Материал таануу

Материал таануу – бул материалдарды изилдөө жана ачуунун дисциплиналар аралык тармагы. Материалдык инженерия - бул материалдарды долбоорлоо жана өркүндөтүү тармагы.

Материал таануунун интеллектуалдык башаты агартуу дооруна, изилдөөчүлөр металлургия менен минералогиядагы байыркы, феноменологиялык байкоолорду түшүнүү үчүн химиядан, физикадан жана инженериядан аналитикалык ой жүгүртүүнү колдоно баштаганда башталат ^[1] ^[2]. Материал таануу дагы эле физика, химия жана инженерия элементтерин өз ичине камтыйт. Ошентип, бул тармак узак убакыттан бери академиялык мекемелер тарабынан ушул тектеш тармактардын бир бөлүгү катары каралып келген.1940-жылдардан баштап материал таануу илим менен технологиянын өзгөчө жана уникалдуу тармагы катары кеңири таанылып башталды жана дүйнө жүзүндөгү ири техникалык университеттер аны изилдөө үчүн атайын мектептерди түзүштү.

Материал таануучулар материалдын тарыхы (кайра иштетүү) анын түзүлүшүнө жана ошону менен материалдын касиетине жана иштөөсүнө кандай таасир этээрин түшүнүүгө басым жасашат. Кайра иштетүү-структура-мүлк мамилелерин түшүнүү материалдар парадигмасы деп аталат. Бул парадигма нанотехнология, биоматериалдар жана металлургия сыяктуу ар кандай изилдөө тармактарында түшүнүүнү жакшыртуу үчүн колдонулат.

Материал таануу ошондой эле соттук инженериянын жана бузулууларды анализдөөнүн маанилүү бөлүгү болуп саналат - жеке жаракат алган же мүлктүк зыян келтирүүчү, максатка ылайык иштебей материалдарды, буюмдарды, конструкцияларды же компоненттерди иликтөө. Мындай иликтөөлөр, мисалы, ар кандай авиациялык кырсыктардын жана инциденттердин себептерин түшүнүү үчүн негизги болуп саналат.

Пайда болушу

Мезгилдин материалды тандоо көбүнчө аныктоочу чекит болуп саналат. Таш доору, коло доору, темир доору жана болот доору сыяктуу фразалар, эгерде ээн-эркин мисалдар болсо, тарыхый болуп саналат. Алгач керамика өндүрүшүнөн жана анын болжолдуу туунду металлургиясынан алынган материал таануу инженерия жана прикладдык илимдин эң байыркы түрлөрүнүн бири болуп саналат ^[3]. Заманбап материал таануу түздөн-түз металлургиядан өнүккөн, ал отту колдонуудан келип чыккан. 19-кылымдын аягында америкалык окумуштуу Жосиа Виллард Гиббс ар түрдүү фазалардын атомдук түзүлүшүнө байланышкан термодинамикалык касиеттер материалдын физикалык касиеттери менен байланыштуу экенин көрсөтүп, материалдарды түшүнүүдө чоң ачылыш болгон ^[4]. Заманбап материал таануунун маанилүү элементтери космостук жарыштын продуктулары болгон; Космосту изилдөөгө мүмкүндүк берүүчү космостук аппараттарды курууда колдонулган металл эритмелерин, кремнийди жана көмүртектүү материалдарды түшүнүү жана инженериялоо. Материал таануу каучуктар,пластмассалар, жарым өткөргүчтөр жана биоматериалдар сыяктуу революциялык технологиялардын өнүгүшүнө түрткү болду.

1960-жылдарга чейин (жана кээ бир учурларда ондогон жылдардан кийин) көптөгөн материал таануу бөлүмдөрү 19-кылымдын жана 20-кылымдын башында металлдарга жана керамикага басым жасалган металлургиялык же керамикалык инженерия бөлүмдөрү болгон. Машина курууга салыштырмалуу, материал таануунун өнүгүп келе жаткан тармагы материалдарга макродеңгээлде кайрылууга жана микроскопиялык деңгээлдеги материалдардын жүрүм-турумун билүүнүн негизинде иштелип чыккан ыкмага басым жасайт ^[5] . Атомдук жана молекулярдык процесстердин өз ара байланышынан, ошондой эле материалдардын жалпы касиеттерин билүүнүн жогорулашынан улам материалдарды долбоорлоо так каалаган касиеттерге негизделет ^[5]. Ошондон бери материал таануу чөйрөсү материалдардын бардык түрлөрүн, анын ичинде керамика, полимерлер, жарым өткөргүчтөр, магниттик материалдар, биоматериалдар жана наноматериалдарды камтуу үчүн кеңейди, алар адатта үч түрдүү топко бөлүнөт: керамика, металлдар жана полимерлер. Акыркы ондогон жылдардагы материал таануудагы олуттуу өнүгүү жаңы материалдарды ачуу, касиеттерин алдын ала айтуу жана кубулуштарды түшүнүү үчүн компьютердик симуляцияларды активдүү колдонуу болуп саналат.

Негиздер

Материал белгилүү бир колдонмолор үчүн колдонууга арналган зат (көбүнчө катуу, бирок башка конденсацияланган фазаларды камтышы мүмкүн) катары аныкталат ^[6]. Биздин айланабызда сансыз материалдар бар; аларды имараттардан жана машиналардан тартып космос кораблдерине чейин тапса болот. Материалдардын негизги класстары металлдар, жарым өткөргүчтөр, керамика жана полимерлер ^[7].Иштеп жаткан жаңы жана алдыңкы материалдарга наноматериалдар, биоматериалдар ^[8] жана энергетикалык материалдар кирет.

Материал таануунун негизин материалдардын түзүлүшүнүн, бул материалдарды даярдоодо колдонулган иштетүү ыкмаларынын жана алынган материалдын касиеттеринин ортосундагы байланышты изилдөө түзөт. Бир нече узундуктагы масштабдагы көптөгөн касиеттер материалдын иштөөсүнө, анын курамындагы химиялык элементтерине, микроструктурасына жана кайра иштетүүдөн алынган макроскопиялык касиеттерине таасир этет. Окумуштуулар материалдарды термодинамика жана материалдардын кинетикалык мыйзамдары менен бирге түшүнүүгө жана жакшыртууга умтулушат.

Структура

Структура материал таануу тармагынын эң маанилүү компоненттеринин бири болуп саналат. Бул тармактын аныктамасы анын «материалдардын структураларынын жана касиеттеринин ортосундагы мамилелерди» изилдөөгө байланыштуу экендигин көрсөтөт ^[9]. Материал таануу атомдук масштабдан макро шкалага чейинки материалдардын түзүлүшүн изилдейт ^[10]. Мүнөздөө - бул илимпоздордун материалдын түзүлүшүн изилдөө жолу. Бул рентген, электрон же нейтрондук дифракция сыяктуу ыкмаларды жана спектроскопиянын жана химиялык анализдин ар кандай формаларын, мисалы, Раман спектроскопиясы, энергетикалык дисперсиялык спектроскопия, хроматография, термикалык анализ, электрондук микроскопиялык анализ дагы жана башкаларды өз ичине камтыйт.

Кристаллография

Кристаллография – катуу кристаллдык денелердеги атомдордун жайгашуусун изилдөөчү илим. Кристаллография материал таануучулар үчүн пайдалуу курал болуп саналат. Монокристаллдарда атомдордун кристаллдык тизилишинин эффекти макроскопиялык жактан оңой эле байкалат, анткени кристаллдардын табигый формалары атомдук түзүлүштү чагылдырат. Мындан тышкары, физикалык касиеттери көбүнчө кристалл кемчиликтери менен көзөмөлдөнөт. Кристалл структураларын түшүнүү кристаллографиялык кемчиликтерди түшүнүү үчүн маанилүү шарт болуп саналат. Материалдар көп учурда монокристаллдар эмес, поликристаллдар, майда кристаллдардын агрегаттары же ар кандай багыттагы дандар түрүндө кездешет. Ошондуктан, поликристаллдык үлгүлөрдүн дифракциялык моделдерин колдонгон порошок дифракциялык методу структураны аныктоодо маанилүү роль ойнойт. Көпчүлүк материалдар кристаллдык түзүлүшкө ээ, бирок кээ бир маанилүү материалдар кадимки кристаллдык түзүлүшкө ээ эмес. Полимерлер кристаллдуулуктун ар кандай даражасын көрсөтөт жана көбү толук кристаллдык эмес. Айнек, кээ бир керамика жана көптөгөн табигый материалдар аморфтук болуп саналат, алардын атомдук түзүлүшүндө узак аралыктагы тартип жок. Полимерлерди изилдөө физикалык касиеттердин термодинамикалык жана механикалык сүрөттөлүшүн камсыз кылуу үчүн химиялык жана статистикалык термодинамика элементтерин бириктирет.

Наноструктура

Наноматериалдар - атомдор жана молекулалар нанометрдик масштабдагы компоненттерди түзгөн материалдар (башкача айтканда,алар наноструктураны түзөт). Наноматериалдар уникалдуу касиеттеринен улам материал таануу коомчулугунда өзгөчө изилдөөлөрдүн предмети болуп саналат.

Наноструктура 1ден 100гө чейинки объекттер жана структуралар менен алектене турган диапазону ^[11]. Көптөгөн материалдарда атомдор же молекулалар наноөлчөмдүү объектилерди түзүү үчүн чогулган. Бул көптөгөн кызыктуу электрдик, магниттик, оптикалык жана механикалык касиеттерди пайда кылат.

Наноструктураларды сүрөттөп жатканда наноструктурадагы өлчөмдөрдүн санын айырмалоо керек.

Нанотекстураланган беттер нано масштабда бир өлчөмгө ээ, башкача айтканда объекттин бетинин гана калыңдыгы 0,1ден 100 нм га чейин.

Нанотүтүктөрдүн диаметри 0,1ден 100гө чейинки наноөлчөмдө эки өлчөмдө болот.

Микроструктура

Микроструктура 25 × чоңойтуудан жогору микроскоп тарабынан аныкталган даярдалган беттин же жука фольга материалынын текстурасы катары аныкталат. Ал 100 нмден бир нече смге чейинки объекттерди карайт. Материалдын микроструктурасы (кеңири түрдө металлдарга, полимерлерге, керамикага жана композиттерге бөлүнүшү мүмкүн) физикалык касиеттерге, мисалы, бекемдикке, катуулукка, ийкемдүүлүккө, катуулукка, коррозияга туруктуулукка, жогорку/төмөн температуранын жүрүм-турумуна, эскирүү туруктуулугуна жана башкаларга катуу таасир этиши мүмкүн. Көпчүлүк салттуу материалдар (мисалы, металлдар жана керамика) микроструктурага ээ.

Макроструктура

Макроструктура – бул материалдын миллиметрден метрге чейинки масштабдагы көрүнүшү, көзгө көрүнгөн материалдын түзүлүшү.

Өзгөчөлүктөрү

Материалдар сансыз касиеттерди көрсөтөт, анын ичинде төмөнкүлөр.

Материалдардын механикалык касиеттери
Химиялык касиеттери
Электр касиеттери
Жылуулук касиеттери
Оптикалык касиеттери
Магниттик касиеттери

Материалдын касиеттери анын колдонулушун, демек, анын инженердик колдонулушун аныктайт.

Кайра иштетүү

Синтездөө жана кайра иштетүү керектүү микро-наноструктурасы бар материалды түзүүнү камтыйт. Инженердик көз караштан алганда, материалды үнөмдүү өндүрүүнүн ыкмасы иштелип чыкмайынча, аны өнөр жайда колдонуу мүмкүн эмес. Ошентип, материалдарды иштетүү материал таануу тармагында абдан маанилүү болуп саналат. Ар кандай материалдар ар кандай иштетүү же синтез ыкмаларын талап кылат. Мисалы, металлдарды иштетүү тарыхый жактан маанилүү жана физикалык металлургия деп аталган материал таануу тармагында изилденет. Мындан тышкары,химиялык жана физикалык ыкмалар башка материалдарды синтездөө үчүн колдонулат, мисалы, полимерлер, керамика, жука пленкалар ж.б. 21-кылымдын башында графен сыяктуу наноматериалдарды синтездөөнүн жаңы ыкмалары иштелип чыгууда.

Булактар

↑ .
↑ .
↑ Defonseka, Chris (2020). Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives (in англисче). Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG. p. 31. ISBN 978-3-11-066999-2.
↑ Psillos, Dimitris (2015). Iterative Design of Teaching-Learning Sequences: Introducing the Science of Materials in European Schools (in англисче). Dordrecht: Springer. p. 79. ISBN 978-94-007-7807-8.
↑ ^5.0 ^5.1 Channell, David F. (2017). A History of Technoscience: Erasing the Boundaries between Science and Technology (in англисче). Oxon: Routledge. p. 225. ISBN 978-1-351-97740-1.
↑ „For Authors: Nature Materials“
↑ Callister, Jr., Rethwisch. „Materials Science and Engineering — An Introduction“ (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.5-6
↑ Callister, Jr., Rethwisch. Materials Science and Engineering — An Introduction (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.10-12
↑ Zagorodni, Andrei A. (2006). Ion Exchange Materials: Properties and Applications (in англисче). Amsterdam: Elsevier. pp. xi. ISBN 978-0-08-044552-6.
↑ Defonseka, Chris (2020). Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives (in англисче). Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG. p. 31. ISBN 978-3-11-066999-2.
↑ Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity. http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=BJIOBN00000200000400MR17000001&idtype=cvips&gifs=Yes.

13. Cristina Buzea; Ivan Pacheco; Kevin Robbie (2007). "Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity". Biointerphases 2 (4): MR17–MR71. arXiv:0801.3280. doi:10.1116/1.2815690. PMID 20419892. Archived from the original on 2012-07-03. https://archive.today/20120703014917/http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=BJIOBN00000200000400MR17000001&idtype=cvips&gifs=Yes.

[1] .

[2] .

[:1-3] Defonseka, Chris (2020). Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives (in англисче). Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG. p. 31. ISBN 978-3-11-066999-2.

[4] Psillos, Dimitris (2015). Iterative Design of Teaching-Learning Sequences: Introducing the Science of Materials in European Schools (in англисче). Dordrecht: Springer. p. 79. ISBN 978-94-007-7807-8.

[:0-5] 5.0 ^5.1 Channell, David F. (2017). A History of Technoscience: Erasing the Boundaries between Science and Technology (in англисче). Oxon: Routledge. p. 225. ISBN 978-1-351-97740-1.

[6] „For Authors: Nature Materials“

[7] Callister, Jr., Rethwisch. „Materials Science and Engineering — An Introduction“ (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.5-6

[8] Callister, Jr., Rethwisch. Materials Science and Engineering — An Introduction (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.10-12

[9] Zagorodni, Andrei A. (2006). Ion Exchange Materials: Properties and Applications (in англисче). Amsterdam: Elsevier. pp. xi. ISBN 978-0-08-044552-6.

[:12-10] Defonseka, Chris (2020). Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives (in англисче). Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG. p. 31. ISBN 978-3-11-066999-2.

[11] Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity. http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=BJIOBN00000200000400MR17000001&idtype=cvips&gifs=Yes.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]