Malzeme mühendisliği hikayesi, medeniyetin kendisi hikayesidir. On binlerce yıldır, bu yolculuk sadece insanların inşa edebileceği, seyahat edebileceği ve kendilerini en basit çamurdan nasıl savunabilecekleri konusunda bir vaka çalışması değildir.

Malzemelerin nasıl geliştiğini anlamak mühendislere belirli özelliklerin neden değerli olduğunu takdir eder - ve maliyet, kullanılabilirlik ve çevresel etki her zaman yol ileriye doğru şekillendirmiştir.Geçmiş malzemeler gelişiminin ana çağına, Stone Age'den nanomalzemeler ve biyoinspired tasarımına ayrıntılı bir bakış.

Primordial Materials: Stone, Clay ve Natural Fibers

Metaller çalışmaya başlamadan önce, erken insanlar toplanabilir veya en az işlenmiş materyallere dayanıyordu. Stone, kemik, ahşap, kil ve doğal fiberler ilk malzeme paletini kurdular.Seçim tamamen yerel olarak mevcut olan ve temel aletlerle şekillendirilebilir.

İlk Yapısal Malzeme Olarak Taş

Flint ve obsidian, kesme ve avlanmak için keskin kenarlara karışabilir ve basalt, taşlama aletleri ve yapısal elementler için kullanılmıştır. Levallois yöntemi gibi sistematik flaking tekniklerinin gelişimi, erken bir süreç kontrolü biçimini temsil edebilir - malzeme işlemede modern kaliteli güvenceye öncü.

Stone araçları büyük oyunun, bitki gıdalarının işlenmesi ve barınakların inşasına olanak sağladı.TheurFLT:0)Stone Age) 2.5 milyondan fazla yıl boyunca, sınırlı bir malzeme setinin hala önemli kültürel ve teknolojik değişimin desteklenmesini gösterdi.

Clay ve Neolitik Devrim

Kabanın kasıtlı şekillendirme ve ateş edilmesi bir dönüm noktası işaret etti. Clay ıslakken plastik bir malzemedir, ancak 900-1000 °C civarında ateşten sonra sert ve sertleşir. Bu dönüşüm, Çin'deki sitelerden ve Japonya'daki sitelerden gelen kalıcı bir tencereye sahiptir.

Yangına ve şapellerin yaratılmasına da izin verdi, daha kalıcı yerleşimlere izin verdi. daha yüksek sıcaklıklara sahip kilnlerin gelişimi metalurjiye doğrudan bir öncü oldu. Ateş ve ısıyı kontrol etme yeteneği olmadan, daha sonra bronz ve demir çağları imkansız olurdu.

Doğal fiberler -flax, hemp, pamuk, yün - makinelerin içine karıştı ve tekstillere dokundu. Bu malzemeler kıyafet, netler ve kompozit aletler için bağlayıcı (örneğin, taş axes hafted with wood and sinew). Farklı özelliklerle malzemelerin birleştirilmesi prensibi ilk kompozit yay olarak eskidir.

Metalurji Devrimi: Bakır, Bronz ve Demir

Bazı kayaların mallanabilir metallere elde etmek için ısınabileceği keşif, temel olarak insanlar ve malzemeler arasındaki ilişkiyi değiştirdi. Metaller taş ve çamurun yapamadığı özellikleri sundu: ductness, sertlik ve yeniden yayınlanma yeteneği.

Bakır ve İlk Alaşımlar

Yerli bakır, Orta Doğu'da 9000 BCE olarak erken süslenmiş ve aletlere çekiciydi. Sonunda, bakır veyaes'in saflaştırılması, çizilebilir bir metal üretti. Ancak saf bakır nispeten yumuşak, kesme kenarlarını veya yüksek ücretli uygulamaları için kullanımını sınırlandırır.

Bu atılım, yaklaşık% 10-12'nin eki, döküm sırasında ve dramatik olarak artan bir sıvılık elde ettiğinde, bakırların yaptığından daha uzun bir şekilde yan yana bir kenarda bulundu.

Bu keşif hem bakır hem de tin ores'e erişim gerektirir, bu nadiren birlikte bulunur. Uzun mesafe ticaret ağları, büyücüler (UK) ve Orta Asya gibi kaynaklardan tedarik etmek için gelişmiştir. Bronz tüm kültürlere çok değerli oldu - 0,Bronze Yaş).

Çelik ve Demir Çağ

Demir, Anadolu'da 1200 BCE civarında ortaya çıktı. Demir ya da bakırdan daha fazla, ancak teknik zorluklar daha büyük: demir, yüksek bir sıcaklık gerektirir (yaklaşık 1500 °C) ve smelt (yaklaşık 1500 °C) ve demir kesmek için çekiç gerekir. Erken demir, genellikle bronzdan daha yumuşaktı, ancak ham malzemenin bolluğu cazip hale getirildi.

Gerçek atılım, demir veya bronzun eşleşmesi için kullanılan yöntemlerden oluşan bir kombinasyondu. (küresel olarak% 0.2-2.1) ve daha sonra Besemer işlemi (1856) çeliklerin büyük miktarlarda üretebilmelerine izin verdi.

Demir Çağı daha güçlü plows, kılıçlar ve zırhlar getirdi. Ayrıca daha büyük binalar ve köprülerin inşaatına da izin verdi. [Uygunluk çelikleri[Döneticileri 1 ), ucuz, güvenilir çelik olmadan mümkün olmazdı.

Endüstri Devrimi ve S Sentetik Malzemelerin Çağı

18. ve 19. yüzyıllar, mekanikleşme, kimya ve endüstri talepleri tarafından yönlendirilen yeni malzemelerin patlamasını gördü. Üç gelişme öne çıkıyor: Çelikin kitlesel üretimi, sentetik polimerlerin gelişi ve belirli uygulamalar için alaşımların rafinerisi.

Çelik, Beton ve Yapıları Dondurdu

Bessemer süreci ve daha sonra açık kulak fırını, büyük miktardaki demir siparişleriyle çelik maliyetini azalttı. Demiryolular, gökler ve gemiler tüm yarar sağladı. Henry Besemer'in dönüştürücüleri, çürük demirleri kaldırmak için havaya uçurdu ve 1870'te çelik, dönüştürülmüş bir ölçekde üretildi.

Beton - çimento, agre ve su kompozitleri - Romalılar tarafından biliniyordu ancak 19. yüzyılda mükemmelleştirildi. Çelik yeniden inşa barların eki () betonun ısıtılması) ile betonun sıkıştırılması güçlendi.

Bu çağın diğer önemli gelişmeler, yüksek performanslı makineler için hafif bir metal oluşturan alüminyum (1886) üretmek için Hall-Héroult süreci içerir.

Plastik ve Polimerler

İlk tamamen sentetik plastik, ESRAT:0)Bakelite), 1907'de Leo Baekeland tarafından patentlendi. Bakelite zor, ısıya dayanıklı bir reçinedir ve bir elektrik tesisatçısı için kullanılmıştır.

Sonraki on yıllar boyunca, plastik (1935), polietilen (1933) ve polipropilen (1954). Bu termoplastikler, enjeksiyona veya filmlere havaya uçurulabilir. Metal, cam ve doğal fiberleri sayısız uygulamada değiştirdiler.

Ancak, plastik atıkların çevresel etkisi kritik bir endişe haline geldi. Modern malzemeler mühendisliği şimdi biyodüşük polimerlere ve geri dönüşüme uygun tasarımlara odaklanıyor.TheurFLT:0Concientific American article on plastik kirliliği sentetik polimerlerin mirasına bir göz atıyor.

Gelişmiş Kompozitler: Karbon Fiber, Cam ve Öteki

Kompozit bir malzeme, iki veya daha farklı bileşenleri tek başına sağlayabilmeleri için bir araya getirilir. 20. yüzyılın ikinci yarısında, kompozitler niş uygulamalardan ana mühendislike taşındı.

Cam: İlk Modern Kompozit

Cam – bir polimer matrixinde gömülü cam elyaflar – 1930'larda gelişmiş ve II. Dünya Savaşı'ndan sonra ticarileşmiştir (küresel ağırlık oranı) ve karmaşık şekillerde kalıplanabilir. Boat hulls, otomotiv vücut panelleri ve depolama tankları tipik uygulamalardır.

Üretim süreçleri - el koymak, filament rüzgarı ve pul saldırı - yük yönüne fiber yönelimi tertemiz mühendislere.Cam, kompozitlerin orta performanslı uygulamalar için uygun maliyetli olabileceğini gösterdi, daha gelişmiş sistemler için yol açtı.

Karbon-FiberReinforced Polimers (CFRP)

Karbon fiberleri, ağırlığın bir kısmında çelikten birçok kez çekme gücüne sahiptir. Bir epoxy reçine matrixinde gömülürken, elde edilen kompozit -)CFRP) - Olağanüstü sertlik ve yorgunluk direncine sahip. Erken uygulamalar her kilogram yakıt verimliliğine veya performansa tercüme edilir.

Boeing 787 ve Airbus A350 gibi modern uçaklar, yapısal ağırlıklarının %50'sinden fazlasını kullanıyor. Malzeme aynı zamanda spor ekipmanlarında (biy döngüsü, tenis rafları, golf milleri) ve daha fazla otomotiv yapılarında karbon fiber üretimi maliyeti yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş düştü, ancak çelik veya alüminyumdan daha pahalı görünüyor.

Diğer gelişmiş kompozitler, yüksek sıcaklık türbinleri için balistik koruma ve seramik-matrix kompozitleri için aramid-fiber kompozitleri içerir. Bu malzemelerin tasarımı mikromekanik içerir: fiberlerin, matrisin ve arayüzlerin nasıl yük altında davrandığını modellemek.

Yeni Frontier: Nanomalzemeler, Biyomalzemeler ve Akıllı Malzemeler

Bugün malzeme mühendisliği artık, büyük miktarda maden veya sentezlenebilir ne ile sınırlı değildir. nano ölçekli, malzemeler temel olarak farklı özellikler sergileyebilir ve mühendisler moleküler hassasiyetle malzeme tasarlayabilirler.

Nanomalzemeler

Karbon nanotüpler, grafiklerene ve nanopartiküller, metal ve oksitlerin özellikleri dramatik bir şekilde değişti. Graphene - karbon atomlarının tek bir katmanı - ayrıca en güçlü malzemeler arasında, mükemmel bir elektrik ve ısı iletkeni olmakla birlikte, karbon nanotüpsiyonları yapısal parçalar için kompozitlerde, ilaç teslimi için bile kullanılır.

Zorluk bu malzemeleri tutarlı kalitede ölçeklendirmek.TheETHFLT:0)Doğasal madde ölçeklenebilir grafikte[Dönemli üretimde][Dönemli üretimde bir yaklaşım tartışır.Tücreasyonlar geliştirilirken, nanomalzemeler bataryalarda, güneş hücreleri, su arıtma ve hafif zırhlarda uygulamalar bulmayı bekler.

Biyomalzemeler

Biyoatik asit (PLA) ve 3D-printing filament ve hidroxyapatite, kemik aşıları ile kullanılan poli-konik asit (PLA) içerir.

Araştırmacılar ayrıca doğal yapılar taklit eden malzemeler geliştiriyorlar –biyoinspired tasarım. lotus yaprak kendi kendine temiz yüzey süperhidrofbik kaplamalara ilham verdi. Örümcek ipek, çelikten daha güçlü, rekombinant proteinleri kullanarak çoğaltıldı. Bu malzemeler fosil destekli polimerlere güvenmeye söz verdi.

Akıllı Malzeme

Dış uyaranlara cevap veren malzemeler - sıcaklık, stres, elektrik alanları veya pH - akıllı malzemeler olarak adlandırılır. Şekil-memory alaşımları (örneğin nitinol) ısıtıldığında önceden tanımlanmış bir şekle geri döner. Piezoelektrik seramikleri mekanik stres altında bir elektrik şarj üretir, sensörler ve eylemciler.

Kendi kendine özgü malzemeler, kırılmış, kaplamaların ve yapıların ömrünü uzatan bir şifa aracı salıveren mikrokapsules veya damar ağları içerir. Bu malzemeler pasif yapısal bileşenler ve aktif sistemler arasındaki hattı bulanıklaştırır.

Sürdürülebilirlik ve Geometrik Ekonomi

Malzeme mühendisliği şimdi tüm yaşam döngüsü için dikkate almalıdır: Ekstraksiyon, işleme, kullanım ve tasarruf veya geri dönüşüm. lineer “onarım” modeli, malzemelerin mümkün olduğunca uzun süre kullanıldığı dairesel bir yaklaşımla değiştirildi.

Metallerin geri dönüşümü zaten verimlidir (aluminum, son zamanlarda kaliteli kayıplar olmadan geri dönüştürülebilir). Plastikler geri dönüşüm, kirlenme ve bozulma nedeniyle daha zor. Yeni tür teknolojiler ve kimyasal geri dönüşüm (depüreselleştirme) ortaya çıkıyor. Bio bazlı alternatifler, örneğin polihidrojenler (PHA) bakteriler tarafından üretilen, yenilenebilir malzemelere doğru bir yol sunuyor.

FiberÜniversitenin gelişimi:0) yeşil kompozitler[Dönetici: 0,4; Doğal fiberler (hemp, flax, jute) biyodegrad edilebilir bir matrixte - aktif bir araştırma alanı olarak kullanılır. Bu kompozitler iç otomotiv panellerinde ve tüketici mallarında kullanılır.

Hayat döngüsü değerlendirmesi (LCA) şimdi malzeme seçimi için standart bir araçtır. Mühendisler güç, ağırlık, maliyet ve çevresel etki dengelemelidir.TheurFLT:0) Data-Driven Design içinMals Platformu) bu ticaret-offlara yardımcı mühendislere yardımcı olmak için öngörüler sunar.

Sonuç: Unfinished Story

Malzeme mühendisliği, daha önce yapılan araçların ve enerji kaynaklarının bilgisine yönelik olarak yapılan deneme ve terörle ilgili olarak gelişti.

Bugün, alan her zamankinden daha disiplinlidir. Chemists, fizikçiler, mekanik mühendisler ve veri bilim adamları birkaç yıl önce elektronların davranışını ortaya koyan özellikleri ile tasarımya işbirliği yapıyorlar. Bir sonraki atılımlar, yeni kristal yapıları tahmin edebilecek yapay zekadan gelebilir, çünkü sentetik biyolojiden gelen malzemelerden, onları üretim yerine, ya da bir materyaldeki elektronların davranışını ortaya koyan kuantum mekanik simülasyonlardan yararlanabilir.

Sürekli olarak kalan şey hedef: daha hafif, daha güçlü, daha dayanıklı ve daha sürdürülebilir olan malzemeleri geliştirmek. Malzeme mühendisliği hikayesi çok fazla - en heyecan verici bölümüne girilir.