Физические основы наук о материалах Алексей Янилкин К

Физические основы наук о материалах Алексей Янилкин К. ф. -м. н. Нач. отдела «Компьютерного материаловедения» ФГУП ВНИИА (Росатом)

Лекция 1 Введение в материаловедение

План лекции • Понятие материаловедения • Цели и задачи материаловедения • История развития материаловедения • Современные тенденции • План курса • Вопросы • Список литературы

Понятие материаловедение • Материаловедение (material science or material science and engineering) – междисциплинарный раздел науки, занимающийся исследованием и созданием новых материалов (wiki). • Материаловедение – это междисциплинарный раздел науки, связанный с исследованием свойств материалов и их приложением. Материаловеды исследуют связь между структурой материала, их свойствами, методами обработки и функциональностью (Nature Materials)

Фундаментальная основа материаловедения • Фундаментальная основа материаловедения связь свойств материалов с их структурой и химическим составом. • Если известна такая связь, то появляется возможность синтезировать новые материалы с заданными свойствами.

Современная парадигма: тетраэдр Характеристика материала Структура Химический состав Синтез и обработка Свойства, функциональность, стоимость

Свойства материалов • • • Механические Электрические Термические Химические Магнитные Оптические

Базовые разделы наук • Термодинамика (стабильность и фазовые превращений) • Кинетика (скорости превращений) • Химия твердого тела (изучение химический превращений) • Физика твердого тела (квантовые явления в твердых телах)

История материаловедения

Каменный век (…. -IV тыс. до н. э. ) • Начало – примерно 3 млн. лет д. н. э. • Основные орудия труда и оружие из камня • В конце распространилось использование глиняной посуды

Керамический нож – отголосок из прошлого или современные технологии Zr. O 2 • Высокая твердость • Высокая хрупкость

Медный век (IV-III тыс. до н. э. ) • Преимущества – ремонтопригодность изделий. • Случайное открытие • Распространение только рядом с рудой

Бронзовый век (III-I тыс. до н. э. ) • Бронза – сплав меди, обычно с оловом в качестве основного легирующего компонента. К бронзам также относятся сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами. Исключение составляют цинк (латунь) и никель (мельхиор). • По сравнению с чистой медью обладает большей твердостью, достаточной прочностью и более легкоплавка.

Железный век (1200 г. до н. э. – 340 г. н. э) • Эпоха, характеризующаяся распространением металлургии железа и изготовлением железных орудий. • Считается, что переход от бронзы связан с истощением месторождений олова. • Открытие способов обуглероживания и закаливания железа (превращения в сталь) значительно повысило механические свойства изделий и железо вытеснило бронзу.

20 -век • До 1950 -1960 гг. многие отделы занимались металлургией, отражая направленность 19 и 20 века на металлы. Начиная с этого времени поле исследований было расширено и начало включать все классы материалов, включая керамику, полимеры, полупроводники, магнитные материалы, биологические материалы, наноматериалы и т. д. • Переход к новой научной концепции: • Образовательного процесс • Академические исследования • Индустриальные исследования

Современное развитие материалов

Современные тенденции: Nature Materials

Современные тенденции: MGI (www. whitehouse. gov/MGI) В июне 2011 года президент США Б. Обама анонсировал проект “Materials Genome Initiative”, целью которого является удвоение скорости создания материалов при уменьшении их стоимости. Основной задачей является разработка вычислительных инструментов, которые будут способны решать задачи для реалистичных материалов, оптимизируют и минимизируют традиционные экспериментальные тесты, и будут предсказывать функционирование материалов в различных условиях.

Современные тенденции • Переход к атомному масштабу • Широкое использование квантовых явлений • Дизайн материалов • Структура • Химический состав • Переход от эмпиризма к теоретическим и расчетным моделям. • Уменьшение времени разработки • Уменьшение стоимости материалов • Создание материалов под конкретные приложения

Таблица Менделеева

Таблица Менделеева

Таблица Менделеева

Распространенность элементов в Солнечной системе http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Solar. System. Abundances. jpg

Распространенность элементов на Земле http: //pubs. usgs. gov/fs/2002/fs 087 -02/

Идеология курса • Структура материалов • Химический состав • Свойства материалов

Структура материалов • Лекция 2. Структурные уровни материалов. Молекулы. Кристаллические решетки. • Лекция 3. Квазидвухмерные кристаллы и квазикристаллы. • Лекция 4. Аморфные структуры. Полимеры. • Лекция 5. Методы определения структуры. • Лекция 6. Многослойные материалы, материалы с дисперсными выделениями. • Лекция 7. Гранулярные системы, поликристаллы, композиты.

Химический состав • Лекция 8. Свойства атомов. • Лекция 9, 10. Методы определения химического состава. • Лекция 11. Физическая природа взаимодействия структурных элементов на различных уровнях. • Лекция 12. Взаимодействие между атомами и ионами. Межмолекулярные силы. • Лекция 13. Силы адгезии. Взаимодействие между гранулами.

Свойства материалов • Лекция 14, 15. Влияние примесей на различные свойства материалов: электронные, оптические, прочностные, диффузионные, стабильность. • Лекция 16. Высокоэнтропийные сплавы. • Лекция 17. Энергетические материалы. • Лекция 18*. Жидкая броня.

Вопросы к лекции • Понятие материаловедения. • Цели и задачи материаловедения. • Современные тенденции.

Список литературы • Nature Materials (http: //www. nature. com/subjects/materials-science) • The coming of material science // Clarke (2002). • High entropy alloys // Murty et al. (2014). • Materials–a brief history // Ashby (2008). • Физико-химический основы материаловедения. // Г. Готтштайн (2009) • Wikipedia

Список литературы • Физическое материаловедение. // Калин (2008). • Материаловедение. // Адаскин, Седов, Онегина, Климов (2005). • Введение в физику твердого тела. // Киттель (1978). • Теория дислокаций. // Хирт и Лоте (1972). • Plutonium and Its Alloys // Hecker (2000).