 |
Разделы наук, на которых базируется материаловедение
|
|
|
|
Направления исследований материаловедения
§ Нанотехнология — создание и изучение материалов и конструкций размерами порядка нескольких нанометров.
§ Кристаллография — изучение физики кристаллов, включает:
§ дефекты кристаллов — изучение нарушений структуры кристаллов, включения посторонних частиц и их влияние на свойства основного материала кристалла;
§ технологии дифракции, такие как рентгеноструктурный анализ, используемые для изучения фазового состояния вещества.
§ Металлургия (металловедение) — изучение свойств различных металлов.
§ Керамика, включает:
§ создание и изучение материалов для электроники, например, полупроводники;
§ структурная керамика, занимающаяся композитными материалами, напряжёнными веществами и их трансформациями.
§ Биоматериалы — исследование материалов, которые можно использовать в качестве имплантатов в человеческое тело.
Разделы наук, на которых базируется материаловедение
§ Термодинамика — для изучения стабильности, изменений фаз, для построения фазовых диаграмм.
§ Термический анализ, термогравиметрия — для изучения изменения свойств материалов при воздействии температуры и при взаимодействии с различными газами.
§ Кинетика — при изучении изменений фазового состояния вещества, термического разложения структуры и диффузии.
§ Химия твёрдого тела — для изучения химических процессов, проходящих в твёрдой фазе.
§ Физика твёрдого тела — для изучений квантовых эффектов в твёрдых материалах, например, исследование полупроводникови сверхпроводников.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Материаловедение – это наука, изучающая связь между структурой и свойствами материалов, а также их изменения при внешних воздействиях.
|
|
|
Материалы - совокупность вещественных предметов, которые человек преобразует в продукты труда.
В решении материаловедческих задач можно выделить следующие этапы:
постановка задачи получения материала с заданными характеристиками (свойствами)
выбор состава предполагаемого материала прогноз строения (структуры) материала,
исходя из его состава прогноз свойств материала, исходя из его строения получение
материала и проверка совпадения его свойств с требуемыми корректировка состава и
метода получения материала (если необходимо).
В сокращенном виде эта последовательность следующей схемой:
"задача→состав→структура→свойство→применение→уточнение/совершенствование"
Структура материала – совокупность устойчивых связей материала, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств при внешних и внутренних изменениях.
Свойство материала – философская категория, которая отражает различие или общность данного материала с другими, которые обнаруживаются при их сравнении.
Свойством можно также считать отклик объекта на внешнее воздействие.
Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Первое рассматривает общие закономерности строения материалов и процессов, происходящих в них при внешних воздействиях. Оно базируется на достижениях физики, химии, минералогии, биологии и других наук. При этом материаловедение выполняет интегрирующую роль для перечисленных наук и техники, обобщая их достижения в практическом аспекте и доводя до воплощения в конкретные полезные изделия. Эта связь, не столь очевидная в прошлом, сегодня указывает эффективные направления в создании материалов и разработке способов производства, удовлетворяющих растущим техническим и экономическим требованиям. Задача прикладного материаловедения — изыскание оптимальных структуры и технологии переработки материалов при изготовлении конструкций, деталей машин и других предметов.
|
|
|
Технология - совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства. Рациональный выбор материалов и технологии их переработки в изделия предопределяет возможность эксплуатации изделий в течение заданного времени, т.е. материаловедение позволяет составлять научно обоснованный прогноз изменения свойств материалов при эксплуатации.
Условия эксплуатация материалов с каждым годом становятся все более жесткими вследствие роста объемов производства, загрязнения и повышения агрессивности окружающей среды, Активное вмешательство человека в природные процессы обусловило внимание науки к защите окружающей среды, выявлению и использованию вторичных ресурсов. Решение этой проблемы средствами материаловедения имеет важнейшую экономическую и общественную направленность.
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
История развития материалов диалектически связана с историей развития общества. Стремление совершенствовать материалы во все исторические эпохи было вызвано желанием людей улучшить свою жизнь. Наименование исторических этапов по названиям «сделавших эпоху» материалов (древний, средний и новый каменные века, медно-каменный, бронзовый, железный века) явно отражает их значение в развитии человечества.
Первыми материалами, которые человек использовал в первозданном виде, были камень и кость.
В ранний бронзовый век, когда было освоено литье металлов с модифицирующими добавками, в историю техники вступила металлургия. По мере расширения и дифференцирования добычи и переработки руды, методов плавления металлов связанная с этим деятельность стала функцией специалистов. С истощением запасов меди люди перешли к освоению железа.
Быстрыми темпами развивалась русская металлургия в начале XVIII в. - в эпоху Петра: постоянно увеличивалась добыча полезных ископаемых (прежде всего металлических руд), расширялось производство металлов и изделий из них, развивалась наука о металлах. Большой вклад в разработку теоретических основ металлургии внес М. В. Ломоносов (1711 - 1765), издавший первый в России учебник горнозаводского дела. Возрастание спроса на машины, прежде всего текстильные, привело к возникновению в развитых европейских странах в середине XVIII в. машиностроения как отрасли промышленности. Уровень материаловедения того времени ограничивал возможности развития машин немногочисленной группой материалов, освоенных мануфактурным производством. Промышленная революция XVIII - XIX вв. привела к превращению ручных мануфактур в фабричную систему использования машин, кардинально изменила уровень техники и технологии материалов. Становление материаловедения как прикладной пауки произошло на рубеже XVIII и XIX вв., когда рост материалоемких отраслей промышленности достиг таких объемов, что дальнейший прогресс в них без научных обобщений и рекомендаций стал немыслим. В XIX в. завершилась специализация материаловедения как технической науки, 10 относящейся к машиностроению. Одновременно она достигла теоретического уровня естественных наук, переплетясь с их прикладными областями - кристаллографией, металлофизикой, оптикой и др.
|
|
|
В 1861 г. русский химик А. М. Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения веществ, а позднее разработал основные принципы получения полимеров из низкомолекулярных неорганических соединений. В 1909 г. С. В. Лебедев синтезировал из диена полимер, сходный с натуральным каучуком. В начале ХХ в. бельгийский химик Л. Бакеланд, изучив реакции между фенолом и формальдегидом, получил новый материал, названный бакелитом, который стал первым продуктом промышленности пластических масс. «Железный пек» окончательно ушел в прошлое. Как символ роли железа в развитии общества к открытию Всемирной парижской выставки в 1898 г. была построена знаменитая Эйфелева башня.
Научно-техническая революция, начавшаяся в конце 40-х годов ХХ века, интенсифицировала дальнейшее развитие материаловедения. Быстрый рост научных знаний привел к новым воззрениям на строение вещества. Были разработаны новые типы материалов: сверхпроводники, электрическое сопротивление которых при охлаждении ниже критической температуры обращается в ноль; полупроводниковые материалы, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов и диэлектриков; синтетические алмазы, полученные из графита и углеродсодержащих веществ, и др
|
|
|
Развиваются исследования в области синтеза и переработки полимеров, направленные на улучшение их механических свойств, повышение стойкости к воздействию сред и высоких температур. Долгое время верхняя граница термостойкости пластмасс не превышала 100 - 120°С, что существенно ограничивало их применение. Основы создания термостойких полимеров были заложены К.А. Андриановым (1904 - 1978), показавшим в 1937 г., что система атомов Si - О может быть использована для построения главной цепи полимерных молекул.
Одно из главных направлений современного материаловедения - получение композиционных материалов путем сочетания разнородных компонентов. Прогресс технологий обработки и модификации материалов позволил применить традиционные природные материалы (базальты, диабазы, древесину) в жестких условиях эксплуатации современной техники. Перед учеными поставлена задача разработки материалов, обладающих неизвестным ранее сочетанием свойств, направленно изменяющих свои структуру и свойства в соответствии с условиями эксплуатации.
|
|
|
