دانلود مقاله مهندسی و علم مواد

word قابل ویرایش
22 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

در دو دهه‌ گذشته، جهان شاهد پیدایش تقریباً همزمان سه فنآوری عمده بوده است. این سه فنآوری از جهت تقسیم بین‌المللی کار، سرمایه‌گذاری خارجی، امکانات تحقیق و توسعه، اتحاد راهبردی بین‌شرکتها، الگوهای داد و ستد منطقه‌ای و فرامنطقه‌ای و اشغال پیامدهای گسترده‌ای دارند. در حال حاضر درباره‌ فنآوری اطلاعات و فنآوری زیستی بسیار گفت و گو می‌شود، اما انقلابی که به طور همزمان در رشته‌ مواد صورت گرفته، کمتر شناخته شده است.

با ورود به قرن بیست‌و یکم، مواد جدید و پیشرفته خواه ناخواه به عناصر قطعی و تعیین کننده‌ای در رقابت بین‌شرکتها و صنایع کشورها در بازار جهانی تبدیل شده‌اند. از این مواد، اکنون برای حل مسائل حاد در زمینه‌های انرژی، حمل و نقل، محیط زیست و پزشکی کمک گرفته می‌شود. اکنون تقریباً همگان پذیرفته اند که ادامه‌ توسعه‌ صنایع پیشرو، نظیر کامپیوتر و ارتباطات، هوا- فضا، حمل و نقل زمینی، تحقیقات در ژرفای اقانوسها، بسته‌بندی و ساختمان تقریباً به طور کامل در گرو راه‌حلهایی است که ضمن ارائه‌ عملکردهای فنی مورد نظر، از نظر محیط زیست نیز مطلوب باشد. به نظر می‌رسد که این راه حلها فقط از طریق پیشرفتهای مهندسی و علم مواد امکان‌پذیر باشد. در این مقاله، به طور خلاصه به مهم ترین تحولات مهندسی وعلم مواد و تأثیر حضور مواد پیشرفته بر فنآوری‌های جدید اشاره شده است.
واژگان کلیدی: علم مواد، مهندسی، فنآوری، مواد پیشرفته

مقدمه:
در حال حاضر، دانشمندان، پژوهشگران و مهندسان علم مواد به آن پایه از شناخت مبانی مواد پیشرفته دست یافته اند که قادرند زیر ساختارهای اتمی و مولکولی ماده، روشهای فرآوری و ساخت مواد جدید و خواص و کاربردهای نهایی آنها را به دلخواه خود کنترل کنند. این بدان معنی است که به جز اصلاح ویژگیهای مواد سنتی موجود و بهبود عملکرد‌های آنها، می‌توان مواد جدیدی خلق کرد که با ارائه‌ خواص متفاوت و نوظهور بتوانند پاسخگوی شرایط کاری جدید و دشوار باشند.برای نیل به این هدف، پژوهشگران می‌توانند کار را از مجموعه‌ ویژگیهای مورد نظر شروع کنند و مسیر معکوسی را تا طراحی و ساخت ماده مناسب دنبال کنند. در عین‌حال این امکان نیز وجود دارد که براساس شناخت بنیادین ویژگیهای ماده در مقیاس اتمی و بلوری، مواد کاملاً جدید باخصوصیات و کاربردهای بالفوه نامحدود ساخته شود.این شناخت روز افزون، حوزه‌های جدیدی از تحقیق و نوآوری را ایجاد کرده است که به نوبه خود موجب پیشرفتهای حیرت‌آور در زمینه‌های پزشکی، داروسازی، کشاورزی، معدن، مهندسی ژنتیک، انرژی و محیط زیست شده است.

منشأ تاریخی انقلاب علم مواد
آگاهی و دانشی که در نتیجه ‌فیزیک کوانتوم در سالهای اولیه‌ قرن بیستم به دست آ‚د، تا حد زیادی شناخت دانشمندان را از ارتباط بین ساختار وخواص مواد افزایش داد. در دهه های بعد، از تلفیق آگاهیهای علمی و تکنیکهای جدید، روشهای مؤثرتری برای تجزیه، سنتز و فرآوری مواد فراهم آمد و بدین‌ترتیب مواد، پیشرفته وارد رشته های مختلف علم و فنآوری از جمله انرژی هسته‌ای، الکترونیک و هوا- فضا شد.
در حال حاضر، دانشمندان، پژوهشگران و مهندسان علم مواد به آن پایه از شناخت مبانی مواد پیشرفته دست یافته اند که قادرند زیر ساختارهای اتمی و مولکووووولی ماده، روشهای فرآوری و ساخت مواد جدید و خواص و کاربرد‌های نهایی آنها را به دلخواه خود کنترل کنند.

در دهه‌های پایانی قرن بیستم، امکان بهره‌گیری کامل‌تر ازدانش‌کوانتوم حاصل شد. از آغاز دهه‌۱۹۸۰ ساخت ابزارهای قدرتمند جدید مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی تونلری ( Scanning Tunneling Electron Microscope ) به پژوهشگران این امکان را داده است که دید عمیق‌تری نسبت به ساختار الکترونی و اتمی و مولکولی ماده پیدا کنند. بعلاوه، افزایش ظرفیت و قدرت رایانه‌ها و استفاده از ابر رایانه‌های ( Super Computers ) دارای سرعتهای پردازش فوق‌العاده‌ زیاد، این امکان را فراهم آورده است که برای رفتارهای فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مواد ساده و کامپیوزیت، الگوها و مدلهای ریاضی طراحی کنند. پژوهشگران رشته مواد با تلفیق ابزارهای رایانه‌ای پیشرفته، الگوهای ریاضی و روشهای تجربی توانسته‌اند ویژگی‌های کمی ریز‌ساختار مواد را تعیین، ساختار آن را پس از فرآوری تعریف و رابطه آن را با خواص نهایی به دست آمده بیان کنند. برای بسط توصیف رفتار مواد در سطح الکترونها و اتمها، از ادغام قوانین کوانتوم و روشهای آماری استفاده می‌شود و از نتایج حاصل، برای طراحی و ساخت مواد بهره‌برداری می گردد. اما همه‌ اینها هنوز در مراحل ابتدایی هستند و به نظر می‌رسد که تا بلوغ کامل این علم راهی طولانی در پیش باشد.

علم مواد و مهندسی نوین
علم مواد، رشته‌ای است که سعی دارد به کمک تحقیقات آزمایشگاهی، مهندسی عملی و تجربه تولید صنعتی، نگرشی جامع از ماده به دست دهد. ریشه‌های این علم در فیزیک ماده‌گال، شیمی حالت جامد و شیمی ترکیبات است. مسئله اصلی، درک برهم کنشها و روابط بین ساختار، خواص و کاربرد مواد مودر نظر و نیز تعیین مناسب ترین روشهای سنتز و فرآوری آنهاست. این نگرش، درمورد همه یابخشی از مواد، هم مفید است و هم اجتناب ناپذیر، بنابراین، نگرش جدید، روشهای تجربی، صنعتی قدیمی را روز به روز بیشتر منسوخ می‌سازد و جایگزین آنها می‌شود.

اصلاح مواد موجود و ایجاد مواد جدید باتکیه بر روشها و ابزارهای مهندسی و علم مواد انجام می شود که خود بر علوم محض و شالوده جامعی از روابط تجربی و نیمه‌تجربی تکیه دارد. باتوجه به تأثیر و نفوذ مهندسی و علم مواد، می توان گفت که مواد موجود روز به روز بیشتر به ً مواد جدید ً تبدیل می‌شوند. در چند دهه گذشته تتحقیقات بنیادی و کاربردی در علم مواد، تواناییهای بسیاری برای شناسایی و ساخت مواد ایجاد کرد که تا قبل ازآن غیر قابل تصور بود. این توانایی رشد یابنده و روز افزون برای شناخت و کنترل ساختار و خواص ماده، درکانون انقلاب مواد جا دارد. بهبودهای چشمگیری که در خواص و فنآوری ساخت سرامیکهای پیشرفته، پلیمرهای سنتزی، فلزات بهبود یافته و کامپیوزیت این مواد حاصل آمده از نتایج این انقلاب است. گرچه دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ شاهد معرفی مواد جدید و مهمی بود که به نوعی می شد آنها را ً پیشرفته ً تلقی کرد، اما از دهه‌ ۱۹۸۰ به بعد بودکه در شیوه توسعه‌ مواد و بهره گیری از آنها تغییرات گسترده و تعیین کننده رخ داد.

علم میان رشته‌ای
ضرورت بررسی جنبه‌های گوناگون ساختار و روشهای فرآوری مواد، باعث ادغام رشته‌ها و شاخه‌های تخصصی مختلف و برهم کنش آنها شده است. اکنون علم مواد بک علم میان رشته‌ای است که زمینه‌هایی چون فیزیک
حالت جامد، شیمی، متالوژی، سرامیک، کامپیوزیت، ریاضی، کامپیوتر و … را در بر می‌گیرد. در واقع دیگر کشیدن مرزهای غیر‌قابل انعطاف بین این رشته‌ها نه ممکن است نه صحیح. گرایش علم‌نوین مواد به بررسی اجزای اصلی تشکیل دهنده همه‌ مواد- صرف‌نظر از منشأ آنها- باعث شده است که به همه‌ رشته‌ها به طور همزمان توجه شود . نیروی محرکه عظمی به علم شمی داده است. کشفهای جدید در فیزیک و بیولوژی، رشته‌های مربوط به شیمی را گسترش داده‌اند. درحال حاضر، کامپیوترها به کمک بیوتکنولوژی آمده‌اندتا با ایجاد ً بیوانفورماتیک ً چهره‌ پژوهش در عرصه های داروسازی و فناوری زیستی را دگرگون کنند.

اکنون کاملاً روشن است که ماهیت و پیچیدگی مسائل مربوط به سنتز وفرآوری مواد، کار گروهی و مشترک با افراد متخصص رشته‌های مختلف را ایجاب می‌کند. بنابراین، طراحی و ساخت مواد در سطح شرکت، صنعت، دانشگاه و آزمایشگاه- و در نتیجه در سطح اقتصادی – نقشی پراهمیت و ضرورتاً ماهیتی بین‌المللی پیدا می‌کند.

اهمیت فرآوری و سنتز مواد
دانشمندان و محققان رشته مواد، در همه‌گرایشها و تتخصصها، درگیر مرحله توسعه‌ فرآوری و ساخت مواد پیشرفته شده‌اند. بعلاوه، مهندسان مواد باید، آشنایی کاملی با جنبه‌های علمی و نظری طراحی و مدلسازی مواد داشته باشند. این امر، موجب نزدیکی و یکپارچگی دو موضوع علم مواد و مهندسی مواد، از جهت جنبه‌های کاربردی و محض شده است و ضرورتاً باید این رشته را اکنون به عنوان یک کل منسجم درنظر گرفت. درعین‌حال، یکپارچگی سبب ایجاد باز خوردهای مفید و
علم مواد، رشته‌ای است که سعی دارد به کمک تحقیقات آزمایشگاهی، مهندسی عملی و تجربه‌ تولید صنعتی، نگرشی جامع از ماده به دست دهد.

غنی سازی متقابل دانش علمی و مسئله‌مهندسی فرآوری مواد شده است، به شکلی که کنترل ساختار را افزایش داده و عملکرد، قابلیت اطمینان و قابلیت باز تولید با هزینه پایین را بهبود بخشیده است. تزریق علم به فرآینده‌های ساخت، فنآوریهای تولید جدید و متعددی را به وجود آورده است که بدون آنها ساخت مواد جدید به صورت معما باقی می‌ماند و مواد موجود نمی‌توانستند پذیرای اطلاحات جدیدی باشدکه اخیراً صورت گرفته است.

اصلاح خواص مواد موجود یا ساخت مواد کاملاً جدید بدون پیدا کردن فناوریهای لازم برای فرآوری و تجهیزات و ماشین‌آلات ضروری برای ساخت اجزاء و شکلها در نظامهای مهندسی پیچیده، تقریباً بی‌فایده است. در ماد فلزی، شناخت ودانش مهندسی وعلم مواد، منجر به بهبود چشمگیر خواص مواد، افزایش کارایی، منجر به بهبود چشمگیر خواص مواد، افزایش کارایی، کاهش هزینه‌ها و فرآوری نسل جدیدی از فلزات دارای عملکرد بالا و کامپیوزیتهای زمینه فلزی، شده است.

روشهای جدید فرآوری ، نظیر انجماد سریع و قالب گیری تزریقی فلزی، منجر به اصلاحات عظیمی درکارایی فلزها شده‌اند. در عین حال، آلیاژهای مختلف فولاد دارای استحکام بالا، کامپیوزیتهای زمینه فلزی و مواد لایه‌ای موجب اصلاحات قابل توجهی درکارایی ، هزینه‌ و قابلیت ساخت شده‌اند. تحولاتی که در سالهای اخیر در عرصه فولاد به وقوع پیوسته است، نتیجه پیشرفت دانش در زمینه مهندسی و علم مواد بوده است. اکنون می‌توان، بنابه سفارش، طیف گسترده‌ای از فولادهای پیشرفته دارای استحکام زیاد، مقاوم در برابر خوردگی با ریز ساختار و وضعیت شیمیایی کاملاً قابل کنترل، برای کاربرد در اتومبیل. سازه‌های مبتنی بر فناوری برتر و تحقیقات درعمق دریاها ساخت. موقعیتهای به دست آمده درزمینه‌ روشهخای طراحی و فرآوری فولاد که به ساخت فولاد دارای استحکام بیشتر، فولادهای کم‌آلیاژ، فولادهای سخت شده، فولاد فوق تمیز و فولاد روکش دار پیشرفته منجرشده است، مهندسان را قادر می‌سازد تا کارایی، سبکی، راحتی، هزینه عملکرد، خودکارسازی تولید و انعطاف پذیری و قابلیت بازیافت در طراحی و تولید اتومبیل را بهبود بخشند. تقریباً نیمی از قولادهای جدیدی که اکنون در ساخت اتومبیل مورد استقاده قرار می‌گیرد، پانزده سال پیش وجود نداشت.

نسل جدید فنآوریهای پوشش دادن چند‌لایه‌ای، به محققان و مهنندسیان امکان داده است برای حفاظت از سطح بدنه اتومبیلها از فولاد مقاوم به خوردگی و روکش‌ فلزی بود، اما در اواسط دهه‌۱۹۹۰ بین ۶۰ تا ۱۰۰ درصد اتومبیلهای جدید ساخت اروپا، امریکا و ژاپن از این ماده استفاده کردند.
سنتز مواد کاملاً جدید و اصلاح مواد سنتی مثل پلاستیک، رزین مصنوعی، فیبر، غشاء، شیشه‌ خالص، سرامیکهای الکترونیکی و سازه ای ، کامپیوزینهای زمینه فلزی و پلیمری، آلیاژهای پیشرفته‌ آلومینیوم و فولاد، ساخت فرآورده‌های مورد نیاز فناوریهای پیشرفته را برای نسل جدید موتورهای جت و ساختارهای هواپیما، اتومبیل، رباتها، تلویزیونهای رنگی، دستگاههای ویدیو و غیره ممکن ساخته‌اند، گرایش صنایع جدید به فناوری برتر و پیچیدگی بیشتر، شرایط و مقتضیات تکنیکی و عملکرد بیشتری را بر مواد تحمیل می‌کند و بدین‌وسیله توسعه مواد پیشرفته‌ جدید ودارای خصوصیات و خواص ترکیبی و اصلاح مواد سنتی را ، در سطحی که حتی یک دهه قبل قابل تصور نبود، تسریع می کند.

سنتز
امروزه، مفهوم سنتز در مهندسی و علم مواد دارای یک زیر بنای علمی قوی است و با فرآوری و تولید مواد مرتبط می‌باشد. نه تنها انتخاب واکنشهای سنتزی ( ترکیبی یا مصنوعی ) بر راههای فرآوری بعدی تأثیر می گذارد، بلکه فناوری‌های جدید تولید نیز مستلزم یکی کردن مراحل سنتز وفرآوری و تبدیل آن به یک فرآیند همزمان است.
بنابراین، مفاهیم، سنتز مواد، فرآوری، ساخت وتولید در پاسخ به نیازهای فزاینده مهندسی و علم مواد به تکامل فنآؤری‌های جدید تولید، وتهیه‌ مواد تحقیقاتی خالص برای مقاصد نظامی و صنعتی ، منجر می شود.

این امر در هیچ حوزه‌ای بیشتر از سرامیکهای سازه‌ای پیشرفته، کامپیوزیتتها و ابر رساناهای درجه حرارت بالا مشهود نیست. مسئله مهم‌تر اینکه معلوم شده توانایی تکنولوژیک فرآوری ساخت مواد مهم‌ترین عنصر در رقابت بین‌المللی ساختارهای صنعتی ملی و شاخه‌های صنعتی درگیر در فعالیتهای سنتی و فنآوریهای برتر است.

تعریف مواد پیشرفته
اداره‌ معادن ایالات متحده‌ آمریکا در کتاب سال ۱۹۹۲ خودبر چهار فناوری اصلی که بخش اعظم صنایع مواد پیشرفته این کشور را تشکیل می‌دهد، یعنی سرامیکهای

اکنون علم مواد یک علم میان رشته‌ای است که زمینه‌هلایی چون فیزیک حالت جامد، شیمی، متالوژی، سرامیک، کامپیوزیت، ریاضی، کامپیوتر و … را در بر می‌گیرد. در واقع دیگر کشیدن مرزهای غیر قابل انعطاف بین این رشته‌ها نه ممکن است نه صحیح پیشرفته‌، کامپیوزیتهای پلیمری پیشرفته، کامپیوزیتهای زمینه فلزی و کامپیوزیتهای کربن- کربن تأکید می‌کند. مواد پیشرفته چنین تعریف می‌شوند: پلیمرها، فلزات و سرامیکهایی که به صورت ترکیب بین ماده‌ای، آلیاژ یا کامپیوزیت ساخته می‌شوند. سازه‌هایی که بدین‌ترتیب تولید می‌شوند

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 22 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد