بخشی از مقاله
در دو دهة گذشته، جهان شاهد پيدايش تقريباً همزمان سه فنآوري عمده بوده است. اين سه فنآوري از جهت تقسيم بينالمللي كار، سرمايهگذاري خارجي، امكانات تحقيق و توسعه، اتحاد راهبردي بينشركتها، الگوهاي داد و ستد منطقهاي و فرامنطقهاي و اشغال پيامدهاي گستردهاي دارند. در حال حاضر دربارة فنآوري اطلاعات و فنآوري زيستي بسيار گفت و گو ميشود، اما انقلابي كه به طور همزمان در رشتة مواد صورت گرفته، كمتر شناخته شده است.
با ورود به قرن بيستو يكم، مواد جديد و پيشرفته خواه ناخواه به عناصر قطعي و تعيين كنندهاي در رقابت بينشركتها و صنايع كشورها در بازار جهاني تبديل شدهاند. از اين مواد، اكنون براي حل مسائل حاد در زمينههاي انرژي، حمل و نقل، محيط زيست و پزشكي كمك گرفته ميشود. اكنون تقريباً همگان پذيرفته اند كه ادامة توسعة صنايع پيشرو، نظير كامپيوتر و ارتباطات، هوا- فضا، حمل و نقل زميني، تحقيقات در ژرفاي اقانوسها، بستهبندي و ساختمان تقريباً به طور كامل در گرو راهحلهايي است كه ضمن ارائة عملكردهاي فني مورد نظر، از نظر محيط زيست نيز مطلوب باشد. به نظر ميرسد كه اين راه حلها فقط از طريق پيشرفتهاي مهندسي و علم مواد امكانپذير باشد. در اين مقاله، به طور خلاصه به مهم ترين تحولات مهندسي وعلم مواد و تأثير حضور مواد پيشرفته بر فنآوريهاي جديد اشاره شده است.
واژگان كليدي: علم مواد، مهندسي، فنآوري، مواد پيشرفته
مقدمه:
در حال حاضر، دانشمندان، پژوهشگران و مهندسان علم مواد به آن پايه از شناخت مباني مواد پيشرفته دست يافته اند كه قادرند زير ساختارهاي اتمي و مولكولي ماده، روشهاي فرآوري و ساخت مواد جديد و خواص و كاربردهاي نهايي آنها را به دلخواه خود كنترل كنند. اين بدان معني است كه به جز اصلاح ويژگيهاي مواد سنتي موجود و بهبود عملكردهاي آنها، ميتوان مواد جديدي خلق كرد كه با ارائة خواص متفاوت و نوظهور بتوانند پاسخگوي شرايط كاري جديد و دشوار باشند.براي نيل به اين هدف، پژوهشگران ميتوانند كار را از مجموعة ويژگيهاي مورد نظر شروع كنند و مسير معكوسي را تا طراحي و ساخت ماده مناسب دنبال كنند. در عينحال اين امكان نيز وجود دارد كه براساس شناخت بنيادين ويژگيهاي ماده در مقياس اتمي و بلوري، مواد كاملاً جديد باخصوصيات و كاربردهاي بالفوه نامحدود ساخته شود.اين شناخت روز افزون، حوزههاي جديدي از تحقيق و نوآوري را ايجاد كرده است كه به نوبة خود موجب پيشرفتهاي حيرتآور در زمينههاي پزشكي، داروسازي، كشاورزي، معدن، مهندسي ژنتيك، انرژي و محيط زيست شده است.
منشأ تاريخي انقلاب علم مواد
آگاهي و دانشي كه در نتيجة فيزيك كوانتوم در سالهاي اولية قرن بيستم به دست آ‚د، تا حد زيادي شناخت دانشمندان را از ارتباط بين ساختار وخواص مواد افزايش داد. در دهه هاي بعد، از تلفيق آگاهيهاي علمي و تكنيكهاي جديد، روشهاي مؤثرتري براي تجزيه، سنتز و فرآوري مواد فراهم آمد و بدينترتيب مواد، پيشرفته وارد رشته هاي مختلف علم و فنآوري از جمله انرژي هستهاي، الكترونيك و هوا- فضا شد.
در حال حاضر، دانشمندان، پژوهشگران و مهندسان علم مواد به آن پايه از شناخت مباني مواد پيشرفته دست يافته اند كه قادرند زير ساختارهاي اتمي و مولكووووولي ماده، روشهاي فرآوري و ساخت مواد جديد و خواص و كاربردهاي نهايي آنها را به دلخواه خود كنترل كنند.
در دهههاي پاياني قرن بيستم، امكان بهرهگيري كاملتر ازدانشكوانتوم حاصل شد. از آغاز دهة1980 ساخت ابزارهاي قدرتمند جديد مانند ميكروسكوپ الكتروني روبشي تونلري ( Scanning Tunneling Electron Microscope ) به پژوهشگران اين امكان را داده است كه ديد عميقتري نسبت به ساختار الكتروني و اتمي و مولكولي ماده پيدا كنند. بعلاوه، افزايش ظرفيت و قدرت رايانهها و استفاده از ابر رايانههاي ( Super Computers ) داراي سرعتهاي پردازش فوقالعاده زياد، اين امكان را فراهم آورده است كه براي رفتارهاي فيزيكي، شيميايي و مكانيكي مواد ساده و كامپيوزيت، الگوها و مدلهاي رياضي طراحي كنند. پژوهشگران رشتة مواد با تلفيق ابزارهاي رايانهاي پيشرفته، الگوهاي رياضي و روشهاي تجربي توانستهاند ويژگيهاي كمي ريزساختار مواد را تعيين، ساختار آن را پس از فرآوري تعريف و رابطة آن را با خواص نهايي به دست آمده بيان كنند. براي بسط توصيف رفتار مواد در سطح الكترونها و اتمها، از ادغام قوانين كوانتوم و روشهاي آماري استفاده ميشود و از نتايج حاصل، براي طراحي و ساخت مواد بهرهبرداري مي گردد. اما همة اينها هنوز در مراحل ابتدايي هستند و به نظر ميرسد كه تا بلوغ كامل اين علم راهي طولاني در پيش باشد.
علم مواد و مهندسي نوين
علم مواد، رشتهاي است كه سعي دارد به كمك تحقيقات آزمايشگاهي، مهندسي عملي و تجربة توليد صنعتي، نگرشي جامع از ماده به دست دهد. ريشههاي اين علم در فيزيك مادةگال، شيمي حالت جامد و شيمي تركيبات است. مسئله اصلي، درك برهم كنشها و روابط بين ساختار، خواص و كاربرد مواد مودر نظر و نيز تعيين مناسب ترين روشهاي سنتز و فرآوري آنهاست. اين نگرش، درمورد همه يابخشي از مواد، هم مفيد است و هم اجتناب ناپذير، بنابراين، نگرش جديد، روشهاي تجربي، صنعتي قديمي را روز به روز بيشتر منسوخ ميسازد و جايگزين آنها ميشود.
اصلاح مواد موجود و ايجاد مواد جديد باتكيه بر روشها و ابزارهاي مهندسي و علم مواد انجام مي شود كه خود بر علوم محض و شالودة جامعي از روابط تجربي و نيمهتجربي تكيه دارد. باتوجه به تأثير و نفوذ مهندسي و علم مواد، مي توان گفت كه مواد موجود روز به روز بيشتر به ً مواد جديد ً تبديل ميشوند. در چند دهة گذشته تتحقيقات بنيادي و كاربردي در علم مواد، تواناييهاي بسياري براي شناسايي و ساخت مواد ايجاد كرد كه تا قبل ازآن غير قابل تصور بود. اين توانايي رشد يابنده و روز افزون براي شناخت و كنترل ساختار و خواص ماده، دركانون انقلاب مواد جا دارد. بهبودهاي چشمگيري كه در خواص و فنآوري ساخت سراميكهاي پيشرفته، پليمرهاي سنتزي، فلزات بهبود يافته و كامپيوزيت اين مواد حاصل آمده از نتايج اين انقلاب است. گرچه دهههاي 1960 و 1970 شاهد معرفي مواد جديد و مهمي بود كه به نوعي مي شد آنها را ً پيشرفته ً تلقي كرد، اما از دهة 1980 به بعد بودكه در شيوة توسعة مواد و بهره گيري از آنها تغييرات گسترده و تعيين كننده رخ داد.
علم ميان رشتهاي
ضرورت بررسي جنبههاي گوناگون ساختار و روشهاي فرآوري مواد، باعث ادغام رشتهها و شاخههاي تخصصي مختلف و برهم كنش آنها شده است. اكنون علم مواد بك علم ميان رشتهاي است كه زمينههايي چون فيزيك
حالت جامد، شيمي، متالوژي، سراميك، كامپيوزيت، رياضي، كامپيوتر و … را در بر ميگيرد. در واقع ديگر كشيدن مرزهاي غيرقابل انعطاف بين اين رشتهها نه ممكن است نه صحيح. گرايش علمنوين مواد به بررسي اجزاي اصلي تشكيل دهندة همة مواد- صرفنظر از منشأ آنها- باعث شده است كه به همة رشتهها به طور همزمان توجه شود . نيروي محركه عظمي به علم شمي داده است. كشفهاي جديد در فيزيك و بيولوژي، رشتههاي مربوط به شيمي را گسترش دادهاند. درحال حاضر، كامپيوترها به كمك بيوتكنولوژي آمدهاندتا با ايجاد ً بيوانفورماتيك ً چهرة پژوهش در عرصه هاي داروسازي و فناوري زيستي را دگرگون كنند.
اكنون كاملاً روشن است كه ماهيت و پيچيدگي مسائل مربوط به سنتز وفرآوري مواد، كار گروهي و مشترك با افراد متخصص رشتههاي مختلف را ايجاب ميكند. بنابراين، طراحي و ساخت مواد در سطح شركت، صنعت، دانشگاه و آزمايشگاه- و در نتيجه در سطح اقتصادي – نقشي پراهميت و ضرورتاً ماهيتي بينالمللي پيدا ميكند.
اهميت فرآوري و سنتز مواد
دانشمندان و محققان رشتة مواد، در همةگرايشها و تتخصصها، درگير مرحلة توسعة فرآوري و ساخت مواد پيشرفته شدهاند. بعلاوه، مهندسان مواد بايد، آشنايي كاملي با جنبههاي علمي و نظري طراحي و مدلسازي مواد داشته باشند. اين امر، موجب نزديكي و يكپارچگي دو موضوع علم مواد و مهندسي مواد، از جهت جنبههاي كاربردي و محض شده است و ضرورتاً بايد اين رشته را اكنون به عنوان يك كل منسجم درنظر گرفت. درعينحال، يكپارچگي سبب ايجاد باز خوردهاي مفيد و
علم مواد، رشتهاي است كه سعي دارد به كمك تحقيقات آزمايشگاهي، مهندسي عملي و تجربة توليد صنعتي، نگرشي جامع از ماده به دست دهد.
غني سازي متقابل دانش علمي و مسئلةمهندسي فرآوري مواد شده است، به شكلي كه كنترل ساختار را افزايش داده و عملكرد، قابليت اطمينان و قابليت باز توليد با هزينه پايين را بهبود بخشيده است. تزريق علم به فرآيندههاي ساخت، فنآوريهاي توليد جديد و متعددي را به وجود آورده است كه بدون آنها ساخت مواد جديد به صورت معما باقي ميماند و مواد موجود نميتوانستند پذيراي اطلاحات جديدي باشدكه اخيراً صورت گرفته است.
اصلاح خواص مواد موجود يا ساخت مواد كاملاً جديد بدون پيدا كردن فناوريهاي لازم براي فرآوري و تجهيزات و ماشينآلات ضروري براي ساخت اجزاء و شكلها در نظامهاي مهندسي پيچيده، تقريباً بيفايده است. در ماد فلزي، شناخت ودانش مهندسي وعلم مواد، منجر به بهبود چشمگير خواص مواد، افزايش كارايي، منجر به بهبود چشمگير خواص مواد، افزايش كارايي، كاهش هزينهها و فرآوري نسل جديدي از فلزات داراي عملكرد بالا و كامپيوزيتهاي زمينة فلزي، شده است.
روشهاي جديد فرآوري ، نظير انجماد سريع و قالب گيري تزريقي فلزي، منجر به اصلاحات عظيمي دركارايي فلزها شدهاند. در عين حال، آلياژهاي مختلف فولاد داراي استحكام بالا، كامپيوزيتهاي زمينة فلزي و مواد لايهاي موجب اصلاحات قابل توجهي دركارايي ، هزينه و قابليت ساخت شدهاند. تحولاتي كه در سالهاي اخير در عرصه فولاد به وقوع پيوسته است، نتيجة پيشرفت دانش در زمينة مهندسي و علم مواد بوده است. اكنون ميتوان، بنابه سفارش، طيف گستردهاي از فولادهاي پيشرفتة داراي استحكام زياد، مقاوم در برابر خوردگي با ريز ساختار و وضعيت شيميايي كاملاً قابل كنترل، براي كاربرد در اتومبيل. سازههاي مبتني بر فناوري برتر و تحقيقات درعمق درياها ساخت. موقعيتهاي به دست آمده درزمينة روشهخاي طراحي و فرآوري فولاد كه به ساخت فولاد داراي استحكام بيشتر، فولادهاي كمآلياژ، فولادهاي سخت شده، فولاد فوق تميز و فولاد روكش دار پيشرفته منجرشده است، مهندسان را قادر ميسازد تا كارايي، سبكي، راحتي، هزينة عملكرد، خودكارسازي توليد و انعطاف پذيري و قابليت بازيافت در طراحي و توليد اتومبيل را بهبود بخشند. تقريباً نيمي از قولادهاي جديدي كه اكنون در ساخت اتومبيل مورد استقاده قرار ميگيرد، پانزده سال پيش وجود نداشت.
نسل جديد فنآوريهاي پوشش دادن چندلايهاي، به محققان و مهنندسيان امكان داده است براي حفاظت از سطح بدنة اتومبيلها از فولاد مقاوم به خوردگي و روكش فلزي بود، اما در اواسط دهة1990 بين 60 تا 100 درصد اتومبيلهاي جديد ساخت اروپا، امريكا و ژاپن از اين ماده استفاده كردند.
سنتز مواد كاملاً جديد و اصلاح مواد سنتي مثل پلاستيك، رزين مصنوعي، فيبر، غشاء، شيشة خالص، سراميكهاي الكترونيكي و سازه اي ، كامپيوزينهاي زمينة فلزي و پليمري، آلياژهاي پيشرفتة آلومينيوم و فولاد، ساخت فرآوردههاي مورد نياز فناوريهاي پيشرفته را براي نسل جديد موتورهاي جت و ساختارهاي هواپيما، اتومبيل، رباتها، تلويزيونهاي رنگي، دستگاههاي ويديو و غيره ممكن ساختهاند، گرايش صنايع جديد به فناوري برتر و پيچيدگي بيشتر، شرايط و مقتضيات تكنيكي و عملكرد بيشتري را بر مواد تحميل ميكند و بدينوسيله توسعة مواد پيشرفتة جديد وداراي خصوصيات و خواص تركيبي و اصلاح مواد سنتي را ، در سطحي كه حتي يك دهه قبل قابل تصور نبود، تسريع مي كند.
سنتز
امروزه، مفهوم سنتز در مهندسي و علم مواد داراي يك زير بناي علمي قوي است و با فرآوري و توليد مواد مرتبط ميباشد. نه تنها انتخاب واكنشهاي سنتزي ( تركيبي يا مصنوعي ) بر راههاي فرآوري بعدي تأثير مي گذارد، بلكه فناوريهاي جديد توليد نيز مستلزم يكي كردن مراحل سنتز وفرآوري و تبديل آن به يك فرآيند همزمان است.
بنابراين، مفاهيم، سنتز مواد، فرآوري، ساخت وتوليد در پاسخ به نيازهاي فزايندة مهندسي و علم مواد به تكامل فنآؤريهاي جديد توليد، وتهيه مواد تحقيقاتي خالص براي مقاصد نظامي و صنعتي ، منجر مي شود.
اين امر در هيچ حوزهاي بيشتر از سراميكهاي سازهاي پيشرفته، كامپيوزيتتها و ابر رساناهاي درجه حرارت بالا مشهود نيست. مسئلة مهمتر اينكه معلوم شده توانايي تكنولوژيك فرآوري ساخت مواد مهمترين عنصر در رقابت بينالمللي ساختارهاي صنعتي ملي و شاخههاي صنعتي درگير در فعاليتهاي سنتي و فنآوريهاي برتر است.
تعريف مواد پيشرفته
ادارة معادن ايالات متحدة آمريكا در كتاب سال 1992 خودبر چهار فناوري اصلي كه بخش اعظم صنايع مواد پيشرفته اين كشور را تشكيل ميدهد، يعني سراميكهاي
اكنون علم مواد يك علم ميان رشتهاي است كه زمينههلايي چون فيزيك حالت جامد، شيمي، متالوژي، سراميك، كامپيوزيت، رياضي، كامپيوتر و … را در بر ميگيرد. در واقع ديگر كشيدن مرزهاي غير قابل انعطاف بين اين رشتهها نه ممكن است نه صحيح پيشرفتة، كامپيوزيتهاي پليمري پيشرفته، كامپيوزيتهاي زمينة فلزي و كامپيوزيتهاي كربن- كربن تأكيد ميكند. مواد پيشرفته چنين تعريف ميشوند: پليمرها، فلزات و سراميكهايي كه به صورت تركيب بين مادهاي، آلياژ يا كامپيوزيت ساخته ميشوند. سازههايي كه بدينترتيب توليد ميشوند
