Материаловедение — наука о материалах и их использовании 

Материаловедение — это междисциплинарная область, включающая изучение различных типов материалов и применение знаний об этих материалах в различных областях науки и техники. Она сочетает в себе элементы прикладной физики и химии, а также химической, механической, гражданской и электротехнической инженерии. 

В ранней истории человечества использовались такие материалы, как металлы, стекла и керамика на основе глины. В прошлом веке произошел всплеск развития новых материалов, включая пластмассы, усовершенствованную керамику, полупроводники, сверхпроводники, жидкие кристаллы, конденсаты Бозе-Эйнштейна и наноразмерные вещества, которые имеют широкий спектр применения. Более того, материаловедение стало включать в себя испытания этих более экзотических форм конденсированной материи и разработку новых физических теорий для объяснения их поведения. В связи с этим материаловедение вышло на передний план во многих академических институтах и исследовательских центрах.

Исследования материалов на базовом уровне могут привести к беспрецедентному влиянию на общество. Например, полупроводниковые материалы, которые повсеместно используются в автомобилях, телефонах, компьютерах, часах, кухонных приборах, детских игрушках, спутниках, телескопах и многом другом, стали результатом исследований материаловедения — изучения электронных свойств элемента германия. Дальнейшие исследования привели к замене германия на менее дорогостоящий кремний и к различным подходам к изменению свойств кремния путем имплантации других элементов, таких как фосфор или бор, в кремниевую матрицу. С момента своего открытия в 1947 году полупроводники постоянно совершенствовались благодаря исследованиям в области материаловедения, вызванным постоянно растущими требованиями компьютерной индустрии к производительности.

Исторический обзор

Материаловедение — одна из старейших форм прикладной науки и инженерии. В истории человеческой цивилизации различные эпохи часто определялись ретроспективно в соответствии с развитием способности человека работать с новым типом материала. Примерами являются каменный век, бронзовый век и железный век. Главный прорыв в понимании материалов произошел в конце XIX века, когда Уиллард Гиббс продемонстрировал, что термодинамические свойства, относящиеся к атомной структуре в различных фазах, связаны с физическими свойствами материала.

До 1960-х годов (а в некоторых случаях и спустя десятилетия) многие кафедры материаловедения в академических и исследовательских институтах назывались кафедрами металлургии, поскольку основной упор делался на изучение металлов и их применения. С тех пор эта область расширилась и включает в себя все классы материалов, такие как керамика, полимеры, полупроводники, сверхпроводники, сверхтекучие жидкости, магнитные материалы, материалы для медицинских имплантатов и биологические материалы.

Многие важные элементы современного материаловедения стали результатом космической гонки. В частности, понимание и разработка металлических сплавов, керамики и других материалов были полезны для создания космических кораблей, скафандров и так далее, а новые знания оказались ценными для различных потребительских и промышленных применений. Материаловедение заложило физические основы цивилизации 21 века, являясь неотъемлемой частью всего — от оптоволоконных кабелей до теннисных туфель, от солнечных батарей до парусных лодок. Материаловедение и в дальнейшем будет играть центральную роль в поиске технологических решений для устойчивого развития в условиях деградации окружающей среды и продолжающегося накопления парниковых газов из-за сжигания углеродного топлива.

Основы материаловедения

В материаловедении исследователь проводит систематическое изучение каждого материала с точки зрения его структуры, свойств, обработки и эксплуатационных характеристик. Исследование часто приводит к новым применениям известных материалов и созданию новых материалов с желаемыми свойствами.

На фундаментальном уровне эта область связывает свойства и характеристики материала с его атомной структурой и различными фазами, через которые он может проходить. Основными факторами, определяющими структуру и свойства материала, являются природа входящих в его состав химических элементов и способ, которым материал был обработан для получения конечной формы. Эти факторы, связанные через законы термодинамики, определяют микроструктуру материала и, следовательно, его свойства.

Старая пословица в материаловедении гласит: "Материалы подобны людям; именно недостатки делают их интересными". Учитывая ограничения сегодняшней технологии, это хорошо, потому что производство идеального кристалла материала физически невозможно. Вместо этого материаловеды манипулируют дефектами материала для создания материалов с желаемыми свойствами. На атомном уровне дефекты в кристалле могут означать, что атомы одного элемента могут отсутствовать или заменяться атомами других элементов.

Не все материалы имеют регулярную кристаллическую структуру. Стекла и некоторые керамики — в отличие от многих природных материалов — аморфны, то есть не обладают дальним порядком в расположении атомов. Проектирование таких материалов намного сложнее, чем проектирование кристаллических материалов. Полимеры могут иметь различную степень кристалличности, и их изучение требует сочетания элементов химической и статистической термодинамики для термодинамического (а не механического) описания физических свойств.

Материалы в промышленности

Радикальные достижения в понимании и манипулировании материалами способствуют созданию новых продуктов и даже новых отраслей промышленности. В то же время стабильные отрасли промышленности нанимают материаловедов для постепенного улучшения и устранения проблем с используемыми в настоящее время материалами. Промышленное применение материаловедения включает в себя разработку материалов и их использование в промышленном производстве с учетом соотношения затрат и выгод.

Методы, используемые для обработки материалов, включают:

• литье
• прокатка
• сварка
• ионная имплантация
• рост кристаллов
• тонкопленочное осаждение
• спекание
• выдувание стекла

Методы, используемые для анализа (определения характеристик) материалов, включают:

• электронная микроскопия
• дифракция рентгеновских лучей
• калориметрия
• ядерная микроскопия (HEFIB)
• обратное рассеяние Резерфорда
• дифракция нейтронов

Пересечение физики и материаловедения способствовало естественному развитию интерфейсной области физики материалов, которая занимается изучением физических свойств материалов. Подход, как правило, более макроскопический и прикладной, чем в физике конденсированных сред.

Классы материалов

Материаловедение охватывает различные классы материалов, некоторые из которых пересекаются. Примерами являются:

• Ионные кристаллы (кристаллы, в которых атомы удерживаются вместе ионными связями)
• Ковалентные кристаллы (кристаллы, в которых атомы удерживаются вместе ковалентными связями)
• Стекловидные (стеклообразные) материалы
• Металлы
• Интерметаллиды
• Полимеры
• Композитные материалы
• Биоматериалы (материалы, полученные из биологических систем или предназначенные для их использования)
• Электронные и магнитные материалы (материалы, такие как полупроводники, используемые для создания интегральных схем, носителей информации, датчиков и других устройств)
• Керамика и огнеупоры (высокотемпературные материалы, включая армированный углерод-углерод (RCC), поликристаллический карбид кремния и упрочненную трансформацией керамику).

Каждый класс материалов может включать в себя отдельную область исследований.

Подполя материаловедения

Нанотехнологии: В общепринятом понимании нанотехнология — это область прикладной науки и техники, связанная с формированием, изучением и контролем материалов, имеющих ширину от менее 1 нанометра (10-9 м) до 100 нанометров. Такие материалы обычно создаются на молекулярном уровне. На более строгом уровне нанонаука включает в себя изучение материалов, определяющие свойства которых присутствуют только на наноуровне.

Кристаллография: Это изучение расположения атомов в кристаллическом твердом теле и взаимосвязи между кристаллическими структурами и их физическими свойствами. Она включает в себя определение дефектов, связанных с кристаллическими структурами.

Характеристика материалов: Информация, необходимая для понимания и определения свойств материалов, получается с помощью таких методов, как дифракция рентгеновских лучей, электронов или нейтронов, а также различных форм спектроскопии, хроматографии, термического анализа или электронной микроскопии.

Металлургия: Изучение металлов и их сплавов, включая их получение, микроструктуру и обработку.

Трибология: Это изучение износа материалов под воздействием трения и других факторов.

Наука о поверхности: Изучение структур и взаимодействий, происходящих на границах раздела твердых тел и газов, твердых тел и жидкостей, твердых тел и твердых тел.

Наука о стекле: Изучение некристаллических материалов, включая неорганические стекла, стекловидные металлы и неоксидные стекла.

Некоторые специалисты считают реологию подотраслью материаловедения, поскольку она может охватывать любой текучий материал. Однако современная реология обычно имеет дело с неньютоновской гидродинамикой, поэтому ее часто считают подотраслью механики сплошной среды.

Темы, составляющие основу материаловедения

Термодинамика, статистическая механика, химическая кинетика и физическая химия: для понимания стабильности фаз и физико-химических превращений.

Химическая связь: для понимания связей между атомами материала.

Механика материалов: для понимания механических свойств материалов и их структурного применения.

Физика твердого тела и квантовая механика: понимание электронных, тепловых, магнитных, химических, структурных и оптических свойств материалов.

Химия твердого тела и наука о полимерах: для понимания свойств полимеров (включая пластмассы), коллоидов, керамики и жидких кристаллов.

Биология: для интеграции материалов в биологические системы.

Континуумная механика и статистика: для изучения потоков жидкости и ансамблевых систем.

Дифракция и волновая механика: для определения характеристик материалов.