Матеріалознавство: відмінності між версіями
| [перевірена версія] | [перевірена версія] |
Вилучено вміст Додано вміст
Shkod (обговорення | внесок) Немає опису редагування |
Shkod (обговорення | внесок) Немає опису редагування |
||
Рядок 79:
Властивості відображають реакцію матеріалу на дію зовнішніх факторів та довкілля, за фізичними, хімічними, біомедичними і технологічними характеристиками бувають структурно-чутливими та нечутливими. [[Механічні властивості матеріалу|Механічні властивості]] визначають шляхом навантажування стандартних зразків у полі механічних сил, магнітні — під впливом магнітного поля, оптичні — внаслідок пропускання світла. Кількісні характеристики використовують як параметри для взаємного порівняння матеріалів. Властивості можуть бути постійними або з функцією незалежних змінних параметрів, таких, як напруга, температура, тиск. Вони залежать від напрямку в матеріалі, в якому їх вимірюють, тобто демонструють анізотропію та текстуру. Властивості матеріалів, що стосуються 2-х різних фізичних явищ, часто мають лінійну (або приблизно лінійну) залежність в заданому робочому діапазоні. Цю залежність розглядають як усталену для цього діапазону. Лінеаризації дають змогу значно спростити форму запису диференціальних визначальних рівнянь, що описують відповідні властивості.
== Сучасний стан науки ==
Історично склалось так, що до середини XX ст. у науковому світі поняття «матеріалознавство» повністю асоціювалось з поняттям «металознавство». Починаючи з 1960-х років ця галузь науки суттєво розширилась і включає значно ширший спектр досліджуваних матеріа¬лів, у тому числі метали та їх сплави, що зберегли свою провідну роль як конструкційні матеріали, ке¬ра¬мі¬ку, по¬лі¬мер¬ні ма¬те¬ріа¬ли, ком¬по¬зи¬ційні ма¬те¬ріали, скло, напівпровідникові матеріали, магнітні матеріали, біоматеріали, органічні матеріали.
=== Металургія ===
{{Main|Металургія}}
До головних напрямів розвитку металургії на сучасному етапі належать:
* удосконалення технологій отримання металів та виробів з них (безперервне розливання сталі, електрометалургійні технології, направлена кристалізація, модифікування поверхні сталі лазерним обробленням, плазмохімічне легування, іонна імплантація поверхні, порошкова металургія тощо);
* підвищення міцності, зносостійкості та корозійної тривкості сталей при високих тисках і температурах;
* створення комплексно-легованих сплавів з мінімальним вмістом дефіцитних металів та дешевих жаротривких сплавів на основі алюмінатів заліза і нікелю;
* отримання нових металевих матеріалів (надчисті метали, аморфні магнітні сплави, корозіє тривкі біологічно сумісні сплави, сплави з пам'яттю форми тощо).
=== Створення та використання полімерних матеріалів ===
Важливими показниками науково-технічного прогресу у багатьох галузях є рівень і темпи зростання виробництва та використання полімерних матеріалів, їх номенклатура та якість. Становлення науки про полімери тісно пов'язане з прикладними аспектами їх використання. Дослідження, які проводились у середині XIX ст. були в основному спрямовані на модифікування природних полімерів з метою надання їм потрібних властивостей за рахунок хімічних реакції природних речовин з низькомолекулярними сполуками; найважливішими досягненнями у цьому напрямі є відкриття вулканізації натурального каучуку у 1839 році [[Чарлз Гуд'їр|Ч. Гуд'їром]] (США) та у 1843 {{не перекладено|Томас Генкок|Т. Генкоком||Thomas Hancock (inventor)}} (Велика Британія) та отримання на початку 1830-х років нітроцелюлози (згодом волокна і пластмаси на її основі). Наукові уявлення про будову полімерів виникли після створення [[Бутлеров Олександр Михайлович|О. М. Бутлеровим]] теорії хімічної будови, яка лежить в основі сучасної [[Органічна хімія|органічної хімії]] та отримали розвиток у фундаментальних працях [[Герман Штаудінгер|Г.Шаудінгера]].
Після синтезу у 1908 році твердої термореактивної смоли (американський хімік [[Лео Бакеланд|Л. Бакеланд]]), а у 1938—1939 — найлону ([[Воллес Карозерс]]) розпочався революційний прорив у полімерному матеріалознавстві. Дослідження [[Карл Ціглер|К. Ціглера]] і [[Джуліо Натта|Дж. Натти]] (відкриття у 1954-му металокомплексного каталізу) мали не лише видатне наукове значення, але й привели до нового і просого шляху отримання одного з найважливіших промислових полімерів — [[поліетилен]]у та синтезу стереорегулярних полі-α-олефінів, зокрема [[поліпропілен]]у.
Застосування полімерних матеріалів дозволяє суттєво знизити металомісткість і вагу конструкційних матеріалів, що використовуються у машинобудування та будівництві. Серед конструкційних пластмас слід назвати поліаміди, полікарбонати, поліфеніленоксиди, поліакрилати та ін. Найперспективнішим напрямом розвитку є розробка термостійких (до 500 °C) полімерів, термопластичних зносостіких поліуретанів з високим модулем еластичності, біополімерів та полімерних сплавів для потреб медицини, рідиннокристалічних сегнетополімерів та плівкових полімерів з уніполярною іонною провідністю для мікроелектроніки, високоселектривних і продуктивних полімерних мебран для розділенні рідинних і газоподібних середовищ тощо.
=== Керамічне матеріалознавство ===
Одне з провідних місць серед конструкційних матеріалів займає кераміка. Багатоманітність керамічних матеріалів включає у собі будь-які полікристалічні матеріали, отримані спіканням неметалевих порошків природного або штучного походження. Керамічні матеріали здатні функціювати у ширшому, ніж інші матеріали, інтервалі температур. Зазвичай кераміка є крихким матеріалом та має принципово інший, порівняно з металами, механізм руйнування, у якому визначальна роль належить виникненню та поширенню мікротріщин. Тому успіхи розвитку конструкційних керамічних матеріалів тісно пов'язані з удосконаленням теорії крихкого руйнування.
Керамічні матеріали умовно поділяють на два класи — конструкційні (будівельна кераміка, технічна кераміка) та функціональні (діелектрики, п'єзоелектрики, сегнетоелектрики, піроелектрики, магнітна кераміка, надпровідники, оптично прозора кераміка тощо). І якщо перший клас має багатовікову історію розвитку, до другий виник та інтенсивно розвивається з другої половини XX століття. Значний внесок у дослідження та створення керамічних матеріалів зробили німецький фізикохімік {{не перекладено|Карл Вагнер|К. Вагнер||Carl Wagner}}, американські вчені {{не перекладено|Вільям Кінгері|В.Д.Кінгері||W. David Kingery}}, {{не перекладено|Рустом Рой|Р.Рой||Rustum Roy}}, {{не перекладено|Джон Гуденаф|Дж.Гуденаф||John B. Goodenough}}.
До актуальних задач керамічного матеріалознавства слід віднести отримання надпластичної кераміки і конструкційної кераміки для двигунів внутрішнього згоряння й турбін, кераміки для різального інструменту на основі оксидів, нітридів та карбідів, радіаційнотривкої кераміки для нейтронного захисту ядерних реакторів, керамічних волокон та пін з простих та складних оксидів для високотемпературної ізоляції, біокераміки на основі гідроксіапатиту для заміни та відновлення пошкоджених суглобів, нових функційних керамічних матеріалів.
=== Композиційні матеріали ===
Ступінь розвитку авіаційної та космічної техніки, транспорту, будівництва тощо визначається рівнем використання композиційних матеріалів. Композити є гетерогенними системами, що складаються з двох або більшої кількості фаз, що мають різну фізико-хімічну природу, для такої системи характерною є наявність розвинутої системи внутрішніх поверхонь розділення, градієнтів концентрацій і внутрішніх напружень.
Серед напрямків, що найбільше розвиваються слід відзначити розроблення:
* армованих нитковидними монокристалічними волокнами конструкційних металевих матеріалів;
* надпластичних композитів на основі алюмінію, зміцненого ультрадисперсним карбідом кремнію;
* кераміки, зміцненої волокнами для дизельних двигунів;
* хімічно стійкої склокераміки, зміцненої діоксидом цирконію;
* гнучких п'єзоелектричних композитів на полімерній основі;
* полімерних композиційних матеріалів на основі карбонових волокон, поліімідів тощо.
=== Розвиток наноструктурного матеріалознавства ===
Розвиток енергетики, електроніки, машинобудування, медицини, вирішення проблем екології на сучасному етапі пов'язують із застосуванням наноматеріалів. До наноматеріалів належать матеріали з розміром частинок, що не перевищує (в одному або декількох вимірах) 100 нм, і які проявляють (в силу квантово-розмірного ефекту) принципово відмінні від об'ємних матеріалів фізико-хімічні властивості. Це відкриває перспективи створення нових поколінь матеріалів: термо- і корозієтривких нанопокриттів, акумуляторів, високоселективних мембран, сенсорів, металокомплексних низькорозмірних каталізаторів, фотокаталізаторів, засобів цільового доставляння ліків та діагностики, магнітних матеріалів та багато інших.
=== Нобелівські лауреати ===
Серед нобелівських лауреатів з фізики, які сприяли становленню матеріалознавства як науки є<ref name=ESU />:
* [[Макс фон Лауе]] (німецький науковець; 1914, відкриття дифракції рентгенівських променів на кристалах);
* [[Вільям Генрі Брегг]] та його син [[Вільям Лоренс Брегг|Вільям Лоренс]] (британські науковці; 1915, дослідження структури кристалів за допомогою рентгенівських променів);
* [[Шарль-Едуар Гійом|Ш.-Е. Ґійом]] (швейцарсько-французький фізик; 1920, відкриття сплавів з аномальною поведінкою [[Коефіцієнт теплового розширення|коефіцієнта теплового розширення]] — [[інвар]]у й [[елінвар]]у);
* [[Оуен Віланс Річардсон|О. Річардсон]] (британський вчений; 1928, вивчення термоемісійних властивостей матеріалів);
* [[Клінтон Джозеф Девіссон|К. Девіссон]] і [[Джордж Паджет Томсон|Д. Томсон]] (американський і британський науковці; 1937, експериментальне відкриття дифракції електронів на кристалах);
* [[Вільям Бредфорд Шоклі|В.-Б. Шоклі]], [[Джон Бардін|Дж. Бардін]], [[Волтер Гаузер Браттейн|В.-Г. Браттейн]] (американські фізики; 1956, відкриття транзистор. ефекту в напівпровідниках);
* [[Басов Микола Геннадійович|М. Басов]], [[Прохоров Олександр Михайлович|О. Прохоров]] (радянські фізики), [[Чарлз Гард Таунс|Ч.-Г. Таунс]] (американський фізик; 1964, створення випромінювачів квантової електроніки);
* [[Луї Неель|Л.-Е. Неель]] (французький науковець; 1970, відкриття переходів антиферомагнетиків до феромагнетиків);
* [[Джон Бардін|Дж. Бардін]], [[Леон Ніл Купер|Л.-Н. Купер]], [[Джон Роберт Шріффер|Дж.-Р. Шиффер]] (американські фізики; 1972, створення теорії надпровідності);
* [[Ґеорґ Беднорц|Г. Беднорц]] (німецький фізик), [[Александр Мюллер|К. А. Мюллер]] (швейцарський фізик; 1987, відкриття надпровідності у керамічних матеріалах);
* [[Алфьоров Жорес Іванович|Ж. Алфьоров]] (російський фізик), [[Герберт Кремер|Г. Кремер]] (німецький фізик), [[Джек Кілбі|Дж. Кілбі]] (американський фізик; 2000, створення напівпровідникових гетероструктур);
* [[Петер Грюнберг|П.-А. Грюнберг]] (німецький науковець), [[Альберт Ферт|А. Ферт]] (французький вчений; 2007, відкриття ефекту [[Гігантський магнетоопір|гігантського магнетоопору]]);
* [[Гейм Андрій Костянтинович|А. Гейм]], [[Новосьолов Костянтин Сергійович|К. Новосьолов]] (російсько-британські фізики; 2010, дослідження двовимірного матеріалу графену).
У 2011 ізраїльський учений [[Данієль Шехтман|Д. Шехтман]] за відкриття квазікристалів отримав Нобелівську премію з хімії.
== Див. також ==
| |||