Table of Contents
הבנת חומרים מדע: הקרן להנדסה מודרנית
מדעי החומרים מייצגים את אחד התחומים הבין-תחומיים והמשפיעים ביותר בהנדסה וטכנולוגיה מודרנית.במרכזה, מדעי החומרים הוא המחקר השיטתי של התכונות, הביצועים והיישומים של חומרים כולל מתכות, פולימרים, קרמיקה, תרכובות, וננו-חומרים מתעוררים.שדה זה מגשר על הפער בין עקרונות מדעיים ויישומים הנדסיים מעשיים, המאפשר את הפיתוח של כל דבר ממרכיבים אווירוקלימיים ורפואה לאלקטרוניקה ופתרונות אנרגיה בת קיימא.
החשיבות של מדעי החומרים לא ניתן להפריז בעולם מונע הטכנולוגיה של היום.כל מוצר שאנו משתמשים בו, כל מבנה שאנו בונים, וכל התקדמות טכנולוגית שאנו משיגים תלויה ביסודה בהבנה של חומרים והתנהגותם. על ידי הבנת העקרונות הבסיסיים השולטים בתכונות החומריות והביצועים, מדענים ומהנדסים יכולים לעצב חומרים העומדים בקריטריונים תובעניים יותר ויותר על פני תעשיות מגוונות, כולל חלל, רכב, אלקטרוניקה, בנייה, אנרגיה מתחדשת, וענפי אנרגיה מתחדשת.
מדריך מקיף זה חוקר את עקרונות היסוד של מדעי החומרים, בוחן כיצד עקרונות אלה מתורגמים לנכסים חומריים אמיתיים בעולם, ומדגים כיצד מהנדסים ממנפים ידע זה כדי לעצב חומרים מתקדמים לפתרון אתגרים מורכבים ביישומים מודרניים.
עקרונות הליבה של מדעי החומרים
מדע החומרים בנוי על הבנה היררכית של החומר, מן ההיקף האטומי ועד למאפיינים המאקרוסקופיים שאנו רואים ומדידים. גישה רב-מידה זו מאפשרת למדענים לחבר התנהגויות אטומיות מולקולריות בסיסיות לנכסים הגדולים שקובעים כיצד חומרים מבצעים ביישומים בעולם האמיתי.
מבנה אטומי ו-Beling
הבסיס של חומרים מדע מתחיל ברמה האטומית, שבו הסדר של אלקטרונים, פרוטונים ו נייטוונים קובע את המאפיינים הבסיסיים של אלמנטים.התצורה האלקטרונית של אטומים מכתיב כיצד הם אינטראקציה עם אטומים אחרים, ויצרו את הסוגים השונים של אג"ח כימי המחזיקים יחד.הבנת מבנה אטומי חיוני כי הוא משפיע ישירות על כל נכס המוצגים חומר, מנקודת ההמס שלו להתנהלות חשמלית שלה.
ישנם ארבעה סוגים עיקריים של אג"ח אטומי המתרחש בחומרים, כל אחד מהם מעניק תכונות נפרדות לחומר שנוצר.FLT:0Metallic אג"ח אטומיתFLT:1 מתרחשת מתכות שבו אלקטרונים של valence הם delocalized על פני מנוף של בצל חיובי, יצירת "ים של אלקטרונים" המאפשרת התנהגות חשמלית ותרמית מעולה.
(FLT:0) אג'ינגלווין (Ionic TieingFLT:1) כולל העברת אלקטרונים מאטומים אחד לשני, יצירת בצלים חיובי ושליליים שמושכים זה את זה באמצעות כוחות אלקטרוסטטיים.חומרים עם אג"ח איטוני, כגון נתרן chloride וקרמיקה רבים, נוטים להיות קשה וגלוי עם נקודות נמס גבוהות.
(FLT:0) חיבורי ערך מינוף 1:1 מתרחש כאשר אטומים חולקים אלקטרונים כדי להשיג תצורה אלקטרונית יציבה.סוג זה של אג"ח יוצר קשרים כיוון חזק מאוד ונמצא בחומרים כמו יהלום, סיליקון, ופולימרים רבים. חומרים מקושרים קוהנדסיים באופן שווה יכולים להציג מגוון רחב של תכונות בהתאם למבנה שלהם, מן הקשות קיצונית של היהלום ועד הגמישות של גומי.
(FLT:0)Van der Waals אגורה 1:1 מייצג את הסוג החלש ביותר של כוח בלתי-חלי, הנובע מאינטראקציות זמניות או קבועות בין מולקולות, בעוד חלש באופן אינדיבידואלי, כוחות אלה הופכים משמעותיים כאשר מולקולות רבות אינטראקציה, כפי שניתן לראות בפולימרים ובקריסטלים מולקולריים.V der Waals להסביר מדוע גרפיט הוא רך ושברירי למרות שהוא מורכב מאוד פחמן דו-אטומים חלש - בין אותם כוחות חלשים למולקולות כדי לאפשר להם להחליקדמים אחרים בקלות.
מבנה קריסטל ו Defects
מעבר לאיגרות חוב אטומיות אינדיבידואליות, הסדר תלת-ממדי של אטומים בחומר משפיע עמוקות על תכונותיו.רוב החומרים המוצקים הם גבישיים, כלומר האטומים שלהם מסודרים על מנת לחזור על עצמם, דפוסים מסודרים הנקראים מבנים גבישיים.הגאומטריה הספציפית של ההסדרים האלה - בין אם מעוקבים, ממוקדים פנים, מעוקבים, מעוקבים, מעוקבים, hexagonal צמודים, או תצורה אחרת - קובעים תכונות מכניות וגופניות ופיזיות רבות.
עם זאת, חומרים אמיתיים הם לעולם לא גבישים מושלמים.הם מכילים סוגים שונים של פגמים כי, באופן פרדוקסלי, הם לעתים קרובות חיוני עבור תכונות חומריות שימושיות.FLT:0PointמומיםFLT:1 כוללים vacancies (הרשיון), interstitials (אטומים סטרטרה דחוסים לחללים), ואטומים תת-סוגרטיאומטריים (אטומים מחליפים אטומים).
(FLT:0) פגמים במבנה הקריסטל המאפשר עיוות פלסטיק להתרחש בלחצים נמוכים בהרבה ממה שנדרש כדי לשבור את כל האג"ח על פני מטוס שלם של אטומים בו-זמנית.התנועה של פירוק דרך גביש היא המנגנון העיקרי שבאמצעותו מתכות מופרכות מפלסטיק, שליטה ופירוק התנועה היא אסטרטגיה מרכזית בחיזוק החומרים.
(FLT:0Surface ו-ממשק פגמים כוללים גבולות דגנים, גבולות שלב ומשטחים חיצוניים. Grain גבולות, שבו גבישים של נטיות שונות נפגשים, הם משמעותיים במיוחד משום שהם מזיזים את תנועת הפירוק ובכך מחזקים חומרים - עיקרון מנוצל בטכניקות חיזוק דגנים.
התרמודינמיקה והטרנספורמציות של שלב
התרמודינמיקה שולטת ביציבות החומרים והטרנספורמציות שהם עוברים כאשר התנאים משתנים.מושגים של אנרגיה חופשית, אנטרופיה, ו- enthalpy עוזרים לחזות אילו שלבים של חומר יציבים בתנאים של טמפרטורה, לחץ, וקומפוזיציה. דיאגרמות שלב הם כלים חיוניים שממפות את מערכות היחסים האלה, מראה מהנדסים אשר בשלבים יהיו נוכחים בתנאים ספציפיים.
שינויים בשלב - שינויים במבנה גבישי אחד או שלב אחר - הם יסודיים לטכניקות עיבוד חומרים רבות.הטרנספורמציה של אוסטנטי לנישואין בפלדה במהלך הניקוי, למשל, היא טרנספורמציה אשר מגדילה באופן דרמטי את הקשודות.הבנת הקינטיקה של שינויים אלה, כולל קצבה ותהליכי צמיחה, מאפשרת למהנדסים לשלוט מיקרו-מבנה באמצעות מניפולציה זהירה של שיעורי חימום וקירור.
הקשר בין עיבוד, מבנה, תכונות וביצועים יוצר את הפרדיגמה המרכזית של מדעי החומרים.על ידי הבנת כיצד תנאי עיבוד משפיעים על מיקרו-מבנה, וכיצד מיקרו-מבנה קובע תכונות, מהנדסים יכולים לעצב מסלולי עיבוד המספקים חומרים עם תכונות ביצועים אופטימליות עבור יישומים ספציפיים.
נכסים חומריים וחשיבותם ההנדסית
הערך המעשי של מדעי החומרים הוא הבנה ושליטה בתכונות החומריות - המאפיינים המסוכנים הקובעים כיצד חומר יבצע בשירות.נכסים אלה יכולים להיות מסווגים באופן רחב למאפיינים מכניים, תרמיים, מגנטיים, אופטיים וכימיקליים, כל אחד קריטי עבור יישומים שונים.
תכונות מכניות
StrengthigthoverFLT:1] מתייחס ליכולת של חומר לעמוד בפני כוחות מוחליים ללא כישלון. Tensile מודד התנגדות למשיכת כוחות, דחיסה של כוח ההתנגדות לכוחות מחץ, ואמצעי כוח חמורים עמידים בפני כוחות מחוסנים. Yield מצביע באופן ספציפי על הלחץ שבו חומר מתחיל לעיוות פלסטי, בעוד שעשרות עצום מייצג את הכוח המקסימלי יכול לעמוד בפני תכונות קריטיות.
(FLT:0) מתאר את היכולת של החומר לפענח באופן פלסטי לפני fracturing.D. חומרי דוקטרייל כמו נחושת ואלומיניום ניתן לקחת לתוך חוטים או להיווצר לתוך צורות מורכבות, מה שהופך אותם בעלי ערך לתהליכי ייצור.דוקטריות נמדדת בדרך כלל כאחוז של הפחתה או ירידה של אחוז באזור במהלך מבחן פילים.
(FLT:0) HardnessFLT:1 מודד התנגדות חומרית לעיוות פלסטיק מקומי, כגון שריטות או רתיעה. בדיקות קשיחות שונות - כולל Brinell, Rockwell ו- ויקירס - לספק אמצעים כמותיים המתתואמים עם התנגדות ללבוש, ובמידה מסוימת, חומרים קשיחים הם חיוניים לחיתוך כלים, לבישים, ציפויים, הגנה ומשטחי מגן.
(FLT:0) oughnessFLT:1 מייצג את היכולת של חומר לספוג אנרגיה לפני fracturing, שילוב הן כוח והן דיקטטוריות.נכס זה חשוב במיוחד עבור יישומים שבהם חומרים עשויים לחוות השפעה לטעון או חייב להתנגד לצמצום הסדקים.קשה על העור באופן ספציפי כדי לפצח את הצמיחה והוא קריטי למניעת כשלים במבנים.
(FLT:0) התנגדות FLT:1 מתאר כיצד חומרים מתנהגים תחת עומס מחזורי. כישלונות הנדסיים רבים מתרחשים לא מעומס אחד, אלא ממחזורי מתח חוזרים שגורמים נזק הדרגתי ושבר בסופו של דבר בלחץ גבוה יותר מתחת לחוזק התשואות.
(FLT:0Creep ResistanceFLT:1) מתייחס ליכולת של חומר להתנגד לעיוות תלוי בזמן תחת לחץ קבוע, במיוחד בטמפרטורות גבוהות. Creep הוא קריטי עבור יישומים עתירי זמן גבוהים כגון להבים טורבינות, רכיבים גרעיניים וחלקי פרוות, שבו חומרים חייבים לשמור על יציבות ממדית על פני תקופות ארוכות.
נכסים ארסיים
(FLT:0) מוליכות נורמטיבית (FLT:1) מודדת כמה בקלות חום זורם דרך חומר. מתכת בדרך כלל יש מוליכות תרמית גבוהה בשל האלקטרונים החופשיים שלהם, מה שהופך אותם מצוינים עבור חילופי חום, בישול, ושוקי חום אלקטרוני. . ניגוד, חומרים עם מוליכות תרמית נמוכה, כגון קרמיקה ופולימרים, לשמש כמו קרמיקה תרמילאורים ביישומים החל מבניינים למגבונים.
(FLT:0) הרחבת ההתרחבות של ה-ErmalventFLT:1 מתאר כיצד משתנים ממדים של חומר עם טמפרטורה.המקדם של התרחבות תרמית הוא חיוני כאשר חומרים עם שיעורי הרחבה שונים מצטרפים יחד, כפי שלחצים תרמיים יכולים להתפתח במהלך שינויים טמפרטורה. התאמת ההרחבה התרמית יעילה ביישומים כמו אריזה אלקטרונית, שבו שבבי סיליקון מחוברים ל- substrates, ותרכובת חומרים שבהם שלבים שונים חייבים להרחיב באופן יחסי.
(FLT:0) קיבולת חום משמעותית (FLT:1) מציין כמה אנרגיה נדרשת להעלות את הטמפרטורה של החומר.חומרים עם חום ספציפי גבוה יכולים לאחסן אנרגיה תרמית משמעותית, מה שהופך אותם שימושיים עבור יישומים ניהול תרמי ומערכות אחסון חום.נקודת ההיתוך וטמפרטורת המעבר זכוכית מגדיר טמפרטורה קריטית שבה חומרים עוברים שינויים בשלב או שינויים משמעותיים בנכס, הגבלת טווחי הטמפרטורה השימושיים שלהם.
תכונות חשמל ומגנטיות
(FLT:0) מוליכות אופטית (Electrical Conductmentness) 1 ו-Inverse, Resistanceivity, לקבוע כמה זורם זרם חשמלי בקלות דרך חומר.מוליכים כמו נחושת ואלומיניום יש מוליכות גבוהה בשל אלקטרונים חופשיים בשפע, מה שהופך אותם אידיאליים עבור חיפוש וקשרי חשמל. Semiconductors כמו סיליקון מוליכות ביניים שניתן לשלוט בדיוק באמצעות doping, מה שמאפשר את כל תעשיית האלקטרוניקה בסולקים.
(FLT:0 (Digitalelectric PropertiesFLT:1) מתאר כיצד חומרים מגיבים לשדות חשמליים והם קריטיים עבור capacitors, insulators, ו substrates אלקטרוניים.הקבוע הדיאלקטרי מציין כמה מטען חומר יכול לאחסן, בעוד כוח דיאלקטרי מודד את השדה החשמלי המקסימלי חומר יכול לעמוד לפני ההתמוטטות מתרחשת.
(FLT:0 Magnetic PropertiesFLT:1) משתנה באופן נרחב בין חומרים. חומרים פרנומגנטיים כמו ברזל, ניקל, ו cobalt יכול להיות מגנטי חזק והם חיוניים עבור מנועים, גנרטורים, מהפך, אחסון נתונים. חומרים פרמגנטיים ו-dia מגנטיים להראות הרבה יותר תגובות מגנטיות חלשות.
תכונות אופטיות
תכונות אופטיות למשולת כיצד חומרים אינטראקציה עם קרינה אלקטרומגנטית, במיוחד אור גלוי לעין.0. שקיפות, שקיפות, ואופייהFLT:1 מתאר כיצד האור עובר דרך חומרים, שנקבע על ידי גורמים כולל מבנה גבישי, פגמים ומיקרו-מבנה. יחיד-קריסטל וחומרי amorphous כמו זכוכית יכול להיות שקוף מאוד, בעוד חומרים פוליקליים לעתים קרובות אור על פני פיזור גבולות דגנים, שקיפות.
(ב) [ה]ה] [ה][דרוש מקור]] [ב]] [ה] [ה]]] [ה]]] [ה]] [ה][דרושה]]]] [ה[[המאה ה'],], [ה[[המאה ה-20]], ו[[המאה ה-20]],]], ו[[ה[[המאה ה-20]],]], ו[[ה[[המאה ה-20]],]],]],]],]], [[ה[[ה[[המאה ה[[המאה ה[[המאה ה-20]],]],]],]],]],]],]],]], [[המאה ה[[1924]],]],]], [[המאה ה[[1924]],]],]], [[1924]], [[ה[[1924]],]],]],]],]],]], [[ה[[1924]], [[ה[[ה[[ה[[ה[[1924]],]],]], [[ה[[1924]],]], [[ה[[1924]], [[ה[[1924]], [[המאה ה[[1924]], [[המאה ה[[1924]], [[המאה
נכסים כימיים
(FLT:0Corrosion ResistanceFLT:1) מתאר את היכולת של חומר לעמוד בהשפלה כימית בסביבתו. Metals corrode באמצעות תגובות אלקטרו-כימיות, עם שיעורים בהתאם לחומר, הסביבה, ואמצעי הגנה כמו ציפויים או סגסוגת. פלדות ללא סטטינים מתנגדים קורוזיה באמצעות שכבת כרום מגן, בעוד אלומיניום יוצר שכבת הגנה מפני פחמן חד-חמצני הבנה של מנגנונים חיוניים למנגנונים ימיים.
(FLT:0ChemicalיציבותFLT:1) מקיף יותר את ההתנגדות להתקפות כימיות שונות, כולל חמצון, צמצום ותגובה עם חומצות, בסיסים, או פותרים אורגניים. פולימרים עלולים לחדור דרך פיסול שרשרת, חיבור בין-קשר ובין סדקים סביבתיים. Ceramics בדרך כלל מציעים התנגדות כימית מצוינת, מה שהופך אותם לערכים עבור סביבות כימיות קשות.
ארבעת הסדנאות הגדולות של חומרי הנדסה
חומרים הנדסיים מסווגים באופן מסורתי לארבע קטגוריות עיקריות המבוססות על הרכב שלהם, חיבור ונכסים: מתכות, קרמיקה, פולימרים, ומרכיבים.כל מחלקה מציעה יתרונות ומגבלות שונים, מה שהופך אותם מתאימים יישומים שונים.
מתכת ומבולגיה
מתכתים היו יסודיים לציוויליזציה האנושית במשך אלפי שנים, והם נשארים הכרחיים בהנדסה המודרנית.קשר מתכתי נותן מתכות המאפיינים האופייניים שלהם: מוליכות חשמלית ותרמית גבוהה, תאווה מתכתית, ואת היכולת לפענח באופן פלסטי ללא fracturing. תכונות אלה להפוך את החומר של בחירה עבור יישומים מבניים, מוליכים חשמליים, מחליפי חום, ואינספור שימושים אחרים.
(FLT:0) מתכות מפוארות (FLT) 1, בהתבסס על ברזל, מהווים את הקטגוריה הגדולה ביותר על ידי נפח. Steel, ⁇ של ברזל ופחמן עם אלמנטים אחרים, הוא חומר הנדסי בשימוש נרחב ביותר בשל שילוב מעולה של כוח, קשיחות, יכולת צורה, ועלויות נמוכות יחסית. פלדות פחמן מכילים בעיקר ברזל ופחמן, עם תכונות שונות על בסיס תוכן פחמן נמוך הם בקלות, כמו סוללות פחמן, כמו סוללות גבוהות יותר, כמו סוללות פלדה, כמו גם עבור סוללות פחמן.
(FLT:0) Alloy SteelsFLT:1 מכיל אלמנטים נוספים כמו chromium, ניקל, molybdenum ו vanadium כדי לשפר תכונות ספציפיות. Stainless Steels, המכיל לפחות 10.5% כרום, מתנגד קורוזיה באמצעות שכבת תחמוצת פאסיבי והם חיוניים עבור יישומים מכלי מטבח לעיבוד כימי.
ברזלים קסטרס, המכילים תוכן פחמן גבוה יותר מאשר פלדה, הם חומרים כלכליים עם קבילות מעולה והתנגדות ללבוש. Gray להטיל ברזל משמש נרחב עבור בלוקים מנועים ובסיסי מכונה, בעוד ברזל דוקטרילי מציע קשיחות משופרת עבור יישומים תובעניים כמו רכיבים צמחיים ומערכות צינורות.
(FLT:0) מתכות לא-פריות (FLT:1) מציעים תכונות המתכות מפרות לא יכול להתאים. אלומיניום ו ⁇ שלה לספק יחס גבוה של כוח למשקל, עמידות קורוזיה מעולה, וכושר טוב, מה שהופך אותם חיוניים עבור אווירו חלל, רכב, ויישומים אריזה. Copper ו ⁇ s שלה (bras) מציעים חשמל מעולה והתנהלות תרמית יחד עם קורוזיה מעולה, שימוש נרחב, יישומים של חום, שימוש נרחב, מערכות חשמל, וחשמל, וחשמל, ויישומים.
⁇ טיטניום משלבים כוח גבוה, צפיפות נמוכה, והתנגדות קורוזיה מעולה, אם כי בעלות גבוהה יותר.נכסים אלה להפוך טיטניום הכרחי עבור רכיבי אווירו-מרחב, שתלים ביו-רפואיים וציוד לעיבוד כימי.
טכניקות עיבוד מתכתיות מאפשרות למהנדסים להתאים את תכונות המתכת באמצעות מניפולציה מבוקרת של מיקרו-מבנה:0AlloyingFLT:1 מציג אלמנטים נוספים כדי לשפר את התכונות באמצעות חיזוק פתרון מוצק, משקעים קשיחים, או מנגנונים אחרים.FLT:2 Heatrea טיפולFLT 3: כרוך חימום מבוקר ומחזור קירור כדי לשנות מיקרו-מבנה ונכסים.
(ב) [13] עיבוד מכני של ההרחבה:0 (Mechanical processingFLT:1) כמו גלגול, צורות חדירה וצורות חדירה תוך כדי ובעונה אחת מחדש את מבנה הדגנים ושיפור תכונות באמצעות עבודה קשיחות.FLT:2Surface טיפולים FLT 3 כולל carburizing, nitriding, ותהליכי ציפוי משפרים את תכונות פני השטח כמו קשיחות ושחיתות תוך שמירה על ליבה קשה.
Ceramics וזכוכית
Ceramics הם חומרים לא-גזעניים, שאינם ממתכתיים מורכבים בדרך כלל מרכיבים מתכתיים ולא-מטאלייקים הקשורים באופן חד יון או קוהנטימי.קשר זה נותן קרמיקה את המאפיינים האופייניים שלהם: קשיחות גבוהה, נקודות התכה גבוהות, יציבות כימית מעולה, וערעור. בעוד שפלות מגבילה כמה יישומים, קרמיקה מציעה יכולות ייחודיות כי חומרים אחרים אינם יכולים להתאים.
(FLT:0 קרמיקה מסורתית קרמיקה 1FLT) כוללים מוצרים המבוססים על חימר כמו לבנים, אריחים, וסרטרי, כמו גם מלט וקונקרטיות.חומרים אלה שימשו במשך אלפי שנים ונשארים חיוניים לבנייה ותשתיות. פורטלנד מלט, כאשר מעורבב עם מים, עובר תגובות לחות מורכבות כי נקשרים לתוך בטון, חומר הבנייה הנפוץ ביותר בעולם.
(FLT:0) מתקדם קרמיקה (FLT) או קרמיקה הנדסית נועדו יישומים טכניים תובעניים. oxide (alumina) מציעה קשיחות מעולה, ללבוש התנגדות, בידוד חשמלי, המשמש בחיתוך כלי, ניצוץ insulators, ושתלים ביו-רפואיים.סיליקון carbide מספק קשיחות ושומר כוח בטמפרטורות גבוהות, יקר עבור abrasivesives, ורכיבים מבניים, ורכיבים גבוהים.
ניטריד הסיליקון משלב כוח גבוה, קשיחות (עבור קרמיקה), והתנגדות הלם תרמי, המאפשר יישומים חיתוך כלים ורכיבי מנוע. Zirconia מציג נכס ייחודי הנקרא טרנספורמציה קשיחה, שבו שינויים הנגרמים מתח סופגים אנרגיה ומתנגדים לפצח סדקים, מה שהופך אותו שימושי לשיקום שיניים וחיישנים חמצן.
(FLT:0GlassssphFLT:1) הוא חומר קרמיקה (לא קריסטלי) קרמיקה, בדרך כלל מבוסס על סיליקה.חוסר מבנה גביש נותן זכוכית השקיפות שלו ומאפשרת לו להיות נוצר לתוך צורות מורכבות. Soda-לימוזינה זכוכית הוא הסוג הנפוץ ביותר, המשמש עבור חלונות ומכלים.
(FLT:0Glass-ceramicsFLT:1) משלב את היתרונות של עיבוד של זכוכית עם המאפיינים של קרמיקה.חומרים אלה נוצרו בתחילה כזכוכית, ולאחר מכן טיפול בחום כדי לגרום גבישים מבוקרים, וכתוצאה מכך חומרים עם התרחבות תרמית כמעט אפס (כמו ⁇ של קורנינג) או כוח גבוה ונוקשות.
קרמיקה היא אתגרים ייחודיים בשל נקודות ההיתוך הגבוהות וההירות שלהם (FLT:0Powder processingFLT:1) היא הגישה הנפוצה ביותר, הכוללת אבקות קרמיקה וחטא בטמפרטורות גבוהות לחלקיקים אג"ח יחד.FLT:2Sol-gelFLT 3 יוצר קרמיקה מפתרונות כימיים, ומאפשר שליטה מדויקת של מבנה ומבנה ברמה של מיקרו-Framomuremalcaste5, כמו חומרים מגנטיים טהורים ו-Fallowal-FLT5.
פולימרים ומדע פולימר
פולימרים הם חומרים מורכבים מרשתות מולקולריות ארוכות המורכבות מיחידות חוזרות בשם מונומרים.חומרים אורגניים אלה, המבוססים בעיקר על פחמן, מימן, חמצן וחנקן, מציגים תכונות שונות באופן דרמטי ממתכות וקרמיקה. פולימרים יכולים להיות גמישים או נוקשים, שקוף או קטורק, וניתן לעבד כמעט בכל צורה.
(FLT:0) ThermoplasticsFLT:1 הם פולימרים כי לרכך כאשר חם וקשה כאשר קריר, המאפשר להם להיות שוב ושוב מומס ורפורמה.המחזור הזה וקלות של עיבוד להפוך thermoplastics את המעמד פולימרים הנפוץ ביותר. פוליאתילן, הפולימריפט הפשוט והנפוץ ביותר, קיים במספר צורות: דלות פוליאתן (LD) עבור פולימרים בתדר גבוה יותר (HD) עבור צינורות מולקולריים (צהובים) ופוליניים (צהובים) כמו פחמימות, כמו פחמימות (צהובים) ופוליניים (צהובים) ופוליניים (HD) עבור פחמימות, כמו פחמימות, כמו פולימרים מולקולריים יותר (צהובים יותר) עבור פחמימות) עבור פחמימות, כמו פולימרים מולקולריים יותר (צהובים יותר (צהובים)
Polypropylene מציעה כוח גבוה יותר והתנגדות טמפרטורה מאשר פוליאתילן, בשימוש נרחב בחלקים של הרכב, אריזה וטקסטיל. Polyvinyl chloride (PVC) מספק עמידות כימית מעולה עמידות עמידות עמידות עמידות עמידות עמידות עבור צינורות, אחה, ומסגרות חלון. Polystyrene הוא מוערך על בהירותו וקלות העיבוד ביישומים מכוסים חד פעמיים קצף.
thermoplastics הנדסה מציעים תכונות משופרות עבור יישומים תובעניים. פולימברדס (nylons) משלב כוח, קשיחות, ללבוש התנגדות עבור הילוכים, נושאים וסיבים. פוליקרבונט מספק השפעה יוצאת דופן ושקיפות עבור משקפי בטיחות, דיור אלקטרוני, וכדורים עמידים על כדור. פוליא ישרזון (PEEK) שומרת נכסים בטמפרטורות גבוהות ומציעה עמידות כימית מעולה עבור יישומים רפואיים ומרחב.
(FLT:0) ThermosetsphFLT:1 הם פולימרים שעוברים מנוף כימי חודרים חודרים ללא שינוי במהלך ריפוי, יצירת מבנה רשת תלת-ממדית.לאחר ריפל, thermosets לא ניתן להתמוסס ורפורמה, אבל הם מציעים יציבות תרמית גבוהה, חומרים כימיים, ונכסים מכניים בהשוואה למרבית התרמוסטיקנים.
(FLT:0) ,ElastomersFLT:1 או גומי הם פולימרים עם תכונות גמישות, מסוגל עיוותים גדולים בלתי הפיכים.גומי טבעי, נגזר מןטקס, מציע גמישות מעולה וחוסן. ⁇ ⁇ ⁇ סינתטיים כמו מכשירים סטיילרן גומי (SBR), ניאוprene, וסיליקון לספק תכונות ספציפיות כגון עמידות, מזג אוויר סינתטי, או צמיגים לסוללות גבוהות לסוללות רפואיות לצמיגים לסוללות גבוהות.
תכונות פולימר תלויות באופן ביקורתי במבנה מולקולרי ובעיבוד.FLT:0.Molecular WeightFLT:1 משפיע על תכונות כמו כוח וגמישות - משקל מולקולרי גבוה יותר בדרך כלל מגביר את העוצמה אך עושה עיבוד קשה יותר.FLT:2Chainאדריכלות ve 3 כולל ענפים וקשרי קשר בין תכונות דרמטיות.
(FLT:0CrystallinityFLT:1 ב פולימרים מתייחס לאזורים הורה שבו שרשראות לארוז באופן קבוע. Semicrystalline פולימרים מכילים גם גבישים ואזורים amorphous, עם צפיפות מוגברת גבישית, נוקשות וכוח תוך צמצום השקיפות. Amorphous פולימרים חסרי סדר ארוך טווח והם בדרך כלל פחות חזקים.
(ה) טכניקות עיבוד פולימרים לנצל את היכולת של פולימרים לזרום כאשר מחומם או מתמוסס. Injection עובשingFLT:1] כוחות מלוטשים פולימרים לתוך עובש כדי ליצור צורות מורכבות עם דיוק גבוה ופרודוקטיביות.FLT:2Extrusion FLT 3 דוחף פולימרים באמצעות יצירת פרופילים רצופים, סרטים, וסיבים.
חומרים Composite
חומרים Composite משלבים שני חומרים שונים יותר כדי להשיג תכונות גבוהות יותר מאלה של הרכיבים הבודדים.בדרך כלל, מורכב משלב חיזוק (הספק כוח ונוקשות) מוטבע בשלב ממטריקס (החזקת חיזוק במקום והעברת עומסים). שילוב זה מאפשר למהנדסים לעצב חומרים עם תכונות אופטימיזציה עבור יישומים ספציפיים, לעתים קרובות להשיג שילובים בלתי אפשריים עם חומרים חד-phase.
(FLT:0) מורכב מעוקבים כפויים 1 (FLT:0) מייצג את השיעור המורכב החשוב ביותר עבור יישומים מבניים. סיבים מתמשכים לספק חיזוק לאורך אורך שלהם, בעוד המטריקס מעביר עומס בין סיבים ומגן עליהם מפני נזק. סיבי זכוכית-reinforced פולימרים (GFRP) מציעים יחסים מצוינים למשקל-כוח בעלות מתונה, בשימוש נרחב באוניות רכב, וחלקי טורבינות ורוח.
פולימרים בעלי כוח פחמן (CFRP) מספקים קשיחות יוצאת דופן וכוח עם צפיפות נמוכה מאוד, מה שהופך אותם חיוניים עבור מבני אווירופייס, רכיבים בעלי ביצועים גבוהים, ומוצרים ספורטיביים. סיבי פחמן הם יקרים באופן משמעותי יותר מאשר סיבי זכוכית אבל מציעים תכונות גבוהות, במיוחד ביישומים שבהם ירידה במשקל היא קריטית.
סיבים ארמיים מורכבים (כמו Kevlar) משלבים כוח גבוה עם השפעה מעולה והתנגדות בליסטית, בשימוש בגופי שריון, ציוד מגן ויישומים אווירוקל.מטריקס בסיבים מורכבים הוא בדרך כלל פולימר (epoxy, Polyester, או vinyl ester for thermosets; פולימיד, PEEK, או פוליפרופילן עבור thermoplastics), אם כי מתכת וקרמיקה משמשים עבור יישומים עתירי הם עבור טמפרטורות גבוהות.
(FLT:0) חלקיקים-reinforced מורכבsveFLT:1) מכילים חלקיקים מפוזרים במריצה. Concrete הוא דוגמה מוכרת, עם חול חלקיקים חמורים במריצה מלט. מתכת מטריקים (MMCs) משלבים חלקיקים קרמיקה במכות מתכת כדי לשפר את התכונות כמו קשיחות, ללבוש התנגדות, וכוח עתיר גבוה.
(FLT:0) מורכבי חלקיקים של ההרחבה 1R) כוללים מבנים כריכים ומבנים כריכים המיועדים לתנאי טעינה ספציפיים.למונים ערימה שכבות של חומר רב-עוצמה עם אוריינטציה סיבים שונים כדי לייעל תכונות בכיוונים מרובים.מבנים כריך להציב ליבות בעלות נמוכה (דם, דבש, או חומרים מכווצים) בין חומרים דקים, פנים, יצירת סדינים קלים עם לוחות קדומים לסוללות, כמו לוחות נוקשות, כמו לוחות מקיפים, כמו לוחות מקיפים, כמו לוחות נוקשות, כמו לוחות.
עיצוב Composite דורש שיקול זהיר של סוג סיבים, אוריינטציה, חלקיק נפח, ותכונות ממטריקס כדי להשיג ביצועים הרצויים. תהליכי ייצור ייצור כולל הנחת יד לייצור נמוך כרכים, מיקום סיבים אוטומטיים עבור מבנים אווירי, שרף העברה עובש עבור צורות מורכבות, ופולציה עבור פרופילים קבועים חצי-מחלקה.
עיצוב ובחירת יישומים אמיתיים בעולם
תכנון ובחירת חומרים עבור יישומי עולם אמת היא תהליך מורכב אשר מאזן דרישות מרובות, לעתים קרובות מתחרים. מהנדסים חייבים לשקול לא רק את דרישות הביצועים הטכניים אלא גם גורמים כגון עלות, זמינות, יכולת אדם, השפעה סביבתית, שיקולים מחזוריים של מחזור חיים.
תהליך הבחירה החומרי
בחירה חומרית בדרך כלל באה מתודולוגיה מובנה המגבילה את היקום העצום של חומרים זמינים לבחירה אופטימלית עבור יישום ספציפי.התהליך מתחיל על ידי הגדרת בבירור דרישות העיצוב, כולל דרישות פונקציונליות (מה המרכיב חייב לעשות), מגבלות (לימוזינה שאסור להעלים), ויעדים (ההסתברות להיות ממקסימה או מצמצם).
דרישות מיצוי:0FunctionalדרישותFLT:1 לציין את היכולות החיוניות שיש לספק. להב טורבינות חייב לעמוד בטמפרטורות גבוהות ומתחים; השתל ביו-רפואי חייב להיות בעל יכולת ביולוגית וקורטוזיה; מנצח חשמלי חייב להיות דרישות התנגדות נמוכה.
(ב) [ה]המחיר המקסימלי:0] הם גבולות שאינם יכולים להפרע.טמפרטורה מקסימלית, כוח מינימלי, צפיפות מקסימלית, או עלות מקסימלית הם מגבלות נפוצות.חומרים שאינם עומדים בכל מעצורים אינם ניתנים להפרדה.FLT:2ObjectivesFLT 3:2ObjectivesFLT 3 הם תכונות שאנו רוצים לייעל משקל, מרביות, עלות, או מכפלת, או מייעלות, או מייעלות, או ממטרות תרמיות, עלולות, לעתים קרובות, כמו גם לשפר את מטרות אחרות.
תרשימים חומריים, חלוצים של מיכאל אשבי, מספקים כלים חזקים לבחירה חומרית. ⁇ אלה מבססים נכס חומרי אחד כנגד אחר (לדוגמה, כוח מול צפיפות) עם כל חומר הכובש אזור על התרשים.על ידי גיבוש כתבי אישום - שילובים של תכונות רלוונטיות ליישומים ספציפיים - אנשי טכנולוגיה יכולים לזהות חומרים המתאימים ביותר לעמוד במטרות עיצוב תוך סיפוק.
חיזוק מכניזם בחומרים
חיזוק חומרי ההשמדה הוא מטרה עיצובית נפוצה, ומדע החומרים מספק מספר מנגנונים להשגת מטרה זו.הבנת המנגנונים האלה מאפשרת למהנדסים לבחור או לעצב חומרים עם כוח אופטימלי עבור יישומים ספציפיים.
(FLT:0) גודל הזיכוך של Grain (Gall-Petch) מחזק חומרים על ידי הגדלת מספר גבולות דגנים, אשר מעכבת את תנועת פירוק המיקום.המערכת של הול-פטריך קוונטית מגדירה את ההשפעה הזו, מראה כי כוח הניב עולה עם גודל דגנים מופחת.
(FLT:0Solid פתרון חיזוק FLT:1 מתרחשת כאשר אלמנטים סגסוגת מתמוסס במבנה קריסטל, יצירת עיוותים מקומיים כי לעכב את התנועה פירוק המיקום. הגודל והמודוללוס ההבדלים בין אטומים solute ופתורים לקבוע את ההשפעה חיזוק.מנגנון זה משמש במערכות ⁇ רבות, החל פליז (כלי עם אבץ) פלדה (iron chromium ו ניקל).
(FLT:0) הקשה על ההנעה של ה-FLT:1 או ההזדקנות יוצרת חלקיקים דקים של שלב שני המכשיל את תנועת הפירוק.מנגנון חיזוק רב עוצמה זה משמש בסגסוגת אלומיניום (כמו 2024 ו 7075 בשימוש במטוס), Superalloys מבוסס ניקל, וכמה פלדה.התהליך כרוך בפתרון להמיס אלמנטים, queing כדי ליצור פתרון סופר-מעורר, וטמפרטורות גבוהות כדי למזג אוויריות.
(FLT:0) עבודה קשה יותר (FLT:1) או מתח קשה מגביר את הכוח באמצעות עיוות פלסטי, אשר מגביר את צפיפות הפירוק. Dislocations אינטראקציה אחד עם השני, מה שהופך עוד עיוות קשה יותר ויותר כוח גובר. תהליכי עבודה קרים כמו מתגלגל, ציור, ועיבוד של מנגנון זה.עם זאת, עבודה קשה להפחית את הניקודיות, ועבודה קרה מוגזמת יכול להפוך חומרים ממושכים.
(FLT:0) Transformation HardingFLT:1 בפלדות כרוך להרכיב מרטן, שלב קשה מאוד, דרך קירור מהיר מטמפרטורות גבוהות. Quenching ומזג תהליכים לשלוט היווצרות ומזג של מרטיני כדי להשיג שילובים הרצויים של כוח ונוקשות.מנגנון זה מאפשר את טווח רחב של תכונות זמין פלדות, מ רכות, דוקטריליות נמוכות ועד כלי פלדה קשים מאוד.
טכניקות עיבוד חומרים מתקדמות
טכניקות עיבוד חומרים מודרניות מאפשרות יצירת חומרים עם תכונות ומבנים בלתי אפשריים כדי להשיג באמצעות שיטות קונבנציונליות.תהליכים מתקדמים אלה חיוניים לייצור חומרים בעלי ביצועים גבוהים עבור יישומים תובעניים.
(FLT:0) פלודר מתכתלורגיה 1FLT) מייצרת חלקים על ידי אבקת מתכת קומפקטית וחטא בטמפרטורות גבוהות.תהליך זה מאפשר ייצור ליד-net-shape עם פסולת מינימלית, ייצור חומרים עם פורוזיות מבוקרת, ויצירת ⁇ שקשה לייצר על ידי התכה.יישומים כוללים ציוד רכב, חיתוך כלים עם הפצה מבוקרת, ו ⁇ הוא לחץ רפואי מלא (HIP) הוא קבוע עבור תכונות דחופות וטמפרטורה גבוהה.
(FLT:0) ,Rapid SolidificationFLT:1 מגניב מתכת מלוטש בשיעורים עד מיליוני מעלות לשנייה, ייצור מיקרו מבנים רחוק ממאזן.טכניקה זו יכולה להרחיב גבולות של שפע מוצק, לחדד את גודל הדגנים לממדי ננומטרי, וליצור מתכות amorphous (משקפי מתכת) עם תכונות ייחודיות.
(FLT:0) ייצור אדרטיבי ייצור FLT:1 או 3D הדפסה בונה שכבות על ידי שכבה ממודלים דיגיטליים, מהפכה כיצד חומרים מעובדים ומתוכנן. היתוך לייזר סלקטיבי ואלקטרון ממיס אבקת מתכת כדי ליצור גיאות מורכבת בלתי אפשרית עם ייצור קונבנציונלי. תהליכים אלה מאפשרים אופטימיזציה טופולוגית, שבו חומר ממוקם רק היכן שדרוש עבור יעילות מבנית, חומרים ממוספרים עם תכונות שונות בתוך שיטות ייצור קרמיקה.
(FLT:0)Thin Film DepositionFLT:1 יוצר ציפויים nanometers למיקרומטר עבה עם ההרכב והמבנה נשלט המדויק.טכניקות של קידוד פיזי (PVD) כגון sputtering ו evaporation חומרי הפקדה בסביבות ואקום, הפקת ציפויים קשים עבור חיתוך כלים, ציפוי אופטי עבור עדשות, ושכבות תואמים עבור אלקטרוניקה.
(FLT:0Surface ModFLT:1 טכניקות לשנות תכונות פני השטח ללא שינוי חומר רב.Ion השתלת דחפים לתוך משטחים באנרגיה גבוהה, שינוי הרכב ונכסים למעמקי מיקרומטרים. טיפול על פני לייזר יכול להקשה, להמיס או סגסוגת משטחים עם שליטה מדויקת.טכניקות אלה מאפשרות רכיבים עם משטחים קשים, עקפים קשיחים, דלילים, ליבות דוקטרליות קשות, קשה.
חומרים מדעיים
שיטות הגשמה הופכות את מדעי החומרים, ומאפשרות חיזוי ועיצוב של חומרים עם הסתמכות מופחתת על זמן-consuming וניסויים יקרים. מודלים בקנה מידה רב-מידה מחבר התנהגות מאטומים לקשקשים מקרוסקופיים, ומספק תובנות במערכות יחסים מתקדמות למבנה ופיתוח חומרי מאיץ.
(FLT:0) תורת הפונקציונליות של תאוריה פונקציונליות (DFT) ושיטות מכניות קוונטיות אחרות מחשבות מבנה ונכסים אלקטרוניים מעקרונות ראשונים, חיזוי תכונות כמו קבועים, יציבות שלב ומבנה הלהקה האלקטרוני.
(FLT:0) דינמיקות מולקולריות (Molecular דינמיות) 1FLT:1 סימולציות עוקבות אחר תנועת האטומים לאורך זמן, חושף מנגנונים של עיוות, דיפוזיה, וטרנספורמציות שלב.סימולציות אלה מספקות תובנות ברמה אטומית לתהליכים קשים או בלתי אפשריים להתבונן באופן ניסיוני, כגון קידוד, אינטראקציות פירוק, והתנהגות בין-גזעית.
(FLT:0) שדה שלב מודל של ההרחבה 1FLT) מדמה את האבולוציה המיקרו-מבנה במהלך עיבוד, לחזות צמיחה בדגנים, שינויים בשלב ותיקון מוצק.מודלים אלה מסייעים לייעל את לוח הזמנים של טיפול בחום ופרמטרי עיבוד כדי להשיג מיקרו-אורגניזמים הרצויים.
(FLT:0) ניתוח אלמנטרי היסוד של היסוד (FLT:1) צופה כיצד רכיבים יגיבו לטעון, טמפרטורות ותנאים אחרים, המאפשר אופטימיזציה של עיצובים לפני אבטיפוס פיזי בנוי.זוגות עם מודלים חומריים שלוכדים התנהגות מורכבת כמו הפלסטיות, המצט, ונזק, FEA הוא חיוני לתכנון הנדסי מודרני.
(FLT:0) למידה ואינטליגנציה מלאכותית FLT:1eur יותר ויותר על חומרים מדע, זיהוי דפוסים במאגרי נתונים גדולים, לחזות נכסים מקומפוזיציה ומבנה, וגילוי מאיץ של חומרים חדשים. . . . . . אלגוריתמים משלבים מסדי נתונים של תכונות חומריות עם אלגוריתמים למידה כדי להנחות מאמצים ניסיוניים לקראת מועמדים מבטיחים, צמצום דרמטי של הזמן ועלות של התפתחות חומרית.
יישומים בתעשיות
עקרונות מדעי החומרים מוצאים יישום בכל התעשייה, עם בחירה חומרית ועיצוב לעתים קרובות לקבוע את ההצלחה או הכישלון של מוצרים ומערכות.בדיקת יישומים ספציפיים ממחישה כיצד עקרונות היסוד מתרגמים לפתרונות אמיתיים.
יישומים אוויריים
יישומים אוויריים דורשים חומרים המשלבים צפיפות נמוכה עם כוח גבוה, קשיחות והתנגדות טמפרטורה.כל קילוגרם של משקל שנשמר במטוס מתרגם להפחתה של צריכת הדלק במהלך החיים של הרכב, מה שהופך את הירידה במשקל למטרה העיקרית. ⁇ אלומיניום הם החומר המסורתי עבור מבנים מטוסים, המציע יחס חיובי כוח-עד-משקל מעולה והתנגדות קורוזיה טובה.
תרכובות פולימרים פחמן-reinforced יותר ויותר להחליף אלומיניום במטוס מודרני.בואינג 787 ו- Airbus A350 משתמשים בתרכובות עבור כ-50% מהמשקל המבני שלהם, השגת חיסכון משמעותי במשקל ויעילות משופרת של דלק. Composites גם מאפשר צורות אווירודינמיקה מורכבות לחסל אלפי ממריצים, צמצום המורכבות הייצור ונקודות הכשלונות הפוטנציאליות.
⁇ טיטניום הם חיוניים עבור יישומי אווירוקל הדורשים כוח גבוה בטמפרטורות גבוהות, כגון רכיבי מנוע, ציוד נחיתה, ו מזרזים. ⁇ Ti-6Al-4V עבור יותר ממחצית השימוש טיטניום, המציע איזון מצוין של תכונות. ניקל מבוסס Superalloys מאפשר למנועי טורבינות גז לפעול בטמפרטורות מעל 1000 מעלות צלזיוס, שבו חומרים אחרים היו מתמיסים או לאבד את הכוח הזה.
יישומי רכב
תעשיית הרכב מתמודדת עם דרישות מתחרות לבטיחות, ביצועים, יעילות דלק ועלות. בחירה חומרית חייבת לאזן את הדרישות הללו תוך עמידה במגבלות הייצור וסטנדרטים רגולטוריים. Steel נותרה חומר הרכב הדומיננטי, החשבונאות של כ-60% ממשקל הרכב.פלדות מתקדמות גבוהות (AHSS) מאפשרות ירידה במשקל תוך שמירה על בטיחות הפחתת משקל או שיפור בטיחות ההתרסקות.
אלומיניום משמש יותר ויותר עבור לוחות גוף, בלוקים מנועים, ורכיבים מבניים, הפחתת משקל על ידי כ-50% בהשוואה פלדה עבור כוח שווה ערך.האתגר הוא להצטרף אלומיניום לפלדה במבנים מעורבים-חומריים, הדורשים השקיה מיוחדת, אג"ח דבק, או טכניקות מזרז מכני.מגנזיום מציעים אפילו חיסכון במשקל גדול יותר, אבל אתגרים עם עמידות קורוזיה ועלות גבוהות יותר, הגבלת השימוש ביישומים כמו ההגה וגלגלים כלי רכב.
פולימרים ומורכבים משחקים תפקידים מורחבים ביישומים של מכוניות.פולימרים מונעים סיבים משמשים עבור לוחות גוף, בליטות, ויותר עבור רכיבים מבניים. גלאס סיבים מציעים פתרונות יעילים עלות, בעוד שתרכובות פחמן מופיעים בכלי רכב בעלי ביצועים גבוהים שבו העלות היא פחות קריטית. פוליסמר לספק ספיגה אנרגיה בפגושים ו ⁇ בפנים, בעוד הנדסת מינרלים להחליף יישומים כמו מערכות צריכת גברים ודלק.
כלי רכב חשמליים מציגים אתגרים חדשים והזדמנויות.מערכות סוללות דורשות חומרים עם צפיפות אנרגיה גבוהה, יציבות תרמית ובטיחות. סוללות ליתיום-יון להשתמש קטודות מבוססות ליתיום, גרניט או סיליקון, ופולימר פולימר או אלקטרוליטים קרמיקה.מערכות ניהול הדם חייבות לנתק חום מסוללות ואלקטרוניקה כוח, הדורשות חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה.
יישומים ביו-רפואיים
יישומים ביו-רפואיים כופים דרישות ייחודיות על חומרים, אשר חייבים לתפקד בסביבה קורוזית, תגובתית של הגוף האנושי תוך הימנעות מתגובה ביולוגית שלילית.FLT:0BiocompatibilityFLT:1 - היכולת של חומר לבצע את תפקודו המיועד מבלי לגרום לאפקטים מזיקים - היא הדרישה העיקרית לכל החומרים מושתלים.
ביו-חומריים מתכתיים כוללים פלדות אל-חלד, ⁇ cobalt-chromium, וסגסוגת טיטניום. 316L נירוסטה משמש להשתלים זמניים כמו צלחות תיקון שבר ובורגים בשל ההתנגדות קורוזיה נאותה שלה ועלות נמוכה יותר. סגסוגת Cobalt-chromis מציעים עמידות ללבוש מעולה עבור תחליפים משותפים, במיוחד בסביבה גבוהה של hips ו סגסוגת הברך הם מועדפתים עבור סגסוגת נוזל פתוח.
biomaterials Ceramic כוללים alumina ו zirconia עבור משטחים חלופיים משותפים, המציע קשיחות יוצאת דופן ללבוש התנגדות. קרמיקה ביואקטיבית כמו hydroxyapatite להתחבר ישירות העצם, המשמש כמו ציפויים על השתלים מתכת כדי לשפר את האינטגרציה. משקפי ביואקטיבי לעורר צמיחה העצם והם משמשים gras עצם ויישומים שיניים.
ביו-חומרים פולית משקל מולקולרי גבוה (UHMWPE) משמש כמשטח הנושא בחליפים משותפים, מתפתל נגד מתכת או מחסומים קרמיקה.סיליקון elastomers משמשים שתלים רקמות רכות ו catheters. biodegradable פולימרים כמו חומצה פולילאקטית (A) ופוליגליקולית (PG) משמשים לניתוחים זמניים, כמו תרופות מחוסמות, כמו תרופות קשקשים, כמו חומצה פולית, כמו חומצה פולית (A) ופוליקולרית, כמו , כמו מטבוליזם (A) ופוליגליקולאריכים, כמו PG) הם משמשים עבור מערכות טיפולית, כמו קיבולת, כמו קיבולת, כמו תרופות מופחתת, כמו קיבולת חומצה פוליגליקת חומצה פוליגליקולאריבית (A) ו- קיבולת חומצה פוליגליקולאריקולאריקולאריבית (A) ופוליקולאריבית (PG) ודלקית (A) הם המשמשים עבור מערכות טיפולית (A) ופוליקולאריבית (PG) הם משמשים עבור תרופות מופחתת, כמו תרופות מופחתת, כמו תרופות, כמו תרופות מופחתת, כמו קיבולת, כמו קיבולת, כמו קיבולת, כמו קיבולת, כמו קיבולת, כמו קיבולת,
יישומים קרדיווסקולריים דורשים חומרים המתנגדים קרישת דם לעמוד בסביבה מכנית תובענית של מערכת הדם. שסתום הלב פרוזזזות להשתמש פחמן פיירוליטי עבור תאימות הדם שלה עמידות, או רקמות ביולוגיות מטופלים כדי להפחית תגובה חיסונית. vascular fts להשתמש סגסוגת או סרג'וכסט או מורחב פוליטרה-fluoeleneן (PTFE), אשר בדרך כלל עשויים פלדה-דלקתית, לאחר קרישה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, או ציפוי נחושת, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פלדה-חלודה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, או ציפוי פלדה-חלודה, 000 פלדה, 000 פלדה, 000, או ציפוי פלדה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פלדה-חלודה, או ציפוי נחושת, 000, 000, 000, 000, או ציפוי פלדה-חלודה, 000, 000, או ציפוי נחושת, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000
יישומים אלקטרוניקה ו Semiconductor
תעשיית האלקטרוניקה תלויה בשליטה מדויקת של תכונות חומריות במימדים מיקרו וננומטריים.סיליקון שולט ביישומים סמי-מוליכים למחצה בשל התכונות האלקטרוניות מצוינות שלה, זמינות בשפע, וטכנולוגיית העיבוד הבוגרת שפותחה במשך עשרות שנים. סיליקון יחיד-קריסטל משמש כמצע לעיגולים משולבים, עם תכונות מבוקרות באמצעות מינון מדויק עם אלמנטים כמו בורון, זרחן, ואסנית ליצירת חלקיקים מסוגים לאזורים.
קומפלקסים למחצה כמו גרניום arsenide (GaAs) ו-Galium nitride (GaN) מציעים נכסים מעל סיליקון עבור יישומים ספציפיים. GaAs מספק ניידות גבוהה יותר עבור יישומים ⁇ גבוה כמו תחנות בסיס סלולרי ותקשורת לווייני. GaN מאפשר כוח גבוה, מכשירים גבוהים ⁇ והוא חיוני עבור חשמל יעיל תאורה LED.
חומרים בין-קשריים יוצרים אותות בין טרנזירים לבין קשרים חיצוניים. Copper החליף אלומיניום במעגלים משולבים מתקדמים בשל התנגדות נמוכה יותר, צמצום עיכוב אות וצריכת חשמל.כפי שגדלים תכונה מתכווץ, התנגדות הדדית ו- capacitance מגבילים יותר ויותר את הביצועים, תוך הפעלת מחקר לתוך חומרים חלופיים כמו גרפן וננו-פחמן.
חומרים דיאלקטריים מבודדים מולידים וטרנזירים אחד מהשני.סיליקון דו תחמוצת שער מסורתית דיאלקטרי בטרנסיסטורים, אבל כמו טרנזיסטורים מתכווץ, מנהרה מכנית קוונטית באמצעות שכבות חד-חמצני דק גורמת לדליפה יתר של זרם.
חומרים אריזה להגן על מכשירים Semiconductor מפני נזק סביבתי בעת מתן חיבורים חשמליים וניהול תרמי.חבילות Ceramic מציעים מוליכות תרמית מעולה ואת הגמישות עבור יישומים עתירי אחריות גבוהה. חבילות פלסטיק באמצעות תרכובות עובש epoxy לספק עלויות נמוכות יותר עבור מוצרי אלקטרוניקה צרכני.חומרי ממשק תרמי לנהל חום מ צ'יפס כדי כיור חום, עם חומרים החל מטעמים תרמיים כדי לשנות חומרים מתקדמים עם מוליכות גבוהה.
דרישות אנרגיה
הדור אנרגיה, אחסון ומשלוח מציגים אתגרים חומריים קריטיים כחברה מעברים אל מערכות אנרגיה בר קיימא. תאים פוטו-וולטאיים סולאריים להמיר אור השמש ישירות לחשמל, עם סיליקון שולט בשוק בשל טכנולוגיה בוגרת ולהפחית עלויות.תאים סיליקון קריסטל להשיג יעילות העולה על 20%, בעוד טכנולוגיות דק-סרט באמצעות ספירום אומרות או נחושת רזיד מציעות מופחתות עם יעילות מופחתת במקצת.
להבים טורבינות רוח משתמשים בכוס או בפולימרים רבי כוח פחמן כדי להשיג את המבנים הגדולים וקלים הדרושים כדי ללכוד אנרגיית רוח ביעילות. Blades עבור טורבינות גדולות עולה 60 מטרים אורך, הדורש חומרים המשלבים קשיחות גבוהה כדי למנוע ניתוק מופרז עם התנגדות עייפות לעמוד מיליוני מחזורי עומס מעל 20 שנים של חיי שירות.
אנרגיה גרעינית דורשת חומרים ששומרים על נכסים תחת קרינה אינטנסיבית, טמפרטורות גבוהות וסביבות קורוזיות. Zirconium ⁇ s clad דלק גרעיני עקב ספיגת נויטרונים נמוכה, עמידות קורוזיה, וכוח זמני מספיק גבוה. ⁇ ssless פלדה וסגסוגת ניקל מבוסס ניקל משמשים עבור כלי לחץ ו piping. , מושגים מתקדמים של כור לחקור חומרים כמו carbides ו refractory עבור מתכות גבוהות יותר ויותר יעיל יותר ויותר יעיל.
טכנולוגיות אחסון אנרגיה הן קריטיות לשילוב מקורות אנרגיה מתחדשים לסירוגין. סוללות ליתיום-יון לשלוט אלקטרוניקה ניידת וכלי רכב חשמליים, עם מחקר מתמשך לשיפור צפיפות האנרגיה, בטיחות, ועלות. חומרים כגון ליתיום cobalt oxidet , ליתיום ברזל put, ואת ניקל-manganese-cobalt oxides מציעים איזוןים שונים של צפיפות אנרגיה, אנרגיה, אנרגיה, עלויות, בטיחות, בטיחות וסוללות מוצקות.
תאי דלק הידרוגן להמיר אנרגיה כימית ישירות לחשמל עם מים כמו המוצר היחיד. Proton להחליף תאי דלק membrane להשתמש פולימריט וזרזי פלטינה, עם מחקר התמקד בצמצום טעינה פלטינה ושיפור עמידות membrane. תאי דלק חד תחמוצת קומפקטי פועלים בטמפרטורות גבוהות באמצעות אלקטרוליטים קרמיקה, המציע יעילות גבוהה וגמישות דלק אבל דורש חומרים עמידים על אופניים וכימיקלים.
בנייה ותשתית
חומרי בנייה חייבים לספק יושרה מבנית, עמידות, וחסכוניות ליישומים החל מבניינים וגשרים לכבישים וסכרים. Concrete, מורכב מלט, חול, כבד ומים, הוא חומר הבנייה הנפוץ ביותר בעולם. פורטלנד מלט עובר תגובות היממה מורכבות המחברות בין מצטברים לחומר חזק, עמיד.
ביצועים גבוהים כוללים חומרים מלטיים משלימים כגון זבוב אפר, סיליקה, או slag כדי לשפר את הנכסים. תוספות אלה יכולות להגדיל את הכוח, להפחית את יכולת, לשפר את ההתנגדות הכימית, להפחית את טביעת הרגל פחמן של ייצור בטון.עצמי מסלקת זרמים קונקרטיים לתוך צורות מורכבות ללא רטט, שיפור יעילות הבנייה ואיכות.
פלדה סטרקטיבית מספקת את המסגרת עבור בניינים גבוהים וגשרים ארוכים.יחס חוזק גבוה למשקל, דוקטרקטיות, ויכולת להיות מוטבע לתוך צורות מורכבות להפוך אותו אידיאלי עבור יישומים אלה.פלדות מזג אוויר לפתח שכבות חלודה מגן כי לחסל את הצורך בציור יישומים רבים.
ווד נשאר חומר בנייה חשוב, המציע מיקור מתחדשים, יחס חזק למשקל, וקלות עבודה.מהנדסים מוצרי עץ כמו ליהיד veneer lumber, דבק עץ מלוטש (גלול), ועץ חוצה-מחוסן (CLT) להתגבר על גודל וחוסן של עץ מוצק, המאפשר בנייה מעץ בבנייני עץ גדולים יותר.
Asphalt בטון, תערובת של Asphalt נקשר ומאגד, סלבס את רוב הכבישים ברחבי העולם.הנכסים המתקדמים של Asphalt חייב להיות מאוזנת בקפידה - מספיק כדי להתנגד שטף בטמפרטורות גבוהות אבל גמיש מספיק כדי לעמוד בפני סדק בטמפרטורות נמוכות. , כמו גם טמפרטורות פולימר-מתודות מחוסן לשפר את הביצועים על ידי הרחבת טווח הטמפרטורה השימושית.
מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים
חומרים מדע ממשיך להתפתח במהירות, עם טכנולוגיות מתפתחות וגישות חומרים מבטיחים עם תכונות ויכולות חסרות תקדים.התפתחויות אלה יאפשרו פתרונות לאתגרים דחופים באנרגיה, בסביבה, בבריאות ובטכנולוגיה.
ננו-חומרים
ננו-חומרים, עם לפחות מימד אחד מתחת ל-100 ננומטרים, מציגים תכונות שונות באופן דרמטי מחומרים גדולים בשל אפקטים קוונטיים ויחסי פני השטח הגבוהים ל-volume. ננוtubes יש כוח יוצא דופן ו מוליכות חשמלית, עם יישומים פוטנציאליים בתרכובות, אלקטרוניקה ואחסון אנרגיה. Graphene, שכבה אחת של אטומים פחמן, מציעה התנהגות חשמלית ותרמית תרמית יוצאת דופן, כוח מכני, תכונות אופטיות, נשאר אתגרים גדולים, למרות אתגרים גדולים ושילוב גדול.
חלקיקים משמשים יישומים ממשלוח סמים ודימות רפואיות לקטאליזה וציפויים. dots קוונטית - חומרים מוליכים nanocrystals - אור המסכן באורכי גל שנקבעו על ידי הגודל שלהם, המאפשר יישומים בתצוגה, תאורה, הדמיה ביולוגית. ננו חומרים ממובנים עם סידורים מבוקרים של תכונות ננומטרי מציע תכונות משופרות עבור יישומים כולל זרזים, אלקטרודות סוללות, וחיישנים.
חומרים חכמים ותפקודיים
חומרים חכמים מגיבים לגירויים חיצוניים כמו טמפרטורה, מתח, שדות חשמליים או מגנטיים, או אור, המאפשרים מערכות הסתגלות ורב-תפקודיות.צורה ⁇ זיכרון כמו nitinol עוברים שינויים שלב בלתי הפיכים המאפשרים להם לשחזר את הצורה המקורית שלהם לאחר עיוות, בשימוש ביישומים ממריצים רפואיים כדי לפעול.
חומרים מגנטיים משתנים ממדים בתחומים מגנטיים, המציעים הפעלה בעוצמה גבוהה.חומרים אלקטרו-כרומטיים משנים צבע או איכויות בתגובה למתח חשמלי, המאפשר חלונות חכמים השולטים באור ובמגרש חום. חומרי שימור עצמי יכולים לתקן נזק אוטונומי, פוטנציאלי להאריך את חיי השירות ולשפר את יישומי הבטיחות מציפוי לרכיבים מבניים.
חומרים גמישים ומבוססים על bio
חששות סביבתיים הם פיתוח של חומרים בר קיימא עם השפעה סביבתית מופחתת לאורך מחזור החיים שלהם. פולימרים המבוססים על ביולוגית נגזר משאבים מתחדשים כמו תירס, סוכרקני, או cellulose מציעים חלופות לפלסטיק מבוסס נפט. חומצה פולילאקטית (PLA) הוא ביו-degradable ו compostable, בשימוש באריזה, מוצרים חד פעמיים, הדפסה 3D.
טכנולוגיות מחזוריות מתקדמות כדי לאפשר כלכלות חומר מעגליות שבו חומרים משומרים ללא הרף ולא מתפזרות.כימיקלים מחזור שוברים פולימרים למטה למונומרים שניתן להחזיר אותם, פוטנציאל המאפשרים מחזור אינסופי ללא השפלה רכוש. מתקדם טכנולוגיות מיון ועיבוד לשפר את הכלכלה ואת איכות החומרים הממוחזרים.
חומרים טבעיים מעוררים השראה בגישות ביומטיות שמשכפלות את הפתרונות של הטבע לאתגרים הנדסיים.מבנה הלבנים והקורטר של נוקר מעורר השראה במתחרים קשים.עלים עלים לוטוס מעוררים השראה לציפויים ממושכים עצמיים.שילוב של משי של כוח ומדריכי קשיחות של התפתחות סיבים סינתטיים.הבנתם ושיכפלו חומרים טבעיים אלה יכול להוביל לפתרונות בר-קיימא, ביצועים גבוהים.
ייצור וחומרים
ייצור תוספתי משנה לא רק איך חומרים מעובדים, אלא גם איך חומרים מעוצבים.תהליך בניית השכבה-by-layer מאפשר גיאמטריה מורכבת, חומרים ממוצבים פונקציונליים, מבנים רב-חומריים בלתי אפשריים עם ייצור קונבנציונלי. אלגוריתמי אופטימיזציה אופטימיזציה אופטימיזציה של אלגוריתמים אשר מציב חומר רק במידת הצורך יעילות מבנית, לעתים קרובות וכתוצאה מכך צורות מבט אורגני המפחיתות את המשקל תוך שמירה על כוח.
פיתוח חומרים לייצור תוספים מתמקד בהרחבת טווח החומרים הניתנים לעיבוד ושיפור הנכסים של חלקים מודפסים. ייצור תוסף מתכת מתקדם לקראת תכונות התאמה או חומרים מעובדים יותר באופן קונבנציונלי. ייצור תוספת פולימר עובר מעבר ליעילות ייצור של חלקים פונקציונליים עם מיקרו מבנים מבוקרים. Ceramic ותוספים מורכבים מאפשרים גיאמטריה מורכבת בחומרים קשים לעיבוד.
ניטור ובקרה של In-situ במהלך הבטחת ייצור התוסף להבטיח איכות ומאפשר התאמה בזמן אמת של פרמטרים לעיבוד.מכונות למידה אלגוריתמים לנתח נתונים חיישן כדי לזהות פגמים ואופטימיזציה של תאומים דיגיטליים - ייצוגים וירטואליים של חלקים פיזיים - סימולציה ואופטימיזציה לפני ובמהלך הייצור.
מסקנה: האבולוציה המתמשכת של חומרים
חומרים מדע עומד על הצומת של מדע בסיסי והנדסה מעשית, תרגום הבנה ברמה אטומית לחומרים המאפשרים לטכנולוגיה מודרנית ולטפל באתגרים גלובליים.עקרונות היסוד של אג"ח אטומי, מבנה גבישי, תרמודינמיקה, וקנטינים מספקים את הבסיס להבנת וחיזוי התנהגות חומרית.עקרונות אלה להנחות את העיצוב והבחירת החומרים על פני ארבעת המעמדות העיקריים - מטבוליות, קרמיקה, פולימרים, ומדונים - המציעים יתרונות ברורים ליישומים ספציפיים.
הגישה השיטתית למבחר חומרי, בשילוב עם טכניקות עיבוד מתקדמות וכלים חישוביים, מאפשרת למהנדסים לעצב חומרים עם תכונות מותאמות בדיוק.מבנים חלליים המשלבים כוח עם משקל מינימלי, להשתלות ביו-רפואיות שמשלבות בצורה חלקה עם רקמות אנושיות, לחומרים אלקטרוניים המאפשרים מחשוב רב עוצמה יותר, חומרים מדעיים מספקים את הבסיס להתקדמות טכנולוגית.
במבט קדימה, טכנולוגיות מתפתחות כולל ננו-חומרים, חומרים חכמים, חומרים בר-קיימא, והבטחה לייצור תוספים להרחיב את הגבולות של מה חומרים יכולים להשיג. גישות Computational מאיצה גילויים ועיצוב חומריים, תוך מודעות סביבתית גוברת שמניעה פיתוח של חומרים בר-קיימא וגישות כלכלה מעגלית.שילוב חומרים עם דיסציפלינות אחרות -ביולוגיה, מידע ומדע נתונים - פותח גבולות חדשים לחדשנות.
כמו אתגרים גלובליים הכוללים שינויי אקלים, מחסור במשאבי וגידול באוכלוסייה יוגברו, חומרים מדע ימלאו תפקיד קריטי יותר בפיתוח פתרונות.המרה יעילה יותר באנרגיה ואחסון, חומרים מבניים קלים וחזקים יותר, חלופות בר קיימא לחומרים עמידים משאבים, וחומרים מתקדמים לרפואה ובביוטכנולוגיה תלויים בהתקדמות במדע החומרים.
עבור אלה המעוניינים ללמוד יותר על חומרים מדע ויישומים שלה, משאבים זמינים מארגונים מקצועיים כמו FLT:0 (Materials Research SocietycioFLT:1 ומוסדות אקדמיים ברחבי העולם.השדה מציע הזדמנויות מרגשות עבור אלה נלהבים להבין איך העולם עובד ברמה האטומית וליישם ידע זה כדי ליצור חומרים לשיפור החיים ולאפשר התקדמות טכנולוגית.