Malzeme bilimi

Malzeme bilimi, yeni materyallerin tasarımı ve keşfi ile ilgilenen bilimler arası alandır. Paradigmalarıyla malzemeleri incelemeyi içeren yeni bir bilim alanı olmasına rağmen, asıl fikir Aydınlanma Dönemindeki kimya, mineroloji ve mühendislik alanlarının ortaya çıkışına kadar uzanır. Malzeme bilimi fizik ve kimyayı birleştirir ve nanobilim ve nano teknoloji araştırmalarında ön planda yer alır. Son yıllarda malzeme bilimi belirli bir bilim ve mühendislik dalı olarak daha çok bilinmeye başladı.

Tarihçe

Bir çağın malzeme seçimi genellikle belirleyici bir noktadır. Taş Devri, Bronz Çağı, Demir Çağı ve Çelik Çağı gibi ifadeler buna güzel birer örnek. Aslında seramik üretiminden ve onun türevi sayılan metalurjiden orataya çıkan malzeme bilimi uygulama bilimlerin ve mühendisliğin en eski formlarından biridir. Modern malzeme bilimi doğrudan madencilik, seramik ve ateş kullanımından gelişmiş olan metalurjiden gelişmiştir. Malzemeleri anlamadaki büyük atılım 19. yüzyılın sonlarında Amerikan bilim adamı Josiah Willard Gibbs farklı evrelerdeki atomic yapılarla bağlantılı termodinamik özelliklerin bir materyalin fiziksel özellikleriyle bağlantılı olduğunu ortaya çıkarmasıyla meydana geldi. Modern malzeme biliminin önemli unsurları uzay yarışının bir sonucudur; uzayın keşfedilmesini sağlayan uzay araçlarının yapımında kullanılan metal alaşımların, çakmak taşının ve karbon materyallerin anlaşılması ve tekniği. Malzeme bilimi plastic yarı iletkenler ve biyomateryaller gibi yenilikçi teknolojilerin gelişimini etkilemiş ve bu gelişimden etkilenmiştir.

1960’lardan önce, birçok malzeme bilimi bölümü 19. ve 20. yüzyılın metallere verdiği önemin bir yansıması olarak metalurji bölümü olarak adlandırılmıştı. Amerika Birleşik Devletleri’nde malzeme biliminin büyümesi 1960’lı yıllarda malzeme bilimindeki temel araştırma ve eğitimin ulusal programını genişletmek amacıyla birçok üniversite laboratuvarlarını finanse eden ===İleri Araştırma Projeleri Ajansı=== tarafından kolaylaştırıldı. Alan o zamandan beri seramik, polimerler, yarı iletkenler, manyetik materyaller, tıbbı implant malzemeleri, biyolojik malzemeler ve nano materyaller de dahil olmak üzere her sınıf malzemeyi içerecek şekilde genişledi.

Malzeme biliminin temel prensipleri

Bir malzeme belirli uygulamalar için kullanılması amaçlanan bir madde (çoğunlukla katı ancak diğer yoğun fazlar da dahil edilebilir) olarak tanımlanır. Etrafımızda binalardan uzay araçlarında kadar her yerde bulunabilecek çok sayıda malzeme var. Malzemeler genellikle iki gruba ayrılabilirler: Kristal ve kristalsiz. Malzemelerin eski örnekleri olarak metaller, seramikler ve polimerler verilebilir. Geliştirilmekte olan yeni ve ileri düzeyde malzemeler yarı iletkenler, nano materyaller ve biyomateryalleri içerir.

Malzeme biliminin temeli materyallerin yapısını incelemek ve özellikleriyle ilişkilendirmek oluşturur. Bir malzeme bilimci yapı-özellik ilişkisini öğrendiği anda bir malzemenin belirli bir uygulamadaki göreceli performansını çalışmaya geçebilir. Bir malzemenin önemli yapı belirleyicileri ve dolayısıyla özellikleri onun kimyasal element bileşenleri ve son duruma getirildiği yoldur. Bir araya getirilen ve kinetik ve termodinamik kurallarıyla ilişkilendirilen bu nitelikler malzemenin mikroyapısını ve özelliklerini yönetir.

Yapı

Yukarıda da bahsedildiği gibi yapı malzeme bilimi alanının en önemli unsurlarından biridir. Malzeme bilimi malzemelerin atomik ölçekten makro ölçeğe kadar yapılarını inceler. Nitelendirme malzeme bilimcilerin malzemenin yapısını inceledikleri yoldur. X ışını kırılması, elektronlar ve nötronlar, tayfölçümünün farklı formlar gibi teknikleri ve Raman tayfölçümü, enerji ayıran tayfölçümü (EDS), kromatografi, termal analiz, elektron mikroskop analizi gibi kimyasal analizleri içerir. Yapı aşağıda açıklandığı gibi farklı seviyelerde incelenir.

Atom yapısı

Materyallerin atomlarıyle ve moleküller, kristaller vb vermek için nasıl düzenlendikleriyle ilgilenir. Malzemenin elektrik, manyetik ve kimyasal özelliklerinden çoğu yapının bu seviyesinden doğmuştur. İlgili uzunluk ölçüleri angtstrom (0.1 nm) birimindedir. Atomların be moleküllerin bağ yapma ve dizilme şekli herhangi bir materyalin davranışını ve özelliklerini incelemede esastır.

Nanoyapı

Nanoyapı 1-100 nm aralığındaki yapılarla ve nesnelerle ilgilenir. Birçok materyalde, atomlar ve moleküller nanoölçekte nesneler oluşturmak için bir araya gelirler. Bu birçok ilginç elektrik, manyetik, optik ve mekanik özelliklerin oluşmasına yol açar.

Nanoyapıları tanımlarken nanoölçekteki boyutların sayısı arasında ayrım yapmak gereklidir. Nanodokulu yüzeyler nanoölçekte tek boyuta sahipler, örneğin bir nesnenin yüzey kalınlığı 0.1 ile 100 nm arasındadır. Nanotüpler nano ölçekte iki boyutludur, örneğin tüpün çapı 0.1 ile 100 nm, ki bu uzunluk çok daha fazla olabilir, arasındadır.Son olarak da nanoparçacıklar nanoölçekte üç boyutludur, örneğin parçacık her üç boyutta da 0.1 ile 100 nm arasındadır. Nanoparçacık ve çok küçük parçacık (UFP) terimleri genellikle eş anlamlı kullanılır ancak UFP mikrometre aralığa ulaşabilir. Nanoyapı terimi genelde manyetik teknolojisinden bahsederken kullanılır. Biyolojide nanoölçek yapı genellikle ===ultrastrüktür=== olarak adlandırılır.

Atom ya da molekülleri nanoölçekte bileşen oluşturan materyaller (nanoyapı oluşturan) nanomateryal olarak adlandırılır. Nanomateryaller sahip oldukları eşsiz özellikler dolayısıyla malzeme biliminde yoğun araştırma konusudur.

Mikroyapı

Mikroyapı hazır bir yüzeyin yapısı ya da mikroskopla 25 katın üzerinde büyütülen materyalin ince foyası olarak tanımlanır. 100 nm’den birkaç cm büyüklükteki nesnelerle ilgilenir. Bir malzemenin (metal, polimer, seramik ve kompozit olarak kabaca sınıflanabilir) mikroyapısı güç,dayanıklılık, esneklik, sertlik, yüksek/düşük sıcaklıktaki davranış, aşınma direnci gibi birçok fiziksel özelliği etkileyebilir. Gelenksel malzemelerin (metal ve seramik gibi) çoğu mikroyapıdadır.

Bir malzemenin mükemmel bir kristalinin üretimi fiziksel olarak imkânsızdır. Örneğin bir kristal malzeme tortular, tane sınırı (Hall-Patch ilişkisi), arayer atomları, boşluklar ya da yer değişimli atomlar gibi bazı kusurlar içerecektir. Materyallerin mikroyapısı bu kusurları açığa çıkarır ki üzerinde çalışılabilsin.

Makroyapı

Makroyapı bir materyalin militmetreden metreye kadar olan çıplak gözle görebildiğimiz malzemelerin yapısının görüntüsüdür.

Kristalografi

Kristalografi kristal katılarda atom dizilimini inceleyen bilimdir ve malzeme bilimciler için çok kullanışlı bir araçtır. Tek kristallerde atomların kristal diziliminin etkisi genelde makroskopik olarak görmesi çok kolaydır çünkü kristallerin doğal şekilleri atom yapısını yansıtır. Ayrıca, fiziksel özellikler genellikle kristal kusurlar tarafından kontrol edilir. Kristal yapıları anlamak kristalografik kusurları anlamak için önemli bir önkoşuldur. Çoğunlukla, materyaller tek bir kristal halinde değil çoklu kristal yapıda (farklı yönelimlerdeki küçük kristal toplamında olduğu gibi) oluşurlar. Bu nedenden dolayı, çok sayıda kristalle çoklu kristal örneklerinin kırılma örüntülerini kullanan toz kırınımı yöntemi yapısal belirlemede önemli bir rol oynar. Çoğu malzemeler kristal yapıya sahip. Ancak bazı düzenli kristal yapı göstermeyen önemli malzemeler var. Polimerler farklı ölçülerde kristallik gösterir be birçoğu tamamen kristalsizdir. Cam, bazı seramikler ve birçok doğal materyaller biçimsizdir yani atom dizilimlerinde uzun mesafeli sıralamalara sahip değiller. Polimerlerin çalışılması kimyasal elementleri ve mekanik, fiziksel özelliklerin tanımları ve termodinamik vermek için istatistiksel termodinamikleri birleştirir.

Bağlanma

Malzeme yapısını ve özellikleriyle bağlantısını tam olarak anlamak için malzeme bilimcilerin atomların, iyonların ve moleküllerin nasıl farklı dizildiklerini ve birbirlerine nasıl bağlandıklarını çalışmaları gerekir. Bu kuantum kimyası ya da kuantum fiziğinin çalışması ya da kullanımını içerir. Katı hal fiziği, katı hal kimyası ve fiziksel kimya da ayrıca bağlanma ve yapı çalışmalarında yer alır.

Özellikler

Materyaller çok sayıda özellikler gösterir. Önemli özellikler şunlardır:

  • Mekanik özellikleri
  • Kimyasal özellikler
  • Elektrik özellikleri
  • Termal özellikler
  • Optik özellikler
  • Manyetik özellikler

Bir materyalin özellikleri o maddenin kullanılabilirliğini ve dolayısıyla da teknik uygulamsını belirler.

Sentez ve işleme

Sentez ve işleme materyalin istenilen mikro/nanoyapıyla oluşturulmasını içerir. Teknik bir açıdan bakıldığında, bir malzeme eğer hiç ekonomik üretim metodu geliştirilmemişse endüstride kullanılamaz. Bu nedenle materyallerin işlenmesi malzeme bilimi alanında çok önemlidir.

Farklı malzemeler farklı işleme/sentez teknikleri gerektirir. Örneğin metalin işlenmesi tarih boyunca çok önemli olmuştur ve fiziksel metalurji diye bilinen malzeme biliminin bir dalı altında çalışılır. Ayrıca kimyasal ve fiziksel teknikler polimer, seramik ve ince filmler gibi materyallerin sentezlenmesinde kullanılır. Son zamanlarda grafen gibi nanomateryaller in sentezlenmesi için yeni teknikler geliştiriliyor.

Termodinamik

Termodinamik ısı, sıcaklık ve bunların enerji ve isle olan ilişkileriyle ilgilenir. İç enerji, entropi ve radyasyon ya da maddenin kütlesini kısmen tanımlayan baskı gibi makroskopik değişkenleri belirler. Bu değişkenlerin davranışı sadece belirli malzemelere has özelliklere değil bütün malzemelerde yaygın olan genel sabitlere bağlı olduğunu öne sürer. Bu genel sabitler termodinamiğin dört kuralında açıklanmıştır. Termodinamik moleküller gibi çok büyük sayıdaki mikroskopik sabitlerin mikroskopik davranışlarını değil kütlenin bütün olarak davranışını tanımlar. Mikroskopik parçacıkların bu davranışı istatistiksel mekanik tarafından tanımlanır ve termodinamiğin kuralları da istatistiksel mekanikten gelir.

Termodinamik çalışmaları malzeme bilimi için temeldir. Kimyasal tepkimeler, manyetizma, kutuplaşabilirlik ve esnekliği içeren malzeme bilimi ve mühendisliğindeki genel fenomene işlemek için altyapı hazırlar. Ayrıca faz diyagramları ve faz dengesinin anlaşılmasına da yardım eder.

Kinetik

Kinetik bilimi çeşitli güçlerin etkisi altında denge değişikliği dışında kalan sistemlerin oran çalışmasıdır. Malzeme bilimine uygulandığında, uygulanan belirli alana göre bir materyalin zamanla nasıl değiştiğiyle (dengesiz durumdan denge durumuna) ilgilenir. Materyallerde şekil, boyut, bileşim ve yapı gibi değişen çeşitli işlemlerin oranını detaylı olarak anlatır. Difüzyon materyallerin en yaygın olarak değişime uğradığı mekanizma olduğu için kinetik bilimin en önemli çalışma alanıdır.

Kinetik bilimi materyallerin işlenmesine temeldir çünkü diğerlerine göre ısı uygulanmasıyla mikroyapının nasıl değiştiğini detaylı olarak açıklar.

Araştırmada malzemeler

Malzeme bilimi ataştırmacılardan çok fazla dikkat topladı. Çoğu üniversitede fizikten kimyaya, kimya mühendisliğine kadar, malzeme bilimi bölümüne ek olarak, birçok bölüm malzeme araştırmalarında yer aldı. Malzeme bilimde araştırma hareketlidir ve birçok farklı yoldan oluşur. Aşağıdaki liste çok geniş kapsamlı değil sadece önemli belirli araştırma alanlarını vurgulamak içindir.

Nanomalzemeler

Nanomalzemeler temelde 1-1000 nanometre ama genelde 1-100 nm boyutlarında (en azından tek bir boyutta) tek bir ünitenin malzemeleri olarak tanımlanır.

Nanomalzeme araştırması metroloji ve mikrofabrikasyon araştırması desteğiyle geliştiren sentezin gelişimini güçlendiren nanoteknolojiye malzeme bilimine dayalı bir yaklaşım ele alır. Nanobüyüklükteki yapıda malzemeler genellikle eşsiz optik, elektronik ve mekanik özelliklere sahiptir.

Nanomalzeme alanı geleneksel kimya alanı gibi genel hatlarıyla fulerinler gibi organik nanomalzemeler ve silikon gibi diğer elemtlere dayalı inorganik malzemeler etrafında düzenlenmiştir. Nanomalzemelerin örnekleri olarak fulerinler, karbon nanotüpler, nanokristaller ve benzerleri verilebilir.

Biyomalzemeler

Bir biyomalzeme biyolojik sistemlerle etkileşime geçen herhangi bir madde, yüzey ya da yapı olabilir. Bir bilim olarak, biyomalzeme yaklaşık 50 yaşında. Biyomalzeme çalışmaları biyomalzeme bilimi olarak adlandırılır. Tarih boyunca birçok şirketin yeni ürünlerin gelişimine yüksek miktarlarda paralar harcamasıyla birlikte güçlü ve istikrarlı bir büyüme gösterdi. Biyomalzeme bilimi tıp, biyoloji, kimya, doku mühendisliği ve malzeme biliminin öğelerini kapsar.

Biyomalzeme doğadan elde edilebilir ya da metal bişenler, polimerler, seramikler ya da bileşik maddeler kullanan bir çeşit kimyasal yaklaşımlarla labarotuvarda sentezlenebilir. Genelde tıbbi uygulama için kullanılırlar ve dolayısıyla yaşayan bir yapının bir kısmı ya da tamamını ya da işleyen, arttıran veya doğal bir fonksiyonun yerine geçebilen biyomedikal ve araç içerir. Böyle fonksiyonlar kalp kapakçığı olarak kullanılma gibi iyi huylu ya da hidroksiapatit kaplı kalça implantları gibi daha etkileşimli bir işlevsellikle biyoaktif olabilir. Biyomalzemeler diş tedavilerinle, ameliyatlarda ve ilaç tesliminde her gün kullanılır. Örneğin, farmosötik ürünlerle doldurulmuş bir yapı vücuda yerleştirilebilir ve uzun bir süre boyunca sürekli ilaç salınımı sağlar. Bir biyomalzeme aynı zamanda otograft, alograft ya da transplant malzemesi olarak kullanılan ksenogreft de olabilir.

Elektronik, optik ve manyetik malzemeler

Yarıiletkenler, metaller ve seramik günümüzde tümleşik elektrik devreleri, optoelektronik cihazlar ve manyetik ve yığın depolama medyası gibi çok karmaşık sistemler oluşturmak için kullanılır. Bu malzemeler bugünkü modern programlama dünyamızı oluşturuyor ve dolayısıyla bu malzemelerin araştırılması büyük önem taşıyor.

Yarıiletkenler bu tür malzemelerin tipik bir örneğidir. İletkenler ile yalıtkanlar arasında özellikler gösteren malzemelerdir. Elektrik iletkenlikleri katışkı derişimlerine karşı çok hassastır ve bu istenilen elektronik özellikleri elde etmek için katkılama kullanımına izin verir. Dolayısıyla, yarıiletkenler geleneksel bilgisayarın temelini oluşturur.

Bu alan aynı zamanda üstüniletken malzemeler, dönüş elektroniği, metamalzeme gibi araştırma alanlarını da kapsar. Bu malzemelerin çalışılması malzeme bilimi ve katı hal fiziği ya da yoğun madde fiziğini de içerir.

Sayısal malzeme bilimi ve teorisi

Programlama gücünün artmasıyla birlikte, malzemelerin davranışlarının taklidini yapmak mümkün hale geldi. Bu malzeme bilimcilere yeni malzemeler tasarlamanın yanı sıra malzemelerin daha önceden bilinmeyen özelliklerini keşfetmelerini sağladı. Şu ana kadar yeni malzemeler zaman alıcı deneme yanılma yöntemiyle bulunuyordu. Ama şimdi sayısal tekniklerin bu zamanı önemli ölçüde azaltacağı ve bize malzeme özellikleri uyarlamayı sağlayacağı umuluyor. Bu bütün uzunluklardaki malzemeleri taklit etme, yoğunluk fonksiyonları teorisi ve moleküler dinamik gibi metodları kullanmayı da içerir.

Endüstride malzemeler

Büyük malzeme gelişmeleri yeni ürünlerin ve hatta yeni endüstrilerin oluşmasına yol açabilir ancak durağan endüstriler de artımsal geliştirmeler ve kullanımda olan malzemelerle olan sorunları gidermek için malzeme bilimcileri çalıştırır. Malzeme biliminin endüstriyel uygulamaları malzeme tasarımı, malzemelerin sanayi üretimindeki maliyet-kazanç dengesi, işleme teknikleri (döküm, haddeleme, kaynak, iyon katkılama, kristal büyütme, ince zar bırakım, sinterleme, cam üfleme vb.) ve elektron mikroskopi, X ışını kırılması, ısı ölçüm, nükleer mikroskopi, Rutherford geri saçılımı, nötron kırılması, küçük açılı X ışını dağılması gibi analitik teknikleri içerir. Malzeme karakterizasyonunun yanı sıra, malzeme bilimci/mühendisi aynı zamanda malzemenin çıkarılması ve kullanışlı bir hale dönüştürülmesiyle de ilgilenir. Yani külçe dökümü, döküm teknikleri, yüksek fırın çıkarımı ve elektrolitik çıkarım bir malzeme mühendisinin bilgi sahibi olmasa gereken konular. Genellikle, kaba malzemenin bileşenleri ya da ikincil elementlerin küçük miktarlarının varlığı, yokluğu ya da çeşitliliğinin üretilen malzemenin son özelliklerinde büyük etkisi olacaktır. Örneğin çelikler içerdikleri karbon ve diğer alaşım elementlerinin 1/10 ve 1/100 ağırlık yüzdelerine dayanarak sınıflandırılır. Dolayısıyla yüksek fırındaki demirin çıkarılmasında kullanılan çıkarım ve saflaştırma teknikleri üretilebilecek olan çeliğin kalitesinde önemli etkiye sahip olacak.

Seramikler ve camlar

Malzeme biliminin bir diğer uygulaması da en kırılgan malzemeler olarak bilinen cam ve seramiğin yapılarıdır. Cam ve sermiklerdeki bağlanma kovalent ve SiO2 ile temel inşa taşı olarak iyonik-kovalent bağ türleridir. Seramikler kil kadar yumuşak, taş ve beton kadar serttir. Genellikle kristal yapıdadırlar. Çoğu camlar silikayla oksitlenmiş metal içerir. Camı hazırlamak için kullanılan yüksek sıcaklıklarda malzeme akışmaz sıvı haldedir. Camın yapısı soğutmayla şekilsiz hale dönüşür. Pencere ve gözlük camları bunun önemli örnekleridir. Fibergals da mevcuttur. Çizik dirençli Gorilla Cam yaygın bileşenlerin özelliklerini geliştirmek için malzeme bilimi uygulamasının iyi bilinen bir örneğidir. Elmas ve grafit formundaki karbon seramik olarak ele alınır.

Mühendislik seramikleri sertlikleri ve yüksek sıcaklık, baskı ve elektriksel gerilim altındaki sağlamlıklarıyla bilinir. Alümin, silikon karbür ve tungsten karbür bir bağlayıcıyla sinterleme işlemindeyki bileşenlerinin ince tozlarından yapılır. Sıcak presleme daha yüksek yoğunlukta malzeme elde edilmesini sağlar. Kimyasal buhar çökeltme bir seramiğin zarını bir diğer malzemeye yerleştirebilir. Sermetler bazı metaller içeren seramik parçacıklarıdır. Araçların alınma direnci özellikleri tamamlamak için eklenen nikel ve kobaltın metal haliyle sinterlenmiş karbürden gelir.

Bileşik malzemeler

İpçikler genellikle bileşik malzemelerde sağlamlaştırma için kullanılır.

Malzeme biliminin endüstriye bir diğer uygulaması da bileşik malzeme yapımıdır. Bileşik malzemeler iki ya da daha fazla makroskopik evreden oluşan yapılaşmış malzemelerdir. Uygulamalar çelik takviyeli beton gibi yapısal elementlerden NASA’nın mekiğin yüzeyinin Dünya’nın atmosferine tekrar girişindeki ısıdan korumak için kullandığı Uzak Mekiği termal koruma sisteminde anahtar ve bütünleyici bir rol oynayan ısı yalıtımlı seramiklere kadar uzanır. Bir örneği de 1510 °C (2750 °F) sıcaklıktaki atmosfere dönüş sıcaklığına karşı koyan ve Uzak Mekiğinin kanat giriş kenarları ve burun kapağını koruyan açık gri malzeme, destekli karbon-karbon (RCC)’dur. RCC grafit ipek kumaştan yapılmış ve fenolik reçineye doyurulmuş bir laminat bileşik malzemedir. Bir otoklavda yüksek sıcaklıkta kürlendikten sonra, laminat reçineyi karbona dönüştürmek için bir vakum hücresinde furfural alkole doyurulup prolizlenir ve furfural alkolü karbona dönüştürmek için kürlenir. Tekrar kullanıma oksitlenme direnci sağlamak için, RCC dış katmanları silikon karbüre dönüştürülür.

Diğer örnekleri televizyon setlerinin plastik kasalarında, cep telefonlarında ve bu gibi yerlerde görülebilir. Bu plastik kasalar genellikle kalsiyum karbonat kalker, talk, cam lifi ya da karbon liflerin güç, hacim ya da elektriksel dağılma için eklendiği akrilonitril butadiyen stiren (ABD) gibi termoplastik matrislerden oluşan bileşik bir malzemedir. Bu eklemeler amaçlarına dayalı olarak tamamlayıcı lifler ya da dağıtıcılar olarak nitelenebilir.

Polimerler

Polimerler de malzeme biliminin önemli bir parçasıdır. Polimerler yaygın olarak plastik diye adlandırdığımız malzemelerin ham maddesidir. Plastikler aslında işlem sırasında bir ya da daha fazla polimer veya katkı daha sonra en son haline bürünecek olan reçineye eklendikten sonra oluşan son ürünlerdir. Uzun zamandır var olan ve günümüzde yaygın kullanımda olan polimerler polietilen, polipropilen, PVC, polisitren, naylon, polyester, akrilik, poliüretanlar ve polikarbonatları içerir. Plastikler genellikle ticari eşya, özel ürün ve mühendislik plastikleri olarak sınıflandırılır.

PVC yaygın olarak kullanılır, pahalı değildir ve yıllık üretim miktarı fazladır. Yapay deriden elektriksel yalıtıma ve kablolamaya, ambalajlar ve konteynırlara kadar birçok uygulama dizisine elverişlidir. Fabrikasyonu ve işlenmesi basit ve iyi yapılandırılmıştır. PVC’nin çok yönlülüğü kabul ettiği geniş ölçüdeki akışkanlaştırıcı ve diğer katkı maddelerinden kaynaklanır. Polimer bilimindeki katkı ifadesi malzeme özelliklerini düzeltmek için polimer baza eklenen kimyasallara ve bileşenlere karşılık gelir.

Polikarbonatın normalde mühendislik plastiği olarak ele alınması gerekirdi. Mühendislik plastikleri üstün dayanıklılıklarına ve diğer özel malzeme özelliklerine göre değerlendirilir. Genellikle ticari eşya plastiklerinin aksine tek seferlik uygulamalarda kullanılmazlar. Özel ürün plastikleri çok yüksek dayanıklılık, elektriksel iletkenlik, elektrikli florışıklık, yüksek termal stabilite gibi eşsiz özellikleri olan malzemelerdir.

Plastiklerin çeşitleri arasındaki ayrım çizgisi malzemeye değil de özelliklerine ve uygulamalara dayalıdır. Örneğin polietilen (PE) kullan-at alışveriş torbaları ve çöp poşetleri yapmak için kullanılan ucuz, az sürtünmeli polimerdir ve ticari ürün plastiği olarak ele alınır. Öte yandan orta yoğunluktaki polietilen (MDPE) yer altı gaz ve su boruları için kullanılır ve çok yüksek mol kütleli polietilen olarak adlandırılan bir diğer çeşit de kalça eklemi implantlarında az sürtünmeli mil yuvası veya sanayi ekipmanları için kızak yayları olarak kullanılan mühendislik plastiğidir.

Metal alaşımlar

Metal alaşımların çalışması malzeme biliminin önemli bir parçasıdır. Bugün kullanımda olan bütün metal alaşımlar içinde demir alaşımları (çelik, paslanmaz çelik, dökme demir, takım çeliği, alaşımlı çelikler) sayı ve ticari değer bakımından en geniş kısmı oluşturur. Karbonun çeşitli oranlarıyla alaşım yapan demir düşük, orta ve yüksek karbon çelikleri oluşturur. Bir demir-karbon alaşımı sadece karbon seviyesi 0.01% ve 0.02% arasında ise çelik olarak kabul edilir. Çelikler için sertlik ve çeliğin gerilme direnci artan karbon seviyesi düşük esneklik ve sertliğe neden olduğundan mevcut karbon miktarıyla alakalıdır. Fakat su verme ve temperleme gibi ısıl işlemler bu özellikleri değiştirebilir. Dökme demir %2.00’den fazla ama %6.67’den az karbonla demir-karbon alaşımı olarak tanımlanır. Paslanmaz çelik ağırlığı %10’dan fazla krom alaşımıyla sıradan çelik alaşımı olarak tanımlanır. Nikel ve molibden de paslanmaz çeliklerde bulunabilir.

Diğer önemli metal alaşımlarından bazıları alüminyum, titanyum, bakır ve magnezyumdur. Bakır alaşımları diğer üçü son zamanlarda geliştirilmişken uzun zamandan beri (Bakır Çağı) bilinir. BU metallerin kimyasal reaktifliğinden dolayı gereken elektrolitik özütleme işlemi daha yakın dönemde genleştirilebilmiştir. Alüminyum, titanyum ve magnezyum alaşımları da yüksek dayanç-ağırlık oranlarıyla, magnezyum içinse ayrıca elektrikli mıknatıssal kalkanlama sağlama özelliğiyle, bilinir ve değerlendirilirler. Bu malzemeler uzay havacılığı sanayisinde ve bazı otomotiv mühendisliği uygulamalarında olduğu gibi yüksek dayanç-ağırlık oranlarının ambalajsız maliyetten daha önemli olduğu durumlar için idealdir.

Metalurji ve malzeme mühendisliği

Metalurji ve malzeme mühendisliği günümüzde kimya, makine, inşaat, uzay-uçak, elektrik-elektronik, çevre ve tıp alanlarına yayılmış çok disiplinli bir bilim ve teknoloji dalı olarak gelişmesini sürdürmekte ve verimlilik, enerji ve hammadde üçlüsü ile uyum içinde olan üretim süreçlerinin sektöre kazandırılmasında önemli rol oynamaktadır. Son yıllarda metalurji ve malzeme mühendisliğindeki gelişmeler, genel olarak metalurjik proseslerin optimizasyonu, nümerik simülasyon ve modelleme üzerine yoğunlaşırken, çevresel metalurji uygulamalarında da, çevre kirliliğine yol açmayacak nitelikte atılabilir atık üretmek, de-metalize edilmiş (metal iyonlarından arındırılmış) çözeltiyi kullanılabilir su halinde sisteme geri döndürme şeklinde atık su de-metalizasyonu, ikincil kaynakların yeniden değerlendirilmesine yönelik reaktör ve proseslerin tasarımı (ve geliştirilmesi) gibi konular önde gelmektedir.

Enerji yoğun işletmelerin başında yer alan elektro-metalürji uygulamalarında ise, sonlu elemanlar yöntemiyle hücre dizaynlarında yapılan iyileştirmeler, kullanılan elektrot malzemelerinin yeniden tasarımı ve geliştirilmesi gibi konular önem kazanmaktadır. Yüksek kaliteye ve üstün özelliklere sahip karmaşık şekilli parçaların, toz metalürjisi yöntemleriyle istenilen toleranslarda ve minimum kayıpla ekonomik olarak imalinde önemli rol oynayan, nano boyutta toz ve toz karışımlarının hidro- ve/veya elektro-metalurjik yöntemlerle üretiminin yanı sıra, soy metaller metalurjisi içinde yer alan ve insan sağlığına zarar vermeyen altın ve altın alaşımlarının geliştirilmesi ve üretimleri de günümüz metalürji bilimi gündeminin ilk sıralarında karşımıza çıkmaktadır.

İnsanlık tarihini taş devrinden tunç devrine, oradan da demir devrine ulaştıran Metalurji "sanat"ı, bugün temel bilimlere dayalı ve çağdaş medeniyetin kuruluş ve gelişmesine büyük katkıları olan Metalurji ve malzeme mühendisliği mesleği adı altında bilimsel ve teknolojik bakımdan geniş bir alanı kapsar hale gelmiştir.

Tarihi açıdan metal, önceleri doğal halinde kullanılmış ve bu da nabit metallerin şekillendirilmesiyle mümkün olmuştur. İlk kullanılan nabit metaller, bakır ve altındır. Metalurjinin tarihi ile Anadolu medeniyetlerinin tarihsel gelişimi neredeyse özdeştir. Arkeolojik bulgular, bakır üretiminin ilk kez Anadolu ve İran topraklarında başladığını göstermektedir. Bakırı işlemek suretiyle, mızraklar ve çeşitli silahlar yapan insanoğlu daha sonraki yıllarda bakır ve kalayı karıştırarak bakırdan daha sert bir alaşım elde etmiştir. Anadolu'da kalay bulunmadığı için Hititler, bakır ile arseniği alaşımlandırmak suretiyle yeni bir alaşım bulmuşlar ve bu gelişmeler de tunç çağının başlangıcına yol açmıştır. Aynı şekilde ilk demir üretimi de MÖ 1500 yıllarında yine Anadolu'da gerçekleşmiştir.

Dünya'da metalurji ve malzeme mühendisliği

Türkiye'de yaygın olarak kullanılan malzeme ve metalürji bölümlerinin ismi birçok ülkede MALZEME BİLİMİ ve MÜHENDİSLİĞİ olarak değiştirilmiştir. Özellikle Amerika Birleşik Devletleri'nde bu isim altında bir bölüm yoktur. Önceleri metalurji mühendisliği adı altında kurulan bölümler zamanla metalurji ve malzeme (Türkiye'de hâlen kullanılan) daha sonra malzeme ve metalurji (Birleşik Krallık) ve son olarak da malzeme bilimi ve mühendisliği (Amerika Birleşik Devletleri) bölümleri olarak isim değişikliğine gitmişlerdir. Malzeme adı alt dallarından olan metalürjiyi kapsamasına rağmen ağırlıklı eğitimi göstermek adına metalurji ismi Türkiye'de hâlen kullanılmaktadır.

Türkiye'de metalürji ve malzeme mühendisliği

Türkiye'de metalurji ve malzeme mühendisliği eğitimi metalurji mühendisliği adı altında İTÜ'de Maden Fakültesi'nde başlamıştır. Maden Fakültesi'nde 1957 yılında Üretim Metalurjisi ve Fiziksel Metalurji kürsüleri kurulmuş ve eğitimini ABD MIT'de tamamlamış olan Doç.Dr. Recep Safoğlu'nun fakülte bünyesine katılması ile Metalurji eğitimi başlatılmıştır.[1] 1961-62 akademik yılında Maden Fakültesi bünyesindeki bu iki kürsü "Metalurji Bölümü" olarak organize edilmiş ve ilk Metalurji Mühendisliği eğitimi başlatılmıştır. O yıllarda 3. sınıfa geçmiş öğrencilerden bu bölüme ayrılanlar eğitimlerinin son iki yılını bu bölümde tamamlayarak 1963-64 yılında Metalurji Mühendisi olarak mezun olmuşlardır. 2012 yılı itibarı ile 25 Türk üniversitesinde bu bölüm adı altında yer alırken 5 üniversitemizde ise Malzeme Bilimi ve Mühendisliği bölümü adı altında eğitim ve araştırma çalışmalarını sürdürmektedir..[2] Metalurji ve Malzeme Mühendislerinin yasal meslek örgütü Metalurji Mühendisleri Odası'dır.[3]

Öğretim programı

Metalurji ve malzeme mühendisliği programında eğitim süresi 4 yıldır. Programda mühendisliğin diğer bütün dallarında olduğu gibi, fizik, kimya ve matematikle yakından ilişkili dersler vardır. Öğretimin birinci yılında temel bilimlere ilişkin dersler okutulurken ilerleyen yıllarda demir-çelik ve demir dışı metallerin üretimi, toz metalurjisi, tahribatsız malzeme muayeneleri, ısıl işlemler, alaşımlar gibi alana özgü konular, kuramsal ve uygulamalı olarak verilir. Ayrıca yaz stajı da zorunludur.

Metalurji ve malzeme mühendisliği programında eğitim görmek isteyenlerin özellikle analitik düşünme ve tasarım yeteneklerine sahip olması, kimya, fizik, matematik ve yerbilimlerine ilgili ve bu alanlarda iyi yetişmiş olmaları gerekir.

Alınan unvan ve yapılan işler

Bu programı bitirenler "Metalurji ve Malzeme Mühendisi veya Malzeme Bilimi ve Mühendisi" unvanını alırlar. Metalurji ve malzeme mühendisleri (veya malzeme bilimi ve mühendisleri), herhangi bir malzemenin üretimi için gerekli planları yapar ve uygulanmasını denetlerler. Ayrıca, mühendislik tasarım grubunun üyesi olarak, malzeme seçme, önerme ve kullanımının denetimi gibi görevlerinin yanı sıra özel amaçlara yönelik malzemeler tasarlarlar.

Metalurji ve malzeme mühendisleri (veya malzeme bilimi ve mühendisleri), aşağıda belirtilen sanayi dallarında faaliyet gösteren kamu veya özel sektör kuruluşlarında çalışabilecekleri gibi kendi işlerini kurma imkânına da sahiptirler.

  • Metal sanayi (Demir-çelik, demir-dışı metal üretim ve Döküm sanayi)
  • Seramik sanayi (İleri teknoloji seramikleri, geleneksel seramikler ve cam)
  • Polimer sanayi
  • Yarı-iletken sanayi
  • Kaplama Sanayi
  • Savunma sanayi
  • Makine imalat sanayi
  • Otomotiv ve otomotiv yan sanayi
  • Uçak ve gemi imalat sanayi
  • Kaynak malzemeleri üretimi sanayi
  • Metal şekillendirme ve işleme sanayi
  • Yüzey işlemleri ve kaplama sanayi
  • Elektrik-elektronik malzeme üretimi
  • Manyetik malzeme üretimi
  • Biomedikal malzeme üretimi
  • Kalite kontrol ve gözetim şirketleri
  • Tahribatsız muayene

Metalürji (metal bilimi)'nin malzeme bilimi ve mühendisliğiyle ilgisi

Türkiye'de var olan çoğu metalurji (metal bilimi) mühendislikleri zamanla bilimsel ve teknolojik gelişmelere ayak uydurarak, disiplinleri genişletip Malzeme Bilimi ile entegre hale getirmişlerdir. Aynı zamanda bazı seramik mühendislikleri ise ya Metalurji Mühendisliği bölümleriyle birleştirme yoluyla ya da doğrudan Malzeme Bilimi ve Mühendisliğine çevrilmiştir. Metalurji Bilimi, Malzeme Bilimi'nin alt dalıdır. Yeni açılan bölümlerde Malzeme Bilimi ve Mühendisliği diye geçmektedir. Ancak üniversitelerin programları farklılık gösterebilir yani Malzeme Bilimi'nin farklı alanlarına ağırlık verebilir; örneğin, metalürji, seramik, nanoteknoloji, biyomühendislik gibi..

Diğer alanlarla ilişkiler

Malzeme bilimi 1960’lı yıllardan başlayarak gelişti çünkü farkına varıldı ki yeni malzemeler yaratmak, keşfetmek ve tasarlamak için birleşik biçimde yaklaşılması gerekir.Böylece malzeme bilimi ve mühendisliği metalurji, katı hal fiziği, kimya, kimya mühendisliği,makine mühendisliği ve elektrik mühendisliği gibi çeşitli alanların kesişiminde ortaya çıktı.

Bu alan doğal olarak bilimler arası bir brans ve malzeme bilimciler/mühendisleri fizikçilerin, kimyagerlerin ve mühendislerin yöntemlerinin farkında olmalı ve faydalanmalı. Dolayısıyla bu alan diğerleriyle yakın bir ilişki sürdürür. Ayrıca birçok fizikçi, kimyager ve mühendis kendilerini malzeme biliminde çalışırken bulurlar.

Fizik ve malzeme bilimindeki bu örtüşme malzemelerin fiziksel özellikleriyle ilgilenen malzeme fiziği yan dalının oluşmasına yol açtı. Bu yaklaşım genel olarak daha makroskopik ve yoğun madde fiziğinden daha çok uygulanır.

Malzeme bilimi ve mühendisliği alanı mühendislik açısından olduğu kadar bilimsel açıdan da öneme sahip. Yeni malzemeler keşfederken daha önce gözlemlenmemiş bir fenomenle karşılaşılabilir. Dolayısıyla malzemelerle çalışırken keşfedilecek birçok bilimsel olgu var. Malzeme bilimi ayrıca yoğun madde fiziği teorileri için test imkânı sağlar.

Bir mühendis için malzeme büyük önem taşır. Uygun malzemenin kullanımı sistem tasarlarken çok önemlidir ve bu yüzden mühendisler daima malzemelerle ilgilenir. Dolayısıyla malzeme bilimi mühendislik eğitiminde giderek önemli hale geliyor.

Ayrıca bakınız

Kaynakça
  1. "Arşivlenmiş kopya". 5 Ekim 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Temmuz 2018.
  2. "Arşivlenmiş kopya". 28 Temmuz 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 6 Şubat 2021.
  3. "Arşivlenmiş kopya". 17 Haziran 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Temmuz 2018.

Dış bağlantılar
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.