Den materialevidenskab er baseret på forholdet mellem egenskaber, morfologi og gennemførelsen af de materialer, der udgør de objekter, der omgiver os ( metaller , polymerer , halvledere , keramik , kompositmaterialer , etc.).
Det fokuserer på studiet af materialernes vigtigste egenskaber såvel som deres mekaniske, kemiske, elektriske, termiske, optiske og magnetiske egenskaber.
Den materialevidenskab er kernen i mange af de store teknologiske revolutioner. Især i et århundrede: elektronik (computere, cd- og dvd-afspillere osv.), Biler (motorer, karrosseri, forlygter osv.), Luftfart, vedvarende energi (solpaneler osv.), Nanovidenskab , nanoteknologi osv.
Kendskab til og beherskelse af mikroskopiske fænomener (diffusion, opstilling af atomer, omkrystallisation, udseende af faser osv.) Giver forskere og industrielle muligheder for at udvikle materialer med de ønskede egenskaber og præstationer.
Som et resultat er et stort antal uddannelseskurser i ingeniørskoler ( f.eks . EEIGM , ECPM ) eller på universiteter fokuseret på materialevidenskab ( f.eks. Grenoble , Marseille , Orsay , Poitiers , Strasbourg , Limoges ).
At designe en perfekt krystal er fysisk umulig, men det er ofte dens strukturelle mangler, der gør et materiale interessant. Vi bruger derfor defekterne i krystallinske materialer (såsom udfældninger , korngrænser , carbon interstitials , huller , dislokationer osv.) Til at skabe materialer med ønskede egenskaber.
Indtil XIX th århundrede brugen af materialer var væsentligt empirisk. En vigtig udvikling fandt sted, da Josiah Willard Gibbs (1839-1903), en amerikansk fysikalsk kemiker , lykkedes at demonstrere, at de termodynamiske egenskaber relateret til atomstrukturen havde en direkte forbindelse med et materiales fysiske egenskaber. Som et resultat var materialevidenskab ikke længere begrænset til metaller eller keramik og har diversificeret betydeligt, især med udviklingen af plast, halvledere efter Anden Verdenskrig . I dag er den vigtigste drivkraft for innovation inden for denne videnskab udviklingen af nye teknologier beregnet til banebrydende felter såsom nanoteknologi (det uendeligt lille) eller rumfartsområdet.
De metaller er materialer, hvis kemiske elementer har den særegenhed at være i stand til at danne metalliske bindinger og miste elektroner til at danne kationer (f.eks eller ). De kan karakteriseres både fysisk-kemisk og elektronisk (jf. Karakteriseringsafsnittet). Metaller er kendetegnet ved flere fysiske egenskaber. De er gode elektriske ledere, denne egenskab måles enten gennem ledningsevne eller gennem dens inverse modstand . De er også gode varmeledere og har en lysende glød. Fra et mekanisk synspunkt er de kendetegnet ved egenskaber såsom deres elasticitetsmodul (generelt højt i størrelsesordenen flere G Pa ), deres hårdhed , deres duktilitet osv.
På jorden findes de fleste metaller kun i form af oxider. De bruges dog kun lidt i denne form (undtagen inden for mikroelektronik). Det foretrækkes at anvende dem oprenset ( eksempler på kobber og aluminium ) eller i form af legeringer . Den aluminium er den mest udbredte metal i jordskorpen . Bemærk også vigtigheden af jern , som meget ofte bruges i form af stål eller støbejern efter tilsætning af kulstof .
Fra et økonomisk synspunkt er der to ekstremt vigtige sektorer, stål og aluminium. I 2007 udgjorde verdens stålproduktion 1,3 milliarder ton, en stigning på 5,4% i forhold til 2006. Denne sektor er i øjeblikket domineret af firmaet Mittal Steel . Aluminiumssektoren er domineret af Rio Tinto Alcan . I 2008 udgjorde aluminiumsproduktionen 3,1 millioner ton, en stigning på 11,5% i forhold til 2006.
En polymer er et stof, der består af organiske (eller undertiden mineralske) makromolekyler . Makromolekyler består af en gentagen kæde af mindst en type monomer . Monomererne er bundet sammen af kovalente bindinger . Polymerkæder interagerer med hinanden med svagere kræfter som Van der Waals-bindinger . Polymerers egenskaber afhænger især af typen (erne) af monomer, arten af deres samling og graden af polymerisation .
Der skelnes mellem naturlige polymerer, modificerede (kunstige polymerer) og syntetiske stoffer. De kan også klassificeres efter deres arkitektur. Vi skelner for eksempel lineære polymerer, forgrenede (med forgreninger) eller ej, dendritik (forgreninger i tre dimensioner) og tværbundet eller tredimensionelle, der danner et netværk.
Polymerer kan fremstilles på en række måder. Vi kan citere:
En anden type klassificering af polymerer er også i henhold til deres termomekaniske egenskaber. Vi skelner mellem:
Polymerer kan klassificeres i to typer afhængigt af deres adfærd i varme og under tryk:
På grund af deres interessante egenskaber har polymerer gradvist invaderet industrier og hverdag og erstattet traditionelle materialer.
De keramiske er sammensat af metalliske og ikke-metalliske elementer. De er generelt oxider , nitrider eller carbider . Gruppen af keramik omfatter en bred vifte af materialer, såsom cement , glas, traditionel keramik lavet af ler .
Keramikens krystalstruktur er mere kompleks end metaller, fordi mindst to forskellige kemiske grundstoffer er til stede. Der er ioniske keramik, der består af et metal og et ikke-metal (for eksempel: NaCl, MgO) og kovalente keramik, sammensat af to ikke-metaller eller rene elementer ( diamant , siliciumcarbid , etc. ). Strukturen af korngrænser er også mere kompleks, fordi elektrostatiske interaktioner fører til yderligere ligevægtsspændinger. Ionerne med de samme tegn må derfor ikke røre hinanden. Dette er grunden til, at keramikken har en vis porøsitet (ca. 20 volumen%).
Keramik har mange fordele:
På den anden side er deres største svaghed at være disponeret for at bryde pludseligt uden plastisk deformation i trækkraft (skrøbelig karakter); porøsiteterne "svækker" materialet ved at forårsage spændingskoncentrationer i deres nærhed. Keramikens skrøbelighed gør det umuligt at rulle eller smede metoder, der anvendes i metallurgi.
Teknisk keramikDen tekniske keramik er en gren af keramik dedikeret til industrielle anvendelser i modsætning til håndværk ( keramik ) eller kunstnerisk ( keramisk kunst ) eller porcelæn . Formålet med denne industri er skabelsen og optimering af keramiske materialer med specifikke fysiske egenskaber: mekaniske , elektriske , magnetiske , optiske , piezoelektrisk , ferroelektrisk , superledende , etc.
De fleste tekniske keramikker er formet af et komprimeret pulver og opvarmes derefter til høj temperatur ( sintringsproces ). Især pulvere med meget lille partikelstørrelse anvendes til at reducere porøsiteten.
BrillerDe briller er hovedsagelig faste stoffer opnået ved flydende frysning underafkølet . De fire vigtigste metoder til fremstilling af glas er presning , blæsning , strækning og fibertrækning .
Briller er ikke-krystallinske silikater, der indeholder andre oxider (for eksempel CaO), der ændrer deres egenskaber. Transparensen af glas er en af dens vigtigste egenskaber. Dette skyldes dets amorfe struktur og fraværet af defekter, der er større end fraktionen af et mikrometer. Den brydningsindeks af en linse er ca. 1,5. Med hensyn til deres mekaniske egenskaber er briller skrøbelige materialer, men termiske eller kemiske behandlinger kan afhjælpe dette.
Halvledere halvleder strukturHalvledere er lavet af en ret tynd skive af silicium , galliumarsenid eller indiumphosphid , kaldet en wafer .
Denne wafer bruges som understøtning til fremstilling af mikrostrukturer ved teknikker som doping , ætsning , aflejring af andre materialer ( epitaxy , forstøvning , kemisk dampaflejring osv.) Og fotolitografi . Disse mikrostrukturer er en vigtig komponent i fremstillingen af integrerede kredsløb , transistorer , effekt-halvledere eller MEMS .
Dopede halvledereDen doping sker ved indføring i matrix halvledere urenhedsatomer. Hvert af dets atomer bidrager enten med en yderligere valenselektron (N-doping) for de pentavalente urenheder eller et "hul" eller valenselektronunderskud (P-doping) for de trivalente urenheder.
Et kompositmateriale er en blanding af to basismaterialer, der adskiller sig i en makroskopisk skala og har forskellige fysiske og mekaniske egenskaber. Blandingen udføres således, at de har optimale egenskaber, som er forskellige og generelt overlegne de for hver af bestanddelene. En komposit består af mindst en matrix (bindemiddel) og en forstærkning .
De valgte bestanddele (nogle er multi-funktion) kan forbedre de følgende egenskaber: stivhed, termomekanisk modstand, træthed modstand , korrosionsbestandighed , tæthed , slagfasthed, brandmodstand, termisk og elektrisk isolering, lynnedslag strukturharmoniseringens design af komplekse former.
Roll (er) spillet af hver bestanddel:
Brugen af kompositter er enten automatiseret ( vakuumstøbning , RTM osv.) Eller håndværksmæssig til højtydende dele ( kontaktstøbning osv.).
De sammensatte materialer baseret på fibre og polymerer udgør den største klasse (90% af alle aktuelt fremstillede kompositter).
Kompositmaterialer anvendes i vid udstrækning inden for luftfart, biler, jernbaner osv.
De dør kan være original:
Af belastninger (mineralsk, organisk eller metallisk) og tilsætningsstoffer er næsten altid inkorporeret i matricen.
ForstærkningForstærkningerne (glas, kulstof, aramid, bor eller metalfibre osv.) Kan være i form af:
Armeringen kan være alene inden i en matrix (homogen komposit) eller associeret med en armering af en anden art (hybrid komposit).
Den følgende tabel sammenligner de vigtigste klasser af materialer efter deres oprindelse, krystallinitet, ledningsevne og termostabilitet.
Sammensætning | Naturlige materialer | Syntetiske materialer | Amorfe materialer | Krystallinske materialer | Isolerende materialer | Halvledermaterialer | Ledende materialer | Termolabile materialer | Termostabile materialer |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Økologisk | Biopolymerer | Syntetiske polymerer | Amorfe polymerer | Halvkrystallinske polymerer | Mest hyppige tilfælde | Halvlederpolymerer | Ledende polymerer | Mest hyppige tilfælde | Termostabile polymerer |
Uorganisk ikke-metallisk | Klipper | Keramik, glas og halvledere | Briller | Keramik | Mest hyppige tilfælde, f.eks. Ildfaste materialer | Uorganiske halvledere | Ingen | Mest hyppige tilfælde | |
Uorganisk metallisk | Indfødte metaller og metallegeringer | Metallegeringer | Amorfe metallegeringer | Mest hyppige tilfælde | Ingen | Ingen | Ja | Mest hyppige tilfælde | |
Organisk og / eller uorganisk | Træ , knogle | Syntetiske kompositmaterialer | Termostabile kompositter |
For at studere og forstå et materiale er det vigtigt at karakterisere det ved hjælp af passende karakteriseringsteknikker. Eller ødelæggende, det vil sige hvilken skade materialet. Eller ikke-destruktivt , som ikke beskadiger materialet og derfor det studerede objekt.
Hovedkarakteriseringsteknikkerne kan klassificeres efter kategori:
Disse karakteriseringsteknikker drager fordel af bidrag fra materialevidenskab og gensidig hjælp til dens udvikling.
Alle industrier, der producerer materielle varer, er afhængige af materialer, så materialevidenskab finder naturligvis sin plads.
Formålet med teknikkerne til materialeform er at give materialet en bestemt form, mens den pålægges en bestemt mikrostruktur for at opnå et objekt med de ønskede egenskaber. Dette er et job, der kræver den bedst mulige kontrol af de eksperimentelle parametre ( sammensætning , temperatur , kølehastighed osv.). Teknikker varierer afhængigt af de materialer og genstande, der skal fremstilles. Alle disse teknikker drager fordel af den forståelse, materialevidenskaben giver.
Her er nogle anvendelser af hovedklasser af materialer:
Udviklingen af miljøbeskyttelse og genanvendelse tilskynder virksomheder til at lede efter nye materialer, såsom biologisk nedbrydelige materialer. Den polymælkesyre, der ekstraheres fra planter såsom rødbeder eller majs, er et godt eksempel. Det bruges i øjeblikket til absorberbare suturer, til udskiftning af plastposer eller endda til plastkasser.
Visse miljøaspekter får os til at gennemgå vores måde at bruge materialer på. Den genbrug af materialer er indstillet til at udvikle sig. For eksempel inden for mikroelektronik har producenter af fladskærme været konfronteret med den skyhøje pris på indium, og det bliver interessant at genbruge det. Et andet eksempel er den gradvise udtømning af råolieressourcer et problem for den fremtidige produktion af polymerer. Vi skal derfor se efter alternative løsninger ( bioplast ).
Men nogle meget almindeligt anvendte materialer kan stadig ikke genbruges og udgør et reelt miljøproblem. Vi tænker især på naturgummi, visse elastomerer ( styren-butadien osv.), Som stadig er de vigtigste bestanddele af dæk i dag, og termohærdende polymerer. Det er derfor nødvendigt enten at udvikle nye genbrugsprocesser eller at udvikle alternative, mere økologiske materialer, såsom termoplastiske elastomerer .
En række nobelpriser i fysik og kemi er relateret til materialevidenskab: