علوم و هندسة المواد

السلام عليكم ...

لما لقسم هندسة المواد من أهميه قصوى ولقلة المعلومات المتوفره حول هذا القسم ولحداثته كل هذا ادى الى ضبابيه او نقص في فهم واجبات هذا القسم المهم والمهم جدا.....القسم يعتبر همزة الوصل بين جميع أقسام الهندسه والمنسق الوحيد وألأوحد.... ومن أجل ايضاح هذا القسم ومن اجل توفير بعض المعلومات والمراجع سأبدء بنشر سلسله تغطي ولو بصوره سطحيه بعض أجزاء هذا القسم وواجباته.... سيطول البحث والموضوع لذلك أرجو من الجميع ان يمدوا يد العون والمساعده.

البدايه ستكون عباره عن مقدمه عن القسم وكل يوم ان شاء الله انزل جزء يغطي جانبا من المعلومات حول القسم.

المقدمه Introduction

علوم و هندسة المواد

يعتبر علم المواد من أهم العلوم لدى الدول الصناعية المتقدمة وهو علم متجدد تكثر فيه الأبحاث والدراسات للحصول على مواد جديدة بخواص مميزه هوهو تخصص متداخل يتضمن دراسة خواص المواد و تطبيقاتها ضمن التطبيقات المختلفة للعلوم و الهندسة. تتضمن علوم المواد حقول من الفيزياء التطبيقية والكيمياء ، إضافة للهندسة الكيميائية و الهندسة الميكانيكية ، الهندسة المدنية و الهندسة الكهربائية . يتركز الاهتمام الإعلامي حاليا على أحد تطورات علوم المواد و هو التقانة النانوية و العلوم النانوية. و تنقسم المواد الهندسية بحسب طبيعتها إلى

(أ) الفلزات و سبائكها Materials and alloys
(ب) الخزفيات Ceramic
(ﺟ) البوليمرات polymers
(د)المواد المتراكبه Composite materials

كانت المواد المستخدمة في أي عصر من العصور هي ما يحدد اسم هذا العصر، فقد كان هناك العصر الحجري ، والعصر البرونزي كأمثلة على ذلك. ويعتبر علم المواد أحد أقدم أشكال الهندسة والعلوم التطبيقية

علوم و هندسة المواد Materialssciencetetrahehb3

علوم و هندسة المواد Materialssciencetetrahehb3

[b]تاريخ وتطور علم المواد[/b]

ولقد برع العلماء المسلمون قديما في هذا العلم وخصوصا علم المعادن ومنهم: ابن سينا الذي يعتبر أول من درس وصنف المعادن, البيروني مؤلف كتاب "الجاهر في معرفة الجواهر" الذي يدرس علم المعادن, التيفاشي صاحب كتاب "أزهار الأفكار في جواهر الأحجار" الذي يصف فيه المعادن والأحجار الكريمة, وكذلك ابن الاكفاني مؤلف كتاب "نخب الذخائر في أحوال الجواهر".

وقد تطور علم المواد الحديث من دراسة المعادن (metallurgy) التي تطورت بدورها من مجال التعدين. وقد حدثت طفرة كبيرة في فهم علوم المواد أثناء القرن التاسع عشر عندما أثبت ويلارد جيبس (Willard Gibbs) أن الخواص الديناميكية الحرارية (الثرموديناميكية) المتعلقة بالتركيب الذري في مختلف حالات المادة ترتبط بالخواص الفيزيائية للمادة، وقد جاءت الكثير من المواد الجديدة كنتيجة للسباق الفضائي، ومن بينها السبائك المعدنية ومواد الكربون والسيليكون التي تستخدم في بناء مركبات الفضاء، وقد كان علم المواد عاملا دافعا لتطوير تقنيات لمواد أحدثت تغيرات ثورية مثل البلاستيك وأشباه الموصلات مثل ( السيليكـون و الأنتيمون ).

أساسيات المواد

في علم المواد، بدلا من البحث بشكل عشوائي عن مواد جديدة ومحاولة استكشاف خواصها، يكون الهدف هو فهم المواد على نحو جوهري حتى يمكن إنشاء مواد جديدة يكون لها الصفات المطلوبة. ويتضمن أساس علم المواد ربط المواصفات المطلوبة والأداء النسبي لإحدى المواد في نطاق تطبيق معين ببنية الذرات وحالات المادة وذلك من خلال عملية التوصيف. أما أهم العوامل المحددة لبنية المادة وبالتالي خواصها فهي العناصر الكيميائية المكونة لها والطريقة التي تم معالجتها من خلالها للوصول إلى الصورة النهائية. وهذه العوامل إذا تم التعامل معها معا وربطها بقوانين الديناميكا الحرارية، فهي تحكم الهيكل الدقيق (microstructure) للمادة وبالتالي خواصها

عيوب المواد

وهناك مقولة قديمة في علم المواد تقول: المواد مثل البشر، عيوبها هي التي تجعلها مثيرة للاهتمام. وتعد صناعة بلورة بدون عيوب لإحدى المواد حاليا غير ممكنة فيزيائيا. وبدلا من ذلك يقوم علماء المواد بالتحكم في العيوب الموجودة في المواد المتبلورة، (crystalline materials)، وهذه العيوب مثل الرواسب وحدود الحبيبات (grain boundaries) والذرات الدخيلة (interstitial atoms) والفجوات (vacancies) أو الذرات التبديلية (substitutional atoms)، وذلك من أجل تكوين مواد يكون لها الخواص المطلوبة.

هيكل وبنية المواد

وليس لجميع المواد هيكل بلوري منتظم، فاللدائن يبدو عليها درجات مختلفة من التبلور، أما الزجاجيات وبعض أنواع الخزفيات والعديد من المواد الطبيعية هي عديمة الشكل (amorphous) وليس لديها أي تنظيم طويل المدى في التشكيل الذري، وهذه المواد أصعب كثيرا في معالجتها وتشكيلها أكثر من المواد المتبلورة

تقسيم المواد

ويمكن تقسيم المواد إلى أربعة أقسام هي: المعادن Metals, اللدائن Polymers , الخزفيات والسيراميكCeramic والمواد المتراكبه Composite Materials. وكل قسم له خواصه الفيزيائية والكيميائية المميزة وتجدر الإشارة هنا إلى انه لابد من فهم جميع هذه الخواص والعوامل المؤثرة عليها وطرق تغييرها باستخدام المعالجات الحرارية ومخططات الاتزان الحراري.
, وهناك بعض المواد المتقدمه أو البحوث المتقدمه مثل
Nanomaterials
Bio materials
Semiconductors
Fibers
Rubber
Glass

البنيه البلوريه للماده

طبیعة المادة (Nature of Matter)

لدراسة علم المواد لابد من التعرف عن قرب على المادة وخواصھا وأشكالھا والتغیرات إلتي تطرأعلیھا.وطرق فصل الموا دعنبعضھا.

ما ھي المادة؟ كل شيء یشغل حیزا من الفراغ ولھا ثقل. مثل: المادة والھواء والحدید والورق والتراب ........الخ

خواص المادة :(Properties of Matter)

یمكن تصنیف خواص المادة كمایلي:

[size=21]الخواص الفیزیائیة (الطبيعية ( :[/size]

[size=21][size=16]ھي الخواص التي یمكن ملاحظتھا بالحواس أو قیاسھا باستخدام الأجھزة المختلفة مثل اللون والطعم والرائحة، درجة الغلیان، درجة التجمد، الكثافة، التوصیل الكھربائي، التمدد الحراري وانعكاس الضوء.[/size][/size]

[size=21]الخواص الكیمیائیة:[/size]

[size=21][size=16]ھي الخواص التي تؤدي إلى التغیر في التركیب الكیمیائي للمادة عند مزجھا تحت ظروف معینة مع مادة أخرى أوعند تعرضھالمؤثرما كالتسخین مثلا. وتعتبرمن الخواص المھمة للموا دوخاصة تلك المستخدمة في ظروف آكلة أودرجات حرارةعالیة.[/size][/size]

[size=16]ومن أمثلة الخواص الكیمیائیة في المواد الفلزیة: التاكل أوالصدأ والأكسدة[/size]

[size=21]التغیرات التي تطرأ على المادة:

التغیرات الفیزیائیة:

تغيرات فقط في الشكل الظاھري للمادة دون التغیر في التركیب الأساسي.

[size=21]التغیرات الكیمیائیة:

تغیر التركیب الكیمیائي للمادة بحيث تنتج مادة مختلفة وبصفات وخواص جدیدة.

[size=21]أشكال الماده (Types of Matter)[/size]

توجد المادة في الطبیعة على شكل عناصر أو مركبات أو مخاليط

1- العناصر (Elements)

العنصر: ھو مادة أولیة لا یمكن تحلیلھا إلى مواد ابسطمنھا لا بالطرق الفیزیائیة أو الكیمیائیة. مثل: ألأوكسجين (O) والحديد ( Fe). وتتألف العناصر من دقائقصغیرة جدا تسمى الذرات

الذرة: ھي أصغر جزء من العنصری مكن أنی دخل في التفاعلات الكیمیائیة دون أن ینقسم.

٢- المركبات (Component)

مواد ناتجة من اتحاد عنصرین أو أكثراتحاد اكیمیائیا مثل: الماء والسكروملح الطعام وتتألف المركبات من وحدات تسمى الجزيئات .(molecular)

الجزيء: أصغر جزء من المادة یتكون من ذرتین أو أكثر یمكن أن یوجد في حالة انفراد وتتضح فیھا خواص الماده

[size=16]٣- المخاليط (Mixtures)[/size]

[size=16][size=16]المخلوط: عبارة عن مادتین أوأكثرمجتمعة مع بعضھا البعض دون حدوث تحاد یمیائي. مثل: كوب الشاي ا لذي يتكون من خليط من الماء والسكر والشاي[/size][/size]

[size=21]المفھوم الحدیث للذرة:

[size=16][b]تتكون الذرة من نواة موجبة الشحنة تحتوي على البروتونات والنیوترونات محاطةب إلكترونات تختلف في طاقتھا،نتیجة لوجودھا في مستویات مختلفة من الطاقة،وھناك فراغ ھائل یفصل بین الإلكترونات ولكنه یعتبر من جزءا من حجم الذره[/b][/size]

الدقائق المكونة للذرة:

الإلكترونات: جسیمات سالبة الشحنة كتلة كل منھا= 9.11 * 10-28 غرام
البروتونات : جسیمات موجبة الشحنة كتلتھا أكبرمن كتلة الإلكترون= 1.67*10-24غرام
النیوترونات : جسیمات غيرمشحونة كھربیا ( متعادلة الشحنة) لھا كتلة = كتلة البروتونات تقریبا

المجال الإلكتروني: منطقة أو حیز من الفراغ یحیط بالنواة یكون احتمال وجودالإلكترون فیه كبیرا،وتختلف ھذه المنطقة حدوداوشكلا بحسب اختلاف الطاقة التي یمتلكھا الإلكترون.

ویتم تمثیل المجال الإلكتروني بحسب عدد الإلكترونات بالشكل التالي:

ویكون دوران الإلكترونات إما مع عقارب الساعة أوعكس عقارب الساعة ونتیجة لهذا الدوران ینتج حقل مغناطیسي یعتمد اتجاھھعلى اتجاه دوران الإلكترون

طاقة الإلكترون وتوزیعھا: لكل إلكترون مقدار من الطاقة یختلف باختلاف المستوى الرئیسي أوالفرعي الذي ینتمي الیه،ویتمتوزیع الإلكترونات في سبع مستویات رئیسیة ویرمزللمستوى بالرمز(ن) وھناك أیضا مستویات فرعیة داخل المستویات الرئیسیةیرمز لھا بالرمز .s, p, d, f

ویتم توزیع الإلكترونات في مستویاتھا الرئیسیة والفرعیة بالطریقة التالیة مع مراعاة أن الإلكترونات تحاول شغل المستویات أقلطاقة.

قاعدةھند: في تساوي جمیع الاختیارات،تعمد الإلكترونات في ملئھا المجالات إلى جعل حركة دورانھا حول نفسھا في نفسالاتجاه.

الكتلةالذریة: معدل كتلة ذرات العنصر بالنسبة لكتلة ذرة الكربون 126C والتي تساوي١٢وحدة كتلة ذریة )وكذ(.

معدل كتلة ذرات العنصر: معدل كتلة مخلوط النظائر التي یتألف منھا العنصرمحسوبة على أساس نسبة وجود كل نظیرویستخدم لقیاس النسب جھازمطیاف الكتلة.

[/size][/size][/size]

البنيه البلوريه للماده

إلكترونات التكافؤ والروابط الذریة

إلكترونات التكافؤ : تعتمد كثيرمن الخواص الكیمیائیة والفیزیائية على الكترونات التكافؤ لمسئولیتھا المباشرة عن طرقالترابط بین الذرات وتوجد ھذه الالكترونات في المدارالأخیر للذرة.

[size=21]قاعدة الثمانیة : تطبق على جمیع العناصر ماعدا الھیدروجین (یحوي الكترون واحد) والھلیوم (الكترونین)، حیث وجد أنوجود ثمانیة الكترونات في المدارالخارجي للذرة یعطیھا مقدارا كبیرا من الثبات والإستقرار فمثلا الغازات الخاملة مثل الارجون (Ne)والنیون(Ar)لا تتفاعل لأنھات حتوي على ثمانیة الكترونات في المدار الاخیر.[/size]

وترتكز ھذه القاعدة على ثلاث حالات:

١-فقد الكترون : وعندھ اتصبح الذرة موجبة الشحنة أوأیون موجب (كاتیون). وتعمد الذرةإلى فقد الالكترونات إذا كان عدد الالكترونا تفي المدار الخارجي اق لمن اربعة.

٢- اكتساب الكترون: تصبح الذرة سالبة الشحنة أوأیون سالب (أنیون). وتعمد الذرة إلى اكتساب الكترونات إذا كان عدد الالكتروناتفي المدار الأخیر اكثرمن أربعة.

٣- المشاركة مع ذرات اخرى.

١- الروابط الكیمیائیة : ھي القوى التي تربط ذرات العناصر مع بعضها البعض في

[size=21]أ) الرابطة الأیونیة (Ionic Bond) :

تتم عادة بین الفلزات واللافلزات وقبل ان نعطي مثال لذلك يجب معرفة الفرق بین الفلزات واللافلزات. وللتعرف على ھذه الرابطةلابد اولا من معرفة خواص الفلزات واللافلزات.

[size=21]خواص الفلزات:[/size]

١- عدد الكترونات التكافؤ لایزید عن ثلاثة وبالتالي فأنھا تعمد إلى فقد الالكترونات.
٢- التوصيل الجيد للكھرباء والحرارة.
٣- وجودها في صوره جامده
٤- معتمه لا تنفذ الضوء
٥- لھا بريق ولمعان
٦- لها قابلية التشكيل بالطرق والثني

[size=16]اما اللافلزات فأن عدد الكترونات التكافؤ كبیر فھي تعمد الى اكتساب الالكترونات.

مثال على الرابطة الأيونية/ الرابطة في كلورید الصودیوم بین الصودیوم (Na11 و الفلز) والكلور (Cl17 , لا فلز) ھي رابطة ایونیة

[size=21]ب) الرابطة التساھمیة :(Covalent Bond)

وفیھا تتشارك الذرات في الإلكترونات ، كل ذرة تساھم بألكترون واحد على الأقل ولایتم الفقد الكلي كما رأینا في الرابطة الأیونیة.

/مثال/ الرابطة في جزئ المیثان CH4 ھي رابطة تساھمیة فنجد أن الكربون (c) لديه اربعة الكترونات في المدارالخارجيوالھیدروجین (H ) لديه إلكترون واحد وعند ترابط أربع ذرات ھیدروجین مع ذرة كربون برابطة تساھمیة یصبح المدار الخارجي لكلاالعنصرین مشبع.

ج) الرابطة الفلزیة : (Metallic Bond)

ھي الرابطة التي تشد الذرات مع بعضها البعض اخلالفلز أو المعدن وتعتمد ھذه الرابطة على إطلاق ذرات الفلزات لإلكتروناتالتكافؤ فتصبح ھذه الذرات ایونات موجبة، وتكون الإلكترونات سحابة إلكترونیة تعمل على ربط الیونات الموجبة ببعضھا. وقد تكونھذه الاربطة ضعيفه كما في الزئبق وبالتالي فأن درجة إنصھاره منخفضه- ٣٩مْ اما في التنكستن الذ يدرجة إنصھاره عالیة ٣٤١٠مْ)فالرابطة قویة.

المواد الھندسیة :

یمك نتقسيم المواد الھندسیة الى ثلاثة اقسام رئیسیة لكل منھا خواصة الممیزة.

[/size][/size][/size]

» ما الفرق بين الهندسة الكيميائية و هندسة المواد؟؟؟
» مقطع من درس المواد هندسة ميكانيكية ثانية ثانوي
» قائمة المواد المدروسة تخصص هندسة معمارية و عمران
» محاضرات في جميع المواد (علوم وتقنيات وعلوم المادة)
» علوم تجريبية / بكالوريا 2009 جميع المواد مع الحلول في ملف