Dalam konteks yang paling umum, pengukuran bahan jangka menunjukkan prinsip-prinsip, teknik dan operasi untuk membedakan secara kualitatif dan untuk menentukan kuantitatif karakteristik bahan. Sebagai bahan terdiri dari semua bahan alami dan sintetis dan merupakan materi fisik dari produk dan sistem, seperti:• mesin, perangkat, komoditas• pembangkit listrik dan pasokan energi• sarana tempat tinggal, transportasi, dan komunikasijelas bahwa metode karakterisasi bahan memiliki lingkup yang luas dan dampaknya bagi ilmu pengetahuan, teknologi, ekonomi dan masyarakat. Sedangkan disebelumnya bab prinsip metrologi,

Bahan pengukuran ditujukan untuk mencirikan fitur bahan kuantitatif; ini sering berkaitan erat dengan analisis, pemodelan dan simulasi, dan karakterisasi kualitatif ofmaterials melalui pengujian[3.1], lihat Gambar. 3.1.

Secara umum, pengukuran dimulai dengan definisi ukur, kuantitas yang akan diukur [3.2], dan selalu melibatkan perbandingan yang ukur dengan kuantitas yang dikenal dari jenis yang sama. Sedangkan sistem metrologi umum didasarkan pada Bagian A 3

didefinisikan dengan baik SI-Unit (lihat Bab. 1 MDK), formaterials ada spektrum yang luas dari "measurands materi". Hal ini disebabkan berbagai bahan, kimia intrinsik mereka dan sifat fisik, dan banyak atribut, yang berhubungan dengan bahan sehubungan dengan komposisi, struktur, skala, sintesis, sifat dan aplikasi. Beberapa atribut ini dapat dinyatakan - dalam arti metrologi - angka, seperti kepadatan atau konduktivitas termal; beberapa Boolean, seperti kemampuan untuk menjadi daur ulang; beberapa, seperti ketahanan terhadap korosi, dapat dinyatakan sebagai peringkat (miskin, yang memadai, baik, misalnya) dan beberapa hanya dapat ditangkap dengan teks dan gambar [3.3]. Sebagai latar belakang untuk sistem bahan pengukuran dan klasifikasi metode karakterisasi bahan, dalam bab ini fitur dasar dari bahan ditinjau secara singkat.

3.1 Fitur Dasar BahanBahan dapat berasal dari alam atau sintetis diproses dan diproduksi. Menurut sifat kimianya mereka dikelompokkan tradisional menjadi bahan anorganik dan organik. Struktur fisik mereka bisa kristal, atau amorf. Komposit kombinasi bahan berkumpul untuk memperoleh sifat unggul daripada konstituen tunggal mereka. Komposit diklasifikasikan menurut sifat matriks mereka: logam, komposit keramik atau polimer, MMC sering ditunjuk, CMC dan PMC, masing-masing. Gambar 3.2 mengilustrasikan dengan contoh-contoh karakteristik spektrum bahan antara kategori alam, sintetis, anorganik, dan organik.

3.1.1 Sifat BahanDari pandangan ilmu material [3.4], fitur dasar dari bahan padat dijelaskan sebagai berikut. Bahan Atom Nature. Unsur-unsur atom dari tabel periodik yang merupakan komposisi kimiamaterial. Bahan Atom Bonding. Jenis interaksi elektronik kohesif antara atom (atau molekul) dalam bahan, secara empiris dikategorikan ke dalam kelas-kelas dasar sebagai berikut:• Obligasi ionik terbentuk antara unsur-unsur kimia dengan sangat berbeda elektron-negatif

(kecenderungan untuk mendapatkan elektron), sehingga transfer elektron dan pembentukan anion dan kation. Bonding terjadi melalui gaya elektrostatik antara ion.• Ikatan kovalen terbentuk antara unsur-unsur yang memiliki elektron yang sama-hal negatif, elektron terlokalisasi dan dibagi sama rata antara atom, menyebabkan spasial diarahkan obligasi sudut.• Obligasi Metallic terjadi antara unsur-unsur dengan elektron-hal negatif yang rendah, sehingga elektron hanya longgar tertarik ke inti ion. Logam A adalahdianggap sebagai satu set ion bermuatan positif tertanam dalam laut elektron.• obligasi Van der Waals adalah karena polaritas elektronik internal yang berbeda antara atom atau molekul yang berdekatan menyebabkan lemah (sekunder) elektrostatikPasukan ikatan dipol.

Struktur bahan Spasial Atom. Susunan amorf atau kristal atom (atau molekul) dalam struktur kristal ditandai oleh sel satuan yang merupakan blok bangunan fundamental atau modul berulangberkali-kali di ruang dalam kristal.

Butir. Kristalit terdiri dari unit sel yang identik berulang dalam ruang, yang dipisahkan oleh batas butir.

Fase. Agregasi homogen materi sehubungan dengan komposisi kimia dan kristal seragam Struktur: butir terdiri dari sel-sel unit yang sama adalah fase yang sama.Cacat kisi. Penyimpangan dari struktur kristal yang ideal:• Cacat titik atau atom yang hilang: lowongan• cacat Jalur atau baris atom hilang: dislokasi• cacat Area: batas butir• cacat Volume: rongga

Mikro. Koleksi mikroskopis biji-bijian, tahapan, cacat kisi dan batas butir. Bersama dengan karakteristik bahan massal, permukaan dan fenomena antarmuka harus dipertimbangkan.

3.1.2 Jenis BahanDiperkirakan ada sekitar 40 000 dan 80 000 materialswhich digunakan atau dapat digunakan dalam teknologi saat ini [3.3]. Gambar 3.3 daftar keluarga konvensional utama bahan bersama-sama dengan contoh-contoh dari kelas, anggota, dan atribut. Untuk contoh atribut, metode karakterisasi yang cukup diberi nama. Dari sudut pandang teknologi, bahan dikategorikan dalam Gambar. 3.3 sebagai keluarga memiliki karakteristik yang berbeda yang relevan untuk aplikasi teknik [3,5]:

Bahan logam; Paduan. Dalam logam, biji-bijian sebagai bangunan blok yang diselenggarakan bersama oleh gas elektron. Elektron valensi bebas dari akun gas elektron untuk konduktivitas listrik dan panas yang tinggi dan gloss optik logam. Ikatan logam - dipandang sebagai interaksi antara jumlah total dari inti atom dan elektron gas - tidak signifikan dipengaruhi oleh perpindahan atom. Ini adalah alasan untuk daktilitas yang baik dan sifat mampu bentuk logam. Logam dan paduan logam adalah kelompok yang paling penting dari apa yang disebut bahan struktural (lihat di bawah) yang fitur khusus untuk aplikasi teknik yang sifat mekanik mereka, misalnya kekuatan dan ketangguhan.

Semikonduktor. Semikonduktor memiliki posisi menengah antara logam dan non-logam bahan anorganik. Perwakilan mereka yang paling penting adalah unsur silikon dan germanium, memiliki kovalen ikatan dan struktur berlian dan III-V-senyawa sama terstruktur, seperti gallium arsenide (GaAs). Menjadi listrik non-konduktor pada nol mutlak, semikonduktor dapat dibuat konduktif melalui masukan energi panas atau doping atom yang mengarah pada penciptaan elektron bebas berkontribusi terhadap konduktivitas listrik. Semikonduktor adalah bahan fungsional penting (lihat di bawah) untuk komponen elektronik dan aplikasi.

Anorganik Non-logam Bahan, Keramik. Atom dalam material ini diselenggarakan bersama oleh kovalen dan ikatan ionik. Sebagai kovalen dan energi ikatan ionik jauh lebih tinggi daripada obligasi logam, bahan non-logam anorganik, seperti keramik memiliki kekerasan yang tinggi dan suhu leleh tinggi. Bahan-bahan ini pada dasarnya rapuh dan tidak ulet: Berbeda dengan model ikatan logam, perpindahan dimensi atomistik secara teoritis sudah istirahat ikatan kovalen lokal atau mengubah objek wisata anion-kation ke anion-anion atau kation-kation tolakan. Karena hilang elektron valensi bebas, bahan non-logam anorganik merupakan konduktor yang buruk untuk listrik dan panas, ini memenuhi syarat mereka isolator baik dalam aplikasi teknik.

Bahan organik; Polimer, Blends. Bahan organik yang berteknologi paling penting perwakilan adalah polimer, terdiri dari makromolekul mengandung karbon kovalen bondedwith itu sendiri dan dengan unsur nomor atom rendah (misalnya H, N, O, S). Campuran mekanik intim beberapa polimer disebut campuran. Dalam bahan termoplastik, rantai molekul memiliki struktur linear panjang dan diadakan bersama-sama melalui (lemah) antarmolekul (van derWaals) obligasi, yang menyebabkan lowmelting suhu. Dalam thermosettingmaterials rantai yang terhubung dalam suatu struktur jaringan dan tidak meleleh. Struktur polimer amorf (misalnya polystyrene) yang transparan, sedangkan polimer kristalin yang tembus ke buram. Kepadatan rendah dari polimer memberi mereka baik rasio kekuatan ke-berat badan dan membuat mereka kompetitif dengan logam dalam aplikasi teknik struktural.

Komposit. Secara umum, komposit adalah ciptaan hibrid yang terbuat dari dua atau lebih bahan yang mempertahankan identitas mereka bila dikombinasikan. Bahan-bahan yang Choso bahwa sifat dari satu konstituen meningkatkan sifat kekurangan dari yang lain. Biasanya, properti tertentu komposit terletak di antara nilai-nilai untuk setiap konstituen, tetapi tidak selalu. Kadang-kadang, milikkomposit jelas unggul daripada salah satu konstituen. Potensi sinergi tersebut adalah salah satu alasan untuk kepentingan dalam komposit untuk aplikasi kinerja tinggi. Namun, karena pembuatan komposit melibatkan banyak langkah dan padat karya, komposit mungkin terlalu mahal untuk bersaing dengan logam dan polimer, bahkan jika sifat mereka lebih unggul. Dalam aplikasi teknologi tinggi dari komposit canggih mestinya juga diingat bahwa mereka biasanya sulit untuk mendaur ulang.

Bahan alami. Bahan-bahan alami yang digunakan dalam aplikasi teknik diklasifikasikan ke dalam bahan-bahan alami asal mineral, misalnya marmer, granit, batu pasir, mika, safir, ruby, berlian, dan orang-orang asal organik, misalnya kayu, India karet, serat alami, seperti katun dan wol. Sifat bahan alami dari mineral. asal, seperti misalnya kekerasan yang tinggi dan daya tahan kimia yang baik, ditentukan oleh

kovalen yang kuat dan ikatan ionik antara konstituen atom atau molekul dan struktur kristal yang stabil. Bahan alami asal organik sering memiliki struktur yang kompleks dengan arah tergantung sifat. Aspek aplikasi menguntungkan dari bahan-bahan alami yang daur ulang dan keberlanjutan.

Biomaterial. Biomaterial dapat didefinisikan secara luas sebagai kelas bahan yang cocok untuk aplikasi biomedis. Mereka dapat secara sintetis berasal dari non-biologis atau bahkan bahan anorganik atau mereka mungkin berasal jaringan hidup. Produk yang menggabungkan biomaterial sangat bervariasi dan mencakup organ buatan; sensor biokimia; bahan pakai dan komoditas; sistem pengiriman obat; gigi, operasi plastik, telinga dan perangkat oftalmologis; pengganti ortopedi; bantu manajemen luka;dan bahan kemasan untuk keperluan biomedis dan higienis. Untuk aplikasi biomaterial pemahaman tentang interaksi antara substrat sintetis dan jaringan biologis yang sangat penting untuk memenuhi kebutuhan persyaratan klinis. Namun, aspek medis dan klinis biomaterial tidak dirawat di buku ini.

3.1.3 Skala BahanSkala panjang geometris bahan memiliki lebih dari dua belas lipat. Skala berkisar dari dimensi nanometer struktur kuantum-baik - dengan potensi aplikasi baru untuk teknologi komunikasi canggih - untuk kilometer panjang. struktur jembatan untuk transportasi umum, pipa dan platform pengeboran minyak untuk pasokan energi masyarakat. Demikian,Metode pengukuran bahan harus mengkarakterisasi bahan sehubungan dengan1. Nanoscale, ukuran sekitar 1 sampai 100 nanometer [3.6],2. Mikro, relevan untuk mikro-perangkat dan Microsystems memiliki ukuran biasanya 1 sampai 1000 mikrometer [3.7],3. Macroscalematerials memiliki dimensi dari semua produk adat, perangkat dan tanaman, mulai dari milimeter untuk skala kilometer [3,8].Gambar 3.4 memberikan skala overviewonmaterials dengan beberapa kata kunci.

3.1.4 Pengolahan BahanUntuk penggunaannya, bahan harus direkayasa oleh pengolahan dan pembuatan untuk memenuhi tujuan mereka sebagai dasar fisik produk yang dirancang untuk kebutuhan ekonomi dan masyarakat. Ada teknologi utama berikut untuk mengubah materi menjadi bahan rekayasa [3.9]:• Machining, i. e. membentuk, pemotongan, pengeboran, dllpadatan,• Net membentuk materi yang sesuai, misalnya cairan, cetakan,• perakitan Nanoteknologi dari atom atau molekul.Selain metode ini, ada juga teknologi lebih lanjut, seperti permukaan dan bergabung, yang diterapkan untuk memproses, bentuk dan merakit bahan dan produk. Desain material mungkin juga didukung oleh metode komputasi [3.10]. Diperkirakan bahwa setidaknya ada 1.000 cara yang berbeda untuk menghasilkan bahan [3.3]. Gambar 3.5 daftar beberapa keluarga dari pengolahan bahan bersama-sama dengan contoh-contoh dari kelas, anggota, dan atribut.

3.1.5 Sifat BahanMenurut sifat mereka, bahan dapat secara luas diklasifikasikan ke dalam kelompok berikut [3.11]:

• bahan Struktural: bahan rekayasa dengan sifat mekanik atau termal tertentu• bahan Fungsional: bahan rekayasa dengan sifat listrik, magnetik atau optik tertentu• Smart bahan: bahan rekayasa dengan intrinsik atau tertanam "sensor" dan "aktuator" yang mampu bereaksi dalam menanggapi beban eksternal, bertujuan mengoptimalkan perilaku bahan 'sesuai dengan yang diberikan persyaratan untuk kinerja bahan [3.12].Harus ditekankan bahwa karakteristik bahan struktural, fungsional, dan cerdas direkayasa dasarnya tergantung pada pengolahan dan manufaktur, seperti yang digambarkan dalam cara yang sangat disederhanakan pada Gambar. 3.6.

3.1.6 Penerapan BahanUntuk aplikasi bahan, kualitas, keselamatan dan keandalan sebagai konstituen dari produk dan komponen rekayasa dan sistem yang penting khusus. Hal ini menambah atribut kinerja dengan karakteristik yang ditentukan oleh pengukuran bahan dan pengujian. Dalam konteks ini siklus bahan harus dipertimbangkan. Gambar 3.7 menggambarkan bahwa semua bahan (disertai dengan aliran diperlukan energi dan informasi) bergerak dalam siklus melalui sistem tekno-ekonomi: dari bahan baku untuk bahan rekayasa dan produk teknis, dan akhirnya, setelah berakhirnya tugas dan kinerja mereka, untuk deposisi atau daur ulang. Dari siklus thematerials, yang berlaku untuk semua cabang teknologi, jelas bahwa bahan dan sifat mereka - akan ditentukan melalui pengukuran dan pengujian - adalah sangat penting untuk kinerja produk teknis. Hal ini digambarkan dalam Tabel 3.1 untuk beberapa contoh produk dan sistem teknis dari energi Sektor [3.13].

3.2 Klasifikasi Bahan Karakterisasi MetodeDari realisasi mengenai penerapan semua materi, klasifikasi metode karakterisasi bahan dapat diuraikan secara sederhana: Setiap kali material sedang dibuat, dikembangkan, atau diproduksi sifat atau fenomena materi pameran dari pusat perhatian. Pengalaman menunjukkan bahwa sifat dan kinerja yang terkait dengan material sangat erat terkait dengan komposisi dan struktur di semua tingkatan, termasuk yang atom yang hadir dan bagaimana atom diatur dalam materi, dan bahwa struktur ini adalah hasil dari sintesis, pengolahan dan pembuatan. Bahan akhir harus melakukan tugas yang diberikan dan harus melakukannya dengan cara yang ekonomis dan dapat diterima secara sosial. Unsur-unsur utama:• Komposisi dan struktur,• sifat,• kinerja

dan keterkaitan antara mereka mendefinisikan kategori utama dari metode karakterisasi material yang akan diterapkan pada elemen-elemen ini, lihat Gambar. 3.8.Gambar 3.8 menggambarkan bahwa metode karakterisasi bahan terdiri analisis, pengukuran, pengujian, pemodelan, dan simulasi. Metode ini dijelaskan secara rinci dalam bagian berikut buku ini:• Metode untuk menganalisis komposisi dan struktur bahan sehubungan dengan komposisi kimia, arsitektur nanoscopic dan mikro, permukaandan interface yang disusun dalam Bagian B.• Metode untuk mengukur mekanik, termal, listrik, magnet dan optik sifat material dijelaskan dalam Bagian C.

• Metode kinerja testingmaterial melalui penentuan mekanisme yang merugikan integritas bahan, seperti korosi, memakai, interaksi biodeterioration, bahan-lingkungan, diuraikan dalam Bagian D, yang juga berisi deskripsi metode untuk kontrol kinerja danpemantauan kondisi.• Metode pemodelan dan simulasi dengan pendekatan matematika dan komputasi - mulai dari MolecularDynamics Pemodelan toMonteCarlo simulasi - dijelaskan dalam Bagian E.

Mendukung penyajian metode karakterisasi bahan, dalam Lampiran yang relevan Standar Internasional ofMaterials MeasurementMethods dikompilasi.