סיפור הנדסה של חומרים הוא סיפור התרבות עצמה.במשך עשרות אלפי שנים, היכולת למצוא, צורה, משלב חומרים קבע מה בני אדם יכולים לבנות, איך הם יכולים לנסוע, וכיצד הם יכולים להגן על עצמם.מסיר החי הפשוט ביותר ועד טורבינות פחמן-פיבר האחרון, כל פריצת דרך בחומרים מנעו יכולות חדשות.

הבנת איך חומרים התפתחו עוזר למהנדסים להעריך מדוע תכונות מסוימות מוערכות - וכיצד מגבלות כמו עלות, זמינות והשפעה סביבתית תמיד עיצבו את הדרך קדימה.מה להלן הוא מבט מפורט על תקופות עיקריות של פיתוח חומרים, מתקופת האבן ועד גבול nanomaterials ועיצוב ביו-שראה.

חומרים פרימיטיביים: סטון, קליי, וסיבים טבעיים

זמן רב לפני שהתכות עבדו, בני אדם מוקדמים התבססו על חומרים שניתן לאסוף או מעובדים מינימליים.אבן, עצם, עץ, חימר וסיבים טבעיים יצרו את הצבעים הראשונים.הבחירה נבעה לחלוטין ממה שהיה זמין באופן מקומי ומה יכול להיות מעוצב עם כלים בסיסיים.

אבן כחומר סטריקטל הראשון

פלינט ו Obsidian יכולים להיות מכווצים חדים עבור חיתוך וציד. גרניט ו basalt שימשו לטחון כלים ואלמנטים מבניים.הפיתוח של טכניקות מתפתלות שיטתיות, כגון שיטת Levallois, ייצג צורה מוקדמת של שליטה בתהליך - מבשר להבטחת איכות מודרנית בעיבוד חומרים.

כלי האבן אפשרו את קצב המשחק הגדול, עיבוד של מזונות צמחיים, ובנייה של מקלטים.ה-FLT:0 stone AgeofFLT:1 המשתרע על פני יותר מ-2.5 מיליון שנה, והוכיחו כי מערכת חומר מוגבלת עדיין יכולה לתמוך בשינוי תרבותי וטכנולוגיי משמעותי.הלקח המרכזי: ביצועים טובים הרבה יותר זמן לפני שהוא אופטימלי.

קליי והמהפכה הניאוליתית

העיצוב והירי המכוון של סימנה נקודת מפנה. ⁇ הוא חומר פלסטי כאשר רטוב אך נעשה קשה ומפואר לאחר הירי בסביבות 900-1000 מעלות צלזיוס, טרנספורמציה זו הפכה לסירה יציבה לאחסון, בישול, תחבורה. מוקדם מן האתרים בסין ויפן מתלווה יותר מ-15,000 שנה.

חימר האש אפשר גם את יצירת לבנים ואריחים, המאפשרת התנחלויות קבועות יותר.פיתוח של כנים המסוגלים לטמפרטורות גבוהות יותר היה מבשר ישיר למטולורגיה.ללא היכולת לשלוט באש ובחום, ימי הברונזה והברזל מאוחרים היו בלתי אפשריים.

סיבים טבעיים - flax, hemp, כותנה, צמר - מעוות לתוך חבלים ו ארוג לתוך טקסטיל.חומרים אלה סיפק בגדים, רשתות, וחייב כלים מורכבים (לדוגמה, גרזן אבן מוטבע עם עץ וחטא). העיקרון של שילוב חומרים עם תכונות שונות הוא זקן כמו הקשת הראשונה.

המהפכה המטלוורגית: קופר, ברונזה וברזל

התגלית שסלעים מסוימים יכולים להיות מחוממים להניב מתכת שניתן לקניון שינתה באופן יסודי את היחסים בין בני אדם לחומרים. מתכת הציעה תכונות שאבן וחימר לא יכלו: דיקטטורות, קשיחות ויכולת להיות מהדהדים.

קופר והאלוי הראשון

נחושת אינדיאנית הושמטה לקישוטים וכליים כבר ב -9000 לפני הספירה במזרח התיכון, בסופו של דבר, שאיפת אונים נחושת יצרה מתכת טהורה יותר שניתן יהיה להטיל.אבל נחושת טהורה היא יחסית רופפת, מגבילה את השימוש שלה לחיתוך קצוות או יישומים בלחץ גבוה.

פריצת הדרך הגיעה בסביבות 3300 לפנה"ס כאשר אמנים במזרח הקרוב סגסוגת נחושת עם tin לייצר את ה-FLT:0bronzecioFLT:1 (תוספת של כ 10-12% tin הורידה את נקודת ההמיסה, שיפור נוזל כאשר הלייק, ובאופן דרמטי הגדיל את קשיחות.

התגלית הזו דרשה גישה הן לנקודות נחושת והן לסטיין, אשר לעתים נדירות נמצאות יחד.רשתות סחר למרחקים ארוכים התפתחו לספק tin ממקורות כגון קורנוול (בריטניה) ומרכז אסיה הפכו לחשיבות כה גדולה עד שתרבויות שלמות – ה-FLT:0Bronze AgeFLT:1 – מוגדרות על ידי השימוש בו.

פלדה ועידן הברזל

ברזל נשטף הופיע בסביבות 1200 לפנה"ס ב ⁇ .ברזל אוה הוא הרבה יותר בשפע מאשר נחושת או tin, אבל האתגרים הטכניים גדולים יותר: ברזל דורש טמפרטורה גבוהה יותר לחלוט (כ 1500 ° C) ויש לספוג כדי להסיר את הסקה מוקדם ברזל היה לעתים קרובות רך יותר מאשר ברונזה, אבל שפע של חומר גולמי הפך אותו אטרקטיבי.

פריצת הדרך האמיתית הייתה הייצור של FLT:0 ( ⁇ FLT:1) - ברזל עם תוכן פחמן מבוקר (בדרך כלל 0.2-2.1% על ידי משקל) פלדה מציעה שילוב של כוח, קשיחות, ודוכסיות כי לא ברזל ולא ברונזה יכולים להתאים.הפיתוח של שיטות כגון carburizing (כעת ברזל באווירה עשירה פחמן בטמפרטורה גבוהה) ולאחר מכן Besse מותרת 1856 לייצר תהליך פלדה גדול.

עידן הברזל הביא עמו יותר פשטות, חרבות ושריון, והוא גם אפשר לבנות מבנים גדולים יותר וגשרים.ה-FLT:0Industrial RevolutionFLT:1 לא היה אפשרי ללא פלדה זולה ואמינה.

המהפכה התעשייתית ועידן החומרים הסינתטיים

מאות השנים ה-18 וה-19 ראו פיצוץ של חומרים חדשים המונעים על ידי מכניזציה, כימיה, ודרישות התעשייה.שלוש התפתחויות בולטות: ייצור המוני של פלדה, הופעת פולימרים סינתטיים, ואת הזיקוק של ⁇ עבור יישומים ספציפיים.

פלדה, קונקטר ומבנהים חזקים

תהליך Bessemer ולאחר מכן את הפרווה הלב פתוח הפחית את עלות הפלדה על ידי פקודות של רכבות גדולות, גורדי שחקים, וספינות נהנות כולם.המיר של הנרי Bessemer פוצץ אוויר דרך ברזל מלוטש כדי להסיר את הזיהומים, ועל ידי 1870 פלדה הופק בקנה מידה שהפך את הבנייה.

(הופנה מהדף מלט, מצטבר ומים – ידועים לרומאים אך הושלמו במאה ה-19.תוספת של ברזל שולבת ברים (ראה:0reinforced בטוןFLT:1) שילבה את העוצמה הדחוסה של בטון עם כוח העשש של פלדה.

התפתחויות חשובות אחרות של תקופה זו כוללות את תהליך הול-הרגל לייצור אלומיניום (1886), אשר עשה מתכת קלה זמין עבור תחבורה ואריזות, ופיתוח של פלדות בעלות נמוכה עבור מכונות ביצועים גבוהים.

פלסטיק ופולימרים

הפלסטיק הסינטטי המלא הראשון, (FLT:0)Bakeliteph1, היה פטנט בשנת 1907 על ידי ליאו Baekeland. Bakelite הוא phenolic resin כי הוא קשה, עמיד בחום, ו insulator חשמלי.זה שימש עבור טלפונים, דיור, רכיבי חשמל - מה שהופך את הגיל של פלסטיק.

בעשורים הבאים הביאו ניילון (1935), פוליאתילן (1933) ופוליפרופילן (1954), ניתן היה להחדיר את התרמופלסטיקה הזו, מפורצת או לפוצץ לסרטים.הם החליפו מתכת, זכוכית וסיבים טבעיים באינספור יישומים.הגמישות והעלות הנמוכה של הפלסטיק גרמו למהפכה בסחורות צרכניות, באריזות וברפואה.

עם זאת, ההשפעה הסביבתית של פסולת פלסטיק הפכה לדאגה קריטית.הנדסה של חומרים מודרניים מתמקדת כיום בפולימרים ביו-דידיים ובעיצובים לא תואמים של מחזור מחדש.הסעיף האמריקאי:0Scientific American article on plasticureFLT:1 מציע מבט מפוכח על המורשת של פולימרים סינתטיים.

Composites מתקדם: Carbon סיבים, סיבים, ומעבר

חומר מורכב נוצר על ידי שילוב של שני או יותר נפרדים הבוחרים כדי להשיג נכסים כי לא רק זכות בחירה יכול לספק. במחצית השנייה של המאה ה -20, מרוכבים עברו מיישומים נישה להנדסה הזרם המרכזי.

שם מקור: The First Modern Composite

סיבים - סיבים זכוכית מוטבעת במריצה פולימרית - פותח בשנות ה-30 והמסחריים לאחר מלחמת העולם השנייה.זה הציע כוח ספציפי גבוה (יחסי צמיחה למשקל) וניתן לעצב אותם לצורות מורכבות.סירות, לוחות גוף רכב, וטנקים הם יישומים טיפוסיים.

תהליכי הייצור - יד מונחה, צנרת רוח, ופולציה - אפשרו למהנדסים להתאים את הסיבים אוריינטציה לכיוון העומס.סיפילס הוכיחו כי מסובבים יכולים להיות יעילים עבור יישומים בינוניים ביצועים, ובכך לזרז את הדרך עבור מערכות מתקדמות יותר.

פחמן-Fiber-Reinforced Polymers (CFRP)

סיבים פחמן יש כוח רב פי כמה זמן של פלדה בחלק מהמשקל.כאשר מוטבע במטריקס epoxy, המפרק וכתוצאה מכך - FLT:0CFRPGFLT:1 - מקשה יוצאת דופן ועייפות יישומים מוקדמים היו בחלל ובמטען המנועים, שבו כל קילוגרם הציל יעילות דלק או ביצועים.

מטוסים מודרניים כגון בואינג 787 ו- Airbus A350 משתמשים ב-CRP ליותר מ-50% מהמשקל המבני שלהם.חומר מופיע גם בציוד ספורט (מסגרות מחזוריות, מפצלי טניס, פירי גולף) ויותר ויותר במבנים של הרכב.העלות הגבוהה של ייצור סיבי פחמן צנחה בהדרגה, אך הוא נשאר יקר משמעותית יותר מפלדה או אלומיניום.

מרוקנים מתקדמים אחרים כוללים תרכובות aramid-fiber (Kevlar) להגנה בליסטית ומדליקים של קרמיקה עבור רכיבים טורבינות עתירי רוח גבוהה.עיצוב חומרים אלה כרוך מיקרומכניקה: מודל כיצד סיבים, מאטריקס וממשקים מתנהגים תחת עומס.

הגבול החדש: ננו חומרי, ביו-חומרים וחומרים חכמים

כיום, הנדסה חומרים אינה מוגבלת יותר למה שניתן למכר או לסנתז ברובם. ב- nanoscale, חומרים מציגים תכונות שונות ביסודן, ומהנדסים יכולים לעצב חומרים עם דיוק מולקולרי.

ננו-חומרים

ננו-בוטיקים פחמן, גרפן וננו-חלקיקים של מתכות ו- תחמוצת-חמצני שינו באופן דרמטי את האפשרויות. Graphene – שכבה אחת של אטומי פחמן – היא בין החומרים החזקים ביותר שנמדדו אי-פעם, תוך גם להיות מנצח מצוין של חשמל וחום. nanotubes משמשים במתחלים עבור חלקים מבניים, ציפויים, ואפילו במכשירים רפואיים לאספקת תרופות.

האתגר הוא לייצר חומרים אלה בקנה מידה עם איכות עקבית.ה-FLT:0 [מאמר] טבע על ייצור גרפן גרף גרף 1:1 לדון בגישה אחת כדי לענות על צורך זה.כפי שייצור משתפר, ננו-חומרים צפויים למצוא יישומים סוללות, תאים סולאריים, טיהור מים ושריון קל משקל.

biomaterials

חומרים ביו-תואמים ו biodegradable הם קריטיים עבור שתלים רפואיים, הנדסת רקמות, ואריזות ידידותיות לסביבה.דוגמאות כוללות חומצה פולי-לאקטית (PLA), המשמשות בצורות בלתי פתורות ו- 3D-printing filament, ו הידרוקספיט, המשמש בחיתולים עצם.

החוקרים גם מפתחים חומרים המחקים מבנים טבעיים - עיצוב מעורר השראה.משטח המנקה העצמי של עלון הלוטוס העניק השראה ציפויים סופר-יופוביים. עכביש משי, חזק יותר במשקל מאשר פלדה, שוכפל באמצעות חלבונים recombinant.חומרים אלה מבטיחים להפחית את ההסתמכות על פולימרים מאובן.

חומרים חכמים

חומרים שמגיבים לגירויים חיצוניים – temperature, מתח, שדות חשמליים או pH – נקראים חומרים חכמים. Shape-memory ⁇ s (כגון nitinol) חוזרים לצורה מוגדרת מראש כאשר מחוממים. קרמיקה Piezoelectric לייצר מטען חשמלי תחת לחץ מכני, המאפשר חיישנים ומבצעים.

חומרי הפחתת העצמי מכילים מיקרו-capsules או רשתות vascular המשחררים סוכן ריפוי כאשר פצח, מרחיבים את חיי הציפויים והמבנים.חומרים האלה מטשטשים את הקו בין רכיבים מבניים פסיביים ומערכות פעילות.

קיימות וכלכלת מעגלי

הנדסה חומרים חייבת כעת לקחת בחשבון את כל מחזור החיים: מיצוי, עיבוד, שימוש, וסילוק או מחזור.מודל "לקחת-disנני" ליניארי מוחלף בגישה מעגלית שבה חומרים נשמרים בשימוש ככל האפשר.

מחזור מתכות הוא כבר יעיל (aluminum יכול להיות ממוחזר ללא הגבלת זמן ללא אובדן איכות) פלסטיק מחזור מחזור הוא מאתגר יותר בשל זיהום והשפלה. טכנולוגיות מיון חדש ומחזור כימי (depolymerization) הם מתעוררים. חלופות מבוססות ביולוגית, כגון פוליhydroxyalkanoates (PHA) המיוצר על ידי חיידקים, מציעים נתיב מתחדש חומרים.

הפיתוח של ההרחבה:0. greens ComplexsFLT:1 - סיבים טבעיים (hemp, flax, Jute) במריצה ביו-דידית - הוא אזור מחקר פעיל. אלה מורכבים משמשים בלוחות רכב פנימיים ומוצרים צרכניים.

הערכה מחזור חיים (LCA) היא כלי סטנדרטי לבחירת חומרים.מהנדסים חייבים לאזן כוח, משקל, עלות והשפעה סביבתית.הפלטפורמה של FLT:0Materials Platform for Data-Driven DesignFLT:1 מספקת תובנות לגבי האופן שבו כלים דיגיטליים עוזרים למהנדסים להפוך את ה-FLT.

מסקנה: הסיפור הבלתי מרוסן

הנדסה חומרים התפתחה מבחירה של מדע-וטרור של חומרים טבעיים למשמעת קפדנית, חישובית.הציר - מן החימר ועד ברונזה, מברזל ועד פלדה, מפולימרים ועד ננו-חומרים - מחלחל קצב הפחתת הגילוי.כל עידן שנבנה על הידע של הקודם, וכל אחד מחוספס על ידי הכלים והמקורות האנרגיה הזמינים.

כיום, התחום הוא יותר בינתחומי מאשר אי פעם צ'מיסטים, פיזיקאים, מהנדסים מכניים ומדענים נתונים משתפים פעולה כדי לעצב חומרים עם תכונות שלא היו ניתנות לדמיון לפני כמה עשורים.ה פריצות הדרך הבאות עשויות לבוא מאינטליגנציה מלאכותית שיכולה לחזות מבנים גבישיים חדשים, מביולוגיה סינתטית שגדלה חומרים במקום לייצר אותם, או ממכניקות קוונטיות שמוכיחות את ההתנהגות של אלקטרונים בחומר.

מה שנשאר קבוע הוא המטרה: לפתח חומרים קלים, חזקים יותר, עמידים יותר, ועמידים יותר.הסיפור של הנדסה חומרים הוא רחוק ממעל - הוא נכנס לפרק המרגש ביותר שלו.