La science des matériaux

La science des matériaux Tetrahedron, qui comprend souvent aussi Caractérisation au centre

La science ou des matériaux Génie des matériaux est un domaine interdisciplinaire impliquant les propriétés de la matière et de ses applications dans divers domaines de la science et de l'ingénierie . Cette science étudie la relation entre la structure des matériaux et leurs propriétés. Il comprend des éléments de physique appliquée et la chimie , ainsi que chimique, mécanique , civil et génie électrique . Avec une attention médiatique importante à nanosciences et nanotechnologies au cours des dernières années, la science des matériaux a été propulsé à l'avant-garde dans de nombreuses universités. Il est également une partie importante de l'ingénierie légale et génie des matériaux légistes, l'étude de produits et de composants défectueux.

Histoire

Le matériau de choix d'une époque donnée est souvent son point de définition; l' âge de pierre , âge du bronze et acier Age sont des exemples. La science des matériaux est une des plus anciennes formes d'ingénierie et de sciences appliquées, découlant de la fabrication de céramiques. Matériaux science moderne a évolué directement à partir de la métallurgie , qui se évolué de l'exploitation minière. Une percée majeure dans la compréhension des matériaux se est produite à la fin du 19ème siècle , quand Willard Gibbs a démontré que thermodynamiques propriétés relatives à la structure atomique dans diverses phases sont liés aux propriétés physiques d'un matériau. Des éléments importants de la science des matériaux modernes sont un produit de la course à l'espace : la compréhension et l'ingénierie de la métallique alliages, et de silice et de carbone , les matériaux utilisés dans la construction de véhicules spatiaux permettant l'exploration de l'espace. La science des matériaux a poussé, et a été conduit par le développement de technologies révolutionnaires telles que les matières plastiques , les semi-conducteurs , et biomatériaux.

Avant les années 1960 (et dans certains cas des décennies après), de nombreux matériaux départements scientifiques ont été nommés les départements de la métallurgie, du 19ème et début du 20ème siècle l'accent sur les métaux. Le champ a depuis élargi pour inclure toutes les classes de matériaux, y compris: la céramique, polymères, semi-conducteurs, des matériaux magnétiques, matériaux d'implants médicaux et des matériaux biologiques.

Principes de base de la science des matériaux

Dans la science des matériaux, plutôt que la recherche de hasard et les matériaux de découvrir et exploiter leurs propriétés, on vise la place de comprendre fondamentalement matériaux afin que les nouveaux matériaux ayant les propriétés souhaitées peuvent être créés.

La base de toute la science des matériaux consiste à relier l'désiré les propriétés et les performances relatives d'un matériau dans une application à la structure des atomes et des phases de ce matériau par le biais de caractérisation. Les déterminants majeurs de la structure d'un matériau et donc de ses propriétés sont les éléments chimiques constitutifs et la façon dont il a été transformé en sa forme finale. Ceux-ci, pris ensemble et liés par les lois de la thermodynamique , gouverner un matériau de microstructure, et donc ses propriétés.

Un vieil adage en science des matériaux dit: "matériaux sont comme les gens; ce sont les défauts qui les rendent intéressant." La fabrication d'un parfait cristal d'un matériau est physiquement impossible actuellement. Au lieu de cela les scientifiques de matériaux manipuler le défauts dans les matériaux cristallins tels que précipités, joints de grains ( Hall-Petch relation), atomes interstitiels, les postes vacants ou des atomes de substitution, à créer des matériaux ayant les propriétés souhaitées.

Pas tous les matériaux ont une structure cristalline régulière. Polymères présentent différents degrés de cristallinité, et beaucoup sont entièrement non-cristallin. Lunettes , certaines céramiques, et de nombreux matériaux naturels sont amorphe, ne possédant pas ordre à longue distance dans leurs arrangements atomiques. L'étude des polymères combine des éléments de la thermodynamique chimique et statistiques pour donner des descriptions thermodynamiques, ainsi que mécaniques, de propriétés physiques.

En plus de l'intérêt industriel, la science des matériaux a progressivement évolué vers un domaine qui fournit des tests pour la matière condensée ou théories de l'état solide. Nouveaux physique émergent en raison des diverses nouvelles propriétés des matériaux qui doivent être expliquées.

Matériaux dans l'industrie

Radical progrès des matériaux peuvent conduire à la création de nouveaux produits ou même de nouvelles industries, mais des industries stables emploient aussi des spécialistes des matériaux pour faire des améliorations progressives et résoudre les problèmes avec des matériaux actuellement utilisés. Les applications industrielles de la science des matériaux comprennent la conception des matériaux, des compromis coûts-avantages de la production industrielle de matériaux, techniques de traitement ( coulée, laminage, soudage , implantation d'ions, la croissance du cristal, dépôt de couches minces, frittage, soufflage du verre, etc.), et les techniques d'analyse (techniques de caractérisation telles que microscopie électronique, diffraction des rayons X, la calorimétrie, microscopie nucléaire (HEFIB), Rétrodiffusion Rutherford, diffraction de neutrons, etc.).

Outre la caractérisation des matériaux, le matériel scientifique / ingénieur traite également de l'extraction des matières et leur conversion en formes utiles. Ainsi coulée en lingots, les techniques de fonderie, l'extraction de haut fourneau, et l'extraction électrolytique font tous partie des connaissances requises d'un métallurgiste / ingénieur. Souvent, la présence, l'absence ou la variation des quantités infimes d'éléments secondaires et des composés dans un matériau en vrac auront un grand impact sur les propriétés finales des matériaux produits, par exemple, les aciers sont classés sur la base de 1 / 10e et 1/100 pourcentages en poids du carbone et d'autres éléments d'alliage qu'ils contiennent. Ainsi, les techniques d'extraction et de purification utilisés dans l'extraction du fer en haut fourneau auront un impact sur la qualité de l'acier qui peut être produite.

Le chevauchement entre la physique et la science des matériaux a entraîné le domaine de ramification de la physique des matériaux, qui est concerné par les propriétés physiques de matériaux. L'approche est généralement plus macroscopique et appliquée que dans la physique de la matière condensée . Voir publications importantes de la physique des matériaux pour plus de détails sur ce domaine d'étude.

L'étude des alliages de métaux est une partie importante de la science des matériaux. De tous les alliages métalliques utilisés de nos jours, les alliages de fer ( acier , acier inoxydable, fonte, acier à outils, aciers alliés) représentent la plus grande proportion à la fois par la quantité et la valeur commerciale. Fer allié avec diverses proportions de carbone donne à faible, moyenne et aciers carbone. Pour les aciers, la dureté et résistance à la traction de l'acier est directement liée à la quantité de carbone présente, également avec l'augmentation de la teneur en carbone qui conduit à une ductilité et une ténacité plus faible. L'ajout de silicium et graphitisation produira fontes (bien que certaines fontes sont faites précisément sans graphitisation). L'addition de chrome, de nickel et de molybdène pour les aciers au carbone (plus de 10%) nous donne les aciers inoxydables.

D'autres alliages métalliques importants sont ceux de l'aluminium , titane , cuivre et magnésium . Les alliages de cuivre ont été connus depuis longtemps (depuis le Âge de Bronze ), tandis que les alliages de métaux les trois autres ont été relativement récemment développé. En raison de la réactivité chimique de ces métaux, les procédés d'extraction électrolytique nécessaires ne ont été mis au point relativement récemment. Les alliages d'aluminium, de titane et de magnésium sont également connus et appréciés pour leurs taux élevés résistance-poids et, dans le cas du magnésium, leur capacité à fournir un blindage électromagnétique. Ces matériaux sont idéales pour les situations où les taux élevés résistance-poids plus importante que le coût en vrac, comme dans l'industrie de l'aérospatiale et de certaines applications de l'ingénierie automobile.

Autres que les métaux, les polymères et les céramiques sont aussi une partie importante de la science des matériaux. Les polymères sont des matières premières (les résines) utilisés pour faire ce que nous appelons communément plastiques. Les matières plastiques sont vraiment le produit final, créés après une ou plusieurs des polymères ou des additifs ont été ajoutés à une résine au cours du traitement, qui est ensuite façonné en une forme finale. Polymères qui ont été autour, et qui sont largement utilisés en cours, comprennent le polyéthylène, le polypropylène, Le PVC, le polystyrène , nylons, les polyesters, acryliques, les polyuréthanes, et polycarbonates. Les plastiques sont généralement classés comme «marchandise», «spécialité» et des plastiques "d'ingénierie".

PVC (chlorure de polyvinyle) est largement utilisé, peu coûteux, et les quantités de production annuelles sont de grande taille. Il se prête à un incroyable éventail d'applications, à partir de cuir artificiel isolation électrique et le câblage, l'emballage et récipients. Sa fabrication et le traitement sont simples et bien établie. La polyvalence du PVC est en raison de la large gamme de plastifiants et autres additifs qu'il accepte. Le terme "additifs" dans la science des polymères se réfère aux produits chimiques et des composés ajoutés à la base de polymère à modifier les propriétés du matériau.

Polycarbonate serait normalement considéré comme un plastique technique (autres exemples comprennent PEEK, ABS). Les plastiques techniques sont évalués pour leurs forces supérieures et autres propriétés du matériau spécial. Ils ne sont généralement pas utilisés pour des applications à usage unique, à la différence des matières premières plastiques.

Des plastiques spéciaux sont des matériaux avec des caractéristiques uniques, comme ultra-haute résistance, la conductivité électrique, électro-fluorescence, une grande stabilité thermique, etc.

Il convient de noter ici que la ligne de séparation entre les différents types de matières plastiques ne est pas basée sur un matériau, mais plutôt sur leurs propriétés et applications. Par exemple, polyéthylène (PE) est un polymère pas cher, faible frottement couramment utilisé pour faire usage des sacs et des sacs poubelles, et est considéré comme une matière plastique des produits de base, alors que moyen Density Polyethylene MDPE est utilisé pour gaz et d'eau souterraines, et une autre variété appelée Ultra-haute Polyéthylène Poids Moléculaire UHMWPE est un plastique technique qui est largement utilisé comme les rails de glissement pour les équipements industriels et la prise à faible friction dans implanté articulations de la hanche.

Une autre application de la science des matériaux dans l'industrie est la fabrication de matériaux composites. Les matériaux composites sont des matériaux structurés constitués de deux ou plusieurs phases macroscopiques. Un exemple serait acier béton armé; un autre peut être vu dans les enveloppes «plastiques» de téléviseurs, téléphones cellulaires et ainsi de suite. Ces enveloppes en matière plastique sont généralement un Matériau composite constitué d'une matrice thermoplastique telle que acrylonitrile-butadiène-styrène ( ABS), dans laquelle le carbonate de calcium de la craie, du talc , des fibres de verre ou les fibres de carbone ont été ajoutés pour une résistance accrue, le volume, ou la dispersion électrostatique. Ces ajouts peuvent être appelées fibres de renforcement ou des dispersants, en fonction de leur objet.

Classes de matériaux (par types d'obligations)

La science des matériaux englobe diverses classes de matériaux, dont chacun peut constituer un champ distinct. Les matériaux sont parfois classés selon le type de liaison présente entre les atomes:

1. Cristaux ioniques
2. Cristaux covalents
3. Métaux
4. Intermétalliques
5. Semi-conducteurs
6. Polymères
7. Les matériaux composites
8. Matériaux vitreux

Sous-domaines de la science des matériaux

• Les nanotechnologies - de façon rigoureuse, l'étude des matériaux où les effets de confinement quantique, le Effet Gibbs-Thomson, ou tout autre effet que présente à l'échelle nanométrique est la propriété définition de la matière; mais le plus souvent, ce est la création et l'étude des matériaux dont la définition des propriétés structurelles sont ne importe où à partir de moins d'un nanomètre à une centaine de nanomètres d'échelle, tels que les matériaux d'ingénierie moléculaire.
• Microtechnique - étude des matériaux et des processus et de leur interaction, permettant microfabrication de structures de dimensions micrométriques, tels que Systèmes microélectromécaniques (MEMS).
• Cristallographie - l'étude de la façon dont les atomes dans un espace de remplissage solide, le défauts associés à des structures cristallines telles que joints de grains et dislocations, et la caractérisation de ces structures et leur relation avec les propriétés physiques.
• - La caractérisation des matériaux comme la diffraction avec rayons X, électrons ou neutrons , et diverses formes de spectroscopie et l'analyse chimique , tels que Spectroscopie Raman, spectroscopie (EDS) à dispersion d'énergie, chromatographie , analyse thermique, analyse au microscope électronique, etc., afin de comprendre et de définir les propriétés des matériaux. Voir également Liste des méthodes d'analyse de surface
• Métallurgie - l'étude des métaux et leurs alliages, y compris leur extraction, microstructure et la transformation.
• Biomatériaux - matériaux qui sont dérivés de et / ou utilisés avec des systèmes biologiques.
• Électroniques et magnétiques des matériaux - matériaux tels que les semi-conducteurs utilisés pour créer des circuits intégrés , supports de stockage, capteurs et autres dispositifs.
• Tribologie - l'étude de l'usure des matériaux en raison de frottement et d'autres facteurs.
• Surface sciences / Catalyse - interactions entre structures et gaz-solide-liquide ou solide interfaces solide-solide.
• Céramographie - l'étude de la microstructures des matériaux à haute température et réfractaires, y compris la céramique structurels tels que RCC, polycristallin le carbure de silicium et transformation trempé céramiques

Certains praticiens considèrent souvent rhéologie un sous-domaine de la science des matériaux, car il peut couvrir ne importe quel matériau qui coule. Cependant, rhéologie moderne traite généralement avec des non-newtonien la dynamique des fluides, de sorte qu'il est souvent considéré comme un sous-domaine de la mécanique des milieux continus. Voir également matériau granulaire.

• Verre Sciences - toute matière non cristalline comprenant des verres inorganiques, les métaux et les verres vitreux non oxydes.
• L'ingénierie légale - l'étude de la façon dont les produits échouent, et le rôle vital des matériaux de construction
• Matériaux judiciaires génie - l'étude de la défaillance du matériel, et la lumière qu'elle jette sur la façon dont les ingénieurs spécifient matériaux dans leur produit

Les sujets qui forment la base de la science des matériaux

• Thermodynamique , mécanique statistique , cinétique et chimie physique, pour la phase de stabilité, transformations (physique et chimique) et des diagrammes.
• Cristallographie et liaison chimique , pour comprendre comment les atomes dans un matériau sont disposés.
• Mécanique, à comprendre les propriétés mécaniques des matériaux et leurs applications structurelles.
• La physique du solide et la mécanique quantique , pour la compréhension de l'électronique, thermique, magnétique, propriétés structurales et optiques des matériaux chimiques,.
• Diffraction et Mécanique ondulatoire, pour la caractérisation des matériaux.
• Chimie et la science des polymères, pour la compréhension de matières plastiques , des colloïdes, des céramiques, des cristaux liquides, la chimie de l'état solide, et les polymères.
• Biologie , pour l'intégration des matériaux dans les systèmes biologiques.
• la mécanique des milieux continus et des statistiques , pour l'étude des écoulements de fluides et systèmes ensemble.
• Mécanique des matériaux, pour l'étude de la relation entre le comportement mécanique des matériaux et de leurs microstructures.

Revues Important

• Chimie des Matériaux
• Nature Materials
• Acta Materialia
• JOM
• Advanced Materials
• Matériaux sciences computationnelles
• Advanced Functional Materials
• Journal of Materials Chemistry
• Journal of Materials en ligne - Open Access
• Transactions métallurgistes et des matériaux
• Journal of Materials Research
• Journal of Materials Science
• Fédération européenne de la science des matériaux Sociétés Bulletin
• AMMTIAC eNews / matériaux avancés, la fabrication et les essais trimestriels. (Abonnement gratuit)