Ciència de materials

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Diferents disciplines de la ciència de materials

La ciència de materials és un camp multidisciplinari que estudia coneixements fonamentals sobre les propietats físiques macroscòpiques dels materials i els aplica en diverses àrees de la ciència i l'enginyeria, aconseguint que aquests puguin ser utilitzats en obres, màquines i eines diverses, o convertits en productes necessaris o requerits per la societat.

La ciència de materials investiga la relació entre l'estructura i les propietats dels materials. Inclou elements de la física aplicada i la química, així com les enginyeries química, mecànica, civil i elèctrica. En els últims anys també s'hi ha afegit la nanociència i la nanotecnologia, gràcies a les investigacions i als avenços tecnològics. D'altra banda, l'enginyeria de materials, es fonamenta en les relacions propietats-estructura i dissenya o projecta l'estructura d'un material per aconseguir un conjunt predeterminat de propietats. És a dir, que la ciència és descriptiva mentre que l'enginyeria inclou la ciència, però per a aplicacions al món. La tecnologia de materials és l'estudi i posada en pràctica de tècniques d'anàlisi, estudis físics i desenvolupament de materials. Així, l'estudi des del punt de vista de l'enginyeria inclou la viabilitat tècnica, econòmica i social, la tecnologia, la tècnica, la practicitat, el temps, l'eficiència, la rendibilitat financera i social, les alternatives, el medi ambient, l'ergonomia, la mercadotècnia, etc. Convé matisar aquesta diferència, donat que sovint es presta a confusió.

Tot i els espectaculars progressos en el coneixement i en el desenvolupament dels materials en els últims anys, el constant desafiament tecnològic requereix materials cada cop més sofisticats i especialitzats.

Història[modifica | modifica el codi]

Històricament, el desenvolupament i l'evolució de les societats han estat íntimament vinculats a la capacitat dels seus membres per produir i conformar els materials necessaris per satisfer llurs necessitats. En efecte, les primeres civilitzacions es coneixen amb el nom del material característic que utilitzaven (Edat de Pedra, Edat de Bronze)

L'home primitiu només tingué accés a un nombre molt reduït de materials presents en la naturalesa: pedres, fustes, fang, cuir... Amb el transcurs del temps, va descobrir tècniques per produir materials amb noves propietats superiors a les dels naturals (principalment aliatges).

Fa relativament poc temps que els científics han arribat a comprendre la relació entre elements estructurals dels materials i llurs propietats. Aquest coneixement, adquirit en els últims 200 anys aproximadament, els ha capacitat per modificar o adaptar les característiques dels materials. Potser un dels científics més rellevants en aquest camp hagi estat Willard Gibbs al demostrar la relació entre les propietats d'un material i llur estructura.

S'han desenvolupat desenes de milers de materials diferents amb característiques molt especials per satisfer les necessitats de la nostra moderna i complexa societat, es tracta de metalls, plàstics, vidres i fibres.

Es pot afirmar que una de les grans revolucions d'aquesta ciència ha estat el descobriment de les diferents fases tèrmiques dels metalls, i en especial de l'acer.

Actualment els avenços electrònics més sofisticats es basen en components denominats materials semiconductors.

Classificació[modifica | modifica el codi]

Exemple de l'estructura d'un polímer, concretament el polietilè

La ciència de materials classifica a tots els materials en funció de les seves propietats i la seva estructura atòmica. Són els següents:

  • Metalls, alguns d'ells són semiconductors, tots són inorgànics.
  • Ceràmics, de tipus orgànic, n'hi ha de molt antics, però també s'utilitzen a la tecnologia més puntera.
  • Polímers, materials de tipus orgànic, inclou, per exemple, els plàstics.
  • Materials composts o composites, formats per diverses capes de diferents materials, i que s'usen per exemple a les quilles de les barques. Són els més nous.

Alguns autors fan classificacions més exhaustives, tot i que amb aquestes qualsevol element es pot classificar.

Aplicacions i relació amb la indústria[modifica | modifica el codi]

Una de les tècniques relacionades amb aquesta ciència és el fabricar lingots.

Els avenços radicals en els materials poden conduir a la cració de nous productes o noves indústries, però les indústries actuals també necessiten científics de materials per incrementar les millores i localitzar les possibles averíes dels materials que estan en ús. Les aplicacions industrials de la ciència de materials inclouen l'elecció del material, llur cost-benefici per obtenir el material, les tècniques de processat i les tècniques d'anàlisi.

A més de la caracterització del material, el científic o enginyer de materials (encara que hi hagi diferència, molts cops l'enginyer és científic i viceversa) també ha de tractar l'extracció i llur posterior conversió en materials útils. L'emmotllament de lingots, tècniques de fosa, extracció en alt forn, extracció electrolítica, etc., son part del coneixement requerit en un enginyer metal·lúrgic per exemple.

Deixant a banda els metalls, polímers i ceràmiques són també molt importants en aquesta ciència. Els polímers són un material primari usat per conformar o fabricar plàstics. Els plàstics són el producte final després que diversos polímers i additius hagin estat processats i conformats en la seva forma final. El PVC, polietilè, etc., són exemples de plàstics.

I pel que respecta a les ceràmiques, es pot citar l'argila, així com el seu modelat, assecament i cuita per obtenir un material refractari.

Àmbits[modifica | modifica el codi]

L'estructura cristal·lina és una part essencial en aquesta ciència. Aquesta per exemple és una FCC

La ciència de materials abasta molts temes, des de l'estructura atòmica, propietats dels diferents materials, processos i tractaments.

Aquest seria un resum a gran escala:

Propietats dels materials[modifica | modifica el codi]

Propietats mecàniques[modifica | modifica el codi]

  • Duresa: és la resistència d'un cos en ser ratllat per altre. Oposat a dur, és tou.
  • Resistència: es referix a la propietat que presenten els materials per a suportar les diverses forces.
  • Plasticitat: es referix a la propietat que presenten els materials de deformar-se permanentment i irreversiblement.
  • Ductilitat: es referix a la propietat que presenten els materials de deformar-se sense trencar-se, de manera que s'obtenen fils.
  • Mal·leabilitat: es referix a la propietat que presenten els materials de deformar-se sense trencar-se, de manera que s'obtenen làmines.
  • Rigidesa: es referix a la propietat que presenten els materials de no deformar-se quan s'hi aplica una força.
  • Elasticitat: es referix a la propietat que presenten els materials de tornar al seu estat inicial quan s'hi aplica una força.

Propietats òptiques[modifica | modifica el codi]

Els materials poden ser:

  • Opacs: no deixen passar la llum.
  • Transparentes: deixen passar la llum.
  • Translúcids: deixen passar part de la llum.

Propietats acústiques[modifica | modifica el codi]

Materials transmissors o aïllants.

Propietats elèctriques[modifica | modifica el codi]

Materials conductors o dielèctrics

Propietats tèrmiques[modifica | modifica el codi]

Materials conductors o aïllants tèrmics

Propietats magnètiques[modifica | modifica el codi]

Materials magnètics. En física es denomina permeabilitat magnètica a la capacitat d'una substància o medi per a atraure i fer passar a través de si els camps magnètics, la qual està donada per la relació entre la intensitat de camp magnètic existent i la inducció magnètica que apareix en l'interior del dit material.

Articles relacionats[modifica | modifica el codi]

Bibliografia[modifica | modifica el codi]

  • Callister, W.D. (1997), Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Barcelona: Editorial Reverté, S.A. ISBN 84-291-7253X
  • Smith, W.F. (1992), Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, McGraw-Hill / Interamericana de España, S.A. ISBN 84-7615-940-4
  • Shackelford, J.F. (2005), Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, Pearson Alhambra. ISBN 84-205-4451-5
A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Ciència de materials Modifica l'enllaç a Wikidata