Solidny
| Część serii o |
| mechanice kontinuum |
|---|
| Fizyka materii skondensowanej |
|---|
 |
Ciało stałe jest jednym z czterech podstawowych stanów skupienia materii (pozostałe to ciecz , gaz i plazma ). Cząsteczki w ciele stałym są ściśle upakowane i zawierają najmniejszą ilość energii kinetycznej. Ciało stałe charakteryzuje się sztywnością strukturalną i odpornością na siłę przyłożoną do powierzchni. W przeciwieństwie do cieczy ciało stałe nie płynie, aby przybrać kształt pojemnika, ani nie rozszerza się, wypełniając całą dostępną objętość jak gaz. Atomy w ciele stałym są ze sobą związane, albo w regularnej sieci geometrycznej ( krystaliczne ciała stałe , które obejmują metale i zwykły lód ) lub nieregularne ( bezpostaciowe ciało stałe , takie jak zwykłe szkło okienne). Ciał stałych nie można sprężać przy niewielkim ciśnieniu, podczas gdy gazy można sprężać przy niewielkim ciśnieniu, ponieważ cząsteczki gazu są luźno upakowane.
Gałąź fizyki zajmująca się ciałami stałymi nazywana jest fizyką ciała stałego i jest główną gałęzią fizyki materii skondensowanej (która obejmuje również ciecze). Materiałoznawstwo zajmuje się przede wszystkim fizycznymi i chemicznymi właściwościami ciał stałych. Chemia ciała stałego zajmuje się w szczególności syntezą nowych materiałów, a także nauką o identyfikacji i składzie chemicznym .
Opis mikroskopowy
Atomy, cząsteczki lub jony tworzące ciała stałe mogą być ułożone w uporządkowany, powtarzający się wzór lub nieregularnie. Materiały, których składniki są ułożone w regularny wzór, są znane jako kryształy . W niektórych przypadkach regularne porządkowanie może trwać nieprzerwanie na dużą skalę, na przykład diamenty, gdzie każdy diament jest pojedynczym kryształem . Stałe obiekty, które są wystarczająco duże, aby je zobaczyć i uchwycić, rzadko składają się z pojedynczego kryształu, ale zamiast tego składają się z dużej liczby pojedynczych kryształów, zwanych krystalitami , których rozmiar może wahać się od kilku nanometrów do kilku metrów. Takie materiały to tzw polikrystaliczny . Prawie wszystkie popularne metale i wiele materiałów ceramicznych jest polikrystalicznych.
W innych materiałach nie ma porządku dalekiego zasięgu w położeniu atomów. Te ciała stałe są znane jako amorficzne ciała stałe ; przykłady obejmują polistyren i szkło.
To, czy ciało stałe jest krystaliczne, czy amorficzne, zależy od użytego materiału i warunków, w jakich zostało utworzone. Ciała stałe, które powstają w wyniku powolnego chłodzenia, będą miały tendencję do bycia krystalicznymi, podczas gdy ciała stałe, które są szybko zamrażane, z większym prawdopodobieństwem będą amorficzne. Podobnie specyficzna struktura krystaliczna przyjęta przez krystaliczne ciało stałe zależy od użytego materiału i sposobu jego uformowania.
Podczas gdy wiele popularnych przedmiotów, takich jak kostka lodu lub moneta, jest pod względem chemicznym identyczna, wiele innych powszechnych materiałów składa się z wielu różnych substancji spakowanych razem. Na przykład typowa skała to agregat kilku różnych minerałów i mineraloidów , bez określonego składu chemicznego. Drewno jest naturalnym materiałem organicznym składającym się głównie z celulozowych osadzonych w matrycy ligniny organicznej . W materiałoznawstwie kompozyty składające się z więcej niż jednego materiału składowego można zaprojektować tak, aby miały pożądane właściwości.
Klasy ciał stałych
Siły między atomami w ciele stałym mogą przybierać różne formy. Na przykład kryształ chlorku sodu (sól kuchenna) składa się z jonów sodu i chloru , które są połączone wiązaniami jonowymi . W diamencie lub krzemie atomy dzielą elektrony i tworzą wiązania kowalencyjne . W metalach elektrony są wspólne w wiązaniu metalicznym . Niektóre ciała stałe, zwłaszcza większość związków organicznych, są utrzymywane razem przez siły van der Waalsa wynikające z polaryzacji chmury ładunków elektronowych na każdej cząsteczce. Różnice między rodzajami ciał stałych wynikają z różnic w ich wiązaniu.
Metale
Metale zazwyczaj są mocne, gęste i dobrze przewodzą zarówno elektryczność , jak i ciepło . Większość pierwiastków w układzie okresowym pierwiastków , znajdujących się na lewo od ukośnej linii biegnącej od boru do polonu , to metale. Mieszaniny dwóch lub więcej pierwiastków, w których głównym składnikiem jest metal, nazywane są stopami .
Od czasów prehistorycznych ludzie używali metali do różnych celów. Wytrzymałość i niezawodność metali doprowadziła do ich szerokiego zastosowania w budownictwie budynków i innych konstrukcji, a także w większości pojazdów, wielu urządzeniach i narzędziach, rurach, znakach drogowych i torach kolejowych . Żelazo i aluminium to dwa najczęściej stosowane metale konstrukcyjne. Są również najbardziej rozpowszechnionymi metalami w skorupie ziemskiej . Żelazo jest najczęściej stosowane w postaci stopu, stali, która zawiera do 2,1% węgla , dzięki czemu jest znacznie twardsza niż czyste żelazo.
Ponieważ metale są dobrymi przewodnikami elektryczności, są cenne w urządzeniach elektrycznych i do przenoszenia prądu elektrycznego na duże odległości przy niewielkich stratach lub rozpraszaniu energii. Dlatego sieci elektroenergetyczne polegają na metalowych kablach do dystrybucji energii elektrycznej. Na przykład domowe systemy elektryczne są okablowane miedzią ze względu na jej dobre właściwości przewodzące i łatwą obróbkę. Wysoka przewodność cieplna większości metali sprawia, że są one również przydatne w przyborach kuchennych.
Badania pierwiastków metalicznych i ich stopów stanowią znaczną część dziedzin chemii ciała stałego, fizyki, materiałoznawstwa i inżynierii.
Metaliczne ciała stałe są utrzymywane razem przez dużą gęstość wspólnych, zdelokalizowanych elektronów, znanych jako „ wiązanie metaliczne ”. W metalu atomy łatwo tracą najbardziej zewnętrzne („walencyjne”) elektrony , tworząc jony dodatnie . Wolne elektrony są rozproszone po całym ciele stałym, które jest mocno utrzymywane razem przez oddziaływania elektrostatyczne między jonami a chmurą elektronów. Duża liczba wolnych elektronów nadaje metalom wysokie wartości przewodnictwa elektrycznego i cieplnego. Wolne elektrony zapobiegają również przepuszczaniu światła widzialnego, sprawiając, że metale stają się nieprzezroczyste, błyszczące i lśniący .
Bardziej zaawansowane modele właściwości metali uwzględniają wpływ rdzeni jonów dodatnich na zdelokalizowane elektrony. Ponieważ większość metali ma strukturę krystaliczną, jony te są zwykle ułożone w sieć okresową. Matematycznie potencjał rdzeni jonowych można traktować za pomocą różnych modeli, z których najprostszym jest model prawie swobodnych elektronów .
Minerały
Minerały to naturalnie występujące ciała stałe powstałe w wyniku różnych procesów geologicznych pod wysokim ciśnieniem. Aby substancja została sklasyfikowana jako prawdziwy minerał, musi mieć strukturę krystaliczną o jednolitych właściwościach fizycznych. Minerały mają różny skład, od czystych pierwiastków i prostych soli po bardzo złożone krzemiany o tysiącach znanych form. Natomiast skały jest losowym skupiskiem minerałów i/lub mineraloidów i nie ma określonego składu chemicznego. Zdecydowana większość skał skorupy ziemskiej składają się z kwarcu (krystalicznego SiO 2 ), skalenia, miki, chlorytu , kaolinu , kalcytu, epidotu , oliwinu , augitu , hornblendy , magnetytu , hematytu , limonitu i kilku innych minerałów. Niektóre minerały, takie jak kwarc , mika lub skaleń , są powszechne, podczas gdy inne znaleziono tylko w kilku miejscach na całym świecie. Zdecydowanie największą grupą minerałów są krzemiany (większość skał to ≥95% krzemianów), które składają się głównie z krzemu i tlenu z dodatkiem jonów glinu, magnezu , żelaza, wapnia i innych metali.
Ceramika
Ceramiczne ciała stałe składają się ze związków nieorganicznych, zwykle tlenków pierwiastków chemicznych. Są chemicznie obojętne i często są w stanie wytrzymać erozję chemiczną występującą w środowisku kwaśnym lub żrącym. Ceramika generalnie może wytrzymać wysokie temperatury w zakresie od 1000 do 1600 ° C (1800 do 3000 ° F). Wyjątki obejmują nietlenkowe materiały nieorganiczne, takie jak azotki , borki i węgliki .
Tradycyjne surowce ceramiczne obejmują minerały ilaste , takie jak kaolinit , nowsze materiały obejmują tlenek glinu ( tlenek glinu ). Do nowoczesnych materiałów ceramicznych zaliczanych do ceramiki zaawansowanej zalicza się węglik krzemu i węglik wolframu . Oba są cenione ze względu na swoją odporność na ścieranie i dlatego znajdują zastosowanie w takich zastosowaniach, jak płyty ścieralne sprzętu kruszącego w operacjach górniczych.
Większość materiałów ceramicznych, takich jak tlenek glinu i jego związki, powstaje z drobnych proszków, tworząc drobnoziarnistą mikrostrukturę polikrystaliczną wypełnioną centrami rozpraszania światła porównywalnymi z długością fali światła widzialnego . Tak więc są to generalnie materiały nieprzezroczyste, w przeciwieństwie do materiałów przezroczystych . Jednak najnowsza technologia w nanoskali (np. zol-żel ) umożliwiła produkcję przezroczystej ceramiki polikrystalicznej takich jak przezroczysty tlenek glinu i związki tlenku glinu do takich zastosowań, jak lasery dużej mocy. Zaawansowana ceramika znajduje również zastosowanie w medycynie, przemyśle elektrycznym i elektronicznym.
Inżynieria ceramiczna to nauka i technologia tworzenia materiałów, części i urządzeń ceramicznych w stanie stałym. Odbywa się to albo przez działanie ciepła, albo, w niższych temperaturach, za pomocą reakcji wytrącania z roztworów chemicznych. Termin ten obejmuje oczyszczanie surowców, badanie i wytwarzanie danych związków chemicznych, formowanie ich w komponenty oraz badanie ich struktury, składu i właściwości.
Z mechanicznego punktu widzenia materiały ceramiczne są kruche, twarde, odporne na ściskanie i słabe na ścinanie i rozciąganie. Kruche materiały mogą wykazywać znaczną wytrzymałość na rozciąganie poprzez utrzymywanie obciążenia statycznego. Wytrzymałość wskazuje, ile energii materiał może wchłonąć przed uszkodzeniem mechanicznym, podczas gdy odporność na pękanie (oznaczana jako K Ic ) opisuje zdolność materiału z nieodłącznymi wadami mikrostrukturalnymi do przeciwdziałania pękaniu poprzez wzrost i propagację pęknięć. Jeśli materiał ma dużą wartość odporności na pękanie , podstawowe zasady mechaniki pękania sugerują, że najprawdopodobniej ulegnie pęknięciu plastycznemu. Kruche pękanie jest bardzo charakterystyczne dla większości ceramicznych i szklano-ceramicznych , które zwykle wykazują niskie (i niespójne) wartości K Ic .
Jako przykład zastosowania ceramiki, ekstremalna twardość tlenku cyrkonu jest wykorzystywana do produkcji ostrzy noży, a także innych przemysłowych narzędzi skrawających. Ceramika, taka jak tlenek glinu , węglik boru i węglik krzemu, była używana w kamizelkach kuloodpornych do odparcia ognia z karabinu dużego kalibru. azotek krzemu części są stosowane w ceramicznych łożyskach kulkowych, gdzie ich wysoka twardość czyni je odpornymi na zużycie. Ogólnie rzecz biorąc, ceramika jest również odporna chemicznie i może być stosowana w mokrych środowiskach, w których łożyska stalowe byłyby podatne na utlenianie (lub rdzę).
Jako inny przykład zastosowań ceramiki, we wczesnych latach 80-tych Toyota badała produkcję adiabatycznego silnika ceramicznego o temperaturze roboczej ponad 6000 ° F (3300 ° C). Silniki ceramiczne nie wymagają układu chłodzenia, dzięki czemu umożliwiają znaczną redukcję masy, a tym samym większą oszczędność paliwa. W konwencjonalnym metalowym silniku duża część energii uwalnianej z paliwa musi zostać rozproszona jako ciepło odpadowe , aby zapobiec stopieniu się metalowych części. Prowadzone są również prace nad opracowaniem części ceramicznych do silników z turbiną gazową . Silniki turbinowe wykonane z ceramiki mogą działać wydajniej, zapewniając samolotom większy zasięg i ładowność przy określonej ilości paliwa. Silniki takie nie są jednak produkowane, ponieważ wytwarzanie części ceramicznych z odpowiednią precyzją i trwałością jest trudne i kosztowne. Metody przetwarzania często skutkują szerokim rozmieszczeniem mikroskopijnych wad, które często odgrywają szkodliwą rolę w procesie spiekania, powodując rozprzestrzenianie się pęknięć i ostateczne uszkodzenie mechaniczne.
Ceramika szklana
Materiały szklano-ceramiczne mają wiele wspólnych właściwości zarówno ze szkłem niekrystalicznym, jak i ceramiką krystaliczną . Są formowane jako szkło, a następnie częściowo krystalizowane przez obróbkę cieplną, tworząc zarówno amorficzną , jak i krystaliczną , tak że ziarna krystaliczne są osadzone w niekrystalicznej fazie międzykrystalicznej.
Ceramika szklana jest używana do produkcji naczyń kuchennych (pierwotnie znanych pod marką CorningWare ) i płyt kuchennych, które mają zarówno wysoką odporność na szok termiczny , jak i wyjątkowo niską przepuszczalność płynów. Ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej krystalicznej fazy ceramicznej można zrównoważyć dodatnim współczynnikiem fazy szklistej. W pewnym momencie (~70% krystaliczności) ceramika szklana ma wypadkowy współczynnik rozszerzalności cieplnej bliski zeru. Ten rodzaj ceramiki szklanej wykazuje doskonałe właściwości mechaniczne i wytrzymuje powtarzające się i szybkie zmiany temperatury do 1000°C.
Ceramika szklana może również występować naturalnie, gdy piorun uderza w krystaliczne (np. kwarcowe) ziarna znajdujące się w większości plażowego piasku . W tym przypadku ekstremalne i natychmiastowe ciepło pioruna (~ 2500 ° C) tworzy w wyniku fuzji puste, rozgałęzione struktury przypominające korzenie zwane fulgurytem .
Organiczne ciała stałe
Chemia organiczna zajmuje się badaniem struktury, właściwości, składu, reakcji i otrzymywania w drodze syntezy (lub w inny sposób) związków chemicznych węgla i wodoru , które mogą zawierać dowolną liczbę innych pierwiastków, takich jak azot , tlen i halogeny: fluor , chlor , brom i jod . Niektóre związki organiczne mogą również zawierać pierwiastki fosforu lub siarki . Przykłady organicznych ciał stałych obejmują drewno, wosk parafinowy , naftalen oraz szeroką gamę polimerów i tworzyw sztucznych .
Drewno
Drewno jest naturalnym materiałem organicznym składającym się głównie z włókien celulozowych osadzonych w matrycy z ligniny . Jeśli chodzi o właściwości mechaniczne, włókna są mocne na rozciąganie, a matryca ligniny jest odporna na ściskanie. Tak więc drewno było ważnym materiałem budowlanym, odkąd ludzie zaczęli budować schronienia i używać łodzi. Drewno przeznaczone do prac budowlanych jest powszechnie znane jako tarcica lub tarcica . W budownictwie drewno jest nie tylko materiałem konstrukcyjnym, ale służy również do formowania formy do betonu.
Materiały drewnopochodne są również szeroko stosowane do produkcji opakowań (np. tektura) i papieru, które są wytwarzane z rafinowanej masy celulozowej. Procesy roztwarzania chemicznego wykorzystują kombinację chemikaliów wysokotemperaturowych i alkalicznych (kraft) lub kwaśnych (siarczyny) w celu rozerwania wiązań chemicznych ligniny przed jej wypaleniem.
polimery
Jedną z ważnych właściwości węgla w chemii organicznej jest to, że może on tworzyć pewne związki, których poszczególne cząsteczki są zdolne do łączenia się ze sobą, tworząc w ten sposób łańcuch lub sieć. Proces ten nazywa się polimeryzacją, a łańcuchy lub sieci polimerów, podczas gdy związkiem źródłowym jest monomer. Istnieją dwie główne grupy polimerów: te sztucznie wytwarzane określane są jako polimery przemysłowe lub polimery syntetyczne (tworzywa sztuczne) oraz te, które występują naturalnie jako biopolimery.
Monomery mogą mieć różne podstawniki chemiczne lub grupy funkcyjne, które mogą wpływać na właściwości chemiczne związków organicznych, takie jak rozpuszczalność i reaktywność chemiczna, a także właściwości fizyczne, takie jak twardość, gęstość, wytrzymałość mechaniczna lub na rozciąganie, odporność na ścieranie, ciepło odporność, przezroczystość, kolor itp. W białkach te różnice dają polimerowi zdolność do przyjmowania biologicznie aktywnej konformacji zamiast innych (patrz samoorganizacja ).
Ludzkość od wieków używa naturalnych polimerów organicznych w postaci wosków i szelaku , który zaliczany jest do polimerów termoplastycznych. Polimer roślinny o nazwie celuloza zapewniał wytrzymałość na rozciąganie włókien naturalnych i lin, a na początku XIX wieku kauczuk naturalny był w powszechnym użyciu. Polimery to surowce (żywice) używane do wytwarzania tak zwanych tworzyw sztucznych. Tworzywa sztuczne są produktem końcowym, powstałym po dodaniu jednego lub więcej polimerów lub dodatków do żywicy podczas przetwarzania, który jest następnie kształtowany w ostateczną formę. Polimery, które istniały i są obecnie szeroko stosowane, obejmują polietylen na bazie węgla , polipropylen , polichlorek winylu , polistyren , nylony, poliestry , akryle , poliuretany i poliwęglany oraz silikony na bazie silikonu . Tworzywa sztuczne są ogólnie klasyfikowane jako „towarowe”, „specjalne” i „inżynieryjne”.
Materiały kompozytowe
Materiały kompozytowe zawierają dwie lub więcej faz makroskopowych, z których jedna jest często ceramiczna. Na przykład ciągła matryca i rozproszona faza cząstek lub włókien ceramicznych.
Zastosowania materiałów kompozytowych sięgają od elementów konstrukcyjnych, takich jak beton zbrojony stalą, po płytki termoizolacyjne, które odgrywają kluczową i integralną rolę w systemie ochrony termicznej promu kosmicznego NASA , który jest używany do ochrony powierzchni wahadłowca przed ciepłem -wejście w atmosferę ziemską. Jednym z przykładów jest Reinforced Carbon-Carbon (RCC), jasnoszary materiał, który wytrzymuje temperatury ponownego wejścia w atmosferę do 1510°C (2750°F) i chroni przednią część oraz krawędzie skrzydeł promu kosmicznego. RCC to laminowany materiał kompozytowy wykonany z grafitu ze sztucznego jedwabiu i impregnowana żywicą fenolową . Po utwardzeniu w wysokiej temperaturze w autoklawie laminat jest poddawany pirolizie w celu przekształcenia żywicy w węgiel, impregnowany alkoholem furfuralowym w komorze próżniowej i utwardzany/pirolizowany w celu przekształcenia alkoholu furfuralowego w węgiel. Aby zapewnić odporność na utlenianie w celu ponownego użycia, zewnętrzne warstwy RCC są przekształcane w węglik krzemu.
Krajowe przykłady kompozytów można zobaczyć w „plastikowych” obudowach telewizorów, telefonów komórkowych itp. Te osłonki z tworzywa sztucznego są zwykle kompozytem złożonym z matrycy termoplastycznej, takiej jak akrylonitryl-butadien-styren (ABS), do której dodano kredę węglanu wapnia , talk , włókna szklane lub włókna węglowe w celu zwiększenia wytrzymałości, objętości lub dyspersji elektrostatycznej. Te dodatki mogą być określane jako włókna wzmacniające lub środki dyspergujące, w zależności od ich przeznaczenia.
W ten sposób materiał matrycy otacza i podtrzymuje materiały wzmacniające, utrzymując ich względne położenie. Wzmocnienia nadają swoje specjalne właściwości mechaniczne i fizyczne, aby poprawić właściwości matrycy. Synergia daje właściwości materiału niedostępne z poszczególnych materiałów składowych, podczas gdy szeroka gama materiałów matrycowych i wzmacniających zapewnia projektantowi wybór optymalnej kombinacji.
Półprzewodniki
Półprzewodniki to materiały, których rezystywność (i przewodność) elektryczna jest między przewodami metalowymi a izolatorami niemetalicznymi. Można je znaleźć w układzie okresowym , przesuwając się ukośnie w dół w prawo od boru . Oddzielają przewodniki elektryczne (lub metale po lewej) od izolatorów (po prawej).
Urządzenia wykonane z materiałów półprzewodnikowych są podstawą współczesnej elektroniki, w tym radia, komputerów, telefonów itp. Do urządzeń półprzewodnikowych należą tranzystory , ogniwa słoneczne , diody oraz układy scalone . Panele fotowoltaiczne to duże urządzenia półprzewodnikowe, które bezpośrednio przekształcają światło w energię elektryczną.
W przewodniku metalowym prąd jest przenoszony przez przepływ elektronów, ale w półprzewodnikach prąd może być przenoszony albo przez elektrony, albo przez dodatnio naładowane „ dziury ” w elektronowej strukturze pasmowej materiału. Typowe materiały półprzewodnikowe obejmują arsenek krzemu, germanu i galu .
Nanomateriały
Wiele tradycyjnych ciał stałych wykazuje różne właściwości, gdy kurczą się do rozmiarów nanometrów. Na przykład nanocząstki zwykle żółtego złota i szarego krzemu mają kolor czerwony; nanocząsteczki złota topią się w znacznie niższych temperaturach (~300°C dla rozmiaru 2,5 nm) niż płytki złota (1064°C); a metalowe nanoprzewody są znacznie mocniejsze niż odpowiadające im metale luzem. Duża powierzchnia nanocząstek czyni je niezwykle atrakcyjnymi dla niektórych zastosowań w dziedzinie energii. Na przykład metale platynowe mogą zapewnić ulepszenia jako katalizatory paliw samochodowych , a także membrany do wymiany protonów (PEM) ogniwa paliwowe. Ponadto tlenki ceramiczne (lub cermetale) lantanu , ceru , manganu i niklu są obecnie opracowywane jako ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC). Lit, tytanian litu a nanocząsteczki tantalu są stosowane w bateriach litowo-jonowych. Wykazano, że nanocząsteczki krzemu radykalnie zwiększają pojemność akumulatorów litowo-jonowych podczas cyklu rozszerzania/kurczenia. Nanoprzewody krzemowe krążą bez znacznej degradacji i mają potencjał do zastosowania w bateriach o znacznie wydłużonym czasie przechowywania. Nanocząsteczki krzemu są również wykorzystywane w nowych formach ogniw słonecznych. Cienkowarstwowe osadzanie krzemowych kropek kwantowych na polikrystalicznym krzemowym podłożu ogniwa fotowoltaicznego (słonecznego) zwiększa napięcie wyjściowe nawet o 60% poprzez fluorescencję przychodzącego światła przed przechwyceniem. Tutaj ponownie powierzchnia nanocząstek (i cienkich warstw) odgrywa kluczową rolę w maksymalizacji ilości pochłoniętego promieniowania.
Biomateriały
Wiele naturalnych (lub biologicznych) materiałów to złożone kompozyty o niezwykłych właściwościach mechanicznych. Te złożone struktury, które powstały w wyniku setek milionów lat ewolucji, inspirują naukowców zajmujących się materiałami do projektowania nowych materiałów. Ich charakterystyczne cechy obejmują hierarchię strukturalną, wielofunkcyjność i zdolność do samoleczenia. Samoorganizacja jest również podstawową cechą wielu materiałów biologicznych i sposobem, w jaki struktury są składane od poziomu molekularnego wzwyż. W ten sposób samoorganizacja wyłania się jako nowa strategia w syntezie chemicznej biomateriałów o wysokiej wydajności.
Właściwości fizyczne
Właściwości fizyczne pierwiastków i związków, które dostarczają rozstrzygających dowodów na skład chemiczny, obejmują zapach, kolor, objętość, gęstość (masę na jednostkę objętości), temperaturę topnienia, temperaturę wrzenia, pojemność cieplną, postać fizyczną i kształt w temperaturze pokojowej (ciało stałe, ciecz lub gaz ; kryształy sześcienne, trygonalne itp.), twardość, porowatość, współczynnik załamania światła i wiele innych. W tej sekcji omówiono niektóre właściwości fizyczne materiałów w stanie stałym.
Mechaniczny
.jpg)
Właściwości mechaniczne materiałów opisują cechy, takie jak ich wytrzymałość i odporność na odkształcenia. Na przykład belki stalowe są stosowane w budownictwie ze względu na ich wysoką wytrzymałość, co oznacza, że nie pękają ani nie wyginają się znacząco pod przyłożonym obciążeniem.
Właściwości mechaniczne obejmują elastyczność , plastyczność , wytrzymałość na rozciąganie , wytrzymałość na ściskanie , wytrzymałość na ścinanie , odporność na pękanie , plastyczność (mało kruchych materiałów) i twardość wgniecenia . Mechanika ciał stałych zajmuje się badaniem zachowania się ciał stałych pod wpływem działań zewnętrznych, takich jak siły zewnętrzne i zmiany temperatury.
Ciało stałe nie wykazuje makroskopowego przepływu, jak płyny. Każdy stopień odchylenia od pierwotnego kształtu nazywa się deformacją . Proporcja odkształcenia do pierwotnego rozmiaru nazywana jest odkształceniem. Jeśli przyłożone naprężenie jest wystarczająco niskie, prawie wszystkie materiały stałe zachowują się w taki sposób, że odkształcenie jest wprost proporcjonalne do naprężenia ( prawo Hooke'a ). Współczynnik proporcji nazywany jest modułem sprężystości lub modułem Younga . Ten obszar odkształcenia jest znany jako liniowo sprężysty region. Trzy modele mogą opisać, w jaki sposób bryła reaguje na przyłożone naprężenie:
- Elastyczność – po usunięciu przyłożonego naprężenia materiał powraca do stanu nieodkształconego.
- Lepkosprężystość – Są to materiały, które zachowują się elastycznie, ale mają też właściwości tłumiące . Po usunięciu przyłożonego naprężenia należy wykonać pracę przeciw efektom tłumienia, która jest przekształcana w ciepło w materiale. Powoduje to pętlę histerezy na krzywej naprężenie-odkształcenie. Oznacza to, że odpowiedź mechaniczna ma zależność od czasu.
- Plastyczność – materiały, które zachowują się elastycznie, zwykle zachowują się tak, gdy przyłożone naprężenie jest mniejsze niż granica plastyczności. Gdy naprężenie jest większe niż granica plastyczności, materiał zachowuje się plastycznie i nie powraca do poprzedniego stanu. Oznacza to, że nieodwracalne odkształcenie plastyczne (lub płynięcie lepkie) następuje po plastyczności, która jest trwała.
Wiele materiałów staje się słabszych w wysokich temperaturach. Materiały, które zachowują swoją wytrzymałość w wysokich temperaturach, zwane materiałami ogniotrwałymi , są przydatne do wielu celów. Na przykład ceramika szklana stała się niezwykle przydatna do gotowania na blacie, ponieważ wykazuje doskonałe właściwości mechaniczne i może wytrzymać powtarzające się i szybkie zmiany temperatury do 1000 °C. W przemyśle lotniczym wysokowydajne materiały stosowane do projektowania zewnętrznych części samolotów i/lub statków kosmicznych muszą charakteryzować się wysoką odpornością na szok termiczny. W związku z tym włókna syntetyczne przędzone z polimerów organicznych i materiałów kompozytowych polimer/ceramika/metal oraz polimery wzmocnione włóknami są obecnie projektowane z myślą o tym celu.
Termiczny
.gif)
Ponieważ ciała stałe mają energię cieplną , ich atomy wibrują wokół ustalonych średnich pozycji w uporządkowanej (lub nieuporządkowanej) sieci. Widmo drgań sieci w sieci krystalicznej lub szklistej stanowi podstawę kinetycznej teorii ciał stałych . Ten ruch zachodzi na poziomie atomowym i dlatego nie można go zaobserwować ani wykryć bez wysoce specjalistycznego sprzętu, takiego jak ten używany w spektroskopii .
Właściwości termiczne ciał stałych obejmują przewodność cieplną , która jest właściwością materiału wskazującą na jego zdolność do przewodzenia ciepła . Ciała stałe mają również określoną pojemność cieplną , czyli zdolność materiału do magazynowania energii w postaci ciepła (lub drgań sieci termicznej).
Elektryczny
Właściwości elektryczne obejmują zarówno rezystywność, jak i przewodność elektryczną , wytrzymałość dielektryczną , przepuszczalność elektromagnetyczną i przenikalność elektryczną . Przewodniki elektryczne, takie jak metale i stopy, kontrastują z izolatorami elektrycznymi, takimi jak szkło i ceramika. Półprzewodniki zachowują się gdzieś pomiędzy. Podczas gdy przewodnictwo w metalach jest powodowane przez elektrony, zarówno elektrony, jak i dziury przyczyniają się do przepływu prądu w półprzewodnikach. Alternatywnie, jony wspierają prąd elektryczny w przewodnikach jonowych .
Wiele materiałów wykazuje również nadprzewodnictwo w niskich temperaturach; obejmują pierwiastki metalowe, takie jak cyna i aluminium, różne stopy metali, niektóre silnie domieszkowane półprzewodniki i niektóre materiały ceramiczne. Rezystywność elektryczna większości przewodników elektrycznych (metalowych) na ogół zmniejsza się stopniowo wraz ze spadkiem temperatury, ale pozostaje ograniczona. Jednak w nadprzewodniku rezystancja gwałtownie spada do zera, gdy materiał jest schładzany poniżej temperatury krytycznej. Prąd elektryczny płynący w pętli z drutu nadprzewodzącego może trwać w nieskończoność bez źródła zasilania.
Dielektryk lub izolator elektryczny jest substancją , która jest wysoce odporna na przepływ prądu elektrycznego. Dielektryk, taki jak plastik, ma tendencję do skupiania w sobie przyłożonego pola elektrycznego, co jest wykorzystywane w kondensatorach. Kondensator _ to urządzenie elektryczne, które może magazynować energię w polu elektrycznym między parą blisko rozmieszczonych przewodników (zwanych „płytami”). Po przyłożeniu napięcia do kondensatora na każdej okładce gromadzą się ładunki elektryczne o tej samej wielkości, ale o przeciwnej biegunowości. Kondensatory są stosowane w obwodach elektrycznych jako urządzenia do magazynowania energii, a także w filtrach elektronicznych do rozróżniania sygnałów o wysokiej i niskiej częstotliwości.
Elektromechaniczny
Piezoelektryczność to zdolność kryształów do generowania napięcia w odpowiedzi na przyłożone naprężenie mechaniczne. Efekt piezoelektryczny jest odwracalny, ponieważ kryształy piezoelektryczne pod wpływem zewnętrznego napięcia mogą nieznacznie zmienić kształt. Materiały polimerowe, takie jak guma, wełna, włosy, włókno drzewne i jedwab, często zachowują się jak elektrety . Na przykład polimerowy fluorek winylidenu (PVDF) wykazuje reakcję piezoelektryczną kilkakrotnie większą niż tradycyjny materiał piezoelektryczny kwarc (krystaliczny SiO 2 ). Odkształcenie (~ 0,1%) nadaje się do przydatnych zastosowań technicznych, takich jak źródła wysokiego napięcia, głośniki, lasery, a także czujniki i / lub przetworniki chemiczne, biologiczne i akustyczno-optyczne.
Optyczny
Materiały mogą przepuszczać (np. szkło) lub odbijać (np. metale) światło widzialne.
Wiele materiałów będzie transmitować niektóre długości fal, blokując inne. Na przykład szkło okienne jest przezroczyste dla światła widzialnego , ale znacznie mniej dla większości częstotliwości światła ultrafioletowego powodujących oparzenia słoneczne . Ta właściwość jest używana w filtrach optycznych selektywnych pod względem częstotliwości, które mogą zmieniać kolor padającego światła.
W niektórych przypadkach interesujące mogą być zarówno właściwości optyczne, jak i mechaniczne materiału. Na przykład czujniki naprowadzanego pocisku na podczerwień („poszukiwanego ciepła”) muszą być chronione osłoną przezroczystą dla promieniowania podczerwonego . Obecnie preferowanym materiałem na kopuły szybkich pocisków naprowadzanych na podczerwień jest szafir monokrystaliczny . Transmisja optyczna szafiru w rzeczywistości nie obejmuje całego zakresu średniej podczerwieni (3–5 µm), ale zaczyna spadać przy długościach fal większych niż około 4,5 µm w temperaturze pokojowej. Podczas gdy wytrzymałość szafiru jest lepsza niż w przypadku innych dostępnych materiałów kopułkowych na podczerwień średniego zakresu w temperaturze pokojowej, osłabia się powyżej 600 ° C. Od dawna istnieje kompromis między pasmem optycznym a wytrzymałością mechaniczną; nowe materiały, takie jak przezroczysta ceramika lub nanokompozyty optyczne, mogą zapewnić lepszą wydajność.
Transmisja fal świetlnych z przewodnikiem obejmuje dziedzinę światłowodów i zdolność niektórych szkieł do jednoczesnego przesyłania i przy niewielkiej utracie intensywności, w zakresie częstotliwości (światłowody wielomodowe) z niewielką interferencją między nimi. Światłowody stosowane są jako komponenty w zintegrowanych układach optycznych lub jako medium transmisyjne w systemach komunikacji optycznej.
Optoelektroniczny
Ogniwo słoneczne lub ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie, które przekształca energię świetlną w energię elektryczną. Zasadniczo urządzenie musi spełniać tylko dwie funkcje: fotogenerowanie nośników ładunku (elektronów i dziur) w materiale pochłaniającym światło oraz rozdzielanie nośników ładunku na styk przewodzący, który przekaże prąd (najprościej mówiąc, przenoszący elektrony przez metalowy styk do obwodu zewnętrznego). Ta konwersja nazywa się efektem fotoelektrycznym , a dziedzina badań związanych z ogniwami słonecznymi jest znana jako fotowoltaika.
Ogniwa słoneczne mają wiele zastosowań. Od dawna są używane w sytuacjach, w których energia elektryczna z sieci jest niedostępna, na przykład w odległych systemach zasilania, satelitach krążących wokół Ziemi i sondach kosmicznych, ręcznych kalkulatorach, zegarkach na rękę, zdalnych radiotelefonach i aplikacjach do pompowania wody. Ostatnio zaczynają być stosowane w zespołach modułów fotowoltaicznych (paneli fotowoltaicznych) podłączonych do sieci elektroenergetycznej za pośrednictwem falownika, czyli nie jako jedyne źródło zasilania, ale jako dodatkowe źródło energii elektrycznej.
Wszystkie ogniwa słoneczne wymagają materiału pochłaniającego światło zawartego w strukturze ogniwa, aby absorbować fotony i generować elektrony poprzez efekt fotowoltaiczny . Materiały stosowane w ogniwach słonecznych mają tendencję do preferencyjnego pochłaniania długości fal światła słonecznego, które docierają do powierzchni ziemi. Niektóre ogniwa słoneczne są zoptymalizowane pod kątem pochłaniania światła również poza atmosferą ziemską.
Linki zewnętrzne
|
Do
Z
|
Solidny | Płyn | Gaz | Osocze |
|---|---|---|---|---|
| Solidny | Topienie | Sublimacja | ||
| Płyn | Zamrażanie | Odparowanie | ||
| Gaz | Zeznanie | Kondensacja | Jonizacja | |
| Osocze | Rekombinacja |
|
Stany skupienia ( lista )
| ||
|---|---|---|
| Państwo |  |
|
| Niski poziom energii | ||
| Wysokiej energii | ||
| Inne stany | ||
| Przejścia |
|
|
| Wielkie ilości | ||
| koncepcje | ||
