재료과학

Materials science
주사 전자 현미경으로 이미지화한, 7개의 결정학적 평면을 보여주는 다이아몬드 직육면체
Six classes of conventional engineering materials.
기존 엔지니어링 재료의 6가지 클래스

재료과학은 재료를 연구하고 발견하는 학제간 분야입니다.재료 공학(Materials Engineering)은 다른 분야와 산업에서 재료의 용도를 찾는 공학 분야입니다.

재료 과학의 지적인 기원은 연구자들이 야금학과 광물학에서 [1][2]고대의 현상학적인 관찰을 이해하기 위해 화학, 물리학 그리고 공학으로부터 분석적인 사고를 사용하기 시작한 계몽시대로부터 비롯됩니다.재료 과학은 여전히 물리학, 화학, 그리고 공학의 요소들을 포함합니다.이처럼 학문기관들은 오랫동안 이들 관련 분야의 하위 분야로 간주해 왔습니다.1940년대부터, 재료 과학은 과학과 공학의 구체적이고 독특한 분야로 더 널리 인식되기 시작했고, 세계의 주요 기술 대학들은 그것의 연구를 위해 전용 학교를 만들었습니다.

재료 과학자들은 재료의 역사가 재료의 구조에 어떻게 영향을 미치며 따라서 재료의 특성과 성능을 이해하는 것을 강조합니다.가공-구조-속성 관계를 이해하는 것을 재료 패러다임이라고 합니다.이 패러다임은 나노기술, 생체재료, 야금학 등 다양한 연구 분야에서 이해를 증진시키기 위해 사용됩니다.

재료 과학은 법의학 공학 및 고장 분석의 중요한 부분이기도 합니다. 즉, 고장을 일으키거나 의도한 대로 작동하지 않는 재료, 제품, 구조 또는 구성 요소를 조사하는 것입니다.그러한 조사는 예를 들어, 다양한 항공 사고와 사건의 원인을 이해하는 데 핵심적입니다.

역사

주요 기사:재료과학의 역사
후기 청동기시대의 검 또는 단검날

주어진 시대의 선택의 소재는 종종 정의의 지점이 됩니다.석기시대, 청동기시대, 철기시대, 철기시대와 같은 단계는 임의적인 예라면 역사적인 것입니다.원래 세라믹 제조와 그 파생 파생 야금학에서 파생된 재료 과학은 공학 및 응용 [3]과학의 가장 오래된 형태 중 하나입니다.현대 재료 과학은 불을 사용하는 것으로부터 진화한 야금학으로부터 직접적으로 진화했습니다.물질에 대한 이해의 중요한 돌파구는 19세기 후반에 미국 과학자 조시아 윌러드 깁스가 다양한 단계에서 원자 구조와 관련된 열역학적 특성이 [4]물질의 물리적 특성과 관련이 있다는 것을 증명했을 때 발생했습니다.현대 재료 과학의 중요한 요소는 우주 경쟁의 산물이었습니다. 금속 합금과 실리카와 탄소 재료에 대한 이해와 공학은 우주 탐사를 가능하게 하는 우주선을 만드는 데 사용되었습니다.재료 과학은 고무, 플라스틱, 반도체, 생체 재료와 같은 혁명적인 기술의 발전을 이끌었고, 그에 의해 주도되었습니다.

1960년대 이전에는(그리고 그 후 수십 년이 지난 경우도 있었습니다), 금속과 세라믹에 대한 19세기와 20세기 초의 강조를 반영하듯, 많은 궁극적인 재료 과학 부서는 야금학 또는 세라믹 공학 부서였습니다.미국에서 재료 과학의 성장은 1960년대 초 대학이 주최한 일련의 실험실에 자금을 지원한 "재료 [5]과학의 기초 연구와 훈련의 국가적 프로그램을 확장하기 위해" 부분적으로 촉진되었습니다.기계 공학과 비교하여, 초기 재료 과학 분야는 거시적 수준에서 재료를 다루고 재료가 미시적 [6]수준에서 행동에 대한 지식을 기반으로 설계된다는 접근 방식에 중점을 두었습니다.물질의 전반적인 특성뿐만 아니라 원자와 분자 공정 사이의 연결에 대한 지식이 확장되었기 때문에, 물질의 설계는 구체적인 원하는 [6]특성에 기초하게 되었습니다.이후 재료과학 분야는 세라믹, 고분자, 반도체, 자성물질, 생체물질, 나노물질 등 모든 종류의 물질로 확대되어 일반적으로 세라믹, 금속, 고분자의 세 가지로 분류되고 있습니다.최근 수십 년간 물질 과학의 두드러진 변화는 새로운 물질을 찾고, 특성을 예측하고, 현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 적극적으로 사용하는 것입니다.

펀더멘털

사면체 형태로 표현되는 재료 패러다임

물질은 특정 [7]용도에 사용하기 위한 물질(대부분 고체이지만 다른 응축된 상도 포함될 수 있음)로 정의됩니다.우리 주변에는 무수히 많은 물질들이 있습니다; 그것들은 건물과 자동차에서부터 우주선에 이르기까지 어떤 것에서도 발견될 수 있습니다.주요 재료 종류는 금속, 반도체, 세라믹, 고분자 [8]등입니다.나노 소재, 바이오 소재,[9] 에너지 소재 등이 개발되고 있는 신·첨단 소재.

재료 과학의 기초는 재료의 구조와 그 재료를 만드는 가공 방법 그리고 결과적인 재료 특성 사이의 상호작용을 연구하는 것입니다.이들의 복잡한 조합은 특정 응용 분야에서 재료의 성능을 만들어냅니다.다양한 길이에 걸쳐 다양한 기능이 구성 화학 요소, 미세 구조 및 가공의 거시적 기능에 이르기까지 재료 성능에 영향을 미칩니다.열역학 및 운동학 재료의 법칙과 함께 과학자들은 재료를 이해하고 개선하는 것을 목표로 합니다.

구조.

구조는 재료 과학 분야에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다.이 분야의 정의는 바로 [10]"물질의 구조와 특성 사이에 존재하는 관계"의 조사와 관련이 있다는 것입니다.재료 과학은 원자 규모에서 거시 [3]규모까지 물질의 구조를 조사합니다.특성화는 물질 과학자들이 물질의 구조를 조사하는 방법입니다.여기에는 X선, 전자 또는 중성자와의 회절과 같은 방법과 라만 분광법, 에너지 분산 분광법, 크로마토그래피, 열 분석, 전자 현미경 분석 등 다양한 형태의 분광법 및 화학 분석이 포함됩니다.

구조는 다음과 같은 수준으로 연구됩니다.

원자 구조

원자 구조는 물질들의 원자들과 그것들이 어떻게 배열되어 분자, 결정 등을 낳는지를 다룹니다.재료의 전기적, 자기적, 화학적 특성의 대부분은 이러한 수준의 구조에서 발생합니다.관련된 길이 척도는 옹스트롬(Å) 단위입니다.화학적 결합과 원자 배열(결정학)은 모든 물질의 특성과 거동을 연구하는 데 기본적인 역할을 합니다.

본딩
주요 기사:화학결합

물질의 구조와 그것이 어떻게 그것의 특성과 관련이 있는지에 대한 완전한 이해를 얻기 위해, 물질 과학자는 어떻게 다른 원자, 이온, 분자들이 서로 배열되고 결합되는지 연구해야만 합니다.이것은 양자 화학이나 양자 물리학의 연구와 사용을 포함합니다.고체 물리학, 고체 화학, 물리 화학 또한 결합과 구조 연구에 참여하고 있습니다.

결정학
주요 기사:결정학
화학식3[11] ABX를 갖는 페로브스카이트의 결정구조

결정학은 결정성 고체의 원자 배열을 조사하는 과학입니다.결정학은 재료 과학자들에게 유용한 도구입니다.단결정에서 원자의 결정 배열의 영향은 종종 거시적으로 쉽게 볼 수 있는데, 이는 결정의 자연적인 형태가 원자 구조를 반영하기 때문입니다.또한 물리적 특성은 종종 결정 결함에 의해 조절됩니다.결정 구조에 대한 이해는 결정학적 결함을 이해하기 위한 중요한 전제조건입니다.대부분, 물질은 단결정으로 발생하는 것이 아니라 다결정 형태로, 방향이 다른 작은 결정 또는 알갱이들의 집합체로 발생합니다.이 때문에 결정수가 많은 다결정 시료의 회절 패턴을 이용하는 분말 회절법은 구조 결정에 중요한 역할을 합니다.대부분의 물질들은 결정구조를 가지고 있지만, 일부 중요한 물질들은 규칙적인 결정구조를 나타내지 않습니다.폴리머는 다양한 결정도를 나타내며, 많은 것들이 완전히 비결정성입니다.유리, 일부 도자기, 그리고 많은 천연 물질들은 비정질이며, 원자 배열에 있어서 어떠한 장거리 질서도 가지고 있지 않습니다.고분자에 대한 연구는 열역학적이고 기계적인 물리적 특성에 대한 기술을 제공하기 위해 화학적 열역학과 통계적 열역학의 요소들을 결합합니다.

나노구조

주요 기사:나노구조
벅민스터플러렌 나노구조

원자와 분자가 나노 스케일에서 구성 요소를 형성하는 물질(즉, 나노 구조를 형성하는 물질)을 나노 물질이라고 합니다.나노 물질은 그것들이 보여주는 독특한 특성 때문에 재료 과학계에서 집중적인 연구의 대상이 되고 있습니다.

나노구조는 1-100 nm [12]범위에 있는 물체와 구조를 다룹니다.많은 물질들에서 원자나 분자들은 나노크기의 물체들을 형성하기 위해 함께 뭉쳐집니다.이로 인해 많은 흥미로운 전기적, 자기적, 광학적, 기계적 특성이 발생합니다.

나노 구조를 기술함에 있어서, 나노 스케일 상의 치수의 수를 구별하는 것이 필요합니다.

나노 텍스쳐 표면은 나노 스케일에서 하나의 차원을 갖습니다. 즉, 물체 표면의 두께는 0.1에서 100 nm 사이입니다.

나노튜브는 나노 스케일에서 두 가지 차원을 갖는데, 즉, 튜브의 직경이 0.1에서 100 nm 사이입니다. 그것의 길이는 훨씬 더 클 수 있습니다.

마지막으로, 구형 나노 입자는 나노 스케일 상에서 3개의 차원을 갖는데, 즉 입자는 각 공간 차원에서 0.1에서 100 nm 사이에 있습니다.나노 입자와 초미세 입자(UFP)라는 용어는 종종 동의어로 사용되지만 UFP는 마이크로미터 범위까지 도달할 수 있습니다.자기 기술을 지칭할 때 '나노구조'라는 용어가 자주 사용됩니다.생물학에서 나노 스케일의 구조는 종종 초구조라고 불립니다.

미세구조

주요 기사:미세구조
펄라이트 미세구조

미세구조는 25배 배율 이상의 현미경으로 드러난 준비된 표면 또는 얇은 재료 호일의 구조로 정의됩니다.그것은 100 nm에서 수 cm의 물체를 다룹니다.재료의 미세구조(대개 금속성, 고분자성, 세라믹 및 복합재로 분류될 수 있음)는 강도, 인성, 연성, 경도, 내식성, 고온/저온 거동, 내마모성 등과 같은 물리적 특성에 강한 영향을 미칠 수 있습니다.대부분의 전통적인 재료(금속 및 세라믹 등)는 미세구조화되어 있습니다.

물질의 완벽한 결정을 만드는 것은 물리적으로 불가능합니다.예를 들어, 모든 결정질 물질에는 침전물, 결정립 경계(홀-페치 관계), 빈 공간, 중간 원자 또는 대체 원자와 같은 결함이 포함됩니다.재료의 미세 구조는 이러한 더 큰 결함을 드러내며 시뮬레이션의 발전은 결함이 재료 특성을 향상시키는 데 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 이해를 높일 수 있게 했습니다.

거시구조

거시구조는 밀리미터에서 밀리미터의 스케일로 보이는 물질의 외형이며, 육안으로 보는 물질의 구조입니다.

특성.

주요 기사:재료 특성 목록

재료는 다음을 포함하여 무수히 많은 특성을 보입니다.

재료의 특성에 따라 재료의 유용성과 공학적 응용이 결정됩니다.

처리.

합성 및 가공은 원하는 미세 나노 구조를 갖는 재료를 생성하는 것을 포함합니다.소재의 경제적인 생산 방법이 개발되지 않은 경우에는 산업에 사용할 수 없습니다.따라서, 합리적으로 효과적이고 비용 효율적인 재료의 가공 방법을 개발하는 것은 재료 과학 분야에서 매우 중요합니다.재료에 따라 다른 가공 또는 합성 방법이 필요합니다.예를 들어, 금속 가공은 청동기 시대와 철기 시대와 같은 역사적으로 정의된 시대를 가지고 있으며 물리적 야금학이라는 이름의 재료 과학 분야에서 연구됩니다.화학적, 물리적 방법은 또한 고분자, 세라믹, 반도체 및 박막과 같은 다른 물질을 합성하는 데 사용됩니다.21세기 초 현재 그래핀과 같은 나노 물질을 합성하기 위한 새로운 방법들이 개발되고 있습니다.

열역학

주요 기사:열역학
공융점을 표시하는 이진 시스템의 위상도

열역학은 열과 온도, 그리고 에너지와 일과의 관계에 관한 것입니다.그것은 내부 에너지, 엔트로피, 그리고 압력과 같은, 물질이나 방사선의 한 물체를 부분적으로 설명하는 거시적인 변수들을 정의합니다.이러한 변수의 동작은 모든 재료에 공통적으로 적용되는 일반적인 제약 조건에 따라 결정됩니다.이러한 일반적인 제약 조건은 열역학의 네 가지 법칙으로 표현됩니다.열역학은 분자와 같은 매우 많은 수의 미세한 구성 요소의 미세한 행동이 아니라, 신체의 부피 행동을 설명합니다.이러한 미세한 입자의 거동은 통계역학에 의해 기술되고 열역학의 법칙이 유도됩니다.

열역학에 대한 연구는 재료 과학의 기초입니다.화학반응, 자성, 분극성, 탄성을 포함한 재료과학과 공학의 일반적인 현상을 다루는 기초를 형성합니다.위상 다이어그램과 같은 기본적인 도구와 위상 평형과 같은 개념을 설명합니다.

운동학

주요 기사:화학동역학

화학동역학은 평형을 벗어난 계들이 다양한 힘의 영향을 받아 변화하는 속도를 연구하는 학문입니다.재료과학에 적용될 때, 그것은 어떤 분야의 적용으로 인해 물질이 시간에 따라 어떻게 변하는지(비평형에서, 그것은 어떤 분야의 적용으로 인해 (비평형 상태에서 평형 상태로 이동합니다.형상, 크기, 구성, 구조 등 재료의 다양한 공정의 발전 속도를 상세히 설명합니다.확산은 물질이 변화를 겪는 가장 일반적인 메커니즘이기 때문에 운동학 연구에서 중요합니다.동역학은 재료의 가공에서 필수적인데, 그 이유는 무엇보다도 열을 가함에 따라 미세 구조가 어떻게 변하는지를 자세히 설명하기 때문입니다.

조사.

재료 과학은 매우 활발한 연구 분야입니다.재료과학과와 함께, 물리학과, 화학과, 그리고 많은 공학과들이 재료 연구에 참여하고 있습니다.재료 연구는 광범위한 주제를 다루고 있으며, 다음의 비소진 목록은 몇 가지 중요한 연구 분야를 강조합니다.

나노물질

주요 기사:나노물질
탄소나노튜브 다발의 주사전자현미경 이미지

나노 물질은 원칙적으로 단일 단위의 크기가 1 ~ 1000 나노미터(10미터−9)이지만 일반적으로 1 nm ~ 100 nm인 물질을 설명합니다.나노 재료 연구는 미세 가공 연구를 지원하기 위해 개발된 재료 계측 및 합성의 발전을 사용하여 나노 기술에 대한 재료 과학 기반 접근 방식을 취합니다.나노 스케일의 구조를 갖는 물질은 종종 독특한 광학적, 전자적 또는 기계적 특성을 갖습니다.나노물질 분야는 기존 화학 분야처럼 풀러렌과 같은 유기(탄소 기반) 나노물질과 실리콘과 같은 다른 원소를 기반으로 하는 무기 나노물질로 느슨하게 구성되어 있습니다.나노물질의 예로는 풀러렌, 탄소나노튜브, 나노크리스탈 등이 있습니다.

생체재료

주요 기사:생체재료
노틸러스 껍질 안에 있는 무쇠한 향기의 진주

생체 재료는 생물학적 시스템과 상호 작용하는 물질, 표면 또는 구조를 말합니다.생체 재료에 대한 연구는 생체 재료 과학이라고 불립니다.많은 회사들이 신제품 개발에 많은 돈을 투자하면서, 그것의 역사를 통해 꾸준하고 강력한 성장을 경험했습니다.생체 재료 과학은 의학, 생물학, 화학, 조직 공학, 재료 과학의 요소를 포함합니다.

생체 재료는 자연으로부터 유도되거나 실험실에서 금속 성분, 고분자, 생체 세라믹 또는 복합 재료를 사용하는 다양한 화학적 접근법을 사용하여 합성될 수 있습니다.이들은 종종 자연적 기능을 수행, 증강 또는 대체하는 생체의료기기와 같은 의료적 응용을 위해 의도되거나 적응됩니다.이러한 기능은 심장 판막에 사용되는 것과 같이 양성일 수도 있고 하이드록실 아파타이트로 코팅된 고관절 임플란트와 같이 더 상호작용적인 기능을 가진 생체 활성일 수도 있습니다.생체 재료는 치과, 수술, 약물 전달에도 매일 사용됩니다.예를 들어, 함침된 의약품이 들어 있는 구조물을 체내에 배치할 수 있으며, 이는 약물이 장기간에 걸쳐 방출되는 것을 허용합니다.생체 재료는 장기 이식 재료로 사용되는 자가 이식, 동종 이식 또는 이종 이식일 수도 있습니다.

전자, 광학, 자기

음지수메타물질[13][14]

반도체, 금속 및 세라믹은 오늘날 집적 전자 회로, 광전자 장치 및 자기 및 광학 질량 저장 매체와 같은 매우 복잡한 시스템을 형성하는 데 사용됩니다.이 재료들은 현대 컴퓨팅 세계의 기초를 형성하며, 따라서 이 재료들에 대한 연구는 매우 중요합니다.

반도체는 이러한 종류의 물질의 전통적인 예입니다.도체와 절연체 사이의 중간적인 특성을 가진 물질입니다.이들의 전기 전도성은 불순물의 농도에 매우 민감하며, 이를 통해 도핑을 통해 바람직한 전자 특성을 얻을 수 있습니다.따라서 반도체는 전통적인 컴퓨터의 기초를 형성합니다.

이 분야에는 초전도 소재, 스핀트로닉스, 메타소재 등 새로운 연구 분야도 포함됩니다.이러한 물질에 대한 연구는 물질 과학과 고체 물리학 또는 응축 물질 물리학에 대한 지식을 포함합니다.

전산재료학

주요 기사:전산재료학

컴퓨팅 성능이 지속적으로 향상됨에 따라 재료의 동작을 시뮬레이션하는 것이 가능해졌습니다.이를 통해 재료 과학자들은 거동과 메커니즘을 이해하고, 새로운 재료를 설계하며, 이전에는 잘 이해되지 않았던 특성을 설명할 수 있습니다.통합 계산 재료 공학을 둘러싼 노력은 이제 주어진 응용 프로그램에 대한 재료 특성을 최적화하는 시간과 노력을 대폭 줄이기 위해 계산 방법을 실험과 결합하는 데 초점을 맞추고 있습니다.이것은 밀도 함수 이론, 분자 역학, 몬테카를로, 전위 역학, 위상장, 유한 요소 등의 방법을 사용하여 모든 길이 척도의 재료를 시뮬레이션하는 것을 포함합니다.

산업

세라믹(유리), 금속(알루미늄), 폴리머(플라스틱) 세 가지 재질의 음료 용기.

근본적인 재료의 발전은 새로운 제품이나 심지어 새로운 산업의 창출을 촉진할 수 있지만, 안정적인 산업은 또한 재료 과학자를 고용하여 점진적인 개선을 하고 현재 사용되는 재료의 문제를 해결합니다.재료 과학의 산업적 응용은 재료 설계, 재료의 산업 생산에서의 비용-편익 트레이드오프, 가공 방법(캐스팅, 압연, 용접, 이온 주입, 결정 성장, 박막 증착, 소결, 유리 송풍 등) 및 분석 방법(전자 현미경, X-ra와 같은 특성화 방법)을 포함합니다.y 회절, 열량 측정, 핵 현미경(HEFIB), 러더퍼드 후방 산란, 중성자 회절, 작은 각도의 X선 산란(SAXS) 등.

재료 특성화 이외에도 재료 과학자 또는 엔지니어는 재료를 추출하고 유용한 형태로 변환하는 것도 다룹니다.따라서 잉곳 주조법, 주조법, 고로 추출법, 전해 추출법 등은 모두 재료 엔지니어에게 필요한 지식의 일부입니다.종종 벌크 물질에서 2차 원소와 화합물의 존재, 부재 또는 미세량의 변화는 생성된 물질의 최종 특성에 큰 영향을 미칩니다.예를 들어, 강철은 탄소 및 기타 합금 원소의 1/10 중량%와 1/100 중량%를 기준으로 분류됩니다.따라서 고로에서 철을 추출하기 위해 사용되는 추출 및 정제 방법은 생산되는 강철의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

고체 물질은 일반적으로 세라믹, 금속 및 폴리머의 세 가지 기본 분류로 분류됩니다.이 광범위한 분류는 고체 물질의 경험적 구성과 원자 구조에 기초하고 있으며, 대부분의 고체는 이러한 광범위한 [15]분류 중 하나에 속합니다.이러한 각각의 재료 타입으로 제조되는 것이 일반적인 것은 음료 용기입니다.이에 따라 음료 용기에 사용되는 재료 유형은 사용되는 재료에 따라 상이한 장단점을 제공합니다.세라믹(유리) 용기는 광학적으로 투명하고 이산화탄소의 통과에 영향을 받지 않으며 비교적 가격이 저렴하며 재활용이 용이하지만 무겁고 쉽게 파손됩니다.금속(알루미늄 합금)은 비교적 강하고 이산화탄소 확산을 막는 좋은 장벽이며 재활용이 용이합니다.그러나 캔은 불투명하고, 생산하는 데 비용이 많이 들고, 쉽게 찌그러지고 구멍이 납니다.폴리머(폴리에틸렌 플라스틱)는 비교적 강하고, 광학적으로 투명할 수 있고, 저렴하고, 경량이며, 재활용이 가능하지만, 알루미늄 및 유리만큼 이산화탄소의 통과에 스며들지 않습니다.

도자기와 안경

주요 기사:도자기
SiN34 세라믹 베어링 부품

재료 과학의 또 다른 응용 분야는 세라믹과 유리, 전형적으로 산업적 관련성이 있는 가장 부서지기 쉬운 재료에 대한 연구입니다.많은 세라믹 및 유리는 기본 구성 요소로서 SiO(실리카)와2 공유 또는 이온-공유 결합을 나타냅니다.도자기는 날 것의 불에 타지 않은 점토와 혼동하지 않는 것으로 보통 결정형으로 보입니다.대부분의 상업용 유리는 실리카와 융합된 금속 산화물을 포함합니다.유리를 준비하는 데 사용되는 고온에서 재료는 점성 액체로 냉각 시에 무질서한 상태로 응고됩니다.유리창과 안경이 중요한 예입니다.유리 섬유는 장거리 통신과 광 전송에도 사용됩니다.스크래치에 강한 코닝 고릴라 글래스는 공통 부품의 특성을 획기적으로 개선하기 위해 재료 과학을 적용한 잘 알려진 예입니다.

엔지니어링 세라믹은 고온, 압축 및 전기 응력 하에서 강성과 안정성을 갖는 것으로 알려져 있습니다.알루미나, 탄화규소 및 탄화텅스텐은 바인더로 소결하는 과정에서 구성 성분의 미세 분말로 제조됩니다.열간 압착은 고밀도의 소재를 제공합니다.화학기상증착법은 세라믹의 막을 다른 물질 위에 놓을 수 있습니다.서멧은 일부 금속을 함유하고 있는 세라믹 입자입니다.공구의 내마모성은 코발트와 니켈의 금속상이 일반적으로 특성을 수정하기 위해 첨가된 시멘트 탄화물로부터 유도됩니다.

세라믹은 균열 [16]편향의 원리를 이용하여 공학적 응용을 위해 크게 강화될 수 있습니다.이 프로세스는 세라믹 매트릭스 내에 2상 입자를 전략적으로 추가하여 균열 전파를 지시하고 제어하기 위해 형상, 크기 및 분포를 최적화합니다.이러한 방법은 파괴 인성을 향상시켜 다양한 [17]산업 분야에서 진보된 고성능 세라믹을 개발할 수 있는 길을 열어줍니다.

합성물

주요 기사:복합재료
직경 6 μm의 탄소 필라멘트(왼쪽 아래에서 오른쪽 위까지)가 훨씬 더 큰 사람의 머리카락 위에 놓여 있습니다.

산업에서 재료 과학의 또 다른 응용 분야는 복합 재료를 만드는 것입니다.이들은 2개 이상의 거시적 상으로 구성된 구조화된 물질입니다.

강철로 보강된 콘크리트와 같은 구조적 요소부터 지구 대기권으로 재진입하는 열로부터 우주왕복선의 표면을 보호하는 데 사용되는 나사의 우주왕복선 열 보호 시스템에 핵심적이고 필수적인 역할을 하는 단열 타일에 이르기까지 다양한 응용 분야가 있습니다.한 가지 예로, 1,510°C(2,750°F)까지 재진입 온도를 견디고 우주왕복선의 날개 가장자리와 노즈 [18]캡을 보호하는 연회색 소재인 강화 탄소-탄소(RCC)가 있습니다.RCC는 그라파이트 레이온 천으로 제조되고 페놀 수지가 함침된 적층 복합 재료입니다.오토클레이브(autoclave)에서 고온 경화된 후, 적층체를 열분해하여 수지를 탄소로 전환하고, 진공 챔버에서 퍼퓨릴 알코올을 함침시킨 후 경화-열분해하여 퍼퓨릴 알코올을 탄소로 전환합니다.재사용성을 위해 산화 저항성을 제공하기 위해, RCC의 외부 층은 탄화규소로 변환됩니다.

다른 예들은 텔레비전 세트, 휴대폰 등의 "플라스틱" 케이스에서 볼 수 있습니다.이러한 플라스틱 케이스는 보통 강도, 벌크 또는 정전기 분산을 추가하기 위해 탄산칼슘 분필, 탈크, 유리 섬유 또는 탄소 섬유가 첨가된 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 열가소성 매트릭스로 구성된 복합 재료입니다.이러한 첨가물은 목적에 따라 강화 섬유 또는 분산제로 명명될 수 있습니다.

폴리머

주요 기사:폴리머
고분자 폴리프로필렌의 반복 단위
폴리스티렌 폴리머 포장 확대

고분자는 사슬처럼 연결된 다수의 동일한 성분들로 이루어진 화학적 화합물입니다.폴리머는 흔히 플라스틱과 고무라고 불리는 것을 만드는 데 사용되는 원료(수지)입니다.플라스틱과 고무는 가공 과정에서 수지에 하나 이상의 고분자 또는 첨가제를 첨가한 후 최종 형태로 형성되는 최종 제품입니다.이전 및 현재 널리 사용되고 있는 플라스틱은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴, 폴리우레탄 및 폴리카보네이트를 포함합니다.고무에는 천연 고무, 스티렌 부타디엔 고무, 클로로프렌 및 부타디엔 고무가 포함됩니다.플라스틱은 일반적으로 상품, 특수 및 엔지니어링 플라스틱으로 분류됩니다.

폴리염화비닐(PVC)은 널리 사용되며 가격이 저렴하고 연간 생산량이 많습니다.인공 가죽에서부터 전기 절연, 케이블, 포장, 용기에 이르기까지 다양한 용도에 적합합니다.그것의 제작과 가공은 단순하고 잘 되어 있습니다.PVC의 다재다능함은 다양한 가소제 및 기타 첨가제를 [19]수용할 수 있기 때문입니다.고분자과학에서 "첨가제"란 고분자의 물질적 성질을 변형시키기 위해 고분자 염기에 첨가하는 화학물질 및 화합물을 말합니다.

폴리카보네이트는 일반적으로 엔지니어링 플라스틱으로 간주됩니다(다른 예로는 PEEK, ABS 등이 있습니다).이러한 플라스틱은 우수한 강도 및 기타 특수한 재료 특성으로 평가됩니다.그것들은 일반적으로 일회용 플라스틱과 달리 사용되지 않습니다.

특수 플라스틱은 초고강도, 전기전도성, 전기형광, 높은 열안정성 등 독특한 특성을 가진 소재입니다.

다양한 종류의 플라스틱 사이의 구분선은 재질에 따라가 아니라 그 특성과 용도에 따라 달라집니다.예를 들어, 폴리에틸렌(PE)은 쇼핑 및 쓰레기 등을 위한 일회용 봉투를 만드는 데 일반적으로 사용되는 값싸고 저마찰 폴리머로서, 상품 플라스틱으로 간주되는 반면, 중밀도 폴리에틸렌(MDPE)은 지하 가스 및 수도관,초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)이라 불리는 또 다른 품종은 엔지니어링 플라스틱으로 산업 장비의 글라이드 레일과 이식된 고관절에서 저마찰 소켓으로 광범위하게 사용됩니다.

금속합금

주요 기사:합금
강철합금으로 만든 와이어로프

철의 합금(강철, 스테인리스강, 주철, 공구강, 합금강)은 오늘날 금속의 양과 상업적 가치 모두에서 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다.

다양한 비율의 탄소와 합금화된 철은 저탄소, 중탄소 및 고탄소 강을 제공합니다.철-탄소 합금은 탄소 수준이 0.01~2.00 중량%인 경우에만 강철로 간주됩니다.강철의 경우, 강철의 경도와 인장 강도는 존재하는 탄소의 양과 관련이 있으며, 탄소 수준이 증가하면 연성 및 인성이 저하됩니다.그러나 퀀칭(Quenching) 및 템퍼링(tempering)과 같은 열처리 공정은 이러한 특성을 크게 변화시킬 수 있습니다.주철은 탄소가 6.67% 미만이면서 2.00% 이상인 철-탄소 합금으로 정의됩니다.스테인리스강은 크롬의 합금 함량이 10 중량%를 초과하는 일반 강 합금으로 정의됩니다.니켈과 몰리브덴은 일반적으로 스테인리스강에도 첨가됩니다.

다른 중요한 금속 합금으로는 알루미늄, 티타늄, 구리 및 마그네슘 합금이 있습니다.구리 합금은 오랫동안(청동기 시대부터) 알려져 왔지만, 다른 세 금속의 합금은 비교적 최근에 개발되었습니다.이들 금속의 화학적 반응성으로 인해 필요한 전해 추출 공정은 비교적 최근에야 개발되었습니다.알루미늄, 티타늄 및 마그네슘의 합금은 중량비 대비 강도가 높고 마그네슘의 경우 전자파 차폐 기능을 제공하는 것으로도 알려져 있습니다.이러한 재료는 항공우주 산업이나 특정 자동차 공학 응용 분야와 같이 벌크 비용보다 고강도 대 중량비가 더 중요한 상황에 적합합니다.

반도체

반도체는 도체와 절연체 사이에 비저항이 있는 물질입니다.현대의 전자제품은 반도체로 작동하며,[20] 2021년 업계의 시장 규모는 5,300억 달러로 추산됩니다.도핑이라고 불리는 과정에서 불순물을 의도적으로 도입함으로써 전자적 특성이 크게 변화할 수 있습니다.반도체 물질은 다이오드, 트랜지스터, 발광 다이오드(LED), 아날로그 및 디지털 전기 회로 등의 용도로 사용되고 있습니다.반도체 소자는 대부분의 응용 분야에서 진공관과 같은 열이온 소자를 대체하고 있습니다.반도체 장치는 단일 이산 장치로 제조되고 단일 반도체 기판 [21]상에 상호 연결되어 제조되는 장치의 수(수백 개에서 수 백만 개)로 구성된 집적 회로(IC)로 제조됩니다.

오늘날 사용되고 있는 반도체 중에서 실리콘은 양과 상업적 가치 모두에서 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다.단결정 실리콘은 반도체 및 전자 산업에서 사용되는 웨이퍼를 생산하는 데 사용됩니다.갈륨비소(GaAs)는 두 번째로 많이 사용되는 반도체입니다.실리콘에 비해 전자 이동성과 포화 속도가 높기 때문에 고속 전자제품 분야에서 선택할 수 있는 소재입니다.이러한 우수한 특성은 휴대 전화, 위성 통신, 마이크로파 점대점 링크 및 고주파 레이더 시스템에서 GaAs 회로를 사용해야 하는 강력한 이유입니다.다른 반도체 물질로는 게르마늄, 탄화규소, 질화갈륨 등이 있으며 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다.

타분야와의 관계

Google Ngram Viewer - 복합적인 물질 용어의 검색어를 시각화하는 다이어그램(1940–2018)녹색: "물질 과학", 빨간색: "응축 물질 물리학", 파란색: "고체 물리학".

재료 과학은 1950년대를 기점으로 진화했습니다. 왜냐하면 새로운 재료를 만들고 발견하고 설계하기 위해서는 통일된 방식으로 접근해야 한다는 것이 인식되었기 때문입니다.따라서 재료 과학과 공학은 여러 가지 면에서 나타났습니다: 기존의 금속 공학부와 세라믹 공학부의 명칭 변경 및/또는 결합; 기존의 고체 물리학 연구(자체가 응축 물질 물리학으로 성장함)에서 분리; 비교적 새로운 고분자 공학 및 고분자 과학을 끌어들임; 이전의 것에서 재결합.화학, 화학공학, 기계공학, 그리고 전기공학 뿐만 아니라 더 많은 것들이 있습니다.

재료 과학과 공학 분야는 과학적인 관점에서뿐만 아니라 응용 분야에서도 중요합니다.재료는 시스템을 설계할 때 적절한 재료를 사용하는 것이 중요하기 때문에 엔지니어(또는 다른 응용 분야)에게 가장 중요합니다.결과적으로 재료 과학은 엔지니어 교육에서 점점 더 중요한 부분을 차지합니다.

재료 물리학은 재료의 물리적 특성을 설명하기 위해 물리학을 사용하는 것입니다.화학, 고체역학, 고체물리학, 재료과학 등 물리학의 종합입니다.재료 물리학은 응축된 물질 물리학의 부분집합으로 간주되며 기술적 관심이 있는 재료를 포함한 복잡한 다상 매체에 기본적인 응축된 물질 개념을 적용합니다.현재 물질물리학자들이 연구하는 분야는 전자, 광학, 자기 물질, 새로운 물질과 구조, 물질의 양자 현상, 비평형 물리학, 연질응집물질 물리학 등입니다.새로운 실험 및 계산 도구는 재료 시스템이 모델링되고 연구되는 방식을 지속적으로 개선하고 있으며, 재료 물리학자들이 작업할 때 사용되는 분야이기도 합니다.

이 분야는 본질적으로 학제간이며, 과학자나 엔지니어는 물리학자, 화학자, 엔지니어의 방법을 알고 사용해야 합니다.반대로, 생명과학 및 고고학과 같은 분야는 생물학적 영감을 받고 고생물학적 접근법에서 새로운 재료 및 프로세스의 개발에 영감을 줄 수 있습니다.따라서 이들 분야와 밀접한 관계를 유지하고 있습니다.반대로, 많은 물리학자, 화학자 및 엔지니어들은 분야 간의 상당한 중복으로 인해 재료 과학 분야에서 일하고 있습니다.

신흥기술

이머징후 상황 잠재적으로 소외된 기술 잠재적인 응용프로그램 관련기사
에어로겔 가상, 실험, 확산,

초기의 용법

 전통적인 단열재, 유리 향상된 단열재, 투명한 단열재 유리, 송유관용 슬리브, 항공우주, 고열 및 극한 저온 적용
비정질금속 실험 케블러 갑옷
전도성 고분자 연구, 실험, 프로토타입 컨덕터 보다 가볍고 저렴한 전선, 정전기 방지 소재, 유기 태양 전지
펨토테크놀로지, 픽토테크놀로지 가설적 현재 핵 신소재; 핵무기, 전력
풀러렌 실험,확산 합성 다이아몬드 및 탄소나노튜브(버키페이퍼) 프로그램 가능 물질
그래핀 가상, 실험, 확산,

초기의 용법

 실리콘 기반 집적 회로 무게 대비 강도가 높은 부품, 높은 주파수에서 작동하는 트랜지스터, 모바일 장치의 디스플레이 화면 비용 절감, 연료 전지 구동차용 수소 저장, 여과 시스템, 오래 지속되고 빠른 배터리, 질병 진단을 위한[25] 센서 그래핀의 잠재적 응용
고온초전도성 휴대전화 기지국용 극저온 수신기 전단(CRFE) RF 및 마이크로파 필터 시스템; 드라이아이스 시제품; 고온에 대한 가설 및 실험 구리선, 반도체집적회로 무손실 도체, 무마찰 베어링, 자기 부상, 무손실 고용량 축전기, 전기 자동차, 무열 집적 회로 및 프로세서
리트라콘 이미 유럽 게이트를 만드는 데 사용된 실험 유리 유럽문과 같은 초고층 빌딩, 타워, 조형물을 짓습니다.
메타물질 가상, 실험, 확산 고전 광학 현미경, 카메라, 메타물질 클로킹, 클로킹 장치
메탈폼 연구,사업화 헐스 우주 식민지, 떠다니는 도시
다기능 구조[28] 가상, 실험, 시제품, 상업적인 것은 거의 없습니다. 복합재료 자가 건강 모니터링, 자가 치유 물질, 변형 등 광범위한 분야
나노소재 : 탄소나노튜브 가상, 실험, 확산,

초기의 용법

 구조용 강재 및 알루미늄 더 강하고 가벼운 소재의 우주 엘리베이터 탄소나노튜브, 탄소섬유의 잠재적 응용
프로그램 가능 물질 가상, 실험[31][32] 코팅, 촉매 클레이트로닉스, 합성생물학 등 광범위한 분야
양자점 연구, 실험, 프로토타입[33] LCD, LED 양자점 레이저, 향후 디스플레이 기술(TV, 프로젝션), 광 데이터 통신(고속 데이터 전송), 의약(레이저 메스) 등에서 프로그래밍 가능 물질로 활용
실리센 가설, 연구 전계효과 트랜지스터

하위 학문

재료 과학의 주요 분야는 세라믹, 금속, 고분자, 복합 재료의 네 가지 주요 종류의 재료에서 비롯됩니다.

그 외에도 광범위하게 적용 가능한, 재료 독립적인, 노력이 있습니다.

또한 특정 현상과 기술에 대한 자료 전반에 걸쳐 비교적 광범위한 초점이 있습니다.

관련분야 또는 학제간분야

직업사회

참고 항목

참고문헌

인용문

  1. ^ Eddy, Matthew Daniel (2008). The Language of Mineralogy: John Walker, Chemistry and the Edinburgh Medical School 1750–1800. Ashgate. Archived from the original on 2015-09-03.
  2. ^ Smith, Cyril Stanley (1981). A Search for Structure. MIT Press. ISBN 978-0262191913.
  3. ^ a b Defonseka, Chris (2020). Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives. Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG. p. 31. ISBN 978-3-11-066999-2.
  4. ^ Psillos, Dimitris; Kariotoglou, Petros (2015). Iterative Design of Teaching-Learning Sequences: Introducing the Science of Materials in European Schools. Dordrecht: Springer. p. 79. ISBN 978-94-007-7807-8.
  5. ^ Martin, Joseph D. (2015). "What's in a Name Change? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science" (PDF). Physics in Perspective. 17 (1): 3–32. Bibcode:2015PhP....17....3M. doi:10.1007/s00016-014-0151-7. S2CID 117809375.
  6. ^ a b Channell, David F. (2017). A History of Technoscience: Erasing the Boundaries between Science and Technology. Oxon: Routledge. p. 225. ISBN 978-1-351-97740-1.
  7. ^ "작성자용: Nature Materials" Wayback Machine에서 2010-08-01 보관
  8. ^ 캘리스터, 리스위시 주니어."재료과학공학 – 소개" (8일)존 와일리와 선즈, 2009 pp.5-6
  9. ^ 캘리스터, 리스위시 주니어.재료 과학 및 공학 – 소개(8일).John Wiley and Sons, 2009 pp.10-12
  10. ^ Zagorodni, Andrei A. (2006). Ion Exchange Materials: Properties and Applications. Amsterdam: Elsevier. pp. xi. ISBN 978-0-08-044552-6.
  11. ^ A. Navrotsky (1998). "Energetics and Crystal Chemical Systematics among Ilmenite, Lithium Niobate, and Perovskite Structures". Chem. Mater. 10 (10): 2787–2793. doi:10.1021/cm9801901.
  12. ^ Cristina Buzea; Ivan Pacheco & Kevin Robbie (2007). "Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity". Biointerphases. 2 (4): MR17–MR71. arXiv:0801.3280. doi:10.1116/1.2815690. PMID 20419892. S2CID 35457219. Archived from the original on 2012-07-03.
  13. ^ Shelby, R. A.; Smith D.R.; Shultz S.; Nemat-Nasser S.C. (2001). "Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial" (PDF). Applied Physics Letters. 78 (4): 489. Bibcode:2001ApPhL..78..489S. doi:10.1063/1.1343489. Archived from the original (PDF) on June 18, 2010.
  14. ^ Smith, D. R.; Padilla, WJ; Vier, DC; Nemat-Nasser, SC; Schultz, S (2000). "Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity". Physical Review Letters. 84 (18): 4184–7. Bibcode:2000PhRvL..84.4184S. doi:10.1103/PhysRevLett.84.4184. PMID 10990641.
  15. ^ Callister, William D.; Rethwish, David G. (2018). Materials Science and Engineering an Introduction (10th ed.). Hoboken, NJ: John Wiley and Sons. p. 12. ISBN 9780470419977.
  16. ^ Faber, K. T.; Evans, A. G. (1983-04-01). "Crack deflection processes—I. Theory". Acta Metallurgica. 31 (4): 565–576. doi:10.1016/0001-6160(83)90046-9. ISSN 0001-6160.
  17. ^ Faber, K. T.; Evans, A. G. (1983-04-01). "Crack deflection processes—II. Experiment". Acta Metallurgica. 31 (4): 577–584. doi:10.1016/0001-6160(83)90047-0. ISSN 0001-6160.
  18. ^ Green, D. (2005). "IPV6 BEnefits to the Warfighter". MILCOM 2005 – 2005 IEEE Military Communications Conference. IEEE. pp. 1–6. doi:10.1109/milcom.2005.1606007. ISBN 0-7803-9393-7. S2CID 31152759.
  19. ^ Bernard, L.; Cueff, R.; Breysse, C.; Décaudin, B.; Sautou, V. (2015-05-15). "Migrability of PVC plasticizers from medical devices into a simulant of infused solutions". International Journal of Pharmaceutics. 485 (1): 341–347. doi:10.1016/j.ijpharm.2015.03.030. ISSN 0378-5173. PMID 25796128.
  20. ^ "Semiconductor Market Size, Share & COVID-19 Impact Analysis, By Component (Memory Devices, Logic Devices, Analog IC, MPU, Discrete Power Devices, MCU, Sensors, and Others), By Application (Networking & Communications, Data Processing, Industrial, Consumer Electronics, Automotive, and Government), and Regional Forecast, 2022–2029". Fortune Business Insights. 16 July 2023. Archived from the original on 11 June 2023. Retrieved 16 July 2023.
  21. ^ "Semiconductor Industry Careers". 2013-09-06. Archived from the original on 2016-06-04. Retrieved 2016-05-15.
  22. ^ "Sto AG, Cabot Create Aerogel Insulation". Construction Digital. 15 November 2011. Archived from the original on 31 December 2011. Retrieved 18 November 2011.
  23. ^ "Is graphene a miracle material?". BBC Click. 21 May 2011. Retrieved 18 November 2011.
  24. ^ "Could graphene be the new silicon?". The Guardian. 13 November 2011. Archived from the original on 2 September 2013. Retrieved 18 November 2011.
  25. ^ "Applications of Graphene under Development". understandingnano.com. Archived from the original on 2014-09-21.
  26. ^ "The 'new age' of super materials". BBC News. 5 March 2007. Retrieved 27 April 2011.
  27. ^ "Strides in Materials, but No Invisibility Cloak". The New York Times. 8 November 2010. Archived from the original on 1 July 2017. Retrieved 21 April 2011.
  28. ^ NAE 웹사이트: 엔지니어링 최전선 2014-07-28 Wayback Machine에서 보관.Nae.edu .2011년 2월 22일 회수.
  29. ^ "Carbon nanotubes used to make batteries from fabrics". BBC News. 21 January 2010. Retrieved 27 April 2011.
  30. ^ "Researchers One Step Closer to Building Synthetic Brain". Daily Tech. 25 April 2011. Archived from the original on 29 April 2011. Retrieved 27 April 2011.
  31. ^ "Pentagon Developing Shape-Shifting 'Transformers' for Battlefield". Fox News. 10 June 2009. Archived from the original on 5 February 2011. Retrieved 26 April 2011.
  32. ^ "Intel: Programmable matter takes shape". ZD Net. 22 August 2008. Retrieved 2 January 2012.
  33. ^ "'Quantum dots' to boost performance of mobile cameras". BBC News. 22 March 2010. Retrieved 16 April 2011.

서지학

추가열람

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 머티리얼즈 사이언스와 관련된 미디어가 있습니다.
Wikibooks는 다음과 같은 주제의 책을 가지고 있습니다: Materials Science