Malzeme bilimi özellikleri yapısal morfolojisi ve uygulanması arasındaki ilişkiye dayanan malzemeler (bizi çevreleyen nesneleri oluşturan metaller , polimerler , yarı iletkenler , seramik , kompozit , vs.).
Malzemelerin temel özelliklerinin yanı sıra kimyasal, elektrik, termal, optik ve manyetik mekanik özelliklerinin incelenmesine odaklanır.
Malzeme bilimi Teknolojik devrimlerin çoğunun kalbidir. Özellikle bir asırdır: elektronik (bilgisayarlar, CD ve DVD oynatıcılar vb.), Otomobiller (motorlar, karoser, farlar vb.), Havacılık, yenilenebilir enerjiler (güneş panelleri vb.) , Nano bilimler , nanoteknolojiler vb.
Mikroskobik olayların bilgisi ve ustalığı (difüzyon, atomların düzenlenmesi, yeniden kristalleşme, fazların görünümü vb.), Bilim adamlarına ve sanayicilere istenen özelliklere ve performansa sahip malzemeler geliştirme imkanı verir.
Sonuç olarak, büyük bir mühendislik okullarında eğitim kurslarının sayısı (örn EEIGM , ECPM ) ya da üniversitelerde malzeme bilimi yöneliktir ( örneğin Grenoble , Marsilya , Orsay , Poitiers , Strasbourg , Limoges ).
Mükemmel bir kristal tasarlamak fiziksel olarak imkansızdır, ancak bir materyali ilginç kılan genellikle yapısal kusurlarıdır. Bu nedenle , istenen özelliklere sahip malzemeler oluşturmak için kristal malzemelerdeki kusurları ( çökeltiler , tane sınırları , karbon ara kısımları , boşluklar , yer değiştirmeler vb.) Kullanırız.
Kadar XIX inci yüzyılın malzemelerin kullanımı esasen ampirik oldu. Amerikalı bir fizik kimyager olan Josiah Willard Gibbs (1839-1903), atomik yapıyla ilgili termodinamik özelliklerin bir malzemenin fiziksel özellikleriyle doğrudan bir bağlantısı olduğunu göstermeyi başardığında büyük bir gelişme yaşandı . Sonuç olarak, malzeme bilimi artık metaller veya seramiklerle sınırlı kalmadı ve özellikle II Dünya Savaşı'ndan sonra plastiklerin, yarı iletkenlerin geliştirilmesiyle önemli ölçüde çeşitlendi . Bugün, bu bilimdeki yenilikçiliğin ana itici gücü, nanoteknolojiler (sonsuz küçüklükteki) veya havacılık gibi son teknoloji alanlara yönelik yeni teknolojilerin geliştirilmesidir.
Metaller , kimyasal elementler oluşturabildiği olma özelliğini sahip olan malzemelerdir metalik bağlar ve kaybetmek elektronları oluşturmak için katyonlar (örneğin, ya da ). Hem fizikokimyasal hem de elektronik olarak karakterize edilebilirler (bkz. Karakterizasyon bölümü). Metaller, çeşitli fiziksel özelliklerle karakterize edilir. İyi elektrik iletkenleridir, bu özellik ya iletkenlik ya da ters direnci ile ölçülür . Aynı zamanda iyi termal iletkenlerdir ve parlak bir parıltıya sahiptirler. Mekanik bir bakış açısından, elastikiyet modülleri (genellikle yüksek, birkaç G Pa düzeyinde ), sertlikleri , süneklikleri , vb. Gibi özelliklerle karakterize edilirler .
Dünyada çoğu metal yalnızca oksitler şeklinde bulunur. Bununla birlikte, bu formda çok az kullanılırlar (mikroelektronik alanı hariç). Bunların saflaştırılmış ( bakır ve alüminyum örnekleri ) veya alaşımlar şeklinde kullanılması tercih edilir . Alüminyum en bol metal yer kabuğunda . Karbon eklendikten sonra çelik veya dökme demir şeklinde çok sık kullanılan demirin önemine de dikkat edin .
Ekonomik açıdan bakıldığında, son derece önemli iki sektör vardır: çelik ve alüminyum. 2007 yılında dünya çelik üretimi 2006 yılına göre% 5,4 artışla 1,3 milyar tonu buldu. Bu sektöre şu anda Mittal Steel şirketi hakimdir . Alüminyum sektörüne Rio Tinto Alcan hakimdir . 2008 yılında alüminyum üretimi 2006 yılına göre% 11,5 artışla 3,1 milyon ton olarak gerçekleşti.
Bir polimer oluşan bir maddedir , organik (ya da bazen, mineral) makromoleküller . Makromoleküller, en az bir tip monomerin tekrarlayan bir zincirinden oluşur . Monomerler, kovalent bağlarla birbirine bağlanır . Polimer zincirleri , Van der Waals bağları gibi daha zayıf kuvvetlerle birbirleriyle etkileşime girer . Polimerlerin özellikleri özellikle monomer (ler) in tipine, bunların birleşiminin doğasına ve polimerizasyon derecesine bağlıdır .
Doğal polimerler, modifiye (yapay polimerler) ve sentetikler arasında bir ayrım yapılır . Mimarilerine göre de sınıflandırılabilirler. Örneğin, dallanmış ( dallanmış ) veya dallanmamış, dendritikler (üç boyutlu dallanma) ve bir ağ oluşturan çapraz bağlı veya üç boyutlu doğrusal polimerleri ayırt ediyoruz .
Polimerler çeşitli şekillerde yapılabilir. Alıntı yapabiliriz:
Polimerlerin başka bir sınıflandırması da termomekanik özelliklerine göredir. Biz ayırt ediyoruz:
Polimerler, ısı ve basınç altındaki davranışlarına bağlı olarak iki tipte sınıflandırılabilir:
İlginç özelliklerinden dolayı polimerler, geleneksel malzemelerin yerini alarak yavaş yavaş endüstrileri ve günlük yaşamı istila ettiler.
Seramik , metalik ve metalik olmayan unsurdan oluşur. Genellikle oksitler , nitrürler veya karbürlerdir . Seramik grubu, çimentolar , camlar, kilden yapılmış geleneksel seramikler gibi çok çeşitli malzemeleri kapsar .
Seramiklerin kristal yapısı, metallerinkinden daha karmaşıktır çünkü en az iki farklı kimyasal element mevcuttur. İki metal olmayan ya da saf elemanlar (oluşur ve kovalent seramik, (NaCI, MgO gibi), bir metal ve bir metal olmayan oluşan iyonik seramik vardır elmas , silisyum karbür , vb ). Tane sınırlarının yapısı da daha karmaşıktır çünkü elektrostatik etkileşimler ek denge gerilimlerine yol açar. Aynı işaretlerin iyonları bu nedenle birbirine değmemelidir. Bu nedenle seramiğin belirli bir gözenekliliği vardır (hacimce yaklaşık% 20).
Seramiklerin birçok avantajı vardır:
Öte yandan, ana zayıflıkları, çekişte plastik deformasyon olmadan (kırılgan karakter) aniden kırılmaya yatkın olmalarıdır ; gözeneklilikler, çevrelerinde gerilim yoğunlaşmalarına neden olarak malzemeyi "zayıflatır". Seramiklerin kırılganlığı, metalurjide kullanılan haddeleme veya dövme yöntemlerini imkansız kılar .
Teknik seramiklerTeknik Seramik el (karşıt olarak, endüstriyel uygulamalar için özel seramik bir kolu olan seramik ) ya da sanat ( seramik teknikte ) ya da porselen . Bu endüstrinin amacı, belirli fiziksel özelliklere sahip seramiklerin oluşturulması ve optimizasyonudur: mekanik , elektrik , manyetik , optik , piezoelektrik , ferroelektrik , süper iletken , vb.
Çoğu teknik seramik, sıkıştırılmış bir tozdan şekillendirilir ve daha sonra yüksek sıcaklığa kadar ısıtılır ( sinterleme işlemi ). Gözenekliliği azaltmak için özellikle çok küçük partikül boyutuna sahip tozlar kullanılır.
GözlükGözlük çok sıvı dondurma ile elde edilen katı madde olarak aşırı soğutulmuş . Cam yapmanın dört ana yöntemi presleme , üfleme , germe ve elyaf çekmedir .
Camlar, özelliklerini değiştiren diğer oksitleri (örneğin CaO) içeren kristal olmayan silikatlardır . Camın şeffaflığı en önemli özelliklerinden biridir. Bunun nedeni, amorf yapısı ve bir mikrometrenin fraksiyonundan daha büyük kusurların olmamasıdır. Kırılma indisi bir merceğin 1.5 hakkındadır. Mekanik özelliklerine gelince, camlar kırılgan malzemelerdir, ancak termal veya kimyasal işlemler bunu çözebilir.
Yarı iletkenler Yarı iletken yapıYarı iletkenler, gofret adı verilen oldukça ince bir silikon , galyum arsenit veya indiyum fosfit diskinden yapılır .
Bu gofret, doping , dağlama , diğer malzemelerin biriktirilmesi ( epitaksi , püskürtme , kimyasal buhar biriktirme, vb.) Ve fotolitografi gibi tekniklerle mikro yapıların imalatı için bir destek olarak kullanılır . Bu mikro yapılar, entegre devrelerin , transistörlerin , güç yarı iletkenlerinin veya MEMS'in üretiminde önemli bir bileşendir .
Katkılı yarı iletkenlerKatkılama içine sokulmasıyla yapılır matris yarı iletkenler saf olmayan atomu. Atomlarının her biri , beş değerlikli safsızlıklar için ek bir değerlik elektronu (N katkısı) veya üç değerlikli safsızlıklar için bir "delik" veya değerlik elektron açığı (P katkısı) sağlar.
Bir kompozit malzeme , makroskopik ölçekte ayrı farklı fiziksel ve mekanik özelliklere sahip olan iki temel malzemenin bir karışımıdır. Karıştırma, her bir bileşeninkinden farklı ve genellikle üstün olan optimum özelliklere sahip olacak şekilde gerçekleştirilir. Bir kompozit, en az bir matristen (bağlayıcı) ve bir takviyeden oluşur .
Seçilen bileşenler (bazıları çok işlevlidir) aşağıdaki özellikleri geliştirebilir: sertlik, termomekanik direnç, yorulma direnci , korozyon direnci , sızdırmazlık , şok direnci, yangına dayanıklılık, termal ve elektrik yalıtımı, yapıların hafifletilmesi, karmaşık şekillerin tasarımı.
Her bir bileşenin oynadığı rol (ler):
Kompozitlerin kullanımı otomatiktir ( vakumlu kalıplama , RTM, vb.) Veya yüksek performanslı parçalar için ( temaslı kalıplama, vb.) Zanaatkârdır . Elyaf ve polimerlere dayanan kompozit malzemeler büyük sınıfı (bütün anda üretilen kompozitlerin% 90) oluşturmaktadır.
Kompozit malzemeler havacılıkta, otomobillerde, demiryollarında vb. Yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kalıplar özgün olabilir:
Of yükler (mineral, organik ya da metal) ve katkı maddeleri hemen hemen her zaman matris içine dahil edilir.
GüçlendirmeTakviyeler (cam, karbon, aramid, bor veya metal elyaflar, vb.) Şu şekilde olabilir:
Takviye, bir matris (homojen kompozit) içinde tek başına olabilir veya farklı bir yapıya sahip bir takviye (hibrit kompozit) ile ilişkilendirilebilir.
Aşağıdaki tablo, ana malzeme sınıflarını kökenlerine, kristalliklerine, iletkenliklerine ve ısıl kararlılıklarına göre karşılaştırmaktadır.
Kompozisyon | Doğal materyaller | Sentetik materyaller | Amorf malzemeler | Kristal malzemeler | İzolasyon malzemeleri | Yarı iletken malzemeler | İletken malzemeler | Termolabil malzemeler | Termostabil malzemeler |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Organik | Biyopolimerler | Sentetik polimerler | Amorf polimerler | Yarı kristal polimerler | En sık görülen durum | Yarı iletken polimerler | İletken polimerler | En sık görülen durum | Termostabil polimerler |
Metalik olmayan inorganik | Rocks | Seramikler, camlar ve yarı iletkenler | Gözlük | Seramikler | En sık görülen durum, örnek refrakter malzemeler | İnorganik yarı iletkenler | Hayır | En sık görülen durum | |
İnorganik metalik | Yerli metaller ve metal alaşımları | Metal alaşımları | Amorf metal alaşımları | En sık görülen durum | Hayır | Hayır | Evet | En sık görülen durum | |
Organik ve / veya inorganik | Ahşap , Kemik | Sentetik kompozit malzemeler | Termostabil kompozitler |
Bir materyali incelemek ve anlamak için, uygun karakterizasyon tekniklerini kullanarak onu karakterize etmek önemlidir . Ya da yıkıcı, yani malzemeye zarar veren şey. Veya, tahribatsız , çalışılan materyal ve dolayısıyla nesneye zarar yok ki.
Ana karakterizasyon teknikleri kategoriye göre sınıflandırılabilir:
Bu karakterizasyon teknikleri, malzeme biliminin katkılarından yararlanır ve karşılıklı olarak gelişimine yardımcı olur.
Maddi ürünler üreten tüm endüstriler malzemelere dayanır, bu nedenle malzeme bilimi yerini doğal olarak bulur.
Malzeme formu tekniklerinin amacı, istenilen özelliklere sahip bir nesneyi elde etmek için malzemeye belirli bir mikro yapı uygularken belirli bir şekil vermektir . Bu, deneysel parametrelerin ( bileşim , sıcaklık , soğutma hızı , vb.) Mümkün olan en iyi kontrolünü gerektiren bir iştir . Teknikler, yapılacak malzeme ve nesnelere göre farklılık gösterir. Tüm bu teknikler, malzeme bilimi tarafından sağlanan anlayıştan yararlanmaktadır.
İşte ana malzeme sınıflarının bazı uygulamaları:
Çevre koruma ve geri dönüşümün geliştirilmesi, şirketleri biyolojik olarak parçalanabilen malzemeler gibi yeni malzemeler aramaya teşvik ediyor. Polilaktik asit gibi pancar ya da mısır gibi bitkilerden elde edilen, iyi bir örnektir. Halen emilebilir sütürler için, plastik poşetlerin yerini almak için ve hatta plastik kutular için kullanılmaktadır.
Bazı çevresel hususlar, malzemeleri kullanma şeklimizi gözden geçirmemize yol açar. Geri dönüşüm malzemelerinin geliştirilmesi için ayarlanır. Örneğin, mikroelektronik alanında, düz ekran üreticileri artan indiyum fiyatıyla karşı karşıya kaldı ve geri dönüştürmek ilginç hale geliyor. Başka bir örnek, petrol kaynaklarının giderek azalması, polimerlerin gelecekteki üretimi için bir sorun teşkil etmektedir. Bu nedenle alternatif çözümler ( biyoplastikler ) aramalıyız .
Ancak çok yaygın olarak kullanılan bazı malzemeler hala geri dönüştürülemez ve gerçek bir çevre sorunu oluşturur. Özellikle doğal kauçuk, bugün hala lastiklerin temel bileşenleri olan bazı elastomerler ( stiren-bütadien vb.) Ve ısıyla sertleşen polimerleri düşünüyoruz. Bu nedenle ya yeni geri dönüşüm süreçleri geliştirmek ya da termoplastik elastomerler gibi alternatif, daha ekolojik malzemeler geliştirmek gereklidir .
Fizik ve kimyadaki bir dizi Nobel Ödülü malzeme bilimi ile ilgilidir: