Materialvetenskap: definition, egenskaper, tillämpningar & nanoteknik

Det viktiga materialet från en viss tid är ofta det som definierar den. Exempel är stenåldern, bronsåldern och järnåldern.

Materialvetenskapen studerade ursprungligen keramik och metallurgi. Dessa gamla hantverk gör materialvetenskapen till en av de äldsta formerna av teknik och tillämpad vetenskap. Ett stort genombrott i förståelsen av material skedde i slutet av 1800-talet, när den amerikanske forskaren Josiah Willard Gibbs visade att ett materials fysiska egenskaper hänger samman med dess atomstruktur. När faserna förändrades, förändrades också materialets fysiska egenskaper.

Viktiga delar av den moderna materialvetenskapen är en produkt av rymdkapplöpningen: förståelsen och konstruktionen av metalllegeringar, kisel- och kolmaterial som används i konstruktionen av rymdfarkoster.

Materialvetenskapen är nu kopplad till utvecklingen av plast, halvledare, keramik, polymerer, magnetiska material, medicinska implantatmaterial och biologiska material.

Materialforskaren/ingenjören arbetar också med utvinning av material och omvandling till användbara former. Gjutning av göt, gjuteriteknik, utvinning i masugn och elektrolytisk utvinning ingår alltså alla i de kunskaper som krävs av en metallurg/ingenjör. Ofta har förekomsten, avsaknaden eller variationen av små mängder sekundära element och föreningar i ett bulkmaterial stor betydelse för de slutliga egenskaperna hos de producerade materialen. Stål klassificeras till exempel utifrån 1/10 och 1/100 viktprocent av kol och andra legeringselement som de innehåller. De utvinnings- och reningsmetoder som används vid utvinning av järn i masugnen kommer således att påverka kvaliteten på det stål som kan produceras.

Orsak till fel

Studier av katastrofer under 1800- och 1900-talet ledde till några viktiga upptäckter. A.A. Griffith (1893-1963) upptäckte att verkliga material aldrig kommer i närheten av sin teoretiska styrka. Detta var en banbrytande upptäckt som ledde till förändringar inom många branscher. Som exempel kan nämnas att stål får nästan 1/10 av sin teoretiska styrka, men de flesta fasta material är 100 till 1000 gånger svagare än förväntat.

Griffiths insikter utvecklades vidare av J.E. Gordon (1913-1998). Gordon menade att alla enkla fasta material till sin natur är spröda. Seghet - motståndskraft mot brott - måste utformas i material. Det vanliga sättet är att lägga till andra material till det rena ämnet. Detta gör dess struktur mer komplex, vilket gör det mindre sannolikt att det går sönder. Ett bra exempel är skottsäkert glas, där ett plastskikt som är fäst vid glaset gör det många gånger starkare än vad de båda materialen skulle vara var för sig. Personliga rustningar baserade på Kevlar är ett annat exempel. Biologiska material har denna egenskap naturligt. Ben böjer sig en aning innan de når brytpunkten, och trädstammar har också en viss "eftergivenhet".

Den industriella studien av metallegeringar är en stor del av materialvetenskapen. Av alla metalllegeringar som används idag utgör järnlegeringar (stål, rostfritt stål, gjutjärn, verktygsstål, legerat stål) den största delen, både i fråga om kvantitet och kommersiellt värde. Järn legerat med olika andelar kol ger stål med lågt, medelhögt och högt kolinnehåll. En järn-kol-legering betraktas endast som stål om kolhalten ligger mellan 0,01 % och 2,00 %. När det gäller stål är stålets hårdhet och draghållfasthet relaterad till mängden kol som finns i stålet. Ökade kolhalter leder till lägre duktilitet och seghet. Värmebehandlingsprocesser som släckning och anlöpning kan dock förändra dessa egenskaper avsevärt. Gjutjärn definieras som en järn-kol-legering med mer än 2,00 % men mindre än 6,67 % kol. Rostfritt stål definieras som en vanlig stållegering med mer än 10 viktprocent legeringsinnehåll av krom. Nickel och molybden finns också i rostfritt stål.

Andra viktiga metalllegeringar är aluminium, titan, koppar och magnesium. Kopparlegeringar har varit kända länge (sedan bronsåldern), medan legeringar av de tre andra metallerna har utvecklats relativt nyligen. På grund av dessa metallers kemiska reaktivitet har de elektrolytiska utvinningsprocesser som krävs inte utvecklats förrän relativt nyligen. Legeringar av aluminium, titan och magnesium är också kända och uppskattade för sin höga hållfasthet i förhållande till vikten och, när det gäller magnesium, för sin förmåga att ge elektromagnetisk avskärmning. Dessa material är idealiska för situationer där hög hållfasthet i förhållande till vikt är viktigare än bulkkostnaden, t.ex. inom flyg- och rymdindustrin och vissa fordonstekniska tillämpningar.

Polymerer är också en viktig del av materialvetenskapen. De är de råvaror som används för att tillverka det som vi vanligtvis kallar plast. Plast är egentligen slutprodukten. De tillverkas när polymerer eller tillsatser har tillsatts till ett harts under bearbetningen. Blandningen formas sedan till en slutlig form. Vanliga polymerer är bland annat polyeten, polypropen, PVC, polystyren, nyloner, polyestrar, akrylater, polyuretaner och polykarbonater.

PVC (polyvinylklorid) används i stor utsträckning, är billigt och den årliga produktionen är stor. PVC lämpar sig för en mängd olika användningsområden, från konstläder till elektrisk isolering och kablage, förpackningar och behållare. Det är enkelt att tillverka. Den kan användas med ett stort antal mjukgörare och andra tillsatser som ger den olika egenskaper.

En annan tillämpning av materialvetenskapen är glas- och keramikstrukturer, som vanligtvis förknippas med de mest spröda materialen. Keramik och glas använder sig av kovalenta bindningar och joniskt-kovalenta bindningar med SiO₂ , kiseldioxid eller sand, som en grundläggande byggsten. Keramik är mjuk som lera och hård som sten och betong. Vanligtvis har de en kristallin form. De flesta glas innehåller en metalloxid som smält samman med kiseldioxid. Vid de höga temperaturer som används för att framställa glas är materialet en viskös vätska. Glas bildar en amorf struktur när det kyls ner. Fönsterrutor och glasögon är viktiga exempel. Det finns också fibrer av glas. Diamant och kol i grafitform betraktas som keramik.

Teknisk keramik är känd för sin styvhet, höga temperatur och stabilitet vid kompression och elektrisk belastning. Aluminiumoxid, kiselkarbid och volframkarbid tillverkas av ett fint pulver av sina beståndsdelar i en sintringsprocess med ett bindemedel. Varmpressning ger material med högre densitet. Genom kemisk förångningsdeposition kan en film av keramik placeras på ett annat material. Cermets är keramiska partiklar som innehåller vissa metaller. Verktygens slitstyrka härrör från cementerade karbider med metallfasen kobolt och nickel som vanligtvis tillsätts för att ändra egenskaperna.

En annan tillämpning av materialvetenskapen inom industrin är tillverkning av kompositmaterial. Kompositmaterial är strukturerade material som består av två eller flera makroskopiska faser. Tillämpningarna sträcker sig från strukturella element som stålförstärkt betong till de värmeisolerande plattor som spelar en viktig och integrerad roll i National Aeronautics and Space Administration's (NASA) termiska skyddssystem för rymdfärjan, som används för att skydda färjans yta från värmen vid återinträdet i jordens atmosfär. Ett exempel är Reinforced Carbon-Carbon (RCC), ett ljusgrått material som tål temperaturer vid återinträde i atmosfären på upp till 1510 °C (2750 °F) och som skyddar rymdfärjans vingars framkanter och noskåpa. RCC är ett laminerat kompositmaterial tillverkat av grafitduk och impregnerat med fenolharts. Efter härdning vid hög temperatur i en autoklav pyrolyseras laminatet för att omvandla harts till kol, impregneras med furfuralalkohol i en vakuumkammare och härdas/pyrolyseras för att omvandla furfuralalkoholen till kol. För att ge oxidationsbeständighet för att möjliggöra återanvändning omvandlas de yttre skikten av RCC till kiselkarbid.

Andra exempel kan ses i plasthöljen till TV-apparater, mobiltelefoner och liknande föremål. Dessa plasthöljen är vanligtvis av kompositmaterial. Det är en termoplastisk matris, t.ex. akrylnitrilbutadien-styren (ABS), i vilken kalciumkarbonatkrita, talk, glasfibrer eller kolfibrer har tillsatts för att ge ökad styrka, bulk eller elektrostatisk spridning. Dessa tillsatser kan kallas förstärkningsfibrer eller dispergeringsmedel, beroende på deras syfte.

Nytt magnetiskt material

Ett nytt magnetiskt material har upptäckts. Det skulle kunna förändra hårddiskar och energilagringsenheter.

Ett mycket känsligt metalldubbelskikt behöver bara en liten temperaturförändring för att dramatiskt förändra sin magnetism. Detta är en mycket användbar egenskap inom elektroteknik. "Inget annat känt material kan göra detta. Det är en enorm effekt. Och vi kan konstruera den", säger Ivan Schuller från University of California i San Diego.

Materialet kombinerar tunna lager av nickel- och vanadiumoxid. Detta är en struktur som är förvånansvärt känslig för värme. "Vi kan styra magnetismen inom ett smalt temperaturintervall - utan att applicera ett magnetfält. Och i princip skulle vi också kunna styra den med spänning eller ström", säger professor Schuller.

Materialvetenskap omfattar olika materialklasser, som var och en kan utgöra ett separat område. Material klassificeras ibland efter typen av bindning mellan atomerna:

1. Joniska kristaller
2. Kovalenta kristaller
3. Metaller
4. Intermetallics
5. Halvledare
6. Polymerer
7. Kompositmaterial
8. Glasaktiga material