Ciencia de los Materiales

La Ciencia de los Materiales Tetrahedron, que a menudo incluye tambi??n Caracterizaci??n en el centro

Ciencia o materiales de ingenier??a de materiales es un campo interdisciplinario que involucra las propiedades de la materia y sus aplicaciones en diversas ??reas de la ciencia y la ingenier??a . Esta ciencia investiga la relaci??n entre la estructura de los materiales y sus propiedades. Incluye elementos de la f??sica aplicada y la qu??mica , as?? como qu??mica, mec??nica , civil, y la ingenier??a el??ctrica . Con atenci??n de los medios de nanociencia y la nanotecnolog??a en los ??ltimos a??os, la ciencia de materiales se ha impulsado a la vanguardia en muchas universidades. Tambi??n es una parte importante de ingenier??a forense y ingenier??a de materiales forenses, el estudio de los productos y componentes que han fallado.

Historia

El material de elecci??n de una ??poca dada es a menudo su punto de definici??n; la Edad de Piedra , Edad del Bronce y Edad del Acero son ejemplos de esto. La ciencia de materiales es una de las formas m??s antiguas de la ingenier??a y la ciencia aplicada, que deriva de la fabricaci??n de cer??mica. Ciencia de los materiales modernos evolucionaron directamente de la metalurgia , que a su vez evolucionaron de la miner??a. Un avance importante en la comprensi??n de los materiales se produjo a finales del siglo 19 , cuando Willard Gibbs demostr?? que termodin??micas propiedades relacionadas con la estructura at??mica en varias fases est??n relacionados con las propiedades f??sicas de un material. Los elementos importantes de la ciencia de materiales modernos son un producto de la carrera espacial : la comprensi??n y la ingenier??a de la met??lica aleaciones, y de s??lice y carbono , materiales utilizados en la construcci??n de veh??culos espaciales que permiten la exploraci??n del espacio. Ciencia de los materiales ha conducido, y ha sido impulsado por el desarrollo de tecnolog??as revolucionarias como pl??sticos , semiconductores , y biomateriales.

Antes de la d??cada de 1960 (y en algunos casos, d??cadas despu??s), muchos materiales de los departamentos de ciencias fueron nombrados los departamentos de la metalurgia, de un ??nfasis siglo 20 19 y principios de los metales. Ya que el campo se ha ampliado para incluir a todas las clases de materiales, tales como: cer??mica, pol??meros, semiconductores, materiales magn??ticos, materiales de implante m??dicos y materiales biol??gicos.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

En ciencia de los materiales, en lugar de al azar en busca de materiales y el descubrimiento y la explotaci??n de sus propiedades, una vez tiene como objetivo entender los materiales fundamentalmente para que los nuevos materiales con las propiedades deseadas se pueden crear.

La base de toda la ciencia de materiales implica relacionar la deseada propiedades y rendimiento relativo de un material en una determinada aplicaci??n a la estructura de los ??tomos y las fases en que el material a trav??s de la caracterizaci??n. Los principales determinantes de la estructura de un material y por lo tanto de sus propiedades qu??micas son sus elementos constituyentes y la forma en que se ha procesado en su forma final. Estos, en su conjunto y relacionados a trav??s de las leyes de la termodin??mica , gobernar un material de microestructura, y por lo tanto sus propiedades.

Un viejo adagio en ciencia de materiales, dice: "Los materiales son como las personas, son los defectos que los hacen interesantes". La fabricaci??n de un perfecto cristal de un material es actualmente f??sicamente imposible. En cambio los cient??ficos de materiales manipular el defectos en los materiales cristalinos tales como precipitados, los l??mites de grano ( Hall-Petch relaci??n), ??tomos intersticiales, vacantes o ??tomos de sustituci??n, para crear materiales con las propiedades deseadas.

No todos los materiales tienen una estructura cristalina regular. Pol??meros muestran diferentes grados de cristalinidad, y muchos son completamente no cristalina. Gafas , algunas cer??micas, y muchos materiales naturales son amorfo, que no posean ninguna orden de largo alcance en sus arreglos at??micos. El estudio de pol??meros combina elementos de la termodin??mica qu??mica y estad??sticos para dar descripciones termodin??micas, as?? como mec??nicas, de las propiedades f??sicas.

Adem??s de los intereses industriales, ciencias de los materiales se ha convertido gradualmente en un campo que ofrece pruebas de la materia condensada o teor??as de estado s??lido. Nuevos f??sica surgen debido a las diversas nuevas propiedades de los materiales que necesitan ser explicados.

Materiales en la industria

Radical Materiales avances pueden impulsar la creaci??n de nuevos productos o incluso industrias nuevas, pero las industrias estables tambi??n emplean los cient??ficos de materiales para hacer mejoras incrementales y solucionar problemas con los materiales utilizados en la actualidad. Aplicaciones industriales de ciencia de los materiales incluyen el dise??o de materiales, ventajas y desventajas de costo-beneficio en la producci??n industrial de materiales, t??cnicas de procesamiento ( de fundici??n, laminados, soldadura , implantaci??n de iones, el crecimiento de cristales, deposici??n de pel??cula delgada, sinterizaci??n, soplado de vidrio, etc.), y anal??ticas t??cnicas (t??cnicas de caracterizaci??n tales como microscop??a electr??nica, de difracci??n de rayos x, calorimetr??a, microscop??a nuclear (HEFIB), Retrodispersi??n de Rutherford, difracci??n de neutrones, etc.).

Adem??s de la caracterizaci??n de materiales, el material cient??fico / ingeniero tambi??n se ocupa de la extracci??n de los materiales y su conversi??n en formas ??tiles. As?? lingote de fundici??n, las t??cnicas de fundici??n, extracci??n de alto horno, y la extracci??n electrol??tica son parte de los conocimientos necesarios de un metal??rgico / ingeniero. A menudo, la presencia, la ausencia o la variaci??n de las cantidades de minutos de elementos secundarios y compuestos en un material a granel tendr?? un gran impacto en las propiedades finales de los materiales producidos, por ejemplo, los aceros se clasifican sobre la base de 1 / 10a y 1/100 porcentajes en peso De los otros elementos de aleaci??n de carbono y que contienen. Por lo tanto, las t??cnicas de extracci??n y purificaci??n empleadas en la extracci??n de hierro en el alto horno tendr??n un impacto de la calidad del acero que se pueden producir.

La coincidencia entre la f??sica y la ciencia de los materiales ha llevado al campo de rama de la f??sica de materiales, que se ocupa de las propiedades f??sicas de materiales. El enfoque es en general m??s macrosc??pica y aplicada que en la f??sica de la materia condensada . Ver publicaciones importantes en la f??sica de materiales para obtener m??s detalles sobre este campo de estudio.

El estudio de las aleaciones de metal es una parte importante de la ciencia de materiales. De todas las aleaciones met??licas en uso hoy en d??a, las aleaciones de hierro ( acero , acero inoxidable, hierro fundido, acero para herramientas, aceros de aleaci??n) constituyen la mayor proporci??n, tanto por la cantidad y valor comercial. Hierro aleado con diversas proporciones de carbono da de baja, media y aceros de alta de carbono. Para los aceros, la dureza y la resistencia a la tracci??n del acero est?? directamente relacionada con la cantidad de carbono presente, con el aumento de los niveles de carbono que tambi??n conduce a una menor ductilidad y la tenacidad. La adici??n de silicio y grafitizaci??n producir?? hierro fundido (aunque algunas fundiciones se realizan con precisi??n sin grafitizaci??n). La adici??n de cromo, n??quel y molibdeno para aceros al carbono (m??s de 10%) nos da aceros inoxidables.

Otras aleaciones met??licas significativos son los de aluminio , titanio , cobre y magnesio . Las aleaciones de cobre se han conocido durante mucho tiempo (ya que la edad de bronce ), mientras que las aleaciones de los otros tres metales se han desarrollado relativamente recientemente. Debido a la reactividad qu??mica de estos metales, los procesos de extracci??n electrol??ticos requeridos s??lo se desarrollaron hace relativamente poco. Las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio tambi??n son conocidos y valorados por sus altas tasas de resistencia-peso y, en el caso de magnesio, su capacidad de proporcionar protecci??n electromagn??tica. Estos materiales son ideales para situaciones en las altas tasas de resistencia-peso son m??s importantes que el costo mayor, como por ejemplo en la industria aeroespacial y de ciertas aplicaciones de ingenier??a de automoci??n.

Aparte de metales, pol??meros y cer??micas son tambi??n una parte importante de la ciencia de los materiales. Los pol??meros son las materias primas (las resinas) utilizados para hacer lo que com??nmente llamamos pl??sticos. Los pl??sticos son realmente el producto final, crean despu??s de uno o m??s pol??meros o aditivos se han a??adido a una resina durante el procesamiento, que se conforma entonces en una forma final. Los pol??meros que han existido, y que son de uso generalizado actual, incluyen polietileno, polipropileno, PVC, poliestireno , nylons, poli??steres, acr??licos, poliuretanos, y policarbonatos. Los pl??sticos se clasifican generalmente como "mercanc??a", "especialidad" y pl??sticos de "ingenier??a".

PVC (cloruro de polivinilo) se utiliza ampliamente, de bajo costo, y cantidades de producci??n anuales son grandes. Se presta a una incre??ble variedad de aplicaciones, desde cuero artificial aislamiento el??ctrico y de cableado, envasado y contenedores. Su fabricaci??n y procesamiento son simples y bien establecida. La versatilidad de PVC es debido a la amplia gama de plastificantes y otros aditivos que acepta. El t??rmino "aditivos" en la ciencia de pol??meros se refiere a los productos qu??micos y compuestos a??adidos a la base de pol??mero para modificar sus propiedades materiales.

El policarbonato se considera normalmente un pl??stico de ingenier??a (otros ejemplos incluyen PEEK, ABS). Pl??sticos de ingenier??a son valorados por sus fortalezas y otras propiedades del material especial superiores. Por lo general, no se utilizan para aplicaciones de un solo uso, a diferencia de los pl??sticos comerciales.

Pl??sticos de especialidad son materiales con caracter??sticas ??nicas, como la ultra-alta resistencia, conductividad el??ctrica, electro-fluorescencia, alta estabilidad t??rmica, etc.

Cabe se??alar aqu?? que la l??nea divisoria entre los diversos tipos de pl??sticos no se basa en material, sino m??s bien en sus propiedades y aplicaciones. Por ejemplo, polietileno (PE) es un pol??mero fricci??n barato, bajo com??nmente utilizado para hacer bolsas de la compra desechables y bolsas de basura, y se considera un pl??stico de los productos b??sicos, mientras polietileno de densidad media MDPE se utiliza para las tuber??as de gas y agua subterr??nea, y otra variedad llamada Ultra-alta de polietileno de peso molecular UHMWPE es un pl??stico de ingenier??a que se utiliza ampliamente como los carriles de deslizamiento para equipos industriales y la toma de baja fricci??n en implantada articulaciones de la cadera.

Otra aplicaci??n de la ciencia de materiales en la industria es la fabricaci??n de materiales compuestos. Los materiales compuestos son materiales estructurados constituidos por dos o m??s fases macrosc??picas. Un ejemplo podr??a ser de acero-hormig??n armado; otro se puede ver en las carcasas "pl??stico" de aparatos de televisi??n, tel??fonos celulares y as?? sucesivamente. Estas carcasas de pl??stico son generalmente una material compuesto formado por una matriz termopl??stica tal como acrilonitrilo-butadieno-estireno ( ABS) en el que el carbonato de calcio tiza, talco , fibras de vidrio o fibras de carbono se han a??adido para mayor resistencia, mayor, o dispersi??n electro-est??tica. Estas adiciones pueden ser referidos como fibras de refuerzo, o dispersantes, dependiendo de su prop??sito.

Clases de materiales (por tipos de bonos)

La ciencia de materiales abarca varias clases de materiales, cada uno de los cuales pueden constituir un campo independiente. Los materiales se clasifican a veces por el tipo de enlace presente entre los ??tomos:

1. Cristales i??nicos
2. Cristales covalentes
3. Metales
4. Intermet??licos
5. Semiconductores
6. Pol??meros
7. Materiales compuestos
8. Materiales v??treos

Sub-campos de la ciencia de los materiales

• Nanotecnolog??a - rigor, el estudio de los materiales en los que los efectos de la confinamiento cu??ntico, la Efecto Gibbs-Thomson, o cualquier otro efecto s??lo est?? presente en la nanoescala es la propiedad definitoria del material; pero m??s com??nmente, es la creaci??n y el estudio de los materiales cuya definici??n de las propiedades estructurales son en cualquier lugar de menos de un nan??metros a cien nan??metros de escala, tales como materiales de ingenier??a molecular.
• Microtecnolog??a - estudio de los materiales y procesos y su interacci??n, permitiendo microfabricaci??n de las estructuras de dimensiones microm??tricas, tales como Sistemas microelectromec??nicos (MEMS).
• Cristalograf??a - el estudio de c??mo los ??tomos en un espacio relleno s??lido, el defectos asociados con estructuras cristalinas tales como los l??mites de grano y dislocaciones, y la caracterizaci??n de estas estructuras y su relaci??n con las propiedades f??sicas.
• Caracterizaci??n de materiales - como la difracci??n con rayos X, electrones o neutrones , y diversas formas de espectroscopia y an??lisis qu??micos , tales como Espectroscopia de Raman, espectroscopia (EDS) de dispersi??n por la energ??a, cromatograf??a , an??lisis t??rmico, an??lisis de microscopio electr??nico, etc., con el fin de entender y definir las propiedades de los materiales. Ver tambi??n Lista de m??todos de an??lisis de superficies
• Metalurgia - el estudio de metales y sus aleaciones, incluyendo su extracci??n, microestructura y procesamiento.
• Biomateriales - materiales que se derivan de y / o se utilizan con los sistemas biol??gicos.
• Electr??nicos y magn??ticos materiales - materiales tales como semiconductores utilizados para crear circuitos integrados , medios de almacenamiento, sensores, y otros dispositivos.
• Tribolog??a - el estudio del desgaste de los materiales debido a fricci??n y otros factores.
• Superficie ciencia / Cat??lisis - interacciones y estructuras entre s??lido-gas s??lido-l??quido o interfases s??lido-s??lido.
• Ceramography - el estudio de la microestructuras de materiales de alta temperatura y refractarios, incluyendo cer??mica estructural como RCC, policristalino carburo de silicio y transformaci??n endurecido cer??mica

Algunos m??dicos consideran a menudo reolog??a un sub-campo de la ciencia de los materiales, ya que puede cubrir cualquier material que fluye. Sin embargo, la reolog??a moderna se ocupa esencialmente de no newtoniano la din??mica de fluidos, por lo que a menudo se considera una sub-campo de la mec??nica de medios continuos. Ver tambi??n material granular.

• Ciencia Cristal - cualquier material no cristalino incluyendo vidrios inorg??nicos, metales v??treos y vasos no ??xidos.
• Ingenier??a forense - el estudio de c??mo los productos fallan, y el papel vital de los materiales de construcci??n
• Materiales forenses ingenier??a - el estudio de la falla del material, y la luz que arroja sobre c??mo los ingenieros especifican los materiales en su producto

Temas que forman la base de la ciencia de los materiales

• Termodin??mica , mec??nica estad??stica , Cin??tica y qu??mica f??sica, para la fase de estabilidad, transformaciones (f??sica y qu??mica) y diagramas.
• Cristalograf??a y enlace qu??mico , para la comprensi??n de c??mo est??n dispuestos los ??tomos en un material.
• Mec??nica, para comprender las propiedades mec??nicas de los materiales y sus aplicaciones estructurales.
• F??sica del estado s??lido y la mec??nica cu??ntica , para la comprensi??n de la electr??nica, t??rmica, magn??tica, qu??mica, propiedades estructurales y ??pticas de los materiales.
• Difracci??n y la mec??nica ondulatoria, para la caracterizaci??n de materiales.
• Qu??mica y ciencia de los pol??meros, para la comprensi??n de los pl??sticos , coloides, cer??mica, cristales l??quidos, qu??mica del estado s??lido, y pol??meros.
• Biolog??a , para la integraci??n de materiales en los sistemas biol??gicos.
• Mec??nica y Continuum estad??sticas , para el estudio de los flujos de fluidos y sistemas de conjuntos.
• Mec??nica de materiales, para el estudio de la relaci??n entre el comportamiento mec??nico de los materiales y sus microestructuras.

Revistas Importante

• Qu??mica de Materiales
• Nature Materials
• Acta Materialia
• JOM
• Materiales Avanzados
• Ciencia computacional de materiales
• Advanced Functional Materials
• Diario de Qu??mica de Materiales
• Diario de materiales en l??nea - Acceso Abierto
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