Материалове́дение, комплекс фундаментальных научных знаний и технологических приёмов, направленных на создание материалов, удовлетворяющих потребности человека. Под общим термином «материалы» в материаловедении обычно подразумевают простые или сложные вещества, их смеси, гетерогенные композиции, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач. Предметом материаловедения является установление закономерностей взаимосвязей состав – структура (электронная, атомная, нано-, мезо-, микро-, макро-) – технология получения – функциональные (механические, термические, электрические, магнитные, оптические и др.) свойства материала, а также направленное совершенствование свойств уже известных материалов и создание новых материалов с заданными свойствами. Задачи, решаемые современным материаловедением, предопределяют развитие энергетики, электроники, информационных и нанотехнологий, химической и других отраслей промышленности, транспорта, медицины и здравоохранения.

Основополагающая черта современного материаловедениея – междисциплинарность, поскольку стоящие перед ним задачи не могут быть решены в рамках одной научной дисциплины. Молекула фуллерена C₆₀.Молекула фуллерена C₆₀.Фундаментом современного материаловедения являются такие разделы физики, химии и биологии, как статистическая физика, термодинамика и кинетика (основные области исследования – диаграммы состояния, твердофазные превращения, стабильность материалов при эксплуатации); физика твёрдого тела и квантовая механика (электронные, тепловые, магнитные, химические, структурные и оптические свойства материалов, дифракционные методы исследования материалов); механика (взаимосвязь микроструктуры и механического поведения материалов, реология, трибология, поведение потоков жидкости и ансамблей частиц); химия твёрдого тела (теория химической связи, кристаллическая структура, точечные и протяжённые дефекты, состав материалов, методы их синтеза); коллоидная химия и химия полимеров (полимеры и пластмассы, жидкие кристаллы и коллоидные растворы, нанообъекты); интеграция материалов в биологические системы и их использование в медицине.

Классификация

В основу общей классификации материалов положено разделение их по происхождению на природные и искусственные. К первым, как правило, относят как неорганические (например, глины, минералы), так и органические (древесина, бумага, кожа, природные волокна и др.) материалы. По агрегатному состоянию материалы подразделяют на газообразные (например, пароводяные или газовые теплоносители, топочные газы), жидкие (лакокрасочные материалы, смазочные материалы) и твёрдые. Твёрдые материалы – наиболее многочисленная группа – могут быть как кристаллическими (например, нелинейные оптические материалы), так и аморфными (синтетические смолы); большинство твёрдых материалов многокомпонентны и многофазны.

Историческая справка

Ранние этапы развития цивилизации получили названия, связанные с природой наиболее широко использовавшихся человеком материалов (каменный, бронзовый, железный век).

Бронзовые наконечники стрел раннего железного века из пещерного святилища Дыроватый Камень. Археологическая лаборатория Нижнетагильского государственного социально-педагогического института.Бронзовые наконечники стрел раннего железного века из пещерного святилища Дыроватый Камень. Археологическая лаборатория Нижнетагильского государственного социально-педагогического института.Камень в качестве материала для изготовления простейших орудий труда и оружия начали использовать более 300 тыс. лет назад, производство керамических материалов (изделий из обожжённой глины) возникло около 29 тыс. лет назад. К периоду неолита относятся первые попытки обработки (в 8-м тыс. до н. э. была освоена декоративная ковка и чеканка самородной меди) и выплавки металлов (приблизительно в 5-м тыс. до н. э. научились извлекать жидкую медь из малахита и азурита и отливать предметы различной формы, в 35 в. до н. э. начали выплавлять железо, пригодное для использования в декоративных целях). Примерно в 3-м тыс. до н. э. вошёл в употребление первый известный металлический сплав – бронза.

Малахит (Республика Конго). Фото: Наталья Пекова.Малахит (Республика Конго). Фото: Наталья Пекова.

В 9–7 вв. до н. э. открыт способ изготовления стали из железа и приблизительно в 3 в. до н. э. разработана технология разливки стали в изложницы, что послужило началом современной металлургии. Второй после керамики неметаллический материал – стекло получен приблизительно в 4-м тыс. до н. э., стеклодувное производство возникло в 1 в. до н. э. В античный период и в Средние века развитие материаловедения сводилось в основном к созданию конструкционных материалов и строительных материалов (камень, кирпич, строительные растворы, многоцветные глазурованные керамические плитки, древесина, черепица, кровельное железо). В этот период развивается также производство фарфора, природных красителей, природных клеёв, хрусталя и др.

Важнейший прорыв в становлении научного материаловедения сделан в конце 19 – начале 20 вв.: в 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон, на основе которого стало возможным связать свойства простых и сложных веществ с характеристиками образующих их атомов; в 1876 г. Дж. Гиббс изложил общую теорию термодинамического равновесия и метод термодинамических потенциалов, что позволило определять направление химических реакций и условия равновесия для смесей любой сложности; в 1913 г. Н. Бор создал первую квантовую теорию атома, позволившую понять физическую природу периодичности свойств химических элементов и их соединений.

Существенному прогрессу материаловедения способствовало развитие методов исследования и характеризации материалов. Основными методами исследования состава и строения объёмных материалов являются рентгеновские дифракционные методы, методы термического анализа и калориметрия, химические методы анализа и хроматография. Для исследования поверхности материалов и наноразмерных объектов используют спектроскопические методы (фотоэлектронную спектроскопию, оже-спектроскопию, комбинационное рассеяние света и др.), сканирующую и просвечивающую электронную микроскопию, атомно-силовую микроскопию, микрозондовый анализ, масс-спектрометрию вторичных ионов. Для контроля технологических свойств используются методы испытания материалов.

Современное состояние науки

Исторически сложилось, что с начала 19 в. и до середины 20 в. в научном мире (равно как и в содержании соответствующих дисциплин в вузах) понятие «материаловедение» полностью ассоциировалось с понятием «металловедение». Начиная с 1960-х гг. эта область науки существенно расширилась и включает значительно более широкий спектр исследуемых материалов, в т. ч. металлы и их сплавы, керамику, полимерные материалы, композиционные материалы, стёкла, полупроводниковые материалы, магнитные материалы, биоматериалы, органические материалы.

Несмотря на существующую тенденцию замены металлов на другие классы материалов, металлы в обозримом будущем сохранят свою роль основы конструкционных материалов. Фундамент современного металловедения создан трудами выдающихся иностранных и отечественных учёных и инженеров (Г. Бессемер, П. Мартен, П. П. Аносов, Д. К. Чернов, Н. С. Курнаков, И. П. Бардин, А. А. Бочвар, В. Д. Садовский, А. М. Самарин, Г. В. Курдюмов и др.). В решении актуальных проблем создания новых металлических материалов важнейшая роль принадлежит академическим, отраслевым институтам и вузам, включая Институт металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН, Институт физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН, Институт металлургии УрО РАН, Научный центр порошкового материаловедения (Пермь), Институт электросварки имени Е. О. Патона Национальной АН Украины, Институт авиационных материалов, Московский технический университет имени Н. Э. Баумана, Московский институт стали и сплавов и др.

К главным направлениям развития металлургии на современном этапе относятся: совершенствование технологий получения металлов и изделий из них (непрерывная разливка стали, электрометаллургические технологии, направленная кристаллизация, модифицирование поверхности сталей лазерной обработкой, плазмохимическим легированием, ионной имплантацией поверхности, технологии порошковой металлургии и др.); повышение прочности, износостойкости и коррозионной устойчивости сталей при высоких давлениях и температурах; создание комплексно легированных сплавов с минимальным содержанием дефицитных металлов и дешёвых жаростойких сплавов на основе алюминидов железа и никеля; получение новых металлических материалов (сверхчистые металлы, аморфные магнитные сплавы, коррозионностойкие биологически совместимые сплавы для имплантатов, сплавы с памятью формы и др.).

Развитие полимерных материалов

Важными показателями научно-технического прогресса во многих областях народного хозяйства являются уровень и темпы роста производства полимерных материалов, их номенклатура и качество. Становление науки о полимерах тесно связано с прикладными аспектами их использования. Исследования, проводимые до середины 19 в., были в основном направлены на модифицирование природных полимеров для придания им требуемых свойств за счёт химических реакций природных веществ с низкомолекулярными соединениями; важнейшие достижения в этом направлении – открытие вулканизации натурального каучука в 1839 г. Ч. Гудьиром (США) и в 1843 г. Т. Хэнкоком (Великобритания) и получение в начале 1830-х гг. нитроцеллюлозы (позднее волокна и пластмассы на её основе). Научные представления о строении полимеров возникли после создания А. М. Бутлеровым теории химического строения и получили развитие в фундаментальных работах Г. Штаудингера. После синтеза в 1908 г. твёрдой термореактивной смолы (американский химик Л. Бакеланд), а в 1938–1939 гг. – найлона (У. Карозерс) начался революционный прорыв в полимерном материаловедении. Полиэтилен в гранулах.Полиэтилен в гранулах.Исследования К. Циглера и Дж. Натты (открытие в 1953 металлокомплексного катализа) имели не только выдающееся научное значение, но привели к принципиально новому и простому пути получения одного из важнейших промышленных полимеров – полиэтилена и синтезу стереорегулярных поли-α-олефинов, в частности полипропилена. Развитие полимерного материаловедения в нашей стране связано с именами С. В. Лебедева, К. А. Андрианова, П. А. Ребиндера, В. А. Каргина, В. А. Кабанова и др. Исследования полимерных материалов проводятся в Институте высокомолекулярных соединений РАН, Институте синтетических полимерных материалов имени  Н. С. Ениколопова РАН, Институте элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН и других научных учреждениях.

Применение полимерных материалов позволяет существенно снизить металлоёмкость и вес материалов, используемых в машиностроении и строительстве. Среди конструкционных пластмасс следует назвать полиамиды, поликарбонаты, полифениленоксиды, полиакрилаты и ряд др. Наиболее перспективным представляется разработка таких полимерных материалов, как термостойкие (до 500 °С) полимеры, термопластичные полиуретаны с высоким модулем эластичности и сопротивлением износу, биополимеры и полимерные сплавы для изготовления искусственных кровеносных сосудов, жидкокристаллические сегнетополимеры для микроэлектроники и плёночные полимеры с униполярной ионной проводимостью, полимерные мембраны с высокой селективностью и производительностью для разделения жидких и газообразных сред и др.

Одно из ведущих мест среди конструкционных материалов занимает керамика. Многообразие керамических материалов включает в себя любые поликристаллические материалы, полученные спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Керамические материалы способны функционировать в более широком, чем другие материалы, интервале температур. Однако обычно керамика является хрупким материалом, имеющим принципиально иной, по сравнению с металлами, механизм разрушения, в котором определяющая роль отводится возникновению и распространению микротрещин. Потому успехи развития конструкционных керамических материалов тесно связаны с совершенствованием теории хрупкого разрушения.

Развитие керамических материалов

Керамические материалы условно подразделяют на два класса – конструкционные (строительная керамика, техническая керамика) и функциональные (диэлектрики, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, пироэлектрики, магнитная керамика, сверхпроводники, материалы с униполярной ионной или электронно-ионной проводимостью, оптически прозрачная керамика и др.). И если первый класс имеет многовековую историю развития, то второй возник и интенсивно развивался начиная со 2-й половины 20 в. Значительный вклад в исследование и разработку керамических материалов внесли немецкий физикохимик К. Вагнер, американские учёные У. Д. Кингери, Р. Рой, Дж. Гуденаф, советские химики П. П. Будников, И. В. Тананаев, И. В. Гребенщиков и др. Керамические материалы успешно создаются и исследуются в Институте химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН, Институте общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова, Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, Институте проблем материаловедения имени И. Н. Францевича Национальной АН Украины, Российском химико-технологическом университете имени Д. И. Менделеева и в МГУ имени М. В. Ломоносова (здесь в 1991, впервые для классических университетов России, создан факультет наук о материалах), в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, Санкт-Петербургском государственном технологическом университете и др.

К актуальным задачам керамического материаловедения следует отнести получение сверхпластичной керамики и конструкционной керамики для двигателей внутреннего сгорания и турбин, керамики для режущего инструмента на основе оксидов, нитридов и карбидов, радиационностойкой керамики для нейтронной защиты ядерных реакторов, керамических волокон и пен из простых и сложных оксидов для высокотемпературной изоляции, биокерамики на основе гидроксиапатита для замены и восстановления повреждённых суставов, новых функциональных керамических материалов.

Развитие композиционных материалов

Степень развития военной, авиационной и космической техники, транспорта, строительства и другого определяется уровнем использования композиционных материалов. Композиты представляют собой гетерогенную систему, состоящую из двух или большего числа фаз, имеющих различную физико-химическую природу; для такой системы характерно наличие развитой системы внутренних поверхностей раздела, градиентов концентраций и внутренних напряжений. Среди наиболее развиваемых направлений следует назвать разработку армированных нитевидными монокристаллическими волокнами конструкционных металлических материалов; сверхпластичных композитов на основе алюминия, упрочнённого ультрадисперсным карбидом кремния; упрочнённой волокнами керамики для дизельных двигателей; химически стойкой стеклокерамики, упрочнённой диоксидом циркония; гибких пьезоэлектрических композитов на полимерной основе; полимерных композиционных материалов на основе углеродных волокон, полиимидов и др.

Развитие наноматериалов

Развитие энергетики, электроники, машиностроения, медицины, решение проблем экологии на современном этапе связывают с применением наноматериалов. К наноматериалам относят материалы с размером частиц, СТМ-изображение атомарного разрешения углеродных нанотрубок, упакованных в пучок.СТМ-изображение атомарного разрешения углеродных нанотрубок, упакованных в пучок.не превышающим (в одном или нескольких измерениях) 100 нм, и проявляющие (в силу квантово-размерного эффекта) принципиально отличающиеся от объёмных материалов физико-химические свойства.

Это открывает перспективы создания новых поколений материалов: термо- и коррозионностойких нанопокрытий, аккумуляторов, высокоселективных мембран, сенсоров, металлокомплексных низкоразмерных катализаторов, фотокатализаторов, средств целевой доставки лекарств и диагностики, магнитных материалов для устройств с высокой плотностью записи и многих др.