A ciência dos materiais baseia-se na relação entre as propriedades, a morfologia estrutural e a implementação dos materiais que constituem os objetos que nos rodeiam ( metais , polímeros , semicondutores , cerâmicas , compósitos , etc.).
Centra-se no estudo das principais características dos materiais, bem como das suas propriedades mecânicas, químicas, elétricas, térmicas, ópticas e magnéticas.
A ciência dos materiais está no centro de muitas das grandes revoluções tecnológicas. Particularmente por um século: eletrônica (computadores, leitores de CD e DVD, etc.), automóveis (motores, carroceria, faróis, etc.), aeronáutica, energias renováveis (painéis solares, etc.), nanociências , nanotecnologias , etc.
O conhecimento e domínio dos fenômenos microscópicos (difusão, arranjo de átomos, recristalização, aparecimento de fases, etc.) dão aos cientistas e industriais a possibilidade de desenvolver materiais com as propriedades e desempenho desejados.
Como resultado, um grande número de cursos de formação em escolas de engenharia ( por exemplo : EEIGM , ECPM ) ou em universidades são focados na ciência dos materiais ( por exemplo: Grenoble , Marselha , Orsay , Poitiers , Estrasburgo , Limoges ).
Projetar um cristal perfeito é fisicamente impossível, mas geralmente são suas falhas estruturais que tornam um material interessante. Portanto, usamos os defeitos em materiais cristalinos (como precipitados , contornos de grão , intersticiais de carbono , lacunas , deslocamentos , etc.) para criar materiais com as propriedades desejadas.
Até o XIX th século, o uso de materiais foi essencialmente empírica. Um grande desenvolvimento ocorreu quando Josiah Willard Gibbs (1839-1903), um físico-químico americano, conseguiu demonstrar que as propriedades termodinâmicas relacionadas à estrutura atômica tinham uma ligação direta com as propriedades físicas de um material. Como resultado, a ciência dos materiais não estava mais limitada a metais ou cerâmicas e diversificou-se consideravelmente, especialmente com o desenvolvimento de plásticos e semicondutores após a Segunda Guerra Mundial . Hoje, o principal impulsionador da inovação nessa ciência é o desenvolvimento de novas tecnologias voltadas para campos de ponta, como nanotecnologias (o infinitamente pequeno) ou aeroespacial.
Os metais são materiais cujos elementos químicos têm a particularidade de poderem formar ligações metálicas e perder elétrons para formar cátions (por exemplo ou ). Eles podem ser caracterizados tanto físico-quimicamente quanto eletronicamente (cf. seção de caracterização). Os metais são caracterizados por várias peculiaridades físicas. São bons condutores elétricos, essa característica é medida tanto pela condutividade quanto pelo seu inverso, resistividade . Eles também são bons condutores térmicos e possuem um brilho luminoso. Do ponto de vista mecânico, caracterizam-se por propriedades como o módulo de elasticidade (geralmente alto, da ordem de vários G Pa ), a dureza , a ductilidade , etc.
Na Terra, a maioria dos metais é encontrada apenas na forma de óxidos. No entanto, eles são pouco usados nesta forma (exceto no campo da microeletrônica). É preferível utilizá-los purificados ( exemplos de cobre e alumínio ) ou na forma de ligas . O alumínio é o metal mais abundante na crosta terrestre . Observe também a importância do ferro , que muitas vezes é usado na forma de aço ou ferro fundido após a adição de carbono .
Do ponto de vista econômico, existem dois setores de extrema importância, o do aço e o do alumínio. Em 2007, a produção mundial de aço foi de 1,3 bilhão de toneladas, um aumento de 5,4% em relação a 2006. Atualmente, esse setor é dominado pela empresa Mittal Steel . O setor de alumínio é dominado pela Rio Tinto Alcan . Em 2008, a produção de alumínio foi de 3,1 milhões de toneladas, um aumento de 11,5% em relação a 2006.
Um polímero é uma substância composta de macromoléculas orgânicas (ou às vezes minerais). As macromoléculas consistem em uma cadeia repetitiva de pelo menos um tipo de monômero . Os monômeros estão ligados entre si por ligações covalentes . As cadeias de polímero interagem umas com as outras com forças mais fracas, como ligações de Van der Waals . As propriedades dos polímeros dependem em particular do tipo de monômero (s), da natureza de sua montagem e do grau de polimerização .
É feita uma distinção entre polímeros naturais, modificados (polímeros artificiais) e sintéticos. Eles também podem ser classificados de acordo com sua arquitetura. Distinguimos, por exemplo, polímeros lineares, ramificados (com ramificações) ou não, dendríticos (ramificações em três dimensões) e reticulados ou tridimensionais que formam uma rede.
Os polímeros podem ser feitos de várias maneiras. Podemos citar:
Outro tipo de classificação de polímeros também é de acordo com suas propriedades termomecânicas. Nós distinguimos:
Os polímeros podem ser classificados em dois tipos, dependendo de seu comportamento no calor e sob pressão:
Devido às suas propriedades interessantes, os polímeros têm invadido gradativamente as indústrias e a vida cotidiana, substituindo os materiais tradicionais.
As cerâmicas são compostas por elementos metálicos e não metálicos. Geralmente são óxidos , nitretos ou carbonetos . O grupo das cerâmicas engloba uma vasta gama de materiais, como cimentos , vidros, cerâmicas tradicionais de barro .
A estrutura cristalina da cerâmica é mais complexa do que a dos metais porque pelo menos dois elementos químicos diferentes estão presentes. Existem cerâmicas iônicas, compostas por um metal e um não metálico (por exemplo: NaCl, MgO) e cerâmicas covalentes, compostas por dois não metais ou elementos puros ( diamante , carboneto de silício , etc. ). A estrutura dos contornos dos grãos também é mais complexa porque as interações eletrostáticas levam a tensões de equilíbrio adicionais. Os íons dos mesmos signos não devem, portanto, tocar uns nos outros. É por isso que a cerâmica tem uma certa porosidade (cerca de 20% em volume).
A cerâmica tem muitas vantagens:
Por outro lado, sua principal fraqueza é estar predisposto a quebrar repentinamente, sem deformação plástica na tração (caráter frágil); as porosidades "enfraquecem" o material, causando concentrações de tensão em sua vizinhança. A fragilidade da cerâmica impossibilita os métodos de laminação ou forjamento usados na metalurgia.
Cerâmicas técnicasA Cerâmica Técnica é um ramo da cerâmica voltado para aplicações industriais, em oposição ao artesanato ( olaria ) ou artístico ( arte em cerâmica ) ou porcelana . O objetivo desta indústria é a criação e otimização de cerâmicas com propriedades físicas específicas: mecânicas , elétricas , magnéticas , ópticas , piezoelétricas , ferroelétricas , supercondutoras , etc.
A maioria das cerâmicas técnicas são moldadas a partir de um pó compactado e depois aquecidas a alta temperatura (processo de sinterização ). Especialmente pós de tamanho de partícula muito pequeno são usados para reduzir a porosidade.
CoposOs vidros são principalmente sólidos obtidos por congelamento de líquido super-resfriado . Os quatro métodos principais de fabricação de vidro são prensar , soprar , esticar e estirar as fibras .
Os vidros são silicatos não cristalinos que contêm outros óxidos (CaO, por exemplo) que modificam suas propriedades. A transparência do vidro é uma de suas propriedades mais importantes. Isso se deve à sua estrutura amorfa e à ausência de defeitos maiores que a fração de um micrômetro. O índice de refração de uma lente é de cerca de 1,5. No que diz respeito às suas propriedades mecânicas, os vidros são materiais frágeis, mas os tratamentos térmicos ou químicos podem remediar.
Semicondutores Estrutura de semicondutorOs semicondutores são feitos de um disco bastante fino de silício , arseneto de gálio ou fosfeto de índio , chamado wafer .
Esse wafer é utilizado como suporte para a fabricação de microestruturas por técnicas como dopagem , corrosão , deposição de outros materiais ( epitaxia , pulverização catódica , deposição química de vapor, etc.) e fotolitografia . Essas microestruturas são um componente importante na fabricação de circuitos integrados , transistores , semicondutores de potência ou MEMS .
Semicondutores dopadosA dopagem é feita pela introdução de átomos de impureza nos semicondutores da matriz . Cada um de seus átomos contribui com um elétron de valência adicional (dopagem N) para as impurezas pentavalentes, ou um "buraco", ou déficit de elétrons de valência (dopagem P) para as impurezas trivalentes.
Um material compósito é uma mistura de dois materiais básicos, distintos em escala macroscópica, com diferentes propriedades físicas e mecânicas. A mistura é efectuada de forma a obter propriedades óptimas, diferentes e geralmente superiores às de cada um dos constituintes. Um composto consiste em pelo menos uma matriz (ligante) e um reforço .
Os constituintes selecionados (alguns são multifuncionais) podem melhorar as seguintes propriedades: rigidez, resistência termomecânica, resistência à fadiga , resistência à corrosão , estanqueidade , resistência ao impacto, resistência ao fogo, isolamento térmico e elétrico, clareamento de estruturas, design de formas complexas.
Papel (s) desempenhado (s) por cada constituinte:
O uso de compósitos é automatizado ( moldagem a vácuo , RTM, etc.) ou artesanal para peças de alto desempenho ( moldagem por contato, etc.).
Os materiais compósitos à base de fibras e polímeros constituem a maior classe (90% de todos os compósitos fabricados atualmente).
Os materiais compostos são amplamente utilizados na aeronáutica, automóveis, ferrovias, etc.
As matrizes podem ser originais:
De cargas (minerais, orgânicas ou metálicas) e aditivos são quase sempre incorporados na matriz.
ReforçoOs reforços (fibras de vidro, carbono, aramida, boro ou metal, etc.) podem ser na forma de:
O reforço pode estar sozinho dentro de uma matriz (compósito homogêneo) ou associado a um reforço de outra natureza (compósito híbrido).
A tabela a seguir compara as principais classes de materiais de acordo com sua origem, cristalinidade, condutividade e termoestabilidade.
Composição | Materiais naturais | Materiais sintéticos | Materiais amorfos | Materiais cristalinos | Materiais isolantes | Materiais semicondutores | Materiais condutores | Materiais termolábeis | Materiais termostáveis |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Orgânico | Biopolímeros | Polímeros sintéticos | Polímeros amorfos | Polímeros semicristalinos | Caso mais frequente | Polímeros semicondutores | Polímeros condutores | Caso mais frequente | Polímeros termostáveis |
Inorgânico não metálico | Rochas | Cerâmica, vidros e semicondutores | Copos | Cerâmica | Caso mais frequente, por exemplo, materiais refratários | Semicondutores inorgânicos | Não | Caso mais frequente | |
Metálico inorgânico | Metais nativos e ligas metálicas | Ligas de metais | Ligas de metal amorfas | Caso mais frequente | Não | Não | sim | Caso mais frequente | |
Orgânico e / ou inorgânico | Madeira , Osso | Materiais compostos sintéticos | Compostos termostáveis |
Para estudar e compreender um material, é essencial caracterizá-lo usando técnicas de caracterização adequadas. Ou, destrutivo, isto é, que danifica o material. Ou, não destrutivos , que não danificam o material e, portanto, o objeto estudado.
As principais técnicas de caracterização podem ser classificadas por categoria:
Essas técnicas de caracterização se beneficiam das contribuições da ciência dos materiais e auxiliam reciprocamente em seu desenvolvimento.
Todas as indústrias que produzem bens materiais dependem de materiais, então a ciência dos materiais encontra naturalmente o seu lugar.
O objetivo das técnicas de forma dos materiais é dar uma determinada forma ao material, impondo-lhe uma determinada microestrutura , de forma a obter um objeto com as propriedades desejadas. Este é um trabalho que requer o melhor controle possível dos parâmetros experimentais ( composição , temperatura , taxa de resfriamento , etc.). As técnicas diferem dependendo dos materiais e objetos a serem feitos. Todas essas técnicas se beneficiam do entendimento fornecido pela ciência dos materiais.
Aqui estão algumas aplicações das principais classes de materiais:
O desenvolvimento da proteção ambiental e da reciclagem incentiva as empresas a buscarem novos materiais, como materiais biodegradáveis. O ácido polilático extraído de plantas como a beterraba ou o milho é um bom exemplo. Atualmente é utilizado em suturas absorvíveis, em substituição a sacolas plásticas ou mesmo em caixas plásticas.
Certos aspectos ambientais nos levam a rever nossa forma de usar os materiais. A reciclagem de materiais está prestes a se desenvolver. Por exemplo, no campo da microeletrônica, os fabricantes de telas planas foram confrontados com a alta do preço do índio e está se tornando interessante reciclá-lo. Outro exemplo, o esgotamento progressivo dos recursos petrolíferos representa um problema para a produção futura de polímeros. Devemos, portanto, buscar soluções alternativas ( bioplásticos ).
Mas alguns materiais muito usados ainda não são recicláveis e constituem um verdadeiro problema ambiental. Estamos pensando principalmente na borracha natural, em certos elastômeros ( estireno-butadieno, etc.), que ainda hoje são os principais constituintes dos pneus, e nos polímeros termoendurecíveis. Portanto, é necessário desenvolver novos processos de reciclagem ou desenvolver materiais alternativos e mais ecológicos, como os elastômeros termoplásticos .
Vários prêmios Nobel de física e química estão relacionados à ciência dos materiais: