Szerkesztő:Cvbncv/Anyagtudomány

Azbesztszálak SEM-képe

A anyagtudomány a fizikai tudományok egy ága, amelynek elsődleges célja az ismert anyagok jellemzése, illetve új anyagok megismerése vagy létrehozása, továbbá ezen célokhoz vizsgálati és mérési módszerek, elméletek kidolgozása. Interdiszciplináris tudományterület, mely különféle témaköröket a fenti célok alapján egyesít; szorosan kapcsolódik olyan tudományágakhoz, mint az atom- és molekulafizika, a nanotechnológia, a kristálytan, a termodinamika, illetve az anyagok építőköveinek kölcsönhatásait leíró kémia. Elméletei gyakran a fizika és kémia általánosabb elvein alapulnak, leírásai a kvantummechanika és a szilárdtestfizika eredményeit is alkalmazzák. Emellett szoros kapcsolatban áll a mérnöki tudományokkal, hiszen motivációja és alkalmazásai gyakran mérnöki igények következményei.

Története

Előzményei

Tágabb értelemben véve e tudományterület ókori, illetve még korábbi előzményekkel rendelkezik. Az eszközkészítésre használt anygok jellemzőinek javítására vonatkozó igény igen korán jelentkezett. A technika fejlődése olyan fontos jellemzője még a társadalomnak is, hogy a modern történettudomány háromkorszak-rendszere is az alkalmazott jellemző anyag alapján nevezi meg a kőrézkort, a bronzkort és a vaskort.

Az őskor emberének azok az anyagok álltak rendelkezésére az eszközkészítéshez, melyek a természetben megtalálhatók, és könnyen kinyerhetők: kő, fa agyag, bőr stb. Ezek közül kellett kiválasztani az adott feladathoz a legalkalmasabbat. A technikai újítások – például az agyag kiégetése – már jobb minőségű, tartósabb eszközöket eredményeztek, ami az anyagokkal kapcsolatos ismeretek megszerzésének egy fontos korai motivációja lehetett.

Az első anyagtudományi eredmények az ókori társadalmakhoz köthetők. Ekkor alakultak ki a vaskohászat alapvető lépései az ókori európai, közel-keleti és távol-keleti társadalmakban, például Perzsiában, Egyiptomban, Karthágóban, a Görög és a Római Birodalomban. Az ókori és középkori Kínából, Indiából és Japánból is maradtak fenn kohászati emlékek. A technikai fejlődés párhuzamosságát mutatja, hogy az európai és közel-keleti mellett ókori Kínában is ismertek és alkalmaztak olyan, a megmunkáláshoz szükséges eszközöket és módszereket, mint az olvasztókemence, a vasöntés, a kovácsolásnál ma alkalmazott légkalapácsok elődje illetve a fújtató.

Az anyagtudomány első eredményeinek célja a megmunkálási módszerek javítása lehetett. A reneszánsz neves arany- és ezüstművese, Benvenuto Cellini önéletrajzában ír a fémek öntéséről, mely a téma egyik első részletes leírása.

Modern anyagtudomány

A mai értelemben vett anyagtudomány alapvetései lényegében a 19. századból származnak. Josiah Willard Gibbs amerikai fizikus ekkor mutatt rá, hogy az anyagok atomi szerkezetéből adódó termikus jellemzők befolyásolják az anyagjellemzőket, ami fontos lépés volt az anyagok tudományos vizsgálatában. Hozzá köthető a szabadentalpia (angol nyelvterületen Gibbs free enegry) bevezetése, mely a fázisátalakulások termodinamikájának leírásában ma is alkalmazott fontos jellemző.

A 20. század számos tudományos és technikai folyamata hatással volt az anyagtudományra: az űrverseny, a hidegháború alatti fegyverkezési verseny, az új fizikai elvek, a félvezetők megismerése és alkalmazása mind új anyagok és technológiák megjelenéséhez vezettek.

Témakörei

A legtágabb értelemben az anyagtudomány témakörébe esik bárminemű anyag jellemzése, a gyakorlatban azonban főleg a szilárd anyagok jellemzését és vizsgálatát értik alatta. Az anyagtudomány azon ágát, mely a kondenzált fázisú (pl. szilárd és folyékony), jellemzően kötésben álló atomokból és molekulákból felépülő anyagokkal foglalkozik, kondenzált anyagok fizikájának nevezik. A folyadékok és gázok jellemzése a fluidika, az áramlástan, illetve a termodinamika gázelméleteinek témakörébe esik.

Az anyagtudományban az anyag jellemzése során négy fő szempontot alkalmaznak, melyek egymással kapcsolatosak, egymásból következnek. Ezek az anyagszerkezet, az anyagjellemzők, az előállítás, illetve az anyagminőség. A szerkezet függ attól, hogy milyen eljárást alkalmaznak, a jellemzőket a szerkezet befolyásolja, az anyag alkalmazások szempontjából megadható minősége pedig az anyagjellemzők függvénye. Akkor mondják, hogy egy anyag anyagtudományi értelemben jól jellemzett, ha ezen szempontok szerint kellőképpen körüljárták.

Előállítási eljárás	→	Anyagszerkezet	→	Anyagjellemzők	→	Anyagminőség

Az anyag szerkezete

A szilárd anyagok szerkezetén általánosan az anyagot felépítő részek elrendezését értik. Ez az elrendezés különféle méretskálákon értelmezhető, hiszen a szerkezet rendje a skálától függően más és más lehet. Például a szerkezetet jellemzi, hogy az atomi méretskálán az elemek hogyan helyezkednek el, milyen kémiai kötéseket alkotnak egymással. Kicsivel nagyobb léptékben már figyelembe vehető az anyag nanoszerkezete, mely az atom- és molekulacsoportok nanométeres tartományú elrendeződését jellemzi. Még nagyobb mérettartományos az anyag kristályos struktúrákba is rendeződhet, szemcséket alkothat. Az egyes anyagi fázisok meghatározott rendbe is állhatnak, melyeket például a metallurgiában a fémek szövetelemeiként azonosítják. Az anyag ezen struktúrái alapvetően befolyásolják az anyag tulajdonságait, mely az anyagtudomány fontos témája.

Atomi skála

A hétköznapi anyagok legkisebb egységei az atomok és az ionok. Az atomok belső szerkezete is hatással van az anyag jellemzőire, ezt az atomok kémiai jellemzésével veszik figyelembe. A legtöbb anyagtudományi modellben nincs szükség magfizikai, vagy ennél elemibb effektusok figyelembevételére, de például az anyagtudomány tárgyalja a magfizikai jelenségek anyagjellemzőkre vonatkozó hatásait. A kötéstípusok az anyagban alapvető jelentőségűek, ez tesz különbséget a fémes kötésű, ionos kötésű, kovalens atomrácsú, molekularácsos, és egyéb szerkezetű anyagok között. Az atomi elektronhéjak konfigurációi, a vegyértékelektronok elektronszerkezeti átrendeződése (hibridizációja), az elsődleges és másodlagos kötések szerepe nagyban befolyásolhatja a makroszkopikus anyagjellemzőket. Erre látványos példát adnak a szén allotropjai: a gyémánt, a grafit, a grafén, a szén nanocső, és az amorf szén mind-mind szénatomokból áll, de mivel atomi skálájú szerkezetük eltér, köztük nagy makroszkopikus különbségeket figyelhetünk meg.

Nanoszerkezet

Az anyag nanoszerkezete bizonyos esetekben igen nagy hatást gyakorol az anyag egészének jellemzőire. Ez általában félvezető anyagokban jellemző hatás, ahol bizonyos elektromos jellemzők karakterisztikus hossza a nanométeres mérettartományba esik, így az anyag ugyanilyen méretskálába eső szerkezeti jellemzőivel csatolásba kerülhet. Az anyag egyes irányokban véges tartományai kvantumbezárási effektusokhoz vezethetnek.

Mikroszerkezet és kristálytan

Az anyag jellemzőit az atomi szint felett, a nagyjából 100 nanométer és néhány centiméter közé eső mérettartományban kialakuló szerkezete is befolyásolja, melyet az anyag mikroszerkezetének neveznek. A hétköznapi szóhasználatban a mikroszerkezet alapján szokták megnevezni az általános anyagtípusokat, például fém, műanyag, kerámia, kompozit anyagok, stb.

Az anyagjellemzők lehetnek közel állandóak vagy változhatnak pontról pontra (homogenitás), bizonyos anyagokban elképzelhetők kitüntetett irányok, melyek mentén eltérnek a jellemzők (izotrópia). Például szemcsés, vagy zárványos anyagok nem homogének, optikai jellemzők anizotrópiájának egy lehetséges esete a kettőstörés, mechanikai anizotrópia esetén pedig elképzelhető, hogy más-más irányokban az anyag különböző mértékű igénybevételeket képes elviselni. A mikroszerkezet jellemzői például olyan makroszkopikus anyagi tulajdonságokat tudnak befolyásolni, mint a szívósság, keménység, szakítószilárdság, korrózió- vagy savállóság, termikus stabilitás, hősokkállóság, stb.

A kristályos anyagok többségében a kristályos rend csak nanométer-mikrométer nagyságrendben áll fenn, de a mikroszerkezetét vizsgálva látható, hogy több, gyakran eltérő kristályirányú (orientációjú) krisztallit építi fel a makroszkopikus anyagtartományt. Az ilyen anyagok polikristályosak, melyek szemcsemérete, a szemcsék határfelülete, a határfelületen illetve a krisztallitok belsejében kiváló szennyezők is befolyásolhatják az anyagjellemzőket. Az ideális kristályokban továbbá kristálytani hibák is vannak jelen, például vakanciák, diszlokációk, melyek viselkedésének megértése nélkülözhetetlen az anyag pontos jellemzéséhez.

Fizikai jellemzés

Az anyag minőségét különféle jellemzőkkel adják meg, melyek általánosan valamilyen külső behatásokra adott válaszokként értelmezhetők. Külső erőhatásra a legtöbb anyag például ellenállást tanúsít, majd deformálódik. Hogy milyen erő hatására történik egyáltalán deformáció, és hogy a deformáció mértéke hogyan viszonyul a kiváltó hatástól, mind az anyag fontos tulajdonsága, azaz anyagjellemző. Az anyagjellemzők többsége mechanikai, elektromos, hőtani, mágneses, optikai jellegű, vagy a kémiai reakcióképességgel vagy stabilitással kapcsolatos.

Mérnöki alkalmazásai

A mérnöki értelemben vett anyag definíciója elválaszthatatlan az alkalmazásoktól: a fizikai

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Materials science című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Források

• Callister, Jr., William D.. Materials Science and Engineering – An Introduction (PDF), hetedik kiadás, John Wiley and Sons (2006. november 27.). ISBN 978-0-471-73696-7. Hozzáférés ideje: 2018. február 17. 
• Prohászka János. Bevezetés az anyagtudományba I.. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó. ISBN 963-19-3910-3 (2002) 
• Ginsztler János, Dévényi László, Hidasi Béla. Alkalmazott anyagtudomány. Budapest: Műegyetemi Kiadó. ISBN 963-420-611-5 (2005) 
• Deák Péter, Giber János, Kocsányi László. Műszaki fizika III/1. – Az anyagtudomány alapjai. Budapest: Műegyetemi Kiadó (1998) 
• González-Viñas, W.. An Introduction to Materials Science. Princeton University Press (2004. november 27.). ISBN 0-691-07097-0