材料科学:一个跨学科主题

介绍

有时被称为材料工程,材料科学是一个跨学科的课题,研究物质的性质(问题)和如何使用他们太多的科学和工程领域。这个分支的研究涉及材料的成分之间的关系(包括其结构在原子或分子水平上)及其宏观品质。它包含物理和化学方面,应用于化工、机械、土木、电气工程。法医工程和失效分析都严重依赖于材料科学。

描述

材料科学,它源自陶瓷的创建,是一个最古老的工程和应用科学的分支。现代材料科学是冶金的直系后裔,这是来自采矿。威拉德吉布斯证明,热力学参数与原子结构在不同的阶段相关材料的物理性质在19世纪晚期,这是一个关键的突破对材料的理解。理解和工程金属合金,硅和碳材料,用于建筑的空间容器,使空间的探索,是当前材料科学的重要组成部分。塑料、半导体、生物材料的创新创新,推动了材料科学。由于19世纪和20世纪早期强调金属,许多材料科学部门被称为冶金部门在1960年代之前(和在某些情况下几十年之外)。自那时以来,该地区已经扩大到涵盖陶瓷、聚合物、半导体、磁性材料、医用植入材料、生物材料等(materiomics)。

许多大学材料科学已经上升到第一线由于增加媒体的兴趣近年来在纳米科学和纳米技术。材料科学的基础是描述,包括连接所需的质量和相对性能的材料在一个特定的应用程序的结构材料的原子和阶段。组成材料的化学成分,以及它如何被对待成它的最终形式,其结构是最重要的因素,因此它的品质。这些品质,结合时,由热力学规则,确定材料的微观结构,因此它的属性。身体上,创建一个完美的晶体物质的目前是不可能的。制造材料适当的品质,材料科学家控制缺陷在晶体材料如沉淀,颗粒边界(Hall-Petch关系),间隙原子,职位空缺或置换原子。一个常规的晶体结构不存在在所有材料。聚合物的结晶度的变化,和几个完全非晶的。非晶态材料包括眼镜,一些陶瓷,许多天然材料,缺乏长期的订单在原子构型。聚合物研究混合化学热力学和统计热力学和机械物理特性的描述。

材料科学已经发展成为一个字段为凝聚态提供测试或固体理论,除了工业利益。因为各种新材料的品质需要解释说,新物理学。而激进的物质进步可能导致新产品的诞生,甚至行业,稳定行业也采用材料科学家逐渐增强和修复故障与现有的材料。材料设计、成本效益权衡工业原料生产、加工方法(铸造、轧制、焊接、离子注入、晶体生长、薄膜沉积、烧结、吹制玻璃,等等),并分析技术(表征技术,如电子显微镜、x射线衍射、量热法、卢瑟福反向散射,中子衍射、小角x射线衍射,等等)都是例子。除了材料描述,材料科学家和工程师也负责材料提取和转换成可用的形式。因此,冶金家/工程师必须熟悉锭铸造、铸造过程、高炉提取和电解提取。存在、缺席或次要的元素和化合物的微量变化在散装材料可以产生重大影响的最终属性材料制作;例如,钢分类是基于为重量百分比和1/100的碳和其他合金元素。因此,提取用于高炉铁提取和净化过程将会影响钢的质量。物理和材料科学的交叉材料物理学的领域,研究材料的物理性质。