Applied Materials Science - Ứng dụng vật liệu kỹ thuật trong công nghiệp của Deborah D.L. Chung

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách giáo khoa

2001

232
0
0

Phí lưu trữ

55 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về Applied Materials Science Deborah D

Cuốn sách 'Applied Materials Science' của Deborah D.L. Chung, ấn bản đầu tiên, là công trình học thuật nổi bật. Nó khám phá ứng dụng của vật liệu kỹ thuật trong nhiều ngành công nghiệp. Các lĩnh vực bao gồm cấu trúc, điện tử và nhiệt. Sách cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc. Đồng thời, nó nhấn mạnh thực tiễn ứng dụng. Deborah D.L. Chung là chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực này. Bà là giáo sư tại Đại học New York ở Buffalo. Cuốn sách được xuất bản bởi CRC Press, một nhà xuất bản uy tín. Nội dung giúp hiểu rõ cách vật liệu đáp ứng nhu cầu công nghiệp hiện đại.

1.1. Giới thiệu tác giả và cuốn sách

Deborah D.L. Chung giữ chức vụ giáo sư tại Đại học New York ở Buffalo. Bà là giám đốc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Vật liệu Composite. Cuốn sách 'Applied Materials Science' phản ánh chuyên môn sâu rộng của bà. Nó được xuất bản năm 2001 bởi CRC Press. Tài liệu hướng đến sinh viên và chuyên gia trong ngành. Nội dung tập trung vào nguyên lý và ứng dụng thực tế. Cuốn sách là nguồn tham khảo quan trọng cho nghiên cứu vật liệu.

1.2. Phạm vi và mục tiêu của cuốn sách

Phạm vi cuốn sách bao trùm vật liệu kỹ thuật đa ngành. Nó xem xét ứng dụng trong công nghiệp cấu trúc, điện tử và nhiệt. Mục tiêu là cung cấp kiến thức toàn diện về tính chất vật liệu. Sách giải thích cách vật liệu được thiết kế và sử dụng. Nó nhấn mạnh mối liên hệ giữa cấu trúc và hiệu suất. Độc giả học cách áp dụng lý thuyết vào thực tế. Cuốn sách thúc đẩy đổi mới trong công nghệ vật liệu.

II. Phân tích các vấn đề trong khoa học vật liệu ứng dụng

Khoa học vật liệu ứng dụng đối mặt nhiều thách thức phức tạp. Một vấn đề lớn là quản lý nhiệt trong hệ thống điện tử. Nhiệt độ cao có thể làm hỏng thiết bị. Hệ số giãn nở nhiệt không phù hợp gây ra ứng suất. Ăn mòn cũng là mối lo ngại lớn, đặc biệt trong vật liệu composite. Ví dụ, nhôm matrix composite dễ bị ăn mòn trong môi trường ẩm ướt. Sự tương tác giữa các thành phần vật liệu tạo ra vấn đề. Cần giải pháp sáng tạo để khắc phục các hạn chế này. Cuốn sách của Chung phân tích chi tiết những vấn đề cốt lõi.

2.1. Thách thức về hệ số giãn nở nhiệt

Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) là yếu tố quan trọng trong thiết kế vật liệu. CTE không khớp giữa các thành phần gây ra hỏng hóc cơ học. Trong composite, filler có thể giảm CTE hiệu quả. Tuy nhiên, lựa chọn filler phải cân nhắc đến các tính chất khác. Sợi carbon thường được ưu tiên hơn hạt vì giảm CTE tốt hơn. Quản lý CTE giúp tăng độ bền và tuổi thọ sản phẩm. Cuốn sách nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát CTE trong ứng dụng công nghiệp.

2.2. Vấn đề ăn mòn trong vật liệu composite

Ăn mòn là vấn đề nghiêm trọng trong nhiều vật liệu composite. Trong nhôm matrix composite, sợi carbon hoặc SiC tạo cặp galvanic. Nhôm đóng vai trò anode và bị ăn mòn. Nhiệt độ và độ ẩm làm trầm trọng thêm quá trình ăn mòn. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của vật liệu. Giải pháp bao gồm xử lý bề mặt hoặc thay đổi thành phần. Cuốn sách trình bày các phương pháp giảm thiểu ăn mòn trong thực tế.

III. Giải pháp và phương pháp trong Applied Materials Science

Cuốn sách đề xuất nhiều giải pháp tiên tiến cho vấn đề vật liệu. Sử dụng sợi carbon trong composite giúp cải thiện tính chất nhiệt và cơ học. Sợi carbon graphitic có độ dẫn nhiệt cao, thậm chí hơn cả kim loại matrix. Vật liệu composite đồng matrix sử dụng filler nặng như tungsten để giảm CTE. Kỹ thuật phủ phim kim cương trên composite tăng độ dẫn nhiệt. Phương pháp xử lý nhiệt và giao diện filler-matrix cũng được tối ưu hóa. Các giải pháp này dựa trên nghiên cứu thực nghiệm sâu rộng. Chúng giúp vật liệu đáp ứng yêu cầu công nghiệp khắt khe.

3.1. Sử dụng sợi carbon và vật liệu gốm

Sợi carbon là filler hiệu quả cho composite nhờ tính chất ưu việt. Chúng giảm hệ số giãn nở nhiệt và tăng độ dẫn nhiệt. Sợi carbon liên tục cung cấp tính chất cơ học đồng đều. Vật liệu gốm như SiC cũng được sử dụng làm filler. Tuy nhiên, sợi carbon graphitic đắt đỏ hơn. Sự lựa chọn phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và chi phí. Cuốn sách đánh giá ưu nhược điểm của từng loại filler trong thực tế.

3.2. Kỹ thuật phủ phim kim cương

Phủ phim kim cương trên composite là giải pháp sáng tạo để tăng dẫn nhiệt. Kim cương đơn tinh thể có độ dẫn nhiệt rất cao, từ 2000–2500 W/m.K. Phim kim cương không đơn tinh thể nhưng vẫn cải thiện đáng kể tính chất nhiệt. Kỹ thuật này áp dụng cho composite như nhôm matrix. Nó giúp quản lý nhiệt hiệu quả trong thiết bị điện tử. Phương pháp này đòi hỏi quy trình chế tạo tiên tiến. Cuốn sách mô tả chi tiết các bước thực hiện và hiệu quả đạt được.

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

Khoa học vật liệu ứng dụng đóng vai trò then chốt trong công nghiệp hiện đại. Cuốn sách của Deborah D.L. Chung tổng hợp kiến thức từ lý thuyết đến thực tiễn. Các giải pháp vật liệu giúp giải quyết vấn đề nhiệt, cơ học và ăn mòn. Ứng dụng trải rộng từ điện tử đến công nghiệp nặng. Vật liệu composite tiên tiến đang thay thế vật liệu truyền thống. Đổi mới trong vật liệu thúc đẩy tiến bộ công nghệ. Cuốn sách là tài liệu quý giá cho nghiên cứu và phát triển. Nó hướng dẫn cách áp dụng vật liệu vào thực tế hiệu quả.

4.1. Ứng dụng trong ngành điện tử và đóng gói

Vật liệu ứng dụng rất quan trọng trong ngành điện tử. Quản lý nhiệt là ưu tiên hàng đầu cho thiết bị nhỏ gọn. Composite với độ dẫn nhiệt cao giúp tản nhiệt hiệu quả. Chúng được sử dụng trong đóng gói linh kiện điện tử. Vật liệu cũng cần có độ bền cơ học và chống ăn mòn. Cuốn sách trình bày các ví dụ cụ thể trong sản xuất chip và bảng mạch. Ứng dụng này cải thiện hiệu suất và tuổi thọ sản phẩm điện tử.

4.2. Ứng dụng trong quản lý nhiệt và cấu trúc

Quản lý nhiệt là ứng dụng chính của vật liệu tiên tiến. Trong công nghiệp ô tô và hàng không, composite giúp giảm trọng lượng và tăng hiệu quả nhiệt. Vật liệu với CTE thấp đảm bảo độ ổn định cấu trúc. Chúng chịu được nhiệt độ khắc nghiệt và tải trọng cơ học. Cuốn sách nhấn mạnh vai trò của vật liệu trong thiết kế bền vững. Ứng dụng thực tế bao gồm bộ tản nhiệt, vỏ bọc và kết cấu chịu lực. Giải pháp vật liệu góp phần nâng cao an toàn và hiệu suất công nghiệp.

21/04/2026

Trích đoạn nội dung tài liệu

org Applied Materials Science Applications of Engineering Materials in Structural, Electronics, Thermal, and Other Industries Deborah D. Chung CRC Press Boca Raton London New York Washington, D. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data McLachlan, Alan Molecular biology of the hepatitis B virus / Alan McLachlan p. Includes bibliographical references and index.0149—dc20 ??-????? CIP Catalog record is available from the Library of Congress This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources. Reprinted material is quoted with permission, and sources are indicated. A wide variety of references are listed. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and the publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or for the consequences of their use. Neither this book nor any part may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, microfilming, and recording, or by any information storage or retrieval system, without prior permission in writing from the publisher. All rights reserved. Authorization to photocopy items for internal or personal use, or the personal or internal use of specific clients, may be granted by CRC Press LLC, provided that $.50 per page photo- copied is paid directly to Copyright Clearance Center, 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923 USA. The fee code for users of the Transactional Reporting Service is ISBN 0-8493-1073-3/01/$0. The fee is subject to change without notice. For organizations that have been granted a photocopy license by the CCC, a separate system of payment has been arranged. The consent of CRC Press LLC does not extend to copying for general distribution, for promotion, for creating new works, or for resale. Specific permission must be obtained in writing from CRC Press LLC for such copying. Direct all inquiries to CRC Press LLC, 2000 N., Boca Raton, Florida 33431. Trademark Notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation, without intent to infringe. Visit the CRC Press Web site at www.com © 2001 by Chapman & Hall/CRC CRC Press LLC St. Lucie Press Lewis Publishers Auerbach is an imprint of CRC Press LLC No claim to original U. Government works International Standard Book Number 0-8493-1073-3 Library of Congress Card Number ??-????? Printed in the United States of America 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Printed on acid-free paper ©2001 CRC Press LLC Dedication To the memory of my nanny, Ms. Kwai-Sheung Ng (1893–1986) ©2001 CRC Press LLC www.org The Author Deborah D. Chung is Niagara Mohawk Power Corporation Endowed Chair Professor, Director of the Composite Materials Research Laboratory, and Professor of Mechanical and Aerospace Engineering at the State University of New York (SUNY) in Buffalo. She holds a Ph. in materials science and an S. degree from the Massachusetts Institute of Technology (M.), as well as an M. in engineering science and a B. in engineering and applied science from the California Institute of Technology. Chung is a Fellow of ASM International and of the American Carbon Society, and is past recipient of the Teacher of the Year Award from Tau Beta Pi; the Teetor Educational Award from the Society of Automotive Engineers; the Hardy Gold Medal from the American Institute of Mining, Metallurgical, and Petroleum Engi- neers; and the Ladd Award from Carnegie Mellon University. Chung has written or cowritten 322 articles published in journals (88 on carbon, 107 on cement-matrix composites, 31 on metal-matrix composites, 62 on polymer-matrix composites, 12 on metal-semiconductor interfaces, 5 on silicon, and 17 on other topics). She is the author of three books, including Carbon Fiber Composites (Butterworth, 1994) and Composite Materials for Electronic Functions (Trans Tech, 2000), and has edited two books including Materials for Electronic Packaging (Butterworth, 1995). Chung is the holder of 16 patents and has given 125 invited lectures. Her research has covered many materials, including lightweight structural, construction, smart, adsorption, battery electrode, solar cell, and electronic packaging materials. ©2001 CRC Press LLC Preface Materials constitute the foundation of technology. They include metals, polymers, ceramics, semiconductors, and composite materials. The fundamental concepts of materials science are crystal structures, imperfections, phase diagrams, materials processing, and materials properties. They are taught in most universities to mate- rials, mechanical, aerospace, electrical, chemical, and civil engineering undergrad- uate students. However, students need to know not only the fundamental concepts, but also how materials are applied in the real world. Since a large proportion of undergraduate students in engineering go on to become engineers in various indus- tries, it is important for them to learn about applied materials science. Due to the multifunctionality of many materials and the breadth of industrial needs, this book covers structural, electronic, thermal, electrochemical, and other applications of materials in a cross-disciplinary fashion. The materials include met- als, ceramics, polymers, cement, carbon, and composites. The topics are scientifically rich and technologically relevant. Each is covered in a tutorial and up-to-date manner with numerous references cited. The book is suitable for use as a textbook for undergraduate and graduate courses, or as a reference book. The reader should have background in fundamental materials science (at least one course), although some fundamental concepts pertinent to the topics in the chapters are covered in the appendices. ©2001 CRC Press LLC Contents Chapter 1 Introduction to Materials Applications 1.1 Classes of Materials 1.7 Biomedical Applications Bibliography Chapter 2 Materials for Thermal Conduction 2.2 Materials of High Thermal Conductivity 2.1 Metals, Diamond, and Ceramics 2.2 Metal-Matrix Composites 2.1 Aluminum-Matrix Composites 2.2 Copper-Matrix Composites 2.3 Beryllium-Matrix Composites 2.3 Carbon-Matrix Composites 2.4 Carbon and Graphite 2.5 Ceramic-Matrix Composites 2.3 Thermal Interface Materials 2.4 Conclusion References Chapter 3 Polymer-Matrix Composites for Microelectronics 3.2 Applications in Microelectronics 3.3 Polymer-Matrix Composites 3.1 Polymer-Matrix Composites with Continuous Fillers.2 Polymer-Matrix Composites with Discontinuous Fillers 3.4 Summary References ©2001 CRC Press LLC www.org Chapter 4 Materials for Electromagnetic Interference Shielding 4.2 Mechanisms of Shielding 4.3 Composite Materials for Shielding 4.4 Emerging Materials for Shielding 4.5 Conclusion References Chapter 5 Cement-Based Electronics 5.2 Background on Cement-Matrix Composites 5.3 Cement-Based Electrical Circuit Elements 5.4 Cement-Based Sensors 5.5 Cement-Based Thermoelectric Device 5.6 Conclusion References Chapter 6 Self-Sensing of Carbon Fiber Polymer-Matrix Structural Composites 6.6 Sensing Bond Degradation 6.7 Sensing Structural Transitions 6.2 DC Electrical Resistance Analysis 6.8 Sensing Composite Fabrication Process 6.9 Conclusion References Chapter 7 Structural Health Monitoring by Electrical Resistance Measurement 7.2 Carbon Fiber Polymer-Matrix Structural Composites 7.3 Cement-Matrix Composites 7.1 Joints Involving Composite and Concrete by Adhesion ©2001 CRC Press LLC 7.2 Joints Involving Composites by Adhesion 7.3 Joints Involving Steels by Fastening 7.4 Joints Involving Concrete by Pressure Application 7.5 Joints Involving Composites by Fastening 7.5 Conclusion References Chapter 8 Modification of the Surface of Carbon Fibers for Use as a Reinforcement in Composite Materials 8.1 Introduction to Surface Modification 8.2 Introduction to Carbon Fiber Composites 8.3 Surface Modification of Carbon Fibers for Polymer-Matrix Composites 8.4 Surface Modification of Carbon Fibers for Metal-Matrix Composites References Chapter 9 Corrosion Control of Steel-Reinforced Concrete 9.2 Steel Surface Treatment 9.3 Admixtures In Concrete 9.4 Surface Coating on Concrete 9.7 Conclusion Acknowledgment References Chapter 10 Applications of Submicron-Diameter Carbon Filaments 10.3 Electromagnetic Interference Shielding, Electromagnetic Reflection, and Surface Electrical Conduction 10.4 DC Electrical Conduction 10.11 Conclusion Acknowledgment References ©2001 CRC Press LLC Chapter 11 Improving Cement-Based Materials by Using Silica Fume 11.4 Vibration Damping Capacity 11.6 Freeze-Thaw Durability 11.9 Air Void Content and Density 11.11 Steel Rebar Corrosion Resistance 11.12 Alkali-Silica Reactivity Reduction 11.13 Chemical Attack Resistance 11.14 Bond Strength to Steel Rebar 11.16 Coefficient of Thermal Expansion 11.20 Conclusion References Appendix A Electrical Behavior of Various Types of Materials Appendix B Temperature Dependence of Electrical Resistivity Appendix C Electrical Measurement Appendix D Dielectric Behavior Appendix E Electromagnetic Measurement Appendix F Thermoelectric Behavior Appendix G Nondestructive Evaluation Appendix H Electrochemical Behavior Appendix I The pn Junction Appendix J Carbon Fibers ©2001 CRC Press LLC www.org Introduction to Materials 1 Applications CONTENTS 1.1 Classes of Materials 1.7 Biomedical Applications Bibliography SYNOPSIS Engineering materials constitute the foundation of technology, whether the technology pertains to structural, electronic, thermal, electrochemical, environ- mental, biomedical, or other applications. The history of human civilization evolved from the Stone Age to the Bronze Age, the Iron Age, the Steel Age, and to the Space Age (contemporaneous with the Electronic Age). Each age is marked by the advent of certain materials. The Iron Age brought tools and utensils. The Steel Age brought rails and the Industrial Revolution. The Space Age brought structural materials (e., composite materials) that are both strong and lightweight. The Electronic Age brought semiconductors. Modern materials include metals, polymers, ceramics, semiconductors, and composite materials. This chapter provides an overview of the classes and applications of materials.1 CLASSES OF MATERIALS Metals, polymers, ceramics, semiconductors, and composite materials constitute the main classes of materials. Metals (including alloys) consist of atoms and are characterized by metallic bonding (i., the valence electrons of each atom are delocalized and shared among ©2001 CRC Press LLC all the atoms). Most of the elements in the Periodic Table are metals. Examples of alloys are Cu-Zn (brass), Fe-C (steel), and Sn-Pb (solder). Alloys are classified according to the majority element present. The main classes of alloys are iron-based alloys for structures; copper-based alloys for piping, utensils, thermal conduction, electrical conduction, etc.; and aluminum-based alloys for lightweight structures and metal-matrix composites. Alloys are almost always in the polycrystalline form. Ceramics are inorganic compounds such as Al2O3 (for spark plugs and for substrates for microelectronics), SiO2 (for electrical insulation in microelectronics), Fe3O4 (ferrite for magnetic memories used in computers), silicates (clay, cement, glass, etc. The main classes of ceramics are oxides, carbides, nitrides, and silicates. Ceramics are typically partly crystalline and partly amorphous. They consist of ions (often atoms as well) and are characterized by ionic bonding and often covalent bonding. Polymers in the form of thermoplastics (nylon, polyethylene, polyvinyl chloride, rubber, etc.) consist of molecules that have covalent bonding within each molecule and van der Waals’ forces between them. Polymers in the form of thermosets (e., epoxy, phenolics, etc.) consist of a network of covalent bonds. Polymers are amor- phous, except for a minority of thermoplastics. Due to the bonding, polymers are typically electrical and thermal insulators. However, conducting polymers can be obtained by doping, and conducting polymer-matrix composites can be obtained by the use of conducting fillers. Semiconductors have the highest occupied energy band (the valence band, where the valence electrons reside energetically) full such that the energy gap between the top of the valence band and the bottom of the empty energy band (the conduction band) is small enough for some fraction of the valence electrons to be excited from the valence band to the conduction band by thermal, optical, or other forms of energy. Conventional semiconductors, such as silicon, germanium, and gallium arsenide (GaAs, a compound semiconductor), are covalent network solids. They are usually doped in order to enhance electrical conductivity. They are used in the form of single crystals without dislocations because grain boundaries and dislocations would degrade electrical behavior. Composite materials are multiphase materials obtained by artificial combination of different materials to attain properties that the individual components cannot attain. An example is a lightweight structural composite obtained by embedding continuous carbon fibers in one or more orientations in a polymer matrix. The fibers provide the strength and stiffness while the polymer serves as the binder. Another example is concrete, a structural composite obtained by combining cement (the matrix, i., the binder, obtained by a reaction known as hydration, between cement and water), sand (fine aggregate), gravel (coarse aggregate), and, optionally, other ingredients known as admixtures. Short fibers and silica fume (a fine SiO2 particu- late) are examples of admixtures. In general, composites are classified according to their matrix materials. The main classes of composites are polymer-matrix, cement- matrix, metal-matrix, carbon-matrix, and ceramic-matrix. Polymer-matrix and cement-matrix composites are the most common due to the low cost of fabrication. Polymer-matrix composites are used for lightweight struc- tures (aircraft, sporting goods, wheelchairs, etc.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ