固体

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胰岛素的结晶
气体、液体、固体(由上而下)不同的分子、原子结构。

固体物质存在的一种状态,是四种基本物质状态之一。与液体气体相比,固体有固定的体积及形状[1],形状也不会随着容器形状而改变。固体的质地较液体及气体坚硬,固体的原子之间有紧密的结合。固体可能是晶体,其空间排列是有规则的晶格排列(例如金属),也可能是无定形体,在空间上是不规则的排列(例如玻璃)。一般而言,固体是宏观物体,一个物体要达到一定的大小才能够被称为固体,但是对其大小无明确的规定。

物理学中研究固体的分支称为固体物理学,是凝聚态物理学的主要分支之一。材料科学探讨各种常见固体的物理及化学特性。固体化学研究固体结构、性质、合成、表征等的一门化学分支,也和一些固体材料的化学合成有关。

特性[编辑]

固体有三种特性:

  • 固体里的粒子是紧紧相扣,不易进行运动。
  • 固体是固定在物质里一个特定空间。
  • 当有外力对物质施加作用时,固体形状会被扭曲,引致变形

尽管任何固体都有热能,粒子间可以相互震动,此粒子运动幅度相当的小,很难靠感觉来观察。

通过其组成部分之间相互作用,固体的特性可能与组成它的粒子的特性有很大区别。

微观描述[编辑]

结晶固体紧密排列的原子模型。

固体可依其原子分子离子的排列方式是否有特定周期性的规则,分类为晶体无定形体[2]。规则排列的固体则称为晶体,例如氯化钠。像钻石之类的固体,其排列规则维持较长的距离不被破坏,这种固体称为单晶,不过大部份固体的晶体大小都远小可用肉眼判识的大小,肉眼可见的固体其实是由许多称为晶粒的晶体所组成,晶粒最小可以到数纳米。由许多晶粒组成的固体称为多晶英语polycrystal,常见的金属及许多陶瓷都是多晶。不规则排列的固体被称为无定形体;例子包括聚苯乙烯玻璃

不规则排列的二氧化硅,每个硅原子都和三个氧原子键结,每个氧原子也都和二个硅原子键结,但其整体排列没有一定的规则
六边形规则排列的二氧化硅,硅在六边形的顶点,而氧在在六边形各边的中点
原子排列方式不同的二氧化硅,左图是类似玻璃的不规则排列,右图则是规则排列

固体是结晶体或是无定形体,和其材料及冷却凝固的条件有关,缓慢冷却形成的固体比较容易形成结晶体,而快速冷却形成的固体比较容易形成无定形体。同様的,结晶体的晶体结构也和其材料及冷却凝固的条件有关。例如钢在慢速冷却时会形成波来铁,若经过淬火的快速冷却,会形成马氏体[3]

有些物质中只含有一种化合物,像冰块或氯化钠等,但也有许多物体是由多种化合物所组成,像岩石就是由许多不同的的矿物准矿物英语mineraloid所组成,无法用一个化学式来表示其中的成份,而木材是自然形成的有机材料,主要由纤维素木质素所组成。复合材料是由多种材料所组成,可借由材料及成份的调整来达到预期的特性。

固体的类别[编辑]

依固体组成的原子(或原子团)不同,原子之间的作用力也随之不同:例如氯化钠是由氯离子和钠离子组成,氯离子和钠离子之间会形成离子键。像钻石或硅的固体,原子和原子之间共同使用它们的外层电子,形成成共价键。金属中的原子之间会形成金属键,原子的价电子会形成自由电子。大部份的有机化合物分子间的作用力是范德瓦耳斯力,主因是在分子中的电荷分布不平均所造成。固体的特性受原子之间作用力的影响很大[4]

金属[编辑]

一般而言,金属是的良导体。元素周期表中由画一条线至,线左侧的元素都是金属。合金是指由二种或二种以上元素混合而成,以金属为其主要成份,且有金属特性的混合物[5]

人类自史前时代就开始使用金属,像青铜时代铁器时代就开始以器具使用的金属种类为其时代名称。金属由于其强度及可靠度良好,已广为使用在各领域中,例如建筑物的结构、车辆的结构、许多工具及设备、管线、道路标志及铁轨等。是最常使用的二种金属,也是地壳丰度最高的二种金属元素。在使用时,铁一般会和其他元素形成合金,其中最常使用的,其碳含量最多会到2.1%,而随着碳含量的增加,合金的硬度也会逐渐提高[6]

矿物[编辑]

各式各様的矿物

矿物是存在于自然界中,在高压下经过许多地质过程后形成的固体。矿物必需有晶体结构以及一致性物理性质。矿物的成份约有数千种广,范围从纯元素、简单类,也可以是复杂的硅酸盐。矿物和岩石不同,后者是由许多的矿物及准矿物英语mineraloid所组成,无法用化学式来表示。地壳中岩石的主要成份包括石英长石云母绿泥石高岭石方解石绿帘石橄榄石普通辉石角闪石磁铁矿赤铁矿褐铁矿等。其中石英、长石及云母是常见的矿物,其他的矿物只在一些特定区域才能找到。矿物中最多的是硅酸盐,约占一般岩石的95%,主要是由氧和硅组成,也包括及其他金属。

陶瓷[编辑]

陶瓷材料是由无机化合物所组成,通常是元素的氧化物。陶瓷不容易发生化学反应,一般而言是可以耐酸耐腐蚀的材料。陶瓷一般可耐1000至1600 °C的高温,不过像氮化物硼化物英语Boride碳化物等不含氧的无机化合物其耐温范围更高。陶瓷一般会有高硬度、高耐磨性、抗腐蚀,但其脆性大[7]

传统的陶瓷原料包括像高岭石之类的黏土矿物,较后期的陶瓷原料则包括氧化铝(矾土),现代的陶瓷原料或称为先进陶瓷原料包括有碳化硅碳化钨.两者的耐磨性都很好,因此可用在像采矿设备中的粉碎用机械中。

大部份的陶瓷(包括矾土及其相关化合物)都是用粉末原料成形而成,因此可以得到细粒度的多晶英语polycrystalline微结构英语Microstructure,容易散射可见光范围的电磁波,因此陶瓷一般都是不透明的材料。

玻璃陶瓷[编辑]

炉具用的玻璃陶瓷,有高强度及热膨胀系数小的特性

玻璃陶瓷兼具有无定形体的玻璃及晶体的陶瓷的许多特性,其成形方式类似玻璃,再利用热处理的方式使其部份产生结晶,因此其中同时有无定形体及晶体均匀分布。

闪电击中砂粒中的晶粒时,也会产生玻璃陶瓷。闪电带来的大量及快速的热能会使温度到约2500 °C,会产生中空、分支树根状的闪电熔岩

有机固体[编辑]

个别的木浆纤维,此例的直径约为10µm

有机化学是研究有机化合物的结构、性质、组成、反应及制备等。有机化合物的主要成份为,但也包括卤素),有些有机化合物还含有等,有机固体的例子有木材、石蜡及许多的聚合物和塑胶等。

木材[编辑]

木材是像乔木灌木能够次级生长英语Secondary growth植物所形成的木质化组织。这些植物在初生生长结束后,根茎中的维管形成层开始活动,向外发展出韧皮,向内发展出木材。木材是维管形成层向内的发展出植物组织的统称,包括木质部木质线

木材为林业主产物,对于人类生活起着很大的支持作用。根据木材性质的不同,可以用在不同的应用中。

聚合物[编辑]

聚合物(Polymer)是指具有非常大的分子量的化合物,分子间由结构单位英语structural unit、或单体经由共价键连接在一起。这个字眼(polymer)是出自于希腊字:polys代表的是,而meros 代表的是小单位(part)[8],所以很多小单位连结在一起的这种特别的分子,我们称之为聚合物[9]。需要更多的资讯,可以参考塑胶DNA高分子

生物材料[编辑]

许多自然界的材料都可以视为复杂的复合材料,而且各自有其特殊的性质。这些材料历经数百万年的演变,许多科学家也从中得到灵感来设计先进材料。生物材料的特徴包括结构层次(structural hierarchy)、多功能性及自我修复英语self-healing的能力。自我组织也是生物材料的基本特性之一,借此才能由分子层次逐渐组合为各种生物材料,自组装也是在进行一些高效能生物材料的化学合成时,逐渐开始使用的方法之一。

复合材料[编辑]

碳纤维编织成的布,碳纤维是复合材料中常见的材料之一

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料,经过复合工艺而制备的多相材料。其中包括连续相的基体,和被基体包容,用来提升材料性能的相增强体。

复合材料的应用范围很广,包括建筑工程中常用的钢筋混凝土,及用在航天飞机航天飞机隔热系统中,在航天飞机返航回到地球时避免表面过热的绝热瓦,航天飞机机鼻及机翼前缘会使用强化碳-碳英语Reinforced_Carbon-Carbon的浅灰色材料,可以承受返航时高达1510 °C的温度。强化碳-碳是一种由浸渍在酚醛树脂石墨人造丝制成的层叠英语Laminated复合材料。在高温的高压釜中处理后,层叠会热分解,人造丝会释出碳,再在真空下浸渍在糠醇英语Furfuryl_alcohol中,糠醇也会会释出碳。为了反复利用时的抗氧化能力,会用碳化硅作为强化碳-碳的外层。

半导体[编辑]

半导体是电阻率介于金属导体和非金属绝缘体之间的物质,在周期表往右下的对角线上.其左边是金属导体,其右边是绝缘体。

半导体元件是近代电子学的基础,包括收音机、电脑、电视中都有半导体元件。半导体元件包括晶体管太阳能电池二极管集成电路。大阳能光电板是大型的半导体元件,直接将光能转换为电能。

在金属导体中,电流是由于电子的流动所造成,但在半导体中,电流是由于材料能带结构中的电子流动以及带正电空穴流动所造成。常见的半导体材料包括硅、砷化镓

纳米材料[编辑]

左边是一般的硅,右边则是纳米态的硅

许多固体当其大小为几个纳米时,其特性也会随之改变。例如金和硅分别是金色和灰色,但金和硅的纳米料子都是红色,大小为约2.5纳米的金纳米粒子,其熔点约为300°C,远低于金块的熔点1064°C[10]。金属的纳米线其强度也比一般大小下的相同金属要大[11][12]

纳米材料有高表面积,适用在许多和能源相关的应用中,例如纳米的铂金属可以作为车用燃料的催化剂,也可以用在质子交换膜燃料电池中、的氧化物形成的陶瓷或金属陶瓷英语cermet可用在固体氧化物燃料电池英语solid oxide fuel cell(SOFC)、锂和钛的纳米颗粒可用在锂离子电池或钛酸锂电池中、硅纳米粒子已被证实可以大幅提升锂离子电池在膨胀/收缩周期中的储存容量。硅纳米颗粒也用在新形式的太阳能电池中,太阳能电池中多晶硅基板上硅量子点的薄膜沉积可以增加60%输出电压,此应用中纳米颗粒或薄膜的表面积也使其吸收辐射量达到最大值。

物理性质[编辑]

固体的物理性质包括气味、颜色、体积、密度熔点沸点比热、室温下的形态(固体、液体或气体)、硬度多孔性英语porosity折射率等。以下探讨一些固体的材料性质。

世界上最轻的固体是飞行石墨英语Aerographite,其密度小于0.2 mg/cm³[13],比微晶格英语Microlattice(0.9 mg/cm³ )和气凝胶(1.9 mg/cm³)的密度都小。

力学[编辑]

智利巴塔哥尼亚花岗岩,其成份主要是二氧化硅SiO2三氧化二铝Al2O3.

材料的力学性质是和其材料强度及抵抗变形的能力有关,像许多结构中使用钢梁的原因是因为钢的高强度,在结构中受力时不会断裂,也不会有显著的弯曲

力学性质包括弹性塑性抗拉强度抗压强度抗剪强度断裂韧性延展性(脆性材料的延展性低)及压入硬度固体力学是研究固体在外在施力及温度变化下的行为。

固体和流体不同,不会有宏观的流动现象。固体有一定的形状,若其形状变化,和其原有形状不同,称为形变,形变和原有尺寸的比例称为应变。若材料受到的应力非常小,几乎所有固体都会满足胡克定律,其应变和应力成正比,比例系数为弹性模量杨氏模量,这类的变形是在线弹性英语linearly elastic的范围内。物体受力时的形变可分为以下的三种:

  • 弹性:当外力移除后,物体会恢复成原来形变前的状态。
  • 粘弹性:材料同时有弹性阻尼,因此当外力移除后,物体会接近原来形变前的状态,但不会完全恢复形变前的状态,需额外施力克服阻尼的影响。其应力-应变曲线会有迟滞现象,表示其力学上的响应为一个和时间有关的响应。
  • 塑性:当外力造成的应力超过一定范围时,物体会产生不可逆的永久形变,外力移除后,物体无法恢复成原来形变前的状态。

许多材料高温下的强度会下降,防火材料英语refractory是指高温下仍可维持其强度的材料,可用一些有特殊要求的应用中。例如玻璃陶瓷有优异的力学性质,而且可以承受超过1000 °C的反复性快速温度变化,适用在台面烹饪中。在航太工业中,飞机或太空船外层使用的材料需要可以耐热冲击,因此会使用由有机聚合物纺出的合成纤维,有聚合物/陶瓷/金属的复合材料或是纤维增强塑料英语fiber-reinforced polymer

热学[编辑]

在一个晶体物体内部,振动的简正模英语Normal modes

由于固体有热能,其原子会在固体中特定位置的周围振动,晶体或是无定形体的晶格振动频率频谱固体动力学的基础,原子的振动幅度是原子等级的大小,因此需用特殊的仪器才能观察,例如光谱学相关的仪器。

固体的热学性质包括热导率,是指一固体热传导的能力。固体的热学性质也包括比热容,是指固体以热能方式储存能量的能力。

热电效应包括三个在金属中温度和电压之间的转换效应:塞贝克效应、帕尔帖效应及汤姆孙效应,前二个是在二种不同金属介质中,温度差和电压之间的转换效应,汤姆孙效应则是一金属两端温度不同时,金属两端会形成电势差的效应。

电学[编辑]

电学性质包括电导率电阻率阻抗电容,金属及合金是电的导体,而玻璃及陶瓷是电的绝缘体,前者电导率高,后者电导率低,而半导体介于二者之间。金属的导电是因为其中的电子,半导体的导电是电子和空穴,而快离子导体英语Fast ion conductor的导电性是由离子造成。

大部份导体的电阻率会随着温度的下降而降低,只是电阻率最终会是一个不为零的值。有些材料有超导体的特性,当在温度低于其临界温度时,电阻率会突然降为零。低温下有超导特性的材料包括锡和铝等金属、许多金属合金、一些重度掺杂的半导体及特定的陶瓷。一个由超导体形成的线圈,可以在没有电压源的条件下,让电流在线圈内持续流动。

介电质是一种可以电极化绝缘体,可以用在电容器中。电容器是利用二片距离很近的导体来储存能量的电子零件,二片导体之间即为介电质,因此二片导体会产生大小相同,极性相反的电荷,在电路中电容器常作为能量储存元件,因此电容器的阻抗会随着频率而不同,电容器也常用在滤波器中,去分离高频及低频讯号。

机电特性[编辑]

压电性是指晶体在受到应力后会产生电压的特性,在有压电性的晶体中,若施加电压也会产生微小的形变。像橡胶、木材、头发及丝等聚合物都有压电性,而聚偏二氟乙烯英语polyvinylidene fluoride聚合物的压电性要比石英高出许多。压电性材料的形变特性使其适用在像高压源、喇叭、激光.及其他化学、生物及声光英语acousto-optic传感器换能器

光学[编辑]

有些材料会允许可见光穿透,例如玻璃,有些材料则会反射可见光,例如金属。

许多材料会允许一定波长范围的电磁波通过,反射其他波长范围的电磁波。例如窗户的玻璃会设计成可以让可见光穿透,但会反射大部份会造成晒伤英语Sunburn紫外线,此特性可以用来作频率选择的光滤镜,可以调整入射光的颜色。

在一些特定的应用时,需同时考虑材料的光学和力学特性。例如红外线导引导弹的传感器需放在一个允许红外线穿透的外壳内,目前会使用单晶蓝宝石作为高速红外线导引导弹的外壳,但无法让整个中红外线(3–5 µm)范围内的红外线都穿透此材料,在室温下若波长约超过4.5 µm,穿透能力就开始下降。虽然在室温下蓝宝石的强度比其他和中红外线的材料会好,但若超过600°C时其强度会变差。因此长期以来都要在光学特性和力学的耐久性上取舍,不过使用透明陶瓷英语Transparent ceramics或光学纳米材料可以减少这类的问题。

受导引的光波传输和光纤领域有关,也和玻璃是否可以同时传送多个频率的信号(多模光导)有关,理想情形下光讯号强度维持不变,而信号之间不会有干涉。光导是积体光电子电路英语Photonic integrated circuit的一部份,或是光学通讯系统的传输介质。

光电特性[编辑]

太阳能电池是可以将光能转换为电能的设备,太阳能电池会利用吸光性材料用光子激发电子和空穴,再让电子和空穴往不同方向移动来传导电流。上述的效应称为光电效应,此一领域称为光电工程

太阳能电池有许多不同的应用,最常见的是用在需要电源,但又无法连接到输电网络的情形,例如地球轨道上的卫星、掌上式计算机、手表、卫星电话或距离很远的打水泵浦。近来也开始将太阳能电池产生的能量透过变频器转换为交流电压,输送到输电网络,太阳能电池不只是一个独立的电源,也可以是输电网络的一部份。

所有的太阳能电池都需要在电池结构中有可以吸收光线的材料,用来吸收光子,利用光电效应产生电子。由于太阳光中特定频率范围的光才能穿过大气层,到达地表,太阳能电池中的吸光性材料会选用在可吸收这些频率光子的材料,不过若太阳能电池是放置在大气层外,则需针对大气层的太阳光频率分布来选择太阳能电池的材质。

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ 田战省. 身边的科学/电与磁. 陕西: 陕西科学技术出版社. 2004: p.6. ISBN 7536938829. 
  2. ^ 王昆林. 材料工程基础. 北京: 清华大学出版社有限公司. 2003: p.54. ISBN 7302070644. 
  3. ^ Robert William Kerr Honeycombe, Harshad Kumar Dharamshi Hansraj Bhadeshia, 蔡明钦. 钢-显微组织与性质. 台北: 五南图书出版股份有限公司. 2004: p.168. ISBN 9571137812. 
  4. ^ 王昆林,材料工程基础,p.43
  5. ^ 冯之敬. 制造工程与技术原理. 北京: 清华大学出版社有限公司. 2004: p.19. ISBN 7302081204. 
  6. ^ 冯之敬,制造工程与技术原理,p.31
  7. ^ 冯之敬,制造工程与技术原理,p.72
  8. ^ Online Etymology Dictionary
  9. ^ IUPAC. "Glossary of Basic Terms in Polymer Science". Pure Appl. Chem. 1996, 68, 2287-2311.
  10. ^ Buffat, Ph.; Borel, J.-P. Size effect on the melting temperature of gold particles. Physical Review A. 1976, 13 (6): 2287. Bibcode:1976PhRvA..13.2287B. doi:10.1103/PhysRevA.13.2287. 
  11. ^ Walter H. Kohl. Handbook of materials and techniques for vacuum devices. Springer. 1995: 164–167. ISBN 1-56396-387-6. 
  12. ^ Shpak, Anatoly P; Kotrechko, Sergiy O; Mazilova, Tatjana I; Mikhailovskij, Igor M. Inherent tensile strength of molybdenum nanocrystals. Science and Technology of Advanced Materials, free-download pdf. 2009, 10 (4): 045004. Bibcode:2009STAdM..10d5004S. doi:10.1088/1468-6996/10/4/045004. 
  13. ^ Christian-Albrechts-Universitaet zu Kiel. World Record: Lightest Material in the World Produced. www.sciencedaily.com. 2012-07-12 [2013-04-18].