Чистяков Артемий Михайлович,
Специалист 3 категории АО «НПП «Пульсар»
Член Союза молодых инженеров России
Заместитель руководителя проекта «Акватория-16»
Руководитель направления «Перспективные материалы»

 

Материаловедение представляет собой междисциплинарную область науки, изучающую свойства различных материалов, использующихся во всех направлениях человеческой деятельности. Изучение таких свойств, как структура вещества, твердость, электронные, термические, химические, магнитные и другие характеристики, необходимо в работе с наукоемкими изделиями для выбора материалов и методов (технологий) их обработки в целях получения требуемых качеств изделия. В рамках концепции «Индустрии 4.0» проявляется все большая потребность в новых материалах, которые возможно производить в промышленных масштабах на автоматизированном производстве, например в технологии 3D печати, и которые обеспечат становление нового технологического уклада. Так как материаловедение изучает очень обширный пласт материалов и их свойств, его принято делить на разделы, а именно: металлургия, космическое материаловедение, наноматериалы, кристаллография, биоматериалы, изучение керамики. Остановимся на каждом из них более подробно.

Металлургия (металловедение) — самый древний раздел материаловедения, с которого и началась история этой науки. Изначально этим словом обозначалось искусство добычи руд и получения из них различных металлов: меди, олова, серебра, золота, позднее — железа. Также появились первые сплавы, используемые человечеством и сейчас (например, бронза). В наше время металлургия имеет более широкий смысл. Она изучает не только вышеописанные процессы, но и получение сплавов, холодную и горячую обработку металлов, легирование, а также изучение химического состава, структуры и физических свойств металлов и их сплавов, применяющихся в промышленности. Делится на два подраздела: черную и цветную металлургию. Черная включает добычу и обогащение руд черных металлов, производство чугуна, стали и ферросплавов. Цветная же — добычу и обогащение руд цветных металлов. Их делят на две группы по назначению и физическим свойствам — легкие (алюминий, титан) и тяжелые (медь, свинец, цинк).

Роль металлов трудно переоценить. Из них производится большая часть деталей машин, несущих конструкций зданий, техники и инструментов. Также физические свойства металлов позволяют применять их в новых ролях, например, включение в состав полупроводниковых изделий, таких как металл-оксид-проводник устройства.

Космическое материаловедение – раздел, отвечающий за изучение и создание материалов, которые буду отвечать требованиям, необходимым для создания аппаратов и механизмов для использования в открытом космосе. Сейчас потребность в таких материалах растет, в связи с запланированной колонизацией Марса, созданием многоразовой ракеты-носителя, развитием технологии микро-спутников. Например, в Америке NASA начинает работать по направлениям «дальний космос» и «пилотируемая космонавтика», что, безусловно, вызовет потребность в большом количестве очень специфичных материалов.

Нанотехнологии – раздел, изучающий свойства материалов при нанометрических размерах. Многие материалы изменяют одно или несколько своих физико-химических свойств при размерах, не превышающих несколько десятков нанометров. Например, золото, имеющее температуру плавления в 1333К при нормальных условиях, имеет меньшую температуру плавления, если размер частицы вещества менее 10нм. Это свойство характерно не только для золота, но и для большинства других металлов и неметаллических материалов, при чем меняется одно или несколько из его свойств. Также стоит вспомнить про графен – вещество, являющееся слоем углерода толщиной в 1 атом. Он отличается большой прочностью (в несколько раз превосходит сталь) и проводимостью. Также недавно опубликовали информацию про гексогональный бор-углерод-азот (h-BCN), который является двумерным материалом, и, при этом, имеет свойства полупроводникового материала. Использование h-BCN позволит уменьшить физические размеры всех электронных устройств,  что поможет  найти им новые сферы применения или повысить эффективность, что ранее было ограничено размерами. Последнее особо актуально в сфере авиации и космических полетов, где вес и размеры имеют ключевое значение при проектировании.

Керамика – раздел, изучающий свойства материалов неметаллической природы. К таким веществам относятся полупроводники и композитные материалы. Сейчас этот раздел становится во главу угла  из-за повсеместного замещения изделий из металлов на изделия из композитов и применения полупроводниковой микроэлектроники во всех сферах деятельности человека. Например, интенсивное развитие полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия (GaAs), или нитрид галлия (GaN), дали толчок развитию новых поколений различных транзисторов с большими рабочими характеристиками, что приводит к повышению производительности приборов на их основе.

Биоматериалы – раздел, отвечающий за изучение материалов, использующихся для изготовления имплантатов, протезов и различных стимуляторов, вживляемых в организм человека. Этот раздел сейчас весьма актуален, так как идет активное развитие протезирования, разрабатывается концепция индивидуальных медицинских браслетов, следящих в реальном времени за состоянием здоровья человека, и имплантатов, которые будут заменять и/или дополнять органы человека. Развитие данной области зависит и от других направлений материаловедения, в частности от изучения наноматериалов и композитов. Потребность в новых материалах, совместимых с тканями человеческого тела, должна подтолкнуть развитие кибернетики, как отрасли промышленности. Устройства, сделанные из таких материалов, смогут быть вживлены в тело человека, позволяя собирать медицинские показатели в режиме реального времени, замещать травмированные органы и расширять границы возможностей человека.

Кристаллография — наука о кристаллах, кристаллических природных телах. Она изучает форму, внутреннее строение, происхождение, распространение и свойства кристаллических веществ. Достижения кристаллографии позволяют судить о свойствах вещества по его кристаллической решётке, понимать механизмы роста кристаллов, понимать связь между химическим составом вещества и его физико-химическими свойствами. Например, не без влияния кристаллографии удалось разработать технологию выращивания искусственных алмазов, которые используются во многих отраслях промышленности.

Область материаловедения  является средой открытия  новых материалов и новых свойств уже привычных материалов. Это дает начало новым технологиям и даже отраслям промышленности, позволяет заменить редкие дорогие материалы более дешевыми искусственными аналогами, и позволяет создавать новые  решения, в частности, необходимые для становления «Индустрии 4.0».