Ciencia de los Materiales

La Ciencia de los Materiales Tetrahedron, que a menudo incluye también Caracterización en el centro

Ciencia o materiales de ingeniería de materiales es un campo interdisciplinario que involucra las propiedades de la materia y sus aplicaciones en diversas áreas de la ciencia y la ingeniería . Esta ciencia investiga la relación entre la estructura de los materiales y sus propiedades. Incluye elementos de la física aplicada y la química , así como química, mecánica , civil, y la ingeniería eléctrica . Con atención de los medios de nanociencia y la nanotecnología en los últimos años, la ciencia de materiales se ha impulsado a la vanguardia en muchas universidades. También es una parte importante de ingeniería forense y ingeniería de materiales forenses, el estudio de los productos y componentes que han fallado.

Historia

El material de elección de una época dada es a menudo su punto de definición; la Edad de Piedra , Edad del Bronce y Edad del Acero son ejemplos de esto. La ciencia de materiales es una de las formas más antiguas de la ingeniería y la ciencia aplicada, que deriva de la fabricación de cerámica. Ciencia de los materiales modernos evolucionaron directamente de la metalurgia , que a su vez evolucionaron de la minería. Un avance importante en la comprensión de los materiales se produjo a finales del siglo 19 , cuando Willard Gibbs demostró que termodinámicas propiedades relacionadas con la estructura atómica en varias fases están relacionados con las propiedades físicas de un material. Los elementos importantes de la ciencia de materiales modernos son un producto de la carrera espacial : la comprensión y la ingeniería de la metálica aleaciones, y de sílice y carbono , materiales utilizados en la construcción de vehículos espaciales que permiten la exploración del espacio. Ciencia de los materiales ha conducido, y ha sido impulsado por el desarrollo de tecnologías revolucionarias como plásticos , semiconductores , y biomateriales.

Antes de la década de 1960 (y en algunos casos, décadas después), muchos materiales de los departamentos de ciencias fueron nombrados los departamentos de la metalurgia, de un énfasis siglo 20 19 y principios de los metales. Ya que el campo se ha ampliado para incluir a todas las clases de materiales, tales como: cerámica, polímeros, semiconductores, materiales magnéticos, materiales de implante médicos y materiales biológicos.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

En ciencia de los materiales, en lugar de al azar en busca de materiales y el descubrimiento y la explotación de sus propiedades, una vez tiene como objetivo entender los materiales fundamentalmente para que los nuevos materiales con las propiedades deseadas se pueden crear.

La base de toda la ciencia de materiales implica relacionar la deseada propiedades y rendimiento relativo de un material en una determinada aplicación a la estructura de los átomos y las fases en que el material a través de la caracterización. Los principales determinantes de la estructura de un material y por lo tanto de sus propiedades químicas son sus elementos constituyentes y la forma en que se ha procesado en su forma final. Estos, en su conjunto y relacionados a través de las leyes de la termodinámica , gobernar un material de microestructura, y por lo tanto sus propiedades.

Un viejo adagio en ciencia de materiales, dice: "Los materiales son como las personas, son los defectos que los hacen interesantes". La fabricación de un perfecto cristal de un material es actualmente físicamente imposible. En cambio los científicos de materiales manipular el defectos en los materiales cristalinos tales como precipitados, los límites de grano ( Hall-Petch relación), átomos intersticiales, vacantes o átomos de sustitución, para crear materiales con las propiedades deseadas.

No todos los materiales tienen una estructura cristalina regular. Polímeros muestran diferentes grados de cristalinidad, y muchos son completamente no cristalina. Gafas , algunas cerámicas, y muchos materiales naturales son amorfo, que no posean ninguna orden de largo alcance en sus arreglos atómicos. El estudio de polímeros combina elementos de la termodinámica química y estadísticos para dar descripciones termodinámicas, así como mecánicas, de las propiedades físicas.

Además de los intereses industriales, ciencias de los materiales se ha convertido gradualmente en un campo que ofrece pruebas de la materia condensada o teorías de estado sólido. Nuevos física surgen debido a las diversas nuevas propiedades de los materiales que necesitan ser explicados.

Materiales en la industria

Radical Materiales avances pueden impulsar la creación de nuevos productos o incluso industrias nuevas, pero las industrias estables también emplean los científicos de materiales para hacer mejoras incrementales y solucionar problemas con los materiales utilizados en la actualidad. Aplicaciones industriales de ciencia de los materiales incluyen el diseño de materiales, ventajas y desventajas de costo-beneficio en la producción industrial de materiales, técnicas de procesamiento ( de fundición, laminados, soldadura , implantación de iones, el crecimiento de cristales, deposición de película delgada, sinterización, soplado de vidrio, etc.), y analíticas técnicas (técnicas de caracterización tales como microscopía electrónica, de difracción de rayos x, calorimetría, microscopía nuclear (HEFIB), Retrodispersión de Rutherford, difracción de neutrones, etc.).

Además de la caracterización de materiales, el material científico / ingeniero también se ocupa de la extracción de los materiales y su conversión en formas útiles. Así lingote de fundición, las técnicas de fundición, extracción de alto horno, y la extracción electrolítica son parte de los conocimientos necesarios de un metalúrgico / ingeniero. A menudo, la presencia, la ausencia o la variación de las cantidades de minutos de elementos secundarios y compuestos en un material a granel tendrá un gran impacto en las propiedades finales de los materiales producidos, por ejemplo, los aceros se clasifican sobre la base de 1 / 10a y 1/100 porcentajes en peso De los otros elementos de aleación de carbono y que contienen. Por lo tanto, las técnicas de extracción y purificación empleadas en la extracción de hierro en el alto horno tendrán un impacto de la calidad del acero que se pueden producir.

La coincidencia entre la física y la ciencia de los materiales ha llevado al campo de rama de la física de materiales, que se ocupa de las propiedades físicas de materiales. El enfoque es en general más macroscópica y aplicada que en la física de la materia condensada . Ver publicaciones importantes en la física de materiales para obtener más detalles sobre este campo de estudio.

El estudio de las aleaciones de metal es una parte importante de la ciencia de materiales. De todas las aleaciones metálicas en uso hoy en día, las aleaciones de hierro ( acero , acero inoxidable, hierro fundido, acero para herramientas, aceros de aleación) constituyen la mayor proporción, tanto por la cantidad y valor comercial. Hierro aleado con diversas proporciones de carbono da de baja, media y aceros de alta de carbono. Para los aceros, la dureza y la resistencia a la tracción del acero está directamente relacionada con la cantidad de carbono presente, con el aumento de los niveles de carbono que también conduce a una menor ductilidad y la tenacidad. La adición de silicio y grafitización producirá hierro fundido (aunque algunas fundiciones se realizan con precisión sin grafitización). La adición de cromo, níquel y molibdeno para aceros al carbono (más de 10%) nos da aceros inoxidables.

Otras aleaciones metálicas significativos son los de aluminio , titanio , cobre y magnesio . Las aleaciones de cobre se han conocido durante mucho tiempo (ya que la edad de bronce ), mientras que las aleaciones de los otros tres metales se han desarrollado relativamente recientemente. Debido a la reactividad química de estos metales, los procesos de extracción electrolíticos requeridos sólo se desarrollaron hace relativamente poco. Las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio también son conocidos y valorados por sus altas tasas de resistencia-peso y, en el caso de magnesio, su capacidad de proporcionar protección electromagnética. Estos materiales son ideales para situaciones en las altas tasas de resistencia-peso son más importantes que el costo mayor, como por ejemplo en la industria aeroespacial y de ciertas aplicaciones de ingeniería de automoción.

Aparte de metales, polímeros y cerámicas son también una parte importante de la ciencia de los materiales. Los polímeros son las materias primas (las resinas) utilizados para hacer lo que comúnmente llamamos plásticos. Los plásticos son realmente el producto final, crean después de uno o más polímeros o aditivos se han añadido a una resina durante el procesamiento, que se conforma entonces en una forma final. Los polímeros que han existido, y que son de uso generalizado actual, incluyen polietileno, polipropileno, PVC, poliestireno , nylons, poliésteres, acrílicos, poliuretanos, y policarbonatos. Los plásticos se clasifican generalmente como "mercancía", "especialidad" y plásticos de "ingeniería".

PVC (cloruro de polivinilo) se utiliza ampliamente, de bajo costo, y cantidades de producción anuales son grandes. Se presta a una increíble variedad de aplicaciones, desde cuero artificial aislamiento eléctrico y de cableado, envasado y contenedores. Su fabricación y procesamiento son simples y bien establecida. La versatilidad de PVC es debido a la amplia gama de plastificantes y otros aditivos que acepta. El término "aditivos" en la ciencia de polímeros se refiere a los productos químicos y compuestos añadidos a la base de polímero para modificar sus propiedades materiales.

El policarbonato se considera normalmente un plástico de ingeniería (otros ejemplos incluyen PEEK, ABS). Plásticos de ingeniería son valorados por sus fortalezas y otras propiedades del material especial superiores. Por lo general, no se utilizan para aplicaciones de un solo uso, a diferencia de los plásticos comerciales.

Plásticos de especialidad son materiales con características únicas, como la ultra-alta resistencia, conductividad eléctrica, electro-fluorescencia, alta estabilidad térmica, etc.

Cabe señalar aquí que la línea divisoria entre los diversos tipos de plásticos no se basa en material, sino más bien en sus propiedades y aplicaciones. Por ejemplo, polietileno (PE) es un polímero fricción barato, bajo comúnmente utilizado para hacer bolsas de la compra desechables y bolsas de basura, y se considera un plástico de los productos básicos, mientras polietileno de densidad media MDPE se utiliza para las tuberías de gas y agua subterránea, y otra variedad llamada Ultra-alta de polietileno de peso molecular UHMWPE es un plástico de ingeniería que se utiliza ampliamente como los carriles de deslizamiento para equipos industriales y la toma de baja fricción en implantada articulaciones de la cadera.

Otra aplicación de la ciencia de materiales en la industria es la fabricación de materiales compuestos. Los materiales compuestos son materiales estructurados constituidos por dos o más fases macroscópicas. Un ejemplo podría ser de acero-hormigón armado; otro se puede ver en las carcasas "plástico" de aparatos de televisión, teléfonos celulares y así sucesivamente. Estas carcasas de plástico son generalmente una material compuesto formado por una matriz termoplástica tal como acrilonitrilo-butadieno-estireno ( ABS) en el que el carbonato de calcio tiza, talco , fibras de vidrio o fibras de carbono se han añadido para mayor resistencia, mayor, o dispersión electro-estática. Estas adiciones pueden ser referidos como fibras de refuerzo, o dispersantes, dependiendo de su propósito.

Clases de materiales (por tipos de bonos)

La ciencia de materiales abarca varias clases de materiales, cada uno de los cuales pueden constituir un campo independiente. Los materiales se clasifican a veces por el tipo de enlace presente entre los átomos:

1. Cristales iónicos
2. Cristales covalentes
3. Metales
4. Intermetálicos
5. Semiconductores
6. Polímeros
7. Materiales compuestos
8. Materiales vítreos

Sub-campos de la ciencia de los materiales

• Nanotecnología - rigor, el estudio de los materiales en los que los efectos de la confinamiento cuántico, la Efecto Gibbs-Thomson, o cualquier otro efecto sólo está presente en la nanoescala es la propiedad definitoria del material; pero más comúnmente, es la creación y el estudio de los materiales cuya definición de las propiedades estructurales son en cualquier lugar de menos de un nanómetros a cien nanómetros de escala, tales como materiales de ingeniería molecular.
• Microtecnología - estudio de los materiales y procesos y su interacción, permitiendo microfabricación de las estructuras de dimensiones micrométricas, tales como Sistemas microelectromecánicos (MEMS).
• Cristalografía - el estudio de cómo los átomos en un espacio relleno sólido, el defectos asociados con estructuras cristalinas tales como los límites de grano y dislocaciones, y la caracterización de estas estructuras y su relación con las propiedades físicas.
• Caracterización de materiales - como la difracción con rayos X, electrones o neutrones , y diversas formas de espectroscopia y análisis químicos , tales como Espectroscopia de Raman, espectroscopia (EDS) de dispersión por la energía, cromatografía , análisis térmico, análisis de microscopio electrónico, etc., con el fin de entender y definir las propiedades de los materiales. Ver también Lista de métodos de análisis de superficies
• Metalurgia - el estudio de metales y sus aleaciones, incluyendo su extracción, microestructura y procesamiento.
• Biomateriales - materiales que se derivan de y / o se utilizan con los sistemas biológicos.
• Electrónicos y magnéticos materiales - materiales tales como semiconductores utilizados para crear circuitos integrados , medios de almacenamiento, sensores, y otros dispositivos.
• Tribología - el estudio del desgaste de los materiales debido a fricción y otros factores.
• Superficie ciencia / Catálisis - interacciones y estructuras entre sólido-gas sólido-líquido o interfases sólido-sólido.
• Ceramography - el estudio de la microestructuras de materiales de alta temperatura y refractarios, incluyendo cerámica estructural como RCC, policristalino carburo de silicio y transformación endurecido cerámica

Algunos médicos consideran a menudo reología un sub-campo de la ciencia de los materiales, ya que puede cubrir cualquier material que fluye. Sin embargo, la reología moderna se ocupa esencialmente de no newtoniano la dinámica de fluidos, por lo que a menudo se considera una sub-campo de la mecánica de medios continuos. Ver también material granular.

• Ciencia Cristal - cualquier material no cristalino incluyendo vidrios inorgánicos, metales vítreos y vasos no óxidos.
• Ingeniería forense - el estudio de cómo los productos fallan, y el papel vital de los materiales de construcción
• Materiales forenses ingeniería - el estudio de la falla del material, y la luz que arroja sobre cómo los ingenieros especifican los materiales en su producto

Temas que forman la base de la ciencia de los materiales

• Termodinámica , mecánica estadística , Cinética y química física, para la fase de estabilidad, transformaciones (física y química) y diagramas.
• Cristalografía y enlace químico , para la comprensión de cómo están dispuestos los átomos en un material.
• Mecánica, para comprender las propiedades mecánicas de los materiales y sus aplicaciones estructurales.
• Física del estado sólido y la mecánica cuántica , para la comprensión de la electrónica, térmica, magnética, química, propiedades estructurales y ópticas de los materiales.
• Difracción y la mecánica ondulatoria, para la caracterización de materiales.
• Química y ciencia de los polímeros, para la comprensión de los plásticos , coloides, cerámica, cristales líquidos, química del estado sólido, y polímeros.
• Biología , para la integración de materiales en los sistemas biológicos.
• Mecánica y Continuum estadísticas , para el estudio de los flujos de fluidos y sistemas de conjuntos.
• Mecánica de materiales, para el estudio de la relación entre el comportamiento mecánico de los materiales y sus microestructuras.

Revistas Importante

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