Materiaalitiede

Materiaalitiede tutkii aineen ominaisuuksia tieteellisten ja teknisten ongelmien ratkaisemiseksi. Se käyttää sovellettua fysiikkaa ja kemiaa. Erittäin pieni nanoteknologia on saanut viime vuosina huomiota. Uusia materiaaleja on keksitty paljon. Työ sen selvittämiseksi, miksi rakenteet pettävät tai hajoavat, on hyvin tärkeää tekniikan kannalta.

Kuva kahdesta "Fullerene Nano-gears", jossa on useita hampaita.

Avaruussukkulan ulkopinnan simulointi, kun se kuumenee yli 1 500 °C:een (2 730 °F) palatessaan Maan ilmakehään.

Historia

Tietyn aikakauden tärkeä materiaali on usein sen määrittelevä tekijä. Esimerkkejä ovat kivikausi, pronssikausi ja rautakausi.

Materiaalitiede tutki alun perin keramiikkaa ja metallurgiaa. Näiden ikivanhojen käsityötaitojen ansiosta materiaalitiede on yksi vanhimmista tekniikan ja soveltavan tieteen muodoista. Merkittävä läpimurto materiaalien ymmärtämisessä tapahtui 1800-luvun lopulla, kun amerikkalainen tiedemies Josiah Willard Gibbs osoitti, että materiaalin fysikaaliset ominaisuudet liittyvät sen atomirakenteeseen. Kun faasit muuttuivat, muuttuivat myös materiaalin fysikaaliset ominaisuudet.

Nykyaikaisen materiaalitieteen tärkeät osatekijät ovat avaruuskilvan tulosta: avaruusalusten rakentamisessa käytettävien metalliseosten sekä kvartsi- ja hiilimateriaalien ymmärtäminen ja suunnittelu.

Materiaalitiede liittyy nykyään muovien, puolijohteiden, keramiikan, polymeerien, magneettisten materiaalien, lääketieteellisten implanttien ja biologisten materiaalien kehittämiseen.

Materiaalitieteilijä/insinööri käsittelee myös materiaalien talteenottoa ja niiden muuntamista käyttökelpoisiksi. Harkkojen valaminen, valimotekniikat, masuunissa tapahtuva uuttaminen ja elektrolyyttinen uuttaminen ovat siis kaikki osa metallurgin/insinöörin vaadittavaa tietämystä. Usein sekundaaristen alkuaineiden ja yhdisteiden pienien määrien esiintymisellä, puuttumisella tai vaihtelulla irtotavarassa on suuri vaikutus tuotettujen materiaalien lopullisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi teräkset luokitellaan niiden sisältämien hiilen ja muiden seosaineiden 1/10 ja 1/100 painoprosenttien perusteella. Näin ollen raudan uuttamisessa masuunissa käytettävät uuttamis- ja puhdistustekniikat vaikuttavat siihen, minkä laatuista terästä voidaan valmistaa.

Epäonnistumisten syy

Katastrofien tutkiminen 1800- ja 1900-luvuilla johti joihinkin tärkeisiin löydöksiin. A.A. Griffith (1893-1963) havaitsi, että todelliset materiaalit eivät koskaan pääse lähellekään teoreettista lujuuttaan. Tämä oli uraauurtava löytö, joka johti muutoksiin monilla teollisuudenaloilla. Esimerkiksi teräs saa lähes 1/10 teoreettisesta lujuudestaan, mutta useimmat kiinteät aineet ovat 100-1000 kertaa odotettua heikompia.

J.E. Gordon (1913-1998) kehitti Griffithin näkemyksiä edelleen. Gordonin mukaan kaikki yksinkertaiset kiinteät aineet ovat luonteeltaan hauraita. Materiaaleihin on suunniteltava sitkeys eli murtumiskestävyys. Tavallisesti puhtaaseen aineeseen lisätään muuta materiaalia. Tämä tekee sen rakenteesta monimutkaisemman, mikä vähentää sen todennäköisyyttä murtua. Hyvä esimerkki on luodinkestävä lasi, jossa lasiin liimattu muovikerros tekee lasista moninkertaisesti vahvemman kuin kumpikaan materiaali olisi erikseen. Kevlariin perustuva henkilökohtainen panssari on toinen esimerkki. Biologisilla materiaaleilla on tämä ominaisuus luonnostaan. Luut taipuvat hieman ennen murtumispisteen saavuttamista, ja myös puunrungoissa on jonkin verran joustoa.

Metalliseokset

Metalliseosten teollinen tutkimus on suuri osa materiaalitiedettä. Kaikista nykyisin käytössä olevista metalliseoksista rautaseokset (teräs, ruostumaton teräs, valurauta, työkaluteräs, seostetut teräkset) muodostavat sekä määrällisesti että kaupallisesti suurimman osan. Rauta, jota on seostettu eri osuuksilla hiiltä, antaa matala-, keski- ja runsashiilisiä teräksiä. Raudan hiiliseosta pidetään teräksenä vain, jos hiilipitoisuus on 0,01-2,00 %. Terästen osalta teräksen kovuus ja vetolujuus ovat yhteydessä hiilen määrään. Hiilipitoisuuden kasvaminen johtaa sitkeyden ja sitkeyden heikkenemiseen. Lämpökäsittelyprosessit, kuten karkaisu ja karkaisu, voivat kuitenkin muuttaa näitä ominaisuuksia merkittävästi. Valurauta määritellään rauta-hiiliseokseksi, jossa on yli 2,00 % mutta alle 6,67 % hiiltä. Ruostumaton teräs määritellään tavanomaiseksi terässeokseksi, jossa on yli 10 painoprosenttia kromia seosaineena. Ruostumattomissa teräksissä esiintyy myös nikkeliä ja molybdeeniä.

Muita merkittäviä metalliseoksia ovat alumiini, titaani, kupari ja magnesium. Kupariseokset ovat olleet tunnettuja jo pitkään (pronssikaudelta lähtien), kun taas kolmen muun metallin seokset on kehitetty suhteellisen hiljattain. Näiden metallien kemiallisen reaktiivisuuden vuoksi tarvittavat elektrolyyttiset uuttoprosessit on kehitetty vasta suhteellisen hiljattain. Alumiini-, titaani- ja magnesiumseokset tunnetaan ja niitä arvostetaan myös niiden korkean lujuus-painosuhteen vuoksi ja magnesiumin tapauksessa niiden kyvyn vuoksi tarjota sähkömagneettista suojaa. Nämä materiaalit soveltuvat erinomaisesti tilanteisiin, joissa suuri lujuus-painosuhde on tärkeämpi kuin irtotavaran hinta, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa ja tietyissä autoteollisuuden sovelluksissa.

Polymeerit

Polymeerit ovat myös tärkeä osa materiaalitiedettä. Ne ovat raaka-aineita, joita käytetään muovien valmistukseen. Muovit ovat itse asiassa lopputuote. Niitä syntyy, kun hartsiin on lisätty polymeerejä tai lisäaineita käsittelyn aikana. Tämän jälkeen seos muotoillaan lopulliseen muotoon. Yleisiä polymeerejä ovat esimerkiksi polyeteeni, polypropeeni, PVC, polystyreeni, nailon, polyesteri, akryyli, polyuretaani ja polykarbonaatti.

PVC (polyvinyylikloridi) on laajalti käytetty, edullinen ja vuotuiset tuotantomäärät ovat suuria. Sitä voidaan käyttää uskomattoman moniin eri tarkoituksiin keinonahasta sähköeristykseen ja kaapelointiin, pakkauksiin ja säiliöihin. Sitä on helppo valmistaa. Se hyväksyy monenlaisia pehmittimiä ja muita lisäaineita, jotka antavat sille erilaisia ominaisuuksia.

Erilaisista muovilaaduista valmistetut kotitaloustavarat.

Keramiikka ja lasit

Toinen materiaalitieteiden sovellus on lasin ja keramiikan rakenteet, jotka tyypillisesti liitetään hauraimpiin materiaaleihin. Keramiikka ja lasit käyttävät kovalenttisia sidoksia ja ionis-kovalenttisia sidoksia SiO₂ , piidioksidin tai hiekan, kanssa perusrakennusaineena. Keramiikka on pehmeää kuin savi ja kovaa kuin kivi ja betoni. Yleensä ne ovat muodoltaan kiteisiä. Useimmat lasit sisältävät metallioksidia, joka on sulautunut piidioksidin kanssa. Lasin valmistuksessa käytetyissä korkeissa lämpötiloissa materiaali on viskoosia nestettä. Lasista muodostuu amorfinen rakenne, kun se jäähdytetään. Ikkunalasit ja silmälasit ovat tärkeitä esimerkkejä. Myös lasikuituja on saatavilla. Timanttia ja hiiltä grafiittimuodossaan pidetään keraamisina aineina.

Tekninen keramiikka tunnetaan jäykkyydestään, korkeista lämpötiloista ja vakaudestaan puristuksessa ja sähköisessä rasituksessa. Alumiinioksidi, piikarbidi ja volframikarbidi valmistetaan niiden ainesosien hienosta jauheesta sintraamalla sideaineen kanssa. Kuumapuristamalla saadaan tiheämpää materiaalia. Kemiallisella höyrypinnoituksella voidaan keraaminen kalvo asettaa toisen materiaalin päälle. Kermetit ovat keraamisia hiukkasia, jotka sisältävät joitakin metalleja. Työkalujen kulutuskestävyys on peräisin sementoiduista karbideista, joihin on yleensä lisätty koboltin ja nikkelin metallifaasia ominaisuuksien muuttamiseksi.

Si3 N4 Keraamiset laakerin osat

Komposiittimateriaalit

Toinen materiaalitieteen sovellus teollisuudessa on komposiittimateriaalien valmistus. Komposiittimateriaalit ovat rakenteellisia materiaaleja, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta makroskooppisesta faasista. Käyttökohteet vaihtelevat rakenneosista, kuten teräsbetonista, lämpöeristäviin laattoihin, jotka ovat keskeisessä ja olennaisessa asemassa NASA:n (National Aeronautics and Space Administration) avaruussukkulan lämpösuojajärjestelmässä, jota käytetään suojaamaan sukkulan pintaa Maan ilmakehään palaamisen aiheuttamalta kuumuudelta. Yksi esimerkki on RCC (Reinforced Carbon-Carbon), vaaleanharmaa materiaali, joka kestää jopa 1510 °C:n (2750 °F) lämpötiloja ja suojaa avaruussukkulan siipien etureunoja ja nokkapäätä. RCC on laminoitu komposiittimateriaali, joka on valmistettu grafiittisädekankaasta ja kyllästetty fenolihartsilla. Kun laminaatti on kovetettu korkeassa lämpötilassa autoklaavissa, se pyrolysoidaan hartsin muuttamiseksi hiileksi, kyllästetään furfuraalialkoholilla tyhjiökammiossa ja kovetetaan/pyrolysoidaan furfuraalialkoholin muuttamiseksi hiileksi. Hapettumiskestävyyden lisäämiseksi uudelleenkäyttökelpoisuutta varten RCC:n uloimmat kerrokset muunnetaan piikarbidiksi.

Muita esimerkkejä ovat televisiovastaanottimien, matkapuhelimien ja vastaavien esineiden "muoviset" kuoret. Nämä muovikotelot ovat yleensä komposiittimateriaalia. Se on termoplastinen matriisi, kuten akryylinitriili-butadieeni-styreeni (ABS), johon on lisätty kalsiumkarbonaattiliitua, talkkia, lasikuituja tai hiilikuituja lujuuden, bulkin tai sähköstaattisen dispersion lisäämiseksi. Näitä lisäaineita voidaan kutsua vahvistaviksi kuiduiksi tai dispergointiaineiksi niiden tarkoituksesta riippuen.

Uusi magneettinen materiaali

Uusi magneettinen materiaali on löydetty. Se voisi muuttaa tietokoneiden kiintolevyjä ja energian varastointilaitteita.

Erittäin herkkä metallinen kaksoiskerros tarvitsee vain pienen lämpötilan muutoksen muuttaakseen dramaattisesti sen magnetismia. Tämä on erittäin hyödyllinen ominaisuus elektroniikkatekniikassa. "Mikään muu tunnettu materiaali ei pysty tähän. Se on valtava vaikutus. Ja me voimme suunnitella sen", sanoo Ivan Schuller Kalifornian yliopistosta San Diegosta.

Materiaalissa yhdistyvät ohuet nikkeli- ja vanadiinioksidikerrokset. Tämä rakenne reagoi yllättävän herkästi lämpöön. "Voimme hallita magnetismia vain kapealla lämpötila-alueella - ilman magneettikentän käyttöä. Periaatteessa voisimme ohjata sitä myös jännitteellä tai virralla", sanoo professori Schuller.

Kudotuista hiilikuitufilamenteista koostuvaa kangasta käytetään yleisesti komposiittimateriaalien vahvistamiseen.

Materiaaliluokat

Materiaalitiede käsittää erilaisia materiaaliluokkia, joista kukin voi muodostaa erillisen alan. Materiaalit luokitellaan joskus atomien välisen sidostyypin mukaan: