы которой широко используются при курсовом и дипломном проектировании, а также в практической деятельности инженера. Прогресс в энергетической отрасли тесно связан с созданием и освоением новых материалов, обладающих самыми разнообразными механическими и электрофизическими свойствами. Свойства материала определяются его внутренним строением, которое, в свою очередь, зависит от состава и характера предварительной обработки. В разделе «Материаловедение» изучаются физические основы этих связей. Предмет изучения курса «Материаловедение» для специалистов в области электрообеспечения – это современные представления об электрофизических свойствах и процессах, происходящих в электротехнических материалах. Цель курса – дать студентам знания об основных электротехнических материалах, их свойствах и привить навыки правильного выбора материала в различных эксплуатационных условиях и назначениях. Рациональный выбор электротехнических материалов и правильное их использование невозможно без подробного исследования связи их структур со свойствами и электрофизическими процессами, протекающими в этих материалах в условиях тепловых, магнитных, электромагнитных и других энергетических воздействий.
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.
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. Материалы обычно можно разделить на два класса: кристаллические и некристаллические . Традиционными примерами материалов являются металлы , полупроводники , керамика и полимеры . Новые и современные материалы, которые разрабатываются, включают наноматериалы , биоматериалы , иэнергетические материалы и многие другие.
В основе материаловедения лежит изучение структуры материалов и их соотнесение с их свойствами . Как только ученый-материаловед узнает об этой корреляции структура-свойство, он может перейти к изучению относительных характеристик материала в данном приложении. Основными определяющими факторами структуры материала и, следовательно, его свойств являются составляющие его химические элементы и способ, которым он был переработан в свою окончательную форму. Эти характеристики, вместе взятые и связанные через законы термодинамики и кинетики , определяют микроструктуру материала и , следовательно, его свойства.
Структура - одна из важнейших составляющих области материаловедения. Материаловедение изучает структуру материалов от атомного масштаба до макроуровня. Характеристика - это способ, которым материаловеды исследуют структуру материала. Это включает в себя такие методы, как дифракция с помощью рентгеновских лучей , электронов или нейтронов , а также различные формы спектроскопии и химического анализа, такие как спектроскопия комбинационного рассеяния , энергодисперсионная спектроскопия , хроматография , термический анализ , анализ с помощью электронного микроскопа и т. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Д.
Структура изучается на следующих уровнях.
Это касается атомов материалов и того, как они устроены, давая молекулы, кристаллы и т. Д. Многие электрические, магнитные и химические свойства материалов возникают на этом уровне структуры. Используемые масштабы длины указаны в ангстремах ( Å ). Химическая связь и расположение атомов (кристаллография) имеют фундаментальное значение для изучения свойств и поведения любого материала.
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, в котором используются дифрактограммы поликристаллических образцов с большим количеством кристаллов, дает играет важную роль в структурном определении. 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 являются аморфными , не имеющими дальнего порядка в их 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 в диапазоне от 1 до 100 нм. Во многих материалах атомы или молекулы агломерируются вместе, образуя объекты в наномасштабе. Это обуславливает множество интересных электрических, магнитных, оптических и механических свойств.
При описании наноструктур необходимо различать количество измерений в наномасштабе .
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, 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. Исследование материалов охватывает широкий круг тем, а 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 микротехнологии.исследование. Материалы со структурой на наномасштабе часто обладают уникальными оптическими, электронными или механическими свойствами. Область наноматериалов слабо организована, как и традиционная область химии, в органические (на основе углерода) наноматериалы, такие как фуллерены, и неорганические наноматериалы на основе других элементов, таких как кремний. Примеры наноматериалов включают фуллерены , углеродные нанотрубки , нанокристаллы и т. Д.
Биоматериал - это любой материал, поверхность или конструкция, которые взаимодействуют с биологическими системами. Исследование биоматериалов называется био материаловедении . За свою историю компания пережила устойчивый и сильный рост, и многие компании инвестировали большие суммы денег в разработку новых продуктов. Наука о биоматериалах включает в себя элементы медицины , биологии , химии , тканевой инженерии и материаловедения.
Биоматериалы могут быть получены либо природой, либо синтезированы в лаборатории с использованием различных химических подходов с использованием металлических компонентов, полимеров , биокерамики или композитных материалов . Они часто предназначены или адаптированы для медицинских приложений, таких как биомедицинские устройства, которые выполняют, дополняют или заменяют естественную функцию. Такие функции могут быть доброкачественными, например, для сердечного клапана , или могут быть биоактивными с более интерактивными функциями, такими как тазобедренные имплантаты, покрытые гидроксилапатитом.. Биоматериалы также используются каждый день в стоматологии, хирургии и доставке лекарств. Например, конструкция с пропитанными фармацевтическими продуктами может быть помещена в тело, что позволяет пролонгировать высвобождение лекарства в течение продолжительного периода времени. Биоматериал также может представлять собой аутотрансплантат , аллотрансплантат или ксенотрансплантат, используемый в качестве материала для трансплантации органов .
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 включает знания в области материаловедения и физики твердого тела или физики конденсированного состояния .
С продолжающимся увеличением вычислительной мощности стало возможным моделирование поведения материалов. Это позволяет материаловедам понимать 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.
Данная статья про материаловедение подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое материаловедение, метариал, характеристики материала и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов
Комментарии
Оставить комментарий
Материаловедение и материалы электронных аппаратов
Термины: Материаловедение и материалы электронных аппаратов