Ciencia de los Materiales

Ciencia de los Materiales , el estudio de las propiedades de los materiales sólidos y cómo esas propiedades están determinadas por la composición y estructura. Surgió de una amalgama de estado sólido física , metalurgia y química , ya que la rica variedad de propiedades de los materiales no puede entenderse dentro del contexto de cualquier clásico disciplina . Con un conocimiento básico de los orígenes de las propiedades, los materiales pueden seleccionarse o diseñarse para una enorme variedad de aplicaciones, que van desde aceros estructurales hasta microchips de computadora. Por lo tanto, la ciencia de los materiales es importante para las actividades de ingeniería como la electrónica, aeroespacial, telecomunicaciones, procesamiento de información , energía nuclear y conversión de energía.

Este artículo aborda el tema de la ciencia de los materiales a través de cinco campos de aplicación principales: energía, transporte terrestre, aeroespacial, informática y comunicaciones, y medicina. Las discusiones se centran en los requisitos fundamentales de cada campo de aplicación y en las capacidades de varios materiales para cumplir con esos requisitos.



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Los muchos materiales estudiados y aplicados en la ciencia de los materiales generalmente se dividen en cuatro categorías: metales, polímeros, semiconductores y cerámica. Las fuentes, el procesamiento y la fabricación de estos materiales se explican detalladamente en varios artículos: metalurgia; elastómero (caucho natural y sintético); el plastico ; fibra sintética; y vidrio y cerámica industrial. Las estructuras atómicas y moleculares se discuten en elementos químicos y importar . Las aplicaciones cubiertas en este artículo tienen una amplia cobertura en conversión de energía , transporte, electrónica y medicina.



Materiales para energía

Una sociedad industrialmente avanzada utiliza energía y materiales en grandes cantidades. El transporte, la calefacción y la refrigeración, los procesos industriales, las comunicaciones —de hecho, todas las características físicas de la vida moderna— dependen del flujo y la transformación de la energía y los materiales a través del sistema tecnoeconómico. Estos dos flujos están inseparablemente entrelazados y forman el elemento vital de la sociedad industrial. La relación de la ciencia de los materiales con el uso de energía es penetrante y complejo. En cada etapa de la producción, distribución, conversión y utilización de energía, los materiales juegan un papel esencial y, a menudo, se necesitan propiedades especiales de los materiales. El notable crecimiento en la comprensión de las propiedades y estructuras de los materiales permite desarrollar nuevos materiales, así como mejorar los antiguos, sobre una base científica, contribuyendo así a una mayor eficiencia y menores costos.

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Clasificación de materiales relacionados con la energía

Los materiales energéticos se pueden clasificar de diversas formas. Por ejemplo, se pueden dividir en materiales pasivos o activos. Los del grupo pasivo no participan en el proceso real de conversión de energía, sino que actúan como contenedores, herramientas o estructuras como vasijas de reactores, tuberías, álabes de turbinas o perforadoras de petróleo. Los materiales activos son aquellos que participan directamente en la conversión de energía, como células solares, baterías, catalizadores e imanes superconductores.



Otra forma de clasificar los materiales energéticos es mediante su uso en sistemas energéticos convencionales, avanzados y posibles futuros. En los sistemas de energía convencionales, como los combustibles fósiles, la generación hidroeléctrica y los reactores nucleares, los problemas de los materiales se comprenden bien y, por lo general, se asocian con propiedades mecánicas estructurales o efectos químicos de larga data como la corrosión. Los sistemas de energía avanzados se encuentran en la etapa de desarrollo y se utilizan actualmente en mercados limitados. Estos incluyen petróleo de esquisto y arenas bituminosas, gasificación y licuefacción de carbón, energía fotovoltaica, energía geotérmica , y energía eólica . Los posibles sistemas de energía futuros aún no están comercializados. desplegado en un grado significativo y requieren mucha más investigación antes de que puedan usarse. Estos incluyen combustible de hidrógeno y reactores reproductores rápidos, conversión de biomasa e imanes superconductores para almacenar electricidad.

La clasificación de los materiales energéticos como pasivos o activos o en relación con los sistemas de energía convencionales, avanzados o futuros es útil porque proporciona una imagen de la naturaleza y el grado de urgencia de los requisitos de materiales asociados. Pero la mayoría esclarecedor El marco para comprender la relación de la energía con los materiales está en las propiedades de los materiales que son esenciales para diversas aplicaciones energéticas. Debido a su amplitud y variedad, este marco se muestra mejor con ejemplos. En el refinado de petróleo, por ejemplo, los recipientes de reacción deben tener ciertas propiedades mecánicas y térmicas, pero la catálisis es el proceso crítico.

Aplicaciones de materiales relacionados con la energía