-
- Историческая справка
- Предмет, цель, задачи и базовые дисциплины материаловедения
- Классификация материалов
- Состав и структура материала
- Свойства материала
- Современное состояние науки материаловедения
- Металлургия и металловедение
- Создание и использование полимерных материалов
- Керамическое материаловедение
- Композиционные материалы
- Развитие наноструктурного материаловедения
Давайте сначала начнём с теории, чтобы вы имели представление, что такое, Материаловедение
Возможно эта страница вам будет полезна:
Задачи, решаемые современным материаловедением, в значительной степени обусловливают развитие энергетики, электроники, информационных и нанотехнологий, химической, аэрокосмической и других отраслей промышленности, транспорта, медицины и здравоохранения.
Хотя изучать полезные свойства материалов люди начали давно, но как науку материаловедение сформирован в середине XX-го века, когда было завершено создание собственного базиса физики , химии и механики , а также определено понятие «структура материала» в широком диапазоне — от атомарного (благодаря открытию дифракции рентгеновского излучения и электронной микроскопии) до макроскопического. Сейчас материаловедение относят к категории меганаук, то есть к широкому направлению деятельности людей, определяет устойчивый и непрерывный прогресс цивилизации.
Основные понятия о материаловедении
Под общим термином «материалы» в материаловедении обычно имеют в виду простые или сложные вещества, их смеси , гетерогенные композиции, имеющие определенный химический и фазовый состав, структуру и совокупность полезных свойств. Материалом также называют продукт осознанного технологического обработки природного или синтетического сырья с целью достижения в нем заданного комплекса свойств и эксплуатационных характеристик в соответствующих условиях. Преимущественно это твердые и жидкие конденсированные фазы.
Технология получения материала — умение целенаправленно создавать материальные объекты с заданными химическим и фазовым составом, размерами, структурой и свойствами. Без этого невозможно существование производства . Те или иные материалы в человеческой жизни нужны повсеместно, их выбирают осознанно, на основе знаний для: строительства и эксплуатации жилья, военных целей, создание предметов быта, для выращивания, обработки и хранения урожая, создание средств производства, транспортировки и коммуникаций, исследования природы, а также создание новых материалов.
Историческая справка
Ранние этапы развития цивилизации получили названия, связанные с видом материала, наиболее использовался человеком ( каменная , бронзовая , железный век ).
Камень, как материал для изготовления простейших орудий труда и оружия начали использовать более 300 тыс. Лет назад, производство керамических материалов (изделий из обожженной глины) возникло около 30 тыс. Лет назад. К периоду неолита относятся первые попытки обработки (в 8-тысячелетии до н. Э. Было освоено декоративная ковка и чеканка самородной меди) и плавки металлов (примерно в 5-м тысячелетии до н. Э. Научились выплавлять медь из малахита и азурита и выливать предметы различной формы, в 35 веке до н. э. начали выплавлять железо, пригодное к использованию с декоративной целью).
Примерно в 3-м тысячелетии до н. е. вошел в употребление первый известный металлический сплав — бронза. В 9-7 ст. до н. е. изобретен способ производства стали и примерно в 3 ст. до н. е. разработана технология разливки стали в изложницы, что положило начало современной металлургии .
Второй после керамики неметаллическую материал — стекло получено примерно в 4-м тысячелетии до н. е., стеклодувные производство возникло в 1-м ст. до н. е. В античный период и в средние века развитие материаловедения сводился в основном к созданию конструкционных и строительных материалов. В этот период развивается также производство фарфора, природных красителей, природных клеев, хрусталя и тому подобное.
Важный прорыв в становлении научных основ материаловедения сделали:
- открытие Д. Менделеевым периодического закона , на основе которого стало возможным связать свойства простых и сложных веществ с характеристиками атомов, которые образуют;
- изложения Дж. Гиббз общей теории термодинамического равновесия и метода термодинамических потенциалов, позволило определять направление протекания химических реакций и условия равновесия для смесей любой сложности;
- разработку в 1913 году Н. Бором первой квантовой теории атома, которая позволила понять физическую природу периодичности свойств химических элементов и их соединений.
Существенному прогрессу материаловедения способствовало развитие методов исследования и характеризовать материалов.
Основными методами исследования состава и строения объемных материалов стали рентгеновские дифракционные методы (рентгенография материалов), методы термического анализа и калориметрия , химические методы анализа и хроматографии . Для исследования поверхностей материалов и наноразмерных объектов используют спектроскопические методы ( фотоэлектронную спектроскопию , оже-спектроскопию , комбинационное рассеяние света и т.д.), сканирующую и просвитлювальну электронную микроскопию, микрозондовый анализ, масс-спектроскопию вторичных ионов.
Для контроля технологических свойств используются методы испытаний материалов.
Предмет, цель, задачи и базовые дисциплины материаловедения
Предметом материаловедения является установление закономерностей взаимосвязей в системе «склад — структура (электронная, атомная, нано-, мезо-, микро-, макро-) — технология получения и переработки — функциональные (механические, термические, электрические, магнитные, оптические и др .) свойства »материала, а также целенаправленное совершенствование свойств уже известных и создание новых материалов с заданными свойствами.
Цель дисциплины — познание свойств в зависимости от состава и вида обработки, методов их укрепления для эффективного использования в технике, а также создания материалов с заранее заданными свойствами: с высокой прочностью или пластичностью , с хорошей электропроводностью , большим электрическим сопротивлением или специальными магнитными свойствами, а также сочетание различных свойств в одном материале (композиционные материалы).
Главным заданием этой дисциплины является приобретение знаний и навыков по оценке свойств, рациональному и целесообразном выбора их для конкретных условий работы, умение применять эффективные технологические методы обработки и укрепления, которые привели в итоге к удешевлению изделий, снижение материалоемкости с одновременным увеличением срока эксплуатации.
Основополагающей чертой современного материаловедения является его междисциплинарность, так как стоящие перед ним, не могут быть решены в рамках одной научной дисциплины.
Фундаментом современного материаловедения есть такие разделы физики, химии и биологии:
- статистическая физика , термодинамика и термокинетика (основные объекты рассмотрения — диаграммы состояния , твердофазови преобразования, стабильность материалов при эксплуатации);
- физика твердого тела и квантовая механика (электрические, тепловые, магнитные, химические, структурные и оптические свойства материалов, дифракционные методы исследования материалов);
- механика (взаимосвязь микроструктуры и механического поведения материалов , реология , трибология , поведение потоков жидкостей и ансамблей частиц)
- химия твердого тела (теория химической связи, кристаллическая структура, точечные и протяженные дефекты, состав материалов, методы их синтеза)
- коллоидная химия и химия полимеров (полимеры и пластмассы, жидкие кристаллы и коллоидные растворы, нанообъекты )
- интеграция материалов в биологические системы и их применение в медицине.
Мировая тенденция развития материалов направлена на их осложнения и вступления многофункциональности путем создания композиционных материалов (литые композиционные материалы, теплозащитные ерозийностийки композиционные материалы, толстопленочные композиционные материалы и т.п.).
Страницы которые вам возможно пригодятся:
Классификация материалов
В основу общей классификации материалов положено их разделение по происхождению на природные и искусственные . К первым, как правило, относятся как неорганические (например, глины, минералы), так и органические (древесина, бумага, кожа, природные волокна и т.д.) материалы.
По агрегатному состоянию материалы разделяют на газообразные (например, пароводяные или газовые теплоносители, топочные газы и т.д.), жидкостные (лакокрасочные материалы, смазочные материалы) и твердые . Твердые материалы — самая многочисленная группа — могут быть как кристаллическими (например, оптические материалы , металлы и т.д.), так и аморфными ( синтетические смолы , стекло , пластмассы ) большинство твердых материалов являются многокомпонентными и многофазовый.
К нетрадиционным в материаловедении принадлежит классификация по типу химической связи , что доминирует в материале или определяет его свойства: ковалентные , металлические , ионные , Ван-дер-Ваальса , водородные и тому подобное.
Среди самых распространенных материалов — металлы и сплавы, в частности, железоуглеродистые сплавы ( стали и чугуна ), ферросплавы , сплавы алюминия , золота , магния , меди , молибдена, никеля , кобальта , титана , хрома , циркония и др.
По назначению и полезными свойствами выделяют абразивные материалы , антифрикционные материалы , фрикционные материалы , строительные материалы , сварочные материалы , износостойкие материалы , инструментальные стали , ингибиторы коррозии и ингибированные материалы, умные (интеллектуальные, функциональные) материалы , конструкционные материалы , лакокрасочные материалы , легкоплавкие материалы , люминофоры , магнитные материалы, Магнитоэлектрические материалы, материалы градиентные материалы электретные материалы электроизоляционные, материалы электропроводящие материалы эмиссионные, метаматериалы, сверхпроводники, полупроводники (в том числе магниторозчинени полупроводники), сверхлегкие материалы, сверхтвердые материалы, наплавочные материалы, немагнитные материалы, оптические материалы , пьезоэлектрические и сегнетоэлектрических материалы, пироактивни материалы, радиационностойкие материалы, радиопрозрачные материалы , резистивные материалы, твердоелектролитни материалы, термо ектрични материалы, триботехнические материалы.
Состав и структура материала
В материаловедении рассматривается химический и фазовый состав материала. Химический состав определяют по совокупности химических элементов материала. Есть основные (фазоутворюючи) элементы и элементы-примеси. Фазы формируют фазовый состав материала, а каждую фазу представлено элементом структуры (зерно, слой, включение и т.д.) и соответствующей межфазной границей. По химическому составу и по распределению фаз выделяют 4 типа структур: однофазные, статистические многофазные с идентичными и неидентичными поверхностями раздела и матричные многофазные. По морфологии элементов структуры выделяют с пластинчатым, столбчатый и трехмерными типами включений. Примеси растворенные в малых концентрациях и распределяются преимущественно хаотично в объеме фаз и на межфазных границах (в частности, сегрегации).
Они могут влиять на свойства материалов, как положительно, так и отрицательно.
Структура материала — фундаментальная пространственная характеристика материала и состоит из элементов структуры, присущих определенному пространственному масштаба. Материаловедение оперирует электронной, атомно-молекулярной, макромолекулярном (кластерной), микро-, мезо- и макроструктурами.
Электронная структура материала важна для характеристики химической связи, зонной структуры и зависимых от нее свойств: электрических, магнитных, оптических, квантовых и тому подобное. Электронная структура твердых тел отображается в виде спектров, поэтому она сопряжена с атомно-молекулярной структурой в одном масштабном диапазоне (0,1 … 1,0 нм).
Атомно-молекулярная структура позволяет понимать, материал является кристаллическим, или аморфным (металлические аморфные сплавы, неметаллические аморфные и аморфно-кристаллические материалы) и ввести понятие дефектов кристаллической решетки (точечных, линейных, планарных, объемных, примесных, сегрегационных и др. ), что также является элементами структуры.
Макромолекулярный, или кластерный, масштаб структуры рассматривает объекты и явления (свойства) в масштабе размеров 1 … 5 нм. В таком масштабе не всегда имеют место коллективные явления, например, поверхностное натяжение или ферромагнетизм .
Микро-, или зеренного-гетерофазная, структура (5 … 1000 нм) позволяет определить геометрические размеры и морфологию элементов микроструктуры и коллективные явления: зерен, пор, включений, доменов, их пространственную ориентацию, анизотропию, текстуру и тому подобное.
Мезоструктуры (50 нм … 1000 мкм) характеризует совокупности элементов микроструктуры и их взаимодействие в большем масштабе, чем микроструктура.
Макроструктура (более 1000 мкм) материала, наблюдается невооруженным глазом, позволяет описать макродефектов и повреждения, макроскопические неоднородности материалов и изделий до и после обработки.
Для исследования структуры в разных масштабах ученые разработали и используют многочисленные методы: дифракции рентгеновского лучей, электронов или нейтронов, различные формы химического анализа, рентгеновскую и Энергодисперсионный спектроскопии, анализ изображений с оптических, Электронный, атомно-силовых микроскопов и др. Измерение размеров структурных составляющих материалов осуществляют методами электронной микроскопии с помощью изображений прямого / обратного различия и последующим компьютерным обработкой результатов измерения для массивов, содержащих 1000 и более структур. элементов (например, частиц, зерен).
Во время измерения размеров частиц, зерен, включений или пор принято оценивать следующие параметры: средний диаметр по их числу, средний или медианный линейный диаметр, диаметр эквивалентной окружности, средний диаметр по объ объемом, дисперсию этих характеристик. Во многих случаях распределение частиц, зерен по размеру имеет нормальный или логарифмически-нормальный характер.
Наиболее чувствительными к изменениям в цепи структура-свойства являются наноструктурные материалы (нанодисперсные, нанокристаллические, нанопористые материалы), существующие в диапазоне размеров 1 … 100 нм. Во многих материалах атомы, молекулы, кластеры, частицы собираются вместе, образуя наноразмерные объекты, главной особенностью которых является аномально высокое влияние свободной поверхности или поверхностей раздела на свойства по сравнению с обычными материалами. Именно эта особенность обусловливает много интересных термических, кинетических, электрических, магнитных, оптических и механических свойств и их комбинаций, присущих наноструктурных материалов. Этот раздел материаловедения называют наноструктурных материаловедением .
Свойства материала
Материаловедение использует широкий инструментарий исследования свойств материалов, изделий, конструкций.
Свойства отражают реакцию материала на действие внешних факторов и окружающей среды, по физическим, химическим, биомедицинских и технологическими характеристиками бывают структурно-чувствительными и нечувствительными. механические свойстваопределяют путем погрузки стандартных образцов в поле механических сил, магнитные — под влиянием магнитного поля, оптические — вследствие пропускания света.
Количественные характеристики используют как параметры для взаимного сравнения материалов. Свойства могут быть постоянными или с функцией независимых переменных параметров, таких, как напряжение, температура, давление. Они зависят от направления в материале, в котором их измеряют, то есть демонстрируют анизотропию и текстуру.
Свойства материалов, касающихся 2-х разных физических явлений, часто имеют линейную (или примерно линейную) зависимость в заданном рабочем диапазоне. Эту зависимость рассматривают как устойчивую для этого диапазона. Линеаризации позволяют значительно упростить форму записи дифференциальных определяющих уравнений, описывающих соответствующие свойства.
Современное состояние науки материаловедения
Исторически сложилось так, что к середине XX в. в научном мире понятие «материаловедение» полностью ассоциировалось с понятием «металловедение» . Начиная с 1960-х годов эта отрасль науки существенно расширилась и включает более широкий спектр исследуемых материалов, в том числе металлы и их сплавы, сохранили свою ведущую роль как конструкционные материалы, керамику, полимерные материалы, композиционные материалы, стекло, полупроводниковые материалы, магнитные материалы, биоматериалы, органические материалы.
Металлургия и металловедение
Твердосплавные пластинки для режущего инструмента, изготовленные методами порошковой металлургии
К главным направлениям развития металлургии и металловедения, как ее научного базиса, на современном этапе относятся:
- усовершенствование технологий получения металлов и изделий из них (непрерывная разливка стали, электрометаллургические технологии, направленная кристаллизация, модифицирование поверхности стали лазерной обработкой, плазмохимическое легирования, ионная имплантация поверхности, порошковая металлургия и т.д.);
- повышение прочности, износостойкости и коррозионной стойкости сталей при высоких давлениях и температурах
- создание комплексно-легированных сплавов с минимальным содержанием дефицитных металлов и дешевых жаропрочных сплавов на основе алюминатов железа и никеля;
- получения новых металлических материалов (сверхчистые металлы, аморфные магнитные сплавы, коррозирует прочные биологически совместимы сплавы, сплавы с памятью формы и т.д.).
Создание и использование полимерных материалов
Важным показателем научно-технического прогресса во многих областях является уровень и темпы роста производства и использования полимерных материалов, их номенклатура и качество. Становление науки о полимерах тесно связано с прикладными аспектами их использования. Исследования, проводимые в середине XIX в. были в основном направлены на модификации природных полимеров с целью придания им нужных свойств за счет химических реакции природных веществ с низкомолекулярными соединениями; важнейшими достижениями в этом направлении является открытие вулканизации натурального каучука в 1839 году Ч. Гудьир (США) и в 1843 Т. Хэнкок и получения в начале 1830-х годов нитроцеллюлозы (впоследствии волокна и пластмассы на ее основе).
Научные представления о строении полимеров возникли после создания А. М. Бутлерова теории химического строения, которая лежит в основе современной органической химии и получили развитие в фундаментальных трудах Г.Шаудингера .
После синтеза в 1908 году твердой термореактивной смолы (американский химик Л. Бакеланда ), а в 1938-1939 — нейлона ( Уоллес Карозерс ) начался революционный прорыв в полимерном материаловедении. Исследования К. Циглера и Дж. Натти (открытие в 1954-м металлокомплексного катализа) имели не только выдающееся научное значение, но и привели к новому и простого пути получения одного из важнейших промышленных полимеров — полиэтилена и синтеза стереорегулярных поли-α-олефинов, в частности полипропилена .
Применение полимерных материалов позволяет существенно снизить металлоемкость и вес конструкционных материалов, используемых в машиностроение и строительстве. Среди конструкционных пластмасс следует назвать полиамиды, поликарбонаты, полифениленоксиды, полиакрилаты и др. Наиболее перспективным направлением развития является разработка термостойких (до 500 ° C) полимеров, термопластичных зносостиких полиуретанов с высоким модулем эластичности, биополимеров и полимерных сплавов для нужд медицины, жидкокристаллических сегнетополимерив и пленочных полимеров с униполярной ионной проводимостью для микроэлектроники, високоселектривних и производительных полимерных мебран для разделении жидких сред и тому подобное.
Керамическое материаловедение
Детали подшипниковых узлов, выполненные из керамики Si3N4
Одно из ведущих мест среди конструкционных материалов занимает керамика. Многообразие керамических материалов включает в себя любые поликристаллические материалы, полученные спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Керамические материалы способны функционировать в широком, чем другие материалы, интервале температур. Обычно керамика является хрупким материалом и имеет принципиально другой по сравнению с металлами, механизм разрушения, в котором определяющая роль принадлежит возникновению и распространению микротрещин. Поэтому успехи развития конструкционных керамических материалов тесно связаны с совершенствованием теории хрупкого разрушения.
Керамические материалы условно разделяют на два класса — конструкционные (строительная керамика, техническая керамика) и функциональные (диэлектрики, пьезоэлектричества, сегнетоэлектрики, пироэлектрики, магнитная керамика, сверхпроводники, оптически прозрачная керамика и т.д.).
И если первый класс имеет многовековую историю развития, ко второй возник и интенсивно развивается со второй половины XX века. Значительный вклад в исследование и создание керамических материалов сделали немецкий физикохимик К. Вагнер [en] , американские ученые В.Д.Кингери [en] , Р.Рой [en] , Дж.Гуденаф .
К актуальных задач керамического материаловедения следует отнести получение сверхпластической керамики и конструкционной керамики для двигателей внутреннего сгорания и турбин, керамики режущего инструмента на основе оксидов, нитридов и карбидов, радиацийнотривкои керамики нейтронного защиты ядерных реакторов, керамических волокон и пин из простых и сложных оксидов для высокотемпературной изоляции, биокерамики на основе гидроксиапатита для замены и восстановления поврежденных суставов, новых функциональных керамических материалов.
Композиционные материалы
Керамо-стальная изоляционная плита
Степень развития авиационной и космической техники, транспорта, строительства и т.п. определяется уровнем использования композиционных материалов. Композиты являются гетерогенными системами, состоящими из двух или более фаз, имеющих различную физико-химическую природу, для такой системы характерно наличие развитой системы внутренних поверхностей разделения, градиентов концентраций и внутренних напряжений.
Среди направлений, наиболее развивающихся следует отметить разработку:
- армированных нитевидными монокристаллическими волокнами конструкционных металлических материалов;
- сверхпластической композитов на основе алюминия, укрепленного ультрадисперсных карбидом кремния
- керамики, усиленной волокнами для дизельных двигателей;
- химически устойчивой стеклокерамики, усиленной диоксидом циркония;
- гибких пьезоэлектрических композитов на полимерной основе;
- полимерных композиционных материалов на основе карбоновых волокон, полиимидов и др.
Развитие наноструктурного материаловедения
Развитие энергетики, электроники, машиностроения, медицины, решения проблем экологии на современном этапе связывают с применением наноматериалов. К наноматериалов относятся материалы с размером частиц, не превышает (в одном или нескольких измерениях) 100 нм, и которые проявляют (в силу квантово-размерного эффекта) принципиально отличаются от объемных материалов физико-химические свойства. Это открывает перспективы создания новых поколений материалов: термо- и коррозионно нанопокрытий, аккумуляторов, высокоселективных мембран, сенсоров, металокомплексних низкоразмерных катализаторов, фотокатализаторов, средств целевого доставки лекарств и диагностики, магнитных материалов и многие другие.
Готовые темы рефератов по материаловедению:
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
