Матеріалознавство

МАТЕРІАЛОЗНА́ВСТВО  — міждисциплінарна наука, що встановлює співвідношення між структурою, складом і властивостями матеріалів у зв’язку з технологією їх отримання, умовами експлуатації та вартістю. Технологія отримання матеріалу — вміння цілеспрямовано створювати матеріал. об’єкти з наперед заданими хім. і фазовим складом, розмірами, структурою та властивостями. Без неї не можливе існування виробництва. Ті чи ін. матеріали в людському житті потрібні повсюдно, їх вибирають усвідомлено, на основі знань: для будівництва й експлуатації житла, здійснення загарбниц. воєн і оборони своєї тер., створення предметів побуту, для вирощування, оброблення й зберігання врожаю, засобів виробництва, переміщення та комунікацій, дослідж. природи, а також винайдення нових матеріалів. Хоча вивчати корисні властивості матеріалів люди почали здавна, але як науку М. сформовано в серед. 20 ст., коли вже було завершено створення влас. базису фізики, хімії та механіки, а також визначено поняття «структура матеріалу» в широкому діапазоні — від атом. (завдяки відкриттю дифракції рент­­ґенів. випромінювання й електрон. мікроскопії) до макроскопічного. Нині М. розглядають у категорії меганаук, тобто до широкого напряму діяльності людей, що визначає стійкий і безперерв. прогрес цивілізації. Парадигму сучас. М. (схематично зображено на Рис. 1) використовують в нанотехнологіях та електроніці, під час створення біоматеріалів (див. Матеріали для медицини, Метали та сплави біосумісні) і продуктів металургії тощо. М. використовує широкий інструментарій дослідж. властивостей матеріалів, виробів, конструкцій. Поняття «матеріал» науковці визначають як матерію, субстанцію, речовину або поєднання декількох речовин, що мають певні хім. і фазовий склад та структуру, сукупність корис. властивостей. Матеріалом також назива­­ють продукт усвідомленого технол. оброблення природ. або синтет. сировини з метою досягнення в ньому заданого комплексу властивостей і експлуатац. характеристик у відповід. умовах. Найчастіше це тверді та рідкі конденсов. фази. Світ. тенденція розвитку матеріалів спрямована на їхнє ускладнення та набуття ними багатофункціональності шляхом створення композитів, або композиційних матеріалів (литі композиційні матеріали, теплозахисні ерозійностійкі композиційні матеріали, товстоплівкові композиційні матеріали). Матеріали можна поділити на 2 великі групи: кристалічні (мають далекий порядок атомів, що утворюють кристалічну решітку) та некристалічні (безпорядок або тільки ближчий порядок атомів). Для матеріалів квазікристалічних характерне чітко впорядковане пакування атомів і далекий орієнтац. порядок, але в них відсутня періодичність в розташуванні атомів. Альтернативна класифікація містить 3 групи: неорганічні матеріали, органічні матеріали та гібридні матеріали (отримують унаслідок взаємодії переважно органіч. і неорганіч. компонентів; їхня кінцева структура відрізняється від структур початк. реагентів, але часто наслідує певні функції). До нетрадиційних належить класифікація за типом хім. зв’язку, що домінує у матеріалі або визначає його властивості: ковалентні, металеві, іонні, іонно-ковалентні, Ван дер Ваальсові, водневі тощо. Серед найпоширеніших матеріалів — метали та сплави (зокрема заліза сплави, залізовуглецеві сплави, золота сплави, магнію сплави, марганцеві феросплави, міді сплави, молібденові сплави, нікелю та кобальту сплави, титану сплави, хромисті феросплави, хрому сплави, цирконію сплави), чавун, різнофункціонал. металеві матеріали (біметалеві матеріали, високоміцні металеві сплави, інтерметаліди та матеріали на їхній основі, корозієстійкі сплави і матеріали, металеві броньові матеріали, металеві волокнові матеріали, металеві порошкові матеріали, металоподібні тугоплавкі сполуки та матеріали на їхній основі, див. також статті «Жароміцність. Жароміцні металеві матеріали», «Жаростійкість. Жаростійкі металеві матеріали»), природні мінерали, мінерали штучні, природні та штучні полімери, або полімерні матеріали (біополімери, металополімери), матеріали вуглецеві (алмаз, графіт, лонсделеїт), природні та штучні кам’яні матеріали, кераміка (інструментальні керамічні матеріали, оксидні керамічні матеріали), емаль і полива, фаянс, фарфор, монокристали лужно-галоїдні, монокристали металів, монокристали оксидні, матеріали на основі бору, карбіду бору та бориду, матеріали на основі кремнезему, матеріали на основі кубічного нітриду бору, сиалони та матеріали на їхній основі, силікатні матеріали, ферити, халькогеніди та матеріали на їхній основі, деревина, скелети та тканини живих тварин. За методами одержання також виокремлюють литі неметалеві матеріали, матеріали армовані, матеріали високопористі, мезопористі матеріали, мікропористі матеріали, матеріали та сполуки інтеркальовані, пінисті матеріали, порошкові матеріали; за призначенням і властивостями — абразивні матеріали, антифрикційні матеріали, фрикційні матеріали, будівельні матеріали і вироби, зварювальні матеріали, зносо­стійкі матеріали, інструментальні сталі, інгібітори корозії та інгібовані матеріали, інтелектуальні матеріали, конструкційні матеріали, лазерні матеріали, лакофарбові матеріали, люмінофори, магнітні матеріали, магнітоелектричні матеріали, матеріали градієнтні, функціональні матеріали, матеріали електретні, матеріали електроізоляційні, матеріали електропровідні, матеріали емісійні, метаматеріали, надпровідники, напівпровідники (зокрема й магніторозчинені напівпровідники), надлегкі матеріали, надтверді матеріали, наплавлювальні матеріали, немагнітні матеріали, оптичні матеріали, п’єзо­­електричні та сегнетоелектричні матеріали, піроактивні матеріали, радіаційностійкі матеріали, радіопрозорі матеріали, резистивні матеріали, твердоелектролітні матеріали, термоелектричні матеріали, триботехнічні матеріали. Структура матеріалу — фундам. простор. характеристика матеріалу, що складається з елементів структури, властивих певному простор. масштабу. М. оперує електрон., атомно-молекуляр., макромолекуляр., або кластер., мікро-, мезо- і макро­­струк­­тура­­ми. Електронна структура матеріалу важлива для характеристики хім. зв’язку, зонної структури та залеж. від неї властивостей: електрич., магніт., оптич., квантових та ін. Електронна структура твердих тіл відображається у вигляді спектрів (Рис. 2), тому вона поєднана з атомно-молекуляр. структурою в одному масштаб. діапазоні (0,1–1,0 нм). Атомно-молекулярна структура дозволяє розуміти, чи кристалічним є матеріал, чи аморфним (металеві аморфні сплави, неметалеві аморфні й аморфно-кристалічні матеріали) і ввести поняття дефектів кристаліч. решітки (точк., ліній., планар., об’єм., домішк., сегрегаційних та ін.), що також є елементами структури. Макромолекуляр., або кластер., масштаб структури розглядає об’єкти і явища (властивості) в масштабі 1–5 нм. У такому масштабі не завжди існують колективні явища, напр., поверхневий натяг, феромагнетизм. Мікро-, або зеренно-гетерофазна, структура (5–1000 нм) дозволяє визначити геом. розміри та морфологію елементів мікроструктури і колективні явища: зерен, пор, включень, доменів, їхню простор. орієнтацію, анізотропію, текстуру тощо. Мезоструктура (50 нм –1000 мкм) характеризує сукупності елементів мікроструктури та їхню взаємодію в більшому масштабі, ніж мікроструктура. Макроструктура (понад 1000 мкм) матеріалу, що спостерігається неозброєним оком, дозволяє описати макродефекти й ушкодження, макроскопічні неоднорідності матеріалів і виробів до і після оброблення. Для дослідж. структури в різних масштабах науковці розробили та використовують численні методи: дифракцію рентґенів. променів, електронів або нейтронів, різні форми хім. аналізу, раманів. і енергодисперсійну спектроскопії, аналіз зображень з оптич., електрон., атомно-силових мікроскопів та ін. Вимірювання розмірів структур. складових матеріалів здійснюють методами електрон. мікроскопії за допомогою зображень прямого/зворот. розрізнення та наступ. комп’ютер. обробленням результатів вимірювання для масивів, що містять 1000 і більше структур. елементів (напр., частинок, зерен). Під час вимірювання розмірів частинок, зерен, включень або пор прийнято оцінювати наступні параметри: серед. діаметр за їхнім числом, серед. або медіан. ліній. діаметр, діаметр еквівалент. окружності, серед. діаметр за об’ємом, дисперсію цих характеристик. У багатьох випадках розподіл частинок, зерен за розміром має нормал. або логарифмічно-нормал. характери. Найбільш чутливими до змін у ланцюзі структура–властивості є наноструктурні матеріали (нанодисперсні матеріали, нанокристалічні матеріали, нанопористі матеріали), що існують в діапазоні розмірів 1–100 нм. У багатьох матеріалах атоми, молекули, кластери, частинки збираються разом, утворюючи нанорозмірні об’єкти, гол. особливістю яких є аномально високий вплив вільної поверхні або поверхонь розділу на властивості порівняно зі звичай. матеріалами. Саме ця особливість обумовлює багато цікавих терміч., кінетич., електрич., магніт., оптич. та мех. властивостей і їхніх комбінацій, притаманних наноструктур. мате­ріалам. Цей розділ М. називають наноструктурним матеріалознавством. Описуючи наноструктури, необхідно розрізняти розміри та розмірність нано­­об’єкта. Так, 2D-нанострук­­тури — графени, силіцени, максени, тонкі плівки — мають 1 розмір у наномасштабі, тобто лише товщина плівки становить від 0,1 до 100 нм, а за дов­жиною та шириною вони мікро- або макроскопічні. 1D-нанострук­тури — нанотрубки, стрижні, волокна — мають 2 розміри в наномасштабі, тобто їхній діаметр від 0,1 до 100 нм, а довжина може бути набагато більшою. 0D об’єк­­ти — квант. точки, сферичні наночастинки — мають 3 виміри в наномасштабі, тобто частка становить від 0,1 до 100 нм у кожній простор. розмірності. Мікрострук­­тура метал., полімер., керам. і композиц. матеріалів може дуже впливати на фіз. властивості, зокрема на міцність, в’язкість, пластичність, твердість, корозійна стійкість, зносостійкість тощо (див. Втома матеріалів, Захист матеріалу, Міцність матеріалів, Опір матеріалів). Більшість традиц. матеріалів (зокрема метали та кераміки) мікроструктуровані. Вивчення розмір. залежності властивостей наноматеріалів і збирання наноматеріалів за принципом знизу вверх призвело до парадигми наноархітектоніки — створення прогресив. мікроструктуров. матеріалів за допомогою прийомів і підходів нанотехнол. інженерії. Див. Рис. 3–12, де зображено структури матеріалів різної розмірності (від 0 до 3) у різних масштабах (від 0,1 нм до 500 мкм). Склад матеріалу може бути хімічний і фазовий. Хім. склад визначають за сукупністю хім. елементів матеріалу. Є осн. (фазоутворюючі) елементи й елементи-домішки. Фази формують фазовий склад матеріалу, а кожну фазу представлено елементом структури (зерно, шар, включення та ін.) і відповід. міжфаз. границею. За хім. складом і за розподілом фаз виділяють 4 типи структур: однофазні, статистичні багатофазні з ідентич. і неідентич. поверхнями розділу та матричні багатофазні. За морфологією елементів структури виокремлюють з пластинчастим, стовбчастим і рівновіс. типами включень. Домішки розчинені в малих концентраціях і розподіляються переважно хаотично в об’ємі фаз і на міжфаз. границях (зокрема сегрегації). Вони можуть впливати на властивості матеріалів позитивно та негативно. Найбільш розповсюдженими є одно- і багатофазні матричні та статистичні об’єкти, стовбчасті і багатошар. (переважно в плівках) структури. Властивості відображають реакцію матеріалу на дію зовн. факторів і довкілля, за фіз., хім., біомед. і технол. характеристиками бувають структурно-чутливими та нечутливими. Мех. властивості визначають шляхом навантаження стандарт. зразків у полі мех. сил, магнітні — під впливом магніт. поля, оптичні — внаслідок пропускання світла. Кількісні характеристики використовують як параметри для взаєм. порівняння матеріалів. Властивості можуть бути постійними або з функцією незалеж. змін. параметрів, таких, як напруга, температура, тиск. Вони залежать від напрямку в матеріалі, в якому їх вимірюють, тобто демонструють анізотропію та текстуру. Властивості матеріалів, що стосуються 2-х різних фіз. явищ, часто мають лінійну (або приблизно лінійну) залежність в заданому робочому діапазоні. Цю залежність розглядають як усталену для цього діапазону. Лінеаризації дають змогу значно спростити форму запису диференціал. визначал. рівнянь, що описують відповідні властивості. Серед нобелів. лауреатів з фізики, які сприяли становленню М. як науки, — М. фон Лаує (нім. учений; 1914, відкриття дифракції рентґенів. променів на кристалах), Вільям-Генрі та його син Вільям-Лоренс Бреґґи (австралій. і британ.; 1915, дослідж. структури кристалів за допомогою рентґенів. променів), Ш.-Е. Ґійом (швейцар. і франц.; 1920, відкриття сплавів з аномал. поводженням коефіцієнта тепл. розширення — інвару й елінвару), О.-В. Річардсон (британ.; 1928, вивчення термоемісій. властивостей матеріалів), К.-Дж. Девідсон (амер.) і Дж.-П. Томсон (британ.; 1937, експерим. відкриття дифракції електронів на кристалах), В.-Б. Шоклі, Дж. Бардін, В.-Г. Браттейн (усі — амер.; 1956, відкриття транзистор. ефекту в напівпровідниках), М. Басов, О. Прохоров (обидва — рос.), Ч.-Г. Таунс (амер.; 1964, створення випромінювачів квант. електроніки), Л.-Е. Неель (франц.; 1970, відкриття переходів антиферомагнетиків до феромагнетиків), Дж. Бардін, Л.-Н. Купер, Дж.-Р. Шиффер (усі — амер.; 1972, створення теорії надпровідності), Г. Беднорц (нім.), К. Мюллер (швейцар.; 1987, відкриття надпровідності у керам. матеріалах), Ж. Алфьоров (рос.), Г. Кремер (нім.), Дж. Кілбі (амер.; 2000, створення напівпровідник. гетероструктур), П.-А. Ґрюнберґ (нім.), А. Ферт (франц.; 2007, відкриття ефекту гігант. магнетоопору), А. Гейм, К. Новосьолов (обидва — рос. і британ.; 2010, дослідж. двомір. матеріалу графену). 2011 ізраїл. учений Д. Шехтман за відкриття квазікристалів отримав Нобелів. премію з хімії. Знач. «драйвером» розвитку М. у світі була т. зв. гонка озброєнь, що розпочалася 1945 з атом. бомбардування амер. авіацією япон. міст Гіросіми та Наґасакі. У низці країн, зокрема США та СРСР, значна кількість вчених займалася розробленням конструкц., функціонал., композицій., напівпровідник., полімер. матеріалів для створення ядер. боєприпасів і їхніх носіїв, засобів для дослідж. і використання косміч. простору та для спостережень Землі (див. Космічне матеріало­знавство), суперкомп’ютерів і їхніх мереж тощо. Нині у створення та дослідж. матеріалів інвестує майже кожна країна. Унаслідок участі УРСР у рад. ядер., косміч. і напівпровідник. мегапроектах у різні роки виникли потужні укр. матеріалознавчі центри та пром. підприємства. У складі Відділ. фіз.-тех. проблем М. НАНУ функціонують: Проблем матеріало­знавства Інститут ім. І. Францевича НАНУ (з Чернів. відділ.), Наук.-тех. комплекс «Електрозварювання Інститут ім. Є. Патона» НАНУ (з низкою відокремлених бюро, центрів, вироб-в, заводів та ін.), Надтвердих матеріалів Інститут ім. В. Бакуля НАНУ, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАНУ (усі — Київ), Фізико-механічний інститут ім. В. Карпенка НАНУ (Львів), Наук.-технол. комплекс «Монокристалів Інститут» НАНУ (Харків; у структурі — Інститути монокристалів і сцинтиляц. матеріалів, Відділ. хімії функціонал. матеріалів, НДІ мікроприладів та ін.), Чорної металургії Інститут ім. З. Некрасова НАНУ (Дніпро), Імпульсних процесів і технологій Інститут НАНУ (Миколаїв), Термоелектрики Інститут НАНУ (Чернівці). Матеріалами займаються науковці багатьох кафедр тех. університетів України та відділів фіз., хім. і мех. профілів у Відділеннях механіки (Інститут проблем міцності), фізики і астрономії (Інститути фізики напівпровідників і металофізики; усі — Київ), ядер. фізики та енергетики (Інститут фізики твердого тіла, М. та технологій Нац. наук. центру «Харків. фіз.-тех. інститут»), хімії (Інститути заг. і неорганіч. хімії та хімії поверхні; обидва — Київ) НАНУ. Укр. учені-матеріалознавці досягли знач. успіхів у створенні конструкц. і функціонал. матеріалів, нових процесів і технологій та техніки для виробництва таких матеріалів, а також у вивченні їх експлуатац. характеристики у заданих умовах. А. Виноградов, В. Большаков, М. Гасик, В. Єфимов, В. Найдек, З. Некрасов, В. Перелома, Л. Позняк, К. Стародубов, О. Чекмарьов створили сотні нових видів сталі, чавуну і сплавів та дослідили їхні структури, склади, властивості, розробили десятки великомасштаб. технологій виробництва чорних і кольор. металів, їхнього лиття, вальцювання, оброблення тиском, зміцнення, профілювання тощо. Г. Волошкевич, С. Кучук-Яценко, Л. Лобанов, Б. Медовар, Б. Мовчан, Євген і його син Борис Патони, І. Походня, К. Ющенко виконали знач. цикл робіт щодо проблеми з’єднання різнорід. матеріалів, що містить усі види зварювання (див. також Автоматичне зварювання, Аргоно-дугове зварювання, Газове зварювання, Дифузійне зварювання, Дугове зварювання, Електрозварювання, Електронно-променеве зварювання, Електрошлакове зварювання, Зварювання вибухом, Зварювання під водою, Зварювання плавленням, Зварювання пластмас, Зварювання тертям, Зварювання тиском, Зварювання у захисних газах, Зварювання у космосі, Зварювання у медицині, Контактне зварювання, Лазерне зварювання, Плазмове зварювання, Променеве зварювання, Термітне зварювання, Ультразвукове зварювання, Холодне зварювання). В. Єременко і Ю. Найдич досягли ґрунт. результатів щодо паяння пар метал–метал, метал–кераміка (скло), кераміка–кераміка внаслідок ретел. вивчення явищ змочування й розтікання. Фахівці Інституту електрозварювання НАНУ вирішили проблему з’єд­­нання практично для всіх марок сталей, кольор. метал. матеріалів і сплавів для виробів і конструкцій з різною товщиною стінки для косміч. і авіац. апаратів, надвод. і підвод. човнів, двигунів і турбін різної потужності, залізнич. техніки, трубопроводів, атом. реакторів і відповідал. конструкцій АЕС, а також для матеріалів біол. походження, зокрема живих тканин людини та тварини. Д. Карпінос, І. Францевич для експлуатації в екстремал. умовах створили композиц. матеріали на основі пластиків, що зміцнені вуглец. і метал. волокнами, метал., керам., полімерні матеріали, високотемпературні протикороз. матеріали (напр., у косміч. техніці для корпусів апаратів, реактив. двигунів, апаратів, що спускаються). І. Радомисельський, В. Скороход, І. Федорченко та ін. ввели у виробництво десятки нових порошк. технологій, зокрема й на Броварському заводі порошкової металургії (Київ. обл.). Укр. фахівці у галузі порошкової металургії розвинули систему знань щодо порошк. матеріалів із заданими властивостями, розробили технології оброблення порошк. фрикц. і антифрикц., електрокомутац. і конструкц. матеріалів на основі заліза, хрому, титану, міді, їхнього пресування, вальцювання, екструзіювання, спікання, нанесення покриттів. В. Бакуль, М. Новиков та ін. створи­ли технології масового виробництва синтет. алмазів і надтвердих матеріалів на основі кубіч. нітриду бору, твердих сплавів та інструментів для різання та буріння. Г. Гнесін, П. Кислий, М. Ковальченко, Т. Косолапова, Г. Самсонов, С. Тресвятський брали участь у дослідж. фіз.-хім. властивостей і структури тугоплав. сполук, створили низку матеріалів на їхній основі, розробили сотні технологій синтезу простих і склад. карбідів, нітридів, боридів, силіцидів, гідридів, оксидів металів і неметал. елементів, технологій виготовлення багатьох керам. виробів з них для експлуатації в екстремал. умовах у агресив. середовищах. В. Гриднєв, О. Івасишин, Г. Карпенко, В. Панасюк, В. Трефілов, С. Фірстов вивчали зародження розвитку центрів пластичності, крихкості, руйнування, займалися проблемами досягнення рекорд. показників міцності матеріалів, покращення комплексу мех. властивостей і короз. стійкості металів та сплавів, створили нові технології їхнього оброблення, захисту від корозії, видалення розчинених газів. Л. Анатичук обґрунтував теор. основи термоелектрич. матеріалів, В. Бар’яхтар — феромагнетиків, М. Глинчук — сегнетоелектриків, магнетоелектриків і релаксорів, В. Семиноженко — високотемператур. надпровід. матеріалів. Б. Гриньов, В. Пузіков, В. Семиноженко та ін. створили теор. основи вирощування монокристалів різноманіт. речовин, легування люмінофорами кристаліч. і полімер. сцинтиляторів, дослідили радіац. стійкість сцинтиляц. матеріалів, розробили технології вирощування лейкосапфіру, лужногалоїд. монокристалів великого діаметра, монокристалів дигідрофосфату калію, сполук типу AIIBVI, виробництва пластмас. сцинтиляторів і лазер. матеріалів.

Завантажити статтю