Твердое тело — одно из четырех основных состояний материи наряду с жидкостью , газом и плазмой . Молекулы в твердом теле плотно упакованы и содержат наименьшее количество кинетической энергии. Твердое тело характеризуется структурной жесткостью (как в твердых телах ) и сопротивлением силе, приложенной к поверхности. В отличие от жидкости, твердый объект не течет, чтобы принять форму своего контейнера, и не расширяется, чтобы заполнить весь доступный объем, как газ. Атомы в твердом теле связаны друг с другом либо в регулярной геометрической решетке ( кристаллические твердые тела , которые включают металлы и обычный лед ), либо нерегулярно ( аморфное твердое тело, такое как обычное оконное стекло). Твердые тела не могут быть сжаты при небольшом давлении, тогда как газы могут быть сжаты при небольшом давлении, потому что молекулы в газе неплотно упакованы.
Раздел физики , который занимается твердыми телами, называется физикой твердого тела и является основным разделом физики конденсированного состояния (включая жидкости). Материаловедение в первую очередь занимается физическими и химическими свойствами твердых тел. Химия твердого тела особенно занимается синтезом новых материалов, а также наукой идентификации и химического состава .
Атомы, молекулы или ионы, из которых состоят твердые тела, могут быть расположены в упорядоченном повторяющемся узоре или нерегулярно. Материалы, составляющие которых расположены в регулярном узоре, известны как кристаллы . В некоторых случаях регулярное упорядочение может продолжаться непрерывно в больших масштабах, например, алмазы, где каждый алмаз представляет собой отдельный кристалл . Твердые объекты, которые достаточно велики, чтобы их можно было увидеть и потрогать, редко состоят из отдельного кристалла, но вместо этого сделаны из большого количества отдельных кристаллов, известных как кристаллиты , размер которых может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких метров. Такие материалы называются поликристаллическими . Почти все обычные металлы и многие виды керамики являются поликристаллическими.
В других материалах нет дальнего порядка в расположении атомов. Эти твердые тела известны как аморфные твердые тела ; примерами являются полистирол и стекло.
Является ли твердое тело кристаллическим или аморфным, зависит от вовлеченного материала и условий, в которых оно образовалось. Твердые тела, которые образуются при медленном охлаждении, как правило, являются кристаллическими, в то время как твердые тела, которые быстро замораживаются, скорее всего, будут аморфными. Аналогично, конкретная кристаллическая структура, принимаемая кристаллическим твердым телом, зависит от вовлеченного материала и от того, как он образовался.
В то время как многие обычные объекты, такие как кубик льда или монета, химически идентичны во всем, многие другие обычные материалы состоят из ряда различных веществ, упакованных вместе. Например, типичная горная порода представляет собой совокупность нескольких различных минералов и минералоидов без определенного химического состава. Древесина — это природный органический материал, состоящий в основном из волокон целлюлозы , встроенных в матрицу органического лигнина . В материаловедении композиты из более чем одного составного материала могут быть разработаны для получения желаемых свойств.
Силы между атомами в твердом теле могут принимать различные формы. Например, кристалл хлорида натрия (поваренная соль) состоит из ионных натрия и хлора , которые удерживаются вместе ионными связями . [1] В алмазе [2] или кремнии атомы делят электроны и образуют ковалентные связи . [3] В металлах электроны делятся в металлических связях . [4] Некоторые твердые тела, особенно большинство органических соединений, удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, возникающими в результате поляризации электронного зарядового облака на каждой молекуле. Различия между типами твердых тел являются результатом различий в их связях.
Металлы обычно прочные, плотные и хорошие проводники как электричества , так и тепла . [5] [6] Основная часть элементов в периодической таблице , те, что слева от диагональной линии, проведенной от бора к полонию , являются металлами. Смеси двух или более элементов, в которых основным компонентом является металл, известны как сплавы .
Люди использовали металлы для различных целей с доисторических времен. Прочность и надежность металлов привели к их широкому использованию в строительстве зданий и других сооружений, а также в большинстве транспортных средств, многих приборах и инструментах, трубах, дорожных знаках и железнодорожных путях. Железо и алюминий являются двумя наиболее часто используемыми конструкционными металлами. Они также являются самыми распространенными металлами в земной коре . Железо чаще всего используется в виде сплава, стали, которая содержит до 2,1% углерода , что делает его намного тверже чистого железа.
Поскольку металлы являются хорошими проводниками электричества, они ценны в электроприборах и для передачи электрического тока на большие расстояния с небольшими потерями или рассеиванием энергии. Таким образом, электросети используют металлические кабели для распределения электроэнергии. Например, домашние электрические системы проложены медью из-за ее хороших проводящих свойств и легкой обрабатываемости. Высокая теплопроводность большинства металлов также делает их полезными для кухонных принадлежностей на плитах.
Изучение металлических элементов и их сплавов составляет значительную часть областей химии твердого тела, физики, материаловедения и техники.
Металлические твердые тела удерживаются вместе высокой плотностью общих, делокализованных электронов, известной как « металлическая связь ». В металле атомы легко теряют свои внешние («валентные») электроны , образуя положительные ионы . Свободные электроны распределены по всему твердому телу, которое прочно удерживается вместе электростатическими взаимодействиями между ионами и электронным облаком. [7] Большое количество свободных электронов придает металлам высокие значения электро- и теплопроводности. Свободные электроны также препятствуют передаче видимого света, делая металлы непрозрачными, блестящими и глянцевыми .
Более продвинутые модели свойств металлов рассматривают влияние положительных ионных ядер на делокализованные электроны. Поскольку большинство металлов имеют кристаллическую структуру, эти ионы обычно организованы в периодическую решетку. Математически потенциал ионных ядер можно рассматривать с помощью различных моделей, простейшей из которых является модель почти свободных электронов .
Минералы — это встречающиеся в природе твердые вещества, образованные в ходе различных геологических процессов [8] под высоким давлением. Чтобы быть классифицированным как настоящий минерал, вещество должно иметь кристаллическую структуру с однородными физическими свойствами по всей его длине. Минералы варьируются по составу от чистых элементов и простых солей до очень сложных силикатов с тысячами известных форм. Напротив, образец породы представляет собой случайную совокупность минералов и/или минералоидов и не имеет определенного химического состава. Подавляющее большинство пород земной коры состоит из кварца (кристаллического SiO 2 ), полевого шпата, слюды, хлорита , каолина , кальцита, эпидота , оливина , авгита , роговой обманки , магнетита , гематита , лимонита и нескольких других минералов. Некоторые минералы, такие как кварц , слюда или полевой шпат, являются обычными, в то время как другие были обнаружены только в нескольких местах по всему миру. Самую большую группу минералов составляют силикаты (большинство горных пород на ≥95% состоят из силикатов), которые в основном состоят из кремния и кислорода с добавлением ионов алюминия, магния , железа, кальция и других металлов.
Керамические твердые тела состоят из неорганических соединений, обычно оксидов химических элементов. [9] Они химически инертны и часто способны выдерживать химическую эрозию, которая происходит в кислотной или едкой среде. Керамика обычно может выдерживать высокие температуры в диапазоне от 1000 до 1600 °C (от 1830 до 2910 °F). Исключения включают неоксидные неорганические материалы, такие как нитриды , бориды и карбиды .
Традиционное керамическое сырье включает глинистые минералы, такие как каолинит , более поздние материалы включают оксид алюминия ( глинозем ). Современные керамические материалы, которые классифицируются как передовая керамика, включают карбид кремния и карбид вольфрама . Оба ценятся за свою стойкость к истиранию и, следовательно, находят применение в таких областях, как износостойкие пластины дробильного оборудования в горнодобывающей промышленности.
Большинство керамических материалов, таких как оксид алюминия и его соединения, формируются из тонких порошков, что дает мелкозернистую поликристаллическую микроструктуру , которая заполнена светорассеивающими центрами, сравнимыми с длиной волны видимого света . Таким образом, они, как правило, являются непрозрачными материалами, в отличие от прозрачных материалов . Однако недавняя наномасштабная (например, золь-гель ) технология сделала возможным производство поликристаллической прозрачной керамики, такой как прозрачный оксид алюминия и его соединения для таких применений, как мощные лазеры. Передовая керамика также используется в медицине, электротехнической и электронной промышленности.
Керамическая инженерия — это наука и технология создания твердотельных керамических материалов, деталей и устройств. Это осуществляется либо под действием тепла, либо, при более низких температурах, с использованием реакций осаждения из химических растворов. Термин включает очистку сырья, изучение и производство соответствующих химических соединений, их формирование в компоненты, а также изучение их структуры, состава и свойств.
С механической точки зрения керамические материалы хрупкие, твердые, прочные на сжатие и слабые на сдвиг и растяжение. Хрупкие материалы могут демонстрировать значительную прочность на растяжение , выдерживая статическую нагрузку. Ударная вязкость показывает, сколько энергии материал может поглотить до механического разрушения, в то время как вязкость разрушения (обозначаемая K Ic ) описывает способность материала с присущими ему микроструктурными дефектами противостоять разрушению посредством роста и распространения трещин. Если материал имеет большое значение вязкости разрушения , основные принципы механики разрушения предполагают, что он, скорее всего, подвергнется пластичному разрушению. Хрупкое разрушение очень характерно для большинства керамических и стеклокерамических материалов, которые обычно демонстрируют низкие (и непостоянные) значения K Ic .
В качестве примера применения керамики можно привести чрезвычайную твердость циркония , которая используется в производстве ножевых лезвий, а также других промышленных режущих инструментов. Керамика, такая как оксид алюминия , карбид бора и карбид кремния, использовалась в бронежилетах для отражения огня крупнокалиберных винтовок. Детали из нитрида кремния используются в керамических шарикоподшипниках, где их высокая твердость делает их износостойкими. В целом, керамика также химически устойчива и может использоваться во влажных средах, где стальные подшипники были бы подвержены окислению (или ржавчине).
В качестве другого примера применения керамики, в начале 1980-х годов Toyota исследовала производство адиабатического керамического двигателя с рабочей температурой более 6000 °F (3320 °C). Керамические двигатели не требуют системы охлаждения и, следовательно, позволяют значительно снизить вес и, следовательно, повысить топливную эффективность. В обычном металлическом двигателе большая часть энергии, выделяемой топливом, должна рассеиваться в виде отработанного тепла , чтобы предотвратить расплавление металлических деталей. Также ведутся работы по разработке керамических деталей для газотурбинных двигателей . Турбинные двигатели, изготовленные из керамики, могут работать более эффективно, обеспечивая самолету большую дальность полета и полезную нагрузку при заданном количестве топлива. Однако такие двигатели не производятся, поскольку изготовление керамических деталей с достаточной точностью и долговечностью является сложным и дорогостоящим. Методы обработки часто приводят к широкому распространению микроскопических дефектов, которые часто играют пагубную роль в процессе спекания, приводя к распространению трещин и конечному механическому отказу.
Стеклокерамические материалы имеют много общих свойств как с некристаллическими стеклами, так и с кристаллической керамикой . Они формируются как стекло, а затем частично кристаллизуются путем термической обработки, в результате чего образуются как аморфные , так и кристаллические фазы, так что кристаллические зерна оказываются встроенными в некристаллическую межзеренную фазу.
Стеклокерамика используется для изготовления посуды (первоначально известной под торговой маркой CorningWare ) и варочных панелей, которые обладают высокой устойчивостью к тепловому удару и чрезвычайно низкой проницаемостью для жидкостей. Отрицательный коэффициент теплового расширения кристаллической керамической фазы может быть уравновешен положительным коэффициентом стекловидной фазы. В определенной точке (~70% кристалличности) стеклокерамика имеет чистый коэффициент теплового расширения, близкий к нулю. Этот тип стеклокерамики демонстрирует превосходные механические свойства и может выдерживать многократные и быстрые изменения температуры до 1000 °C.
Стеклокерамика может также образовываться естественным путем, когда молния ударяет в кристаллические зерна (например, кварц), которые встречаются в большинстве пляжных песков . В этом случае экстремальный и непосредственный жар молнии (~2500 °C) создает полые, разветвленные корневидные структуры, называемые фульгуритами , посредством плавления .
Органическая химия изучает структуру, свойства, состав, реакции и получение путем синтеза (или другими способами) химических соединений углерода и водорода , которые могут содержать любое количество других элементов, таких как азот , кислород и галогены: фтор , хлор , бром и йод . Некоторые органические соединения могут также содержать элементы фосфор или серу . Примерами органических твердых веществ являются древесина, парафин , нафталин и широкий спектр полимеров и пластиков .
Древесина — это натуральный органический материал, состоящий в основном из целлюлозных волокон, встроенных в матрицу лигнина . Что касается механических свойств, волокна прочны на растяжение, а матрица лигнина устойчива к сжатию. Таким образом, древесина стала важным строительным материалом с тех пор, как люди начали строить убежища и использовать лодки. Древесина, используемая для строительных работ, обычно известна как пиломатериалы или древесина . В строительстве древесина является не только конструкционным материалом, но и используется для создания форм для бетона.
Древесные материалы также широко используются для упаковки (например, картона) и бумаги, которые оба производятся из очищенной целлюлозы. Химические процессы варки целлюлозы используют комбинацию высокой температуры и щелочных (крафт) или кислотных (сульфит) химикатов для разрыва химических связей лигнина перед его сжиганием.
Одним из важных свойств углерода в органической химии является то, что он может образовывать определенные соединения, отдельные молекулы которых способны присоединяться друг к другу, образуя таким образом цепь или сеть. Этот процесс называется полимеризацией, а цепи или сети — полимерами, в то время как исходное соединение — мономером. Существуют две основные группы полимеров: искусственно созданные, называемые промышленными полимерами или синтетическими полимерами (пластиками), и встречающиеся в природе — биополимерами.
Мономеры могут иметь различные химические заместители или функциональные группы, которые могут влиять на химические свойства органических соединений, такие как растворимость и химическая реакционная способность, а также на физические свойства, такие как твердость, плотность, механическая прочность или прочность на разрыв, стойкость к истиранию, термостойкость, прозрачность, цвет и т. д. В белках эти различия дают полимеру возможность принимать биологически активную конформацию по сравнению с другими (см. самосборка ).
Люди использовали натуральные органические полимеры в течение многих столетий в виде восков и шеллака , который классифицируется как термопластичный полимер. Растительный полимер под названием целлюлоза обеспечивал прочность на разрыв для натуральных волокон и веревок, а к началу 19 века натуральный каучук получил широкое распространение. Полимеры являются сырьем (смолами), используемым для изготовления того, что обычно называют пластиком. Пластик является конечным продуктом, созданным после того, как один или несколько полимеров или добавок были добавлены к смоле во время обработки, которая затем формируется в окончательную форму. Полимеры, которые были вокруг, и которые в настоящее время широко используются, включают полиэтилен на основе углерода , полипропилен , поливинилхлорид , полистирол , нейлоны, полиэфиры , акрилы , полиуретан и поликарбонаты , а также силиконы на основе кремния . Пластики обычно классифицируются как «товарные», «специальные» и «инженерные» пластики.
Композитные материалы содержат две или более макроскопических фаз, одна из которых часто является керамической. Например, непрерывная матрица и дисперсная фаза керамических частиц или волокон.
Применение композитных материалов варьируется от структурных элементов, таких как железобетон, до теплоизоляционных плиток, которые играют ключевую и неотъемлемую роль в системе тепловой защиты космического челнока NASA , которая используется для защиты поверхности челнока от тепла при входе в атмосферу Земли. Одним из примеров является армированный углерод-углерод (RCC), светло-серый материал, который выдерживает температуру входа в атмосферу до 1510 °C (2750 °F) и защищает носовую часть и передние кромки крыльев космического челнока. RCC — это ламинированный композитный материал, изготовленный из графитовой вискозной ткани и пропитанный фенольной смолой . После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат пиролизуется для преобразования смолы в углерод, пропитывается фурфуроловым спиртом в вакуумной камере и отверждается/пиролизуется для преобразования фурфуролового спирта в углерод. Для обеспечения стойкости к окислению и возможности повторного использования внешние слои RCC преобразуются в карбид кремния.
Отечественные примеры композитов можно увидеть в «пластиковых» корпусах телевизоров, сотовых телефонов и т. д. Эти пластиковые корпуса обычно представляют собой композит, состоящий из термопластичной матрицы, такой как акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), в которую для прочности, объема или электростатической дисперсии добавлены карбонат кальция , мел , тальк, стекловолокно или углеродные волокна. Эти добавки могут называться армирующими волокнами или диспергаторами, в зависимости от их назначения.
Таким образом, матричный материал окружает и поддерживает армирующие материалы, сохраняя их относительное положение. Армирование придает особые механические и физические свойства для улучшения свойств матрицы. Синергизм создает свойства материала, недоступные для отдельных составляющих материалов, в то время как широкий выбор матриц и армирующих материалов предоставляет проектировщику выбор оптимальной комбинации.
Полупроводники — это материалы, имеющие электрическое сопротивление (и проводимость) между сопротивлением металлических проводников и неметаллических изоляторов. Их можно найти в периодической таблице, двигаясь по диагонали вниз вправо от бора . Они разделяют электрические проводники (или металлы, слева) от изоляторов (справа).
Устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов, являются основой современной электроники, включая радио, компьютеры, телефоны и т. д. К полупроводниковым устройствам относятся транзисторы , солнечные элементы , диоды и интегральные схемы . Солнечные фотоэлектрические панели — это большие полупроводниковые устройства, которые напрямую преобразуют свет в электрическую энергию.
В металлическом проводнике ток переносится потоком электронов, но в полупроводниках ток может переноситься либо электронами, либо положительно заряженными « дырками » в электронной зонной структуре материала. Обычные полупроводниковые материалы включают кремний, германий и арсенид галлия .
Многие традиционные твердые тела проявляют различные свойства, когда они сжимаются до нанометровых размеров. Например, наночастицы обычно желтого золота и серого кремния имеют красный цвет; золотые наночастицы плавятся при гораздо более низких температурах (~300 °C для размера 2,5 нм), чем золотые пластины (1064 °C); [10] а металлические нанопроволоки намного прочнее соответствующих объемных металлов. [11] [12] Высокая площадь поверхности наночастиц делает их чрезвычайно привлекательными для определенных применений в области энергетики. Например, платиновые металлы могут обеспечить улучшения в качестве автомобильных топливных катализаторов , а также топливных элементов с протонообменной мембраной (PEM). Кроме того, керамические оксиды (или металлокерамика) лантана , церия , марганца и никеля в настоящее время разрабатываются в качестве твердооксидных топливных элементов (SOFC). Наночастицы лития, титаната лития и тантала применяются в литий-ионных батареях. Было показано, что кремниевые наночастицы значительно увеличивают емкость хранения литий-ионных аккумуляторов во время цикла расширения/сжатия. Кремниевые нанопровода циклируются без значительной деградации и представляют потенциал для использования в аккумуляторах со значительно увеличенным временем хранения. Кремниевые наночастицы также используются в новых формах солнечных энергетических элементов. Тонкопленочное осаждение кремниевых квантовых точек на поликристаллической кремниевой подложке фотоэлектрического (солнечного) элемента увеличивает выходное напряжение на 60% за счет флуоресценции входящего света перед захватом. Здесь снова площадь поверхности наночастиц (и тонких пленок) играет решающую роль в максимизации количества поглощенного излучения.
Многие природные (или биологические) материалы представляют собой сложные композиты с замечательными механическими свойствами. Эти сложные структуры, возникшие за сотни миллионов лет эволюции, вдохновляют ученых-материаловедов на разработку новых материалов. Их определяющие характеристики включают структурную иерархию, многофункциональность и способность к самовосстановлению. Самоорганизация также является фундаментальной особенностью многих биологических материалов и способом, которым структуры собираются на молекулярном уровне. Таким образом, самосборка становится новой стратегией в химическом синтезе высокопроизводительных биоматериалов.
Физические свойства элементов и соединений, которые предоставляют убедительные доказательства химического состава, включают запах, цвет, объем, плотность (масса на единицу объема), температуру плавления, температуру кипения, теплоемкость, физическую форму и очертание при комнатной температуре (твердое тело, жидкость или газ; кубические, тригональные кристаллы и т. д.), твердость, пористость, показатель преломления и многие другие. В этом разделе обсуждаются некоторые физические свойства материалов в твердом состоянии.
.jpg/1280px-Torres_del_Paine,_Patagonia_(2004).jpg)
Механические свойства материалов описывают такие характеристики, как их прочность и устойчивость к деформации. Например, стальные балки используются в строительстве из-за их высокой прочности, что означает, что они не ломаются и не изгибаются значительно под приложенной нагрузкой.
Механические свойства включают в себя эластичность , пластичность , прочность на растяжение , прочность на сжатие , прочность на сдвиг , вязкость разрушения , пластичность (низкая в хрупких материалах) и твердость при вдавливании . Механика твердого тела изучает поведение твердого вещества под внешними воздействиями, такими как внешние силы и изменения температуры.
Твёрдое тело не проявляет макроскопического течения, как жидкости. Любая степень отклонения от его первоначальной формы называется деформацией . Отношение деформации к первоначальному размеру называется напряжением. Если приложенное напряжение достаточно мало, почти все твердые материалы ведут себя таким образом, что деформация прямо пропорциональна напряжению ( закон Гука ). Коэффициент пропорции называется модулем упругости или модулем Юнга . Эта область деформации известна как линейно-упругая область. Три модели могут описать, как твёрдое тело реагирует на приложенное напряжение:
Многие материалы становятся слабее при высоких температурах. Материалы, которые сохраняют свою прочность при высоких температурах, называемые огнеупорными материалами , полезны для многих целей. Например, стеклокерамика стала чрезвычайно полезной для приготовления пищи на столешнице, поскольку она демонстрирует превосходные механические свойства и может выдерживать повторяющиеся и быстрые изменения температуры до 1000 °C. В аэрокосмической промышленности высокопроизводительные материалы, используемые при проектировании внешних частей самолетов и/или космических кораблей, должны обладать высокой устойчивостью к тепловому удару. Таким образом, синтетические волокна, вытянутые из органических полимеров, и композитные материалы полимер/керамика/металл и армированные волокнами полимеры в настоящее время разрабатываются с учетом этой цели.
.gif/1280px-1D_normal_modes_(280_kB).gif)
Поскольку твердые тела обладают тепловой энергией , их атомы колеблются около фиксированных средних положений в упорядоченной (или неупорядоченной) решетке. Спектр колебаний решетки в кристаллической или стекловидной сетке обеспечивает основу для кинетической теории твердых тел . Это движение происходит на атомном уровне, и поэтому его нельзя наблюдать или обнаруживать без высокоспециализированного оборудования, например, используемого в спектроскопии .
Тепловые свойства твердых тел включают теплопроводность , которая является свойством материала, указывающим на его способность проводить тепло . Твердые тела также имеют удельную теплоемкость , которая является способностью материала хранить энергию в форме тепла (или тепловых колебаний решетки).
Электрические свойства включают в себя как электрическое сопротивление, так и проводимость , диэлектрическую прочность , электромагнитную проницаемость и диэлектрическую проницаемость . Электрические проводники, такие как металлы и сплавы, противопоставляются электрическим изоляторам, таким как стекла и керамика. Полупроводники ведут себя где-то посередине. В то время как проводимость в металлах обусловлена электронами, в полупроводниках и электроны, и дырки вносят вклад в ток. С другой стороны, ионы поддерживают электрический ток в ионных проводниках .
Многие материалы также проявляют сверхпроводимость при низких температурах; они включают металлические элементы, такие как олово и алюминий, различные металлические сплавы, некоторые сильно легированные полупроводники и определенную керамику. Электрическое сопротивление большинства электрических (металлических) проводников обычно постепенно уменьшается по мере понижения температуры, но остается конечным. Однако в сверхпроводнике сопротивление резко падает до нуля, когда материал охлаждается ниже критической температуры. Электрический ток, текущий в петле сверхпроводящего провода, может сохраняться бесконечно долго без источника питания.
Диэлектрик , или электрический изолятор, — это вещество, которое обладает высоким сопротивлением к потоку электрического тока. Диэлектрик, такой как пластик, имеет тенденцию концентрировать приложенное электрическое поле внутри себя, что используется в конденсаторах. Конденсатор — это электрическое устройство, которое может хранить энергию в электрическом поле между парой близко расположенных проводников (называемых «пластинами»). Когда к конденсатору прикладывается напряжение, на каждой пластине накапливаются электрические заряды одинаковой величины, но противоположной полярности. Конденсаторы используются в электрических цепях в качестве устройств хранения энергии, а также в электронных фильтрах для различения высокочастотных и низкочастотных сигналов.
Пьезоэлектричество — это способность кристаллов генерировать напряжение в ответ на приложенное механическое напряжение. Пьезоэлектрический эффект обратим, поскольку пьезоэлектрические кристаллы, подвергаясь внешнему приложенному напряжению, могут изменять форму на небольшую величину. Полимерные материалы, такие как резина, шерсть, волосы, древесное волокно и шелк, часто ведут себя как электреты . Например, полимерный поливинилиденфторид (ПВДФ) демонстрирует пьезоэлектрический отклик в несколько раз больше, чем традиционный пьезоэлектрический материал кварц (кристаллический SiO 2 ). Деформация (~0,1%) подходит для полезных технических применений, таких как источники высокого напряжения, громкоговорители, лазеры, а также химические, биологические и акустооптические датчики и/или преобразователи.
Материалы могут пропускать (например, стекло) или отражать (например, металлы) видимый свет.
Многие материалы пропускают некоторые длины волн, блокируя другие. Например, оконное стекло прозрачно для видимого света , но гораздо меньше для большинства частот ультрафиолетового света, вызывающих солнечные ожоги . Это свойство используется для частотно-селективных оптических фильтров, которые могут изменять цвет падающего света.
Для некоторых целей могут представлять интерес как оптические, так и механические свойства материала. Например, датчики на инфракрасной самонаводящейся ракете («тепловой») должны быть защищены покрытием, прозрачным для инфракрасного излучения . В настоящее время предпочтительным материалом для куполов высокоскоростных инфракрасных ракет является монокристаллический сапфир . Оптическая передача сапфира фактически не распространяется на весь средний инфракрасный диапазон (3–5 мкм), но начинает падать на длинах волн больше примерно 4,5 мкм при комнатной температуре. Хотя прочность сапфира лучше, чем у других доступных материалов для куполов среднего инфракрасного диапазона при комнатной температуре, она ослабевает выше 600 °C. Существует давний компромисс между оптической полосой пропускания и механической прочностью; новые материалы, такие как прозрачная керамика или оптические нанокомпозиты, могут обеспечить улучшенные характеристики.
Направляемая передача световых волн охватывает область волоконной оптики и способность определенных стекол передавать одновременно и с малой потерей интенсивности диапазон частот (многомодовые оптические волноводы) с небольшими помехами между ними. Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегральных оптических схемах или в качестве среды передачи в оптических системах связи.
Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это устройство, преобразующее световую энергию в электрическую. По сути, устройство должно выполнять только две функции: фотогенерацию носителей заряда (электронов и дырок) в поглощающем свет материале и разделение носителей заряда на проводящий контакт, который будет передавать электричество (проще говоря, перенос электронов через металлический контакт во внешнюю цепь). Это преобразование называется фотоэлектрическим эффектом , а область исследований, связанная с солнечными элементами, известна как фотовольтаика.
Солнечные элементы имеют множество применений. Они давно используются в ситуациях, когда электроэнергия из сети недоступна, например, в энергосистемах удаленных районов, на спутниках и космических зондах на околоземной орбите, в карманных калькуляторах, наручных часах, в дистанционных радиотелефонах и в системах перекачки воды. В последнее время их начинают использовать в сборках солнечных модулей (фотоэлектрических решетках), подключенных к электросети через инвертор, который должен действовать не как единственный источник, а как дополнительный источник электроэнергии.
Все солнечные элементы требуют наличия поглощающего свет материала, содержащегося в структуре элемента, для поглощения фотонов и генерации электронов посредством фотогальванического эффекта . Материалы, используемые в солнечных элементах, как правило, обладают свойством преимущественного поглощения длин волн солнечного света, достигающих поверхности Земли. Некоторые солнечные элементы также оптимизированы для поглощения света за пределами атмосферы Земли.
Материаловедение — это междисциплинарная область исследования и открытия материалов . Материаловедение — это инженерная область поиска применений материалов в других областях и отраслях.
Интеллектуальные истоки материаловедения берут начало в эпоху Просвещения , когда исследователи начали использовать аналитическое мышление из химии , физики и техники для понимания древних феноменологических наблюдений в металлургии и минералогии . [14] [15] Материаловедение по-прежнему включает в себя элементы физики, химии и техники. Таким образом, эта область долгое время рассматривалась академическими институтами как подобласть этих смежных областей. Начиная с 1940-х годов материаловедение стало более широко признаваться как особая и отдельная область науки и техники, и крупные технические университеты по всему миру создали специальные школы для ее изучения.
Материаловеды подчеркивают важность понимания того, как история материала ( обработка ) влияет на его структуру, а значит, на свойства и производительность материала . Понимание взаимосвязей обработка-структура-свойства называется парадигмой материалов. Эта парадигма используется для углубления понимания в различных областях исследований, включая нанотехнологии , биоматериалы и металлургию .
Материаловедение также является важной частью судебной инженерии и анализа отказов – исследования материалов, продуктов, конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не функционируют так, как предполагалось, вызывая травмы или ущерб имуществу. Такие исследования являются ключом к пониманию, например, причин различных авиационных происшествий и инцидентов .{{cite book}}: |last=имеет общее название ( помощь )
