yukio tm376 : Materialwissenschaft

Das interdisziplinäre Gebiet der Werkstoffwissenschaften auch allgemein Materialwissenschaft und Werkstofftechnik genannt, ist das Design und die Entdeckung neuer Materialien, insbesondere Festkörper. Die intellektuellen Ursprünge der Materialwissenschaft gehen auf die Aufklärung zurück, als Forscher anfingen, analytisches Denken aus Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften zu verwenden, um uralte, phänomenologische Beobachtungen in der Metallurgie und Mineralogie zu verstehen. ^[1]^[2] In die Materialwissenschaft sind immer noch Elemente der Physik, der Chemie und der Physik eingebunden Ingenieurwesen. Als solches wurde das Feld von akademischen Institutionen lange als Unterfeld dieser verwandten Gebiete betrachtet. In den 1940er Jahren wurde die Materialwissenschaft zunehmend als spezifisches und unterschiedliches Gebiet der Wissenschaft und des Ingenieurwesens anerkannt, und große technische Universitäten auf der ganzen Welt gründeten dedizierte Schulen für die Studie, entweder an den naturwissenschaftlichen oder technischen Schulen, daher auch die Bezeichnung.

Die Materialwissenschaft ist eine synkretistische Disziplin, die Metallurgie, Keramik, Festkörperphysik und Chemie hybridisiert. Es ist das erste Beispiel einer neuen akademischen Disziplin, die durch Fusion statt durch Spaltung entsteht. ^[3]

Viele der dringendsten wissenschaftlichen Probleme, mit denen Menschen derzeit konfrontiert sind, beruhen auf den Grenzen der verfügbaren Materialien und ihrer Verwendung. Durchbrüche in der Materialwissenschaft dürften daher die Zukunft der Technologie erheblich beeinflussen. ^[4]^[5]

Materialwissenschaftler betonen zu verstehen, wie die Geschichte eines Materials (seine Verarbeitung ) seine Struktur und damit die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit des Materials beeinflusst . Das Verständnis von Verarbeitungsstruktur-Eigenschafts-Beziehungen wird als §-Material-Paradigma bezeichnet. Dieses Paradigma wird verwendet, um das Verständnis in einer Vielzahl von Forschungsbereichen zu fördern, darunter Nanotechnologie, Biomaterialien und Metallurgie. Materialwissenschaft ist auch ein wichtiger Bestandteil der Forensik und der Fehleranalyse - bei der Untersuchung von Materialien, Produkten, Strukturen oder Bauteilen, die ausfallen oder nicht wie beabsichtigt funktionieren und zu Verletzungen oder Sachschäden führen. Solche Untersuchungen sind der Schlüssel zum Verständnis, z. B. der Ursachen verschiedener Unfälle und Zwischenfälle in der Luftfahrt.

Geschichte [ edit ]

Das Material der Wahl einer bestimmten Epoche ist oft ein bestimmender Punkt. Phrasen wie Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit und Stahlzeit sind historisch, wenn auch willkürliche Beispiele. Ursprünglich aus der Herstellung von Keramik und ihrer mutmaßlichen derivativen Metallurgie abgeleitet, ist die Materialwissenschaft eine der ältesten Formen der Ingenieur- und angewandten Wissenschaft. Die moderne Materialwissenschaft entwickelte sich direkt aus der Metallurgie, die sich aus dem Bergbau und (wahrscheinlich) der Keramik und früher aus der Verwendung von Feuer entwickelte. Ein bedeutender Durchbruch beim Verständnis von Materialien gelang im späten 19. Jahrhundert, als der amerikanische Wissenschaftler Josiah Willard Gibbs zeigte, dass die thermodynamischen Eigenschaften der Atomstruktur in verschiedenen Phasen mit den physikalischen Eigenschaften eines Materials zusammenhängen. Wichtige Elemente der modernen Materialwissenschaft sind ein Produkt des Weltraumwettlaufs: das Verständnis und die Konstruktion der metallischen Legierungen sowie der Materialien aus Siliziumdioxid und Kohlenstoff, die beim Bau von Weltraumfahrzeugen verwendet werden, um die Erforschung des Weltraums zu ermöglichen. Die Werkstoffwissenschaft hat die Entwicklung revolutionärer Technologien wie Gummi, Kunststoffe, Halbleiter und Biomaterialien vorangetrieben und vorangetrieben.

Vor den 1960er-Jahren (und in einigen Fällen Jahrzehnte danach) waren viele eventuelle Materialwissenschaften Abteilungen Metallurgie oder Keramiktechnik Abteilungen, die die 19. und frühen Jahre widerspiegelten Schwerpunkt des 20. Jahrhunderts auf Metallen und Keramik. Das Wachstum der Materialwissenschaft in den Vereinigten Staaten wurde zum Teil von der Advanced Research Projects Agency katalysiert, die Anfang der 1960er Jahre eine Reihe von Laboratorien mit Universitätsgelder finanzierte, "um das nationale Programm der Grundlagenforschung und Ausbildung in den Materialwissenschaften auszubauen". ^[6] Das Feld hat sich seitdem auf alle Materialklassen ausgeweitet, darunter Keramiken, Polymere, Halbleiter, magnetische Materialien, Biomaterialien und Nanomaterialien, die im Allgemeinen in drei verschiedene Gruppen eingeteilt werden: Keramiken, Metalle und Polymere. Der markante Wandel in der Materialwissenschaft in den letzten Jahrzehnten ist der aktive Einsatz von Computersimulationen, um neue Materialien zu finden, Eigenschaften vorherzusagen und Phänomene zu verstehen.

Fundamentals [ edit ]

Das Materialparadigma, das in Form eines Tetraeders dargestellt ist

Ein Material wird als Substanz definiert (meistens eine feste, aber andere kondensierte Phase) enthalten sein), das für bestimmte Anwendungen bestimmt ist. ^[7] Es gibt eine Unmenge von Materialien um uns herum - sie können in allen Bereichen von Gebäuden bis zu Raumfahrzeugen gefunden werden. Materialien können im Allgemeinen weiter in zwei Klassen unterteilt werden: kristallin und nicht kristallin. Traditionelle Materialbeispiele sind Metalle, Halbleiter, Keramiken und Polymere. ^[8] Neue und fortgeschrittene Materialien, die entwickelt werden, umfassen Nanomaterialien, Biomaterialien ^[9] und Energiematerialien, um nur einige zu nennen.

Die Grundlage der Materialwissenschaft besteht darin, die Struktur von Materialien zu untersuchen und sie mit ihren Eigenschaften in Verbindung zu bringen. Sobald ein Materialwissenschaftler diese Struktur-Eigenschafts-Korrelation kennt, kann er die relative Leistung eines Materials in einer bestimmten Anwendung untersuchen. Die wichtigsten Determinanten für die Struktur eines Materials und damit für seine Eigenschaften sind seine chemischen Bestandteile und die Art und Weise, wie es zu seiner endgültigen Form verarbeitet wurde. Diese Eigenschaften, zusammengenommen und durch die Gesetze der Thermodynamik und Kinetik miteinander verbunden, bestimmen die Mikrostruktur eines Materials und damit seine Eigenschaften.

Struktur [ edit ]

Wie oben erwähnt, ist die Struktur eine der wichtigsten Komponenten auf dem Gebiet der Materialwissenschaft. Die Materialwissenschaft untersucht die Struktur von Materialien von der Atomskala bis hin zur Makroskala. Charakterisierung ist die Art und Weise, wie Materialwissenschaftler die Struktur eines Materials untersuchen. Dies beinhaltet Methoden wie die Beugung mit Röntgenstrahlen, Elektronen oder Neutronen sowie verschiedene Formen der Spektroskopie und der chemischen Analyse wie Raman-Spektroskopie, energiedispersive Spektroskopie (EDS), Chromatographie, thermische Analyse, Elektronenmikroskopanalyse usw. Die Struktur ist auf verschiedenen Ebenen untersucht, wie unten beschrieben.

Atomstruktur [ edit ]

Dies beschäftigt sich mit den Atomen der Materialien und wie sie angeordnet sind, um Moleküle, Kristalle usw. zu erzeugen. Ein Großteil der elektrischen, magnetischen und chemischen Materialeigenschaften ergeben sich aus dieser Strukturebene. Die Längenangaben beziehen sich auf Angström (Å).
Die Art und Weise, wie die Atome und Moleküle verbunden und angeordnet werden, ist grundlegend für die Untersuchung der Eigenschaften und des Verhaltens eines Materials.

Nanostructure [ edit ]

Nanostructure befasst sich mit Objekten und Strukturen im Bereich von 1–100 nm. ^[10] In vielen Materialien agglomerieren Atome oder Moleküle zu Objekten auf der Nanoskala. Dies verursacht viele interessante elektrische, magnetische, optische und mechanische Eigenschaften.

Bei der Beschreibung von Nanostrukturen muss zwischen der Anzahl der Dimensionen im Nanomaßstab unterschieden werden. Nanotexturierte Oberflächen haben eine Dimension im Nanomaßstab, d. H. Nur die Dicke der Oberfläche eines Objekts liegt zwischen 0,1 und 100 nm. Nanoröhren haben zwei Dimensionen im Nanomaßstab, d. H. Der Durchmesser der Röhre beträgt zwischen 0,1 und 100 nm; seine Länge könnte viel größer sein. Schließlich haben sphärische Nanopartikel drei Dimensionen im Nanomaßstab, d. H. Der Partikel liegt in jeder räumlichen Dimension zwischen 0,1 und 100 nm. Die Begriffe Nanopartikel und ultrafeine Partikel (UFP) werden oft synonym verwendet, obwohl UFP bis in den Mikrometerbereich reichen kann. Der Begriff "Nanostruktur" wird häufig verwendet, wenn von Magnettechnologie gesprochen wird. Nanostruktur in der Biologie wird oft als Ultrastruktur bezeichnet.

Materialien, deren Atome und Moleküle Bestandteile im Nanomaßstab bilden (d. H. Sie bilden eine Nanostruktur), werden als Nanomaterialien bezeichnet. Nanomaterialien werden in der Materialwissenschaft aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften intensiv erforscht.

Mikrostruktur [ edit ]

Mikrostruktur von Perlit

Mikrostruktur ist die Struktur einer vorbereiteten Oberfläche oder dünnen Materialfolie, die durch ein Mikroskop mit einer 25-fachen Vergrößerung sichtbar wird. Es befasst sich mit Objekten von 100 nm bis zu einigen cm. Die Mikrostruktur eines Materials (das weitgehend in metallische, polymere, keramische und verbundfähige Materialien eingeteilt werden kann) kann die physikalischen Eigenschaften wie Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Verhalten bei hohen / niedrigen Temperaturen, Verschleißfestigkeit usw. stark beeinflussen . Die meisten traditionellen Materialien (wie Metalle und Keramiken) sind mikrostrukturiert.

Die Herstellung eines perfekten Kristalls eines Materials ist physikalisch unmöglich. Beispielsweise enthält jedes kristalline Material Defekte wie Ausfällungen, Korngrenzen (Hall-Petch-Beziehung), Leerstellen, interstitielle Atome oder Substitutionsatome. Die Mikrostruktur von Materialien zeigt diese größeren Defekte auf, so dass sie untersucht werden können, wobei bedeutende Fortschritte in der Simulation zu einem exponentiell zunehmenden Verständnis führen, wie Defekte zur Verbesserung der Materialeigenschaften verwendet werden können.

Makro-Struktur [ edit ]

Die Makro-Struktur ist das Erscheinungsbild eines Materials im Maßstab von Millimetern bis Metern - es ist die Struktur des Materials, wie es mit bloßem Auge zu sehen ist.

Kristallographie [ edit ]

Die Kristallstruktur eines Perowskits mit einer chemischen Formel ABX _{3 ^{^[11]}}

die Wissenschaft, die die Anordnung von Atomen in kristallinen Festkörpern untersucht. Die Kristallographie ist ein nützliches Werkzeug für Materialwissenschaftler. In Einkristallen sind die Auswirkungen der kristallinen Anordnung von Atomen oft makroskopisch zu erkennen, da die natürlichen Formen der Kristalle die atomare Struktur widerspiegeln. Ferner werden physikalische Eigenschaften häufig durch kristalline Defekte kontrolliert. Das Verständnis von Kristallstrukturen ist eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis kristallographischer Defekte. Meistens kommen Materialien nicht als Einkristall vor, sondern in polykristalliner Form, d. H. Als Aggregat aus kleinen Kristallen mit unterschiedlichen Orientierungen. Aus diesem Grund spielt das Pulverbeugungsverfahren, das Beugungsmuster von polykristallinen Proben mit einer großen Anzahl von Kristallen verwendet, eine wichtige Rolle bei der Strukturbestimmung.
Die meisten Materialien haben eine kristalline Struktur, aber einige wichtige Materialien zeigen keine reguläre Kristallstruktur. Polymere weisen unterschiedliche Kristallinitätsgrade auf und viele sind vollständig nicht kristallin. Glas, einige Keramiken und viele natürliche Materialien sind amorph und besitzen keine weitreichende Ordnung in ihren atomaren Anordnungen. Bei der Untersuchung von Polymeren werden Elemente der chemischen und statistischen Thermodynamik kombiniert, um thermodynamische und mechanische Beschreibungen der physikalischen Eigenschaften zu erhalten.

Bonding [ edit ]

Um ein umfassendes Verständnis der Materialstruktur und ihrer Beziehung zu ihren Eigenschaften zu erhalten, muss der Materialwissenschaftler untersuchen, wie die verschiedenen Atome, Ionen und Moleküle sind angeordnet und miteinander verbunden. Dies beinhaltet das Studium und den Einsatz von Quantenchemie oder Quantenphysik. Festkörperphysik, Festkörperchemie und physikalische Chemie befassen sich auch mit dem Studium der Bindung und Struktur.

Eigenschaften [ edit ]

Materialien weisen unzählige Eigenschaften auf, einschließlich der folgenden.

Die Eigenschaften eines Materials bestimmen seine Verwendbarkeit und damit seine technische Anwendung.

Synthese und Verarbeitung [ edit ]

Bei Synthese und Verarbeitung wird ein Material mit der gewünschten Mikro-Nanostruktur geschaffen. Aus technischer Sicht kann ein Material in der Industrie nicht verwendet werden, wenn dafür keine wirtschaftliche Produktionsmethode entwickelt wurde. Daher ist die Verarbeitung von Materialien für die Materialwissenschaft von entscheidender Bedeutung.

Unterschiedliche Materialien erfordern unterschiedliche Verarbeitungs- oder Synthesemethoden. Zum Beispiel war die Verarbeitung von Metallen in der Vergangenheit sehr wichtig und wird im Bereich der Materialwissenschaft Physical Metalurgy untersucht. Chemische und physikalische Methoden werden auch für die Synthese anderer Materialien wie Polymere, Keramiken, dünne Filme usw. verwendet. Ab dem frühen 21. Jahrhundert werden neue Methoden entwickelt, um Nanomaterialien wie Graphen zu synthetisieren.

Thermodynamik [ edit ]

Ein Phasendiagramm für ein binäres System mit eutektischem Punkt

Die Thermodynamik befasst sich mit Wärme und Temperatur sowie deren Beziehung zu Energie und Arbeit. Sie definiert makroskopische Variablen wie innere Energie, Entropie und Druck, die teilweise einen Körper aus Materie oder Strahlung beschreiben. Darin heißt es, dass das Verhalten dieser Variablen allgemeinen Beschränkungen unterliegt, die allen Materialien gemeinsam sind, nicht den besonderen Eigenschaften bestimmter Materialien. Diese allgemeinen Einschränkungen werden in den vier Gesetzen der Thermodynamik ausgedrückt. Die Thermodynamik beschreibt das Volumenverhalten des Körpers, nicht das mikroskopische Verhalten der sehr großen Anzahl seiner mikroskopischen Bestandteile, wie z. B. Moleküle. Das Verhalten dieser mikroskopischen Partikel wird durch die statistische Mechanik beschrieben und die Gesetze der Thermodynamik abgeleitet.

Das Studium der Thermodynamik ist grundlegend für die Materialwissenschaft. Es bildet die Grundlage für die Behandlung allgemeiner Phänomene in Materialwissenschaften und -technik, einschließlich chemischer Reaktionen, Magnetismus, Polarisierbarkeit und Elastizität. Es hilft auch beim Verständnis von Phasendiagrammen und Phasengleichgewicht.

Kinetics [ edit ]

Chemische Kinetik ist die Untersuchung der Geschwindigkeit, mit der sich Systeme, die sich nicht im Gleichgewicht befinden, unter dem Einfluss verschiedener Kräfte ändern. Bei der Anwendung in der Materialwissenschaft geht es darum, wie sich ein Material im Laufe der Zeit verändert (vom Nichtgleichgewicht in den Gleichgewichtszustand), wenn ein bestimmtes Feld angelegt wird. Es beschreibt die Geschwindigkeit verschiedener Prozesse, die sich in Materialien entwickeln, einschließlich Form, Größe, Zusammensetzung und Struktur. Die Diffusion ist wichtig für das Studium der Kinetik, da dies der häufigste Mechanismus ist, durch den Materialien verändert werden.

Kinetik ist bei der Verarbeitung von Materialien unabdingbar, da sie unter anderem beschreibt, wie sich die Mikrostruktur mit der Anwendung von Wärme verändert.

In der Forschung [ edit ]

Die Materialwissenschaft hat von Forschern viel Aufmerksamkeit erhalten. In den meisten Universitäten sind viele Abteilungen, von Physik über Chemie bis hin zu Chemieingenieurwesen, sowie Materialwissenschaftliche Abteilungen an der Materialforschung beteiligt. Die Forschung in der Materialwissenschaft ist lebendig und umfasst viele Wege. Die folgende Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Es dient nur dazu, einige wichtige Forschungsbereiche hervorzuheben.

Nanomaterialien [ edit ]

Nanomaterialien beschreiben im Prinzip Materialien, bei denen eine einzelne Einheit (in mindestens einer Dimension) zwischen 1 und 1000 Nanometer groß ist (10 ^{) -9} meter), ist aber normalerweise 1–100 nm.

Die Forschung an Nanomaterialien verfolgt einen auf der Materialwissenschaft basierenden Ansatz der Nanotechnologie und nutzt die Fortschritte in der Materialmesstechnik und -synthese, die zur Unterstützung der Mikrofabrikationsforschung entwickelt wurden. Materialien mit einer Struktur im Nanomaßstab haben oft einzigartige optische, elektronische oder mechanische Eigenschaften.

Das Gebiet der Nanomaterialien ist, wie das traditionelle Feld der Chemie, lose zu organischen (Kohlenstoff-basierten) Nanomaterialien wie Fullerenen und anorganischen Nanomaterialien auf Basis anderer Elemente wie Silizium organisiert. Beispiele für Nanomaterialien sind Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren, Nanokristalle usw.

Biomaterials [ edit ]

Ein Biomaterial ist jede Materie, Oberfläche oder Konstruktion, die mit biologischen Systemen interagiert. Die Untersuchung von Biomaterialien wird als Bio-Materialwissenschaft bezeichnet. Es hat in seiner Geschichte ein stetiges und starkes Wachstum erlebt. Viele Unternehmen investieren viel Geld in die Entwicklung neuer Produkte. Die Biomaterialwissenschaft umfasst Elemente der Medizin, Biologie, Chemie, Tissue Engineering und Materialwissenschaft.

Biomaterialien können entweder aus der Natur stammen oder in einem Labor unter Verwendung verschiedener chemischer Ansätze unter Verwendung metallischer Komponenten, Polymere, Biokeramik oder Verbundmaterialien synthetisiert werden. Sie werden häufig für eine medizinische Anwendung verwendet und / oder angepasst und umfassen daher eine ganze oder einen Teil einer lebenden Struktur oder biomedizinischen Vorrichtung, die eine natürliche Funktion ausführt, verstärkt oder ersetzt. Solche Funktionen können gutartig sein, wie sie für eine Herzklappe verwendet werden, oder sie können bioaktiv sein und eine interaktivere Funktionalität aufweisen, wie beispielsweise Hydroxylapatit-beschichtete Hüftimplantate. Biomaterialien werden auch täglich in zahnärztlichen Anwendungen, in der Chirurgie und bei der Medikamentenverabreichung eingesetzt. Zum Beispiel kann ein Konstrukt mit imprägnierten pharmazeutischen Produkten in den Körper eingebracht werden, was die verlängerte Freisetzung eines Arzneimittels über einen längeren Zeitraum erlaubt. Ein Biomaterial kann auch ein Autotransplantat, Allotransplantat oder Xenotransplantat sein, das als Organtransplantatmaterial verwendet wird.

Elektronisch, optisch und magnetisch [ edit ]

Halbleiter, Metalle und Keramiken werden heute verwendet, um hochkomplexe Systeme wie integrierte elektronische Schaltungen, optoelektronische Bauelemente und magnetische Systeme zu bilden und optische Massenspeichermedien. Diese Materialien bilden die Grundlage unserer modernen Computerwelt. Daher ist die Erforschung dieser Materialien von entscheidender Bedeutung.

Halbleiter sind ein traditionelles Beispiel für diese Art von Materialien. Es handelt sich um Materialien, deren Eigenschaften zwischen Leitern und Isolatoren liegen. Ihre elektrischen Leitfähigkeiten sind sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungskonzentrationen, und dies ermöglicht die Verwendung von Dotierung, um die gewünschten elektronischen Eigenschaften zu erreichen. Daher bilden Halbleiter die Basis des herkömmlichen Computers.

Dieses Feld umfasst auch neue Forschungsgebiete wie supraleitende Materialien, Spintronik, Metamaterialien usw. Das Studium dieser Materialien beinhaltet Kenntnisse der Materialwissenschaften und der Festkörperphysik oder der Festkörperphysik.

Computational Materials Science and Engineering [ edit ]

Mit fortschreitender Steigerung der Rechenleistung ist die Simulation des Verhaltens von Materialien möglich geworden. Auf diese Weise können Materialwissenschaftler Verhalten und Mechanismen verstehen, Eigenschaften, die zuvor kaum verstanden wurden, erklären und sogar neue Materialien entwerfen. Die Bemühungen um Integrated Computational Materials Engineering konzentrieren sich jetzt auf die Kombination von Berechnungsmethoden mit Experimenten, um den Aufwand für die Optimierung der Materialeigenschaften für eine bestimmte Anwendung drastisch zu reduzieren. Dies beinhaltet die Simulation von Materialien auf allen Längenskalen mit Methoden wie Dichtefunktionaltheorie, Molekulardynamik, Monte-Carlo-Algorithmus, Versetzungsdynamik, Phasenfeldmodellen, Finite-Elemente-Methode und vielen mehr.

In der Industrie [ edit ]

Radiale Materialentwicklungen können die Entwicklung neuer Produkte oder sogar neuer Industrien vorantreiben. In stabilen Industrien werden jedoch auch Materialwissenschaftler eingesetzt, um inkrementelle Verbesserungen vorzunehmen und Probleme zu beheben derzeit verwendete Materialien. Zu den industriellen Anwendungen der Materialwissenschaften gehören Materialdesign, Kosten-Nutzen-Abwägungen bei der industriellen Materialherstellung, Verarbeitungsverfahren (Gießen, Walzen, Schweißen, Ionenimplantation, Kristallwachstum, Dünnfilmabscheidung, Sintern, Glasblasen usw.) und Analyseverfahren (Charakterisierungsmethoden wie Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugung, Kalorimetrie, Kernmikroskopie (HEFIB), Rutherford-Rückstreuung, Neutronenbeugung, Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) usw.).

Neben der Materialcharakterisierung beschäftigt sich der Materialwissenschaftler oder Ingenieur mit der Materialgewinnung und deren Umwandlung in nützliche Formen. So gehören Blockgießen, Gießereitechniken, Hochofenextraktion und elektrolytische Extraktion zum erforderlichen Wissen eines Materialingenieurs. Die Anwesenheit, Abwesenheit oder Variation kleinster Mengen sekundärer Elemente und Verbindungen in einem Schüttgut beeinflusst häufig die endgültigen Eigenschaften der hergestellten Materialien. Zum Beispiel werden Stähle auf der Grundlage von 1/10 und 1/100 Gewichtsprozent des Kohlenstoffs und anderer Legierungselemente, die sie enthalten, klassifiziert. Daher können die Extraktions- und Reinigungsmethoden, die zum Extrahieren von Eisen in einem Hochofen verwendet werden, die Qualität des erzeugten Stahls beeinflussen.

Keramik und Gläser [ edit ]

Si ₃ N ₄ Keramiklagerteile

Eine andere Anwendung der Materialwissenschaft ist die Strukturen aus Keramik und Glas, die typischerweise mit den spröden Materialien verbunden sind. Beim Kleben in Keramik und Gläsern werden kovalente und ionisch-kovalente Typen mit SiO ₂ (Kieselsäure oder Sand) als grundlegender Baustein verwendet. Keramiken sind so weich wie Ton oder so hart wie Stein und Beton. Normalerweise haben sie eine kristalline Form. Die meisten Gläser enthalten ein mit Siliciumdioxid geschmolzenes Metalloxid. Bei hohen Temperaturen zur Herstellung von Glas ist das Material eine viskose Flüssigkeit. Die Struktur von Glas bildet sich beim Abkühlen in einen amorphen Zustand. Fensterscheiben und Brillen sind wichtige Beispiele. Glasfasern sind ebenfalls erhältlich. Kratzfestes Corning Gorilla-Glas ist ein bekanntes Beispiel für die Anwendung der Materialwissenschaften, um die Eigenschaften gewöhnlicher Komponenten drastisch zu verbessern. Diamant und Kohlenstoff in seiner Graphitform gelten als Keramik.

Technische Keramik ist bekannt für ihre Steifigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen, Kompression und elektrischer Belastung. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid und Wolframcarbid werden aus einem feinen Pulver ihrer Bestandteile in einem Sinterprozess mit einem Bindemittel hergestellt. Heißpressen liefert Material mit höherer Dichte. Durch chemische Gasphasenabscheidung kann ein Keramikfilm auf einem anderen Material aufgebracht werden. Cermets sind keramische Partikel, die einige Metalle enthalten. Die Verschleißfestigkeit von Werkzeugen wird von Hartmetallen abgeleitet, wobei die Metallphase aus Kobalt und Nickel typischerweise hinzugefügt wird, um die Eigenschaften zu verändern.

Composites [ edit ]

Ein Kohlenstofffilament mit einem Durchmesser von 6 μm (von links unten nach rechts oben), das sich auf den viel größeren menschlichen Haaren befindet

Zur Verstärkung werden üblicherweise Filamente verwendet in Verbundwerkstoffen.

Eine andere Anwendung der Materialwissenschaft in der Industrie ist die Herstellung von Verbundwerkstoffen. Dies sind strukturierte Materialien, die aus zwei oder mehr makroskopischen Phasen bestehen. Die Anwendungen reichen von Strukturelementen wie Stahlbeton bis hin zu den Wärmedämmplatten, die eine Schlüsselrolle beim NASA-Raumwärmeschutzsystem Space Shuttle spielen, das dazu dient, die Oberfläche des Shuttles vor der Wiedereintrittswärme in den Raum zu schützen Erdatmosphäre. Ein Beispiel ist verstärktes Carbon-Carbon (RCC), das hellgraue Material, das Wiedereintrittstemperaturen von bis zu 1.510 ° C widersteht und die Flügelvorderkanten und die Nasenkappe des Space Shuttle schützt. RCC ist ein laminiertes Verbundmaterial aus Grafit-Viskose, das mit einem Phenolharz imprägniert ist. Nach dem Härten bei hoher Temperatur in einem Autoklaven wird das Laminat pyrolysiert, um das Harz in Kohlenstoff umzuwandeln, in einer Vakuumkammer mit Furfuralalkohol imprägniert und gehärtet, pyrolysiert, um den Furfuralalkohol in Kohlenstoff umzuwandeln. Um Oxidationsbeständigkeit für die Wiederverwendungsfähigkeit bereitzustellen, werden die äußeren Schichten des RCC in Siliciumcarbid umgewandelt.

Weitere Beispiele sind in den "Kunststoffgehäusen" von Fernsehgeräten, Mobiltelefonen usw. zu sehen. Diese Kunststoffgehäuse sind üblicherweise ein Verbundmaterial, das aus einer thermoplastischen Matrix wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) besteht, in die Calciumcarbonatkreide, Talk, Glasfasern oder Kohlenstofffasern zur Erhöhung der Festigkeit, Masse oder zur elektrostatischen Dispersion hinzugefügt wurden. Diese Zusätze können abhängig von ihrem Zweck als Verstärkungsfasern oder Dispergiermittel bezeichnet werden.

Polymere [ edit ]

Die Wiederholungseinheit des Polymers Polypropylen

Polystyrol-Polymerverpackungen

Polymere sind chemische Verbindungen, die aus einer großen Anzahl von identischen Komponenten bestehen zusammen wie Ketten. Sie sind ein wichtiger Teil der Materialwissenschaft. Polymere sind die Rohstoffe (die Harze), aus denen sogenannte Kunststoffe und Gummi hergestellt werden. Kunststoffe und Kautschuk sind wirklich das Endprodukt, das entsteht, wenn einem Harz während der Verarbeitung ein oder mehrere Polymere oder Additive zugesetzt wurden, die dann in eine endgültige Form gebracht werden. Kunststoffe, die es bisher gab und die derzeit weit verbreitet sind, umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol, Nylons, Polyester, Acryl, Polyurethane und Polycarbonate, und auch Kautschuke, die es gibt, sind Naturkautschuk, Styrol. Butadienkautschuk, Chloropren und Butadienkautschuk. Kunststoffe werden im Allgemeinen als Ware Spezialität und Maschinenbau Kunststoffe klassifiziert.

Polyvinylchlorid (PVC) ist weit verbreitet, kostengünstig und die jährlichen Produktionsmengen sind groß. Es bietet sich für eine Vielzahl von Anwendungen an, von Kunstleder über elektrische Isolierung und Verkabelung bis hin zu Verpackungen und Behältern. Die Herstellung und Verarbeitung ist einfach und etabliert. Die Vielseitigkeit von PVC beruht auf der großen Auswahl an Weichmachern und anderen Zusatzstoffen. Der Begriff "Additive" in der Polymerwissenschaft bezieht sich auf die Chemikalien und Verbindungen, die der Polymerbasis zugesetzt werden, um ihre Materialeigenschaften zu verändern.

Polycarbonat wird normalerweise als technischer Kunststoff betrachtet (andere Beispiele umfassen PEEK, ABS). Solche Kunststoffe werden für ihre überlegenen Festigkeiten und anderen besonderen Materialeigenschaften geschätzt. Sie werden normalerweise nicht für Einweganwendungen verwendet, im Gegensatz zu Standardkunststoffen.

Spezialkunststoffe sind Werkstoffe mit einzigartigen Eigenschaften wie ultrahohe Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Elektrolfluoreszenz, hohe thermische Stabilität usw.

Die Trennlinien zwischen den verschiedenen Kunststofftypen basieren nicht auf Material, sondern auf deren Eigenschaften und Anwendungen. Zum Beispiel ist Polyethylen (PE) ein billiges Polymer mit geringer Reibung, das üblicherweise zur Herstellung von Einwegbeuteln für den Einkauf und für den Müll verwendet wird, und es wird als normaler Kunststoff betrachtet, während Polyethylen mittlerer Dichte (MDPE) für unterirdische Gas- und Wasserleitungen verwendet wird Eine andere Sorte, die ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) genannt wird, ist ein technischer Kunststoff, der häufig als Gleitschiene für industrielle Geräte und als reibungsarme Pfanne in implantierten Hüftgelenken verwendet wird.

Metalllegierungen [ edit ]

Drahtseil aus Stahllegierung

Die Untersuchung von Metalllegierungen ist ein bedeutender Teil der Materialwissenschaft. Von allen heute verwendeten metallischen Legierungen machen die Legierungen aus Eisen (Stahl, Edelstahl, Gusseisen, Werkzeugstahl, legierte Stähle) sowohl mengenmäßig als auch kommerziell den größten Anteil aus. Eisen, das mit verschiedenen Anteilen an Kohlenstoff legiert ist, ergibt Stähle mit niedrigem, mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt. Eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung wird nur dann als Stahl betrachtet, wenn der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,01% und 2,00% liegt. Bei den Stählen hängen die Härte und Zugfestigkeit des Stahls von der vorhandenen Kohlenstoffmenge ab, wobei steigende Kohlenstoffgehalte auch zu einer geringeren Duktilität und Zähigkeit führen. Wärmebehandlungsprozesse wie das Abschrecken und Tempern können diese Eigenschaften jedoch erheblich verändern. Gusseisen ist definiert als eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit mehr als 2,00%, aber weniger als 6,67% Kohlenstoff. Edelstahl ist als normale Stahllegierung mit einem Legierungsgehalt von mehr als 10 Gew .-% Chrom definiert. Nickel und Molybdän findet man typischerweise auch in rostfreien Stählen.

Weitere bedeutende metallische Legierungen sind Aluminium, Titan, Kupfer und Magnesium. Kupferlegierungen sind seit langer Zeit (seit der Bronzezeit) bekannt, während die Legierungen der drei anderen Metalle erst vor kurzem entwickelt wurden. Aufgrund der chemischen Reaktivität dieser Metalle wurden die erforderlichen elektrolytischen Extraktionsverfahren erst in relativ kurzer Zeit entwickelt. Die Legierungen von Aluminium, Titan und Magnesium sind ebenfalls bekannt und werden wegen ihrer hohen Festigkeit-Gewichts-Verhältnisse und im Falle von Magnesium für ihre elektromagnetische Abschirmung geschätzt. Diese Materialien sind ideal für Situationen, in denen hohe Festigkeits- / Gewichtsverhältnisse wichtiger sind als Massenkosten, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie und in bestimmten Anwendungen der Kraftfahrzeugtechnik.

Halbleiter [ edit ]

Die Untersuchung von Halbleitern ist ein bedeutender Teil der Materialwissenschaft. Ein Halbleiter ist ein Material, das einen spezifischen Widerstand zwischen einem Metall und einem Isolator aufweist. Seine elektronischen Eigenschaften können durch absichtliches Einbringen von Verunreinigungen oder Dotieren stark verändert werden. Aus diesen Halbleitermaterialien können Dinge wie Dioden, Transistoren, Leuchtdioden (LEDs) und analoge und digitale elektrische Schaltungen aufgebaut werden, was sie zu Materialien macht, die für die Industrie interessant sind. In den meisten Anwendungen haben Halbleiterbauelemente thermionische Bauelemente (Vakuumröhren) ersetzt. Halbleiterbauelemente werden sowohl als einzelne diskrete Bauelemente als auch als integrierte Schaltungen (ICs) hergestellt, die aus einer Anzahl - von wenigen bis zu Millionen - von Bauelementen bestehen, die auf einem einzigen Halbleitersubstrat hergestellt und miteinander verbunden sind. ^[14] [19659009] Von allen heute verwendeten Halbleitern macht Silizium den größten Anteil aus, sowohl hinsichtlich der Menge als auch des kommerziellen Wertes. Einkristallines Silizium wird zur Herstellung von Wafern verwendet, die in der Halbleiter- und Elektronikindustrie verwendet werden. Nach Silizium ist Galliumarsenid (GaAs) der am zweithäufigsten verwendete Halbleiter. Aufgrund seiner höheren Elektronenbeweglichkeit und Sättigungsgeschwindigkeit im Vergleich zu Silizium ist es ein Material der Wahl für Anwendungen der Hochgeschwindigkeitselektronik. These superior properties are compelling reasons to use GaAs circuitry in mobile phones, satellite communications, microwave point-to-point links and higher frequency radar systems. Other semiconductor materials include germanium, silicon carbide, and gallium nitride and have various applications.

Relation with other fields[edit]

Materials science evolved—starting from the 1950s—because it was recognized that to create, discover and design new materials, one had to approach it in a unified manner. Thus, materials science and engineering emerged in many ways: renaming and/or combining existing metallurgy and ceramics engineering departments; splitting from existing solid state physics research, itself growing into condensed matter physics); pulling in relatively new polymer engineering and polymer science; recombining from the previous, as well as chemistry, chemical engineering, mechanical engineering, and electrical engineering; und mehr.

The field is inherently interdisciplinary, and the materials scientists/engineers must be aware and make use of the methods of the physicist, chemist and engineer. The field thus maintains close relationships with these fields. Also, many physicists, chemists and engineers also find themselves working in materials science.

The field of materials science and engineering is important both from a scientific perspective, as well as from an engineering one. When discovering new materials, one encounters new phenomena that may not have been observed before. Hence, there is a lot of science to be discovered when working with materials. Materials science also provides a test for theories in condensed matter physics.

Materials are of the utmost importance for engineers, as the usage of the appropriate materials is crucial when designing systems. As a result, materials science is an increasingly important part of an engineer's education.

Emerging technologies in materials science[edit]

Emerging technology	Status	Potentially marginalized technologies	Potential applications	Related articles
Aerogel	Hypothetical, experiments, diffusion, early uses^[15]	Traditional insulation, glass	Improved insulation, insulative glass if it can be made clear, sleeves for oil pipelines, aerospace, high-heat & extreme cold applications
Amorphous metal	Experiments	Kevlar	Armor
Conductive polymers	Research, experiments, prototypes	Conductors	Lighter and cheaper wires, antistatic materials, organic solar cells
Femtotechnology, picotechnology	Hypothetical	Present nuclear	New materials; nuclear weapons, power
Fullerene	Experiments, diffusion	Synthetic diamond and carbon nanotubes (e.g., Buckypaper)	Programmable matter
Graphene	Hypothetical, experiments, diffusion, early uses^[16]^[17]	Silicon-based integrated circuit	Components with higher strength to weight ratios, transistors that operate at higher frequency, lower cost of display screens in mobile devices, storing hydrogen for fuel cell powered cars, filtration systems, longer-lasting and faster-charging batteries, sensors to diagnose diseases^[18]	Potential applications of graphene
High-temperature superconductivity	Cryogenic receiver front-end (CRFE) RF and microwave filter systems for mobile phone base stations; prototypes in dry ice; Hypothetical and experiments for higher temperatures^[19]	Copper wire, semiconductor integral circuits	No loss conductors, frictionless bearings, magnetic levitation, lossless high-capacity accumulators, electric cars, heat-free integral circuits and processors
LiTraCon	Experiments, already used to make Europe Gate	Glass	Building skyscrapers, towers, and sculptures like Europe Gate
Metamaterials	Hypothetical, experiments, diffusion^[20]	Classical optics	Microscopes, cameras, metamaterial cloaking, cloaking devices
Metal foam	Research, commercialization	Hulls	Space colonies, floating cities
Multi-function structures^[21]	Hypothetical, experiments, some prototypes, few commercial	Composite materials mostly	Wide range, e.g., self health monitoring, self healing material, morphing, ...
Nanomaterials: carbon nanotubes	Hypothetical, experiments, diffusion, early uses^[22]^[23]	Structural steel and aluminium	Stronger, lighter materials, space elevator	Potential applications of carbon nanotubes, carbon fiber
Programmable matter	Hypothetical, experiments^[24]^[25]	Coatings, catalysts	Wide range, e.g., claytronics, synthetic biology
Quantum dots	Research, experiments, prototypes^[26]	LCD, LED	Quantum dot laser, future use as programmable matter in display technologies (TV, projection), optical data communications (high-speed data transmission), medicine (laser scalpel)
Silicene	Hypothetical, research	Field-effect transistors
Superalloy	Research, diffusion	Aluminum, titanium, composite materials	Aircraft jet engines
Synthetic diamond	early uses (drill bits, jewelry)	Silicon transistors	Electronics

References[edit]

Citations[edit]

^ Eddy, Matthew Daniel (2008). The Language of Mineralogy: John Walker, Chemistry and the Edinburgh Medical School 1750–1800. Ashgate Archived from the original on 2015-09-03.

^ Smith, Cyril Stanley (1981). A Search for Structure. MIT Press. ISBN 978-0262191913.

^ Rustum Roy (1979) interdisciplinary science on campus, pages 161–96 in Interdisciplinarity and Higher EducationJ.J. Kockelmans editor, Pennsylvania State University Press

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Saturday, February 9, 2019

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