Նյութագիտություն

Նյութագիտությունը (լատին․՝ նյութ և ռուս.՝ գիտելիք բառերից) գիտության միջառարկայական ճյուղ է, որն ուսումնասիրում է նյութերի հատկությունների փոփոխությունները ինչպես պինդ, այնպես էլ հեղուկ վիճակում՝ կախված որոշ գործոններից։ Ուսումնասիրվող հատկություններից են նյութերի կառուցվածքը, այդ նյութերի էլեկտրոնային, ջերմային, քիմիական, մագնիսական, օպտիկական հատկությունները։ Նյութագիտությանը կարելի է դասել ֆիզիկայի և քիմիայի այն ճյուղերը, որոնք ուսումնասիրում են նյութերի հատկությունները։ Այս գիտությունը օգտագործում է մի շարք մեթոդներ՝ ուսումնասիրելու նյութերի կառուցվածքը։ Արդյունաբերության մեջ գիտատար արտադրանքների արտադրության ժամանակ, հատկապես միկրո և նանո չափերի օբյեկտների հետ աշխատելիս, անհրաժեշտ է մանրամասն իմանալ նյութերի բնութագրերը, հատկությունները և կառուցվածքը։ Այս խնդիրներով զբաղվում է նյութագիտությունը։ Նյութագիտության ծագումը սկսվում է լուսավորչական ժամանակներից, երբ հետազոտողները սկսեցին օգտագործել քիմիայի, ֆիզիկայի և ճարտարագիտության վերլուծական մեթոդները՝ մետաղագործության և հանքաբանության մասին հնագույն դիտարկումները հասկանալու համար։ Նյութագիտությունը ներառում է ֆիզիկայի, քիմիայի և ինժեներական գիտությունների տարրեր։ Որպես այդպիսին, ոլորտը երկար ժամանակ ակադեմիական հաստատությունների կողմից դիտվել է որպես այլ հարակից ոլորտների ենթոլորտ։ Սկսած 1940-ականներից, նյութագիտությունը սկսեց ավելի լայն ճանաչում ձեռք բերել որպես գիտության և տեխնոլոգիայի հստակ ոլորտ, և աշխարհի խոշոր տեխնիկական համալսարանները հիմնեցին հատուկ դպրոցներ դրա ուսումնասիրության համար։

Մշակում-կառուցվածք-հատկություններ հասկացությունների միավորումը կոչվում է նյութերի պարադիգմ։ Այս պարադիգմն օգտագործվում է հետազոտությունների տարբեր ոլորտներում խորը հիմնավորումներ անելու համար, ներառյալ նանոտեխնոլոգիան, կենսանյութերը և մետաղագործությունը։ Նյութագիտությունը դատաբժշկության կարևոր բաղադրիչ է։

Պատմություն

Ժամանակակից նյութագիտությունը առաջացել է մետալուրգիայից, որն իր հերթին առաջացել է հանքարդյունաբերությունից և, հավանաբար, կերամիկայից, իսկ ավելի վաղ՝ կրակի օգտագործումից։ Նյութագիտության առաջընթաց տեղի ունեցավ 19-րդ դարի վերջին, երբ ամերիկացի գիտնական Ջոսիա Ուիլարդ Գիբսը ցույց տվեց, որ թերմոդինամիկական հատկությունները, որոնք կախված են տարբեր փուլերում ատոմային կառուցվածքից, կապված են նյութի ֆիզիկական հատկությունների հետ։ Ներկայիս նյութագիտության զարգացման մեջ կարևոր նշանակություն ունի տիեզերանավերի արտադրությունը.Մետաղական համաձուլվածքները, սիլիցիում և ածխածին պարունակող նյութերի զարգացումը, որոնք օգտագործվում են տիեզերանավերի ստեղծման համար,ժամանակակից նյութագիտության արդյունք են։ Նյութագիտության ոլորտում հետազոտությունների աճը Միացյալ Նահանգներում մասամբ պայմանավորված էր «Advanced Research Projects Agency» կազմակերպությամբ, որը 1960-ականների սկզբին ֆինանսավորեց մի շարք համալսարանական լաբորատորիաներ։ Այդ ժամանակից ի վեր ոլորտն ընդլայնվել է՝ ներառելով տարբեր բնույթի նյութեր՝ կերամիկա, պոլիմերներ, կիսահաղորդիչներ, մագնիսական նյութեր, կենսանյութեր և նանոնյութեր, որոնք սովորաբար բաժանվում են երեք հիմնական խմբերի՝ կերամիկա, մետաղներ և պոլիմերներ։ Վերջին տասնամյակների ընթացքում նյութագիտության մեջ նկատելի փոփոխությունը համակարգչային մոդելավորման ակտիվ օգտագործումն էր՝ նոր նյութեր որոնելու, հատկությունները կանխատեսելու և երևույթները հասկանալու համար։

Հիմունքներ

Նյութագիտությունը հիմնված է նյութերի կառուցվածքի, այդ նյութերի ստացման, մշակման մեթոդների և ստացված նյութերի հատկությունների միջև փոխհարաբերությունների ուսումնասիրման վրա։ Այս բոլոր ասպեկտների բարդ համադրությունը ապահովում է նյութի բնութագրերը։ Բազմաթիվ գործոններ ազդում են նյութի բնութագրերի վրա՝ սկսած դրա բաղկացուցիչ քիմիական տարրերից, միկրոկառուցվածքից և մշակման արդյունքում մակրոսկոպիկ բնութագրերից։ Թերմոդինամիկայի և կինետիկայի օրենքների օգնությամբ նյութերագետները ձգտում են հասկանալ և բարելավել նյութերը։

Կառուցվածք

Կառուցվածքը նյութագիտության ոլորտի կարևորագույն բաղադրիչներից է։ Նյութագիտությունը ուսումնասիրում է նյութերի կառուցվածքը ատոմային մակարդակից մինչև մակրոմակարդակ։ Բնութագրումն այն միջոցն է, որով նյութագետները ուսումնասիրում են նյութի կառուցվածքը։ Օգտագործվում են այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են ռենտգենյան ճառագայթները, էլեկտրոնների կամ նեյտրոնների դիֆրակցիան, ինչպես նաև սպեկտրոսկոպիայի և քիմիական վերլուծության տարբեր ձևեր, ինչպիսիք են Ռամանի սպեկտրոսկոպիան, էներգիայի ցրման սպեկտրոսկոպիան, քրոմատագրությունը, ջերմային անալիզը, էլեկտրոնային մանրադիտակի վերլուծությունը և այլն։

Նյութագիտությունն ուսումնասիրվում է հետևյալ կերպ․

Ատոմային մակարդակ

Սա վերաբերում է նյութերի ատոմների, մոլեկուլների, բյուրեղների և այլնի դասավորվածությանը։ Նյութերի բազմաթիվ էլեկտրական, մագնիսական և քիմիական հատկություններ առաջանում են կառուցվածքի այս մակարդակում։ Օգտագործված չափման սանդղակները անգստրեմներով են (Å): Քիմիական կապը և ատոմների դասավորությունը հիմնարար նշանակություն ունեն ցանկացած նյութի հատկությունների և վարքագծի ուսումնասիրության համար։

Ատոմային կապեր

Նյութի կառուցվածքի և դրա հատկությունների հետ կապված ամբողջական պատկերացում կազմելու համար նյութագետը պետք է ուսումնասիրի, թե ինչպես են տարբեր ատոմները, իոնները և մոլեկուլները դասավորված միմյանց նկատմամբ և կապված միմյանց հետ։ Սա պահանջում է նաև քվանտային քիմիայի կամ քվանտային ֆիզիկայի ուսումնասիրությունն ու օգտագործումը։ Անալիտիկ քիմիան և ֆիզիկական քիմիան նույնպեսզբաղվում են ատոմային կապերի և կառուցվածքի ուսումնասիրությամբ։

Բյուրեղագրություն

Բյուրեղագրությունը գիտություն է, որն ուսումնասիրում է ատոմների դասավորությունը բյուրեղային պինդ մարմիններում։ Բյուրեղագրության իմացությունն օգտակար է նյութագետների համար։ Մոնոբյուրեղներում ատոմների բյուրեղային դասավորութունը հաճախ հեշտ է տեսնել մակրոսկոպիկ մակարդակում, քանի որ բյուրեղների բնական ձևերն արտացոլում են ատոմային կառուցվածքը։ Բացի այդ, ֆիզիկական հատկությունները, հաճախ, հետևանք են են բյուրեղային թերությունների։ Հիմնականում, նյութերը հայտնաբերվում են ոչ թե միաբյուրեղների, այլ բազմաբյուրեղների տեսքով, այսինքն՝ որպես փոքր բյուրեղների կամ տարբեր բյուրեղական ուղղվածությամբ հատիկների հավաքածու։ Այդ իսկ պատճառով, կառուցվածքի որոշման հարցում կարևոր դեր է խաղում փոշի դիֆրակցիոն մեթոդը, որն օգտագործում է բազմաբյուրեղ նմուշներից ստեղծված դիֆրակցիոն նմուշներ ՝ մեծ քանակությամբ բյուրեղներով։ Պինդ նյութերի մեծ մասն ունի բյուրեղային կառուցվածք, սակայն որոշ կարևոր նյութեր չունեն կանոնավոր բյուրեղային կառուցվածք։

Պոլիմերներն ունեն բյուրեղության տարբեր աստիճաններ, և շատերը լիովին ոչ բյուրեղային նյութեր են։ Ապակիները, որոշ կերամիկական ապրանքներ և շատ բնական նյութեր ունեն ամորֆ կառուցվածք․ չունեն ատոմների դասավորության հստակ ձև։ Պոլիմերների ուսումնասիրությունը միավորում է քիմիական և վիճակագրական թերմոդինամիկայի տարրերը՝ տալով դրանց ֆիզիկական հատկությունների թերմոդինամիկական և մեխանիկական նկարագրությունը։

Նանոկառուցվածք

Այն նյութերը, որոնց ատոմներն ու մոլեկուլները միմյանց են միանում նանոմաշտաբային կառուցվածքով (այսինքն՝ նանոկառուցվածք են կազմում), կոչվում են նանոնյութեր։ Նանոնյութերը նյութագիտության ոլորտում ինտենսիվ հետազոտության առարկա են՝ շնորհիվ իրենց ցուցաբերած եզակի հատկությունների։

Նանոկառուցվածքը վերաբերում է այնպիսի նյութերին և կառույցներին, որոնց չափերը տատանվում են 1-ից 100 նմ տիրույթում։ Շատ նյութերում ատոմները կամ մոլեկուլները միավորվում են՝ ձևավորելով նանոմաշտաբային օբյեկտներ։ Սա ապահովում է նանոկառուցվածքների շատ հետաքրքիր էլեկտրական, մագնիսական, օպտիկական և մեխանիկական հատկությունները։ Նանոկառուցվածքները նկարագրելիս անհրաժեշտ է դիտարկել չափումների քանակը նանոդիապազոնում։ Նանոկառուցվածքային մակերեսները նանոմաշտաբով ունեն միայն մեկ չափման հարթություն, այսինքն՝ միայն օբյեկտի մակերեսի հաստությունը 0,1-ից 100 նմ է։ Գնդաձև նանոմասնիկները նանոմասշտաբով ունեն երեք չափման հարթություն, այսինքն՝ մասնիկների չափերը տատանվում են 0,1-ից մինչև 100 նմ յուրաքանչյուր տարածական չափման մեջ։ Նանոմասնիկներ և գերմանր մասնիկներ տերմինները հաճախ օգտագործվում են որպես հոմանիշներ, չնայած դրանց երկուսի չափերն էլ կարող են հասնել միկրոմետրի միջակայքին։ Նանոկառուցվածք տերմինը հաճախ օգտագործվում է մագնիսական տեխնոլոգիաների ոլորտում։ Կենսաբանության մեջ նանոմասշտաբային կառուցվածքը հաճախ կոչվում է ուլտրակառույց։

Միկրոկառուցվածք

Միկրոկառուցվածքը սահմանվում է որպես մակերևույթի կամ նյութի բարակ թիթեղի կառուցվածք, որը երևում է մանրադիտակի տակ ավելի քան 25 անգամ խոշորացնելու դեպքում։ Միկրոկառուցվածքը վերաբերում է այն նյութերին, որոնց չափերը տատանվում են 100 նմ-ից մինչև մի քանի սանտիմետր տիրույթում։ Նյութի միկրոկառուցվածքը կարող է մեծապես ազդել ֆիզիկական հատկությունների վրա, ինչպիսիք են ուժը, ամրությունը, ճկունությունը, կարծրությունը, կոռոզիոն դիմադրությունը և այլն։ Առօրյա կյանքում նյութերի մեծ մասը (օրինակ՝ մետաղներ և կերամիկա) միկրոկառուցվածքներ են։ Նյութից կատարյալ բյուրեղ պատրաստելը ֆիզիկապես անհնար է։ Օրինակ, ցանկացած բյուրեղային նյութ կունենա այնպիսի թերություններ, ինչպիսիք են նստվածքը, հատիկների սահմանները (Հոլ-Փեթչի հարաբերակցությունը), թափուր տեղերը, միջանկյալ ատոմները կամ փոխարինող ատոմները։ Նյութերի միկրոկառուցվածքը բացահայտում է ավելի ակնհայտ թերությունները։ Մոդելավորման առաջընթացը հնարավորություն է տվել ավելի լավ հասկանալ, թե ինչպես կարելի է թերությունները օգտագործել նյութի հատկությունները բարելավելու համար։

Մակրոկառուցվածք

Մակրոկառուցվածքը նյութի՝անզեն աչքով տեսանելի կառուցվածքն է։ Մակրոկառուցվածքը վերաբերում է այնպիսի նյութերին և կառույցներին, որոնց չափերը տատանվում են միլիմետրից մետր տիրույթում։

Բնութագրեր

Նյութերը ցուցաբերում են բազմաթիվ հատկություններ, ներառյալ հետևյալները․

• Մեխանիկական հատկություններ,
• Քիմիական հատկություններ,
• Էլեկտրական հատկություններ,
• Ջերմային հատկություններ,
• Օպտիկական հատկություններ,
• մագնիսային հատկություններ և այլն։

Նյութերի հատկությունները որոշում են դրանց օգտակարությունը և, հետևաբար, դրանց կիրառությունը տարբեր ոլորտներում։

Մշակում

Սինթեզը և մշակումը նպաստում են ցանկալի միկրոնանոկառուցվածքով նյութերի ստեղծմանը։ Ինժեներական տեսանկյունից, նյութը չի կարող օգտագործվել արդյունաբերության մեջ, քանի դեռ դրա համար մշակված չէ արտադրության տնտեսապես կիրառելի մեթոդ։ Այսպիսով, նյութերի մշակումը կարևոր նշանակություն ունի նյութագիտության համար։ Տարբեր նյութեր պահանջում են մշակման կամ սինթեզի տարբեր մեթոդներ։ Օրինակ, մետաղագործությունը պատմականորեն մեծ նշանակություն է ունեցել մարդկության պատմության վրա և ուսումնասիրվում է նյութագիտության «Մետալուրգիա» կոչվող ճյուղի ներքո։ 21-րդ դարի սկզբից մշակվում են գրաֆենի նման նանոնյութերի սինթեզի նոր,ժամանակակից մեթոդներ։

Թերմոդինամիկա

Թերմոդինամիկան ջերմության և ջերմաստիճանի ուսումնասիրությունն է և բացահայտումը կապը էներգիայի և աշխատանքի հետ։ Այն սահմանում է մակրոսկոպիկ փոփոխականներ, ինչպիսիք են ներքին էներգիան, էնտրոպիան և ճնշումը, որոնք մասամբ նկարագրում են նյութը կամ ճառագայթումը։ Թերմոդինամիկայում ասվում է, որ նշված փոփոխականների վարքագիծը ենթակա է ընդհանուր սահմանափակումների բոլոր նյութերի համար:Թերմոդինամիկան նկարագրում է մարմնի հիմնական պահվածքը, այլ ոչ թե նրա բաղկացուցիչ մասերի շատ մեծ քանակի մանրադիտակային վարքագիծը, ինչպիսիք են մոլեկուլները։ Այս մանրադիտակային մասնիկների վարքագիծը նկարագրված է վիճակագրական մեխանիկայի կողմից, և դրանից բխում են թերմոդինամիկայի օրենքները։

Թերմոդինամիկայի ուսումնասիրությունը հիմնարար նշանակություն ունի նյութագիտության համար։ Այն հիմք է հանդիսանում ինժեներական գիտությունների ընդհանուր երևույթների, ներառյալ քիմիական ռեակցիաների, մագնիսականության, բևեռացման և առաձգականության ուսումնասիրության համար։ Այն նաև օգնում է հասկանալ ֆազային դիագրամները և ֆազային հավասարակշռությունը։

Կինետիկա

Քիմիական կինետիկան այն արագության ուսումնասիրությունն է, որով թերմոդինամիկական հավասարակշռությունից դուրս գտնվող համակարգերը փոխվում են տարբեր ուժերի ազդեցության տակ։ Նյութագիտության մեջ այն վերաբերում է նյութը փոփոխմանը ժամանակի ընթացքում (ոչ հավասարակշռության վիճակից անցում դեպի հավասարակշռության վիճակ)՝ որոշակի արտաքին ազդեցության կիրառման պատճառով։ Այն մանրամասն նկարագրում է նյութերում տեղի ունեցող տարբեր գործընթացների արագությունը, ներառյալ ձևը, չափը, կազմը և կառուցվածքը։ Դիֆուզիան կարևոր է կինետիկայի ուսումնասիրության մեջ, քանի որ այն ամենատարածված երևույթն է, որի պատճառով նյութերը փոփոխվում են։ Կինետիկան կարևոր է նյութերի մշակման մեջ, քանի որ, ի թիվս այլ բաների, այն մանրամասնում է, թե ինչպես է փոխվում միկրոկառուցվածքը, երբ կա ջերմության ազդեցություն։

Նանոնյութեր

Նանոնյութեր ենք անվանում այն նյութերը, որոնց մեկ տարրի չափը (առնվազն մեկ հարթությունում) 1-ից 1000 նանոմետր է (10⁻⁹ մետր),բայց, սովորաբար 1 նմ-ից 100 նմ է։ Նանոնյութերի հետազոտությունն օգտագործում է նանոտեխնոլոգիայի նկատմամբ նյութագիտության մոտեցումը՝ օգտագործելով չափագիտության և նյութերի սինթեզի առաջընթացները, որոնք մշակվել են միկրոֆաբրիկացիոն հետազոտություններին աջակցելու համար։ Նանոնյութերը հաճախ ունենում են յուրահատուկ օպտիկական, էլեկտրոնային և մեխանիկական հատկություններ։ Նանոնյութերի օրինակներից են ֆուլերենը,ածխածնային նանոխողովակները, նանոբյուրեղները և այլն։

Կենսանյութեր

Կենսանյութը ցանկացած նյութ, մակերես կամ կառուցվածք է, որը փոխազդում է կենսաբանական համակարգերի հետ։ Կենսանյութերի ուսումնասիրությունը կոչվում է կենսագիտություն։ Իր պատմության ընթացքում այս գիտությունը կայուն և ուժեղ աճ է գրանցել, և շատ ընկերություններ մեծ գումարներ են ներդրել նոր արտադրանքի մշակման համար։ Կենսանյութերի գիտությունը ներառում է բժշկության, կենսաբանության, քիմիայի, հյուսվածքների ճարտարագիտության և նյութագիտության տարրեր։

Կենսանյութերը կարող են կամ վերցվել բնությունից,կամ սինթեզվել լաբորատորիայում՝ օգտագործելով տարբեր քիմիական մոտեցումներ՝ օգտագործելով մետաղական բաղադրիչներ, պոլիմերներ, կենսակերամիկա կամ կոմպոզիտային նյութեր։ Դրանք հաճախ նախագծված կամ հարմարեցված են բժշկական կիրառությունների համար, ինչպիսիք են կենսաբժշկական սարքերը, որոնք կատարում, լրացնում կամ փոխարինում են մարմնի բնական գործառույթներին։ Կենսանյութերն ամեն օր օգտագործվում են նաև ատամնաբուժության, վիրաբուժության և դեղերի նպատակային առաքման մեջ:Կենսանյութը կարող է օգտագործվել ավտոփոխպատվաստման, ալոփոխպատվաստման կամ քսենոփոխպատվաստման համար։

էլեկտրոնային,օպտիկական և մագնիսային նյութեր

Կիսահաղորդիչները, մետաղները և կերամիկան այսօր օգտագործվում են շատ բարդ համակարգեր ձևավորելու համար, ինչպիսիք են ինտեգրված էլեկտրոնային սխեմաները, օպտոէլեկտրոնային սարքերը և մագնիսական, օպտիկական ինֆորմացիայի կրիչներ։ Այս նյութերը կազմում են մեր ժամանակակից հաշվողական աշխարհի հիմքը, և այդ իսկ պատճառով այդ նյութերի ուսումնասիրությունը կենսական նշանակություն ունի։

Նման նյութերի տիպիկ օրինակ են կիսահաղորդիչները։ Սրանք նյութեր են, որոնք ունեն միջանկյալ հատկություններ հաղորդիչների և մեկուսիչների միջև։ Նրանց էլեկտրահաղորդականությունը կախված է խառնուրդների կոնցենտրացիաներից, ինչը թույլ է տալիս լեգիրումն օգտագործել ցանկալի էլեկտրոնային հատկություններին հասնելու համար։ Կիսահաղորդիչները կազմում են տիպիկ համակարգչի հիմքը:Այս ոլորտը ներառում է նաև հետազոտության նոր ոլորտներ, ինչպիսիք են գերհաղորդիչ նյութերը, սպինտրոնիկան, մետանյութերը և այլն։ Այս նյութերի ուսումնասիրությունը պահանջում է նյութագիտության և պինդ վիճակի կամ խտացված նյութի ֆիզիկայի գիտելիքներ։

Թվային մեթոդները նյութագիտության մեջ

Հաշվողական հզորության շարունակական աճման պատճառով հնարավոր է դարձել մոդելավորել նյութերի վարքագիծը։ Սա նյութագետներին թույլ է տալիս հասկանալ վարքագիծն ու մեխանիզմները, նախագծել նոր նյութեր և բացատրել նախկինում վատ հասկացված հատկությունները։ Նյութերի ինտեգրված հաշվողական տեխնիկայի հետ կապված ջանքերը այժմ կենտրոնացած են թվային մեթոդները փորձերի հետ համատեղելու վրա՝ նյութի հատկությունների օպտիմալացման ժամանակն ու ջանքերը կտրուկ նվազեցնելու համար։ Սա ներառում է նյութերի մոդելավորում բոլոր մասշտաբները՝ օգտագործելով այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են խտության ֆունկցիոնալ տեսությունը, մոլեկուլային դինամիկան, Մոնտե Կառլոյի մեթոդը, դիսլոկացիայի դինամիկան,ֆազային դաշտը, վերջին տարրերի մեթոդը և շատ ուրիշներ։

Արդյունաբերություն

Նյութերի ստեղծման արմատական առաջընթացը կարող է խթանել նոր ապրանքների կամ նույնիսկ նոր արդյունաբերության ստեղծմանը, սակայն կայուն արդյունաբերություններն օգտագործում են նաև նյութագետները՝ աստիճանական բարելավումներ անելու և ներկայումս օգտագործվող նյութերի հետ կապված խնդիրները լուծելու համար:Նյութագիտության արդյունաբերական կիրառությունները ենթադրում են նյութերի նախագծում, մշակման տեխնիկա (ձուլում, գլանվածք, եռակցում, իոնների իմպլանտացիա, բյուրեղների աճ, բարակ թաղանթների տեղադրում, սինթերինգ և այլն) և վերլուծական մեթոդներ։ Բնութագրման մեթոդների մեջ մտնում են նաև՝էլեկտրոնային մանրադիտակի օգտագործումը, ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիան, կալորիմետրիան, միջուկային մանրադիտակը, Ռադերֆորդի հետ ցրումը, նեյտրոնային դիֆրակցիան, փոքր անկյան ռենտգենյան ցրումը և այլն։

Նյութերի բնութագրումից բացի, նյութագետը զբաղվում է նյութերի արդյունահանմամբ և դրանք օգտակար ձևերի վերածելով։ Այսպիսով, ձուլակտորների պատրաստումը, ձուլման մեթոդները, պայթուցիկ վառարանով արդյունահանումը և էլեկտրոլիտիկ արդյունահանումը նյութագետից պահանջվող գիտելիքների մի մասն են։

Հաճախ մեծ քանակությամբ երկրորդական տարրերի և միացությունների առկայությունը, բացակայությունը կամ փոփոխությունը մեծապես ազդում է արտադրված նյութերի վերջնական հատկությունների վրա։ Օրինակ՝ պողպատները դասակարգվում են՝ ելնելով 1/10 և 1/100 քաշային տոկոս ածխածնի և դրանց մեջ պարունակվող այլ համաձուլվածքների տարրերից։

Այսպիսով, պայթուցիկ վառարանում երկաթի արդյունահանման համար օգտագործվող արդյունահանման և զտման մեթոդները կարող են ազդել արտադրված պողպատի որակի վրա։

Կերամիկա և ապակի

Նյութագիտության ուսումնասիրման շրջանակներում կերամիկայի և ապակու կառուցվածքներն են, որոնք,սովորաբար, կապված են առավել փխրուն նյութերի հետ։ Կերամիկայի և ապակու քիմիական կապերը կովալենտային և իոն-կովալենտային տիպի են, որոնց հիմնական շինանյութն է սիլիցիումի երկօքսիդը (SiO₂)։ Կերամիկան կարող է լինել փափուկ կամ կարծր։ Ապակիների մեծ մասը պարունակում է սիլիցիումի հետ միաձուլված որևէ մետաղի օքսիդ։ Ապակու պատրաստման համար օգտագործվող նյութը բարձր ջերմաստիճանի դեպքում մածուցիկ հեղուկ է։ Սառչելուց հետո ապակու կառուցվածքն անցնում է ամորֆ վիճակի։ Քերծվածքների նկատմամբ կայուն Corning Gorilla Glass ապակին նյութագիտության կիրառման հայտնի օրինակ է՝ բաղադրիչների հատկությունները զգալիորեն բարելավելու համար։

Տեխնիկական կերամիկաները հայտնի են իրենց կոշտությամբ և կայունությամբ բարձր ջերմաստիճանի, սեղմման և էլեկտրական լարվածության պայմաններում։ Կավահող, սիլիցիումի կարբիդը և վոլֆրամի կարբիդը արտադրվում են իրենց բաղադրամասերի փոշուց՝ կապակցիչով սինթրման գործընթացում:Տաք սեղմումը ապահովում է նյութի ավելի մեծ խտություն։ Քիմիական գոլորշիների նստեցումը կարող է օգտագործվել այլ նյութերի վրա կերամիկական թաղանթներ տեղադրելու համար։ Կերմետները որոշակի մետաղներ պարունակող կերամիկական մասնիկներ են։ Մաշվածության դիմադրությունը ձեռք է բերվում կոբալտի և նիկելի մետաղի ֆազով ցեմենտավորված կարբիդների միջոցով, որոնք սովորաբար ավելացվում են դրանց հատկությունները փոփոխելու համար։

Կոմպոզիտներ

Արդյունաբերության մեջ նյութագիտության մեկ այլ կիրառությունը կոմպոզիտային նյութերի ստեղծումն է։ Սրանք նյութեր են, որոնք բաղկացած են երկու կամ ավելի մակրոսկոպիկ ֆազերից:Կոմպոզիտային նյութերի օրինակներից մեկը ուժեղացված «ածխածին- ածխածին» (RCC) նյութն է։ Այն ունի բաց մոխրագույն երանգ, կարող է դիմակայել մինչև 1510 °C (2750 °F) ջերմաստիճանին և իր հատկությունների շնորհիվ կարող է կիրառվել տիեզերանավերի պատրաստման մեջ։ RCC-ն լամինացված կոմպոզիտային նյութ է, որը պատրաստված է գրաֆիտային վիսկոզ գործվածքից և ներծծված է ֆենոլային խեժով:Ավտոկլավում բարձր ջերմաստիճանում պնդացումից հետո լամինատը պիրոլիզացվում է՝ խեժը վերածվում է ածխածնի, ներծծվում է ֆուրֆուրալ սպիրտով վակուումային խցիկում և ենթարկվում է պիրոլիզի՝ ֆուրֆուրալ սպիրտը ածխածնի վերածելու նպատակով։ Կրկնակի օգտագործման համար օքսիդացման դիմադրություն ապահովելու համար RCC-ի արտաքին շերտերը վերածվում են սիլիցիումի կարբիդի(SiC):

Կոմպոզիտային նյութերի այլ օրինակներ կարելի է տեսնել հեռուստացույցների, բջջային հեռախոսների և այլնի պլաստիկ կորպուսներում։ Այս պլաստիկ կորպուսները,սովորաբար, բաղկացած են ջերմապլաստիկ մատրիցայից, օրինակ՝ ակրիլոնիտրիլ բութադիեն ստիրենից (ABS), որի մեջ ավելացված է կալցիումի կարբոնատ` կավիճ(CaCO₃), տալկով, ապակե կամ ածխածնային մանրաթելերով՝ լրացուցիչ ամրության կամ զանգվածի համար:Այս հավելումները կարող են կոչվել ամրացնող մանրաթելեր կամ ցրիչներ՝ կախված դրանց կիրառման նպատակից։

Պոլիմերներ

Պոլիմերները քիմիական միացություններ են, որոնք բաղկացած են շատ անգամ կրկնվող միատեսակ բաղադրիչից, որոնք միմյանց հետ կապված են շղթաների նման։ Պոլիմերների ուսումնասիրումը նյութագիտության կարևոր մասերից է։ Պոլիմերները հումք են պլաստիկի և կաուչուկի արտադրության համար։ Պլաստիկը և կաուչուկը վերջնական արտադրանք են, որոնք ստեղծվել են վերամշակման ընթացքում խեժին մեկ կամ մի քանի պոլիմերների կամ հավելումների ավելացումից հետո։ Ամենուր տարածված և այժմ լայնորեն կիրառվող պլաստիկի տեսակներն են պոլիէթիլենը, պոլիպրոպիլենը, պոլիվինիլքլորիդը (PVC), պոլիստիրոլը, նեյլոնը, պոլիեսթերը, ակրիլը, պոլիուրեթանները և պոլիկարբոնատները, ինչպես նաև սովորական կաուչուկները՝ բնական կաուչուկը, ստիրոլ-բուտադիեն կաուչուկը, բութադիենային կաուչուկը և այլն։

Պոլիվինիլքլորիդը (PVC) լայնորեն կիրառվում է, հետևաբար,պոլիվինիլքլորիդի արտադրության ծավալը մեծ է։ Այն հարմար է կիրառությունների լայն շրջանակի համար՝ արհեստական կաշվից մինչև էլեկտրական մեկուսացում և մալուխներ, փաթեթավորում և տարաներ:ՊՎՔ-ի օգտագործման լայն շրջանակը պայմանավորված է այլ հավելումների լայն կիրառմամբ, որոնք զգալիորեն փոփոխում են դրա հատկությունները։ Պոլիմերագիտության մեջ «հավելումներ» տերմինը վերաբերում է պոլիմերային հիմքին ավելացված քիմիական նյութերին և միացություններին,որոնք ավելացվում են նյութի հատկությունները փոխելու համար։

Պոլիկարբոնատը համարվում է ինժեներական պլաստիկի օրինակ (այլ օրինակներ են PEEK-ն, ABS-ն)։ Նման պլաստիկները գնահատվում են իրենց գերազանց ամրության և այլ օգտակար նյութական հատկությունների համար։ Նրանք սովորաբար մեկանգամյա օգտագործման համար նախատեսված չեն, ի տարբերություն ապրանքային պլաստիկի։

Հատուկ պլաստիկները եզակի բնութագրերով նյութեր են, ինչպիսիք են գերբարձր ամրությունը,էլեկտրահաղորդականությունը, էլեկտրաֆլուորեսցենտությունը, բարձր ջերմաստիճանի դիմադրությունը և այլն։

Պլաստիկների տարբեր տեսակների տարբերությունները հիմնված են ոչ միայն նյութերի, այլ դրանց հատկությունների և կիրառությունների վրա։ Օրինակ, պոլիէթիլենը էժան,հաճախ կիրառելի պոլիմեր է, որը սովորաբար օգտագործվում է միանգամյա օգտագործման պլաստիկից պատրաստված իրերի և աղբի տոպրակներ պատրաստելու համար։

Այն համարվում է առևտրային պլաստիկ, մինչդեռ միջին խտության պոլիէթիլենը (MDPE) օգտագործվում է ստորգետնյա գազի և ջրի խողովակների համար, իսկ գերբարձր մոլեկուլային քաշի պոլիէթիլենի մեկ այլ տեսակ (UHMWPE) ինժեներական պլաստիկ է, որը լայնորեն օգտագործվում է արդյունաբերական սարքավորումների և իմպլանտացված կոնք-ազդրային հոդերի համար։

Մետաղական համաձուլվածքներ

Մետաղների համաձուլվածքների ուսումնասիրությունը նյութագիտության կարևոր ճյուղ է։ Այսօր օգտագործվող բոլոր մետաղական համաձուլվածքներից երկաթի համաձուլվածքները (պողպատ, չժանգոտվող պողպատ, չուգուն, գործիքային պողպատ, լեգիրված պողպատներ) կազմում են ամենամեծ բաժինը ինչպես քանակական, այնպես էլ առևտրային արժեքով։

Տարբեր համամասնություններով ածխածնի հետ համաձուլված երկաթից ստացվում է ցածր, միջին և բարձր ածխածնային պողպատներ։ Երկաթի և ածխածնի համաձուլվածքը համարվում է պողպատ միայն այն դեպքում, եթե ածխածնի մակարդակը գտնվում է 0,01% - 2,00% միջակայքում։ Ինչ վերաբերում է պողպատներին, ապա պողպատի կարծրությունը և առաձգական ուժը կապված են առկա ածխածնի քանակի հետ։ Ածխածնի մակարդակի աճը հանգեցնում է ճկունության և ամրության նվազմանը։ Այնուամենայնիվ, ջերմային մշակման գործընթացները, ինչպիսիք են մխամեղմումը և կոփումը, կարող են զգալիորեն փոխել այս հատկությունները։ Չուգունը սահմանվում է որպես երկաթ-ածխածնային համաձուլվածք, որում ածխածնի պարունակությունը 2,00%-ից ավելի, բայց 6,67%-ից պակաս է։ Չժանգոտվող պողպատը սահմանվում է որպես սովորական պողպատի համաձուլվածք, որն ունի ավելի քան 10% քրոմ ըստ զանգվածային բաժնի։ Նիկելը և մոլիբդենը սովորաբար ավելացնում են չժանգոտվող պողպատներին։

Մետաղների այլ կարևոր համաձուլվածքներ են պղնձի, ալյումինի, տիտանի և մագնեզիումի համաձուլվածքները։ Պղնձի համաձուլվածքները հայտնի են եղել վաղուց (սկսած բրոնզի դարից), մինչդեռ մյուս երեք մետաղների համաձուլվածքները մշակվել են համեմատաբար վերջերս։ Այս մետաղների քիմիական ակտիվության շնորհիվ համեմատաբար վերջերս հաստատվել են անհրաժեշտ էլեկտրոլիտիկ արդյունահանման գործընթացները։ Ալյումինի, տիտանի և մագնեզիումի համաձուլվածքները նույնպես հայտնի և գնահատված են իրենց ամրության և քաշի բարձր հարաբերակցությամբ, իսկ մագնեզիումի դեպքում՝ էլեկտրամագնիսական պաշտպանություն ապահովելու ունակությամբ։ Այս նյութերը իդեալական են այնպիսի իրավիճակների համար, որտեղ ուժի և քաշի հարաբերակցությունն ավելի կարևոր է, քան ծավալային արժեքը, ինչպես օրինակ՝ օդատիեզերական և որոշ ավտոմոբիլային արդյունաբերություններում։

Կիսահաղորդիչներ

Կիսահաղորդիչը նյութ է, որը «գտնվում է» մետաղի և մեկուսիչի միջև։ Դրա էլեկտրոնային հատկությունները կարող են մեծապես փոխվել խառնուրդների ավելացման կամ լեգիրացման արդյունքում։ Կիսահաղորդչային նյութերից կարող են կառուցվել այնպիսի սարքեր, ինչպիսիք են դիոդները, տրանզիստորները, լուսարձակող դիոդները, անալոգային և թվային էլեկտրական սխեմաները, որի պատճառով կիսահաղորդիչները օգտակար նյութեր են արդյունաբերության համար:Կիսահաղորդչային սարքերը փոխարինել են թերմիոնիկ սարքերին (օր․՝վակուումային խողովակներին) շատ ոլորտներում։ Կիսահաղորդչային սարքերը արտադրվում են և՛ որպես առանձին դիսկրետ սարքեր, և՛ որպես ինտեգրալային սխեմաներ (IC), որոնք բաղկացած են մի շարք սարքերից՝ մի քանիսից մինչև միլիոնավոր, արտադրված և փոխկապակցված մեկ կիսահաղորդչային հիմքի վրա։

Այսօր օգտագործվող բոլոր կիսահաղորդիչների մեջ սիլիցիումն ամենամեծ մասն է կազմում ինչպես քանակով, այնպես էլ առևտրային արժեքով։ Միաբյուրեղային սիլիցիումը օգտագործվում է կիսահաղորդչային և էլեկտրոնային արդյունաբերության մեջ օգտագործվող պլաստինների պատրաստման համար։ Սիլիցիումից հետո երկրորդ տեղում գալիումի արսենիդն է (GaAs):Սիլիցիումի համեմատ էլեկտրոնների ավելի բարձր շարժունակության և դրեյֆի արագության հագեցվածության պատճառով այս նյութն ավելի նախընտրելի է բարձր հաճախականությամբ էլեկտրոնիկայի կիրառման համար։ Այս հիանալի հատկությունները լավ պատճառներ են բջջային հեռախոսներում, արբանյակային կապի, կետից կետ միկրոալիքային կապերի և բարձր հաճախականության ռադարային համակարգերում։ Այլ կիսահաղորդչային նյութերը պարունակում են գերմանիումը, սիլիցիումի կարբիդը և գալիումի նիտրիդը և ունեն տարբեր կիրառություններ։

Կապն այլ որոլտների հետ

Նյութագիտությունը զարգացել է 1950-ական թվականներից, քանի որ կային բազմաթիվ կարծիքներ, որ նոր նյութեր ստեղծելու, հայտնաբերելու և մշակելու համար պետք է դրանց համալիր ձևով մոտենալ:Նյութագիտության և ճարտարագիտական գիտությունների ոլորտը կարևոր է ինչպես գիտական, այնպես էլ կիրառական տեսանկյունից։ Նյութերը առաջնային նշանակություն ունեն ինժեներների համար (կամ կիրառական այլ ոլորտների), քանի որ համապատասխան նյութերի օգտագործումը կարևոր է լավ արդունք մեջ։ Արդյունքում, նյութագիտությունը դառնում է ինժեների կրթության գնալով էլ ավելի կարևոր մաս։

Գիտության այս ոլորտն իր բնույթով միջդիսցիպլինար է, և նյութերագետները կամ ինժեներները պետք է իմանան և օգտագործեն ֆիզիկական, քիմիական և ինժեներական տարբեր մեթոդներ։ Այսպիսով, այս ոլորտների հետ սերտ հարաբերություններ են պահպանվում։ Շատ ֆիզիկոսներ, քիմիկոսներ և ինժեներներ աշխատում են նյութագիտության ոլորտում՝ այս ոլորտների միջև զգալի համընկնման պատճառով։

Ենթագիտություններ

Նյութերագիտության հիմնական ճյուղերը բխում են նյութերի երեք հիմնական դասերից՝ կերամիկա, մետաղներ և պոլիմերներ.

• Կերամիկական ինժեներիա
• Մետալուրգիա
• Գիտություն պոլիմերների մասին և պոլիմերագիտություն

Նյութագիտության մեջ նույնպես մեծ ուշադրություն է դարձվում կոնկրետ երևույթների և մեթոդների վրա․

• Բյուրեղագրություն
• Միջուկային սպեկտրոսկոպիա
• մակերեսների ուսումնասիրություն
• Տրիբիոլոգիա

Հետազոտության ոլորտները նյութագիտության մեջ

Պոլիպրոպիլենի կառուցվածքային օղակ

Գրաֆենի կառուցվածքը

• Տիեզերական նյութերի հետազոտությունն իրենից ենթադրում է նյութերի ստեղծում և ուսումնասիրություն, որոնք հարմար են տիեզերական տարածությունում օգտագործման համար։
• Ռեակտորային նյութերի հետազոտությունն իրենից ենթադրում է միջուկային էներգետիկ կայաններում օգտագործվող նյութերի ստեղծում և ուսումնասիրություն, ինչպես նաև բարձր ջերմաստիճանների և ճառագայթման առանձին և համակցված ազդեցության տակ նյութերի կառուցվածքի և հատկությունների քայքայման ձևերի բացահայտում (օր.՝ նեյտրոններ, իոններ և այլն)։
• Նանոտեխնոլոգիան մի քանի նանոմետրի կարգի չափսերով նյութերի և կառուցվածքների ստեղծումն ու ուսումնասիրումն է։
• Բյուրեղագրությունը բյուրեղների ֆիզիկայի ուսումնասիրություն է,որն ուսումնասիրում է.
  • բյուրեղային թերությունները․ բյուրեղների կառուցվածքի խախտումների ուսումնասիրություն, օտար մասնիկների ընդգրկումը և դրանց ազդեցությունը բյուրեղի հիմնական նյութի հատկությունների վրա։
  • դիֆրակցիոն տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են ռենտգենյան դիֆրակցիոն անալիզը, որն օգտագործվում է նյութի ֆազային վիճակն ուսումնասիրելու համար։
• Մետալուրգիան (մետաղագիտություն),որը տարբեր մետաղների հատկությունների ուսումնասիրությունն է։
• Կերամիկա,որն ընդգրկում է․
  • Էլեկտրոնիկայի համար նյութերի ստեղծում և ուսումնասիրություն, օրինակ՝ կիսահաղորդիչներ։
  • Կառուցվածքային կերամիկա, որը զբաղվում է կոմպոզիտային նյութերով, «լարված» նյութերով և դրանց փոխակերպմամբ։
  • Կենսանյութերի ուսումնասիրություն, որոնք կարող են օգտագործվել որպես իմպլանտներ մարդու մարմնում։

Մասնագիտական համայնքներ

• Ամերիկյան կերամիկական միություն
• ASM International
• Թուջ և պողպատ արտադրողների միություն
• Նյութերի հետազոտության ընկերություն
• Հանքանյութերի, մետաղների և նյութերով զբաղվող ընկերություն

Արտաքին հղումներ

• Сичкаренко К.А. Новые материалы и вещества в мире в инновационном аспекте

Գրականություն

• Горелик С. С., Дашевский В. Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. - М., Металлургия, 1988. - 574 с.
• Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materials: engineering, science, processing and design (1st ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
• Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phulé (2005). The Science & Engineering of Materials (5th ed.). Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-55396-8.
• Callister, Jr., William D. (2000). Materials Science and Engineering – An Introduction (5th ed.). John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-32013-5.
• Eberhart, Mark (2003). Why Things Break: Understanding the World by the Way It Comes Apart. Harmony. ISBN 978-1-4000-4760-4.
• Gaskell, David R. (1995). Introduction to the Thermodynamics of Materials (4th ed.). Taylor and Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
• González-Viñas, W. & Mancini, H.L. (2004). An Introduction to Materials Science. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
• Gordon, James Edward (1984). The New Science of Strong Materials or Why You Don't Fall Through the Floor (eissue ed.). Princeton University Press. ISBN 978-0-691-02380-9.
• Mathews, F.L. & Rawlings, R.D. (1999). Composite Materials: Engineering and Science. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1.
• Lewis, P.R.; Reynolds, K. & Gagg, C. (2003). Forensic Materials Engineering: Case Studies. Boca Raton: CRC Press.
• Wachtman, John B. (1996). Mechanical Properties of Ceramics. New York: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 978-0-471-13316-2.
• Walker, P., ed. (1993). Chambers Dictionary of Materials Science and Technology. Chambers Publishing. ISBN 978-0-550-13249-9.
• Timeline of Materials Science Արխիվացված 2011-07-27 Wayback Machine at The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) – accessed March 2007
• Burns, G.; Glazer, A.M. (1990). Space Groups for Scientists and Engineers (2nd ed.). Boston: Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-145761-7.
• Cullity, B.D. (1978). Elements of X-Ray Diffraction (2nd ed.). Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 978-0-534-55396-8.
• Giacovazzo, C; Monaco HL; Viterbo D; Scordari F; Gilli G; Zanotti G; Catti M (1992). Fundamentals of Crystallography. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855578-0.
• Green, D.J.; Hannink, R.; Swain, M.V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.
• Lovesey, S. W. (1984). Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter; Volume 1: Neutron Scattering. Oxford: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-852015-3.
• Lovesey, S. W. (1984). Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter; Volume 2: Condensed Matter. Oxford: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-852017-7.
• O'Keeffe, M.; Hyde, B.G. (1996). Crystal Structures; I. Patterns and Symmetry. Vol. 212. Washington, DC: Mineralogical Society of America, Monograph Series. էջ 899. Bibcode:1997ZK....212..899K. doi:10.1524/zkri.1997.212.12.899. ISBN 978-0-939950-40-9. {{cite book}}: |journal= ignored (օգնություն)
• Squires, G.L. (1996). Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering (2nd ed.). Mineola, New York: Dover Publications Inc. ISBN 978-0-486-69447-4.
• Young, R.A., ed. (1993). The Rietveld Method. Oxford: Oxford University Press & International Union of Crystallography. ISBN 978-0-19-855577-3.