An Introduction to Materials Engineering and Science - Brian S. Mitchell (Tulane University)

• Tác giả: Brian S. Mitchell
• Trường học: Tulane University
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu và hóa học
• Đề tài: Giới thiệu về kỹ thuật và khoa học vật liệu cho kỹ sư hóa học và vật liệu
• Loại tài liệu: Giáo trình đại học
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Hoboken

Tóm tắt

I. Tổng quan về kỹ thuật và khoa học vật liệu

Kỹ thuật và khoa học vật liệu là ngành nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và tính chất của vật liệu. Lĩnh vực này cung cấp nền tảng cho việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các vật liệu mới. Đối với kỹ sư hóa và kỹ sư vật liệu, hiểu biết này là then chốt để giải quyết các vấn đề thực tiễn trong công nghiệp. Các vật liệu chính bao gồm kim loại, gốm, polyme và vật liệu composite. Mỗi loại có cấu trúc nguyên tử riêng biệt, dẫn đến tính chất cơ học, nhiệt và điện khác nhau. Việc kiểm soát cấu trúc vi mô cho phép điều chỉnh tính chất vật liệu theo nhu cầu sử dụng. Ngành này đóng vai trò trung tâm trong sự phát triển của công nghệ hiện đại.

1.1. Định nghĩa và phạm vi nghiên cứu

Khoa học vật liệu tập trung vào khám phá bản chất và cấu trúc của vật liệu ở cấp độ nguyên tử và phân tử. Kỹ thuật vật liệu ứng dụng kiến thức đó để phát triển và sản xuất các sản phẩm hữu ích. Phạm vi nghiên cứu bao gồm sự hình thành, tính chất và hiệu suất của vật liệu. Nó liên kết các nguyên lý hóa học, vật lý và cơ học để giải thích hành vi của vật liệu. Đối với kỹ sư hóa, kiến thức này giúp hiểu rõ quá trình chế biến và tương tác vật liệu trong môi trường phản ứng.

1.2. Tầm quan trọng đối với kỹ sư hóa và vật liệu

Kỹ sư hóa thường làm việc với các quy trình liên quan đến vật liệu ở trạng thái khác nhau. Kiến thức về vật liệu giúp họ chọn đúng vật liệu cho thiết bị phản ứng, đường ống và bình chứa. Nó cũng giúp dự đoán sự ăn mòn, mài mòn và các hiện tượng thoái hóa. Đối với kỹ sư vật liệu, hiểu biết sâu sắc về cấu trúc-tính chất là công cụ cốt lõi. Sự kết hợp giữa hai lĩnh vực này thúc đẩy đổi mới trong nhiều ngành công nghiệp, từ năng lượng đến y sinh học.

II. Phân tích các thách thức trong nghiên cứu vật liệu

Một trong những thách thức lớn là sự phức tạp vô hạn của cấu trúc vật liệu. Hành vi của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: loại liên kết hóa học, sắp xếp nguyên tử và sự hiện diện của khuyết tật. Liên kết hóa học, như liên kết ion hay cộng hóa trị, xác định tính chất nền tảng. Năng lượng liên kết giữa các nguyên tử bao gồm thành phần hấp dẫn và đẩy, quyết định khoảng cách cân bằng. Việc mô tả chính xác các hệ tinh thể, từ lập phương đơn giản đến ba nghiêng, đòi hỏi kiến thức hình học tinh thể vững chắc. Sự đa dạng này làm cho việc dự đoán tính chất từ cấu trúc trở thành một vấn đề phức tạp. Ngoài ra, các vật liệu trong thực tế hiếm khi là đơn tinh thể hoàn hảo. Chúng chứa các vùng ranh giới hạt, khuyết điểm điểm và các pha khác nhau. Những yếu tố này ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học và độ bền.

2.1. Sự phức tạp của liên kết và năng lượng nguyên tử

Năng lượng hấp dẫn giữa các nguyên tử tỷ lệ nghịch với khoảng cách, với hằng số phụ thuộc vào loại tương tác. Năng lượng đẩy, do tương tác giữa các hạt nhân và electron, tăng mạnh khi nguyên tử ở rất gần. Tổng năng lượng hệ có một cực tiểu tại khoảng cách cân bằng, tương ứng với trạng thái ổn định. Việc tính toán và mô hình hóa các tương tác này là nền tảng để hiểu sự hình thành vật liệu. Đối với các hợp chất phức tạp, các phép tính trở nên rất tốn kém về mặt tính toán.

2.2. Hệ thống tinh thể và tính đa dạng của cấu trúc

Có bảy hệ tinh thể cơ bản, mỗi hệ có các tham số mạng và góc liên trục đặc trưng. Ví dụ, hệ lập phương có ba tham số mạng bằng nhau và các góc vuông. Hệ hexagonal có một trục khác biệt và góc 120 độ. Việc xác định chính xác hệ tinh thể rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất như độ dẫn nhiệt và tính đẳng hướng. Cấu trúc tinh thể cũng xác định các mặt phẳng trượt, yếu tố quyết định khả năng biến dạng dẻo của kim loại.

III. Giải pháp và phương pháp tiếp cận trong khoa học vật liệu

Để giải quyết các thách thức, khoa học vật liệu sử dụng nhiều phương pháp thực nghiệm và lý thuyết. Kỹ thuật đặc trưng như nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử cho phép hình dung cấu trúc ở cấp độ nguyên tử. Các phép tính năng lượng, sử dụng mô hình như phương trình Lennard-Jones, giúp dự đoán tính chất liên kết. Việc áp dụng nguyên lý nhiệt động lực học và động học cho phép hiểu sự hình thành pha và quá trình biến đổi cấu trúc. Một phương pháp tiếp cận quan trọng là thiết kế vật liệu theo nguyên lý cấu trúc-tính chất. Bằng cách kiểm soát quá trình tổng hợp và xử lý nhiệt, kỹ sư có thể tạo ra vật liệu với tính chất tối ưu. Sự phát triển của vật liệu nano và vật liệu thông minh là kết quả của những phương pháp tiếp cận có hệ thống này.

3.1. Kỹ thuật đặc trưng cấu trúc vật liệu

Nhiễu xạ tia X là kỹ thuật mạnh mẽ để xác định cấu trúc tinh thể, khoảng cách nguyên tử và hằng số mạng. Kính hiển vi điện tử truyền TEM và kính hiển vi điện tử quét SEM cung cấp hình ảnh vi cấu trúc với độ phân giải cao. Phổ kế như FTIR và Raman giúp nhận diện loại liên kết hóa học và nhóm chức. Các kỹ thuật này cung cấp dữ liệu thực nghiệm thiết yếu để kiểm chứng các mô hình lý thuyết. Sự kết hợp nhiều kỹ thuật cho phép có cái nhìn toàn diện về vật liệu.

3.2. Nguyên lý thiết kế vật liệu dựa trên cấu trúc

Nguyên lý cơ bản là thay đổi cấu trúc vi mô để đạt được tính chất mong muốn. Ví dụ, tăng cường độ bền bằng cách giảm kích thước hạt thông qua quá trình xử lý nhiệt kiểm soát. Trong hợp kim, việc thêm nguyên tố tạo dung dịch rắn hoặc pha thứ hai có thể cải thiện tính chất đáng kể. Đối với polyme, kiểm soát độ dài chuỗi và liên kết ngang quyết định tính đàn hồi và độ bền. Tư duy thiết kế này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về mối liên hệ cấu trúc-tính chất-hiệu suất.

IV. Kết luận và ứng dụng của khoa học vật liệu

Khoa học và kỹ thuật vật liệu là một lĩnh vực liên ngành cốt lõi cho sự tiến bộ công nghệ. Kiến thức về mối quan hệ cấu trúc-tính chất cho phép phát triển vật liệu mới với hiệu suất vượt trội. Các ứng dụng trải rộng từ ngành hàng không vũ trụ, nơi cần vật liệu nhẹ và chịu nhiệt, đến ngành y tế, với vật liệu cấy ghép tương thích sinh học. Trong ngành năng lượng, vật liệu tiên tiến đóng vai trò quan trọng trong pin nhiên liệu và pin mặt trời. Đối với kỹ sư hóa, hiểu biết về vật liệu giúp tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng và hệ thống xử lý. Sự tiến bộ trong lĩnh vực này liên tục mở ra khả năng giải quyết các vấn đề toàn cầu như biến đổi khí hậu và thiếu hụt năng lượng. Do đó, đào tạo về khoa học vật liệu là không thể thiếu cho các kỹ sư hiện đại.

4.1. Các lĩnh vực ứng dụng then chốt

Trong ngành ô tô, vật liệu composite và hợp kim nhẹ giúp giảm trọng lượng và tiết kiệm nhiên liệu. Ngành điện tử dựa vào vật liệu bán dẫn và vật liệu điện môi cho các vi mạch và màn hình. Ngành xây dựng sử dụng bê tông cốt thép và vật liệu cách nhiệt hiệu quả cao. Trong lĩnh vực môi trường, vật liệu hấp phụ và xúc tác xử lý chất thải. Ứng dụng y sinh bao gồm vật liệu cấy ghép, hệ thống dẫn thuốc và vật liệu tái tạo mô. Mỗi ứng dụng đặt ra yêu cầu riêng về tính chất vật liệu.

4.2. Hướng phát triển và thách thức tương lai

Vật liệu thông minh có khả năng thích ứng với môi trường, như vật liệu hình nhớ hoặc vật liệu tự lành, là một hướng nghiên cứu trọng tâm. Vật liệu nano mở ra những tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước. Thách thức lớn là phát triển vật liệu bền vững, có thể tái chế và thân thiện môi trường. Tích hợp tính toán và trí tuệ nhân tạo trong thiết kế vật liệu giúp tăng tốc quá trình khám phá. Việc đào tạo kỹ sư có tư duy liên ngành sẽ là chìa khóa cho những đột phá trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net AN INTRODUCTION TO MATERIALS ENGINEERING AND SCIENCE www.net AN INTRODUCTION TO MATERIALS ENGINEERING AND SCIENCE FOR CHEMICAL AND www.net MATERIALS ENGINEERS Brian S. Mitchell Department of Chemical Engineering, Tulane University A JOHN WILEY & SONS, INC.net This book is printed on acid-free paper. Copyright  2004 by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. All rights reserved. Published simultaneously in Canada. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning, or otherwise, except as permitted under Section 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to www.net the Copyright Clearance Center, Inc., 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, 978-750-8400, fax [phone], or on the web at www. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030, [phone], fax [phone], e-mail: permreq@wiley. Limit of Liability/Disclaimer of Warranty: While the publisher and author have used their best efforts in preparing this book, they make no representations or warranties with respect to the accuracy or completeness of the contents of this book and specifically disclaim any implied warranties of merchantability or fitness for a particular purpose. No warranty may be created or extended by sales representatives or written sales materials. The advice and strategies contained herein may not be suitable for your situation. You should consult with a professional where appropriate. Neither the publisher nor author shall be liable for any loss of profit or any other commercial damages, including but not limited to special, incidental, consequential, or other damages. For general information on our other products and services please contact our Customer Care Department within the U. at 877-762-2974, outside the U. at 317-572-3993 or fax [phone]. Wiley also publishes its books in a variety of electronic formats. Some content that appears in print, however, may not be available in electronic format. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data: Mitchell, Brian S., 1962- An introduction to materials engineering and science: for chemical and materials engineers Brian S. Includes bibliographical references and index.1
 1—dc21 2003053451 Printed in the United States of America.net To my parents; whose Material was loam; www.net Engineering was labor; Science was lore; And greatest product was love.net CONTENTS Preface xi Acknowledgments xv 1 The Structure of Materials 1 www.0 Introduction and Objectives 1 1.1 Structure of Metals and Alloys 28 1.2 Structure of Ceramics and Glasses 55 1.3 Structure of Polymers 76 1.4 Structure of Composites 99 1.5 Structure of Biologics 114 References 128 Problems 130 2 Thermodynamics of Condensed Phases 136 2.0 Introduction and Objectives 136 2.1 Thermodynamics of Metals and Alloys 140 2.2 Thermodynamics of Ceramics and Glasses 165 2.3 Thermodynamics of Polymers 191 2.4 Thermodynamics of Composites 200 2.5 Thermodynamics of Biologics 204 References 209 Problems 211 3 Kinetic Processes in Materials 215 3.0 Introduction and Objectives 215 3.1 Kinetic Processes in Metals and Alloys 219 3.2 Kinetic Processes in Ceramics and Glasses∗ 233 3.3 Kinetic Processes in Polymers 246 3.4 Kinetic Processes in Composites∗ 269 3.5 Kinetic Processes in Biologics∗ 277 References 280 Problems 282 4 Transport Properties of Materials 285 4.0 Introduction and Objectives 285 4.1 Momentum Transport Properties of Materials∗ 287 vii www.net viii CONTENTS 4.2 Heat Transport Properties of Materials 316 4.3 Mass Transport Properties of Materials∗ 343 References 374 Problems 376 5 Mechanics of Materials 380 5.0 Introduction and Objectives 380 5.1 Mechanics of Metals and Alloys 381 5.2 Mechanics of Ceramics and Glasses 422 5.3 Mechanics of Polymers 448 5.4 Mechanics of Composites 472 5.5 Mechanics of Biologics 515 References 532 www.net Problems 533 6 Electrical, Magnetic, and Optical Properties of Materials 537 6.1 Electrical Properties of Materials 538 6.2 Magnetic Properties of Materials 600 6.3 Optical Properties of Materials 644 References 677 Problems 678 7 Processing of Materials 681 7.1 Processing of Metals and Alloys 681 7.2 Processing of Ceramics and Glasses 704 7.3 Processing of Polymers 754 7.4 Processing of Composites 795 7.5 Processing of Biologics 804 References 811 Problems 812 8 Case Studies in Materials Selection 814 8.0 Introduction and Objectives 814 8.1 Selection of Metals for a Compressed Air Tank 821 8.2 Selection of Ceramic Piping for Coal Slurries in a Coal Liquefaction Plant 827 8.3 Selection of Polymers for Packaging 832 8.4 Selection of a Composite for an Automotive Drive Shaft 835 8.5 Selection of Materials as Tooth Coatings 842 References 848 Problems 849 www.net CONTENTS ix Appendix 1: Energy Values for Single Bonds 851 Appendix 2: Structure of Some Common Polymers 852 Appendix 3: Composition of Common Alloys 856 Appendix 4: Surface and Interfacial Energies 869 Appendix 5: Thermal Conductivities of Selected Materials 874 Appendix 6: Diffusivities in Selected Systems 880 www.net Appendix 7: Mechanical Properties of Selected Materials 882 Appendix 8: Electrical Conductivity of Selected Materials 893 Appendix 9: Refractive Index of Selected Materials 900 Answers to Selected Problems 903 Index 907 ∗ Sections marked with an asterisk can be omitted in an introductory course.net PREFACE This textbook is intended for use in a one- or two-semester undergraduate course in materials science that is primarily populated by chemical and materials engineering students. This is not to say that biomedical, mechanical, electrical, or civil engineering students will not be able to utilize this text, nor that the material or its presentation is unsuitable for these students. On the contrary, the breadth and depth of the material www.net covered here is equivalent to most “traditional” metallurgy-based approaches to the subject that students in these disciplines may be more accustomed to. In fact, the treatment of biological materials on the same level as metals, ceramics, polymers, and composites may be of particular benefit to those students in the biologically related engineering disciplines. The key difference is simply the organization of the material, which is intended to benefit primarily the chemical and materials engineer. This textbook is organized on two levels: by engineering subject area and by mate- rials class, as illustrated in the accompanying table. In terms of topic coverage, this organization is transparent: By the end of the course, the student will have covered many of the same things that would be covered utilizing a different materials science textbook. To the student, however, the organization is intended to facilitate a deeper understanding of the subject material, since it is presented in the context of courses they have already had or are currently taking—for example, thermodynamics, kinetics, transport phenomena, and unit operations. To the instructor, this organization means that, in principle, the material can be presented either in the traditional subject-oriented sequence (i., in rows) or in a materials-oriented sequence (i. The latter approach is recommended for a two-semester course, with the first two columns cov- ered in the first semester and the final three columns covered in the second semester. The instructor should immediately recognize that the vast majority of “traditional” materials science concepts are covered in the columns on metals and ceramics, and that if the course were limited to concepts on these two materials classes only, the student would receive instruction in many of the important topics covered in a “tradi- tional” course on materials. Similarly, many of the more advanced topics are found in the sections on polymers, composites, and biological materials and are appropriate for a senior-level, or even introductory graduate-level, course in materials with appropriate supplementation and augmentation. This textbook is further intended to provide a unique educational experience for the student. This is accomplished through the incorporation of instructional objectives, active-learning principles, design-oriented problems, and web-based information and visualization utilization. Instructional objectives are included at the beginning of each chapter to assist both the student and the instructor in determining the extent of topics and the depth of understanding required from each topic. This list should be used as a guide only: Instructors will require additional information they deem important or elim- inate topics they deem inappropriate, and students will find additional topic coverage in their supplemental reading, which is encouraged through a list of references at the end xi www.net xii PREFACE Metals & Ceramics & Alloys Glasses Polymers Composites Biologics Structure Crystal Crystal Configuration, Matrices, Biochemistry, structures, structures, Conformation, Reinforce- Tissue Point Defect Molecular ments structure defects, reactions, Weight Dislocations The glassy state Thermo- Phase Ternary Phase separation, Adhesion, Cell dynamics equilibria, systems, Polymer Cohesion, Adhesion, Gibbs Rule Surface solutions, Spreading Cell Lever Rule energy, Polymer spreading Sintering blends Kinetics Trans- Devitrification, Polymerization, Deposition, Receptors, www.net formations, Nucleation, Degradation Infiltration Ligand Corrosion Growth binding Transport Inviscid Newtonian non-Newtonian Porous Flow, Convection, Properties systems, flow, Heat flow, Heat Heat Diffusion Heat capacity, capacity, capacity, capacity, Diffusion Diffusion Diffusion Diffusion Mechanical Stress-strain, Fatigue, Viscoelasticity, Laminates Sutures, Properties Elasticity, Fracture, Elastomers Bone, Ductility Creep Teeth Electrical, Resistivity, Dielectrics, Ion conductors, Dielectrics, Biosensors, Magnetic & Magnetism, Ferrites, Molecular Storage MRI Optical Reflectance Absorbance magnets, LCDs media Properties Processing Casting, Pressing, Extrusion, Pultrusion, Surface Rolling, CVD/CVI, Injection RTM, modification Compaction Sol-Gel molding, Blow CVD/CVI molding Case Studies Compressed Ceramic Polymeric Composite Tooth air tank piping packaging drive shaft coatings of each chapter. Active-learning principles are exercised through the presentation of example problems in the form of Cooperative Learning Exercises. To the student, this means that they can solve problems in class and can work through specific difficulties in the presence of the instructor. Cooperative learning has been shown to increase the level of subject understanding when properly utilized.∗ No class is too large to allow students to take 5–10 minutes to solve these problems. To the instructor, the Coop- erative Learning Exercises are to be used only as a starting point, and the instructor is encouraged to supplement his or her lecture with more of these problems. Particu- larly difficult concepts or derivations are presented in the form of Example Problems that the instructor can solve in class for the students, but the student is encouraged to solve these problems during their own group or individual study time. Design-oriented problems are offered, primarily in the Level III problems at the end of each chapter, ∗ Smith, K. Cooperative Learning and College Teaching, 3(2), 10–12 (1993).net PREFACE xiii that incorporate concepts from several chapters, that involve significant information retrieval or outside reading, or that require group activities. These problems may or may not have one “best” answer and are intended to promote a deeper level of under- standing of the subject. Finally, there is much information on the properties of materials available on the Internet. This fact is utilized through the inclusion of appropriate web links. There are also many excellent visualization tools available on the Internet for concepts that are too difficult to comprehend in a static, two-dimensional environment, and links are provided to assist the student in their further study on these topics. Finally, the ultimate test of the success of any textbook is whether or not it stays on your bookshelf. It is hoped that the extent of physical and mechanical property data, along with the depth with which the subjects are presented, will serve the student well as they transition to the world of the practicing engineer or continue with their studies in pursuit of an advanced degree. MITCHELL Tulane University www.net ACKNOWLEDGMENTS The author wishes to thank the many people who have provided thoughtful input to the content and presentation of this book. In particular, the insightful criticisms and comments of Brian Grady and the anonymous reviewers are very much appreciated. Thanks also go to my students who have reviewed various iterations of this textbook, including Claudio De Castro, Shawn Haynes, Ryan Shexsnaydre, and Amanda Moster, www.net as well as Dennis Johnson, Eric Hampsey, and Tom Fan. The support of my colleagues during the writing of this book, along with the support of the departmental staff, are gratefully acknowledged.