شناخت مواد مختلف:

مواد تحت عنوان چهارگروه اصلی مورد بررسی قرار می گیرند:
1-     مواد بی شکل:موادی که در آنها اتم ها به طور تصادفی نامنظم آرایش یافته اند0
2-     مواد بلورین:در این مواد اتم ها تقریبا با نظم کامل چیده شده اند0
3-     کامپوزیتها یا چند سازه ها: شامل دو یا چند ماده ی مختلف می باشند0
4-     مواد با بافت سلولی یا منفذدار: شامل دسته های منظمی از سلول ها یا منافذ توخالی متقارن هستند0
0
هر یک از گروه های فوق مشتمل بر فلزات وپلی مرها و سرامیک ها در شکل ها و نسبت های مختلف خواهند بود0 طراحی مواد به مهارت و توانایی ما در دستکاری این شکل ها و نسبت ها بستگی داشته که در بسیاری از موارد به وسیله ی تغییر یا اصلاح پیکربندی الکترونی و اتمی از طریق آلیاژسازی و عملیات حرارتی انجام پذیر است0
انجماد از حالت مذاب و تبدیل به مواد بلورین وبی شکل:
وقتی مایعی به زیر نقطه انجماد سرد می شود بسته به سرعت سرد شدن به یک جامد بی شکل نامنظم ویاجامد بلورین منظم بلورین تبدیل خواهد شد0 معمولا انجماد با کاهش شدید حجم همراه است زیرا تحرک اتم ها در حالت جامد کمتر از حالت مایع است0در مواد بی شکل هنگام تبدیل مایع به جامد،تغییر حجم بسیار آهسته صورت می گیرد 0 آرایش اتم ها در این صورت تغییری نمی نماید0
در انجماد بلورین مشروط به اینکه مایع با سرعتی به قدر کافی آهسته، سرد شود دمایی وجود دارد که در آن دما،گروه های منظم فشرده و کوچکی از اتم ها تشکیل می گردد0 با کاهش بیشتر دما این گروه ها رشد کرده و در آخر بلورها با هم تلفیق می شو ند 0 چون در شروع انجماد گروه های اصلی لزوما در یک راستا نبودند جامد نهایی تک بلوری نخواهد بود بلکه تجمعی ازبلورهای مختلف یا "چند بلوری" است0 هر بلور با همسایگانش توسط مرزدانه یا بلور جدا می شود0 این بلور به عنوان عیوب سطحی عمل کرده و در کل پیوستگی چیده شدن کامل اتمی جامد را از بین می برد و به همین جهت، مرزدانه برای خواص مواد بلورین از اهمیت زیادی برخوردار است0 در پلی کریستال ها یا چند بلورها تغییر شکل پلا ستیک باید در صفحات مختلف هر بلور اتفاق بیفتد پس در تغییر شکل پلاستیک"چند بلورها "کل جامد باید به صورتی تغییر یابد که ترک خوردگی بین دانه های منفرد به وقوع نپیوندد0 اگر در مرزدانه ها نا خالصی نباشد چند بلورها قوی تر از تک بلورها بوده و مقاومت بیشتر در برابر تغییر شکل پلاستیک خواهند داشت0 که این مسئله در تولید آلیاژها و فلزات با استحکام بالا اهمیت دارد0 در واقع هر چه اندازه ی دانه کوچکتر باشد استحکام فلز بیشتر خواهد بود0
اگر مایع با سرعتی سرد شود که زمان لازم برای رشد گروه های بلوری منظم اتم ها نباشد به صورت نامنظم انجماد می یابد0
دگرگونی های بلوری :
یک مشخصه ی مهم اکثر مواد بلورین این است که دگرگونی های فازی حالت جامد از یک فاز بلورین به فاز دیگر در آن ها اتفاق می افتد0 دگرگونی فازی به هنگام گرم کردن یا سرد کردن رخ می دهد مشروط بر اینکه فاز جدید با آرایش اتمی جدید انرژی کمتری نسبت به نوع قبل داشته باشد0 پس حالت چیده شدن اتم ها در آهن و فولاد در دمای بالا و پایین متفاوت است0 فاز فشرده ی دمای فولاد (آستنیت) نسبت به فاز کمتر فشرده ی دمای پایین فولاد ( فرّیت) کربن بیشتری را در خود حل می کند0
اگر فولاد سریع سرد شود سختی آن بیشتر می شود چون در دمای اتاق کربن به صورت محلول در فاز فرّیتی باقی می ماند به شرط آن که سرعت سرد کردن به قدر کافی سریع باشد تا از نفوذ و تجمع اتم های کربن جلوگیری کند0
این مورد درباره ی فلزات و سرامیک ها هم صادق است والبته بای بیشتر مواد بلورین برعکس پلی مر ها0
مواد چند سازه منفذ دار:
تحقیقات در حوزه ی چند سازه ها بر تولید الیافی قوی تر و ارزان تر و در عین حال سازگار با زمینه ی اطراف معطوف گشته است0 این یعنی این که ماده ی زمینه (فلز- پلی مر- سرامیک) باید نه تنها با الیافی که حمایتش می کنند اتصال خوبی تشکیل دهد بلکه بایستی با آنها سازگاری نیز داشته باشد0 مرسوم است چند سازه های با زمینه ی ترموپلاستیک (گرمانرم) هستند0 با این وجود نرمی ترموپلاستیک باعث شده تا برای کاربردهای آینده از جاذبه بیشتری برخوردار باشند0 امروزه ترموپلاستیک ها از نظر چقرمگی،خوردگی،مقاومت سایشی و حتی مقاومت حرارتی با فلزات رقابت می کنند0
نقطه ضعف چند سازه ها این است که به دلیل روش های تولیدی پیچیده گران هستند و در اوایل قرن آینده سهم قابل توجه بازار را به خود اختصاص خواهند داد0
مواد منفذ دار پیچیده ترین مواد بوده و گروه مجزایی از مواد جامد را تشکیل می دهند که خواصی نظیر استحکام،سخت پایی، ویژگی های شکست و رسانایی حرارتی ضرورتا به ساختار منفذ دار آن ها بستگی دارد0 اکثر این مواد ناهمسانگرد هستند یعنی بسته به جهت با اعمالی، عملکرد متفاوتی در برابر بار ها خارجی از خودشان نشان می دهند0 چوب پنبه ی طبیعی مثالی از یک ماده ی منفذ دار است که منافذ کوچک آن به صورت مرتب چیده شده است0 چوب یکی دیگر از مواد منفذ دار است که متشکل از آرایه ای از منافذ بوده که دیواره ی آنها از یک چندسازه ی چند لایه ای از نوع الیاف سلولزی به طور حلزونی پیچیده شده در زمینه ای از لیگنین ساخته شده0
انتخاب مواد
انتخاب مواد با توجه به خواص آنها صورت می گیرد0 مهم ترین خواص مواد در کاربردهای سازه ای عبارتند از:استحکام تسلیم،سخت پایی (مدول یانگ)،چقرمگی شکست (توانایی مقاومت در برابر رشد ترک) و چگالی (جرم در واحد حجم) 0 درمورد مواردی که دمای بالا را تحمل می کنند،نقطه ی ذوب نیز اهمیت خاصی دارد0 به طور مثال آنچه سبب می شود تا فولاد چنین ماده ی سازه ای عالی به شمار آید،تلفیق استحکام بالا و چقرمگی شکست خوب یا نرمی می باشد0 زمانی که فولاد در برابر بارهای بزرگ پیش بینی نشده قرار می گیرد،سازه ی فولادی نمی شکند بلکه صرفا تسلیم میشود و بار را روی کل سازه توزیع می کند0 در صورتی که پلاستیک ها و سرامیک ها نمی توانند تسلیم شوند0
شناسایی مواد
راه های متعددی جهت شناسایی و آزمایش یک ماده وجود دارد0 برخی از این روش ها غیر مخرب بوده و به طور مثال شامل اندازه گیری مقاومت الکتریکی یا خواص سطحی توسط اشعه ی ایکس و یا حتی مقاومت در برابر خوردگی در محیط های سخت می باشد0 روش های دیگری که تا اندازهای مخرب تر هستند شامل موادی چون ایجاد فرورفتگی توسط یک ابراز الماسی (آزمایش سختی)، کشیدن قطعه (آزمایش کشش) و یا فشردن ماده مثل خمیر بازی (تغییر شکل فشاری) و یا جوشاندن ماده در روغن (عملیات حرارتی) می باشد0 بااین که این روش سخت است اما آزمایش های دیگری هست که شدیدا مخرب اند مثل شکستن ماده یا ضربه زدن به ماده با یک چکش (آزمایش ضربه ی شارپی)0
شناسایی مواد توسط میکروسکوپ هم به منظور بررسی عیوب ریز اسختاری،اندازه گیری تغییرات گونه های مختلف شیمیایی،تفکیک نمودن ذرات یا تشخیص نا خالص ها می باشد0ا مروزه میکروسکوپ ها کارهای دیگری نیز انجام می دهند0 یک نوع میکروسکوپ الکترونی می تواند نقشه ای از ریز ساختار ماده را با بزرگنمایی تا یک میلیون برابر (با کمک پردازش تصویری) جزء به جزء مشخص نماید0 به علاوه می تواند ترکیبات شیمیایی را به صورت های مختلف (توسط پراش الکترونی،آنالیز میکرو پروب،طیف نگاری طول موج و000) ارزیابی کند0 این دستگاه می تواند مقدار و نوع فازها یا ناخالصی های مختلف را با استفاده از رایانه الحاقی مورد بررسی قرار دهد و با همین رایانه از طریق حذف پارازیت های الکترونی ناخواسته،کیفیت تصاویر هببود بخشیده می شود 0 و000
کاربردهای مواد
مواد سازه ای
فولاد و بتن و چوب از مهم ترین مواد سازهای به شمار می روند که مثال هایی در زیر برای آشنایی بیشتر زده می شود0
فولادهای زنگ نزن
یکیاز راه حل های خوردگی توسعه ی فولادهای ضد زنگ است که هر کدام از آنها جهت کاربردی ویژه مناسب است0 به عنوان مثال فولادهای کاملا آستنیتی برای ساخت ظروف آشپزخانه و تأسیسات شیمیایی،فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی برای تهیه ی قطعات "سخت سایش" ماشین ها و000 به کار می روند0 ولی قیمت این ها زیاد است به دلیل مقادیر زیاد مواد آلیاژی است0 ولی قیمت این ها مورد استفاده فلزات کمیاب کروم و نیکل بوده که 25% فولاد را تشکیل می دهد0 دردمای900 درجه ی سانتی گراد،مقاومت خوردگی آنها افت می کند که در انواع خاصی از تأسیسات شیمیایی و کاربردهایی نظیر سیم پیچ کوره ها،مشکل ساز است0 در حال حاضر،این مشکل با استفاده از عملیات سطحی مثل لایه نشانی الکترونی و آلیاژسازی مستقیم یا روکش کردن به کمک عملیا حرارتی توسط باریکه ی لیزر برطرف شده است0
بتن چقرمه تر
بتن یکی از پرمصرف ترین مواد سازه ای نسبتا ارزان است که به خوبی در برابر بار مقاومت می کند0 در حال حاضر استحکام کششی خوبی ندارد و علت عملکرد مکانیکی ضعیف بتن غیرمسلح وجود تخلخل (حفره هایی با اندازه های بسیار مختلف) در آن است که اگر این تخلخل حذف شود مقاومت خمشی بالایی در حد فولاد نرم قابل دستیابی خواهد بود0 یکی ازاین شیوه ها جهت از بین بردن تخلخل موجود در سیمان (بتن سیمانی) استفاده از ععملیات مکانیکی نظیر فشردگی ارتعاشی است0 ترکیبات پراکنده ساز سیمان که به طور مؤثری مقدار آب لازم برای ایجاد سیمانی پذیر را کاهش می دهند نیز به کار گرفته می شوند0 پر کردن خطرات با مواد جامد نظیر گوگرد و رزین و نیز استفاده از سیمان ریز دانه و مواد تقویت کننده به صورت الیاف از شیوه های ذیگر است0
بهترین راه حل جهت بهبود استحکام کشش بتن،افزودن پلی مرهای آلی قابل حل در آب مخلوط سیمان\ آب می باشد0 ترکیب آب\پلی مر به تنهایی ژلی سفت بوجود می آورد که خمیری شکل پذیر ایجاد می کند0 پراکنده شدن حدود 60% حجمی ذرات سیمان در این خمیر باشد می شود0 ژل پلی مر\آب موجود در هر گونه فضای اضافی به جا مانده میان ذرات را پر کند0 سپس ماده ی به دست آمده توسط قالب گیری پرسی و یا روش های تغییر شکل "پلاستیکی" مرسوم نظیر تغییر بافت در اثر ایجاد واکنش های آبپوشی (هیدراسیون)در حقیقت از دانه های سیمان فشرده ی متراکم نهایی در حقیقت از دانه های سیمان فشرده ی پیوند داده شده با پلی مر تشکیل شده است که بسته به نوع ماده ی پر کننده یا فرآیند شکل دهی به کار رفته حاوی مقدار بسیار کم (یابدون) تخلخل است0
چوب
این ماده منفذ دار بوده و ضریب ویژه بالایی دارد0 تخته چند لا، از جمله چند سازه های چوبی در حال توسعه است0
مواد سبک وزن
آلومینیم،تیتانیوم و آلیاژهای آن، منیزیم، و فلزات سبک وزن دیگر در این دسته از مواد هستند که هواپیما و فضاپیما،پلی مرهای مهندسی، تولید پلاستیک ها و اتومبیل ها و دوچرخه های پلاستیکی و 000
آلیاژهای آلومینیم به عنوان مواد سازنده هواپیما مورد استفاده قرار گرفتند0 آلیاژ"دور آلومین"آلیاژی پیچیده است که در آن رسوب های بسیار ریز ذرات غنی از مس و منیزیم به ضخامت یک تا دو اتم، زمینه ی آلومینیمی را سخت کرده اند0 معلوم شد که می توان با افزودن مقادیر کمی لیتیم ،خواص آلیاژهای آلومینیم را بهبود بخشید0 لیتیم سبک ترین فلز است به گونه ای که 3-2 درصد وزنی آن ،آلیاژ نهایی،کمی سبک تر از دور آلومین خواهد شد اما صلبیت بالاتری خواهد داشت0 هواپیما از جمله سازه های بزرگی هستند که جوشکاری نمی شوند0 جوشکاری ذوبی ریز ساختار این فلزات پیر سخت شده ی پیچیده را به حدی تغییر می دهد که خطر ایجاد ترک حاصل از تنش خوردگی افزایش یافته و مقاومت خستگی کاهش می یابد0 امروزه فرآیند های جوشکاری با باریکه ی الکترونی و لیزر می توانند جوش هایی با مناطق سیار کوچک متأثر از جوش ایجاد نمایند0 به تازگی تحقیقات نشان داده که می توان جوشکاری را به طریقی انجام داد که فلز متأثر از جوش،رسوب کرده و سپس با سرد شدن جوش،سخت گردد0
مواد مقاوم در برابر گرما و سایش
هم اکنون عملیات سطحی بر اساس آلیاژسازی یا پوشش دادن مستقیم سرامیکی برای قطعاتی که به مقاومت سایشی بالا نیاز دارند،مورد استفاده قرار می گیرد0 همچنین فلزات بی (به سرعت منجمد شده)به عنوان ورقه های نازک و یا به شکل نواحی نازک که به صورت سطحی دچار دگرگونی فازی شده اند،در دسترس می باشند0
عملیات سطحی: مقاومت سایشی یک ماده را بهمقدار قابل توجهی توسط پوشش دادن سطح آن بهبود می بخشید0
از لیزر می توان برای سخت گردانی مستقیم فولاد های پر کربن و آلیاژهای دیگر استفاده نمود0 گرمای شدید حاصل از لیزر باعث ایجاد تغییرات ریز ساختار سطحی قطعه می شود0 مزایای عملیات لیزر در دقت و سرعت آن و نیز در تبدیل فلزت کاملا معمول به موادی بسیار پیچیده با خواص عالی از مزایای عملیات سطحی به شمار می رود0
ابزار سرامیکی
سرامیک های پیشرفته از جمله مواد ایده آل مقاوم در برابر سایش به شمار می آیند0 از کاربردهای سرامیک های مقاوم در برابر سایش می توان به موارد زیر اشاره نمود:
پوشش های ماشین ابزار، ماشین ابزار کاملا سرامیکی،پوشش غلتک های نخ کشی در ماشین های نساجی،غلتک ها و قالب ها در کارخانه های شکل دادن فلزات0
سرامیک های مورد توجه در این حوزه ی کاربردی عبارتند از: Al2O3 ،Al2O3\TiC سیالون،الیاف Al2O3\SiC 0
سرامیک های عصر فضا
محافظت شاتل فضایی در خلال ورود مجدد به جو زمین از طریق عملیاتی معروف به "کاشی کاری"صورت می گیرد که از کاررد های سرامیک های مقاوم در برابر گرما به شمار می رود0 هر کاشی از یک ریز ساختار منفذ دار باز حاوی الیاف بسیار ریز سیلیکای پوشش دار تشکیل شده است0 این الیاف به قدری آزادانه وشل به هم فشرده شده اند که حدود 95%ه کاشی هوا می باشد و به همین جهت این کاشی به اندازه ی پنبه سبک هستند0 این مواد منفذ دار رسانای حرارتی بسیار ضعیفی هم می باشند0 این مواد علاوه بر ماهیت سرامیکی، منفذ داربوده و از چگالی پایینی بر خوردار می باشند0 این ویژگی سبب می شود تا با ورود مجدد به جو زمین و افزایش دمای سطح خارجی به حدود 1500 درجه ی سانتی گراد(داغ تر از فولاد مذاب)،بتوانند به وظیفه ی خود عمل کنند0
بیو سرامیک ها
سال ها ست که به طور مرسوم فلزات و پلی مرها به عنوان وسایل جایگزین یا پروتز درجراحی پزشکی و دندان پزشکی به کاررفته اند0 با این وجود،در سال های اخیر ده ها نوع مختلف از سرامیک ها به عنوان مواد مستعد جهت ایمپالانت(قطعات قابل کاشت در بدن) مورد تحقیق قرار گرفته اند که به خاطر ویژگی فرسایشی و سایشی عالی آن ها در مقایسه با دیگر مواد است0 سرامیک ها دچار خوردگی نمی شوند و به دلیل سبکی،قابلیت تحرک بدن را افزایش می دهند0 Al2O3، Si3N4و "شیشه ی زیست فعال" پیچیده ای بر پایه ی SiO2 ،مورد توجه ترین سرامیک ها به عنوان ایمپالانت های بیومواد هستند0
مواد نوری و(اپتیکی)
تولید شیشه های قوی تر،تار نوری و پیل های خورشیدی از جمله ی فر آورده های نوری است0
تارنوری
حرکت نور در امتداد تارها به جریان آب داخل یک لوله شباهت دارد0 سیستم های تقویت کننده و لیزری پیشرفته،تارها را قادر می سازند تا بدون نیاز به تقویت، نور را در فواصلی بالغ بر 200 کیلو متر انتقال دهند0 تا پایان قرن "ضخامت پنجره"تارهای نوری به 500 کیلو متر خواهد رسید و از این طریق ظرفیت حمل کلام(صدا) توسط هر تار مستقل،افزایش فوق العاده ای خواهد یافت0 در چنین شرایطی تارهای نوری،هر خانه ای را به شبکه های بین المللی وصل نموده و شبکه های "ویدیو فون"و تلویزیون جهانی با قدرت تفکیک بالا ظهور خواهند کرد0 تارهای شیشه ای نوعا قطری کمتر از یک دهم میلی متر دارند،تعداد بسیار زیادی تار می توانند در یک کابل هم اندازه ی سیم های مسی جا داده شود0 به علاوه،این تارها،بر خلاف کابل های فلزی ،حامل های تار نوری تحت تأثیر اغتشاشات الکترومغناطیسی قرارنمی گیرند0
مواد الکترومغناطیسی
مواد الکترومغناطیسی از جمله تراشه های سیلیسیمی،ابررساناها، آهنرباها،پلی مرهای رسانا و تراشه های پلاستیکی و000 هر کدام به نوبه ی خود با طراحی به موادی با کارایی بهتر و بیشتر می شوند0 به طور مثال در ابررساناهای جدید بر پایه ی اکسید مس مشخص شده است0 که با افزودن عناصر کمیاب مثل لانتانیم،استرانسیم،اسکانیم، ایتریم،بیسموت یا تالیم به اکسید باریم و مس،خواص عایقی معمولی این اکسید کاملا تغییر کرده و به ابررسانا تبدیل می شود0 موفق ترین ابررساناهای فوق دارای ترکیب اتمی YBa2Cu3O7می باشند0 این ترکیب در دمای 175 درجه ی سانتی گراد یعنی حدود 225 درجه ی سانتی گراد بالاتر از دمای نیتروژن مایع،مقاومت صفر و واص ابررسانایی از خود نشان می دهد0
مواد به کار رفته در وسایل ورزشی
این روزها جدید ترین ایده های طراحی و پیشرفته ترین مواد،برای وسایل ورزشی مثل کفش های ورزشی،تخته ها و قایق ها،چرخ های دوچرخه ها و چوب های اسکی مورد استفاده قرار می گیرند0
چوب های اسکی
چوب های اسکی منفذ دار می شوند0 ساختار" سه لایه ای" (ساندویچی) کنترل خوبی در خمش طولی فراهم می کند0نوع "جعبه ی پیچشی" صلبیّت یا سفتی پیچشی را افزایش می دهد0 بر این اساس قسمت مغزی در چوب اسکی "ماده ی منفذ داری است که می تواند چوب،آلومینیم لانه زنبوری یا حتی اسفنج پلی یورتان باشد0 در چوب های اسکی مخصوص اسکی کردن در سراشیبی،لانه زنبوری های اپوکسی \ الیاف گرافیت یا کولار به کار می روند0 ساختار سه لایه ای (ساندویچی) اطراف مغزی منفذ دارد0 سبک چوب اسکی،صلبیّت و انعطاف پذیری آن را فراهم می نماید0 با استفاده از تلفیق مواد به طور مثال از فولاد با استحکام بالا گرفته تا چند سازه های الیافی پیشرفته،می توان خواصی مانند صلبیّت استحکام،چقرمگی و پاسخ دهی کشسانی چوب اسکی را به صورت کاملا دقیق کنترل کرد0

بازیافت: چرخ و فلک مواد
تعداد نسبتا کمی از مواد در اثر استفاده،به طور کامل تخریب می شوند که در ساخت مواد فردا سعی می شود که این مسئله مورد توجه قرار گیرد0 شرکت های مختلف اعلام کرده اند که به زودی کارخانه های خاصی جهت بازیابی بعضی مواد تأسیس خواهند نمود0
پلی مرهای زیست تخریب پذیر
"آی سی آی" بریتانیا پلی مر زیست تخریب پذیر "پی اچ پی" را تولید کرده است0 این ماده توسط موجودات ریز ذره بینی (میکروارگانیسم ها) تولید می شود و تحت تأثیر باکتری ها تجزیه می گردد که البته تولید آن بسیار گران بوده و برای کاربردهای بسیار خاص مثل نخ بخیه ی جراحی (بخیه ی حل شونده) به کار می رود0 شرکت های مختلفی پلی مرهای زیست تخریب پذیر مختلف تولید کرده اند که بیشتر آنها گران است و البته استفاده از آنها به صورت عمومی در نیامده و باید در این قرن به این مسئله توجه جدی شود،زیرا انسان ها در استفاده از مواد طبیعت اسراف بیش از اندازه ای کرده اند0