Ciência de materiais

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O campo interdisciplinar da ciência dos materiais , também comumente denominado ciência e engenharia dos materiais , abrange o projeto e a descoberta de novos materiais, especialmente os sólidos . As origens intelectuais da ciência dos materiais derivam da Idade do Iluminismo , quando os pesquisadores começaram a usar o pensamento analítico da química , da física e da engenharia para compreender observações fenomenológicas antigas em metalurgia e mineralogia . [1] [2]A ciência dos materiais ainda incorpora elementos da física, química e engenharia. Como tal, o campo foi por muito tempo considerado por instituições acadêmicas como um subcampo desses campos relacionados. A partir da década de 1940, a ciência dos materiais começou a ser mais amplamente reconhecida como um campo específico e distinto da ciência e da engenharia, e as principais universidades técnicas em todo o mundo criaram escolas dedicadas a seu estudo.

Os cientistas de materiais enfatizam a compreensão de como a história de um material ( processamento ) influencia sua estrutura e, portanto, as propriedades e o desempenho do material. A compreensão das relações entre a estrutura e as propriedades de processamento é chamada de paradigma dos materiais. Este paradigma é usado para avançar o entendimento em uma variedade de áreas de pesquisa, incluindo nanotecnologia , biomateriais e metalurgia .

A ciência dos materiais também é uma parte importante da engenharia forense e da análise de falhas  - investigando materiais, produtos, estruturas ou componentes que falham ou não funcionam como planejado, causando ferimentos pessoais ou danos à propriedade. Essas investigações são essenciais para compreender, por exemplo, as causas de vários acidentes e incidentes de aviação .

História

Uma espada ou lâmina de adaga do final da Idade do Bronze

O material escolhido para uma determinada época costuma ser um ponto decisivo. Frases como Idade da Pedra , Idade do Bronze , Idade do Ferro e Idade de aço são históricas, se exemplos arbitrários. Derivando originalmente da manufatura de cerâmica e de sua suposta metalurgia derivada, a ciência dos materiais é uma das formas mais antigas de engenharia e ciência aplicada. A ciência dos materiais modernos evoluiu diretamente da metalurgia , que por sua vez evoluiu da mineração e (provavelmente) da cerâmica e, mais cedo, do uso do fogo. Um grande avanço na compreensão dos materiais ocorreu no final do século 19, quando o cientista americano Josiah Willard Gibbs demonstrou que oAs propriedades termodinâmicas relacionadas à estrutura atômica em várias fases estão relacionadas às propriedades físicas de um material. Elementos importantes da ciência moderna dos materiais foram produtos da corrida espacial ; o entendimento e a engenharia dos metálicos ligas , e sílica e carbono materiais, utilizados na construção de veículos espaciais que permitem a exploração do espaço. A ciência dos materiais impulsionou e foi impulsionada pelo desenvolvimento de tecnologias revolucionárias, como borrachas , plásticos , semicondutores e biomateriais .

Antes da década de 1960 (e em alguns casos décadas depois), muitos departamentos de ciência de materiais eram departamentos de metalurgia ou engenharia de cerâmica , refletindo a ênfase do século 19 e início do 20 em metais e cerâmicas. O crescimento da ciência dos materiais nos Estados Unidos foi catalisado em parte pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada , que financiou uma série de laboratórios patrocinados por universidades no início dos anos 1960, "para expandir o programa nacional de pesquisa básica e treinamento em ciências dos materiais. " [3] O campo desde então foi ampliado para incluir todas as classes de materiais, incluindo cerâmicas , polímeros , semicondutores ,materiais magnéticos , biomateriais e nanomateriais , geralmente classificados em três grupos distintos: cerâmicas, metais e polímeros. A mudança proeminente na ciência dos materiais durante as últimas décadas é o uso ativo de simulações de computador para encontrar novos materiais, prever propriedades e compreender fenômenos.

Fundamentos

O paradigma dos materiais representado na forma de um tetraedro

Um material é definido como uma substância (geralmente um sólido, mas outras fases condensadas podem ser incluídas) que se destina a ser usado para certas aplicações. [4] Há uma miríade de materiais ao nosso redor; eles podem ser encontrados em qualquer coisa, desde edifícios e carros a espaçonaves. As principais classes de materiais são metais , semicondutores , cerâmicas e polímeros . [5] Materiais novos e avançados que estão sendo desenvolvidos incluem nanomateriais , biomateriais , [6] e materiais de energia, para citar alguns.

A base da ciência dos materiais é estudar a interação entre a estrutura dos materiais, os métodos de processamento para fazer esse material e as propriedades do material resultante. A combinação complexa desses produzem o desempenho de um material em uma aplicação específica. Muitos recursos em muitas escalas de comprimento afetam o desempenho do material, desde os elementos químicos constituintes, sua microestrutura e recursos macroscópicos do processamento. Juntamente com as leis da termodinâmica e da cinética de materiais, os cientistas pretendem compreender e melhorar os materiais.

Estrutura

A estrutura é um dos componentes mais importantes do campo da ciência dos materiais. A ciência dos materiais examina a estrutura dos materiais desde a escala atômica até a escala macro. Caracterização é a forma como os cientistas de materiais examinam a estrutura de um material. Isso envolve métodos como difração com raios-X , elétrons ou nêutrons e várias formas de espectroscopia e análise química , como espectroscopia Raman , espectroscopia de energia dispersiva , cromatografia , análise térmica , análise de microscópio eletrônico , etc.

A estrutura é estudada nos seguintes níveis.

Estrutura atômica

A estrutura atômica lida com os átomos dos materiais e como eles são organizados para dar origem às moléculas, cristais, etc. Muitas das propriedades elétricas, magnéticas e químicas dos materiais surgem desse nível de estrutura. As escalas de comprimento envolvidas estão em angstroms ( Å ). A ligação química e o arranjo atômico (cristalografia) são fundamentais para estudar as propriedades e o comportamento de qualquer material.

União

Para obter uma compreensão completa da estrutura do material e como ela se relaciona com suas propriedades, o cientista de materiais deve estudar como os diferentes átomos, íons e moléculas estão organizados e ligados uns aos outros. Isso envolve o estudo e uso da química quântica ou física quântica . A física do estado sólido , a química do estado sólido e a físico-química também estão envolvidas no estudo de ligações e estrutura.

Cristalografia
Estrutura cristalina de uma perovskita com fórmula química ABX 3 [7]

A cristalografia é a ciência que examina o arranjo dos átomos em sólidos cristalinos. A cristalografia é uma ferramenta útil para cientistas de materiais. Em cristais únicos , os efeitos do arranjo cristalino dos átomos costumam ser fáceis de ver macroscopicamente, porque as formas naturais dos cristais refletem a estrutura atômica. Além disso, as propriedades físicas são frequentemente controladas por defeitos cristalinos. A compreensão das estruturas cristalinas é um pré-requisito importante para a compreensão dos defeitos cristalográficos . Na maioria das vezes, os materiais não ocorrem como um único cristal, mas na forma policristalina, como um agregado de pequenos cristais ou grãos com diferentes orientações. Por causa disso, o método de difração de pó, que usa padrões de difração de amostras policristalinas com um grande número de cristais, desempenha um papel importante na determinação estrutural. A maioria dos materiais tem uma estrutura cristalina, mas alguns materiais importantes não exibem uma estrutura cristalina regular. Os polímeros exibem vários graus de cristalinidade e muitos são completamente não cristalinos. O vidro , algumas cerâmicas e muitos materiais naturais são amorfos , não possuindo qualquer ordem de longo alcance em seus arranjos atômicos. O estudo de polímeros combina elementos da termodinâmica química e estatística para fornecer descrições termodinâmicas e mecânicas das propriedades físicas.

Nanoestrutura

Buckminsterfullerene nanoestrutura

Os materiais, cujos átomos e moléculas formam constituintes na nanoescala (ou seja, eles formam a nanoestrutura) são chamados de nanomateriais. Os nanomateriais são objeto de intensa pesquisa na comunidade da ciência dos materiais devido às propriedades únicas que exibem.

A nanoestrutura lida com objetos e estruturas que estão na faixa de 1 a 100 nm. [8] Em muitos materiais, átomos ou moléculas aglomeram-se para formar objetos em nanoescala. Isso causa muitas propriedades elétricas, magnéticas, ópticas e mecânicas interessantes.

Ao descrever nanoestruturas, é necessário diferenciar entre o número de dimensões na nanoescala .

Superfícies nanotexturadas têm uma dimensão na nanoescala, ou seja, apenas a espessura da superfície de um objeto está entre 0,1 e 100 nm.

Os nanotubos têm duas dimensões na nanoescala, ou seja, o diâmetro do tubo está entre 0,1 e 100 nm; seu comprimento pode ser muito maior.

Por fim, as nanopartículas esféricas possuem três dimensões na nanoescala, ou seja, a partícula está entre 0,1 e 100 nm em cada dimensão espacial. Os termos nanopartículas e partículas ultrafinas (UFP) são frequentemente usados ​​como sinônimos, embora UFP possa atingir a faixa de micrômetros. O termo 'nanoestrutura' é freqüentemente usado, quando se refere à tecnologia magnética. A estrutura em nanoescala em biologia é freqüentemente chamada de ultraestrutura .

Microestrutura

Microestrutura de perlita

A microestrutura é definida como a estrutura de uma superfície preparada ou folha fina de material revelada por um microscópio com ampliação acima de 25 ×. Ele lida com objetos de 100 nm a alguns cm. A microestrutura de um material (que pode ser amplamente classificado em metálico, polimérico, cerâmico e composto) pode influenciar fortemente as propriedades físicas, como resistência, tenacidade, ductilidade, dureza, resistência à corrosão, comportamento de alta / baixa temperatura, resistência ao desgaste e assim por diante . A maioria dos materiais tradicionais (como metais e cerâmicas) são microestruturados.

A fabricação de um cristal perfeito de um material é fisicamente impossível. Por exemplo, qualquer material cristalino conterá defeitos como precipitados , limites de grãos (relação Hall-Petch ), espaços vazios , átomos intersticiais ou átomos substitucionais. A microestrutura dos materiais revela esses defeitos maiores e os avanços na simulação permitiram uma maior compreensão de como os defeitos podem ser usados ​​para melhorar as propriedades do material.

Macroestrutura

A macroestrutura é o aparecimento de um material na escala de milímetros a metros, é a estrutura do material vista a olho nu.

Propriedades

Os materiais exibem inúmeras propriedades, incluindo as seguintes.

As propriedades de um material determinam sua usabilidade e, portanto, sua aplicação de engenharia.

Processando

A síntese e o processamento envolvem a criação de um material com a micro-nanoestrutura desejada. Do ponto de vista da engenharia, um material não pode ser usado na indústria, se nenhum método de produção econômico para ele foi desenvolvido. Assim, o processamento de materiais é vital para o campo da ciência dos materiais. Diferentes materiais requerem diferentes métodos de processamento ou síntese. Por exemplo, o processamento de metais tem sido historicamente muito importante e é estudado no ramo da ciência dos materiais denominado metalurgia física . Além disso, métodos químicos e físicos também são usados ​​para sintetizar outros materiais, como polímeros , cerâmicas , filmes finos, etc. A partir do início do século 21, novos métodos estão sendo desenvolvidos para sintetizar nanomateriais como o grafeno .

Termodinâmica

Um diagrama de fase para um sistema binário exibindo um ponto eutético

A termodinâmica se preocupa com o calor e a temperatura e sua relação com a energia e o trabalho . Ele define variáveis macroscópicas , como energia interna , entropia e pressão, que descreve parcialmente um corpo de matéria ou radiação. Afirma que o comportamento dessas variáveis ​​está sujeito a restrições gerais comuns a todos os materiais. Essas restrições gerais são expressas nas quatro leis da termodinâmica. A termodinâmica descreve o comportamento do corpo em massa, não os comportamentos microscópicos de um grande número de seus constituintes microscópicos, como as moléculas. O comportamento dessas partículas microscópicas é descrito e as leis da termodinâmica são derivadas da mecânica estatística .

O estudo da termodinâmica é fundamental para a ciência dos materiais. Ele forma a base para tratar fenômenos gerais na ciência e engenharia de materiais, incluindo reações químicas, magnetismo, polarizabilidade e elasticidade. Também ajuda na compreensão de diagramas de fase e equilíbrio de fase.

Kinetics

A cinética química é o estudo das taxas nas quais os sistemas que estão fora de equilíbrio mudam sob a influência de várias forças. Quando aplicado à ciência dos materiais, trata de como um material muda com o tempo (passa do estado de desequilíbrio para o estado de equilíbrio) devido à aplicação de um determinado campo. Ele detalha a taxa de vários processos em evolução nos materiais, incluindo forma, tamanho, composição e estrutura. A difusão é importante no estudo da cinética, pois este é o mecanismo mais comum pelo qual os materiais sofrem alterações. A cinética é essencial no processamento de materiais porque, entre outras coisas, ela detalha como a microestrutura muda com a aplicação de calor.

Pesquisa

A ciência dos materiais é uma área de pesquisa altamente ativa. Junto com os departamentos de ciência de materiais, física , química e muitos departamentos de engenharia estão envolvidos na pesquisa de materiais. A pesquisa de materiais cobre uma ampla gama de tópicos, seguindo uma lista não exaustiva que destaca algumas áreas de pesquisa importantes.

Nanomateriais

Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura de feixes de nanotubos de carbono

Os nanomateriais descrevem, em princípio, materiais em que uma única unidade é dimensionada (em pelo menos uma dimensão) entre 1 e 1000 nanômetros ( 10-9 metros), mas geralmente é de 1 nm - 100 nm. A pesquisa de nanomateriais tem uma abordagem baseada na ciência dos materiais para a nanotecnologia , usando avanços na metrologia e síntese de materiais , que foram desenvolvidos para apoiar a microfabricaçãopesquisar. Os materiais com estrutura em nanoescala costumam ter propriedades óticas, eletrônicas ou mecânicas exclusivas. O campo dos nanomateriais é vagamente organizado, como o campo tradicional da química, em nanomateriais orgânicos (baseados em carbono), como os fulerenos, e nanomateriais inorgânicos com base em outros elementos, como o silício. Exemplos de nanomateriais incluem fulerenos , nanotubos de carbono , nanocristais , etc.

Biomaterials

O nácar iridescente dentro de uma concha de nautilus

Um biomaterial é qualquer matéria, superfície ou construção que interage com sistemas biológicos. O estudo dos biomateriais é denominado ciência dos biomateriais . Ela experimentou um crescimento sólido e constante ao longo de sua história, com muitas empresas investindo grandes quantias de dinheiro no desenvolvimento de novos produtos. A ciência dos biomateriais engloba elementos da medicina , biologia , química , engenharia de tecidos e ciência dos materiais.

Os biomateriais podem ser derivados da natureza ou sintetizados em um laboratório usando uma variedade de abordagens químicas usando componentes metálicos, polímeros , biocerâmicas ou materiais compostos . Freqüentemente, são destinados ou adaptados para aplicações médicas, como dispositivos biomédicos que realizam, aumentam ou substituem uma função natural. Essas funções podem ser benignas, como sendo usadas para uma válvula cardíaca , ou podem ser bioativas com uma funcionalidade mais interativa, como implantes de quadril revestidos com hidroxilapatita. Os biomateriais também são usados ​​todos os dias em aplicações odontológicas, cirurgia e distribuição de medicamentos. Por exemplo, uma construção com produtos farmacêuticos impregnados pode ser colocada no corpo, o que permite a liberação prolongada de um medicamento por um período de tempo prolongado. Um biomaterial também pode ser um autoenxerto , aloenxerto ou xenoenxerto usado como material de transplante de órgão .

Eletrônico, óptico e magnético

Semicondutores, metais e cerâmicas são usados ​​hoje para formar sistemas altamente complexos, como circuitos eletrônicos integrados, dispositivos optoeletrônicos e meios de armazenamento de massa ópticos e magnéticos. Esses materiais constituem a base de nosso mundo moderno de computação e, portanto, a pesquisa desses materiais é de vital importância.

Os semicondutores são um exemplo tradicional desses tipos de materiais. São materiais que possuem propriedades intermediárias entre condutores e isoladores . Suas condutividades elétricas são muito sensíveis à concentração de impurezas, o que permite o uso de dopagem para atingir propriedades eletrônicas desejáveis. Conseqüentemente, os semicondutores formam a base do computador tradicional.

Este campo também inclui novas áreas de pesquisa, como materiais supercondutores , spintrônica , metamateriais , etc. O estudo desses materiais envolve o conhecimento da ciência dos materiais e da física do estado sólido ou física da matéria condensada .

Ciência de materiais computacional

Com o aumento contínuo do poder de computação, a simulação do comportamento dos materiais tornou-se possível. Isso permite que os cientistas de materiais compreendam o comportamento e os mecanismos, projetem novos materiais e expliquem propriedades antes mal compreendidas. Os esforços em torno da engenharia de materiais computacional integrada estão agora se concentrando na combinação de métodos computacionais com experimentos para reduzir drasticamente o tempo e o esforço para otimizar as propriedades dos materiais para uma determinada aplicação. Isso envolve a simulação de materiais em todas as escalas de comprimento, usando métodos como teoria funcional da densidade , dinâmica molecular , Monte Carlo , dinâmica de deslocamento, campo de fase , elemento finito e muitos mais.

Indústria

Os avanços radicais dos materiais podem levar à criação de novos produtos ou mesmo de novas indústrias, mas as indústrias estáveis ​​também empregam cientistas de materiais para fazer melhorias incrementais e solucionar problemas com os materiais usados ​​atualmente. As aplicações industriais da ciência dos materiais incluem design de materiais, compensações de custo-benefício na produção industrial de materiais, métodos de processamento ( fundição , laminação , soldagem , implantação de íons , crescimento de cristal , deposição de filme fino , sinterização , sopragem de vidro , etc.) e métodos analíticos (métodos de caracterização, como microscopia eletrônica ,Difração de raios-X , calorimetria , microscopia nuclear (HEFIB) , retroespalhamento de Rutherford , difração de nêutrons , espalhamento de raios-X de baixo ângulo (SAXS), etc.).

Além da caracterização de materiais, o cientista ou engenheiro de materiais também lida com a extração de materiais e sua conversão em formas úteis. Assim, fundição de lingotes, métodos de fundição, extração de alto-forno e extração eletrolítica fazem parte do conhecimento necessário de um engenheiro de materiais. Freqüentemente, a presença, ausência ou variação de pequenas quantidades de elementos secundários e compostos em um material a granel afetará muito as propriedades finais dos materiais produzidos. Por exemplo, os aços são classificados com base nas porcentagens de 1/10 e 1/100 em peso do carbono e outros elementos de liga que eles contêm. Assim, os métodos de extração e purificação usados ​​para extrair o ferro em um alto-forno podem afetar a qualidade do aço produzido.

Materiais cerâmicos e vidros

Peças de rolamento de cerâmica Si 3 N 4

Outra aplicação da ciência dos materiais é o estudo de cerâmicas e vidros , normalmente os materiais mais frágeis com relevância industrial. Muitas cerâmicas e vidros exibem ligação covalente ou iônico-covalente com SiO 2 ( sílica ) como um bloco de construção fundamental. Cerâmica - não deve ser confundida com argila crua e crua- são geralmente vistos na forma cristalina. A grande maioria dos vidros comerciais contém um óxido de metal fundido com sílica. Nas altas temperaturas usadas para preparar o vidro, o material é um líquido viscoso que se solidifica em um estado desordenado após o resfriamento. Vidraças e óculos são exemplos importantes. As fibras de vidro também são usadas para telecomunicações de longo alcance e transmissão óptica. O Corning Gorilla Glass resistente a arranhões é um exemplo bem conhecido da aplicação da ciência dos materiais para melhorar drasticamente as propriedades de componentes comuns.

As cerâmicas de engenharia são conhecidas por sua rigidez e estabilidade sob altas temperaturas, compressão e estresse elétrico. Alumina, carboneto de silício e carboneto de tungstênio são feitos de um pó fino de seus constituintes em um processo de sinterização com um ligante. A prensagem a quente fornece material de maior densidade. A deposição de vapor químico pode colocar um filme de cerâmica em outro material. Cermets são partículas de cerâmica que contêm alguns metais. A resistência ao desgaste das ferramentas é derivada de carbonetos cimentados com a fase metálica de cobalto e níquel normalmente adicionada para modificar as propriedades.

Composites

Um filamento de carbono de 6 μm de diâmetro (indo do canto inferior esquerdo ao superior direito) localizado no topo do cabelo humano muito maior

Outra aplicação da ciência dos materiais na indústria é a fabricação de materiais compostos . São materiais estruturados compostos por duas ou mais fases macroscópicas.

As aplicações variam de elementos estruturais, como concreto armado com aço, a telhas de isolamento térmico, que desempenham um papel fundamental e integral no sistema de proteção térmica do ônibus espacial da NASA , que é usado para proteger a superfície do ônibus do calor de reentrada na atmosfera da Terra. Um exemplo é o carbono-carbono reforçado (RCC), o material cinza claro, que resiste a temperaturas de reentrada de até 1.510 ° C (2.750 ° F) e protege as bordas de ataque das asas e a tampa do nariz do ônibus espacial. RCC é um material compósito laminado feito de tecido de raiom de grafite e impregnado com uma resina fenólica. Após a cura em alta temperatura em uma autoclave, o laminado é pirolisado para converter a resina em carbono, impregnado com álcool furfural em uma câmara a vácuo e curado-pirolisado para converter o álcool furfural em carbono. Para fornecer resistência à oxidação para capacidade de reutilização, as camadas externas do RCC são convertidas em carboneto de silício .

Outros exemplos podem ser vistos nas caixas de "plástico" de aparelhos de televisão, telefones celulares e assim por diante. Esses invólucros de plástico são geralmente um material composto feito de uma matriz termoplástica, como acrilonitrila butadieno estireno (ABS), na qual giz de carbonato de cálcio , talco , fibras de vidro ou fibras de carbono foram adicionados para maior resistência, volume ou dispersão eletrostática. Essas adições podem ser denominadas fibras de reforço ou dispersantes, dependendo de sua finalidade.

Polímeros

A unidade de repetição do polipropileno de polímero
Embalagem de polímero de poliestireno expandido

Os polímeros são compostos químicos constituídos por um grande número de componentes idênticos ligados entre si como cadeias. Eles são uma parte importante da ciência dos materiais. Os polímeros são as matérias-primas (as resinas) usadas para fazer o que é comumente chamado de plásticos e borracha. Plásticos e borracha são realmente o produto final, criado após um ou mais polímeros ou aditivos terem sido adicionados a uma resina durante o processamento, que é então moldada em uma forma final. Os plásticos que existem e estão atualmente em uso generalizado incluem polietileno , polipropileno , cloreto de polivinila (PVC), poliestireno , nylons , poliésteres , acrílicos ,poliuretanos e policarbonatos e também borrachas, que existem são borracha natural, borracha de estireno-butadieno , cloropreno e borracha de butadieno . Os plásticos são geralmente classificados como commodities , especiais e plásticos de engenharia .

O cloreto de polivinila (PVC) é amplamente utilizado, barato e as quantidades de produção anual são grandes. Ele se presta a uma vasta gama de aplicações, de couro artificial a isolamento elétrico e cabeamento, embalagens e contêineres . Sua fabricação e processamento são simples e bem estabelecidos. A versatilidade do PVC se deve à ampla gama de plastificantes e outros aditivos que aceita. O termo "aditivos" na ciência do polímero refere-se aos produtos químicos e compostos adicionados à base do polímero para modificar as propriedades do material.

O policarbonato seria normalmente considerado um plástico de engenharia (outros exemplos incluem PEEK, ABS). Esses plásticos são avaliados por sua resistência superior e outras propriedades de materiais especiais. Eles geralmente não são usados ​​para aplicações descartáveis, ao contrário dos plásticos commodities.

Plásticos especiais são materiais com características únicas, como ultra-alta resistência, condutividade elétrica, eletro-fluorescência, alta estabilidade térmica, etc.

As linhas divisórias entre os vários tipos de plásticos não se baseiam no material, mas sim em suas propriedades e aplicações. Por exemplo, o polietileno (PE) é um polímero barato de baixo atrito comumente usado para fazer sacolas descartáveis ​​para compras e lixo, e é considerado um plástico de commodity, enquanto o polietileno de média densidade (MDPE) é usado para tubulações subterrâneas de gás e água, e outra variedade chamada polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) é um plástico de engenharia amplamente usado como trilhos deslizantes para equipamentos industriais e soquete de baixo atrito em articulações de quadril implantadas .

Ligas metálicas

Cabo de aço feito de liga de aço

O estudo de ligas metálicas é uma parte significativa da ciência dos materiais. De todas as ligas metálicas em uso hoje, as ligas de ferro ( aço , aço inoxidável , ferro fundido , aço ferramenta , aços-liga ) constituem a maior proporção tanto em quantidade quanto em valor comercial.

Ferro ligado com várias proporções de carbono dá aços de baixo, médio e alto carbono . Uma liga de ferro-carbono só é considerada aço se o teor de carbono estiver entre 0,01% e 2,00%. Para os aços, a dureza e a resistência à tração do aço estão relacionadas à quantidade de carbono presente, com o aumento dos níveis de carbono levando também a uma menor ductilidade e tenacidade. Processos de tratamento térmico, como têmpera e revenido, podem alterar significativamente essas propriedades. Ferro fundido é definido como uma liga de ferro-carbono com mais de 2,00%, mas menos de 6,67% de carbono. O aço inoxidável é definido como uma liga de aço normal com teor de liga de cromo superior a 10% em peso. O níquel e o molibdênio também são normalmente encontrados nos aços inoxidáveis.

Outras ligas metálicas importantes são as de alumínio , titânio , cobre e magnésio . As ligas de cobre são conhecidas há muito tempo (desde a Idade do Bronze), enquanto as ligas dos outros três metais foram desenvolvidas relativamente recentemente. Devido à reatividade química desses metais, os processos de extração eletrolítica necessários foram desenvolvidos apenas há relativamente pouco tempo. As ligas de alumínio, titânio e magnésio também são conhecidas e valorizadas por sua alta resistência em relação ao peso e, no caso do magnésio, por sua capacidade de fornecer blindagem eletromagnética. Esses materiais são ideais para situações em que as altas taxas de resistência e peso são mais importantes do que o custo a granel, como na indústria aeroespacial e certas aplicações de engenharia automotiva.

Semiconductors

O estudo de semicondutores é uma parte significativa da ciência dos materiais. Um semicondutor é um material que possui uma resistividade entre um metal e um isolador. Suas propriedades eletrônicas podem ser grandemente alteradas através da introdução intencional de impurezas ou dopagem. A partir desses materiais semicondutores, coisas como diodos , transistores , diodos emissores de luz (LEDs) e circuitos elétricos analógicos e digitais podem ser construídos, tornando-os materiais de interesse na indústria. Dispositivos semicondutores substituíram dispositivos termiônicos (tubos de vácuo) na maioria das aplicações. Dispositivos semicondutores são fabricados tanto como dispositivos discretos individuais quanto como circuitos integrados(ICs), que consistem em um número - de alguns a milhões - de dispositivos fabricados e interconectados em um único substrato semicondutor. [11]

De todos os semicondutores em uso hoje, o silício representa a maior parte, tanto em quantidade quanto em valor comercial. O silício monocristalino é usado para produzir wafers usados ​​na indústria de semicondutores e eletrônica. Depois do silício, o arsenieto de gálio (GaAs) é o segundo semicondutor mais popular usado. Devido à sua maior mobilidade de elétrons e velocidade de saturação em comparação ao silício, é um material de escolha para aplicações eletrônicas de alta velocidade. Essas propriedades superiores são razões convincentes para usar o circuito GaAs em telefones celulares, comunicações por satélite, links ponto a ponto de micro-ondas e sistemas de radar de alta frequência. Outros materiais semicondutores incluem germânio , carboneto de silício e nitreto de gálio e tem várias aplicações.

Relação com outros campos

A ciência dos materiais evoluiu, a partir da década de 1950, porque se reconheceu que, para criar, descobrir e projetar novos materiais, era preciso abordá-los de forma unificada. Assim, a ciência dos materiais e a engenharia surgiram de várias maneiras: renomeando e / ou combinando os departamentos de engenharia de metalurgia e cerâmica existentes ; separação da pesquisa existente em física de estado sólido (ela própria crescendo em física de matéria condensada ); puxando em engenharia de polímero relativamente nova e ciência de polímeros ; recombinação a partir do anterior, bem como química , engenharia química , engenharia mecânica , eengenharia elétrica ; e mais.

O campo da ciência e engenharia de materiais é importante tanto do ponto de vista científico, quanto para o campo de aplicações. Os materiais são de extrema importância para os engenheiros (ou outros campos aplicados), porque o uso dos materiais apropriados é crucial ao projetar sistemas. Como resultado, a ciência dos materiais é uma parte cada vez mais importante da educação de um engenheiro.

O campo é inerentemente interdisciplinar , e os cientistas ou engenheiros de materiais devem estar cientes e fazer uso dos métodos do físico, químico e engenheiro. Assim, permanecem relações estreitas com esses campos. Por outro lado, muitos físicos, químicos e engenheiros trabalham na ciência dos materiais devido às sobreposições significativas entre os campos.

Tecnologias emergentes

Tecnologia emergente Status Tecnologias potencialmente marginalizadas Aplicações potenciais Artigos relacionados
Aerogel Hipotético, experimentos, difusão,

primeiros usos [12]

Isolamento tradicional, vidro Isolamento aprimorado, vidro isolante se puder ser transparente, luvas para oleodutos, aeroespacial, aplicações de alto calor e frio extremo
Metal amorfo Experimentos Kevlar armaduras
Polímeros condutores Pesquisa, experimentos, protótipos Maestros Fios mais leves e baratos, materiais antiestáticos, células solares orgânicas
Femtotecnologia , picotecnologia Hipotético Nuclear presente Novos materiais; armas nucleares, poder
Fulereno Experimentos, difusão Diamante sintético e nanotubos de carbono (Buckypaper) Matéria programável
Grafeno Hipotético, experimentos, difusão,

primeiros usos [13] [14]

Circuito integrado baseado em silício Componentes com maior resistência à razão de peso, transistores que operam em maior frequência, menor custo de telas em dispositivos móveis, armazenamento de hidrogênio para carros movidos a célula de combustível, sistemas de filtração, baterias mais duradouras e de carregamento mais rápido, sensores para diagnosticar doenças [15 ] Potenciais aplicações de grafeno
Supercondutividade de alta temperatura Front-end de receptor criogênico (CRFE) RF e sistemas de filtro de micro-ondas para estações rádio-base de telefonia móvel; protótipos em gelo seco ; Hipotético e experimentos para temperaturas mais altas [16] Fio de cobre, circuitos integrais de semicondutores Sem perda de condutores, rolamentos sem fricção, levitação magnética , acumuladores de alta capacidade sem perdas , carros elétricos , circuitos integrais e processadores livres de calor
LiTraCon Experimentos, já usados ​​para fazer o Europe Gate Copo Construir arranha-céus, torres e esculturas como o Portão da Europa
Metamateriais Hipotético, experimentos, difusão [17] Ótica clássica Microscópios , câmeras , camuflagem de metamateriais , dispositivos de camuflagem
Espuma de metal Pesquisa, comercialização Cascos Colônias espaciais , cidades flutuantes
Estruturas multifuncionais [18] Hipotético, experimentos, alguns protótipos, poucos comerciais Materiais compostos Vasta gama, por exemplo, monitoramento de auto-saúde, material de auto-cura , metamorfose
Nanomateriais : nanotubos de carbono Hipotético, experimentos, difusão,

primeiros usos [19] [20]

Aço estrutural e alumínio Materiais mais fortes e leves, o elevador espacial Potenciais aplicações de nanotubos de carbono , fibra de carbono
Matéria programável Hipotético, experimentos [21] [22] Revestimentos , catalisadores Vasta gama, por exemplo, claytronics , biologia sintética
Pontos quânticos Pesquisa, experimentos, protótipos [23] LCD , LED Laser de pontos quânticos , uso futuro como matéria programável em tecnologias de exibição (TV, projeção), comunicações ópticas de dados (transmissão de dados em alta velocidade), medicina (bisturi a laser)
Siliceno Hipotético, pesquisa Transistores de efeito de campo

Subdisciplinas

Os principais ramos da ciência dos materiais derivam das três classes principais de materiais: cerâmica, metais e polímeros.

Existem, adicionalmente, esforços independentes de materiais amplamente aplicáveis.

Existem também enfoques relativamente amplos em materiais em fenômenos e técnicas específicos.

Áreas afins

Sociedades profissionais

Veja também

Referências

Citations

  1. ^ Eddy, Matthew Daniel (2008). The Language of Mineralogy: John Walker, Chemistry and the Edinburgh Medical School 1750–1800 . Ashgate. Arquivado do original em 03/09/2015.
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Bibliografia

Leitura adicional


Ligações externas