Ciência de materiais

A Ciência dos Materiais Tetrahedron, que muitas vezes também inclui Caracterização no centro

Ciência ou materiais de engenharia de materiais é um campo interdisciplinar envolvendo as propriedades da matéria e suas aplicações para diversas áreas da ciência e engenharia . Esta ciência investiga a relação entre a estrutura do material e suas propriedades. Ele inclui elementos de física aplicada e química , bem como química, mecânica , civil, e engenharia elétrica . Com significativa atenção da mídia para nanociência e nanotecnologia nos últimos anos, a ciência de materiais tem sido impulsionado para a frente em muitas universidades. É também uma parte importante do engenharia forense e engenharia de materiais forenses, o estudo de produtos e componentes que falharam.

História

O material de escolha de uma determinada época é muitas vezes o seu ponto de definição; a Idade da Pedra , Idade do Bronze , e Aço Age são exemplos disso. Ciência de materiais é uma das mais antigas formas de engenharia e ciência aplicada, decorrente do fabrico de cerâmica. Ciência dos materiais moderno evoluiu diretamente da metalurgia , que se desenvolveu a partir de mineração. Um avanço importante na compreensão dos materiais ocorreu no final do século 19 , quando Willard Gibbs demonstrado que termodinâmicas propriedades relacionadas com a estrutura atómica em várias fases estão relacionados com as propriedades físicas de um material. Elementos importantes da ciência de materiais modernos são um produto da corrida espacial : o entendimento e engenharia da metálico ligas, e sílica e carbono , materiais utilizados na construção de veículos espaciais que permitem a exploração do espaço. Ciência dos materiais tem levado, e foi conduzido por, o desenvolvimento de tecnologias revolucionárias, tais como plásticos , semicondutores , e biomateriais.

Antes da década de 1960 (e em alguns casos, décadas depois), muitos departamentos de ciência dos materiais foram nomeados departamentos de metalurgia, a partir de uma ênfase século 20 19 e início dos metais. O campo desde então ampliado para incluir todas as classes de materiais, incluindo: cerâmica, polímeros, semicondutores, materiais magnéticos, materiais de implantes médicos e materiais biológicos.

Fundamentos da ciência de materiais

Na ciência dos materiais, ao invés de a esmo procurando e descobrindo materiais e explorar suas propriedades, uma vez visa compreender materiais fundamentalmente para que novos materiais com as propriedades desejadas podem ser criados.

A base de toda a ciência dos materiais envolve relacionar o desejado propriedades e desempenho relativo de um material em uma determinada aplicação para a estrutura dos átomos e as fases em que o material através de caracterização. Os principais determinantes da estrutura de um material e, assim, as suas propriedades são os seus elementos constituintes químicos e a maneira em que tenha sido processado para a sua forma final. Estes, em conjunto e relacionado através das leis da termodinâmica , governar um material de microestrutura e, assim, suas propriedades.

Um antigo ditado na ciência de materiais, diz: "materiais são como pessoas, são os defeitos que os tornam interessantes". O fabrico de um perfeito cristal de um material é actualmente fisicamente impossível. Em vez disso, os cientistas de materiais a manipular defeitos em materiais cristalinos, tais como precipitados, limites de grão ( Hall-Petch relacionamento), átomos intersticiais, vagas ou átomos de substituição, para criar materiais com as propriedades desejadas.

Nem todos os materiais têm uma estrutura cristalina regular. Polímeros exibir diferentes graus de cristalinidade, e muitos são totalmente não-cristalina. Óculos , algumas cerâmicas, e muitos materiais naturais são amorfo, não possuindo qualquer ordem de longo alcance em seus arranjos atômicos. O estudo de polímeros combina elementos de termodinâmica química e estatísticos para dar descrições termodinâmicas, bem como mecânicos, de propriedades físicas.

Além de interesse industrial, ciência dos materiais tem desenvolvido gradualmente em um campo que oferece testes de matéria condensada ou teorias de estado sólido. Novos física surgir por causa das diversas novas propriedades dos materiais que precisam ser explicadas.

Primas para a indústria

Radical Materiais de avanços podem conduzir à criação de novos produtos ou mesmo novas indústrias, mas as indústrias estáveis também empregam cientistas de materiais para fazer melhorias incrementais e solucionar problemas com materiais atualmente utilizados. As aplicações industriais da ciência de materiais incluem design de materiais, compensações de custo-benefício na produção industrial de materiais, técnicas de processamento ( casting, rolar, soldadura , implantação de íons, de crescimento de cristal, deposição de filmes finos, sinterização, glassblowing, etc.), e de análise técnicas (técnicas de caracterização tais como microscopia eletrônica, difracção de raios-x, calorimetria, microscopia nuclear (HEFIB), Backscattering Rutherford, difração de nêutrons, etc.).

Além da caracterização material, o material cientista / engenheiro também lida com a extração de materiais ea sua conversão em formas úteis. Assim lingote de fundição, fundição técnicas, extração de alto-forno, e extração eletrolítica são todos parte do conhecimento necessário de um metalúrgico / engenheiro. Muitas vezes, a presença, a ausência ou variação das quantidades de elementos secundários e compostos em um material a granel minutos terá um grande impacto sobre as propriedades finais dos materiais produzidos, por exemplo, aços são classificados com base em 1/10 e 1/100 percentagens em peso do carbono e outros elementos de liga que eles contêm. Assim, as técnicas de extracção e de purificação utilizados na extracção de ferro no alto-forno vai ter um impacto na qualidade de aço que pode ser produzido.

A sobreposição entre a física e ciência dos materiais tem levado ao campo ramo de materiais de física, que está preocupado com as propriedades físicas do materiais. A abordagem é geralmente mais macroscópica e aplicada do que em física da matéria condensada . Ver publicações importantes em materiais física para obter mais detalhes sobre esse campo de estudo.

O estudo de ligas de metal é uma parte significativa da ciência de materiais. De todas as ligas metálicas em uso hoje, as ligas de ferro ( de aço , aço inoxidável, ferro fundido, aço ferramenta, ligas de aço) constituem a maior proporção tanto por quantidade e valor comercial. Ferro ligado com várias proporções de carbono dá baixa, média e aços carbono. Para os aços, a resistência à tracção e dureza do aço está directamente relacionada com a quantidade de carbono presente, com o aumento dos níveis de carbono, também conduzindo a uma menor ductilidade e a tenacidade. A adição de silício e grafitização irá produzir ferros fundidos (embora alguns ferros fundidos são feitas com precisão sem grafitização). A adição de crómio, níquel e molibdénio de aços de carbono (mais do que 10%) dá-nos aços inoxidáveis.

Outras ligas metálicas significativas são as de alumínio , titânio , cobre e magnésio . As ligas de cobre são conhecidos há muito tempo (desde a Idade do Bronze ), enquanto as ligas dos outros três metais têm sido relativamente pouco desenvolvido. Devido à reactividade química destes metais, os processos de extracção electrolíticos necessários apenas foram desenvolvidos há relativamente pouco tempo. As ligas de alumínio, de titânio e de magnésio são também conhecidos e valorizados pelos seus elevados índices de resistência-peso e, no caso de magnésio, a sua capacidade de fornecimento de uma blindagem electromagnética. Estes materiais são ideais para situações onde os altos índices de resistência-peso são mais importantes do que o custo maior, como na indústria aeroespacial e certas aplicações de engenharia automotiva.

Outros, excepto metais, polímeros e cerâmicas também são uma parte importante da ciência dos materiais. Polímeros são as matérias-primas (resinas) usado para fazer o que comumente chamamos plásticos. Os plásticos são realmente o produto final, criado após um ou mais polímeros ou aditivos foram adicionados a uma resina durante o processamento, o qual é então moldado numa forma final. Polímeros que estiveram ao redor, e que estão em uso comum, incluem polietileno, polipropileno, PVC, poliestireno , nylons, poliésteres, acrílicos, poliuretanos, e policarbonatos. Plásticos são geralmente classificados como "mercadoria", "especialidade" e plásticos "engenharia".

PVC (cloreto de polivinil-) é amplamente utilizado, barato, e as quantidades de produção anuais são grandes. Ele se presta a uma incrível variedade de aplicações, a partir de couro artificial para isolação elétrica e cabeamento, e embalagens recipientes. Sua fabricação e processamento são simples e bem estabelecida. A versatilidade do PVC é devida à grande variedade de plastificantes e outros aditivos que ela aceite. O termo "aditivos" em ciência de polímeros refere-se aos produtos químicos e compostos adicionados à base de polímero para modificar as suas propriedades materiais.

Policarbonato seria normalmente considerada um plástico de engenharia (outros exemplos incluem PEEK, ABS). Plásticos de engenharia são valorizadas por suas forças superiores e outras propriedades do material especial. Eles geralmente não são usados para aplicações descartáveis, ao contrário de plásticos commodities.

Especialidades plásticos são materiais com características únicas, tais como ultra-alta resistência, condutividade elétrica, eletro-fluorescência, alta estabilidade térmica, etc.

Deve notar-se aqui que a linha divisória entre os vários tipos de plásticos não é baseado no material, mas sim sobre as suas propriedades e aplicações. Por exemplo, polietileno (PE) é um barato, de baixo atrito polímero comumente usado para fazer descartável sacos de compras e sacos de lixo, e é considerado um plástico de commodities, enquanto a Médio densidade polietileno PEMD é usado para condutas de gás e de água subterrânea, e uma outra variedade chamada Ultra-alta polietileno de peso molecular UHMWPE é um plástico de engenharia que é usado extensivamente como os trilhos deslizantes para equipamentos industriais e tomada de baixo atrito em implantada articulações do quadril.

Outra aplicação da ciência dos materiais na indústria é a fabricação de materiais compósitos. Os materiais compósitos são materiais estruturados compostas por duas ou mais fases macroscópicas. Um exemplo seria o concreto reforçado com aço; um outro pode ser visto nas tripas "plástico" de televisores, telefones celulares e assim por diante. Estes invólucros de plástico são geralmente material compósito constituído por uma matriz termoplástica, tal como acrilonitrilo-butadieno-estireno ( ABS), em que o carbonato de cálcio giz, talco , fibras de vidro ou fibras de carbono foram adicionados para maior resistência, a granel, ou dispersão de electro-estática. Estas adições podem ser referidas como fibras de reforço, ou dispersantes, dependendo da sua finalidade.

Classes de materiais (por tipos de obrigações)

Ciência dos materiais abrange várias classes de materiais, cada um dos quais podem constituir um campo separado. Materiais vezes são classificadas pelo tipo de ligação presente entre os átomos:

1. Cristais iônicos
2. Cristais covalentes
3. Metais
4. Intermetálicos
5. Semiconductors
6. Polymers
7. Os materiais compósitos
8. Materiais vítreos

Sub-domínios da ciência de materiais

• Nanotecnologia - rigorosamente, o estudo de materiais onde os efeitos da confinamento quântico, o Efeito Gibbs-Thomson, ou qualquer outro efeito apenas presente em nanoescala é a propriedade definidora do material; Mas, mais comumente, é a criação e estudo de materiais cuja definição propriedades estruturais estão em qualquer lugar de menos de um nanômetros a cem nanômetros de escala, tais como materiais de engenharia molecularmente.
• Microtecnologia - estudo de materiais e processos e suas interações, permitindo microfabricação de estruturas de dimensões micrométricas, tal como Sistemas microeletromecânicos (MEMS).
• Cristalografia - o estudo de como os átomos em um espaço de preenchimento sólido, o defeitos associados com estruturas cristalinas como a limites de grãos e luxações, ea caracterização destas estruturas e sua relação com propriedades físicas.
• Caracterização de Materiais - tais como difração com raios-x, elétrons ou nêutrons , e várias formas de espectroscopia e análise química , tais como Espectroscopia Raman, espectroscopia (EDS) de energia dispersiva, cromatografia , análise térmica, análise microscópio de electrões, etc, a fim de entender e definir as propriedades dos materiais. Veja também Lista de métodos de análise de superfície
• Metalurgia - o estudo de metais e suas ligas, incluindo a sua extração, microestrutura e processamento.
• Biomateriais - materiais que são derivados a partir de e / ou utilizados com sistemas biológicos.
• Electrónicos e magnéticos de materiais - materiais como semicondutores usados para criar circuitos integrados , meios de armazenamento, , sensores e outros dispositivos.
• Tribologia - o estudo do desgaste dos materiais devido à fricção e outros factores.
• Superfície ciência / Catálise - interações e estruturas entre sólido, gás sólido-líquido ou de interfaces sólido-sólido.
• Ceramografia - o estudo da microestruturas de materiais de alta temperatura e refratários, incluindo cerâmica estrutural, tais como RCC, policristalino carboneto de silício e transformação temperado cerâmica

Alguns profissionais consideram frequentemente reologia um sub-campo da ciência dos materiais, porque pode abranger qualquer material que flui. No entanto, reologia moderno tipicamente lida com não-newtoniano dinâmica de fluidos, por isso é muitas vezes considerado um sub-campo de mecânica do contínuo. Veja também material granular.

• Vidro Ciência - qualquer material não cristalino incluindo vidros inorgânicos, metais vítreos e vidros não óxidos.
• Engenharia forense - o estudo de como os produtos falhar, eo papel vital dos materiais de construção
• Materiais forenses engenharia - o estudo da falha do material, ea luz que lança sobre como engenheiros especificar materiais em seu produto

Tópicos que formam a base da ciência dos materiais

• Termodinâmica , mecânica estatística , e cinética físico-química, para fase de estabilidade, transformações (físico-químico e) e diagramas.
• Cristalografia e ligação química , para a compreensão de como os átomos em um material são dispostas.
• Mecânica, para compreender as propriedades mecânicas dos materiais e as suas aplicações estruturais.
• Física de estado sólido e mecânica quântica , para a compreensão da eletrônica, térmica, magnético, propriedades estruturais e ópticas dos materiais químicos,.
• Difração e onda mecânica, para a caracterização de materiais.
• Química e ciência de polímeros, para o entendimento de plásticos , colóides, cerâmica, cristais líquidos, química do estado sólido, e polímeros.
• Biologia , para a integração de materiais em sistemas biológicos.
• Mecânica dos Meios Contínuos e estatísticas , para o estudo dos fluxos de fluidos e sistemas Ensemble.
• Mecânica dos materiais, para o estudo da relação entre o comportamento mecânico dos materiais e as suas microestruturas.

Revistas Importante

• Chemistry of Materials
• Nature Materials
• Acta Materialia
• JOM
• Materiais Avançados
• Ciência de materiais computacional
• Materiais Avançados Funcionais
• Journal of Materials Chemistry
• Journal of Materials Online - Open Access
• Transações Metalúrgica e de Materiais
• Journal of Materials Research
• Journal of Materials Science
• Federation of European Materials Science Societies Boletim informativo
• AMMTIAC eNews / Quarterly materiais avançados, fabricação e testes. (A inscrição é gratuita)