La ciencia material o los materiales del que dirigen es un campo interdisciplinario que implica las características de la materia y de sus usos a las varias áreas de la ciencia y de la ingeniería . Esta ciencia investiga la relación entre la estructura de materiales y sus características. Incluye elementos de la física aplicada y de la química, así como el producto químico, el mecánico, el civil y la ingeniería eléctrica . Con la atención significativa de los medios al Nanoscience y la nanotecnología en los últimos años, la ciencia material se ha propulsado a la vanguardia en muchas universidades.

Historia

El material de la opción de una era dada es a menudo su punto de definición; la Edad de Piedra, la edad de bronce, y la edad de acero son ejemplos de esto. La ciencia material es una de las más viejas formas de ingeniería y de ciencia aplicada, derivando de la fabricación de ciencia material moderna de la cerámica desarrollada directo de la metalurgia, que sí mismo desarrolló de la explotación minera. Una brecha importante en la comprensión de materiales ocurrió en el siglo XIX del último, cuando el Willard Gibbs demostró que las características termodinámicas referentes a la estructura atómica en las varias fases están relacionadas con las características físicas de un material. Los elementos importantes de la ciencia material moderna son un producto de la raza del espacio: la comprensión y la ingeniería de las aleaciones metálicas, y la silicona y los materiales del carbón, usados en la construcción de los vehículos de espacio permitiendo la exploración del espacio. La ciencia material ha conducido, y ha conducido cerca, el desarrollo de tecnologías revolucionarias tales como plásticos, los semiconductores, y los biomateriales .

Antes de los años 60 (y en algunos casos de las décadas después), muchos departamentos de la ciencia material del fueron nombrados los departamentos de la metalurgia, de un diecinueveavo y temprano énfasis del vigésimo siglo en los metales. El campo ha ensanchado desde entonces para incluir cada clase de materiales, incluyendo: Polímeros de la cerámica, semiconductores, materiales magnéticos, materiales médicos del implante y materiales biológicos.

En 2006, la sociedad de los minerales, de los metales y de los materiales (TMS) votada encendido y publicada los 50 momentos superiores en la historia de materiales.

Fundamentales de la ciencia material

En la ciencia material, algo que casual buscando y descubriendo los materiales y explotando sus características, una en lugar de otro apunta entender los materiales fundamental para poder crear nuevos materiales con las características deseadas.

La base de toda la ciencia material implica el relacionarse de las características deseadas y de funcionamiento relativo de un material en cierto uso con la estructura de los átomos y de fases en ese material con la caracterización. Los determinantes principales de la estructura de un material y de sus características son así sus elementos químicos constitutivos y la manera en los cuales se ha procesado en su forma final. Éstos, tomado juntos y relacionado con las leyes de la termodinámica, gobiernan la microestructura de un material, y así sus características.

Un viejo adagio en la ciencia material dice: " los materiales son como gente; es los defectos que les hacen el interesting". La fabricación de un cristal perfecto de un material es actual físicamente imposible. En lugar los científicos de los materiales manipulan los defectos en materiales cristalinos tales como precipitados, límites de grano (relación de Pasillo-Petch), átomos intersticiales, vacantes o átomos sustitutivos, para crear los materiales con las características deseadas.

No todos los materiales tienen una estructura cristalina regular. Diversos grados de la exhibición de los polímeros de cristalinidad. Los vidrios algo de cerámica y muchos materiales naturales son el amorfo, no poseyendo ninguna orden de largo alcance en sus arreglos atómicos. Estos materiales son mucho más duros de dirigir que los materiales cristalinos. Los polímeros son un caso mezclado, y su estudio combina comúnmente elementos de la termodinámica química y estadística para dar termodinámico, algo que mecánico, las descripciones de características físicas.

Además de interés industrial, la ciencia material se ha convertido gradualmente en un campo que proporciona las pruebas para la materia condensada o las teorías de estado sólido. La nueva física emerge debido a las nuevas características materiales diversas que necesitan ser explicadas.

Materiales en industria

Los avances radicales de los materiales pueden conducir la creación de nuevos productos o aún de nuevas industrias, pero las industrias estables también emplean a científicos de los materiales para llevar a cabo mejoras incrementales y para localizar averías ediciones con los materiales actual usados. Los usos industriales de la ciencia material incluyen los materiales diseñan, las compensaciones de costes y beneficios en la producción industrial de materiales, las técnicas de proceso (bastidor, balanceo, soldadura, implantación de ion, crecimiento cristalino, deposición Thin-film, que sinteriza, Glassblowing, etc.), y las técnicas analíticas (técnicas de la caracterización tales como microscopia electrónica, difracción de radiografía, calorimetría, microscopia nuclear (HEFIB), retrodispersión del Rutherford, difracción de neutrón, etc.

Además de la caracterización material, el científico material/el ingeniero también se ocupa de la extracción de materiales y de su conversión en formas útiles. Así la colada de lingotes, las técnicas de la fundición, la extracción del horno, y la extracción electrolítica son toda la parte del conocimiento required de un metalúrgico/de un ingeniero. A menudo la presencia, la ausencia o la variación de cantidades minuciosas de elementos y de compuestos secundarios en un material a granel tendrán un gran impacto en las características finales de los materiales producidos, por ejemplo, se clasifican los aceros basaron en los porcentajes del 1/10o y 1/100 peso del carbón y de otros elementos ligantes que contienen. Así, la extracción y las técnicas de la purificación empleadas en la extracción del hierro en el horno tendrán un impacto de la calidad del acero que puede ser producida.

El traslapo entre la física y la ciencia material ha llevado al campo del vástago de la física de los materiales del, que se refiere a las características físicas de los materiales que el acercamiento es generalmente más macroscópico y aplicado que en la física condensada de la materia. Ver las publicaciones importantes en la física de los materiales para más detalles en este campo del estudio.

El estudio de las aleaciones del metal es partes significativas de ciencia material. De todo el hoy funcionando de las aleaciones metálicas, las aleaciones del hierro (acero, acero inoxidable, arrabio, acero de herramienta, aceros de aleación) componen la proporción más grande por cantidad y valor comercial. El hierro aleado con varias proporciones de carbón da los aceros de carbono bajos, mediados de y altos. Para los aceros, la dureza y la fuerza extensible del acero se relaciona directo con la cantidad de presente del carbón, con el aumento del carbón nivela también llevar para bajar ductilidad y dureza. La adición de silicio y de grafitización producirá los arrabios (aunque algunos arrabios se hacen exacto sin la grafitización). La adición de cromo, de níquel y de molibdeno a los aceros de carbono (más el de 10%) nos da los aceros inoxidables.

Otras aleaciones metálicas significativas son las del aluminio, del titanio, del cobre y del magnesio. Las aleaciones de cobre se han sabido durante mucho tiempo (desde la edad de bronce), mientras que las aleaciones de los otros tres metales han sido relativamente recientemente desarrolladas. Debido a la reactividad química de estos metales, los procesos electrolíticos de la extracción requeridos fueron desarrollados solamente relativamente recientemente. Las aleaciones del aluminio, del titanio y del magnesio también se saben y se valoran para su colmo - fuerza - los cocientes del a-peso y, en el caso del magnesio, su capacidad de proporcionar blindar electromágnetico. Estos materiales son ideales para las situaciones donde están más importantes los altos - fuerza - cocientes del a-peso que coste a granel, por ejemplo en la industria aeroespacial y los ciertos usos de la ingeniería automotora.

Con excepción de los metales, los polímeros y la cerámica son también partes importantes de ciencia material. Los polímeros son las materias primas (las resinas) usadas para hacer lo que comúnmente llamamos los plásticos. Los plásticos son realmente el producto final, creado después de uno o más polímeros o los añadidos se han agregado a una resina durante el proceso, que entonces se forma en una forma final. Los polímeros que han estado alrededor, y que están en uso extenso actual, incluyen el polietileno, el polipropileno, el cloruro de polivinilo, el poliestireno, nilones, los poliesteres, los acrílicos, el poliuretano, y los policarbonatos. Los plásticos se clasifican generalmente como " commodity", " specialty" y " engineering" plásticos.

El PVC (cloruro de polivinilo) es un plástico de la materia; es ampliamente utilizado, barato, y las cantidades anuales de la producción son enormes. Se presta a un arsenal increíble de usos, del cuero del faux al aislamiento eléctrico al cableado al empaquetado y a recipientes. Su fabricación y el proceso son simples y establecidos. La flexibilidad del PVC es debido a la amplia gama de los añadidos que acepta. El " del término; additives" en polímero la ciencia refiere a los productos químicos y a los compuestos agregados a la base del polímero para modificar sus características materiales.

El policarbonato normalmente sería considerado un plástico de la ingeniería (otros ejemplos incluyen OJEADA, los ABS). Los plásticos de la ingeniería se valoran para sus fuerzas superiores y otras características materiales especiales. No se utilizan generalmente para los usos disponibles, desemejante de los plásticos de la materia.

Los plásticos de la especialidad son materiales con características únicas, tales como fuerza ultraalta, conductividad eléctrica, electro-florescence, alta estabilidad termal, etc.

Debe ser observado aquí que la línea divisoria entre los varios tipos de plásticos no está basada en el material sino algo en sus características y usos. Por ejemplo, el polietileno (PE) es un polímero barato, deslizadizo de uso general hacer bolsos de compras disponibles y bolsos de basura, y se considera un plástico de la materia, mientras que el polietileno de la Medio-Densidad (MDPE) se utiliza para las pipas subterráneos del gas y de agua, y otra variedad llamada polietileno del peso molecular Ultra-high (UHMWPE) es un plástico de la ingeniería que se utiliza extensivamente como los carriles del deslizamiento para el equipo industrial.

Otro uso de la ciencia material en industria es la fabricación de materiales compuestos. Los materiales compuestos son materiales estructurados integrados por fases dos o más macroscópicos. Un ejemplo sería concreto acero-reforzado; otros se pueden ver en el " plastic" cubiertas de las televisiones, teléfonos celulares y así sucesivamente. Estas cubiertas plásticas son generalmente un compuesto compuesto de una matriz termoplástica tal como acrilo-nitrilo-butadieno-estireno (ABS) en el cual la tiza del carbonato de calcio, el talco, las fibras de vidrio o las fibras del carbón se han agregado para la fuerza agregada, el bulto, o la dispersión electrostática. Estas adiciones se pueden referir como el refuerzo de fibras, o dispersores, dependiendo de su propósito.

Clases de materiales (por los tipos en enlace)

La ciencia material abarca varias clases de materiales, que pueden constituir un campo separado. Los materiales son clasificados a veces por el tipo de vinculación presente entre los átomos:

de los cristales iónicos

covalente de los cristales El Metals #

de los compuestos de metales

de los semiconductores Polímeros # materiales compuestos # materiales vítreos

Subcampos de la ciencia material

Nanotecnología --- riguroso, el estudio de materiales donde están la característica los efectos del confinamiento de Quantum, del efecto de Gibbs-Thomson, o de cualquier otro efecto solamente presente en el nanoscale de definición del material; pero más comunmente, es la creación y el estudio de los materiales cuyo definiendo características estructurales ser dondequiera menos que un nanómetro a cientos nanómetros en escala, tal como materiales molecular dirigidos.
Cristalografía --- el estudio de cómo los átomos en un espacio sólido del terraplén, los defectos se asociaron a las estructuras cristalinas tal como límites de grano y dislocaciones, y la caracterización de estas estructuras y de su relación a las características físicas.
Caracterización de materiales --- por ejemplo la difracción con el radiografía, los electrones, o los neutrones, y las varias formas de la espectroscopia y del análisis químico tal como espectroscopia de Raman, espectroscopia energía-dispersiva (EDS), cromatografía, análisis termal, análisis del microscopio electrónico, etc., para entender y definir las características de materiales. Ver también la lista de los métodos de análisis superficiales
Metalurgia --- el estudio de metales y de sus aleaciones, incluyendo su extracción, microestructura y proceso.
Biomateriales --- materiales de los cuales se derivan y/o se utilizan con los sistemas biológicos.
materiales magnéticos electrónicos de y --- materiales tales como semiconductores usados para crear los circuitos integrados, los medios de almacenaje, los sensores, y otros dispositivos.
Tribología --- el estudio del desgaste de los materiales debido a la fricción y a otros factores.
Ciencia/catálisis superficiales --- interacciones y estructuras entre el sólido-líquido del sólido-gas o los interfaces sólido-sólidox.
Cerámica y materiales refractarios --- los materiales des alta temperatura incluyendo cerámica estructural tal como RCC, carburo de silicio policristalino y transformación endurecieron la cerámica

Algunos médicos a menudo consideran la reología un subcampo de la ciencia material, porque puede cubrir cualquier material que fluya. Sin embargo, la reología moderna se ocupa típicamente de la dinámica flúida no neutoniano, así que a menudo se considera un subcampo de los mecánicos de serie continua . Ver también el material granular .
Ciencia de cristal --- cualquie material no cristalino incluyendo los vidrios inorgánicos, los metales vítreos y los vidrios del no-óxido.

Asuntos que forman la base de la ciencia material

Termodinámica, mecánicos estadísticos, cinética y química física, para la estabilidad de la fase, las transformaciones (físicas y químicas) y los diagramas.
Cristalografía y vinculación química, para entender cómo los átomos en un material se arreglan.
Mecánicos, entender las características mecánicas de materiales y de sus usos estructurales.
La física de estado sólido y mecánicos de Quantum, para la comprensión de las características electrónicas, termales, magnéticas, químicas, estructurales y ópticas de materiales.
Difracción y mecánicos de onda, para la caracterización de materiales.
Química y ciencia del polímero, para la comprensión de los plásticos, de los coloides, de la cerámica, de cristales líquidos, de la química de estado sólido, y de los polímeros .
Biología, para la integración de materiales en sistemas biológicos.
Mecánicos de serie continua y estadísticas, para el estudio de los flujos flúidos y de los sistemas del conjunto.
Mecánicos de los materiales, para el estudio de la relación entre el comportamiento mecánico de materiales y sus microestructuras.

Una lista corta de instalaciones no académicas de los materiales

Laboratorios del gobierno

Laboratorio nacional de Argonne
Laboratorio nacional de Lorenzo Berkeley
Laboratorio nacional de Lorenzo Livermore
Laboratorio nacional de Los Alamos
Instituto máximo de Planck
Laboratorio nacional de la Oak Ridge
National Institute of Standards and Technology

Instalaciones corporativas

Du Pont
Investigación global de GE
Centro de investigación de Thomas J. Watson de IBM
SemMaterials, L.

Diarios importantes

Química de los materiales
Materiales de la naturaleza
Acta Materialia
JOM
Materiales avanzados
Ciencia material de cómputo
Materiales funcionales avanzados
Diario de la química de los materiales
Diario de los materiales del acceso abierto en línea -
metalúrgico y transacciones de los materiales
Diario de la investigación de los materiales
Diario de la ciencia material
Federación del boletín de noticias europeo de las sociedades de la ciencia material

Ver también

style=" del
Cronología de la tecnología de materiales
el Bio-basó los materiales * biomaterial
Cristal líquido
de modelado molecular
Publicaciones importantes en la ciencia material
Lista de diarios científicos - ciencia material
Lista de publicaciones en la física - la física de los materiales
Lista de los métodos de análisis superficiales
Lista de los métodos de análisis termal