معرفي رشته مهندسي مواد

رشته ميان رشته اي علوم مواد ، كه معمولاً علوم و مهندسي مواد نيز ناميده مي شود ، طراحي و كشف مواد جديد ، به ويژه جامدات است. ريشه هاي فكري علم مواد از روشنگري ناشي مي شود ، زماني كه محققان شروع به استفاده از تفكر تحليلي شيمي ، فيزيك و مهندسي براي درك مشاهدات باستاني و پديدارشناسي در متالورژي و كاني شناسي كردند. [1] [2] علوم مواد هنوز عناصر فيزيك ، شيمي و مهندسي را در خود جاي داده است. به همين ترتيب ، اين رشته مدت ها توسط موسسات دانشگاهي به عنوان زيرشاخه اين رشته هاي مرتبط در نظر گرفته مي شد. از دهه 1940 ، علوم مواد به عنوان يك رشته خاص و مجزا از علوم و مهندسي به رسميت شناخته شد ، و دانشگاه هاي فني بزرگ در سراسر جهان مدارس اختصاصي براي مطالعه خود ايجاد كردند.

    علوم مواد يك رشته متشكل از متالورژي ، سراميك ، فيزيك حالت جامد و شيمي است. اين اولين نمونه از يك رشته دانشگاهي جديد است كه بواسطه همجوشي به جاي شكافت پديدار مي شود. [3]

بسياري از فوري ترين مشكلات علمي كه بشر در حال حاضر با آن روبرو است ، به دليل محدوديت مواد موجود و نحوه استفاده از آنها است. بنابراين ، موفقيت در علم مواد احتمالاً به طور قابل توجهي بر آينده فناوري تأثير مي گذارد. [4] [5]

دانشمندان مواد بر درك چگونگي تأثير تاريخچه يك ماده (ساختار آن) بر ساختار آن و در نتيجه خواص و عملكرد آن تأكيد دارند. درك روابط پردازش-ساختار-خواص را الگوي § مواد مي نامند. اين الگوي براي پيشرفت درك در زمينه هاي مختلف تحقيقاتي ، از جمله فناوري نانو ، مواد زيستي و متالورژي استفاده مي شود. علوم مواد همچنين بخش مهمي از مهندسي پزشكي قانوني و تجزيه و تحليل خرابي است - تحقيق در مورد مواد ، محصولات ، سازه ها يا اجزايي كه از كار افتاده و يا عملكرد آنچنان كه در نظر گرفته نشده است و باعث صدمه شخصي يا صدمه به اموال مي شود. چنين تحقيقاتي براي درك ، به عنوان مثال ، علل مختلف حوادث و حوادث هوايي كليد مي خورند.

تاريخ
مقاله اصلي: تاريخ علم مواد
شمشير يا تيغه خنجر دوره عصر برنز

مواد انتخابي يك دوره معين اغلب يك نكته تعيين كننده است. عباراتي مانند عصر حجر ، عصر مفرغ ، عصر آهن و عصر فولاد ، اگر نمونه هاي دلخواه باشد ، تاريخي هستند. علم مواد در اصل از ساخت سراميك و متالورژي مشتق قلمداد آن ناشي مي شود ، يكي از قديمي ترين اشكال مهندسي و علمي كاربردي است. علم مواد مدرن مستقيماً از متالورژي ، كه خود از معدن و سراميك (احتمالاً) و زودتر از استفاده از آتش تكامل يافت ، تكامل يافت. در اواخر قرن نوزدهم ، هنگامي كه دانشمند آمريكايي جوزيا ويلارد گيبس نشان داد كه خصوصيات ترموديناميكي مربوط به ساختار اتمي در فازهاي مختلف ، به خصوصيات فيزيكي ماده مربوط مي شود ، موفقيت بزرگي در فهم مواد رخ داد. عناصر مهم علم مواد مدرن محصولات مسابقه فضايي بودند: درك و مهندسي آلياژهاي فلزي و مواد سيليس و كربن كه در ساخت وسايل نقليه فضايي استفاده مي شود و امكان كاوش فضا را فراهم مي كند. علم مواد ، توسعه فن آوري هاي انقلابي مانند لاستيك ، پلاستيك ، نيمه رسانا و مواد بيولوژيكي را هدايت كرده و تحت تأثير آن قرار داده است.

قبل از دهه 1960 (و در بعضي موارد ده ها سال پس از آن) ، بسياري از گروه هاي علوم مواد سرانجام بخشهاي مهندسي متالورژي يا سراميك بودند ، كه نشان دهنده تأكيد قرن 19 و اوايل قرن 20 بر فلزات و سراميك ها بود. رشد علوم مواد در ايالات متحده تا حدي توسط آژانس پروژه هاي تحقيقاتي پيشرفته ، كه تأمين بودجه مجموعه اي از آزمايشگاه هاي دانشگاه در اوايل دهه 1960 "براي گسترش برنامه ملي تحقيقات اساسي و آموزش در علوم مواد" ، كاتاليز شد. [6] اين رشته از آن زمان گسترش يافته است و شامل هر طبقه اي از مواد ، از جمله سراميك ، پليمرها ، نيمه هادي ها ، مواد مغناطيسي ، مواد زيستي و نانومواد است كه به طور كلي در سه گروه مشخص طبقه بندي مي شوند: سراميك ها ، فلزات و پليمرها. تغيير برجسته در علوم مواد طي دهه هاي اخير استفاده فعال از شبيه سازي هاي رايانه اي براي يافتن مواد جديد ، پيش بيني خصوصيات و درك پديده ها است.
مباني

يك ماده به عنوان ماده اي تعريف مي شود (غالباً يك ماده جامد است ، اما مي توان فازهاي متراكم ديگري را نيز در آن گنجاند) كه براي كاربردهاي خاص در نظر گرفته شده است. [7] در اطراف ما مواد بي شماري وجود دارد - اين مواد را مي توان از ساختمانها گرفته تا فضاپيماها يافت. مواد را به طور كلي مي توان به دو طبقه تقسيم كرد: بلوري و غير بلوري. نمونه هاي سنتي مواد فلزات ، نيمه هادي ها ، سراميك ها و پليمرها هستند. [8] مواد جديد و پيشرفته اي كه در حال توليد هستند شامل مواد نانو ، مواد بيولوژيكي ، [9] و مواد انرژي زا هستند.

اساس علم مواد شامل مطالعه ساختار مواد ، و ارتباط آنها با خواص آنها است. هنگامي كه يك دانشمند مواد در مورد اين همبستگي ساختار و ويژگي آگاهي پيدا كرد ، سپس مي توانند به مطالعه عملكرد نسبي يك ماده در يك برنامه خاص بپردازند. مهمترين عوامل تعيين كننده ساختار يك ماده و در نتيجه خصوصيات آن عناصر شيميايي تشكيل دهنده آن و روش پردازش آن به شكل نهايي آن است. اين خصوصيات ، كه با هم جمع شده و از طريق قوانين ترموديناميك و سينتيك مربوط مي شوند ، بر ريزساختار ماده و بنابراين خصوصيات آن حاكم هستند.
ساختار

همانطور كه در بالا ذكر شد ، ساختار يكي از مهمترين م componentsلفه هاي رشته علوم مواد است. علوم مواد ساختار مواد را از مقياس اتمي بررسي مي كند ، تا مقياس كلان. خصوصيات روشي است كه دانشمندان از نظر ساختار ساختار يك ماده استفاده مي كنند. اين شامل روش هايي مانند پراش با اشعه X ، الكترون يا نوترون ، و اشكال مختلف طيف سنجي و تجزيه و تحليل شيميايي مانند طيف سنجي Raman ، طيف سنجي پراكندگي انرژي (EDS) ، كروماتوگرافي ، تجزيه و تحليل حرارتي ، تجزيه و تحليل ميكروسكوپ الكتروني و غيره است. به شرح جزئيات زير در سطوح مختلف مورد مطالعه قرار گرفت.
ساختار اتمي

اين مورد با اتمهاي مواد و نحوه ترتيب آنها براي دادن مولكولها ، كريستالها و غيره سروكار دارد. بيشتر خصوصيات الكتريكي ، مغناطيسي و شيميايي مواد از اين سطح ساختار ناشي مي شود. مقياسهاي طول درگير در آنگسترومها هستند (). پيوند شيميايي و آرايش اتمي (كريستالوگرافي) براي مطالعه خواص و رفتار هر ماده اساسي است.
پيوند

براي دستيابي به درك كامل از ساختار ماده و نحوه ارتباط آن با خواص آن ، دانشمند مواد بايد نحوه چيدمان و پيوند دادن اتم ها ، يون ها و مولكول هاي مختلف را به يكديگر بررسي كند. اين شامل مطالعه و استفاده از شيمي كوانتوم يا فيزيك كوانتوم است. فيزيك حالت جامد ، شيمي حالت جامد و شيمي فيزيكي نيز در مطالعه پيوند و ساختار دخيل هستند.
كريستالوگرافي
مقاله اصلي: كريستالوگرافي
ساختار بلوري پروسكايت با فرمول شيميايي ABX3 [10]

كريستالوگرافي علمي است كه آرايش اتمها را در جامدات بلوري بررسي مي كند. كريستالوگرافي ابزاري مفيد براي دانشمندان مواد است. در كريستالهاي منفرد ، اثرات آرايش كريستالي اتمها به راحتي از نظر ماكروسكوپي قابل مشاهده است ، زيرا اشكال طبيعي بلورها ساختار اتمي را منعكس مي كنند. بعلاوه ، خصوصيات فيزيكي غالباً توسط نقايص بلوري كنترل مي شوند. درك ساختارهاي بلوري پيش شرط مهم درك نقص كريستالوگرافي است. عمدتا ، مواد به صورت يك كريستال منفرد مشاهده نمي شوند ، بلكه به صورت پلي كريستالي وجود دارند ، به عنوان مثال ، به صورت جمع اي از بلورهاي كوچك با جهت گيري هاي مختلف. به همين دليل ، روش پراش پودر ، كه از الگوهاي پراش نمونه هاي چند بلوري با تعداد زيادي كريستال استفاده مي كند ، نقش مهمي در تعيين ساختار دارد. بيشتر مواد ساختار بلوري دارند ، اما برخي از مواد مهم ساختار كريستالي منظمي از خود نشان نمي دهند. پليمرها درجات متفاوتي از تبلور را نشان مي دهند و بسياري از آنها كاملاً غير بلوري هستند. شيشه ، برخي از سراميك ها و بسياري از مواد طبيعي بي شكل هستند و در چينش هاي اتمي خود ترتيب دوربرد ندارند. مطالعه پليمرها تركيبي از عناصر ترموديناميك شيميايي و آماري براي توصيف ترموديناميكي و مكانيكي خواص فيزيكي است.
ساختار نانو
مقاله اصلي: ساختار نانو
ساختار نانو Buckminsterfullerene

ساختار نانو با اشيا and و سازه هايي كه در محدوده 1 تا 100 نانومتري هستند سروكار دارد. [11] در بسياري از مواد ، اتم ها يا مولكول ها با هم جمع مي شوند و در مقياس نانو اجسامي را تشكيل مي دهند. اين امر باعث ايجاد بسياري از خصوصيات جالب الكتريكي ، مغناطيسي ، نوري و مكانيكي مي شود.

در توصيف ساختارهاي نانو لازم است بين تعداد ابعاد در مقياس نانو تفاوت قائل شويد. سطوح نانوساختار داراي يك بعد در مقياس نانو هستند ، يعني فقط ضخامت سطح يك جسم بين 0.1 تا 100 نانومتر است. نانولوله ها داراي ابعاد دو بعدي در مقياس نانو هستند ، به عنوان مثال ، قطر لوله بين 0.1 تا 100 نانومتر است. طول آن مي تواند بسيار بيشتر باشد. سرانجام ، نانو ذرات كروي داراي سه بعد در مقياس نانو هستند ، به عنوان مثال ، ذره در هر بعد فضايي بين 0.1 تا 100 نانومتر است. اصطلاحات نانوذرات و ذرات فوق ريز (UFP) اغلب به طور مترادف استفاده مي شوند اگرچه UFP مي تواند به محدوده ميكرومتر برسد. اصطلاح "ساختار نانو" اغلب هنگام اشاره به فناوري مغناطيسي استفاده مي شود. ساختار مقياس نانو در زيست شناسي اغلب فراساختار ناميده مي شود.

به موادي كه اتمها و مولكول ها در مقياس نانو تشكيل دهندگي مي دهند (به عنوان مثال ساختار نانو تشكيل مي دهند) ، مواد نانو گفته مي شود. نانومواد به دليل ويژگي هاي منحصر به فردي كه از خود نشان مي دهند ، مورد تحقيقات شديد در جامعه علوم مواد هستند.
ريزساختار
مقاله اصلي: ريزساختار
ريزساختار مرواريد

ريزساختار به عنوان ساختار يك سطح آماده يا فويل نازك از مواد تعريف مي شود كه توسط ميكروسكوپ بزرگنمايي بالاتر از 25 نشان داده مي شود. با اشيا from از 100 نانومتر تا چند سانتي متر سرو كار دارد. ريزساختار يك ماده (كه مي تواند به طور گسترده اي به فلز ، پليمر ، سراميك و كامپوزيت طبقه بندي شود) مي تواند به شدت بر خصوصيات فيزيكي مانند قدرت ، مقاومت ، مقاومت ، شكل پذيري ، سختي ، مقاومت در برابر خوردگي ، رفتار دماي بالا / پايين ، مقاومت در برابر سايش و غيره تأثير بگذارد. . بيشتر مواد سنتي (مانند فلزات و سراميك ها) ريز ساختار هستند.

ساخت يك كريستال كامل از نظر فيزيكي غيرممكن است. به عنوان مثال ، هر ماده بلوري حاوي نقص مانند رسوبات ، مرز دانه ها (رابطه هال- پتچ) ، جاي خالي ، اتم هاي بينابيني يا اتم هاي جايگزيني خواهد بود. ريزساختار اين نقايص بزرگتر را نشان مي دهد ، به طوري كه مي توان آنها را مورد مطالعه قرار داد ، با پيشرفت قابل توجهي در شبيه سازي و در نتيجه افزايش فهم نحوه استفاده از نقص براي افزايش خواص مواد.

ساختار كلان

ساختار ماكرو به ظاهر ماده در مقياس ميلي متر تا متر است - اين ساختار ماده است كه با چشم غير مسلح ديده مي شود.
خواص
مقاله اصلي: ليست خواص مواد

مواد داراي خصوصيات بيشماري هستند ، از جمله موارد زير.

        خواص مكانيكي ، به مقاومت مواد مراجعه كنيد
        خواص شيميايي ، به شيمي مراجعه كنيد
        خواص الكتريكي ، به برق مراجعه كنيد
        خواص حرارتي ، به ترموديناميك مراجعه كنيد
        خواص نوري ، به اپتيك و فوتونيك مراجعه كنيد
        خواص مغناطيسي ، به مغناطيس مراجعه كنيد

خصوصيات يك ماده قابليت استفاده و از اين رو كاربرد مهندسي آن را تعيين مي كند.
در حال پردازش

سنتز و پردازش شامل ايجاد ماده اي با ساختار ميكرو نانو مورد نظر است. از نظر مهندسي ، اگر هيچ روش توليد اقتصادي براي آن توسعه نيافته باشد ، نمي توان از يك ماده در صنعت استفاده كرد. بنابراين ، پردازش مواد براي حوزه علوم مواد حياتي است.

مواد مختلف به روشهاي مختلف پردازش يا سنتز نياز دارند. به عنوان مثال ، پردازش فلزات از نظر تاريخي بسيار مهم بوده و تحت شاخه علوم مواد به نام متالورژي فيزيكي مورد مطالعه قرار مي گيرد. همچنين ، از روش هاي شيميايي و فيزيكي براي سنتز مواد ديگر مانند پليمرها ، سراميك ها ، فيلم هاي نازك و غيره نيز استفاده مي شود. از اوايل قرن 21 ، روش هاي جديدي براي سنتز نانومواد مانند گرافن در حال توسعه است.
ترموديناميك

ترموديناميك مربوط به گرما و دما و ارتباط آنها با انرژي و كار است. اين متغيرهاي ماكروسكوپي ، مانند انرژي داخلي ، آنتروپي و فشار را تعريف مي كند كه تا حدي بدن ماده يا تابش را توصيف مي كند. اين مقاله بيان مي كند كه رفتار آن متغيرها منوط به محدوديت هاي عمومي است كه براي همه مواد مشترك است. اين محدوديت هاي كلي در چهار قانون ترموديناميك بيان شده است. ترموديناميك رفتار عمده بدن را توصيف مي كند ، نه رفتارهاي ميكروسكوپي تعداد بسيار زيادي از اجزاي ميكروسكوپي آن ، مانند مولكول ها. رفتار اين ذرات ميكروسكوپي توسط مكانيك آماري توصيف شده و قوانين ترموديناميك نيز از آن گرفته شده است.

مطالعه ترموديناميك براي علم مواد اساسي است. اين پايه و اساس درمان پديده هاي عمومي در علوم و مهندسي مواد ، از جمله واكنش هاي شيميايي ، مغناطيس ، قطبش پذيري و قابليت ارتجاعي است. همچنين به درك نمودارهاي فاز و تعادل فاز كمك مي كند.
سينتيك
مقاله اصلي: سينتيك شيميايي

سينتيك شيميايي مطالعه ميزان تغيير سيستم هايي است كه از تعادل خارج شده اند تحت تأثير نيروهاي مختلف. هنگامي كه در علم مواد اعمال مي شود ، اين موضوع به نحوه تغيير يك ماده با زمان (حركت از حالت عدم تعادل به حالت تعادل) به دليل كاربرد يك زمينه خاص مي پردازد. اين جزئيات ميزان فرآيندهاي مختلف در حال تكامل در مواد از جمله شكل ، اندازه ، تركيب و ساختار را شرح مي دهد. انتشار در مطالعه سينتيك مهم است زيرا اين متداول ترين مكانيزم است كه توسط آن مواد تغيير مي كنند.

سينتيك در پردازش مواد ضروري است ، زيرا ، از جمله ، جزئيات نحوه تغيير ساختار با استفاده از گرما را بيان مي كند.
در تحقيق

علوم مواد يك حوزه تحقيقاتي بسيار فعال است. همراه با گروه هاي علوم مواد ، فيزيك ، شيمي و بسياري از گروه هاي مهندسي در تحقيقات مواد دخيل هستند. تحقيقات مواد طيف گسترده اي از موضوعات را شامل مي شود - ليست غير جامع زير چند زمينه تحقيقاتي مهم را برجسته مي كند.
مواد نانو

اصولاً نانومواد ، موادي را توصيف مي كنند كه اندازه واحدي از آنها (حداقل در يك بعد) بين 1 تا 1000 نانومتر (10-9 متر) است اما معمولاً 1 تا 100 نانومتر است.

تحقيقات نانومواد با استفاده از پيشرفت هاي اندازه گيري و سنتز مواد كه در حمايت از تحقيقات ميكرو ساخت توليد شده اند ، رويكردي مبتني بر علم مواد به فناوري نانو را در پيش مي گيرد. موادي با ساختار در مقياس نانو غالباً داراي خصوصيات نوري ، الكترونيكي يا مكانيكي منحصر به فردي هستند.

رشته نانومواد ، مانند رشته شيمي سنتي ، به نانومواد آلي (مبتني بر كربن) مانند فولرن ها و نانومواد غير آلي بر اساس عناصر ديگر مانند سيليكون ، سازمان يافته است. نمونه هايي از نانومواد شامل فولرن ها ، نانولوله هاي كربني ، نانوكريستال ها و ... است.
مواد زيستي
مقاله اصلي: ماده بيولوژيكي
نقره اي رنگين كماني درون پوسته ناوتيلوس

ماده زيستي به هر ماده ، سطح يا سازه اي گفته مي شود كه با سيستم هاي بيولوژيكي برهم كنش داشته باشد. مطالعه مواد بيولوژيكي را علم مواد زيستي مي نامند. اين شركت در طول تاريخ خود رشد مداوم و شديدي را تجربه كرده است ، زيرا بسياري از شركت ها سرمايه هاي هنگفتي را براي توليد محصولات جديد سرمايه گذاري كرده اند. علم زيست مواد شامل عناصر پزشكي ، زيست شناسي ، شيمي ، مهندسي بافت و علوم مواد است.

مواد زيستي را مي توان از طبيعت گرفته و يا در آزمايشگاه با استفاده از روش هاي مختلف شيميايي با استفاده از اجزاي فلزي ، پليمرها ، بيوسراميك ها يا مواد تركيبي سنتز كرد. آنها غالباً براي كاربردهاي پزشكي در نظر گرفته شده و يا سازگار هستند ، مانند دستگاه هاي زيست پزشكي كه عملكرد طبيعي را انجام مي دهند ، افزايش مي دهند يا جايگزين آن مي شوند. چنين عملكردهايي ممكن است خوش خيم باشند ، مانند اين كه براي دريچه قلب استفاده مي شوند ، يا ممكن است با عملكرد متقابل بيشتري مانند كاشت هاي مفصل ران با روكش هيدروكسيلاپاتيت ، فعال زيستي باشند. از مواد بيولوژيكي نيز هر روز در كاربردهاي دندانپزشكي ، جراحي و تحويل دارو استفاده مي شود. به عنوان مثال ، سازه اي با محصولات دارويي آغشته مي تواند در بدن قرار گيرد ، كه باعث آزاد شدن طولاني مدت دارو براي مدت زمان طولاني مي شود. يك ماده بيولوژيكي ممكن است يك پيوند اتوماتيك ، آلوگرافت يا زنوگرافت باشد كه به عنوان ماده پيوند اعضا استفاده مي شود.
الكترونيكي ، نوري و مغناطيسي
فراماده اي شاخص منفي [12] [13]

امروزه از نيمه هادي ها ، فلزات و سراميك ها براي تشكيل سيستم هاي بسيار پيچيده مانند مدارهاي الكترونيكي مجتمع ، دستگاه هاي الكترونيكي و رسانه هاي ذخيره انبوه مغناطيسي و نوري استفاده مي شود. اين مواد اساس دنياي رايانه مدرن ما را تشكيل مي دهند و از اين رو تحقيق در مورد اين مواد از اهميت حياتي برخوردار است.

نيمه هادي ها نمونه اي سنتي از اين نوع مواد هستند. آنها موادي هستند كه داراي خواصي هستند كه بين هادي ها و عايق ها متوسط ​​هستند. رسانايي الكتريكي آنها نسبت به غلظت ناخالصي ها بسيار حساس است ، كه به شما امكان مي دهد از دوپينگ براي دستيابي به خصوصيات الكترونيكي مطلوب استفاده كنيد. از اين رو ، نيمه هادي ها اساس رايانه سنتي را تشكيل مي دهند.

اين رشته همچنين شامل زمينه هاي جديدي از تحقيقات مانند مواد ابررسانا ، اسپينترونيك ، فرامواد و غيره است. مطالعه اين مواد شامل دانش علوم مواد و فيزيك حالت جامد يا فيزيك ماده متراكم است.