علم المواد

يغطي المجال متعدد التخصصات لعلوم المواد ، المعروف أيضًا باسم علم وهندسة المواد ، تصميم واكتشاف مواد جديدة ، وخاصة المواد الصلبة . أصول الفكرية للعلوم المواد تنبع من عصر التنوير ، عندما بدأ الباحثون إلى استخدام التفكير التحليلي من الكيمياء ، الفيزياء ، و الهندسة لفهم القديمة، و الظواهر الملاحظات في التعدين و المعادن . ^{[1] [2]}لا يزال علم المواد يشتمل على عناصر الفيزياء والكيمياء والهندسة. على هذا النحو ، اعتبرت المؤسسات الأكاديمية هذا المجال منذ فترة طويلة مجالًا فرعيًا لهذه المجالات ذات الصلة. ابتداءً من الأربعينيات من القرن الماضي ، بدأ الاعتراف بعلم المواد على نطاق واسع باعتباره مجالًا محددًا ومتميزًا للعلوم والهندسة ، وأنشأت الجامعات التقنية الكبرى حول العالم مدارس مخصصة لدراستها.

يؤكد علماء المواد على فهم كيفية تأثير تاريخ المادة ( المعالجة ) على هيكلها ، وبالتالي على خصائص المواد وأدائها. يسمى فهم علاقات خصائص هيكل المعالجة بنموذج المواد. هذا النموذج يستخدم لفهم مسبقا في مجموعة متنوعة من المجالات البحثية، بما في ذلك تكنولوجيا النانو ، المواد الحيوية ، و المعادن .

علوم المواد هي أيضا جزء مهم من هندسة الطب الشرعي و تحليل الفشل  - مواد التحقيق والمنتجات والهياكل أو المكونات التي تفشل أو لا تعمل على النحو المنشود، مما تسبب في إصابة شخصية أو أضرار في الممتلكات. هذه التحقيقات أساسية لفهم ، على سبيل المثال ، أسباب حوادث الطيران المختلفة والحوادث .

التاريخ

غالبًا ما تكون المادة المختارة لعصر معين نقطة فاصلة. عبارات مثل العصر الحجري ، العصر البرونزي ، العصر الحديدي ، و الصلب العمر هي تاريخية، إذا الأمثلة التعسفية. يُعد علم المواد أحد أقدم أشكال الهندسة والعلوم التطبيقية ، وهو مشتق في الأصل من صناعة السيراميك وعلم المعادن المشتق المفترض. تطور علم المواد الحديثة مباشرة من علم المعادن ، والذي تطور هو نفسه من التعدين و (المحتمل) السيراميك وقبل ذلك من استخدام النار. حدث اختراق كبير في فهم المواد في أواخر القرن التاسع عشر ، عندما أوضح العالم الأمريكي يوشيا ويلارد جيبس أنترتبط الخصائص الديناميكية الحرارية المتعلقة بالتركيب الذري في مراحل مختلفة بالخصائص الفيزيائية للمادة. كانت العناصر المهمة لعلوم المواد الحديثة من منتجات سباق الفضاء . فهم و الهندسة للالمعدنية سبائك ، و السيليكا و الكربون المواد المستخدمة في بناء المركبات الفضائية تمكين استكشاف الفضاء. وأدى علوم المواد، وكان الدافع وراء من قبل، وتطوير تكنولوجيات ثورية مثل المطاط ، البلاستيك ، أشباه الموصلات ، و الحيوية .

قبل الستينيات (وفي بعض الحالات بعد عقود) ، كان العديد من أقسام علوم المواد النهائية عبارة عن أقسام هندسة المعادن أو السيراميك ، مما يعكس تركيز القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين على المعادن والسيراميك. تم تحفيز نمو علم المواد في الولايات المتحدة جزئيًا بواسطة وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة ، التي مولت سلسلة من المختبرات التي تستضيفها الجامعة في أوائل الستينيات "لتوسيع البرنامج الوطني للبحث الأساسي والتدريب في علوم المواد. " ^[3] الحقل منذ ذلك الحين سعت لتشمل كل فئة من المواد، بما في ذلك السيراميك ، والبوليمرات ، أشباه الموصلات ،المغناطيسية المواد الحيوية ، و المواد النانوية ، تصنف عموما إلى ثلاث مجموعات مختلفة: السيراميك والمعادن والبوليمرات. كان التغيير البارز في علم المواد خلال العقود الأخيرة هو الاستخدام النشط لمحاكاة الكمبيوتر للعثور على مواد جديدة والتنبؤ بالخصائص وفهم الظواهر.

الأساسيات

تُعرَّف المادة على أنها مادة (غالبًا ما تكون صلبة ، ولكن يمكن تضمين أطوار أخرى مكثفة) يُقصد استخدامها في تطبيقات معينة. ^[4] هناك عدد لا يحصى من المواد من حولنا. يمكن العثور عليها في أي شيء من المباني والسيارات إلى المركبات الفضائية. على فئات رئيسية من المواد هي المعادن ، أشباه الموصلات ، السيراميك و البوليمرات . ^[5] وتشمل الجديدة والمواد المتقدمة التي يجري تطويرها المواد النانوية ، الحيوية ، ^[6] و مواد الطاقة على سبيل المثال لا الحصر.

يدرس أساس علم المواد التفاعل بين بنية المواد وطرق المعالجة لصنع تلك المواد وخصائص المواد الناتجة. المزيج المعقد من هذه ينتج أداء مادة في تطبيق معين. تؤثر العديد من الميزات عبر العديد من مقاييس الطول على أداء المواد ، من العناصر الكيميائية المكونة ، والبنية المجهرية ، والميزات العيانية من المعالجة. جنبًا إلى جنب مع قوانين الديناميكا الحرارية والمواد الحركية ، يهدف العلماء إلى فهم المواد وتحسينها.

هيكل

الهيكل هو أحد أهم مكونات مجال علم المواد. يفحص علم المواد بنية المواد بدءًا من المقياس الذري وصولًا إلى المقياس الكلي. التوصيف هو الطريقة التي يفحص بها علماء المواد بنية المادة. وهذا ينطوي على أساليب مثل الحيود مع الأشعة السينية ، الإلكترونات أو النيوترونات ، ومختلف أشكال التحليل الطيفي و التحليل الكيميائي مثل رامان الطيفي ، التحليل الطيفي المشتتة للطاقة ، اللوني ، التحليل الحراري ، المجهر الالكتروني التحليل، الخ

يتم دراسة الهيكل في المستويات التالية.

التركيب الذري

يتعامل التركيب الذري مع ذرات المواد ، وكيف يتم ترتيبها لتكوين جزيئات ، وبلورات ، وما إلى ذلك. تنشأ الكثير من الخواص الكهربائية والمغناطيسية والكيميائية للمواد من هذا المستوى من البنية. مقاييس الطول المتضمنة في الأنجستروم ( Å ). يعتبر الترابط الكيميائي والترتيب الذري (علم البلورات) أساسيين لدراسة خصائص وسلوك أي مادة.

الترابط

للحصول على فهم كامل لبنية المادة وكيفية ارتباطها بخصائصها ، يجب على عالم المواد دراسة كيفية ترتيب الذرات والأيونات والجزيئات المختلفة وترتبط ببعضها البعض. يتضمن ذلك دراسة واستخدام كيمياء الكم أو فيزياء الكم . فيزياء الحالة الصلبة ، كيمياء الحالة الصلبة و الكيمياء الفيزيائية وتشارك أيضا في دراسة الترابط وهيكل.

علم البلورات

علم البلورات هو العلم الذي يدرس ترتيب الذرات في المواد الصلبة البلورية. علم البلورات هو أداة مفيدة لعلماء المواد. في البلورات المفردة ، غالبًا ما يكون من السهل رؤية تأثيرات الترتيب البلوري للذرات بشكل مجهري ، لأن الأشكال الطبيعية للبلورات تعكس التركيب الذري. علاوة على ذلك ، غالبًا ما يتم التحكم في الخصائص الفيزيائية من خلال العيوب البلورية. يعد فهم الهياكل البلورية شرطًا أساسيًا مهمًا لفهم عيوب علم البلورات . في الغالب ، لا تحدث المواد على شكل بلورة مفردة ، ولكن في شكل متعدد البلورات ، كمجموعة من البلورات الصغيرة أو الحبيبات ذات التوجهات المختلفة. وبسبب هذا ، فإن طريقة حيود المسحوق، التي تستخدم أنماط الحيود لعينات متعددة البلورات مع عدد كبير من البلورات ، تلعب دورًا مهمًا في التحديد الهيكلي. تحتوي معظم المواد على هيكل بلوري ، لكن بعض المواد المهمة لا تظهر بنية بلورية منتظمة. تعرض البوليمرات درجات متفاوتة من التبلور ، والعديد منها غير بلوري تمامًا. الزجاج وبعض السيراميك والعديد من المواد الطبيعية غير متبلورة ، ولا تمتلك أي ترتيب بعيد المدى في ترتيباتها الذرية. تجمع دراسة البوليمرات بين عناصر الديناميكا الحرارية الكيميائية والإحصائية لإعطاء أوصاف ديناميكية حرارية وميكانيكية للخصائص الفيزيائية.

بنية نانوية

المواد ، التي تشكل الذرات والجزيئات مكونات في المقياس النانوي (أي أنها تشكل بنية نانوية) تسمى المواد النانوية. تخضع المواد النانوية لأبحاث مكثفة في مجتمع علوم المواد نظرًا للخصائص الفريدة التي تعرضها.

تتعامل البنية النانوية مع الأشياء والتراكيب التي تقع في نطاق 1 - 100 نانومتر. ^[8] في العديد من المواد ، تتكتل الذرات أو الجزيئات معًا لتكوين أجسام بالمقياس النانوي. هذا يسبب العديد من الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والبصرية والميكانيكية المثيرة للاهتمام.

عند وصف الهياكل النانوية ، من الضروري التفريق بين عدد الأبعاد على مقياس النانو .

السطوح ذات النسيج النانوي لها بعد واحد على المقياس النانوي ، أي أن سمك سطح الجسم فقط يتراوح بين 0.1 و 100 نانومتر.

للأنابيب النانوية بعدين على المقياس النانوي ، أي أن قطر الأنبوب يتراوح بين 0.1 و 100 نانومتر ؛ يمكن أن يكون طوله أكبر من ذلك بكثير.

وأخيرا، كروية النانوية لها ثلاثة أبعاد على مقياس النانو، أي الجسيمات ما بين 0.1 و 100 نانومتر في كل البعد المكاني. غالبًا ما يتم استخدام المصطلحات النانوية والجسيمات متناهية الصغر (UFP) بشكل مترادف على الرغم من أن UFP يمكن أن يصل إلى نطاق الميكرومتر. غالبًا ما يستخدم مصطلح "البنية النانوية" عند الإشارة إلى التكنولوجيا المغناطيسية. غالبًا ما يُطلق على البنية النانوية في علم الأحياء اسم البنية التحتية الدقيقة .

المجهرية

تُعرَّف البنية المجهرية بأنها بنية سطح مُجهز أو رقائق رقيقة من مادة كما يتضح من خلال مجهر أعلى من التكبير بمقدار 25 ×. يتعامل مع كائنات من 100 نانومتر إلى بضعة سنتيمترات. يمكن أن تؤثر البنية المجهرية للمادة (التي يمكن تصنيفها على نطاق واسع إلى معدنية وبوليمرية وسيراميك ومركب) بقوة على الخصائص الفيزيائية مثل القوة والمتانة والليونة والصلابة ومقاومة التآكل وسلوك درجات الحرارة العالية / المنخفضة ومقاومة التآكل وما إلى ذلك. . معظم المواد التقليدية (مثل المعادن والسيراميك) ذات بنية دقيقة.

إن تصنيع بلورة كاملة من مادة ما أمر مستحيل ماديًا. على سبيل المثال ، ستحتوي أي مادة بلورية على عيوب مثل الرواسب ، أو حدود الحبوب ( علاقة Hall-Petch ) ، أو الفراغات ، أو الذرات الخلالية أو الذرات البديلة. تكشف البنية المجهرية للمواد عن هذه العيوب الكبيرة ، وقد سمح التقدم في المحاكاة بفهم متزايد لكيفية استخدام العيوب لتحسين خصائص المواد.

البنية الكلية

البنية الكلية هي ظهور مادة في مقياس مليمترات إلى أمتار ، وهي بنية المادة كما تُرى بالعين المجردة.

خصائص

تعرض المواد خصائص لا تعد ولا تحصى ، بما في ذلك ما يلي.

• الخواص الميكانيكية ، انظر قوة المواد
• الخصائص الكيميائية ، انظر الكيمياء
• الخواص الكهربائية ، انظر الكهرباء
• الخصائص الحرارية ، انظر الديناميكا الحرارية
• الخصائص البصرية، انظر البصريات و الضوئيات
• الخصائص المغناطيسية ، انظر المغناطيسية

تحدد خصائص المادة قابليتها للاستخدام وبالتالي تطبيقها الهندسي.

معالجة

يتضمن التوليف والمعالجة إنشاء مادة بالبنية النانوية الدقيقة المرغوبة. من وجهة نظر هندسية ، لا يمكن استخدام مادة ما في الصناعة ، إذا لم يتم تطوير طريقة إنتاج اقتصادية لها. وبالتالي ، فإن معالجة المواد أمر حيوي في مجال علم المواد. تتطلب المواد المختلفة طرق معالجة أو توليف مختلفة. على سبيل المثال ، كانت معالجة المعادن تاريخياً مهمة للغاية وتتم دراستها في إطار فرع علم المواد المسمى علم المعادن الفيزيائي . أيضا، يتم استخدام الطرق الكيميائية والفيزيائية أيضا لتجميع المواد الأخرى مثل البوليمرات ، الخزف ، الأغشية الرقيقة، إلخ. اعتبارًا من أوائل القرن الحادي والعشرين ، يتم تطوير طرق جديدة لتركيب المواد النانوية مثل الجرافين .

الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية تشعر بالقلق مع الحرارة و درجة الحرارة وعلاقتها الطاقة و العمل . يحدد المتغيرات العيانية ، مثل الطاقة الداخلية ، والنتروبيا ، والضغط، التي تصف جزئيًا جسمًا من المادة أو الإشعاع. تنص على أن سلوك هذه المتغيرات يخضع لقيود عامة مشتركة بين جميع المواد. يتم التعبير عن هذه القيود العامة في القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية. تصف الديناميكا الحرارية السلوك الجماعي للجسم ، وليس السلوكيات المجهرية للأعداد الكبيرة جدًا من مكوناته المجهرية ، مثل الجزيئات. يتم وصف سلوك هذه الجسيمات المجهرية بواسطة الميكانيكا الإحصائية وقوانين الديناميكا الحرارية مشتقة منها .

تعتبر دراسة الديناميكا الحرارية أساسية لعلوم المواد. يشكل الأساس لمعالجة الظواهر العامة في علوم وهندسة المواد ، بما في ذلك التفاعلات الكيميائية والمغناطيسية وقابلية الاستقطاب والمرونة. كما أنه يساعد في فهم مخططات الطور وتوازن الطور.

حركية

الحركية الكيميائية هي دراسة المعدلات التي تتغير بها الأنظمة الخارجة عن التوازن تحت تأثير القوى المختلفة. عند تطبيقه على علم المواد ، فإنه يتعامل مع كيفية تغير المادة بمرور الوقت (تنتقل من حالة عدم التوازن إلى حالة التوازن) بسبب تطبيق مجال معين. يوضح بالتفصيل معدل العمليات المختلفة التي تتطور في المواد بما في ذلك الشكل والحجم والتكوين والهيكل. يعد الانتشار مهمًا في دراسة الخواص الحركية لأن هذه هي الآلية الأكثر شيوعًا التي تتغير بها المواد. الخواص الحركية ضرورية في معالجة المواد لأنها ، من بين أمور أخرى ، توضح كيف تتغير البنية المجهرية مع تطبيق الحرارة.

بحث

علم المواد هو مجال بحث نشط للغاية. جنبا إلى جنب مع الإدارات علوم المواد، و الفيزياء ، والكيمياء ، والعديد من الهندسة الإدارات يشاركون في بحوث المواد. يغطي بحث المواد مجموعة واسعة من الموضوعات ، ويتبع قائمة غير شاملة تسلط الضوء على بعض مجالات البحث المهمة.

المواد النانوية

تصف المواد النانوية ، من حيث المبدأ ، المواد التي يكون حجم وحدة واحدة منها (في بعد واحد على الأقل) بين 1 و 1000 نانومتر (10 ⁻⁹ متر) ، ولكنها عادة ما تكون 1 نانومتر - 100 نانومتر. تتخذ أبحاث المواد النانوية نهجًا قائمًا على علم المواد لتقنية النانو ، وذلك باستخدام التطورات في قياس المواد وتوليفها ، والتي تم تطويرها لدعم التصنيع الدقيقابحاث. غالبًا ما تتمتع المواد ذات البنية بالمقياس النانوي بخصائص بصرية أو إلكترونية أو ميكانيكية فريدة. يتم تنظيم مجال المواد النانوية بشكل فضفاض ، مثل المجال التقليدي للكيمياء ، في المواد النانوية العضوية (القائمة على الكربون) ، مثل الفوليرين ، والمواد النانوية غير العضوية القائمة على عناصر أخرى ، مثل السيليكون. وتشمل الأمثلة على المواد متناهية الصغر الفلورين ، أنابيب الكربون النانوية ، البلورات النانوية ، الخ

المواد الحيوية

المادة الحيوية هي أي مادة أو سطح أو بناء يتفاعل مع الأنظمة البيولوجية. تسمى دراسة المواد الحيوية علم المواد الحيوية . لقد شهدت نموًا ثابتًا وقويًا على مدار تاريخها ، حيث استثمرت العديد من الشركات مبالغ كبيرة من المال في تطوير منتجات جديدة. العلوم الحيوية ويشمل عناصر من الطب ، البيولوجيا ، الكيمياء ، هندسة الأنسجة ، وعلوم المواد.

يمكن اشتقاق المواد الحيوية إما من الطبيعة أو تصنيعها في المختبر باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب الكيميائية باستخدام المكونات المعدنية أو البوليمرات أو السيراميك الحيوي أو المواد المركبة . غالبًا ما يكون الغرض منها أو تكييفها للتطبيقات الطبية ، مثل الأجهزة الطبية الحيوية التي تؤدي وظيفة طبيعية أو تزيدها أو تحل محلها. قد تكون هذه الوظائف حميدة، مثل التي تستخدم ل صمام القلب ، أو قد تكون النشطة بيولوجيا مع وظائف أكثر تفاعلية مثل هيدروكسيل الأباتيت المغلفة يزرع الورك. تُستخدم المواد الحيوية أيضًا كل يوم في تطبيقات طب الأسنان والجراحة وتوصيل الأدوية. على سبيل المثال ، يمكن وضع تركيبة تحتوي على منتجات صيدلانية مشربة في الجسم ، مما يسمح بالإفراج المطول عن الدواء على مدى فترة طويلة من الزمن. قد تكون بيولوجية أيضا الطعم الذاتي ، المزروع أو طعم أجنبي استخدامها بوصفها زرع الأعضاء المواد.

الإلكترونية والبصرية والمغناطيسية

تُستخدم أشباه الموصلات والمعادن والسيراميك اليوم لتشكيل أنظمة معقدة للغاية ، مثل الدوائر الإلكترونية المتكاملة ، والأجهزة الإلكترونية الضوئية ، ووسائط التخزين الضخمة المغناطيسية والبصرية. تشكل هذه المواد أساس عالم الحوسبة الحديث لدينا ، وبالتالي فإن البحث في هذه المواد له أهمية حيوية.

أشباه الموصلات هي مثال تقليدي لهذه الأنواع من المواد. وهي المواد التي لها خصائص التي هي وسيطة بين الموصلات و العوازل . إن موصلاتها الكهربائية حساسة للغاية لتركيز الشوائب ، مما يسمح باستخدام المنشطات لتحقيق الخصائص الإلكترونية المرغوبة. ومن ثم ، فإن أشباه الموصلات تشكل أساس الكمبيوتر التقليدي.

ويشمل هذا المجال أيضا مجالات جديدة للبحث مثل فائقة التوصيل المواد، والإلكترونيات الدورانية ، يتعلق بما وارء ، وما إلى ذلك دراسة هذه المواد تتضمن المعرفة من علوم المواد و فيزياء الحالة الصلبة أو فيزياء المادة المكثفة .

علم المواد الحسابية

مع الزيادات المستمرة في قوة الحوسبة ، أصبح محاكاة سلوك المواد ممكنًا. يتيح ذلك لعلماء المواد فهم السلوك والآليات وتصميم مواد جديدة وشرح الخصائص التي لم تكن مفهومة جيدًا في السابق. تركز الجهود المتعلقة بهندسة المواد الحاسوبية المتكاملة الآن على الجمع بين الأساليب الحسابية والتجارب لتقليل الوقت والجهد بشكل كبير لتحسين خصائص المواد لتطبيق معين. يتضمن ذلك محاكاة المواد في جميع مقاييس الطول ، باستخدام طرق مثل نظرية الكثافة الوظيفية ، وديناميكيات الجزيئات ، ومونتي كارلو ، وديناميكيات الخلع ، وحقل الطور ، والعنصر المحدود ، وغيرها الكثير.

الصناعة

يمكن أن تؤدي التطورات الجذرية في المواد إلى إنشاء منتجات جديدة أو حتى صناعات جديدة ، ولكن الصناعات المستقرة توظف أيضًا علماء المواد لإجراء تحسينات تدريجية واستكشاف المشكلات المتعلقة بالمواد المستخدمة حاليًا. تشمل التطبيقات الصناعية لعلوم المواد تصميم المواد ، ومقايضات التكلفة والفوائد في الإنتاج الصناعي للمواد ، وطرق المعالجة ( الصب ، والدرفلة ، واللحام ، وغرس الأيونات ، ونمو البلورات ، وترسيب الأغشية الرقيقة ، والتلبيد ، ونفخ الزجاج ، وما إلى ذلك) ، والطرق التحليلية (طرق التوصيف مثل المجهر الإلكتروني ،حيود الأشعة السينية ، قياس المسعرات ، الفحص المجهري النووي (HEFIB) ، تشتت رذرفورد الخلفي ، حيود النيوترون ، تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) ، إلخ).

إلى جانب توصيف المواد ، يتعامل عالم أو مهندس المواد أيضًا مع استخراج المواد وتحويلها إلى أشكال مفيدة. وبالتالي ، فإن صب السبائك ، وطرق السبك ، واستخراج أفران الصهر ، والاستخراج بالكهرباء كلها جزء من المعرفة المطلوبة لمهندس المواد. غالبًا ما يؤثر وجود أو غياب أو تباين الكميات الدقيقة من العناصر والمركبات الثانوية في مادة سائبة بشكل كبير على الخصائص النهائية للمواد المنتجة. على سبيل المثال ، يتم تصنيف الفولاذ على أساس النسب المئوية للوزن 1/10 و 1/100 من الكربون وعناصر السبائك الأخرى التي يحتوي عليها. وبالتالي ، فإن طرق الاستخراج والتنقية المستخدمة لاستخراج الحديد في فرن الصهر يمكن أن تؤثر على جودة الفولاذ المنتج.

السيراميك والزجاج

تطبيق آخر من علوم المواد هو دراسة السيراميك و النظارات ، وعادة معظم المواد هش مع أهميتها الصناعية. تُظهر العديد من الخزفيات والنظارات الترابط التساهمي أو الأيوني مع SiO ₂ ( السيليكا ) باعتبارها لبنة أساسية. السيراميك - يجب عدم الخلط بينه وبين الطين الخام غير المحروق- عادة ما تظهر في شكل بلوري. تحتوي الغالبية العظمى من الزجاجات التجارية على أكسيد معدني مصهور مع السيليكا. في درجات الحرارة العالية المستخدمة في تحضير الزجاج ، تكون المادة عبارة عن سائل لزج يتحول إلى حالة من الفوضى عند التبريد. زجاج النوافذ والنظارات هي أمثلة مهمة. تُستخدم ألياف الزجاج أيضًا في الاتصالات بعيدة المدى والنقل البصري. يعتبر زجاج Corning Gorilla المقاوم للخدش مثالًا معروفًا على تطبيق علم المواد لتحسين خصائص المكونات المشتركة بشكل كبير.

تشتهر السيراميك الهندسي بصلابتها واستقرارها في ظل درجات الحرارة المرتفعة والضغط والضغط الكهربائي. الألومينا، كربيد السيليكون ، و كربيد التنغستن مصنوعة من مسحوق غرامة ناخبيهم في عملية التكلس مع الموثق. يوفر الضغط الساخن مادة عالية الكثافة. يمكن أن يؤدي ترسب البخار الكيميائي إلى وضع فيلم من السيراميك على مادة أخرى. Cermets عبارة عن جزيئات خزفية تحتوي على بعض المعادن. يتم اشتقاق مقاومة التآكل للأدوات من الكربيدات الأسمنتية مع إضافة المرحلة المعدنية من الكوبالت والنيكل عادةً لتعديل الخصائص.

المركبات

تطبيق آخر لعلم المواد في الصناعة هو صنع المواد المركبة . هذه مواد منظمة تتكون من مرحلتين عيانيتين أو أكثر.

تتراوح التطبيقات من العناصر الهيكلية مثل الخرسانة المسلحة بالفولاذ ، إلى البلاط العازل للحرارة ، والتي تلعب دورًا رئيسيًا ومتكاملًا في نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء التابع لناسا ، والذي يستخدم لحماية سطح المكوك من حرارة إعادة الدخول. في الغلاف الجوي للأرض. أحد الأمثلة على ذلك هو الكربون الكربوني المعزز (RCC) ، المادة ذات اللون الرمادي الفاتح ، التي تتحمل درجات حرارة العودة حتى 1510 درجة مئوية (2750 درجة فهرنهايت) وتحمي الحواف الأمامية للجناح وغطاء الأنف في مكوك الفضاء. RCC عبارة عن مادة مركبة مغلفة مصنوعة من قماش رايون الجرافيت ومشبعة براتنج الفينول. بعد المعالجة عند درجة حرارة عالية في الأوتوكلاف ، يتم تحويل الصفيحة إلى مادة حرارية لتحويل الراتينج إلى كربون ، وتشريبها بكحول فورفورال في حجرة مفرغة ، ومعالجتها بالحرارة لتحويل كحول فورفورال إلى كربون. لتوفير مقاومة الأكسدة لقدرة إعادة الاستخدام ، يتم تحويل الطبقات الخارجية من RCC إلى كربيد السيليكون .

يمكن رؤية أمثلة أخرى في الأغلفة "البلاستيكية" لأجهزة التلفزيون والهواتف المحمولة وما إلى ذلك. هذه الأغلفة البلاستيكية وعادة ما تكون المواد المركبة تتكون من مصفوفة بالحرارة مثل الأكريلونيتريل الستايرين بوتادين (ABS)، والذي كربونات الكالسيوم الطباشير، و التلك ، الألياف الزجاجية أو الكربون الألياف قد أضيفت لقوة إضافية، والجزء الأكبر، أو تشتت كهرباء. يمكن تسمية هذه الإضافات بألياف تقوية ، أو مشتتات ، اعتمادًا على الغرض منها.

البوليمرات

البوليمرات هي مركبات كيميائية تتكون من عدد كبير من المكونات المتطابقة المرتبطة ببعضها البعض مثل السلاسل. هم جزء مهم من علم المواد. البوليمرات هي المواد الخام (الراتنجات) المستخدمة في صنع ما يسمى عادة بالبلاستيك والمطاط. البلاستيك والمطاط هما في الحقيقة المنتج النهائي ، حيث يتم إنشاؤه بعد إضافة واحد أو أكثر من البوليمرات أو المواد المضافة إلى الراتنج أثناء المعالجة ، والتي يتم تشكيلها بعد ذلك في شكل نهائي. تشمل المواد البلاستيكية الموجودة ، والتي تستخدم حاليًا على نطاق واسع ، البولي إيثيلين ، والبولي بروبيلين ، والبولي فينيل كلوريد (PVC) ، والبوليسترين ، والنايلون ، والبوليستر ، والأكريليك ،البولي يوريثان ، والبولي كربونات وأيضًا المطاط ، التي كانت موجودة ، هي المطاط الطبيعي ، ومطاط الستايرين بوتادين ، والكلوروبرين ، ومطاط البوتادين . تصنف البلاستيك عموما سلعة ، تخصص و الهندسة البلاستيك .

يستخدم كلوريد البوليفينيل (PVC) على نطاق واسع ، وهو غير مكلف ، وكميات الإنتاج السنوية كبيرة. أنه يفسح المجال لمجموعة واسعة من التطبيقات، من جلد الاصطناعي ل العزل الكهربائي والكابلات، و التعبئة والتغليف ، و الحاويات . تصنيعها ومعالجتها بسيطة وراسخة. تعدد استخدامات PVC يرجع إلى النطاق الواسع من الملدنات والإضافات الأخرى التي تقبلها. يشير مصطلح "المواد المضافة" في علم البوليمر إلى المواد الكيميائية والمركبات المضافة إلى قاعدة البوليمر لتعديل خصائص المواد.

يعتبر البولي كربونات عادة من البلاستيك الهندسي (تشمل الأمثلة الأخرى نظرة خاطفة ، ABS). يتم تقدير هذه المواد البلاستيكية لقوتها الفائقة وخصائص المواد الخاصة الأخرى. لا تُستخدم عادةً للتطبيقات التي تستخدم لمرة واحدة ، على عكس البلاستيك السلعي.

اللدائن المتخصصة هي مواد ذات خصائص فريدة ، مثل القوة الفائقة ، والتوصيل الكهربائي ، والفلورة الكهربائية ، والاستقرار الحراري العالي ، وما إلى ذلك.

لا تعتمد الخطوط الفاصلة بين الأنواع المختلفة من البلاستيك على المواد بل على خصائصها وتطبيقاتها. على سبيل المثال ، يعد البولي إيثيلين (PE) بوليمرًا رخيصًا ومنخفض الاحتكاك يُستخدم بشكل شائع في صناعة الأكياس التي تستخدم لمرة واحدة للتسوق والقمامة ، ويُعتبر من البلاستيك السلعي ، بينما يستخدم البولي إيثيلين متوسط ​​الكثافة (MDPE) في الغاز تحت الأرض وأنابيب المياه ، و نوع آخر يسمى البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE) هو بلاستيك هندسي يستخدم على نطاق واسع كقضبان انزلاقية للمعدات الصناعية ومقبس الاحتكاك المنخفض في مفاصل الورك المزروعة .

سبائك معدنية

تعد دراسة السبائك المعدنية جزءًا مهمًا من علم المواد. من بين جميع السبائك المعدنية المستخدمة اليوم ، تشكل سبائك الحديد ( الفولاذ ، الفولاذ المقاوم للصدأ ، الحديد الزهر ، أدوات الصلب ، سبائك الفولاذ ) أكبر نسبة من حيث الكمية والقيمة التجارية.

الحديد الممزوج بنسب مختلفة من الكربون يعطي الفولاذ منخفض الكربون ومتوسط ​​وعالي الكربون . تعتبر سبائك الحديد والكربون من الصلب فقط ، إذا كان مستوى الكربون بين 0.01٪ و 2.00٪. بالنسبة للفولاذ ، ترتبط صلابة وقوة شد الفولاذ بكمية الكربون الموجودة ، مع زيادة مستويات الكربون التي تؤدي أيضًا إلى انخفاض الليونة والمتانة. ومع ذلك ، فإن عمليات المعالجة الحرارية مثل التبريد والتلطيف يمكن أن تغير هذه الخصائص بشكل كبير. يُعرَّف الحديد الزهر بأنه سبيكة من الحديد والكربون بنسبة تزيد عن 2.00٪ ولكن أقل من 6.67٪ كربون. يُعرَّف الفولاذ المقاوم للصدأ بأنه سبيكة فولاذية عادية تحتوي على نسبة تزيد عن 10٪ من حيث الوزن في صناعة السبائك من الكروم. يوجد النيكل والموليبدينوم أيضًا في الفولاذ المقاوم للصدأ.

سبائك معدنية هامة أخرى هي تلك من الألومنيوم ، التيتانيوم ، النحاس و المغنيسيوم . عُرفت سبائك النحاس لفترة طويلة (منذ العصر البرونزي) ، بينما تم تطوير سبائك المعادن الثلاثة الأخرى مؤخرًا نسبيًا. نظرًا للتفاعل الكيميائي لهذه المعادن ، لم يتم تطوير عمليات الاستخلاص الإلكتروليتي المطلوبة إلا مؤخرًا نسبيًا. سبائك الألمنيوم والتيتانيوم والمغنيسيوم معروفة أيضًا وقيمتها بسبب قوتها العالية إلى نسب الوزن ، وفي حالة المغنيسيوم ، قدرتها على توفير الحماية الكهرومغناطيسية. تعتبر هذه المواد مثالية للحالات ، حيث تكون نسب القوة إلى الوزن أكثر أهمية من التكلفة الإجمالية ، كما هو الحال في صناعة الطيران وبعض تطبيقات هندسة السيارات.

أشباه الموصلات

تعد دراسة أشباه الموصلات جزءًا مهمًا من علم المواد. A أشباه الموصلات هي المواد التي لها مقاومة بين المعدن وعازل. يمكن تغيير خصائصه الإلكترونية بشكل كبير من خلال الإدخال المتعمد للشوائب أو المنشطات. من هذه المواد شبه الموصلة ، يمكن بناء أشياء مثل الثنائيات ، والترانزستورات ، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) ، والدوائر الكهربائية التناظرية والرقمية ، مما يجعلها مواد ذات أهمية في الصناعة. حلت أجهزة أشباه الموصلات محل الأجهزة الحرارية (الأنابيب المفرغة) في معظم التطبيقات. يتم تصنيع أجهزة أشباه الموصلات كأجهزة فردية منفصلة ودوائر متكاملة(ICs) ، والتي تتكون من عدد - من بضعة إلى ملايين - من الأجهزة المصنعة والمترابطة على ركيزة واحدة من أشباه الموصلات. ^[11]

من بين جميع أشباه الموصلات المستخدمة اليوم ، يشكل السيليكون الجزء الأكبر من حيث الكمية والقيمة التجارية. يستخدم السيليكون أحادي البلورية لإنتاج الرقائق المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات والإلكترونيات. ثانيًا بعد السيليكون ، يعتبر زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ثاني أكثر أشباه الموصلات شيوعًا. نظرًا لارتفاع حركتها الإلكترونية وسرعة تشبعها مقارنةً بالسيليكون ، فهي مادة مفضلة لتطبيقات الإلكترونيات عالية السرعة. هذه الخصائص المتفوقة هي أسباب مقنعة لاستخدام دوائر GaAs في الهواتف المحمولة ، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية ، ووصلات الميكروويف من نقطة إلى نقطة وأنظمة الرادار ذات التردد العالي. وتشمل مواد أشباه الموصلات الأخرى الجرمانيوم ، كربيد السيليكون ، و نيتريد الغاليوم ولها تطبيقات مختلفة.

العلاقة مع المجالات الأخرى

تطور علم المواد ، بدءًا من الخمسينيات من القرن الماضي ، لأنه تم الاعتراف بأنه لإنشاء واكتشاف وتصميم مواد جديدة ، كان على المرء أن يتعامل معها بطريقة موحدة. وهكذا، برزت علوم وهندسة المواد في نواح كثيرة: إعادة تسمية و / أو الجمع بين القائمة التعدين و الهندسة السيراميك الإدارات. الانشقاق عن أبحاث فيزياء الحالة الصلبة الموجودة (تنمو نفسها إلى فيزياء المواد المكثفة ) ؛ سحب في جديدة نسبيا الهندسة البوليمر و العلوم البوليمر . إعادة توحيد من السابق ، وكذلك الكيمياء ، والهندسة الكيميائية ، والهندسة الميكانيكية ، والهندسة الكهربائية . و اكثر.

يعد مجال علوم وهندسة المواد مهمًا من منظور علمي وكذلك في مجال التطبيقات. المواد ذات أهمية قصوى للمهندسين (أو المجالات التطبيقية الأخرى) ، لأن استخدام المواد المناسبة أمر بالغ الأهمية عند تصميم الأنظمة. نتيجة لذلك ، أصبح علم المواد جزءًا مهمًا بشكل متزايد من تعليم المهندس.

المجال متعدد التخصصات بطبيعته ، ويجب أن يكون علماء أو مهندسو المواد على دراية وأن يستفيدوا من أساليب الفيزيائي والكيميائي والمهندس. وبالتالي ، لا تزال هناك علاقات وثيقة مع هذه المجالات. على العكس من ذلك ، يجد العديد من الفيزيائيين والكيميائيين والمهندسين أنفسهم يعملون في علم المواد بسبب التداخلات الكبيرة بين المجالات.

التقنيات الناشئة

التكنولوجيا الناشئة	حالة	التقنيات التي يحتمل أن تكون مهمشة	التطبيقات المحتملة	مقالات ذات صلة
ايرجيل	افتراضي ، تجارب ، انتشار ، الاستخدامات المبكرة [12]	العزل التقليدي والزجاج	عزل محسّن ، زجاج عازل إذا أمكن توضيحه ، أكمام لخطوط أنابيب النفط ، الفضاء ، تطبيقات الحرارة العالية والبرودة الشديدة
معدن غير متبلور	التجارب	كيفلر	درع
البوليمرات الموصلة	البحوث والتجارب والنماذج	الموصلات	أسلاك أخف وزنا وأرخص ، مواد مضادة للكهرباء الساكنة ، خلايا شمسية عضوية
فيمتوتكنولوجي ، بيكوتكنولوجي	افتراضية	النووية الحالية	مواد جديدة أسلحة نووية ، قوة
الفوليرين	التجارب والانتشار	الماس الصناعي وأنابيب الكربون النانوية (ورق البوكي)	مادة قابلة للبرمجة
الجرافين	افتراضي ، تجارب ، انتشار ، الاستخدامات المبكرة [13] [14]	الدائرة المتكاملة القائمة على السيليكون	مكونات ذات نسب أعلى من القوة إلى الوزن ، وترانزستورات تعمل بتردد أعلى ، وتكلفة أقل لشاشات العرض في الأجهزة المحمولة ، وتخزين الهيدروجين للسيارات التي تعمل بخلايا الوقود ، وأنظمة الترشيح ، وبطاريات تدوم طويلاً وشحن أسرع ، وأجهزة استشعار لتشخيص الأمراض [15 ]	التطبيقات المحتملة للجرافين
الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية	أنظمة ترشيح الترددات الراديوية والموجات الدقيقة للمستقبل المبرد (CRFE) لمحطات قواعد الهواتف المحمولة ؛ النماذج الأولية في الجليد الجاف ؛ افتراضي وتجارب لارتفاع درجات الحرارة [16]	الأسلاك النحاسية ، الدوائر المتكاملة أشباه الموصلات	موصلات لا ضياع ، محامل بدون احتكاك ، رفع مغناطيسي ، مراكم عالية السعة بدون خسارة ، سيارات كهربائية ، دوائر ومعالجات متكاملة خالية من الحرارة
LiTraCon	التجارب التي تم استخدامها بالفعل لإنشاء بوابة أوروبا	زجاج	بناء ناطحات سحاب وأبراج ومنحوتات مثل بوابة أوروبا
المواد الخارقة	افتراضي ، تجارب ، انتشار [17]	البصريات الكلاسيكية	المجاهر ، والكاميرات ، التغطية المادة الخارقة ، أجهزة التغطية
رغوة معدنية	البحث والتسويق	هياكل	مستعمرات الفضاء والمدن العائمة
هياكل متعددة الوظائف [18]	تجارب افتراضية ، بعض النماذج ، القليل من الأعمال التجارية	المواد المركبة	نطاق واسع ، على سبيل المثال ، مراقبة الصحة الذاتية ، مواد الشفاء الذاتي ، التحول
المواد النانوية : الأنابيب النانوية الكربونية	افتراضي ، تجارب ، انتشار ، الاستخدامات المبكرة [19] [20]	الهيكلي الصلب و الألومنيوم	أقوى ، مواد أخف ، مصعد الفضاء	التطبيقات المحتملة من أنابيب الكربون النانوية ، من ألياف الكربون
مادة قابلة للبرمجة	التجارب الافتراضية [21] [22]	الطلاء ، المواد الحفازة	مجموعة واسعة ، على سبيل المثال ، علم الأحياء الاصطناعية ، كلايترونيكس
النقاط الكمومية	البحوث والتجارب والنماذج [23]	LCD ، LED	ليزر النقطة الكمومية ، الاستخدام المستقبلي كمادة قابلة للبرمجة في تقنيات العرض (التلفزيون ، الإسقاط) ، اتصالات البيانات الضوئية (نقل البيانات عالي السرعة) ، الطب (مشرط الليزر)
سيليسين	افتراضي ، بحثي	تأثير الترانزستور الميدان

التخصصات الفرعية

الفروع الرئيسية لعلم المواد تنبع من الفئات الرئيسية الثلاث للمواد: السيراميك والمعادن والبوليمرات.

• هندسة السيراميك
• علم المعادن
• علوم البوليمرات و هندسة البوليمر

بالإضافة إلى ذلك ، هناك مساع قابلة للتطبيق على نطاق واسع ، ومواد مستقلة.

• توصيف المواد
• علم المواد الحسابية
• معلوماتية المواد

هناك أيضًا تركيز واسع نسبيًا عبر المواد على ظواهر وتقنيات محددة.

• علم البلورات
• التحليل الطيفي النووي
• علوم السطح
• ترايبولوجي

الحقول ذات الصلة

• فيزياء المادة المكثفة
• علم المعادن
• كيمياء الحالة الصلبة
• فيزياء الحالة الصلبة
• الكيمياء فوق الجزيئية

الجمعيات المهنية

• جمعية الخزف الأمريكية
• ASM الدولية
• جمعية تكنولوجيا الحديد والصلب
• جمعية بحوث المواد
• جمعية المعادن والمعادن والمواد

انظر أيضا

المراجع

الاقتباسات

ببليوغرافيا

• آشبي ، مايكل ؛ هيو شيركليف ديفيد سيبون (2007). المواد: الهندسة والعلوم والمعالجة والتصميم (الطبعة الأولى). بتروورث-هاينمان. رقم ISBN 978-0-7506-8391-3.
• Askeland ، دونالد ر. براديب ب.فولي (2005). علوم وهندسة المواد (الطبعة الخامسة). طومسون للهندسة. رقم ISBN 978-0-534-55396-8.
• كاليستر الابن ، وليام د. (2000). علوم وهندسة المواد - مقدمة (الطبعة الخامسة). جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 978-0-471-32013-5.
• إبرهارت ، مارك (2003). لماذا تنكسر الأشياء: فهم العالم بالطريقة التي يأتي بها منفصلة . انسجام. رقم ISBN 978-1-4000-4760-4.
• جاسكل ، ديفيد ر. (1995). مقدمة في الديناميكا الحرارية للمواد (الطبعة الرابعة). تايلور وفرانسيس للنشر. رقم ISBN 978-1-56032-992-3.
• González-Viñas، W. & Mancini، HL (2004). مقدمة في علم المواد . مطبعة جامعة برينستون. رقم ISBN 978-0-691-07097-1.
• جوردون ، جيمس إدوارد (1984). العلم الجديد للمواد القوية أو لماذا لا تسقط على الأرض (eissue ed.). مطبعة جامعة برينستون. رقم ISBN 978-0-691-02380-9.
• ماثيوز ، فلوريدا ورولينجز ، آر دي (1999). المواد المركبة: الهندسة والعلوم . بوكا راتون: مطبعة اتفاقية حقوق الطفل. رقم ISBN 978-0-8493-0621-1.
• لويس ، العلاقات العامة ؛ رينولدز ، K. & Gagg ، C. (2003). هندسة مواد الطب الشرعي: دراسات الحالة . بوكا راتون: مطبعة اتفاقية حقوق الطفل. رقم ISBN 9780849311826.
• واتشتمان ، جون ب. (1996). الخواص الميكانيكية للسيراميك . نيويورك: Wiley-Interscience ، John Wiley & Son's. رقم ISBN 978-0-471-13316-2.
• ووكر ، ب ، أد. (1993). قاموس الغرف لعلوم وتكنولوجيا المواد . نشر الغرف. رقم ISBN 978-0-550-13249-9.

قراءات إضافية

• الجدول الزمني لعلوم المواد في جمعية المعادن والمعادن والمواد (TMS) - تم الوصول إليه في مارس 2007
• بيرنز ، جي ؛ جليزر ، إيه إم (1990). مجموعات الفضاء للعلماء والمهندسين (الطبعة الثانية). بوسطن: Academic Press ، Inc. ISBN 978-0-12-145761-7.
• كوليتي ، دينار بحريني (1978). عناصر حيود الأشعة السينية (الطبعة الثانية). القراءة ، ماساتشوستس: شركة أديسون ويسلي للنشر. رقم ISBN 978-0-534-55396-8.
• جياكوفازو ، سي ؛ موناكو HL ؛ فيتيربو د سكورداري ف جيلي جي زانوتي جي كاتي م (1992). أساسيات علم البلورات . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد . رقم ISBN 978-0-19-855578-0.
• أخضر ، دي جي ؛ حنينك ، ر. سوين ، إم في (1989). تحويل تشديد السيراميك . بوكا راتون: مطبعة اتفاقية حقوق الطفل. رقم ISBN 978-0-8493-6594-2.
• لوفيسي ، سو (1984). نظرية تشتت النيوترونات من المادة المكثفة ؛ المجلد 1: تشتت النيوترونات . أكسفورد: مطبعة كلارندون. رقم ISBN 978-0-19-852015-3.
• لوفيسي ، سو (1984). نظرية تشتت النيوترونات من المادة المكثفة ؛ المجلد 2: المادة المكثفة . أكسفورد: مطبعة كلارندون. رقم ISBN 978-0-19-852017-7.
• O'Keeffe ، M. ؛ هايد ، BG (1996). الهياكل البلورية I. الأنماط والتماثل . Zeitschrift für Kristallographie . 212 . واشنطن العاصمة: الجمعية المعدنية الأمريكية ، سلسلة مونوغراف. ص. 899. بيب كود : 1997ZK .... 212..899K . دوى : 10.1524 / zkri.1997.212.12.899 . رقم ISBN 978-0-939950-40-9.
• سكوايرز ، جي إل (1996). مقدمة في نظرية تشتت النيوترونات الحرارية (الطبعة الثانية). مينيولا ، نيويورك: منشورات دوفر ISBN 978-0-486-69447-4.
• يونغ ، را ، أد. (1993). طريقة ريتفيلد . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد والاتحاد الدولي لعلم البلورات. رقم ISBN 978-0-19-855577-3.

روابط خارجية

• مؤتمر MS & T نظمته جمعيات المواد الرئيسية
• MIT OpenCourseWare for MSE
• علم المواد في Curlie