Współczesne znaczenie nauki o materiałach
Materiały współczesne
nowo wprowadzone materiały (3 poniżej)
nowe osiągnięcia
(nowe związki, nowe własności, nowe struktury(
Optymalizacja zastosowań materiałów (system i proces projektowania; recykling materiałów)
Projektowanie w małej skali (nanotechnologie, biomateriały)
Optymalizacja produkcji materiałów ( modelowanie procesów; modelowanie własności)
Materiały konstrukcyjne o bardzo dużym zużyciu globalnym
Materiały o obniżonym obciążeniu środowiska w pełnym cyklu życia
- materiały o mniejszym zużyciu surowców i energii
- materiały naturalne (bazujące na drewnie; ceramika z gleby)
- materiały z odpadów ( cement z odpadów komunalnych; cement z popiołów)
- materiałów z surowców wtórnych - recyrkulacyjne (stałe ze sztucznymi wtrąceniami; rekonfiguracja stosowanego drewna)
- materiały wytwarzane z mniejszą emisją zanieczyszczeń i mniejszym zużyciem energii
Materiały o dużej przydatności dla recyklingu
- stopy projektowane dla recyklingu (stałe o mniejszej liczbie składników; powszechne stopy aluminium; materiały odporne na wtrącenia i zanieczyszczenia)
- materiały polimerowe projektowane dla recyklingu
- materiały kompozytowe projektowane dla recyklingu
- materiały kompozytowe złożone z materiałów projektowanych dla recyklingu
Materiały szeroko rozpowszechnione o masowym zużyciu
Materiały bez szkodliwych substancji
- lutowia bezołowiowe
- alternatywne materiały dla azbestu
- alternatywne materiały dla polichlorku winylu PVC
- materiały polimerowe z nieszkodliwymi elementami utrudniającymi zapalność
- blachy stalowe laminowane olefinami jako substytuty PVC
Materiały dla generowania i przetwarzania energii
Materiały o podwyższonej przydatności w fazie użytkowania
- wysokowytrzymałe stałe na samochody
- stopy żarowytrzymałe na turbiny wysokotemperaturowe
Lekkie stopy na pojazdy
- stopy AL na samochody
- stopy Mg
Inne materiały projektowane z uwzględnieniem analizy pełnego cyklu życia, zwłaszcza fazy użytkowania.
Podstawy doboru materiałów
Do dzisiaj bardzo ważnym czynnikiem decydującym o doborze materiałów do konkretnych zastosowań jest doświadczenie i intuicja projektanta, a nawet jego przyzwyczajenia.
Współcześnie w ramach systemów komputerowego wspomagania projektowania CAD (computeraided design) i wytwarzania CAM(computeraidedmanufacturing) należne miejsce znajdują także systemy komputerowego wspomagania doboru materiałów CAMS(computeraided materials selection). Wykorzystanie metod komputerowego wspomagania w doborze materiałów wymaga opracowania obszernych baz danych zawierających informacje o różnych materiałach i ich własnościach.
Oznaczenia znormalizowane |
Rodzaj materiału |
PP |
Polipropylen |
PS |
Polistyren |
PC |
Poliwęglan |
PVC |
Polichrolek winylu |
PTFE |
Politetrafluoroetylen (teflon) |
|
|
Nauka o materiałach
Może być najogólniej określona jako „poznawanie substancji, z których jest lub może być wytworzone coś innego oraz ich syntezy, własności i zastosowań.”
Nauka o materiałach - jest dziedziną nauk, dotyczącą struktury i własności materiałów (tworzyw), zwłaszcza z uwzględnieniem możliwości ich zastosowania.
Inżynieria materiałowa - jest dziedziną inżynierii, obejmującą zastosowanie nauki o materiałach (tworzywach ) dla bezpośrednio użytecznych celów związanych z projektowaniem, wytwarzaniem i użytkowaniem różnych produktów i dóbr powszechnego użytku.
Zakres zainteresowań nauki o materiałach oraz inżynierii materiałowej.
Tabela 1
Zakres tematyczny |
Cele do osiągnięcia i metody działania |
Synteza (wytwarzanie) i przetwórstwo materiałów (tworzyw) |
Ułożenie atomów i składników o większej skali w materiałach w systemy o wymaganej konfiguracji |
Skład chemiczny i mikrostruktura materiałów (tworzyw) |
Ocena wpływu składu chemicznego i mikrostruktury na zachowanie się materiałów |
Zjawiska i własności materiałów |
Badanie mechanizmów przebiegających w materiałach w trakcie procesów technologicznych i eksploatacji w celu wyjaśnienia zjawisk i ich wpływu na własności materiałów |
Zachowanie materiałów (tworzyw) w warunkach eksploatacji |
Ocena przydatności materiałów do różnych zastosowań |
Projektowanie materiałów oraz przewidywanie ich trwałości i/lub żywotności |
Przewidywanie składu chemicznego, własności oraz trwałości materiałów w warunkach eksploatacyjnych metodami teoretycznymi oraz przy wspomaganiu komputerowym z włączeniem metod sztucznej inteligencji |
Działania związane z ekomateriałami obejmują 3 grupy:
Związane z wytwarzaniem specjalnych materiałów zapewniających ochronę środowiska nauralnego
Materiałów stosowanych w systemach zapewniających zmniejszoną emisyjność zanieczyszczeń
Materiałów dla strategicznej substancji (Zastępowania) materiałów dla strategicznej substancji stosowanych, lecz znacząco zagrażających środowisku i powodujących jego degradację
Materiały funkcjonalne dla ochrony środowiska naturalnego
Ochroona przez zanieczyszczeniem
Ochrona przed emisją gazu cieplarnianego
Materiały generacji czystej energii
Materiały biodegradowalne
Materiały stosowane w systemach niskoemisyjnych
Ochrona do nowych systemów energetycznych
Materiały przystosowane do obróbki odpadów
Materiały generacji czystej energii
Materiały dla bardziej efektywnych systemów energetycznych
Materiały strategicznej substancji materiałów zagrażających środowisku
Wolne od substancji szkodliwych
Dobrze zapewniające ochronę środowiska
Bardziej efektywne
Bardziej przystosowane do recyklingu
Materiały biodegradowalne
Materiały dla bardziej efektywnych systemów energetycznych
Tabela 2
Główne kierunku działań |
Ocena obecnej sytuacji i zamierzenia przyszłościowe |
Nanomateriały |
Zdolność kontroli, wytwarzania i projektowania materiałów w skali nanometrycznej (10-9 m) jest jednym z głównych kierunków postępu w celu wykorzystania tych materiałów dla opracowywania nowych zastosowań, minimalizacji odpadów i zanieczyszczeń i optymalizacji własności we wszystkich podstawowych grupach materiałów inżynierskich w tym m.in. w ultra precyzyjnych systemach podawania leków, nanorobotach, w mikro wytwarzaniu, nanoelektronice, ultraselektywnych sitach molekularnych i nanokompozytach do zastosowania w samolotach i innych pojazdach o wysokich własnościach użytkowych. |
Materiały inteligentne |
Materiały inteligentne, w odróżnieniu od pozostałych (obojętnych) materiałów, są projektowane tak, aby reagowały na zewnętrzną stymulację i adaptując się do warunków środowiskowych polepszały swe własności, zwiększając trwałość , oszczędzając energię lub dostosowując warunki dla poprawy komfortu ludzi, a także samoistnie się powielając, naprawiając lub uszkadzając w miarę potrzeby, zmniejszając odpady i zwiększając efektywność. Prace w tym zakresie mają szczególnie awangardowy charakter.
|
Materiały biomedyczne (bionaśladownicze) |
Dzięki lepszemu zrozumieniu mechanizmów wytwarzania minerałów i kompozytów przez organizmy żywe, szybko rozwijającym się zakresem inżynierii materiałowej stają się materiały biomedyczne, które kopiują lub naśladują procesy i materiały biologiczne, zarówno organiczne jak i nieorganiczne (np. syntetyczna nić pajęcza, chipy DNA wzrost kryształów wewnątrz klatek wirusów) i są wytwarzane coraz bardziej precyzyjnie i efektywnie, w wyniku czego poprawiają się ich użyteczność, a odsłaniają się nowe możliwości ich wykorzystania (np. auto naprawianie, ultra twarde i ultralekkie kompozyty do samolotów), co wymaga nowej strategii chemicznej, łączącej samoorganizację ze zdolnością do formowania hierarchicznie zbudowanych materiałów. |
Nauka o materiałach może być najogólniej określana jako „poznawanie substancji z których jest lub może być wytworzone coś innego oraz ich syntezy własności i zastosowań”
Struktura części materiałów ceramicznych charakteryzuje się tym, że jednakowa jest kationów i anionów oznaczonych odpowiednio jako A i X . odpowiednie fazy, oznaczone jako AX mogą charakteryzować się kilkoma typami struktur krystalograficznych.
Materiały ogniotrwałe są materiałami ceramicznymi stosowany mina piece przemysłowe i na wymurówki kadzi na ciekłe metale, pracujące w temp: ok. 1700°C i cechujące się ogniotrwałością zwykła i pod obciążeniem, odpornością na ścieranie i na działanie żużli oraz wymaganą nasiąkliwością, przewodnictwem cieplnym i elektrycznym.zwykłe-1700,wys.1700-200,b,wys: pow.200 ze względu na wł. chemiczne: kwaśne, zawierające SiO2, zasadowe, CaO i MgO .
Podstawowe czynniki uwzględniane w konwencjonalnych badaniach nowo wprowadzonych materiałów inżynierskich: przetwórstwo, struktura, projektowanie, własność, zastosowanie, synteza - materiały inżynierskie dla rozwoju, ekologii i bezpieczeństwa.
Nauka o materiałach jest dziedziną nauki dotyczącą struktury i własności materiałów (tworzy)zwłaszcza z uwzględnienie możliwości ich zastosowania.
Inżynieria materiałowa jest dziedziną inżynierii obejmującą zastosowanie nauki i materiałach (tworzywach) dla bezpośrednio użytecznych celów związanych z projektowaniem, wytwarzaniem i użytkowaniem różnych produktów i dóbr powszechnego użytku.