Матеріалознавство

Парадигма матеріалознавства


Матеріалозна́вство — міждисциплінарна наука, яка встановлює співвідношення між структурою, складом і властивостями матеріалів за технологією їхнього отримання, умовами експлуатування та вартістю.

Характеристика

Матеріалознавство відносять до категорії меганауки — напряму діяльності людей, що визначає стійкий і безперервний прогрес цивілізації. Встановлення зв’язку між хімічним складом, режимами оброблення, структурою та властивостями матеріалу є парадигмою сучасного матеріалознавства, яку в доповненому вигляді використовують у нанотехнологіях, електроніці, створенні біоматеріалів, продуктів металургії тощо. Матеріалознавство також уключає широкий інструментарій дослідження властивостей матеріалів, виробів, конструкцій.

Історична довідка

Матеріалознавство як науку сформовано в середині 20 ст., коли у фізиці, хімії та механіці завершено створення їхніх базисів, а поняття структури матеріалу визначено в широкому інтервалі масштабів, від атомного — завдяки відкриттю дифракції рентгенівських променів та електронної мікроскопії — до макроскопічного.

Нобелівські премії з фізики, від відкриття М. фон Лауе дифракції рентгенівських променів (1914) і дослідження кристалів за допомогою рентгенівських променів В. Г. Бреггом і В. Л. Бреггом (1915) та електронних променів К. Девіссоном і Дж. Томсоном (1937), дали змогу охарактеризувати кристалічну структуру твердих тіл. Створення Ш. Гійомом нікелевих сталей і сплавів (1920), вивчення термоемісійних властивостей матеріалів О. Річардсоном (1928), відкриття транзисторного ефекту в напівпровідниках В. Шоклі, Дж. Бардіним, В. Браттейном (1956), створення випромінювачів квантової електроніки М. Басовим, О. Прохоровим, Ч. Таунсом (1964), відкриття переходів антиферимагнетиків до феримагнетиків Л. Неєлем (1970), створення теорії надпровідності Дж. Бардіним, Л. Купером, Дж. Шріффером (1972) і відкриття високотемпературних надпровідників Й. Беднорцем і А. Мюллером(1987), створення напівпровідникових гетероструктур Ж. Алфьоровим, Г. Кремером, Дж. Кілбі (2000), відкриття ефекту гігантського магнетоопору П. Грюнбергом і А. Фертом (2007), дослідження двомірного матеріалу графену А. Геймом і К. Новосьоловим (2010) і відкриття квазікристалів Д. Шехтманом (2011) та багато інших робіт, відзначених Нобелівськими преміями, є віхами, що найбільш суттєво вплинули на становлення і розвиток сучасного матеріалознавства.

Головні поняття

Під поняттям «матеріал» розуміють речовину або сукупність декількох речовин, які мають певний склад (хімічний, фазовий) і структуру, а також сукупність корисних властивостей. Матеріал також визначають як продукт із заданим комплексом властивостей та експлуатаційних характеристик у відповідних умовах, який утворюється внаслідок усвідомленої технологічної обробки природної або синтетичної сировини. Найчастіше йдеться про тверді та рідкі конденсовані фази. Світова тенденція розвитку матеріалів супроводжується їхнім ускладненням і набуттям багатофункціональності внаслідок утворення композитів.

Класифікація

Матеріали можна розподілити на дві великі групи: кристалічні та некристалічні. Альтернативна класифікація матеріалів містить три групи: неорганічні, органічні та гібридні. До неї належить і класифікація за типом хімічного зв’язку, що домінує в матеріалі або визначає його властивості: ковалентний зв’язок, металічний, йонний, йонно-ковалентний, вандерваальсівський зв’язок, водневий зв’язок тощо. За походженням матеріали поділяють на природні (мідь, деревина, мінерали, кістки та шкіра тварин) та штучні (папір, бронза, чавун, пластичні маси, кераміка, напівпровідники).

ТЕМ ВР зображення одномірних вуглецевих нанотрубок

Структура

СЕМ зображення поперечного зламу тонкої плівки TiN (двомірний об’єкт)
Мікроструктура спеченої піни з оксиду алюмінію

Це фундаментальна просторова характеристика матеріалу, яка складається з елементів структури, властивих певному просторовому масштабу. Матеріалознавство оперує декількома типами структури: електронною, атомно-молекулярною, макромолекулярною або кластерною, мікро-, мезо- і макроструктурами.

  • Електронна структура матеріалу важлива для характеристики хімічного зв’язку, зонної структури та залежних від неї властивостей — електричних, магнітних, оптичних, квантових тощо. Електронну структуру твердих тіл відображають у вигляді спектрів і поєднують з атомно-молекулярною структурою в одному масштабному діапазоні (від 0,1 до 1,0 нм).
  • Атомно-молекулярна структура уможливлює визначення природи матеріалу (кристалічна або аморфна), дозволяє ввести поняття дефектів кристалічних ґраток — точкових, лінійних, площинних, об’ємних, домішкових, сегрегаційних тощо, які також є елементами структури.
  • Макромолекулярний, або кластерний масштаб структури розглядає об’єкти та явища (властивості) у діапазоні від 1 до 5 нм. На цьому рівні не завжди можна спостерігати колективні явища — натяг поверхневий, феримагнетизм тощо.
  • Мікроструктура, або зернинно-гетерофазна структура (від 5 до 1000 нм) дає змогу визначити геометричні розміри та морфологію елементів мікроструктури (зерен, пор, уключень, доменів) і спостерігати колективні явища: просторову орієнтацію структурних елементів, анізотропію, текстуру тощо.
  • Мезоструктура (від 50 нм до 1000 мкм) характеризує сукупності елементів мікроструктури та їхню взаємодію в більшому масштабі, ніж мікроструктура.
  • Макроструктура матеріалу (понад 1000 мкм), яку спостерігають на просте око, дає змогу описати макродефекти й ушкодження, макроскопічні неоднорідності матеріалів і виробів до і після оброблення.

Для дослідження структури матеріалів у різних масштабах використовують багато методів, зокрема дифракцію рентгенівського проміння, електронів або нейтронів, різні форми спектроскопії та хімічного аналізу (раманівська, енергодисперсійна спектроскопія, аналіз зображень з оптичних, електронних, атомно-силових мікроскопів тощо).

Мікроструктура матеріалу, який можна класифікувати як металевий, полімерний, керамічний та композитний, може дуже впливати на фізичні властивості, такі як міцність, в’язкість, пластичність, твердість, антикорозійність та зносостійкість тощо. Більшість традиційних матеріалів (метали та кераміки) є мікроструктурованими. Вивчення розмірної залежності властивостей наноматеріалів і збірки наноматеріалів за принципом «знизу вгору» привело до створення прогресивних мікроструктурованих матеріалів за допомогою прийомів та підходів нанотехнологічної інженерії — наноархітектоніки.

Склад

Може бути хімічним і фазовим. Хімічний склад визначають як сукупність хімічних елементів у матеріалі. Поміж хімічних елементів є основні фазоутворювальні елементи та домішки. Фази формують фазовий склад матеріалу, кожну з фаз представлено елементом структури (зерно, шар, уключення тощо) і відповідною міжфазною межею. За хімічним складом і за розподілом фаз виокремлюють чотири типи структури: однофазні, статистичні багатофазні з ідентичними та неідентичними поверхнями розділу та матричні багатофазні; за морфологією елементів структури — три основні типи: з пластинчатим, стовпчастим і рівноважним типами включень. Домішки — елементи, концентрація яких мала, — зазвичай хаотично розподілені в об’ємі фаз і на міжфазних межах (зокрема сегрегації). Властивості матеріалів можуть залежати від домішок, уплив яких буває як позитивним, так і негативним. Найбільш розповсюдженими є одно- і багатофазні матричні та статистичні об’єкти, стовпчасті та багатошарові структури (останні зазвичай у плівках).

Властивості

Відображають реакцію матеріалу на дію зовнішніх чинників і навколишнього середовища. Їх характеризують структурно-чутливими та структурно-нечутливими фізичними, хімічними, біомедичними та технологічними параметрами. Механічні властивості можна визначати за допомогою навантаження стандартних зразків у полі механічних сил, магнітні виявляють під упливом магнітного поля, оптичні — унаслідок пропускання світла..

Властивості матеріалів можуть бути сталими або залежати від змінних параметрів — напруги, температури, тиску, від напрямку вимірювання в матеріалі, тобто можуть виявляти анізотропію й текстурний характер. Властивості матеріалів, які стосуються двох різних фізичних явищ, часто мають лінійну (або майже лінійну) залежність у певному робочому діапазоні, що можна розглядати як усталену залежність для нього. Ці лінеаризації дають змогу значно спростити форму запису визначальних диференціальних рівнянь, які описують відповідні властивості.

Перспективні напрями розвитку

Збільшення мобільності людей у світі змінює вимоги щодо транспортних засобів і шляхів пересування, тому сформульовано мегапроект «Матеріали для нового екологічного, економічного та безпечного транспорту». У транспорті все більше використовують електричні засоби, які потребують легких конструкційних матеріалів: зміцнених пластиків, систем накопичення енергії, систем заряджання під час руху, а також численні сервісні рішення транспортної інфраструктури. Зростає потреба в легких металевих матеріалах на основі магнію, алюмінію, титану, полімерних композитів з ліпшими питомими характеристиками, які дають змогу зберігати енергоносії й гарантувати вищий рівень безпеки; електроприводи автомобілів потребують нових магнітних матеріалів; безпілотні системи керування й позиціонування електромобілів потребують створення нових сенсорів і матеріалів для них.

Розробки космічних транспортних систем (що пов’язані з доправленням людей і корисних вантажів на орбіти й поверхні планет за допомогою автоматичних роботизованих станцій або планетоходів) набули реальності завдяки створенню наджаростійких матеріалів, високоміцних композиційних матеріалів як для космічних апаратів, так і конструкцій баз на поверхні планет, функціональної наноелектроніки, що забезпечує космічну навігацію, телеметрію, зв’язок. Освоєння космосу потребує розвитку космічного матеріалознавства — мегапроект розвинутих країн для космічних систем і для визначення успіху економічного та соціального розвитку цих країн.

Зростання антропогенного навантаження на довкілля: відповідний матеріалознавчий мегапроект містить новітні розробки матеріалів для очищення повітря, води і землі від шкідливих викидів, а також проблему утилізації та переробки виробів попереднього технологічного укладу; рециклювання матеріальних ресурсів є обов’язковою вимогою до нових технологічних продуктів.

Мегапроект в екологічній сфері стосується створення ефективних систем для зниження концентрації шкідливих речовин, мікроорганізмів, вірусів у повітрі, воді і ґрунті. Це каталітичні конвертори вихлопних газів, водофільтрувальні системи з мембранами для вилучення з питної води йонів шкідливих металічних елементів, органічних сполук, фотокаталізатори для зниження гостроти проблеми забруднення повітря вірусами.

Урбанізація викликає ініціювання мегапроекту про матеріали для поліпшення здоров’я та якості життя людей, розроблення нових систем діагностики захворювань, приладів та імплантатів для хірургії, систем реабілітаційної медицини.

Збільшення залежності людей від засобів електронних комунікацій: подальша мініатюризація приладів і розгалуження інформаційних мереж, зменшення їхньої енергоємності на тлі багаторазового збільшення продуктивності потребує нових зусиль у створенні оптичних, електронних, магнітних багатофункціональних наноматеріалів.

Зміна парадигми енергетики зі збільшенням частки виробництва енергії з відновлюваних джерел: виробництво матеріалів для забезпечення потреб енергетики. Заміна вуглеводневого або уранового ядерного палива на відновлювані джерела енергії та енергоносії означає зміну матеріального складника енергетики майбутнього. Поступова заміна сучасних енергетичних установок і ядерних реакторів відбувається з використанням прогресивних жароміцних, електропровідних, вогнетривких, кавітаційно- і корозійностійких металевих і керамічних матеріалів. У майбутньому потрібно очікувати появи термоядерних технологій і реакторів, побудованих з нових композиційних матеріалів, стійких до надвисоких флюенсів радіації й елементарних частинок, нових надпровідників, які утворюватимуть потужні магнітні поля й утримуватимуть високотемпературну плазму, а також фотоперетворювачів для використання енергії випромінення Сонця, нових паливних елементів, термоелектричних перетворювачів з використанням функціональних матеріалів нового покоління.

Література

  1. Сучасне матеріалознавство XXI століття / Відп. ред. І. К. Походня. Київ : Наукова думка, 1998. 657 с.
  2. Gleiter H. Nanostructured Materials: Basic Concepts and Microstructure // Acta Materialia. 2000. Vol. 48. № 1. P. 1–29.
  3. Скороход В. В., Уварова І. В., Рагуля А. В. Фізико-хімічна кінетика в наноструктурних системах. Київ : Академперіодика, 2001. 180 с.
  4. Андриевский Р. А., Рагуля А. В. Наноструктурные материалы. Москва : Академия, 2005. 190 с.
  5. Рагуля А. В., Скороход В. В. Консолидированные наноструктурные материалы. Киев : Наукова думка, 2007. 375 с.
  6. Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах / Пер. с англ. Москва : Техносфера, 2010. 352 с.
  7. PhilipWong H.-S., Akinwande D. Carbon Nanotube and Graphene Device Physics. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. 263 p.
  8. Allwood J. M., Ashby M. F. Sustainable Materials. Cambridge : UIT, 2012. 384 p.
  9. Carter C. B., Norton M. G. Ceramic Materials: Science and Engineering. New York : Springer, 2013. 766 p.
  10. Andrievsky R. A., Khachoyan A. V. Nanomaterials in Extreme Environments. New York : Springer, 2016. 110 p.
  11. Гнесин Г. Г. Очерки истории неорганических материалов. Киев : Наукова думка, 2017. 205 с.

Див. також

Матеріалознавство в Україні

Автор ВУЕ

А. В. Рагуля

Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Рагуля А. В. Матеріалознавство // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Матеріалознавство (дата звернення: 15.06.2021).


Оприлюднено


Оприлюднено:
03.10.2019

Увага! Опитування на честь 30-ліття незалежності