Матеріалозна́вство () — міждисциплінарна галузь науки, що вивчає залежність між складом, структурою та властивостями матеріалів у взаємозв'язку з технологією їхнього отримання та перероблення, умовами експлуатації та вартістю, і яка спрямована на створення нових матеріалів, що задовольняли б потреби людини.
Завдання, які вирішуються сучасним матеріалознавством, значною мірою обумовлюють розвиток енергетики, електроніки, інформаційних та нанотехнологій, хімічної, аерокосмічної та інших галузей промисловості, транспорту, медицини, біомедичної інженерії та охорони здоров'я.
Хоча вивчати корисні властивості матеріалів люди почали здавна, але як науку матеріалознавство сформовано в середині XX століття, коли вже було завершено створення власного базису фізики, хімії та механіки, а також визначено поняття «структура матеріалу» в широкому діапазоні — від атомарного (завдяки відкриттю дифракції рентґенівського випромінювання й електронної мікроскопії) до макроскопічного. Нині матеріалознавство відносять до категорії меганаук, тобто до широкого напряму діяльності людей, що визначає стійкий та безперервний прогрес цивілізації.
Основні поняття Під загальним терміном «матеріали» в матеріалознавстві зазвичай мають на увазі прості або складні речовини, їх суміші, гетерогенні композиції, що мають певний хімічний і фазовий склад, структуру та сукупність корисних властивостей. Матеріалом також називають продукт усвідомленого технологічного оброблення природної або синтетичної сировини з метою досягнення заданого комплексу властивостей та експлуатаційних характеристик у відповідних умовах. Переважно це тверді та рідкі конденсовані фази.
Технологія отримання матеріалу — вміння цілеспрямовано створювати матеріальні об'єкти з наперед заданими хімічним і фазовим складом, розмірами, структурою та властивостями. Без цього не можливе існування виробництва. Ті чи інші матеріали в людському житті потрібні повсюдно, їх вибирають усвідомлено, на основі знань для: будівництва й експлуатації житла, воєнних цілей, створення предметів побуту, для вирощування, оброблення й зберігання врожаю, створення засобів виробництва, транспортування та комунікацій, дослідження природи, а також створення нових матеріалів.
Історична довідка
Ранні етапи розвитку цивілізації отримали назви, пов'язані з видом матеріалу, що найбільше використовувався людиною (кам'яна, бронзова, залізна доба).
Камінь як матеріал для виготовлення найпростіших знарядь праці та зброї почали використовувати понад 300 тис. років тому, виробництво керамічних матеріалів (виробів з випаленої глини) виникло близько 30 тис. років тому. До періоду неоліту належать перші спроби обробки (у 8-тисячолітті до н. е. було освоєне декоративне кування та карбування самородної міді) та плавки металів (приблизно у 5-му тисячолітті до н. е. навчились виплавляти мідь з малахіту та азуриту й виливати предмети різноманітної форми, у 35 столітті до н. е. почали виплавляти залізо, придатне до використання з декоративною метою). Приблизно у 3-му тисячолітті до н. е. увійшов у вжиток перший відомий металевий сплав — бронза. У 9–7 ст. до н. е. винайдено спосіб виробництва сталі і приблизно у 3 ст. до н. е. розроблена технологія розливання сталі у виливниці, що поклало початок сучасної металургії.
Другий після кераміки неметалевий матеріал — скло отримано приблизно у 4-му тисячолітті до н. е., склодувне виробництво виникло у 1-му ст. до н. е. В античний період та у середні віки розвиток матеріалознавства зводився в основному до створення конструкційних та будівельних матеріалів. У цей період розвивається також виробництво порцеляни, природних барвників, природних клеїв, кришталю тощо.
Важливий прорив у становленні наукових основ матеріалознавства зробили: відкриття Д. Менделєєвим періодичного закону, на основі якого стало можливим зв'язати властивості простих і складних речовин з характеристиками атомів, що їх утворюють; викладення Дж. Гіббзом загальної теорії термодинамічної рівноваги і методу термодинамічних потенціалів, що дозволило визначати напрям перебігу хімічних реакцій та умови рівноваги для сумішей будь-якої складності; розроблення у 1913 році Н. Бором першої квантової теорії атома, яка дозволила зрозуміти фізичну природу періодичності властивостей хімічних елементів та їх сполук.
Суттєвому прогресу матеріалознавства сприяв розвиток методів дослідження та характеризування матеріалів.
Основними методами дослідження складу та будови об'ємних матеріалів стали рентгенівські дифракційні методи (рентгенографія матеріалів), методи термічного аналізу і калориметрія, хімічні методи аналізу і хроматографія. Для дослідження поверхонь матеріалів і нанорозмірних об'єктів використовують спектроскопічні методи (фотоелектронну спектроскопію, оже-спектроскопію, комбінаційне розсіяння світла тощо), сканувальну та просвітлювальну електронну мікроскопію, мікрозондовий аналіз, мас-спектроскопію вторинних іонів.
Для контролю технологічних властивостей використовуються методи випробувань матеріалів.
Предмет, мета, завдання та базисні дисципліни матеріалознавства Предметом матеріалознавства є встановлення закономірностей взаємозв'язків у системі «склад — структура (електронна, атомна, нано-, мезо-, мікро-, макро-) — технологія отримання та переробки — функціональні (механічні, термічні, електричні, магнітні, оптичні та ін.) властивості» матеріалу, а також цілеспрямоване удосконалення властивостей уже відомих та створення нових матеріалів із заданими властивостями.
Мета дисципліни — пізнання властивостей матеріалів в залежності від складу і виду обробки, методів їх зміцнення для найефективнішого використання в техніці, а також створення матеріалів з наперед заданими властивостями: з високою міцністю чи пластичністю, з доброю електропровідністю, великим електричним опором або спеціальними магнітними властивостями, а також, поєднання різних властивостей в одному матеріалі (композиційні матеріали).
Головним завданням цієї дисципліни є набуття знань та навичок по оцінюванню властивостей матеріалів, раціональному і доцільному вибору їх для конкретних умов роботи, вміння застосовувати ефективні технологічні методи обробки та зміцнення, які б привели до здешевлення виробів, зниження матеріаломісткості з одночасним збільшенням терміну експлуатації.
Основоположною рисою сучасного матеріалознавства є його міждисциплінарність, бо завдання, що стоять перед ним, не можуть бути вирішені в рамках однієї наукової дисципліни. Фундаментом сучасного матеріалознавства є такі розділи фізики, хімії та біології: статистична фізика, термодинаміка і термокінетика (основні об'єкти розгляду — діаграми стану, твердофазові перетворення, стабільність матеріалів при експлуатації); фізика твердого тіла і квантова механіка (електричні, теплові, магнітні, хімічні, структурні та оптичні властивості матеріалів, дифракційні методи дослідження матеріалів); механіка (взаємозв'язок мікроструктури і механічної поведінки матеріалів, реологія, трибологія, поведінка потоків рідин та ансамблів частинок); хімія твердого тіла (теорія хімічного зв'язку, кристалічна структура, точкові та протяжні дефекти, склад матеріалів, методи їх синтезу); колоїдна хімія і хімія полімерів (полімери і пластмаси, рідкі кристали та колоїдні розчини, нанооб'єкти); інтеграція матеріалів у біологічні системи та їх використання у медицині.
Світова тенденція розвитку матеріалів спрямована на їхнє ускладнення та набуття ними багатофункціональності шляхом створення композиційних матеріалів (литі композиційні матеріали, теплозахисні ерозійностійкі композиційні матеріали, товстоплівкові композиційні матеріали тощо).
Класифікація матеріалів В основу загальної класифікації матеріалів покладене їхнє розділення за походженням на природні і штучні. До перших, зазвичай, належать як неорганічні (наприклад, глини, мінерали), так і органічні (деревина, папір, шкіра, природні волокна тощо) матеріали.
За агрегатним станом матеріали поділяють на газоподібні (наприклад, пароводяні чи газові теплоносії, топкові гази тощо), рідинні (лакофарбові матеріали, мастильні матеріали) і тверді. Тверді матеріали — найчисельніша група — можуть бути як кристалічними (наприклад, оптичні матеріали, метали тощо), так і аморфними (синтетичні смоли, скло, пластмаси); більшість твердих матеріалів є багатокомпонентними і багатофазовими.
До нетрадиційних у матеріалознавстві належить класифікація за типом хімічного зв'язку, що домінує у матеріалі або визначає його властивості: ковалентні, металічні, іонні, Ван дер Ваальсові, водневі тощо.
Серед найпоширеніших матеріалів — метали та сплави, зокрема, залізовуглецеві сплави (сталі й чавуни), феросплави, сплави алюмінію, золота, магнію, міді, молібдену, нікелю, кобальту, титану, хрому, цирконію тощо.
За призначенням і корисними властивостями виділяють: інструментальні матеріали (абразиви, інструментальні сталі, тверді сплави, надтверді матеріали), триботехнічні матеріали (антифрикційні, фрикційні, зносостійкі), будівельні матеріали, зварювальні матеріали, інгібітори корозії та інгібовані матеріали, розумні (інтелектуальні, функціональні) матеріали, конструкційні матеріали, лакофарбові матеріали, легкоплавкі матеріали, люмінофори, магнітні матеріали, магнітоелектричні матеріали, матеріали градієнтні, матеріали електретні, матеріали електроізоляційні, матеріали електропровідні, матеріали емісійні, метаматеріали, надпровідники, напівпровідники (зокрема й магніторозчинені напівпровідники), надлегкі матеріали, наплавлювальні матеріали, немагнітні матеріали, оптичні матеріали, п'єзоелектричні та сегнетоелектричні матеріали, піроактивні матеріали, радіаційностійкі матеріали, радіопрозорі матеріали, резистивні матеріали, твердоелектролітні матеріали, термоелектричні матеріали.
Склад і структура матеріалу
У матеріалознавстві розглядається хімічний і фазовий склад матеріалу. Хімічний склад визначають за сукупністю хімічних елементів матеріалу. Є основні (фазоутворюючі) елементи й елементи-домішки. Фази формують фазовий склад матеріалу, а кожну фазу представлено елементом структури (зерно, шар, включення тощо) і відповідною міжфазною границею. За хімічним складом і за розподілом фаз виділяють 4 типи структур: однофазні, статистичні багатофазні з ідентичними і неідентичними поверхнями розділу та матричні багатофазні. За морфологією елементів структури виокремлюють з пластинчастим, стовбчастим і тривимірними типами включень. Домішки розчинені в малих концентраціях і розподіляються переважно хаотично в об'ємі фаз і на міжфазних границях (зокрема, сегрегації). Вони можуть впливати на властивості матеріалів, як позитивно, так і негативно. Найрозповсюдженішими є одно- і багатофазні матричні та статистичні об'єкти, стовбчасті і багатошарові (переважно в плівках) структури.
Структура матеріалу — фундаментальна просторова характеристика матеріалу та складається з елементів структури, властивих певному просторовому масштабу. Матеріалознавство оперує електронною, атомно-молекулярною, макромолекулярною (кластерною), мікро-, мезо- і макроструктурами.
Електронна структура матеріалу важлива для характеристики хімічного зв'язку, зонної структури та залежних від неї властивостей: електричних, магнітних, оптичних, квантових тощо. Електронна структура твердих тіл відображається у вигляді спектрів, тому вона поєднана з атомно-молекулярною структурою в одному масштабному діапазоні (0,1…1,0 нм). Атомно-молекулярна структура дозволяє розуміти, чи матеріал є кристалічним, чи аморфним (металеві аморфні сплави, неметалеві аморфні й аморфно-кристалічні матеріали) і ввести поняття дефектів кристалічної ґратки (точкових, лінійних, планарних, об'ємних, домішкових, сегрегаційних та ін.), що також є елементами структури.
Макромолекулярний, або кластерний, масштаб структури розглядає об'єкти і явища (властивості) в масштабі розмірів 1…5 нм. У такому масштабі не завжди мають місце колективні явища, наприклад, поверхневий натяг чи феромагнетизм.