Матеріалознавство

МАТЕРІАЛОЗНА́ВСТВО — між­дисциплінарна наука, що встановлює спів­від­ноше­н­ня між структурою, складом і властивостями матеріалів у звʼязку з технологією їх отрима­н­ня, умовами екс­плуатації та вартістю. Технологія отрима­н­ня матеріалу — вмі­н­ня цілеспрямовано створювати матеріал. обʼєкти 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. звʼязку, 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 камʼяні 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, пʼєзо­­­електричні 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. звʼязку, 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., обʼєм., домішк., сегрегаційних та ін.), що також є елементами структури. Макромолекуляр., або кластер., мас­штаб структури роз­глядає обʼєкти 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. компʼютер. 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 обʼємом, 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 обʼєкти, 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 нано­­обʼєкта. 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 обʼєк­­ти — 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, вʼязкість, 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 обʼємі 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 обʼєкти, 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), суперкомпʼютерів 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 зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼєд­­на­н­ня 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. Барʼяхтар — 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