Materiaalit tieteeseen perustuu suhde ominaisuudet, rakenteellinen morfologia ja täytäntöönpanoa materiaaleja , jotka muodostavat esineet, jotka ympäröivät meitä ( metallit , polymeerit , puolijohteet , keramiikka , komposiitit , jne.).
Se keskittyy materiaalien pääominaisuuksien sekä niiden kemiallisten, sähköisten, termisten, optisten ja magneettisten mekaanisten ominaisuuksien tutkimiseen.
Materiaalitiede on ytimessä monet suuret teknologian kierrosta. Varsinkin vuosisadan ajan: elektroniikka (tietokoneet, CD- ja DVD-soittimet jne.), Autot (moottorit, kori, ajovalot jne.), Ilmailu, uusiutuvat energialähteet (aurinkopaneelit jne.), Nanotieteet , nanoteknologiat jne.
Mikroskooppisten ilmiöiden (diffuusio, atomien järjestely, uudelleenkiteytys, faasien ulkonäkö jne.) Tuntemus ja hallinta antavat tutkijoille ja teollisuusyrityksille mahdollisuuden kehittää materiaaleja, joilla on halutut ominaisuudet ja suorituskyky.
Tämän seurauksena suuri osa koulutuskursseista insinööritieteiden kouluissa ( esim . EEIGM , ECPM ) tai yliopistoissa keskittyy materiaalitieteeseen ( esim. Grenoble , Marseille , Orsay , Poitiers , Strasbourg , Limoges ).
Täydellisen kiteen suunnittelu on fyysisesti mahdotonta, mutta usein sen rakenteelliset puutteet tekevät materiaalista mielenkiintoisen. Siksi käytämme kiteisten materiaalien vikoja (kuten saostumat , raerajat , hiilen välituotteet , aukot , sijoiltaan tms.) Haluttujen ominaisuuksien luomiseksi.
Kunnes XIX : nnen vuosisadan materiaalien käyttö oli olennaisesti empiirinen. Merkittävä kehitys tapahtui, kun amerikkalainen fyysinen kemisti Josiah Willard Gibbs (1839-1903) onnistui osoittamaan, että atomirakenteeseen liittyvillä termodynaamisilla ominaisuuksilla oli suora yhteys materiaalin fysikaalisiin ominaisuuksiin. Tämän seurauksena materiaalitiede ei enää rajoittunut metalleihin tai keramiikkaan, ja se on monipuolistunut huomattavasti etenkin muovien, puolijohteiden kehittyessä toisen maailmansodan jälkeen . Nykyään tämän tieteen innovaatioiden pääasiallinen veturi on uusien tekniikoiden kehittäminen huippuluokan aloille, kuten nanoteknologia (äärettömän pieni) tai ilmailu.
Metallit ovat materiaaleja, joiden alkuaineet on erityispiirre, että se pystyy muodostamaan metallisen sidoksia ja menettää elektroneja muodostamaan kationeja (esimerkiksi tai ). Niitä voidaan luonnehtia sekä fysikaalis-kemiallisesti että elektronisesti (katso luonnehdintaosa). Metallille on ominaista useita fyysisiä erityispiirteitä. Ne ovat hyviä sähköjohtimia, tämä ominaisuus mitataan joko johtavuuden tai käänteisen resistiivisyyden kautta . Ne ovat myös hyviä lämpöjohtimia ja niillä on hehkuva hehku. Mekaanisesta näkökulmasta niille on ominaista ominaisuudet, kuten niiden kimmokerroin (yleensä korkea, suuruusluokkaa useita G Pa ), kovuus , sitkeys jne.
Maapallolla suurin osa metalleista löytyy vain oksidien muodossa. Niitä käytetään kuitenkin vähän tässä muodossa (paitsi mikroelektroniikan alalla). On edullista käyttää niitä puhdistettuina ( esimerkkejä kuparista ja alumiinista ) tai seosten muodossa . Alumiini on yleisin metalli maankuoren . Huomaa myös raudan merkitys , jota käytetään usein teräksen tai valuraudan muodossa hiilen lisäämisen jälkeen .
Taloudellisesta näkökulmasta on kaksi erittäin tärkeää alaa, teräksen ja alumiinin. Vuonna 2007 maailman terästuotanto oli 1,3 miljardia tonnia, mikä on 5,4% enemmän kuin vuonna 2006. Tätä alaa hallitsee tällä hetkellä Mittal Steel -yhtiö . Alumiinialaa hallitsee Rio Tinto Alcan . Vuonna 2008 alumiinin tuotanto oli 3,1 miljoonaa tonnia, mikä on 11,5% enemmän kuin vuonna 2006.
Polymeeri on aine, joka koostuu orgaanisista (tai joskus mineraali) makromolekyylejä . Makromolekyylit koostuvat toistuvasta ketjusta, joka sisältää ainakin yhden tyyppisen monomeerin . Monomeerit on kytketty toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla . Polymeeriketjut ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa heikompien voimien, kuten Van der Waalsin sidosten kanssa . Polymeerien ominaisuudet riippuvat erityisesti monomeerin (monomeerien) tyypistä, niiden kokoonpanon luonteesta ja polymeroitumisasteesta .
Eristetään luonnolliset polymeerit, modifioidut (keinotekoiset polymeerit) ja synteettiset. Ne voidaan myös luokitella arkkitehtuurinsa mukaan. Eristämme esimerkiksi lineaarisia polymeerejä, haarautuneita (haarautumisilla) tai ei, dendriittejä (kolmiulotteiset sivuvaikutukset) ja silloitettuja tai kolmiulotteisia, jotka muodostavat verkon.
Polymeerejä voidaan valmistaa useilla tavoilla. Voimme lainata:
Toinen polymeerien luokittelutyyppi on myös niiden termomekaanisten ominaisuuksien mukaan. Erotamme:
Polymeerit voidaan luokitella kahteen tyyppiin riippuen niiden käyttäytymisestä lämmössä ja paineen alla:
Kiinnostavien ominaisuuksiensa ansiosta polymeerit ovat vähitellen tunkeutuneet teollisuuteen ja jokapäiväiseen elämään korvaamalla perinteiset materiaalit.
Keramiikka koostuvat metallisista ja ei-metallisista elementeistä. Ne ovat yleensä oksideja , nitridejä tai karbideja . Keramiikkaryhmä käsittää laajan valikoiman materiaaleja, kuten sementit , lasit, perinteinen savesta valmistettu keramiikka .
Keramiikan kiteinen rakenne on monimutkaisempi kuin metallien, koska läsnä on vähintään kaksi erilaista kemiallista alkuaineita. On ionisia keramiikka, joka on metallia, ja ei-metallia (esimerkiksi: NaCl, MgO) ja kovalenttisen keramiikka, joka koostuu kahdesta ei-metalleja tai puhtaat alkuaineet ( timantti , piikarbidi , jne. ). Jyvien rajojen rakenne on myös monimutkaisempi, koska sähköstaattiset vuorovaikutukset johtavat ylimääräisiin tasapainojännitteisiin. Siksi samojen merkkien ionit eivät saa koskettaa toisiaan. Siksi keramiikalla on tietty huokoisuus (noin 20 tilavuusprosenttia).
Keramiikalla on monia etuja:
Toisaalta heidän tärkein heikkoutensa on altistettava äkilliselle murtumiselle ilman veteen tapahtuvaa plastista muodonmuutosta (hauras luonne); huokoisuudet "heikentävät" materiaalia aiheuttamalla jännityskeskittymiä niiden läheisyydessä. Keramiikan särkyvyys tekee metallurgiassa käytetyistä valssaus- tai taontamenetelmistä mahdottomia .
Tekninen keramiikkaTechnical Ceramics on haara keramiikka omistettu teollisiin sovelluksiin, toisin kuin käsityöt ( keramiikka ) tai taiteellinen ( keramiikkataide ) tai posliini . Tavoitteena tällä alalla on luoda ja optimointi keramiikka tarkat fysikaaliset ominaisuudet: mekaaninen , sähköinen , magneettinen , optinen , pietsosähköinen , ferrosähköisen , suprajohtava , jne.
Suurin osa teknisistä keramiikoista muotoillaan tiivistetystä jauheesta ja kuumennetaan sitten korkeaan lämpötilaan ( sintrausprosessi ). Erityisesti jauheita, joilla on hyvin pieni hiukkaskoko, käytetään huokoisuuden vähentämiseksi.
LasitLasit ovat useimmiten kiinteitä aineita saadaan jäätyminen alijäähtyneen . Neljä päämenetelmää lasin valmistamiseksi ovat puristaminen , puhallus , venytys ja kuitujen vetäminen .
Lasit ovat ei-kiteisiä silikaatteja, jotka sisältävät muita oksideja (esimerkiksi CaO), jotka muuttavat niiden ominaisuuksia. Lasin läpinäkyvyys on yksi sen tärkeimmistä ominaisuuksista. Tämä johtuu sen amorfisesta rakenteesta ja mikrometrin osaa suurempien vikojen puuttumisesta. Taitekerroin linssin on noin 1,5. Mekaanisten ominaisuuksiensa osalta lasit ovat hauraita materiaaleja, mutta terminen tai kemiallinen käsittely voi korjata tämän.
Puolijohteet Semiconductor rakennePuolijohteet valmistetaan melko ohuesta piikiekosta , galliumarsenidistä tai indiumfosfidista , jota kutsutaan kiekoksi .
Tätä kiekkoa käytetään tukena mikrorakenteiden valmistuksessa tekniikoilla, kuten seostaminen , syövytys , muiden materiaalien ( epitaksia , sputterointi , kemiallinen höyrykerros jne.) Ja fotolitografia . Nämä mikrorakenteet ovat tärkeä komponentti integroitujen piirien , transistoreiden , tehopuolijohteiden tai MEMS: n valmistuksessa .
Dopoidut puolijohteetDoping on tehty sisällyttämällä matriisin puolijohteet epäpuhtausatomeilla. Kukin sen atomista tuottaa joko lisävalenssielektronin (N-doping) viisiarvoisille epäpuhtauksille tai "reiän" tai valenssielektronivajeen (P-doping) kolmiarvoisille epäpuhtauksille.
Komposiittimateriaali on seos kahdesta perusmateriaalien, eri makroskooppisesti, joilla on erilaisia fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia. Sekoittaminen suoritetaan siten, että sillä on optimaaliset ominaisuudet, jotka ovat erilaiset ja yleensä parempia kuin kunkin ainesosan. Komposiitti koostuu ainakin matriisista (sideaineesta) ja vahvikkeesta .
Valitun aineosat (jotkut ovat monikäyttöinen) voi parantaa seuraavia ominaisuuksia: jäykkyys, termomekaanisen vastus, väsymys kestävyys , korroosion kestävyys , tiiviys , iskunkestävyys, palonkestävyys, lämmön ja sähkön eristys, keventää rakenteita, suunnitella monimutkaisia muotoja.
Kunkin osatekijän rooli (t):
Komposiittien käyttö on joko automatisoitua ( tyhjiömuovaus , RTM jne.) Tai käsiteollista suuritehoisille osille ( kosketusmuovaus jne.). Komposiittimateriaalit perustua kuituihin, ja polymeerit muodostavat suurimman luokan (90% kaikista valmistetaan tällä hetkellä komposiitit).
Komposiittimateriaaleja käytetään laajalti ilmailussa, autoissa, rautateissä jne.
Kuolee voi olla alkuperäinen:
Ja kuormat (mineraali, orgaaninen tai metallinen) ja lisäaineet ovat lähes aina sisällyttää matriisiin.
VahvistaminenVahvikkeet (lasi-, hiili-, aramidi-, boori- tai metallikuidut jne.) Voivat olla:
Vahviste voi olla yksin matriisin sisällä (homogeeninen komposiitti) tai yhdistää erilaiseen lujitteeseen (hybridikomposiitti).
Seuraavassa taulukossa verrataan päämateriaaliluokkia niiden alkuperän, kiteisyyden, johtavuuden ja lämpöstabiilisuuden mukaan.
Sävellys | Luonnolliset materiaalit | Synteettiset materiaalit | Amorfiset materiaalit | Kiteiset materiaalit | Eristemateriaalit | Puolijohdemateriaalit | Johtavat materiaalit | Lämpökestävät materiaalit | Lämmönkestävät materiaalit |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Luomu | Biopolymeerit | Synteettiset polymeerit | Amorfiset polymeerit | Puolikiteiset polymeerit | Yleisin tapaus | Puolijohdepolymeerit | Johtavat polymeerit | Yleisin tapaus | Lämmönkestävät polymeerit |
Epäorgaaniset ei-metalliset | Kalliot | Keramiikka, lasit ja puolijohteet | Lasit | Keramiikka | Yleisimmät tapaukset, esimerkit tulenkestävistä materiaaleista | Epäorgaaniset puolijohteet | Ei | Yleisin tapaus | |
Epäorgaaninen metallinen | Alkuperäiset metallit ja metalliseokset | Metalliseokset | Amorfiset metalliseokset | Yleisin tapaus | Ei | Ei | Joo | Yleisin tapaus | |
Orgaaniset ja / tai epäorgaaniset | Puu , luu | Synteettiset komposiittimateriaalit | Lämmönkestävät komposiitit |
Aineiston tutkimiseen ja ymmärtämiseen on välttämätöntä luonnehtia sitä sopivilla karakterisointitekniikoilla. Tai, tuhoavaa, toisin sanoen mikä vahingoittaa materiaalia. Tai rikkomattomat , jotka eivät vahingoita materiaalia ja siten tutkittavaa esinettä.
Tärkeimmät karakterisointitekniikat voidaan luokitella luokittain:
Nämä karakterisointitekniikat hyötyvät materiaalitieteen panoksesta ja auttavat vastavuoroisesti sen kehityksessä.
Kaikki materiaalituotteita tuottavat teollisuudenalat luottavat materiaaleihin, joten materiaalitiede löytää luonnollisesti paikkansa.
Materiaalimuototekniikoiden tarkoituksena on antaa materiaalille määritelty muoto asettamalla sille tietty mikrorakenne , jotta saadaan esine, jolla on halutut ominaisuudet. Tämä on työ, joka vaatii kokeellisten parametrien ( koostumus , lämpötila , jäähdytysnopeus jne.) Parhaan mahdollisen hallinnan . Tekniikat vaihtelevat valmistettavien materiaalien ja esineiden mukaan. Kaikki nämä tekniikat hyötyvät materiaalitieteen tarjoamasta ymmärryksestä.
Tässä on joitain päämateriaaliluokkien sovelluksia:
Kehittäminen ympäristönsuojelu ja kierrätys kannustaa yrityksiä etsimään uusia materiaaleja, kuten biohajoavia materiaaleja. Polymaitohappo on uutettu kasveista, kuten juurikkaiden tai maissi, on hyvä esimerkki. Sitä käytetään tällä hetkellä imeytyviin ompeleisiin, muovipussien korvaamiseen tai jopa muovilaatikoihin.
Tietyt ympäristönäkökohdat saavat meidät tarkastelemaan tapaa käyttää materiaaleja. Materiaalien kierrätyksen on tarkoitus kehittyä. Esimerkiksi mikroelektroniikan alalla litteiden näyttöjen valmistajat ovat kohdanneet indiumin nousevan hinnan, ja on mielenkiintoista kierrättää sitä. Toinen esimerkki: öljyvarojen asteittainen ehtyminen on ongelma polymeerien tulevalle tuotannolle. Siksi meidän on etsittävä vaihtoehtoisia ratkaisuja ( biomuovit ).
Jotkut hyvin yleisesti käytetyt materiaalit eivät silti ole kierrätettäviä ja muodostavat todellisen ympäristöongelman. Ajattelemme erityisesti luonnonkumia, tiettyjä elastomeerejä ( styreenibutadieeni jne.), Jotka ovat edelleen renkaiden pääosat, ja lämpökovettuvia polymeerejä. Siksi on tarpeen joko kehittää uusia kierrätysprosesseja tai kehittää vaihtoehtoisia, ekologisempia materiaaleja, kuten termoplastisia elastomeereja .
Useat fysiikan ja kemian Nobel-palkinnot liittyvät materiaalitieteeseen: