Твердое тело — одно из четырёх фундаментальных состояний материи наряду с жидкостью , газом и плазмой . Молекулы твердого тела плотно упакованы вместе и содержат наименьшее количество кинетической энергии. Твердое тело характеризуется структурной жесткостью (как у твердых тел ) и сопротивлением силе, приложенной к поверхности. В отличие от жидкости, твердый объект не течет, принимая форму своего контейнера, и не расширяется, чтобы заполнить весь доступный объем, как газ. Атомы в твердом теле связаны друг с другом либо в правильной геометрической решетке ( кристаллические твердые тела , к которым относятся металлы и обычный лед ), либо в неправильной форме ( аморфное твердое тело , такое как обычное оконное стекло). Твердые тела нельзя сжимать при небольшом давлении, тогда как газы можно сжимать при небольшом давлении, поскольку молекулы в газе упакованы неплотно.
Раздел физики , изучающий твёрдые тела, называется физикой твёрдого тела и является основным разделом физики конденсированного состояния (в которую также входят жидкости). Материаловедение в первую очередь занимается физическими и химическими свойствами твердых тел. Химия твердого тела особенно занимается синтезом новых материалов, а также наукой об их идентификации и химическом составе .
Атомы, молекулы или ионы, из которых состоят твердые тела, могут располагаться упорядоченно, повторяясь или нерегулярно. Материалы, составляющие которых расположены в определенном порядке, называются кристаллами . В некоторых случаях регулярный порядок может продолжаться непрерывно в больших масштабах, например, в алмазах, где каждый алмаз представляет собой монокристалл . Твердые объекты, которые достаточно велики, чтобы их можно было видеть и манипулировать ими, редко состоят из одного кристалла, а вместо этого состоят из большого количества монокристаллов, известных как кристаллиты , размер которых может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких метров. Такие материалы называются поликристаллическими . Почти все распространенные металлы и многие керамики являются поликристаллическими.
В других материалах дальний порядок в положении атомов отсутствует. Эти твердые вещества известны как аморфные твердые вещества ; примеры включают полистирол и стекло.
Является ли твердое тело кристаллическим или аморфным, зависит от используемого материала и условий, в которых оно образовалось. Твердые вещества, образующиеся при медленном охлаждении, будут иметь тенденцию быть кристаллическими, тогда как твердые вещества, которые быстро замерзают, с большей вероятностью будут аморфными. Аналогичным образом, конкретная кристаллическая структура , принятая кристаллическим твердым телом, зависит от используемого материала и от того, как оно образовалось.
Хотя многие обычные предметы, такие как кубик льда или монета, химически идентичны, многие другие распространенные 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 целлюлозных волокон, заключенных в матрицу органического лигнина . В материаловедении можно создать композиты , состоящие из более чем одного составляющего материала, с желаемыми свойствами.
Силы между атомами в твердом теле могут принимать самые разные формы. Например, кристалл хлорида натрия (поваренной соли) состоит из ионных натрия и хлора , которые удерживаются вместе ионными связями . [1] В алмазе [2] или кремнии атомы разделяют электроны и образуют ковалентные связи . [3] В металлах электроны являются общими в металлической связи . [4] Некоторые твердые вещества, особенно большинство органических соединений, удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, возникающими в результате поляризации облака электронного заряда на каждой молекуле. Различия между типами твердых тел возникают из-за различий в их соединении.
Металлы обычно прочные, плотные и хорошие проводники электричества и тепла . [5] [6] Основная часть элементов периодической таблицы , расположенных слева от диагональной линии, проведенной от бора к полонию , являются металлами. Смеси двух и более элементов, в которых основным компонентом является металл, называются сплавами .
Люди использовали металлы для самых разных 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 — два наиболее часто используемых конструкционных металла. Они также являются наиболее распространенными металлами в земной коре . Железо чаще всего используется в виде сплава стали, который содержит до 2,1% углерода , что делает его намного тверже, чем чистое железо.
Поскольку металлы являются хорошими проводниками электричества, они ценны в электроприборах и для передачи электрического тока на большие расстояния с небольшими потерями или рассеянием энергии. Таким образом, электрические сети используют металлические кабели для распределения электроэнергии. Например, домашние электрические системы используют медь из-за ее хороших проводящих свойств и простоты обработки. Высокая теплопроводность большинства металлов также делает их пригодными для изготовления кухонной утвари на плитах.
Изучение металлических элементов и их сплавов составляет значительную часть областей химии твердого тела, физики, материаловедения и техники.
Твердые металлические тела удерживаются вместе благодаря высокой плотности 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 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 блестящими .
Более продвинутые модели свойств металлов учитывают влияние ядер положительных ионов на делокализованные электроны. Поскольку большинство металлов имеют кристаллическую структуру, эти ионы обычно образуют периодическую решетку. Математически потенциал ионных остовов можно рассматривать с помощью различных моделей, самой простой из которых является модель почти свободных электронов .
Минералы – это природные твердые вещества, образовавшиеся в результате различных геологических процессов [8] под высоким давлением. Чтобы быть классифицированным как настоящий минерал, вещество должно иметь кристаллическую структуру с одинаковыми физическими свойствами. Минералы варьируются по составу от чистых элементов и простых солей до очень сложных силикатов с тысячами известных форм. Напротив, образец горной 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 некоторых других минералов. Некоторые минералы, такие как кварц , слюда или полевой шпат, широко распространены, тогда как другие были обнаружены лишь в нескольких местах по всему миру. Самая большая группа минералов на сегодняшний день — это силикаты (большинство пород на ≥95% состоят из силикатов), которые состоят в основном из кремния и кислорода с добавлением ионов алюминия, магния , железа, кальция и других металлов.
Керамические твердые вещества состоят из неорганических соединений, обычно оксидов химических элементов. [9] Они химически инертны и часто способны противостоять химической эрозии, которая происходит в кислой или едкой среде. Керамика обычно выдерживает высокие температуры от 1000 до 1600 ° C (от 1800 до 3000 ° F). Исключением являются 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 усовершенствованная 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, состоят из мелких порошков, образующих мелкозернистую поликристаллическую микроструктуру , наполненную центрами светорассеяния , сравнимыми с длиной волны видимого света . Таким образом, они обычно представляют собой непрозрачные материалы, в отличие от прозрачных материалов . Однако новейшие наноразмерные технологии (например, золь-гель ) сделали возможным производство поликристаллической прозрачной керамики , такой как прозрачный оксид алюминия и соединения оксида алюминия, для таких применений, как мощные лазеры. Современная керамика также используется в медицине, электротехнике и электронной промышленности.
Керамическая инженерия — это наука и технология создания твердотельных керамических материалов, деталей и устройств. Это осуществляется либо действием тепла, либо, при более низких температурах, с помощью реакций осаждения из химических растворов. Этот термин включает очистку сырья, изучение и производство соответствующих химических соединений, их формирование на компоненты, а также изучение их структуры, состава и свойств.
С механической точки зрения керамические материалы хрупкие, твердые, прочные при сжатии и слабые при сдвиге и растяжении. Хрупкие материалы могут проявлять значительную прочность на разрыв , выдерживая статическую нагрузку. Прочность показывает, сколько энергии материал может поглотить до механического разрушения, а вязкость разрушения (обозначается 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 пластическому разрушению. Хрупкое разрушение очень характерно для большинства керамических и стеклокерамических материалов, которые обычно имеют низкие (и непостоянные) значения K Ic .
В качестве примера применения керамики можно привести чрезвычайную твердость диоксида циркония при производстве лезвий ножей, а также других промышленных режущих инструментов. Керамика, такая как оксид алюминия , карбид бора и карбид кремния , использовалась в бронежилетах для отражения огня крупнокалиберной винтовки. Детали из нитрида кремния используются в керамических шарикоподшипниках, где высокая твердость делает их износостойкими. В целом керамика также химически устойчива и может использоваться во влажных средах, где стальные подшипники подвержены окислению (или ржавчине).
Еще один пример применения керамики: в начале 1980-х годов компания Toyota исследовала производство адиабатического керамического двигателя с рабочей температурой более 6000 °F (3300 °C). Керамические двигатели не требуют системы охлаждения и, следовательно, позволяют значительно снизить вес и, следовательно, повысить топливную экономичность. В обычном металлическом двигателе большая часть энергии, выделяемой топливом, должна рассеиваться в виде отходящего тепла , чтобы предотвратить расплавление металлических частей. Ведутся также работы по разработке керамических деталей для газотурбинных двигателей . Турбинные двигатели, изготовленные из керамики, могут работать более эффективно, обеспечивая самолетам большую дальность полета и полезную нагрузку при определенном количестве топлива. Однако такие двигатели не производятся, поскольку изготовление керамических деталей с достаточной точностью и долговечностью сложно и дорого. Методы обработки часто приводят к широкому распространению микроскопических дефектов, которые часто играют вредную роль в процессе спекания, приводя к распространению трещин и конечному механическому разрушению.
Стеклокерамические материалы имеют много общих свойств как с некристаллическим стеклом, так и с кристаллической керамикой . Они формируются в виде стекла, а затем частично кристаллизуются в результате термической обработки, образуя как аморфную , так и кристаллическую фазы, так что кристаллические зерна внедряются в некристаллическую межзеренную фазу.
Стеклокерамика используется для изготовления посуды (первоначально известной под торговой маркой CorningWare ) и плит, 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 стеклообразной фазы. В определенной точке (~70% кристалличности) стеклокерамика имеет чистый коэффициент теплового расширения, близкий к нулю. Этот тип стеклокерамики обладает превосходными механическими свойствами и может выдерживать многократные и быстрые изменения температуры до 1000 °C.
Стеклокерамика также может образовываться естественным путем, когда молния ударяет в кристаллические (например, кварцевые) зерна, содержащиеся в большинстве пляжных песков . В этом случае сильный и непосредственный жар молнии (~ 2500 ° C) создает в результате плавления полые, ветвящиеся корневидные структуры, называемые фульгуритами .
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 фосфора или серы . Примеры органических твердых веществ включают древесину, парафин , нафталин и широкий спектр полимеров и пластмасс .
Древесина — это природный органический материал, состоящий в основном из целлюлозных волокон, заключенных в матрицу лигнина . Что касается механических свойств, то волокна прочны на растяжение, а матрица лигнина сопротивляется сжатию. Таким образом, древесина стала важным строительным материалом с тех пор, как люди начали строить жилища и использовать лодки. Древесина, используемая для строительных работ, широко известна как пиломатериалы или древесина . В строительстве древесина является не только конструкционным материалом, но и используется для изготовления формы для бетона.
Древесные материалы также широко используются для упаковки (например, картона) и бумаги, которые производятся из очищенной целлюлозы. В процессах химической варки целлюлозы используется сочетание высокой температуры и щелочных (крафт) или кислотных (сульфитных) 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 тем самым цепь или сеть. Этот процесс называется полимеризацией и образует цепи или сетки полимеров, тогда как исходное соединение представляет собой мономер. Существуют две основные группы полимеров: те, которые производятся искусственно, называются промышленными полимерами или синтетическими полимерами (пластмассами), а те, которые встречаются в природе, называются 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, теплостойкость. устойчивость, прозрачность, цвет и т. д. В белках эти различия дают полимеру способность принимать биологически активную конформацию в предпочтение перед другими (см. самосборка ).
Люди веками использовали природные органические полимеры в виде воска и шеллака , который классифицируется как термопластичный полимер. Растительный полимер под названием целлюлоза обеспечивал прочность натуральных волокон и веревок на разрыв, а к началу 19 века натуральный каучук получил широкое распространение. Полимеры — это сырье (смолы), используемое для изготовления так называемых пластмасс. Пластмассы — это конечный продукт, созданный после добавления одного или нескольких полимеров или добавок к смоле во время обработки, которой затем придается окончательная форма. Полимеры, которые уже существовали и широко используются в настоящее время, включают полиэтилен на основе углерода , полипропилен , поливинилхлорид , полистирол , нейлоны, полиэфиры , акрил , полиуретан и поликарбонаты , а также силиконы на основе кремния . Пластмассы обычно подразделяются на «товарные», «специальные» и «технические».
Композиционные материалы содержат две и более макроскопические фазы, одна из которых часто является керамической. Например, непрерывная матрица и дисперсная фаза из керамических частиц или волокон.
Применение композитных материалов варьируется от конструкционных элементов, таких как железобетон, до теплоизоляционных плиток, которые играют ключевую и неотъемлемую роль в системе тепловой защиты космического корабля НАСА , которая используется для защиты поверхности шаттла от тепла огня. -вход 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 представляет собой ламинированный композиционный материал, изготовленный из графитовой вискозной ткани и пропитанный фенольной смолой . После отверждения при высокой температуре в автоклаве ламинат пиролизуется для превращения смолы в углерод, пропитывается фурфуроловым спиртом в вакуумной камере и отверждается/пиролизуется для превращения фурфуролового спирта в углерод. Чтобы обеспечить стойкость к окислению и возможность повторного использования, внешние слои RCC преобразуются в карбид кремния.
Отечественные образцы композитов можно увидеть в «пластмассовых» корпусах телевизоров, сотовых телефонов и т.п. Эти пластиковые оболочки обычно представляют собой композит, состоящий из термопластической матрицы, такой как акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), в которую для прочности, объема или электростатического диспергирования добавлены карбонат кальция , тальк , стеклянные волокна 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. Арматура придает особые механические и физические свойства, улучшая свойства матрицы. Синергизм создает свойства материала, недоступные для отдельных составляющих материалов, а широкий выбор матриц и упрочняющих материалов дает проектировщику возможность выбора оптимальной комбинации.
Полупроводники — это материалы, которые имеют удельное электрическое сопротивление (и проводимость) между металлическими проводниками и неметаллическими изоляторами. Их можно найти в таблице Менделеева , двигаясь по диагонали вниз вправо от бора . Они отделяют электрические проводники (или металлы слева) от изоляторов (справа).
Устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов, составляют основу современной электроники, включая радио, компьютеры, телефоны и т. д. К полупроводниковым устройствам относятся транзисторы , солнечные элементы , диоды и интегральные схемы . Солнечные фотоэлектрические панели представляют собой 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 разные свойства при уменьшении до нанометровых размеров. Например, наночастицы обычно желтого золота и серого кремния имеют красный цвет; наночастицы золота плавятся при гораздо более низких температурах (~ 300 °C для размера 2,5 нм), чем золотые пластины (1064 °C); [10] и металлические нанопроволоки намного прочнее, чем соответствующие объемные металлы. [11] [12] Большая площадь поверхности наночастиц делает их чрезвычайно привлекательными для определенных применений в области энергетики. Например, платиновые металлы могут улучшить качество автомобильных топливных катализаторов , а также топливных элементов с протонообменной мембраной (PEM). Кроме того, сейчас разрабатываются керамические оксиды (или металлокерамики) лантана , церия , марганца и никеля в качестве твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Наночастицы лития, литий-титаната и тантала применяются в литий-ионных батареях. Было показано, что кремниевые наночастицы значительно увеличивают емкость литий-ионных батарей во время цикла расширения/сжатия. Кремниевые нанопровода циклически повторяются без существенной деградации и представляют потенциал для использования в батареях со значительно увеличенным сроком хранения. Кремниевые наночастицы также используются в новых формах солнечных энергетических элементов. Нанесение тонких пленок кремниевых квантовых точек на поликристаллическую кремниевую подложку фотоэлектрического (солнечного) элемента увеличивает выходное напряжение на целых 60% за счет флуоресценции падающего света перед его захватом. И здесь площадь поверхности наночастиц (и тонких пленок) играет решающую роль в максимизации количества поглощаемого излучения.
Многие природные (или биологические) материалы представляют собой сложные композиты с замечательными механическими свойствами. Эти сложные структуры, возникшие в результате сотен 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 сборки структур, начиная с молекулярного уровня. Таким образом, самосборка становится новой стратегией химического синтеза высокоэффективных биоматериалов.
Физические свойства элементов и соединений, которые убедительно свидетельствуют о химическом составе, включают запах, цвет, объем, плотность (масса на единицу объема), температуру плавления, температуру кипения, теплоемкость, физическую форму и форму при комнатной температуре (твердое тело, жидкость или газ). ; кубические, тригональные кристаллы и др.), 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, а это означает, что они не ломаются и не изгибаются значительно под приложенной нагрузкой.
Механические свойства включают эластичность , пластичность , прочность на растяжение , прочность на сжатие , прочность на сдвиг , вязкость разрушения , пластичность (низкая для хрупких материалов) и твердость при вдавливании . Механика твердого тела — это изучение поведения твердого вещества под воздействием внешних воздействий, таких как внешние силы и изменения температуры.
В отличие от жидкостей твердое тело не обладает макроскопическим течением. Любая степень отклонения от первоначальной формы называется деформацией . Отношение деформации к первоначальному размеру называется деформацией. 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 твердое тело реагирует на приложенное напряжение:
Многие материалы становятся слабее при высоких температурах. Материалы, сохраняющие прочность при высоких температурах, называемые огнеупорными материалами , полезны для многих целей. Например, стеклокерамика стала чрезвычайно полезной для приготовления пищи на столешницах, поскольку она демонстрирует превосходные механические свойства и может выдерживать повторяющиеся и быстрые изменения температуры до 1000 °C. В аэрокосмической промышленности высокоэффективные материалы, используемые при проектировании экстерьеров самолетов и/или космических кораблей, должны иметь высокую устойчивость к тепловому удару. Таким образом, с этой целью в настоящее время разрабатываются синтетические волокна, полученные из органических полимеров и композитных материалов полимер/керамика/металл, а также армированные волокнами полимеры.
.gif/1280px-1D_normal_modes_(280_kB).gif)
Поскольку твердые тела обладают тепловой энергией , их атомы колеблются около фиксированных средних положений внутри упорядоченной (или неупорядоченной) решетки. Спектр колебаний решетки в кристаллической или стекловидной сетке составляет основу кинетической теории твердого тела . Это движение происходит на атомном уровне, и поэтому его нельзя наблюдать или обнаружить без узкоспециализированного оборудования, такого как то, которое используется в спектроскопии .
К термическим свойствам твердых тел относится теплопроводность — свойство материала, указывающее на его способность проводить тепло . Твердые тела также обладают удельной теплоемкостью , которая представляет собой способность материала хранить энергию в виде 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 стекло и керамика. Полупроводники ведут себя где-то посередине. В то время как проводимость в металлах обусловлена электронами, в полупроводниках ток вносят вклад как электроны, так и дырки. Альтернативно, ионы поддерживают электрический ток в ионных проводниках .
Многие материалы также обладают сверхпроводимостью при низких температурах; они включают металлические элементы, такие как олово и алюминий, различные металлические сплавы, некоторые сильнолегированные полупроводники и некоторые виды керамики. Удельное электрическое сопротивление большинства электрических (металлических) проводников обычно постепенно уменьшается с понижением температуры, но остается конечным. Однако в сверхпроводнике сопротивление резко падает до нуля, когда материал охлаждается ниже критической температуры. Электрический ток, текущий по петле из сверхпроводящего провода, может сохраняться неопределенно долго без источника питания.
Диэлектрик , или электрический изолятор, представляет собой вещество, обладающее высокой устойчивостью к прохождению электрического тока. Диэлектрик, например пластик, имеет тенденцию концентрировать внутри себя приложенное электрическое поле, и это свойство используется в конденсаторах. Конденсатор — это электрическое устройство, которое может накапливать энергию в электрическом поле между парой близко расположенных проводников (называемых «пластинами»). Когда на конденсатор подается напряжение, на каждой пластине накапливаются электрические заряды одинаковой величины, но противоположной полярности. Конденсаторы используются в электрических цепях в качестве устройств накопления 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: пьезоэлектрические кристаллы под воздействием внешнего напряжения могут незначительно менять форму. Полимерные материалы, такие как резина, шерсть, волосы, древесное волокно и шелк, часто ведут себя как электреты . Например, полимер поливинилиденфторид (ПВДФ) демонстрирует пьезоэлектрический отклик в несколько раз больший, чем традиционный пьезоэлектрический материал кварц (кристаллический SiO 2 ). Деформация (~0,1%) позволяет найти полезные технические применения, такие как источники высокого напряжения, громкоговорители, лазеры, а также химические, биологические и акустооптические датчики и/или преобразователи.
Материалы могут передавать (например, стекло) или отражать (например, металлы) видимый свет.
Многие материалы пропускают одни длины волн, блокируя другие. Например, оконное стекло прозрачно для видимого света , но гораздо менее прозрачно для большинства частот ультрафиолетового света, вызывающего солнечные ожоги . Это свойство используется в частотно-селективных оптических фильтрах, которые могут изменять цвет падающего света.
Для некоторых целей могут представлять интерес как оптические, так и механические свойства материала. Например, датчики ракеты с инфракрасным самонаведением («тепловым наведением») должны быть защищены крышкой, прозрачной для инфракрасного излучения . В настоящее время предпочтительным материалом для изготовления куполов высокоскоростных ракет с инфракрасным наведением является монокристаллический сапфир . Оптическое пропускание сапфира фактически не распространяется на весь средний инфракрасный диапазон (3–5 мкм), но начинает падать на длинах волн, превышающих примерно 4,5 мкм при комнатной температуре. Хотя прочность сапфира выше, чем у других доступных материалов для инфракрасных куполов среднего диапазона при комнатной температуре, он ослабевает при температуре 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.
Направленная передача световых волн включает в себя область волоконной оптики и способность определенных очков передавать одновременно и с небольшой потерей интенсивности диапазон частот (многомодовые оптические волноводы) с небольшими помехами между ними. Оптические волноводы используются в качестве компонентов интегральных оптических схем или в качестве среды передачи в системах оптической связи.
Солнечная батарея или фотоэлектрический элемент — это устройство, преобразующее световую энергию в электрическую. Принципиально устройство должно выполнять всего две функции: фотогенерацию носителей заряда (электронов и дырок) в светопоглощающем материале и разделение носителей заряда на проводящий контакт, который будет передавать электричество (проще говоря, перенося электроны через металлический контакт во внешнюю цепь). Это преобразование называется фотоэлектрическим эффектом , а область исследований, связанных с солнечными элементами, известна как фотоэлектрическая энергетика.
Солнечные батареи имеют множество применений. Они уже давно используются в ситуациях, когда электроэнергия из сети недоступна, например, в удаленных энергетических системах, спутниках на околоземной орбите и космических зондах, портативных калькуляторах, наручных часах, удаленных радиотелефонах и системах перекачки воды. В последнее время их начинают использовать в сборках солнечных модулей (фотоэлектрических батарей), подключаемых к электросети через инвертор, который должен действовать не как единственный источник, а как дополнительный источник электроэнергии.
Всем солнечным элементам требуется светопоглощающий материал, содержащийся в структуре элемента, для поглощения фотонов и генерации электронов посредством фотоэлектрического эффекта . Материалы, используемые в солнечных элементах, имеют свойство преимущественно поглощать длины волн солнечного света, достигающие поверхности Земли. Некоторые солнечные элементы 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.
Интеллектуальное происхождение материаловедения уходит корнями в эпоху Просвещения , когда исследователи начали использовать аналитическое мышление в области химии , физики и техники , чтобы понять древние феноменологические наблюдения 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 учреждениями как часть этих смежных областей. Начиная с 1940-х годов материаловедение стало более широко признаваться как специфическая и отдельная область науки и техники, и крупные технические университеты по всему миру создали специализированные школы для его изучения.
Ученые-материаловеды подчеркивают, как история материала ( обработка ) влияет на его структуру и, следовательно, на свойства и характеристики 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 судебно-медицинской экспертизы и анализа отказов – исследования материалов, продуктов, конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не функционируют должным образом, вызывая травмы людей или ущерб имуществу. Подобные расследования являются ключом к пониманию, например, причин различных авиационных происшествий и происшествий .
