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Ciencia material

Ciencia material o el dirigir de los materiales es un campo interdisciplinario que implica las características de la materia y de sus usos a las varias áreas de ciencia y ingeniería. Esta ciencia investiga la relación entre la estructura de materiales en la escala atómica o molecular y sus características macroscópicas. Incluye elementos de física aplicada y química, así como producto químico, mecánico, civil y ingeniería eléctrica. Con la atención significativa de los medios a nanoscience y nanotechnology estos últimos años, la ciencia material se ha propulsado a la vanguardia en muchas universidades. Es también una parte importante de ingeniería forense y el dirigir forense de los materiales, el estudio de productos fallados y componentes.

Contenido

Historia

El material de la opción de una era dada es a menudo su punto que define; Edad de piedra, Edad de bronce, y Edad de acero son los ejemplos de esto. La ciencia material es una de las más viejas formas de ingeniería y de ciencia aplicada, derivando de la fabricación de cerámica. La ciencia material moderna se desarrolló directamente de metalurgia, que sí mismo desarrolló de minar. Una brecha importante en la comprensión de materiales ocurrió en el atrasado diecinueveavo siglo, cuando Willard Gibbs demostrado eso termodinámico características en lo que concierne estructura atómica en vario fases se relacionan con las características físicas de un material. Los elementos importantes de la ciencia material moderna son un producto del raza del espacio: la comprensión y la ingeniería del metálico aleaciones, y silicona y carbón materiales, usados en la construcción de los vehículos de espacio permitiendo la exploración del espacio. La ciencia material ha conducido, y ha conducido cerca, el desarrollo de tecnologías revolucionarias por ejemplo plásticos, semiconductores, y biomateriales.

Antes de los años 60 (y en algunos casos de las décadas después), muchos ciencia material los departamentos fueron nombrados metalurgia departamentos, de un diecinueveavo y a principios de siglo 20 énfasis del siglo en los metales. El campo ha ensanchado desde entonces para incluir cada clase de materiales, incluyendo: cerámica, polímeros, semiconductores, materiales magnéticos, materiales médicos del implante y materiales biológicos.

Fundamentales de la ciencia material

En la ciencia material, más bien que casual buscar y descubrir los materiales y explotar sus características, una en lugar de otro apunta entender los materiales fundamental para poder crear nuevos materiales con las características deseadas.

La base de toda la ciencia material implica el relacionar del deseado características y funcionamiento relativo de un material en cierto uso a la estructura de los átomos y de fases en ese material con la caracterización. Los determinantes principales de la estructura de un material y de sus características son así sus elementos químicos constitutivos y la manera en los cuales se ha procesado en su forma final. Éstos, tomado junto y relacionado con los leyes de termodinámica, gobierne un material microestructura, y así sus características.

Un viejo adagio en la ciencia material dice: los “materiales son como la gente; es los defectos que los hacen que interesan ". La fabricación de un perfecto cristal de un material es actualmente físicamente imposible. En lugar los científicos de los materiales manipulan defectos en materiales cristalinos por ejemplo precipitados, límites de grano (Relación de Pasillo-Petch), átomos intersticiales, vacantes o átomos sustitutivos, crear los materiales con las características deseadas.

No todos los materiales tienen una estructura cristalina regular. Polímeros exhiba los grados que varían de cristalinidad, y muchos son totalmente no cristalinos. Cristales, algo de cerámica, y muchos materiales naturales son amorfo, no poseyendo cualquier orden de largo alcance en sus arreglos atómicos. El estudio de polímeros combina elementos de la termodinámica química y estadística para dar termodinámico, así como mecánico, descripciones de características físicas.

Además de interés industrial, la ciencia material se ha convertido gradualmente en un campo que proporciona las pruebas para la materia condensada o las teorías de estado sólido. La nueva física emerge debido a las nuevas características materiales diversas que necesitan ser explicadas.

Materiales en industria

Radical avances de los materiales puede conducir la creación de productos nuevos o aún de nuevas industrias, pero las industrias estables también emplean a científicos de los materiales para llevar a cabo mejoras incrementales y para localizar averías ediciones con los materiales actualmente usados. Los usos industriales de la ciencia material incluyen los materiales diseñan, las compensaciones de costes y beneficios en la producción industrial de los materiales, técnicas de proceso (bastidor, balanceo, soldadura, implantación de ion, crecimiento cristalino, deposición thin-film, sinterización, el glassblowing, etc.), y técnicas analíticas (técnicas de la caracterización por ejemplo microscopia electrónica, difracción de radiografía, calorimetría, microscopia nuclear (HEFIB), Backscattering de Rutherford, difracción del neutrón, etc.).

Además de la caracterización material, el científico material/el ingeniero también se ocupa de la extracción de materiales y de su conversión en formas útiles. Así el bastidor de lingote, las técnicas de la fundición, la extracción del alto horno alto, y la extracción electrolítica son toda la parte del conocimiento requerido de un metalúrgico/de un ingeniero. A menudo la presencia, la ausencia o la variación de cantidades minuciosas de elementos y de compuestos secundarios en un material a granel tendrán un gran impacto en las características finales de los materiales producidos, por ejemplo, se clasifican los aceros basaron en los porcentajes del 1/10o y 1/100 peso del carbón y de otros elementos de aleación que contienen. Así, la extracción y las técnicas de la purificación empleadas en la extracción del hierro en el alto horno alto tendrán un impacto de la calidad del acero que puede ser producida.

El traslapo entre la física y la ciencia material ha conducido al campo del vástago de física de los materiales, de que se trata a las características físicas materiales. El acercamiento es generalmente más macroscópico y aplicado que adentro física condensada de la materia. Vea publicaciones importantes en la física de los materiales para más detalles en este campo del estudio.

El estudio de las aleaciones del metal es una parte significativa de ciencia material. De todo el hoy funcionando de las aleaciones metálicas, las aleaciones del hierro (acero, acero inoxidable, hierro fundido, acero de herramienta, aceros de aleación) componga la proporción más grande por cantidad y valor comercial. El hierro aleado con varias proporciones de carbón da bajo, mediados de y aceros de carbono altos. Para los aceros, la dureza y la fuerza extensible del acero se relaciona directamente con la cantidad de presente del carbón, con el aumento del carbón nivela también conducir para bajar ductilidad y dureza. La adición del silicio y de la grafitización producirá los arrabios (aunque algunos arrabios se hacen exacto sin la grafitización). La adición del cromo, del níquel y del molibdeno a los aceros de carbono (más el de 10%) nos da los aceros inoxidables.

Otras aleaciones metálicas significativas son las de aluminio, titanio, cobre y magnesio. Aleaciones de cobre se han sabido durante mucho tiempo (desde Edad de bronce), mientras que las aleaciones de los otros tres metales han sido relativamente recientemente desarrolladas. Debido a la reactividad química de estos metales, los procesos electrolíticos de la extracción requeridos fueron desarrollados solamente relativamente recientemente. Las aleaciones del aluminio, del titanio y del magnesio también se saben y se valoran para su colmo - fuerza - los cocientes del a-peso y, en el caso del magnesio, su capacidad de proporcionar blindar electromágnetico. Estos materiales son ideales para las situaciones donde están más importantes los altos - fuerza - cocientes del a-peso que coste a granel, por ejemplo en la industria aeroespacial y los ciertos usos automotores de la ingeniería.

Con excepción de los metales, los polímeros y la cerámica son también una parte importante de ciencia material. Los polímeros son las materias primas (las resinas) usadas para hacer lo que comúnmente llamamos los plásticos. Los plásticos son realmente el producto final, creado después de unos o más polímeros o los añadidos se han agregado a una resina durante el proceso, que entonces se forma en una forma final. Los polímeros que han estado alrededor, y que están en uso extenso actual, incluyen polietileno, polypropylene, PVC, poliestireno, nilones, poliesteres, acrílicos, poliuretanos, y polycarbonates. Los plásticos se clasifican generalmente como plásticos de la “materia”, de la “especialidad” y de la “ingeniería”.

El PVC (polyvinyl-chloride) es cantidades ampliamente utilizadas, baratas, y anuales de la producción es grande. Se presta a un arsenal increíble de usos, del cuero artificial a aislamiento eléctrico y el cablegrafiar, empaquetado y envases. Su fabricación y el proceso son simples y establecidos. La flexibilidad del PVC es debido a la amplia gama de plastificantes y otros añadidos que aceptan. El término “añadidos” en ciencia del polímero refiere a los productos químicos y a los compuestos agregados a la base del polímero para modificar sus características materiales.

Polycarbonate normalmente sería considerado un plástico de la ingeniería (otros ejemplos incluyen OJEADA, los ABS). Los plásticos de la ingeniería se valoran para sus fuerzas superiores y otras características materiales especiales. No se utilizan generalmente para los usos disponibles, desemejante de los plásticos de la materia.

Los plásticos de la especialidad son materiales con características únicas, tales como ultraalto - fuerza, conductividad eléctrica, electro-fluorescencia, alta estabilidad termal, etc.

Debe ser observado aquí que la línea que se divide entre los varios tipos de plásticos no está basada en el material sino algo en sus características y usos. Por ejemplo, polietileno (el PE) es un barato, el polímero bajo de la fricción de uso general hacer bolsos de compras y basura disponibles empaqueta, y se considera un plástico de la materia, mientras que el polietileno MDPE de la Medio-Densidad se utiliza para las pipas subterráneas del gas y de agua, y otra variedad llamada Ultra-high - polietileno del peso molecular UHMWPE es un plástico de la ingeniería que se utiliza extensivamente como los carriles del deslizamiento para el equipo industrial y el zócalo de la bajo-fricción en implantado empalmes de la cadera.

Otro uso de la ciencia material en industria es la fabricación de materiales compuestos. Los materiales compuestos son materiales estructurados integrados por fases dos o más macroscópicos. Un ejemplo sería concreto acero-reforzado; otros se pueden ver en las cubiertas “plásticas” de las televisiones, célula-teléfonos y así sucesivamente. Estas cubiertas plásticas son generalmente a material compuesto compuesto de una matriz termoplástica tal como acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) en cuál carbonato de calcio tiza, talco, fibras de vidrio o fibras del carbón se han agregado para la fuerza agregada, el bulto, o la dispersión electrostática. Estas adiciones se pueden referir como reforzar fibras, o dispersores, dependiendo de su propósito.

Clases de materiales (por los tipos en enlace)

La ciencia material abarca varias clases de los materiales, que pueden constituir un campo separado. Los materiales son clasificados a veces por el tipo de vinculación presente entre los átomos:

  1. Cristales iónicos
  2. Cristales covalentes
  3. Metales
  4. Intermetallics
  5. Semiconductores
  6. Polímeros
  7. Materiales compuestos
  8. Materiales vítreos

Subcampos de la ciencia material

Algunos médicos consideran a menudo rheology un subcampo de la ciencia material, porque puede cubrir cualquier material que fluya. Sin embargo, el rheology moderno trata típicamente de no neutoniano dinámica flúida, así que a menudo se considera un subcampo de mecánicos de la serie continua. Vea también material granular.

  • Ciencia de cristal - cualquier material no cristalino incluyendo los cristales inorgánicos, los metales vítreos y los cristales del no-óxido.
  • Ingeniería forense - el estudio de cómo los productos fallan, y el papel vital de los materiales de la construcción
  • El dirigir forense de los materiales - el estudio de la falta material, y la luz que vierte en cómo los ingenieros especifican los materiales en su producto

Asuntos que forman la base de la ciencia material

Diarios importantes

Vea también

Bibliografía

  • Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phulé (2005). La ciencia y la ingeniería de materiales, 5ta edición, Thomson-Ingeniería. ISBN 0-534-55396-6. 
  • Gaskell, David R. (1995). Introducción a la termodinámica de materiales, 4ta edición, Taylor y el publicar de Francis. ISBN 1-56032-992-0. 
  • Eberhart, marca (2003). Porqué las cosas se rompen: Entendiendo el mundo a propósito viene aparte. Armonía. ISBN 1-4000-4760-9. 
  • Gordon, James Edward (1984). La nueva ciencia de materiales fuertes o porqué usted no se cae a través del piso, edición del eissue, presión de la universidad de Princeton. ISBN 0-691-02380-8. 
  • Callister, Jr., Guillermo D. (2000). Ciencia material e ingeniería - una introducción, 5ta edición, Juan Wiley e hijos. ISBN 0-471-32013-7. 
  • Walker, Peter (Ed), (1993) Diccionario de los compartimientos de la ciencia material y de la tecnología, Compartimientos que publican, ISBN-10: 055013249X
  • Lewis, Peter Rhys, Reynolds, K y Gagg, C, El dirigir forense de los materiales: Estudios de caso, Prensa del CRC (2003).

Referencias


v • d • e
Química
Lista de biomoléculas • Lista de compuestos inorgánicos • Lista de compuestos orgánicos • Tabla periódica
v • d • e
Campos importantes de tecnología
Ciencia aplicada
Información
Industria
Militar
Doméstico
Ingeniería
Salud y seguridad
Transporte
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