La science des mat??riaux

La science des mat??riaux Tetrahedron, qui comprend souvent aussi Caract??risation au centre

La science ou des mat??riaux G??nie des mat??riaux est un domaine interdisciplinaire impliquant les propri??t??s de la mati??re et de ses applications dans divers domaines de la science et de l'ing??nierie . Cette science ??tudie la relation entre la structure des mat??riaux et leurs propri??t??s. Il comprend des ??l??ments de physique appliqu??e et la chimie , ainsi que chimique, m??canique , civil et g??nie ??lectrique . Avec une attention m??diatique importante ?? nanosciences et nanotechnologies au cours des derni??res ann??es, la science des mat??riaux a ??t?? propuls?? ?? l'avant-garde dans de nombreuses universit??s. Il est ??galement une partie importante de l'ing??nierie l??gale et g??nie des mat??riaux l??gistes, l'??tude de produits et de composants d??fectueux.

Histoire

Le mat??riau de choix d'une ??poque donn??e est souvent son point de d??finition; l' ??ge de pierre , ??ge du bronze et acier Age sont des exemples. La science des mat??riaux est une des plus anciennes formes d'ing??nierie et de sciences appliqu??es, d??coulant de la fabrication de c??ramiques. Mat??riaux science moderne a ??volu?? directement ?? partir de la m??tallurgie , qui se ??volu?? de l'exploitation mini??re. Une perc??e majeure dans la compr??hension des mat??riaux se est produite ?? la fin du 19??me si??cle , quand Willard Gibbs a d??montr?? que thermodynamiques propri??t??s relatives ?? la structure atomique dans diverses phases sont li??s aux propri??t??s physiques d'un mat??riau. Des ??l??ments importants de la science des mat??riaux modernes sont un produit de la course ?? l'espace : la compr??hension et l'ing??nierie de la m??tallique alliages, et de silice et de carbone , les mat??riaux utilis??s dans la construction de v??hicules spatiaux permettant l'exploration de l'espace. La science des mat??riaux a pouss??, et a ??t?? conduit par le d??veloppement de technologies r??volutionnaires telles que les mati??res plastiques , les semi-conducteurs , et biomat??riaux.

Avant les ann??es 1960 (et dans certains cas des d??cennies apr??s), de nombreux mat??riaux d??partements scientifiques ont ??t?? nomm??s les d??partements de la m??tallurgie, du 19??me et d??but du 20??me si??cle l'accent sur les m??taux. Le champ a depuis ??largi pour inclure toutes les classes de mat??riaux, y compris: la c??ramique, polym??res, semi-conducteurs, des mat??riaux magn??tiques, mat??riaux d'implants m??dicaux et des mat??riaux biologiques.

Principes de base de la science des mat??riaux

Dans la science des mat??riaux, plut??t que la recherche de hasard et les mat??riaux de d??couvrir et exploiter leurs propri??t??s, on vise la place de comprendre fondamentalement mat??riaux afin que les nouveaux mat??riaux ayant les propri??t??s souhait??es peuvent ??tre cr????s.

La base de toute la science des mat??riaux consiste ?? relier l'd??sir?? les propri??t??s et les performances relatives d'un mat??riau dans une application ?? la structure des atomes et des phases de ce mat??riau par le biais de caract??risation. Les d??terminants majeurs de la structure d'un mat??riau et donc de ses propri??t??s sont les ??l??ments chimiques constitutifs et la fa??on dont il a ??t?? transform?? en sa forme finale. Ceux-ci, pris ensemble et li??s par les lois de la thermodynamique , gouverner un mat??riau de microstructure, et donc ses propri??t??s.

Un vieil adage en science des mat??riaux dit: "mat??riaux sont comme les gens; ce sont les d??fauts qui les rendent int??ressant." La fabrication d'un parfait cristal d'un mat??riau est physiquement impossible actuellement. Au lieu de cela les scientifiques de mat??riaux manipuler le d??fauts dans les mat??riaux cristallins tels que pr??cipit??s, joints de grains ( Hall-Petch relation), atomes interstitiels, les postes vacants ou des atomes de substitution, ?? cr??er des mat??riaux ayant les propri??t??s souhait??es.

Pas tous les mat??riaux ont une structure cristalline r??guli??re. Polym??res pr??sentent diff??rents degr??s de cristallinit??, et beaucoup sont enti??rement non-cristallin. Lunettes , certaines c??ramiques, et de nombreux mat??riaux naturels sont amorphe, ne poss??dant pas ordre ?? longue distance dans leurs arrangements atomiques. L'??tude des polym??res combine des ??l??ments de la thermodynamique chimique et statistiques pour donner des descriptions thermodynamiques, ainsi que m??caniques, de propri??t??s physiques.

En plus de l'int??r??t industriel, la science des mat??riaux a progressivement ??volu?? vers un domaine qui fournit des tests pour la mati??re condens??e ou th??ories de l'??tat solide. Nouveaux physique ??mergent en raison des diverses nouvelles propri??t??s des mat??riaux qui doivent ??tre expliqu??es.

Mat??riaux dans l'industrie

Radical progr??s des mat??riaux peuvent conduire ?? la cr??ation de nouveaux produits ou m??me de nouvelles industries, mais des industries stables emploient aussi des sp??cialistes des mat??riaux pour faire des am??liorations progressives et r??soudre les probl??mes avec des mat??riaux actuellement utilis??s. Les applications industrielles de la science des mat??riaux comprennent la conception des mat??riaux, des compromis co??ts-avantages de la production industrielle de mat??riaux, techniques de traitement ( coul??e, laminage, soudage , implantation d'ions, la croissance du cristal, d??p??t de couches minces, frittage, soufflage du verre, etc.), et les techniques d'analyse (techniques de caract??risation telles que microscopie ??lectronique, diffraction des rayons X, la calorim??trie, microscopie nucl??aire (HEFIB), R??trodiffusion Rutherford, diffraction de neutrons, etc.).

Outre la caract??risation des mat??riaux, le mat??riel scientifique / ing??nieur traite ??galement de l'extraction des mati??res et leur conversion en formes utiles. Ainsi coul??e en lingots, les techniques de fonderie, l'extraction de haut fourneau, et l'extraction ??lectrolytique font tous partie des connaissances requises d'un m??tallurgiste / ing??nieur. Souvent, la pr??sence, l'absence ou la variation des quantit??s infimes d'??l??ments secondaires et des compos??s dans un mat??riau en vrac auront un grand impact sur les propri??t??s finales des mat??riaux produits, par exemple, les aciers sont class??s sur la base de 1 / 10e et 1/100 pourcentages en poids du carbone et d'autres ??l??ments d'alliage qu'ils contiennent. Ainsi, les techniques d'extraction et de purification utilis??s dans l'extraction du fer en haut fourneau auront un impact sur la qualit?? de l'acier qui peut ??tre produite.

Le chevauchement entre la physique et la science des mat??riaux a entra??n?? le domaine de ramification de la physique des mat??riaux, qui est concern?? par les propri??t??s physiques de mat??riaux. L'approche est g??n??ralement plus macroscopique et appliqu??e que dans la physique de la mati??re condens??e . Voir publications importantes de la physique des mat??riaux pour plus de d??tails sur ce domaine d'??tude.

L'??tude des alliages de m??taux est une partie importante de la science des mat??riaux. De tous les alliages m??talliques utilis??s de nos jours, les alliages de fer ( acier , acier inoxydable, fonte, acier ?? outils, aciers alli??s) repr??sentent la plus grande proportion ?? la fois par la quantit?? et la valeur commerciale. Fer alli?? avec diverses proportions de carbone donne ?? faible, moyenne et aciers carbone. Pour les aciers, la duret?? et r??sistance ?? la traction de l'acier est directement li??e ?? la quantit?? de carbone pr??sente, ??galement avec l'augmentation de la teneur en carbone qui conduit ?? une ductilit?? et une t??nacit?? plus faible. L'ajout de silicium et graphitisation produira fontes (bien que certaines fontes sont faites pr??cis??ment sans graphitisation). L'addition de chrome, de nickel et de molybd??ne pour les aciers au carbone (plus de 10%) nous donne les aciers inoxydables.

D'autres alliages m??talliques importants sont ceux de l'aluminium , titane , cuivre et magn??sium . Les alliages de cuivre ont ??t?? connus depuis longtemps (depuis le ??ge de Bronze ), tandis que les alliages de m??taux les trois autres ont ??t?? relativement r??cemment d??velopp??. En raison de la r??activit?? chimique de ces m??taux, les proc??d??s d'extraction ??lectrolytique n??cessaires ne ont ??t?? mis au point relativement r??cemment. Les alliages d'aluminium, de titane et de magn??sium sont ??galement connus et appr??ci??s pour leurs taux ??lev??s r??sistance-poids et, dans le cas du magn??sium, leur capacit?? ?? fournir un blindage ??lectromagn??tique. Ces mat??riaux sont id??ales pour les situations o?? les taux ??lev??s r??sistance-poids plus importante que le co??t en vrac, comme dans l'industrie de l'a??rospatiale et de certaines applications de l'ing??nierie automobile.

Autres que les m??taux, les polym??res et les c??ramiques sont aussi une partie importante de la science des mat??riaux. Les polym??res sont des mati??res premi??res (les r??sines) utilis??s pour faire ce que nous appelons commun??ment plastiques. Les mati??res plastiques sont vraiment le produit final, cr????s apr??s une ou plusieurs des polym??res ou des additifs ont ??t?? ajout??s ?? une r??sine au cours du traitement, qui est ensuite fa??onn?? en une forme finale. Polym??res qui ont ??t?? autour, et qui sont largement utilis??s en cours, comprennent le poly??thyl??ne, le polypropyl??ne, Le PVC, le polystyr??ne , nylons, les polyesters, acryliques, les polyur??thanes, et polycarbonates. Les plastiques sont g??n??ralement class??s comme ??marchandise??, ??sp??cialit???? et des plastiques "d'ing??nierie".

PVC (chlorure de polyvinyle) est largement utilis??, peu co??teux, et les quantit??s de production annuelles sont de grande taille. Il se pr??te ?? un incroyable ??ventail d'applications, ?? partir de cuir artificiel isolation ??lectrique et le c??blage, l'emballage et r??cipients. Sa fabrication et le traitement sont simples et bien ??tablie. 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 polym??res se r??f??re aux produits chimiques et des compos??s ajout??s ?? la base de polym??re ?? modifier les propri??t??s du mat??riau.

Polycarbonate serait normalement consid??r?? comme un plastique technique (autres exemples comprennent PEEK, ABS). Les plastiques techniques sont ??valu??s pour leurs forces sup??rieures et autres propri??t??s du mat??riau sp??cial. Ils ne sont g??n??ralement pas utilis??s pour des applications ?? usage unique, ?? la diff??rence des mati??res premi??res plastiques.

Des plastiques sp??ciaux sont des mat??riaux avec des caract??ristiques uniques, comme ultra-haute r??sistance, la conductivit?? ??lectrique, ??lectro-fluorescence, une grande stabilit?? thermique, etc.

Il convient de noter ici que la ligne de s??paration entre les diff??rents types de mati??res plastiques ne est pas bas??e sur un mat??riau, mais plut??t sur leurs propri??t??s et applications. Par exemple, poly??thyl??ne (PE) est un polym??re pas cher, faible frottement couramment utilis?? pour faire usage des sacs et des sacs poubelles, et est consid??r?? comme une mati??re plastique des produits de base, alors que moyen Density Polyethylene MDPE est utilis?? pour gaz et d'eau souterraines, et une autre vari??t?? appel??e Ultra-haute Poly??thyl??ne Poids Mol??culaire UHMWPE est un plastique technique qui est largement utilis?? comme les rails de glissement pour les ??quipements industriels et la prise ?? faible friction dans implant?? articulations de la hanche.

Une autre application de la science des mat??riaux dans l'industrie est la fabrication de mat??riaux composites. Les mat??riaux composites sont des mat??riaux structur??s constitu??s de deux ou plusieurs phases macroscopiques. Un exemple serait acier b??ton arm??; un autre peut ??tre vu dans les enveloppes ??plastiques?? de t??l??viseurs, t??l??phones cellulaires et ainsi de suite. Ces enveloppes en mati??re plastique sont g??n??ralement un Mat??riau composite constitu?? d'une matrice thermoplastique telle que acrylonitrile-butadi??ne-styr??ne ( ABS), dans laquelle le carbonate de calcium de la craie, du talc , des fibres de verre ou les fibres de carbone ont ??t?? ajout??s pour une r??sistance accrue, le volume, ou la dispersion ??lectrostatique. Ces ajouts peuvent ??tre appel??es fibres de renforcement ou des dispersants, en fonction de leur objet.

Classes de mat??riaux (par types d'obligations)

La science des mat??riaux englobe diverses classes de mat??riaux, dont chacun peut constituer un champ distinct. Les mat??riaux sont parfois class??s selon le type de liaison pr??sente entre les atomes:

1. Cristaux ioniques
2. Cristaux covalents
3. M??taux
4. Interm??talliques
5. Semi-conducteurs
6. Polym??res
7. Les mat??riaux composites
8. Mat??riaux vitreux

Sous-domaines de la science des mat??riaux

• Les nanotechnologies - de fa??on rigoureuse, l'??tude des mat??riaux o?? les effets de confinement quantique, le Effet Gibbs-Thomson, ou tout autre effet que pr??sente ?? l'??chelle nanom??trique est la propri??t?? d??finition de la mati??re; mais le plus souvent, ce est la cr??ation et l'??tude des mat??riaux dont la d??finition des propri??t??s structurelles sont ne importe o?? ?? partir de moins d'un nanom??tre ?? une centaine de nanom??tres d'??chelle, tels que les mat??riaux d'ing??nierie mol??culaire.
• Microtechnique - ??tude des mat??riaux et des processus et de leur interaction, permettant microfabrication de structures de dimensions microm??triques, tels que Syst??mes micro??lectrom??caniques (MEMS).
• Cristallographie - l'??tude de la fa??on dont les atomes dans un espace de remplissage solide, le d??fauts associ??s ?? des structures cristallines telles que joints de grains et dislocations, et la caract??risation de ces structures et leur relation avec les propri??t??s physiques.
• - La caract??risation des mat??riaux comme la diffraction avec rayons X, ??lectrons ou neutrons , et diverses formes de spectroscopie et l'analyse chimique , tels que Spectroscopie Raman, spectroscopie (EDS) ?? dispersion d'??nergie, chromatographie , analyse thermique, analyse au microscope ??lectronique, etc., afin de comprendre et de d??finir les propri??t??s des mat??riaux. Voir ??galement Liste des m??thodes d'analyse de surface
• M??tallurgie - l'??tude des m??taux et leurs alliages, y compris leur extraction, microstructure et la transformation.
• Biomat??riaux - mat??riaux qui sont d??riv??s de et / ou utilis??s avec des syst??mes biologiques.
• ??lectroniques et magn??tiques des mat??riaux - mat??riaux tels que les semi-conducteurs utilis??s pour cr??er des circuits int??gr??s , supports de stockage, capteurs et autres dispositifs.
• Tribologie - l'??tude de l'usure des mat??riaux en raison de frottement et d'autres facteurs.
• Surface sciences / Catalyse - interactions entre structures et gaz-solide-liquide ou solide interfaces solide-solide.
• C??ramographie - l'??tude de la microstructures des mat??riaux ?? haute temp??rature et r??fractaires, y compris la c??ramique structurels tels que RCC, polycristallin le carbure de silicium et transformation tremp?? c??ramiques

Certains praticiens consid??rent souvent rh??ologie un sous-domaine de la science des mat??riaux, car il peut couvrir ne importe quel mat??riau qui coule. Cependant, rh??ologie moderne traite g??n??ralement avec des non-newtonien la dynamique des fluides, de sorte qu'il est souvent consid??r?? comme un sous-domaine de la m??canique des milieux continus. Voir ??galement mat??riau granulaire.

• Verre Sciences - toute mati??re non cristalline comprenant des verres inorganiques, les m??taux et les verres vitreux non oxydes.
• L'ing??nierie l??gale - l'??tude de la fa??on dont les produits ??chouent, et le r??le vital des mat??riaux de construction
• Mat??riaux judiciaires g??nie - l'??tude de la d??faillance du mat??riel, et la lumi??re qu'elle jette sur la fa??on dont les ing??nieurs sp??cifient mat??riaux dans leur produit

Les sujets qui forment la base de la science des mat??riaux

• Thermodynamique , m??canique statistique , cin??tique et chimie physique, pour la phase de stabilit??, transformations (physique et chimique) et des diagrammes.
• Cristallographie et liaison chimique , pour comprendre comment les atomes dans un mat??riau sont dispos??s.
• M??canique, ?? comprendre les propri??t??s m??caniques des mat??riaux et leurs applications structurelles.
• La physique du solide et la m??canique quantique , pour la compr??hension de l'??lectronique, thermique, magn??tique, propri??t??s structurales et optiques des mat??riaux chimiques,.
• Diffraction et M??canique ondulatoire, pour la caract??risation des mat??riaux.
• Chimie et la science des polym??res, pour la compr??hension de mati??res plastiques , des collo??des, des c??ramiques, des cristaux liquides, la chimie de l'??tat solide, et les polym??res.
• Biologie , pour l'int??gration des mat??riaux dans les syst??mes biologiques.
• la m??canique des milieux continus et des statistiques , pour l'??tude des ??coulements de fluides et syst??mes ensemble.
• M??canique des mat??riaux, pour l'??tude de la relation entre le comportement m??canique des mat??riaux et de leurs microstructures.

Revues Important

• Chimie des Mat??riaux
• Nature Materials
• Acta Materialia
• JOM
• Advanced Materials
• Mat??riaux sciences computationnelles
• Advanced Functional Materials
• Journal of Materials Chemistry
• Journal of Materials en ligne - Open Access
• Transactions m??tallurgistes et des mat??riaux
• Journal of Materials Research
• Journal of Materials Science
• F??d??ration europ??enne de la science des mat??riaux Soci??t??s Bulletin
• AMMTIAC eNews / mat??riaux avanc??s, la fabrication et les essais trimestriels. (Abonnement gratuit)