Materialshunoslik
Materialshunoslik — bu materiallarni tadqiq qilish va kashf qilishning fanlararo sohasi. Materiallar muhandisligi — bu materiallarni loyihalash va takomillashtirish va boshqa sohalarda va sanoatda materiallardan foydalanishni topishning muhandislik sohasi.
Materialshunoslikning intellektual kelib chiqishi tadqiqotchilar metallurgiya va mineralogiyadagi qadimiy, fenomenologik kuzatishlarni tushunish uchun kimyo, fizika va muhandislik fanlaridan analitik tafakkurdan foydalana boshlagan Maʼrifat davridan kelib chiqadi[1][2]. Materialshunoslik hali ham fizika, kimyo va muhandislik elementlarini oʻz ichiga oladi. Shunday qilib, ushbu soha uzoq vaqt davomida ilmiy muassasalar tomonidan ushbu tegishli sohalarning kichik sohasi sifatida koʻrib chiqilgan. 1940-yillardan boshlab materialshunoslik fan va texnikaning oʻziga xos va oʻziga xos sohasi sifatida kengroq eʼtirof etila boshlandi va butun dunyodagi yirik texnik universitetlar uni oʻrganish uchun maxsus maktablar yaratdilar.
Materialshunoslar materialning tarixi (qayta ishlash) uning tuzilishiga va shu bilan materialning xususiyatlari va ishlashiga qanday taʼsir qilishini tushunishga urgʻu beradi. Qayta ishlash-tuzilma-xususiyat munosabatlarini tushunish materiallar paradigmasi deb ataladi. Ushbu paradigma nanotexnologiya, biomateriallar va metallurgiya kabi turli tadqiqot yoʻnalishlarida tushunishni rivojlantirish uchun ishlatiladi.
Materialshunoslik, shuningdek, sud-tibbiyot muhandisligi va nosozliklarni tahlil qilishning muhim qismidir — ishlamay qolgan yoki maqsadga muvofiq ishlamaydigan, shaxsiy shikastlanish yoki mulkka zarar yetkazadigan materiallar, mahsulotlar, tuzilmalar yoki tarkibiy qismlarni tekshirish. Bunday tekshiruvlar, masalan, turli aviatsiya hodisalari va hodisalarining sabablarini tushunish uchun kalit hisoblanadi.
Paydo boʻlishi
[tahrir | manbasini tahrirlash]
Muayyan davrni tanlash materiali koʻpincha aniqlovchi nuqtadir. Tosh davri, bronza davri, temir asri va poʻlat asri kabi iboralar, agar oʻzboshimchalik bilan misol boʻlsa, tarixiydir. Dastlab keramika ishlab chiqarish va uning taxminiy hosilaviy metallurgiyasidan kelib chiqqan materialshunoslik muhandislik va amaliy fanning eng qadimgi shakllaridan biridir[3]. Zamonaviy materialshunoslik toʻgʻridan-toʻgʻri metallurgiyadan rivojlandi, oʻzi esa olovdan foydalanish natijasida paydo boʻldi. 19-asr oxirida amerikalik olim Jozia Uillard Gibbs turli fazalardagi atom tuzilishi bilan bogʻliq termodinamik xususiyatlar materialning fizik xususiyatlari bilan bogʻliqligini koʻrsatganida, materiallarni tushunishda katta yutuq yuz berdi[4]. Zamonaviy materialshunoslikning muhim elementlari kosmik poyganing mahsulotlari edi; Kosmosni oʻrganishga imkon beradigan kosmik transport vositalarini qurishda ishlatiladigan metall qotishmalari, kremniy va uglerod materiallarini tushunish va muhandislik . Materialshunoslik kauchuklar, plastmassalar, yarimoʻtkazgichlar va biomateriallar kabi inqilobiy texnologiyalarning rivojlanishiga turtki boʻldi va uni boshqardi.
1960-yillarga qadar (va baʼzi hollarda oʻnlab yillar oʻtib) koʻplab materialshunoslik boʻlimlari metallurgiya yoki keramika muhandisligi boʻlimlari boʻlib, ular 19-asr va 20-asr boshlarida metallar va keramikaga eʼtiborni aks ettirgan. Qoʻshma Shtatlarda materialshunoslikning oʻsishi qisman 1960-yillarning boshlarida „material fanlari boʻyicha fundamental tadqiqotlar va kadrlar tayyorlash milliy dasturini kengaytirish uchun“ universitetda joylashgan bir qator laboratoriyalarni moliyalashtirgan Ilgʻor tadqiqot loyihalari agentligi tomonidan katalizator boʻldi" [5]. Mashinasozlik bilan taqqoslaganda, yangi paydo boʻlgan materialshunoslik sohasi makrodarajadagi materiallarga murojaat qilishga va materiallar mikroskopik darajadagi xatti-harakatlar bilimlari asosida ishlab chiqilgan yondashuvga qaratilgan[6]. Atom va molekulyar jarayonlar oʻrtasidagi bogʻliqlik, shuningdek, materiallarning umumiy xususiyatlari toʻgʻrisidagi kengaytirilgan bilimlar tufayli materiallarning dizayni aniq istalgan xususiyatlarga asoslandI[6]. Oʻshandan beri materialshunoslik sohasi har bir turdagi materiallarni, jumladan, keramika, polimerlar, yarimoʻtkazgichlar, magnit materiallar, biomateriallar va nanomateriallarni oʻz ichiga olgan holda kengayib, odatda uchta alohida guruhga tasniflanadi: keramika, metallar va polimerlar. Soʻnggi oʻn yilliklarda materialshunoslikdagi sezilarli oʻzgarishlar yangi materiallarni topish, xususiyatlarni bashorat qilish va hodisalarni tushunish uchun kompyuter simulyatsiyalaridan faol foydalanishdir.
Asoslar
[tahrir | manbasini tahrirlash]Materiallar maʼlum ilovalar uchun foydalanish uchun moʻljallangan modda (koʻpincha qattiq, lekin boshqa kondensatsiyalangan fazalarni kiritish mumkin) sifatida aniqlanadi[7]. Atrofimizda son-sanoqsiz materiallar mavjud; ularni binolar va avtomobillardan tortib kosmik kemalargacha boʻlgan hamma narsada topish mumkin. Materiallarning asosiy sinflari metallar, yarim oʻtkazgichlar, keramika va polimerlardir [8]. Ishlab chiqilayotgan yangi va ilgʻor materiallar qatoriga nanomateriallar, biomateriallar [9] va energiya materiallari kiradi.
Materialshunoslikning asosi materiallarning tuzilishi, ushbu materialni tayyorlash uchun ishlov berish usullari va natijada olingan material xususiyatlari oʻrtasidagi oʻzaro bogʻliqlikni oʻrganishdir. Ularning murakkab kombinatsiyasi maʼlum bir dasturda materialning ishlashini keltirib chiqaradi. Koʻp uzunlik oʻlchovlari boʻyicha koʻplab xususiyatlar tarkibiy kimyoviy elementlardan, uning mikro tuzilishidan va qayta ishlashdan olingan makroskopik xususiyatlardan tortib materialning ishlashiga taʼsir qiladi. Olimlar termodinamika va materiallarning kinetik qonunlari bilan birgalikda materiallarni tushunish va yaxshilashga intilishadi.
Tuzilishi
[tahrir | manbasini tahrirlash]Struktura materialshunoslik sohasining eng muhim tarkibiy qismlaridan biridir. Ushbu sohaning taʼrifi „materiallarning tuzilmalari va xususiyatlari oʻrtasidagi munosabatlarni“ oʻrganish bilan bogʻliqligini koʻrsatadi[10]. Materialshunoslik atom shkalasidan tortib to makro miqyosgacha boʻlgan materiallarning tuzilishini oʻrganadi[11]. Xarakterlash — bu material olimlarining material tuzilishini oʻrganish usuli. Bu rentgen nurlari, elektronlar yoki neytronlar bilan diffraksiya kabi usullarni va spektroskopiya va kimyoviy tahlilning turli shakllarini, masalan, Raman spektroskopiyasi, energiya-dispersiv spektroskopiya, xromatografiya, termal tahlil, elektron mikroskop tahlili va boshqalarni oʻz ichiga oladi.
Struktura quyidagi bosqichlarda o‘rganiladi.
Atom tuzilishi
[tahrir | manbasini tahrirlash]Atom tuzilishi materiallarning atomlari va ular molekulalar, kristallar va boshqalarni hosil qilish uchun qanday joylashtirilganligi bilan bogʻliq. Materiallarning elektr, magnit va kimyoviy xossalarining katta qismi strukturaning shu darajasidan kelib chiqadi. Ishtirok etgan uzunlik shkalasi angstromlarda(Å) boʻladi. Kimyoviy bogʻlanish va atom tuzilishi (kristallografiya) har qanday materialning xossalari va harakatlarini oʻrganish uchun asosiy hisoblanadi.
Bogʻlanish
[tahrir | manbasini tahrirlash]Materialning tuzilishi va uning xususiyatlari bilan qanday bogʻliqligini toʻliq tushunish uchun materialshunos turli atomlar, ionlar va molekulalarning qanday joylashishini va bir-biri bilan bogʻlanishini oʻrganishi kerak. Bu kvant kimyosi yoki kvant fizikasini oʻrganish va foydalanishni oʻz ichiga oladi. Bogʻlanish va tuzilishni oʻrganishda qattiq jismlar fizikasi, qattiq jismlar kimyosi va fizik kimyo ham ishtirok etadi.
Kristallografiya
[tahrir | manbasini tahrirlash]
Kristallografiya — qattiq kristall jismlardagi atomlarning joylashishini oʻrganadigan fan. Kristallografiya materialshunoslar uchun foydali vositadir. Yagona kristallarda atomlarning kristall joylashuvi taʼsirini makroskopik jihatdan koʻrish oson, chunki kristallarning tabiiy shakllari atom tuzilishini aks ettiradi. Bundan tashqari, jismoniy xususiyatlar koʻpincha kristall nuqsonlar bilan boshqariladi. Kristal tuzilmalarini tushunish kristalografik nuqsonlarni tushunish uchun muhim shartdir. Koʻpincha materiallar bitta kristal sifatida emas, balki polikristal shaklida, turli yoʻnalishdagi mayda kristallar yoki donalar yigʻindisi sifatida paydo boʻladi. Shu sababli, koʻp kristalli polikristalli namunalarning diffraktsiya naqshlaridan foydalanadigan kukun diffraktsiya usuli strukturani aniqlashda muhim rol oʻynaydi. Aksariyat materiallar kristalli tuzilishga ega, ammo baʼzi muhim materiallar muntazam kristalli tuzilishga ega emas. Polimerlar turli darajadagi kristallikni namoyon qiladi va koʻplari butunlay kristalli emas. Shisha, baʼzi keramika va koʻplab tabiiy materiallar amorf boʻlib, ularning atomik tuzilishida uzoq masofali tartibga ega emas. Polimerlarni oʻrganish kimyoviy va statistik termodinamika elementlarini birlashtirib, fizik xususiyatlarning termodinamik va mexanik tavsiflarini beradi.
Nanostruktura
[tahrir | manbasini tahrirlash]Atomlar va molekulalar nanometriyadagi tarkibiy qismlarni tashkil etadigan (yaʼni, ular nanostrukturani hosil qiladigan) materiallarga nanomateriallar deyiladi. Nanomateriallar oʻziga xos xususiyatlari tufayli materialshunoslik hamjamiyatida qizgʻin izlanishlar mavzusidir.
Nanostruktura 1 dan 100 gacha boʻlgan ob’ektlar va tuzilmalar bilan shugʻullanadi nm diapazoni[13]. Koʻpgina materiallarda atomlar yoki molekulalar birga yigʻilib, nano oʻlchamdagi ob’ektlarni hosil qiladi. Bu juda koʻp qiziqarli elektr, magnit, optik va mexanik xususiyatlarni keltirib chiqaradi.
Nanostrukturalarni tavsiflashda nanostrukturadagi oʻlchamlar sonini farqlash kerak.
Nanotexturali yuzalar nano oʻlchovda bitta oʻlchamga ega, yaʼni faqat ob’ekt sirtining qalinligi 0,1 dan 100 gacha.nm.
Nanotubalar nano oʻlchovda ikkita oʻlchamga ega, yaʼni trubaning diametri 0,1 dan 100 gacha. nm; uning uzunligi ancha katta boʻlishi mumkin.
Nihoyat, sferik nanozarralar nano oʻlchovda uchta oʻlchamga ega, yaʼni zarracha 0,1 dan 100 gacha. Har bir fazoviy oʻlchamda nm. Nanozarrachalar va oʻta nozik zarralar (UFP) atamalari koʻpincha sinonim sifatida ishlatiladi, ammo UFP mikrometr diapazoniga etib borishi mumkin. „Nanostruktura“ atamasi koʻpincha magnit texnologiyaga nisbatan qoʻllanadi. Biologiyada nano oʻlchamdagi struktura koʻpincha ultrastruktura deb ataladi.
Mikro tuzilma
[tahrir | manbasini tahrirlash]Mikrostruktura 25 × kattalashtirishdan yuqori mikroskop tomonidan aniqlangan tayyorlangan sirt yoki yupqa folga materialining tuzilishi sifatida aniqlanadi. U 100 dan ob’ektlar bilan shugʻullanadi nm dan bir necha sm gacha. Materialning mikro tuzilishi (ularni metall, polimer, keramika va kompozitlarga keng tasniflash mumkin) kuch, qattiqlik, egiluvchanlik, qattiqlik, korroziyaga chidamlilik, yuqori / past harorat harakati, aşınma qarshilik va boshqalar kabi jismoniy xususiyatlarga kuchli taʼsir koʻrsatishi mumkin. . Anʼanaviy materiallarning aksariyati (metall va keramika kabi) mikro tuzilishga ega.
Materialning mukammal kristalini ishlab chiqarish jismoniy jihatdan mumkin emas. Masalan, har qanday kristall materialda choʻkmalar, don chegaralari (Hall-Petch munosabatlari), vakansiyalar, interstitsial atomlar yoki oʻrnini bosuvchi atomlar kabi nuqsonlar boʻladi. Materiallarning mikro tuzilishi bu katta nuqsonlarni ochib beradi va simulyatsiyadagi yutuqlar material xususiyatlarini yaxshilash uchun nuqsonlardan qanday foydalanish mumkinligini tushunishga imkon berdi.
Makrostruktura
[tahrir | manbasini tahrirlash]Makrostruktura — bu materialning millimetrdan metrgacha boʻlgan shkaladagi koʻrinishi, yalangʻoch koʻz bilan koʻrinadigan materialning tuzilishi.
Xususiyatlar
[tahrir | manbasini tahrirlash]Materiallar son-sanoqsiz xususiyatlarni namoyish etadi, jumladan quyidagilar.
- Mexanik xususiyatlar, materiallarning mustahkamligiga qarang
- Kimyoviy xususiyatlar, Kimyoga qarang
- Elektr xususiyatlari, Elektrga qarang
- Termal xususiyatlar, Termodinamikaga qarang
- Optik xususiyatlar, Optika va fotonikaga qarang
- Magnit xususiyatlar, Magnitizmga qarang
Materialning xususiyatlari uning ishlatilishini va shuning uchun uning muhandislik qoʻllanilishini belgilaydi.
Qayta ishlash
[tahrir | manbasini tahrirlash]Sintez va qayta ishlash kerakli mikro-nanostrukturaga ega materialni yaratishni oʻz ichiga oladi. Muhandislik nuqtai nazaridan materialni sanoatda ishlatish mumkin emas, agar uni iqtisodiy ishlab chiqarish usuli ishlab chiqilmagan boʻlsa. Shunday qilib, materiallarni qayta ishlash materialshunoslik sohasi uchun juda muhimdir. Turli materiallar turli xil qayta ishlash yoki sintez usullarini talab qiladi. Masalan, metallarni qayta ishlash tarixan juda muhim boʻlib, materialshunoslikning fizik metallurgiya deb nomlangan boʻlimi ostida oʻrganiladi. Bundan tashqari, kimyoviy va fizik usullar polimerlar, keramika, yupqa plyonkalar va boshqalar kabi boshqa materiallarni sintez qilish uchun ham qoʻllanadi. 21-asrning boshlarida grafen kabi nanomateriallarni sintez qilishning yangi usullari ishlab chiqilmoqda.
Manbalar
[tahrir | manbasini tahrirlash]- ↑ „Eddy, Matthew Daniel (2008). The Language of Mineralogy: John Walker, Chemistry and the Edinburgh Medical School 1750–1800. Ashgate. Archived from the original on 2015-09-03.“.
- ↑ „Smith, Cyril Stanley (1981). A Search for Structure. MIT Press. ISBN 978-0262191913.“.
- ↑ Defonseka, Chris. Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives (en). Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2020 — 31-bet. ISBN 978-3-11-066999-2.
- ↑ Psillos, Dimitris. Iterative Design of Teaching-Learning Sequences: Introducing the Science of Materials in European Schools (en). Dordrecht: Springer, 2015 — 79-bet. ISBN 978-94-007-7807-8.
- ↑ Martin, Joseph D. (2015). "What's in a Name Change? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science". Physics in Perspective 17 (1): 3–32. doi:10.1007/s00016-014-0151-7. http://dro.dur.ac.uk/29168/1/29168.pdf.
- ↑ 6,0 6,1 Channell, David F.. A History of Technoscience: Erasing the Boundaries between Science and Technology (en). Oxon: Routledge, 2017 — 225-bet. ISBN 978-1-351-97740-1.
- ↑ „For Authors: Nature Materials“
- ↑ Callister, Jr., Rethwisch. „Materials Science and Engineering — An Introduction“ (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.5-6
- ↑ Callister, Jr., Rethwisch. Materials Science and Engineering — An Introduction (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.10-12
- ↑ Zagorodni, Andrei A.. Ion Exchange Materials: Properties and Applications (en). Amsterdam: Elsevier, 2006 — xi-bet. ISBN 978-0-08-044552-6.
- ↑ Defonseka, Chris. Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives (en). Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2020 — 31-bet. ISBN 978-3-11-066999-2.
- ↑ A. Navrotsky (1998). "Energetics and Crystal Chemical Systematics among Ilmenite, Lithium Niobate, and Perovskite Structures". Chem. Mater. 10 (10): 2787–2793. doi:10.1021/cm9801901.
- ↑ Cristina Buzea; Ivan Pacheco; Kevin Robbie (2007). "Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity". Biointerphases 2 (4): MR17–MR71. doi:10.1116/1.2815690. PMID 20419892. Archived from the original on 2012-07-03. https://archive.today/20120703014917/http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=BJIOBN00000200000400MR17000001&idtype=cvips&gifs=Yes.