Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника
Посмотреть оригинал

Специфика объекта и предмета материаловедения

Химия — главный создатель материалов для всех отраслей науки и производства.

В. А. Легасов

Примером, в целом подтверждающим правильность развиваемых выше подходов к классификации естественных наук на основе дифференциации различных явлений природы по уровню сложности структурной организации вещественной материи, который изучается этой наукой или учебной дисциплиной, является иерархия, предложенная еще в середине XIX в. Согласно идеям немецкого химика Ф. А. Кекуле (1829—1896) об иерархии естественных наук, было предложено четыре основные последовательные ступени: механика, физика, химия и биология. На рисунке 1.7 эти науки упорядочены: по времени их последовательного формирования (Т); по условной сложности или организованности материала науки (М).

Данная классификация практически полностью вписывается в единую парадигму многоуровневой организации материи и мироздания (см. рис. 1.5). В результате, учитывая, что материаловедение как междисциплинарная наука базируется в основной своей части (строение и свойства материалов), прежде всего, на симбиозе химии и физики, а затем механике и технологии, то возможно дополнить рассматриваемую классификацию (см. рис. 1.7).

Иерархия основных естественных наук (по Кекуле, третья четверть XIX в., дополненная (О. С. Сироткиным) материаловедением как производной от них комплексной (симбиозной) дисциплины

Рис. 1.7. Иерархия основных естественных наук (по Кекуле, третья четверть XIX в., дополненная (О. С. Сироткиным) материаловедением как производной от них комплексной (симбиозной) дисциплины

Из вышерассмотренного следует, что современное материаловедение, опираясь на ряд (см. рис. 1.1) основных типов материалов (металлы, органические или неорганические полимеры, керамика и композиционные материалы на их основе), представляет собой комплексную (междисциплинарную) науку и учебную дисциплину. Она основана на симбиозе, как минимум, четырех наук: химии, физики, механики и технологии. При этом вклад четырех вышеперечисленных дисциплин естественно различен. Химия — это, прежде всего, теоретическое и практическое изучение и конструирование структур и свойств конкретных химических веществ и материалов на их основе. Первостепенная практическая важность химии в материаловедении определяется тем, что все виды синтетических и искусственных материалов получаются путем химических превращений только из химических веществ. Например, металлы (за исключением самородных) типа железа получают восстановлением оксидов железа, бытовую керамику — спеканием («отверждением») слоистых полиалюмосиликатов, органические полимеры — полимеризацией или поликонденсацией мономерных углеводородов. Физика — это, в первую очередь, методы исследования структуры и свойств материалов, моделирование и теоретические обобщения. Механика — это, прежде всего, методы исследования механических и деформационных свойств материалов и их интерпретация. Технология — это методы или последовательность операций и поддержание условий для изменения структуры и свойств вещества и материала, его модификации (легирования), а также способы их переработки в конечные изделия с комплексом заданных свойств.

Главным объектом исследования и изучения в науке и учебной дисциплине, именуемой «Материаловедение», является материал. Именно четкое и правильное понимание существа этого основного объекта исследования материаловедения и его главного фундаментального понятия позволяет наиболее точно раскрыть индивидуальность и специфические особенности предмета этой науки.

Общепринятое определение материаловедения как «науки о связи состава, структуры (строения) и свойств материалов (или в значительной части дефиниций — металлов)» устарело в настоящее время в силу целого ряда факторов.

Во-первых, в настоящее время отсутствует достаточно строгая дефиниция самой главной компоненты приведенного выше определения — понятия «материал». Ответ на вопрос, что такое материал, также далеко не прост. При этом часто не делают различие между понятиями «материал», «вещество», хотя очевидно, что это не одно и то же.

Во-вторых, состав вещества и материала в целом далеко не всегда определяет структуру и свойства материала. Например, состав алмаза (трехмерного объемносетчатого полимерного тела); графита (двухмерного плоскосетчатого полимера); фуллерена (с объемной структурой типа футбольного мяча на основе шести- и пятичленных циклов углерода) или карбина, или карбена (одномерного линейного полимера) идентичен.

Все эти четыре химических вещества (материала) построены из одного элемента — углерода. Очевидно, что состав в данном случае не определяет структуру и свойства этих материалов. Все вышеперечисленные материалы различаются не составом, а спецификой химической связи между атомными остовами углерода в каждом конкретном случае и, как следствие, типом химической пространственной полимерной структуры. Ведь очевидно, что степень ковалентности связи С—С (или уровень локализации обобществленных электронов в межъядерном пространстве) в алмазе значительно выше, чем в графите. Появление у последнего дополнительных менее локализованных р-связей приводит к снижению степени ковалентности (и повышению степени металличности) связи С—С и соответствующему снижению структурной сложности ВМС с трех- до двухмерной. В результате у графита появляются электропроводящие свойства, которые отсутствуют у алмаза

(диэлектрик). Таким образом, современный методологический переход от состава к структуре и свойствам материала должен быть обязательно дополнен четвертой компонентой: состав — тип связи — структура — свойство.

Понятие материал является производным от главного естественного фундаментального понятия окружающего нас мира — материи. В рамках парадигмы многоуровневой организации материи вещество поразделяется на целый ряд уровней и подуровней (физические: элементарные и атомные вещества химические: молекулярные, надмолекулярные и немолекулярные вещества, биологические и т.д.).

Поэтому в широком смысле слова материал — это любой вид (форма или уровень организации вещества) материи, который может быть использован или используется природой или человеком для получения других его разновидностей.

Однако сегодня необходимо понимать разницу между понятием «вещество» и «материал», так как исследование различных конкретных видов веществ (их структуры, свойств и превращений) составляет специфику предмета таких естественных наук, как физика (элементарные и атомные вещества) и химия (химические молекулярные и немолекулярные вещества), и т.д. В известной триаде «вещество — материал — изделие (конструкция)» разница между материалом и изделием достаточно очевидна: из материала изготовляется конечная вещь в виде изделия для конкретного практического использования в повседневной жизни в течение определенного срока его эксплуатации. А вот разницу между веществом и материалом можно установить на уровне оценки реальной практической (чаще всего технической) значимости первого (когда вещество становится реальным материалом для изготовления чего-либо) и возможности изготовления из данного вещества конкретного изделия и конструкции.

В более узком, практическом (прикладном), смысле материал — это тот вид вещества или совокупность нескольких его типов в виде одной материальной системы (материального тела), который наиболее востребован в науке, технике и быту для производства изделий, конструкций и жизнеобеспечении в целом. Отсюда очевидно, что не любая разновидность вещества и даже химического вещества может служить материалом, применяемым на практике. Например, элементарное вещество (электрон, протон и т.д.), вещество в виде атома (водорода, кислорода и т.д.) и даже молекула водорода (Н2) или кислорода (02) реально на практике не могут быть использованы в качестве материала для изготовления конкретного изделия на основе этих веществ. При этом обычно материалами (типа металлов, полимеров, керамик и т.д.) являются многоядерные химические вещества, состоящие из большого числа элементов (атомных остовов) и поэтому находящиеся в твердом агрегатном состоянии. И следовательно, понятие материал по значению является более узким, чем понятие вещество.

Предмет же материаловедения раскрывается через универсальную методологическую цепочку: «состав и тип связи элементов — специфика многоуровневой структуры — свойства», характеризующую специфику материала и систему базовых (основных и производных) понятий материаловедения. Давая современное определение (дефиницию) материаловедения и учитывая, что состав не определяет однозначно структуру материала (пример материалов одинакового состава, типа алмаза, графита, фуллерена, карбина или различных форм железа), необходимо учесть в нем главенствующее влияние на структуру и на конечные свойства материала природы взаимодействия элементов, его составляющих. В результате материаловедение это наука о связи состава и природы (а также типа) взаимодействия элементов (химической, физической, механической или смешанной), представляющих материал с его строением (структурой) и свойствами, определяющими области его практического применения. При этом понимается, что изучение этой связи в материаловедении направлено, прежде всего, на научное прогнозирование структуры и свойств конкретных материалов в целях эффективного их практического использования, а также методов и технологий управления их структурой и переработки в конкретные изделия.

Специфика предмета материаловедения основывается на единстве химической природы веществ, составляющих основной объект этой дисциплины — материал (металла или неметалла). Единство и специфика предмета материаловедения сегодня раскрывается при опоре на систему взаимосвязанных базисных инноваций: универсальной системы понятий материаловедения, унифицированной классификации уровней структурной организации материалов, единой модели химической связи элементов и системы химических связей и соединений (СХСС), образующих металлические и неметаллические материалы. Кроме того, эти инновации позволяют вскрыть причины различий структуры и свойств металлических и неметаллических материалов, закладывая основы универсальной методологии конструирования структуры материалов.

Сегодня под инновацией понимаются продукты творческого труда, имеющие завершенный вид товара, готового к применению и распространению. А под базисными инновациями понимаются такие инновации, в основе которых лежат фундаментальные научные достижения, позволяющие создавать качественно новые системы (товары, технологии, учебники и т.д.) следующих поколений. По мнению автора, ярким примером базисной инновации может служить Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, позволившая спрогнозировать наличие в природе и свойства атомов, не известных ученым в тот период времени. Кроме того, именно она позволила сегодня понять, что системы, объединяющие различные виды веществ и полей, должны иметь место для других разновидностей вещества (химического, биологического, элементарного физического и т.д.).

 
Посмотреть оригинал
 

Популярные страницы