Подробное руководство по классификации материалов в инженерии

Рассмотрим классификацию материалов в инженерии. Все, чем мы пользуемся, сделано из материалов. Их группируют по определенным свойствам. Разберем классификацию детально.

Классификация материалов

Твердые материалы удобно делят на три базовых класса: металлы, керамика и полимеры. Основание — химический состав и атомная структура. Большинство материалов однозначно попадают в один класс, хотя существуют промежуточные варианты.

Дополнительно выделяют три важные группы инженерных материалов: композиты, полупроводники и биоматериалы.

• Композиты — комбинации двух и более различных материалов.
• Полупроводники — используются за уникальные электрические свойства.
• Биоматериалы — имплантируются в человеческое тело.

Далее — краткая характеристика каждого типа и типичные представители.

1. Металлы (Metals)

Металлические материалы — обычно сплавы металлических элементов. Имеют много нелокализованных электронов (не связанных с конкретными атомами). Многие свойства металлов обусловлены этими электронами. Металлы — отличные проводники электричества и тепла, непрозрачны для видимого света; полированная поверхность имеет металлический блеск. Крепкие, но деформируемые — поэтому широко применяются в конструкциях.

2. Керамика (Ceramics)

Соединения металлических и неметаллических элементов; чаще всего оксиды, нитриды, карбиды. Широкий спектр: глинистые минералы, цемент, стекло. Типично: диэлектрики (по электричеству и теплу), выше термостойкость и химическая стойкость, чем у металлов и полимеров. Механически: твердые, но очень хрупкие.

3. Полимеры (Polymers)

Знакомые пластмассы и каучуки. Многие — органические соединения на базе углерода, водорода и других неметаллов; очень большие молекулярные структуры. Обычно низкие плотности, могут быть крайне гибкими.

4. Композиты (Composites)

Инженерные материалы из более чем одного типа. Пример: стекловолокно (fiberglass) — стекловолокна в полимерной матрице. Композит сочетает лучшие свойства компонентов: прочность от стекла + гибкость от полимера. Многие недавние прорывы — в области композитов.

5. Полупроводники (Semiconductors)

Электрические свойства промежуточны между проводниками и диэлектриками. Чувствительны к микроскопическим примесям, концентрацию которых можно контролировать в микроскопических объемах. Именно полупроводники сделали возможной интегральную схемотехнику, перевернув электронику и компьютерную индустрию за последние десятилетия.

6. Биоматериалы (Biomaterials)

Применяются в имплантатах для замены больных/поврежденных органов и тканей. Не должны выделять токсины, должны быть биосовместимы (не вызывать отторжения). Все вышеперечисленные классы — металлы, керамика, полимеры, композиты, полупроводники — могут использоваться как биоматериалы.

Материалы будущего (Future Materials)

Дополнение к классификации — наука и технологии постоянно развиваются.

Умные (интеллектуальные) материалы (Smart materials) — передовой класс, создаваемый сейчас, с огромным потенциалом влияния на технологии. «Умные» означает: способны регистрировать изменения среды и реагировать заданным образом — черты живых систем. Концепция расширяется на сложные системы, комбинирующие умные и традиционные материалы.

Компоненты умного материала/системы: датчик (sensor) (фиксирует входной сигнал) и актуатор (actuator) (выполняет адаптивный ответ).

В ответ на изменение температуры, электрического/магнитного поля актуаторы могут менять форму, положение, собственную частоту, механические характеристики. Наиболее распространенные актуаторные материалы:

• Сплавы с эффектом формы (Shape memory alloys) — металлы, восстанавливающие исходную форму после деформации при смене температуры.

Пьезокерамика (Piezoelectric ceramics) — расширяются/сжимаются под действием электрического поля/напряжения; при деформации генерируют поле.

• Магнитостриктивные материалы (Magnetostrictive materials).
• Электрореологические/магнитореологические жидкости (Electrorheological/magnetorheological fluids).

Заключение

Это основные типы материалов, окружающих нас в быту. На основе классификации материалов исследователи повышают качество и облегчают их изучение.