ของแข็ง

ของแข็งเป็นหนึ่งในสี่รัฐพื้นฐานของเรื่อง (คนอื่นถูกของเหลว , ก๊าซและพลาสม่า ) โมเลกุลในของแข็งจะอัดแน่นเข้าด้วยกันและมีพลังงานจลน์น้อยที่สุด ของแข็งมีลักษณะความแข็งแกร่งของโครงสร้างและความต้านทานต่อแรงที่กระทำกับพื้นผิว ซึ่งแตกต่างจากของเหลววัตถุที่เป็นของแข็งจะไม่ไหลไปจับกับรูปร่างของภาชนะนั้นและไม่ได้ขยายตัวเพื่อเติมปริมาตรทั้งหมดที่มีอยู่เหมือนก๊าซ อะตอมในของแข็งถูกผูกมัดซึ่งกันและกันไม่ว่าจะเป็นตาข่ายเรขาคณิตปกติ( ของแข็งที่เป็นผลึกซึ่งรวมถึงโลหะและน้ำแข็งธรรมดา) หรือไม่สม่ำเสมอ (anของแข็งอสัณฐานเช่นกระจกหน้าต่างทั่วไป). ของแข็งไม่สามารถบีบอัดด้วยความดันเพียงเล็กน้อยในขณะที่ก๊าซสามารถบีบอัดด้วยความดันเพียงเล็กน้อยเนื่องจากโมเลกุลในก๊าซบรรจุอย่างหลวม ๆ

ผลึกเดี่ยวรูปแบบของของแข็ง อินซูลิน

สาขาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับของแข็งเรียกว่าฟิสิกส์สถานะของแข็งและเป็นสาขาหลักของฟิสิกส์สสารควบแน่น (ซึ่งรวมถึงของเหลวด้วย) วัสดุศาสตร์เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของของแข็งเป็นหลัก solid-state เคมีเป็นห่วงโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการสังเคราะห์วัสดุนวนิยายเช่นเดียวกับวิทยาศาสตร์ของประชาชนและองค์ประกอบทางเคมี

แบบจำลองของอะตอมที่บรรจุอย่างใกล้ชิดภายในของแข็งที่เป็นผลึก

อะตอมโมเลกุลหรือไอออนที่ประกอบขึ้นเป็นของแข็งอาจถูกจัดเรียงในรูปแบบการทำซ้ำอย่างเป็นระเบียบหรือไม่สม่ำเสมอ วัสดุที่มีประชาชนในเขตเลือกตั้งจะจัดในรูปแบบปกติที่รู้จักกันเป็นผลึก ในบางกรณีที่การสั่งซื้อปกติสามารถดำเนินการต่อทิวมากกว่าขนาดใหญ่เพชรตัวอย่างเช่นที่แต่ละเพชรเป็นผลึกเดี่ยว วัตถุที่เป็นของแข็งที่มีขนาดใหญ่พอที่จะมองเห็นและจัดการได้นั้นแทบจะไม่ได้ประกอบด้วยคริสตัลชิ้นเดียว แต่ทำจากผลึกเดี่ยวจำนวนมากหรือที่เรียกว่าผลึกซึ่งขนาดอาจแตกต่างกันไปตั้งแต่ไม่กี่นาโนเมตรไปจนถึงหลายเมตร วัสดุดังกล่าวเรียกว่าคริสตัลไลน์ โลหะทั่วไปเกือบทั้งหมดและเซรามิกหลายชนิดเป็นโพลีคาร์บอเนต

Atoms of Si and O; each atom has the same number of bonds, but the overall arrangement of the atoms is random.
Regular hexagonal pattern of Si and O atoms, with a Si atom at each corner and the O atoms at the centre of each side.
การแสดงแผนผังของรูปแบบแก้วเครือข่ายแบบสุ่ม (ซ้าย) และลำดับผลึกแลตติซ (ขวา) ขององค์ประกอบทางเคมีที่เหมือนกัน

ในวัสดุอื่น ๆ ไม่มีลำดับระยะไกลในตำแหน่งของอะตอม ของแข็งเหล่านี้เรียกว่าป่นโปรตีน ; ตัวอย่าง ได้แก่สไตรีนและแก้ว

ไม่ว่าของแข็งจะเป็นผลึกหรืออสัณฐานขึ้นอยู่กับวัสดุที่เกี่ยวข้องและเงื่อนไขที่เกิดขึ้น ของแข็งที่เกิดจากการทำให้เย็นตัวช้าจะมีแนวโน้มที่จะเป็นผลึกในขณะที่ของแข็งที่แข็งตัวเร็วนั้นมีแนวโน้มที่จะเป็นอสัณฐาน ในทำนองเดียวกันโครงสร้างผลึกเฉพาะที่นำมาใช้โดยผลึกแข็งขึ้นอยู่กับวัสดุที่เกี่ยวข้องและวิธีการเกิดขึ้น

แม้ว่าวัตถุทั่วไปหลายอย่างเช่นก้อนน้ำแข็งหรือเหรียญจะมีความเหมือนกันทางเคมีตลอดเวลา แต่วัสดุทั่วไปอื่น ๆ อีกมากมายประกอบด้วยสสารหลายชนิดที่บรรจุรวมกัน ยกตัวอย่างเช่นทั่วไปร็อคเป็นรวมของแร่ธาตุที่แตกต่างกันและmineraloidsไม่มีองค์ประกอบทางเคมีที่เฉพาะเจาะจง ไม้เป็นวัสดุอินทรีย์ธรรมชาติส่วนใหญ่ประกอบด้วยเซลลูโลสเส้นใยฝังอยู่ในเมทริกซ์ของอินทรีย์ลิกนิน ในวัสดุศาสตร์คอมโพสิตของวัสดุที่เป็นส่วนประกอบมากกว่าหนึ่งชิ้นสามารถออกแบบให้มีคุณสมบัติที่ต้องการได้

แรงระหว่างอะตอมในของแข็งสามารถมีได้หลายรูปแบบ ยกตัวอย่างเช่นผลึกของโซเดียมคลอไรด์ (เกลือ) ถูกสร้างขึ้นจากอิออน โซเดียมและคลอรีนซึ่งจะจัดขึ้นร่วมกันโดยพันธบัตรไอออนิก [1]ในเพชร[2]หรือซิลิคอนอะตอมแบ่งปันอิเล็กตรอนและรูปแบบพันธะโควาเลน [3]ในโลหะอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันในพันธะโลหะ [4]ของแข็งบางชนิดโดยเฉพาะสารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่จะถูกจับร่วมกับกองกำลังของแวนเดอร์วาลส์ซึ่งเป็นผลมาจากการโพลาไรซ์ของเมฆประจุไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในแต่ละโมเลกุล ความแตกต่างระหว่างประเภทของของแข็งเป็นผลมาจากความแตกต่างระหว่างพันธะ

โลหะ

จุดสุดยอดของตึกไครสเลอร์ในนิวยอร์กซึ่งเป็น อาคารอิฐรองรับเหล็กที่สูงที่สุดในโลกหุ้มด้วยสแตนเลส

โดยทั่วไปโลหะจะมีความแข็งแรงหนาแน่นและเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี [5] [6]ส่วนใหญ่ของธาตุในตารางธาตุซึ่งอยู่ทางด้านซ้ายของเส้นทแยงมุมที่ลากจากโบรอนถึงโพโลเนียมเป็นโลหะ ผสมของทั้งสององค์ประกอบหรือมากกว่าซึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญคือโลหะที่เป็นที่รู้จักกันเป็นโลหะผสม

ผู้คนใช้โลหะเพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลายมาตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์ ความแข็งแรงและความน่าเชื่อถือของโลหะได้นำไปสู่การใช้อย่างแพร่หลายในการก่อสร้างอาคารและโครงสร้างอื่น ๆ เช่นเดียวกับในยานพาหนะส่วนใหญ่เครื่องใช้ไฟฟ้าจำนวนมากและเครื่องมือท่อป้ายถนนและรางรถไฟ เหล็กและอลูมิเนียมเป็นโลหะโครงสร้างที่ใช้กันมากที่สุดสองชนิด อีกทั้งยังเป็นโลหะที่มีมากที่สุดในเปลือกโลก เหล็กมักใช้ในรูปของโลหะผสมเหล็กซึ่งมีคาร์บอนสูงถึง 2.1% ทำให้ยากกว่าเหล็กบริสุทธิ์มาก

เนื่องจากโลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีจึงมีค่าในเครื่องใช้ไฟฟ้าและสำหรับการรับกระแสไฟฟ้าในระยะทางไกลโดยมีการสูญเสียหรือกระจายพลังงานเพียงเล็กน้อย ดังนั้นกริดพลังงานไฟฟ้าจึงต้องอาศัยสายโลหะในการจ่ายกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นระบบไฟฟ้าภายในบ้านมีสายทองแดงเพื่อให้มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าที่ดีและสามารถแปรรูปได้ง่าย การนำความร้อนสูงของโลหะส่วนใหญ่ยังทำให้มีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์ทำอาหารบนเตา

การศึกษาธาตุโลหะและโลหะผสมเป็นส่วนสำคัญของสาขาเคมีโซลิดสเตตฟิสิกส์วัสดุศาสตร์และวิศวกรรม

ของแข็งของโลหะจะจับตัวกันด้วยอิเล็กตรอนร่วมกันที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งเรียกว่า " พันธะโลหะ " ในโลหะอะตอมได้อย่างง่ายดายสูญเสียด้านนอกสุดของพวกเขา ( "วาเลน") อิเล็กตรอนรูปบวกไอออน อิเล็กตรอนอิสระจะกระจายไปทั่วของแข็งทั้งหมดซึ่งจับกันอย่างแน่นหนาโดยปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนและเมฆอิเล็กตรอน [7]อิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากทำให้โลหะมีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนสูง อิเล็กตรอนฟรีนอกจากนี้ยังป้องกันการแพร่กระจายของแสงที่มองเห็นทำให้โลหะทึบแสงและเงาแวววาว

แบบจำลองคุณสมบัติของโลหะขั้นสูงจะพิจารณาถึงผลกระทบของแกนไอออนบวกที่มีต่ออิเล็กตรอนแบบแยกส่วน เนื่องจากโลหะส่วนใหญ่มีโครงสร้างเป็นผลึกไอออนเหล่านั้นมักจะถูกจัดเรียงเป็นช่องตาข่ายเป็นระยะ ศาสตร์ที่มีศักยภาพของแกนไอออนที่สามารถรับการรักษาโดยรูปแบบต่างๆที่ง่ายเป็นรุ่นอิเล็กตรอนเกือบฟรี

แร่ธาตุ

แหล่งรวบรวมแร่ธาตุต่างๆ

แร่เป็นของแข็งที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติซึ่งเกิดขึ้นจากกระบวนการต่างๆทางธรณีวิทยา[8]ภายใต้ความกดดันสูง ในการจัดเป็นแร่ธาตุจริงสารจะต้องมีโครงสร้างผลึกที่มีคุณสมบัติทางกายภาพสม่ำเสมอตลอด แร่ธาตุมีองค์ประกอบตั้งแต่องค์ประกอบบริสุทธิ์และเกลือธรรมดาไปจนถึงซิลิเกตที่ซับซ้อนมากซึ่งมีรูปแบบที่รู้จักกันหลายพันรูปแบบ ในทางตรงกันข้ามตัวอย่างหินเป็นการรวมตัวของแร่ธาตุและ / หรือมิเนอรัลอยด์แบบสุ่มและไม่มีองค์ประกอบทางเคมีที่เฉพาะเจาะจง หินส่วนใหญ่ของเปลือกโลกประกอบด้วยควอตซ์ (ผลึก SiO 2 ), เฟลด์สปาร์, ไมกา, คลอไรท์ , ดินขาว , แคลไซต์, อีโปต , โอลิวีน , ออคไลท์, ฮอร์นเบลนด์ , แมกนีไทต์ , เฮมาไทต์ , ลิโมไนต์และแร่ธาตุอื่น ๆ อีกสองสามชนิด แร่ธาตุบางอย่างเช่นควอทซ์ , ไมกาหรือเฟลด์สปาร์เป็นเรื่องธรรมดาในขณะที่คนอื่น ๆ ได้รับการค้นพบในเวลาเพียงไม่กี่ตำแหน่งทั่วโลก กลุ่มแร่ธาตุที่ใหญ่ที่สุดในตอนนี้คือซิลิเกต (หินส่วนใหญ่เป็นซิลิเกต≥95%) ซึ่งประกอบด้วยซิลิกอนและออกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ด้วยการเติมไอออนของอลูมิเนียมแมกนีเซียมเหล็กแคลเซียมและโลหะอื่น ๆ

เซรามิกส์

ชิ้นส่วนแบริ่งเซรามิก Si 3 N 4

ของแข็งเซรามิกประกอบด้วยสารประกอบอนินทรีย์ซึ่งโดยปกติจะเป็นออกไซด์ขององค์ประกอบทางเคมี [9]พวกมันเฉื่อยทางเคมีและมักจะสามารถทนต่อการกัดเซาะของสารเคมีที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดหรือกัดกร่อนได้ เซรามิกโดยทั่วไปสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ตั้งแต่ 1,000 ถึง 1600 ° C (1800 ถึง 3000 ° F) ข้อยกเว้นปลอดออกไซด์วัสดุอนินทรีเช่นไนไตร , boridesและคาร์ไบด์

วัตถุดิบเซรามิกแบบดั้งเดิม ได้แก่แร่ดินเหนียวเช่นkaoliniteวัสดุใหม่ล่าสุด ได้แก่ อลูมิเนียมออกไซด์ ( อลูมินา ) วัสดุเซรามิกที่ทันสมัยซึ่งจะจัดเป็นเซรามิกขั้นสูงรวมถึงคาร์ไบด์ซิลิกอนและคาร์ไบด์ทังสเตน ทั้งสองมีค่าสำหรับความทนทานต่อการขัดถูและด้วยเหตุนี้จึงพบว่ามีการใช้งานเช่นแผ่นสึกหรอของอุปกรณ์บดในการทำเหมือง

วัสดุเซรามิกส่วนใหญ่เช่นอลูมิเนียมและสารประกอบของมันจะเกิดขึ้นจากผงดียอมปรับเม็ดเล็กpolycrystalline จุลภาคที่เต็มไปด้วยแสงกระเจิงศูนย์เคียงกับความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็น ดังนั้นพวกเขาเป็นวัสดุทึบแสงโดยทั่วไปเมื่อเทียบกับวัสดุโปร่งใส อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีนาโนขนาดล่าสุด (เช่นโซลเจล ) ทำให้การผลิตเซรามิกโปร่งใสโพลีคริสตัลลีนเป็นไปได้เช่นอะลูมินาโปร่งใสและสารประกอบอลูมินาสำหรับการใช้งานเช่นเลเซอร์กำลังสูง เซรามิกขั้นสูงยังใช้ในอุตสาหกรรมยาไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

วิศวกรรมเซรามิกเป็นวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการสร้างวัสดุชิ้นส่วนและอุปกรณ์เซรามิกที่เป็นของแข็ง สิ่งนี้ทำได้โดยการกระทำของความร้อนหรือที่อุณหภูมิต่ำกว่าโดยใช้ปฏิกิริยาการตกตะกอนจากสารละลายเคมี คำนี้รวมถึงการทำให้บริสุทธิ์ของวัตถุดิบการศึกษาและการผลิตสารประกอบทางเคมีที่เกี่ยวข้องการก่อตัวเป็นส่วนประกอบและการศึกษาโครงสร้างองค์ประกอบและคุณสมบัติ

ในทางกลไกวัสดุเซรามิกเปราะแข็งแข็งแรงในการบีบอัดและอ่อนแอในการเฉือนและความตึงเครียด วัสดุที่เปราะอาจแสดงถึงความต้านทานแรงดึงอย่างมีนัยสำคัญโดยการรองรับน้ำหนักคงที่ ความเหนียวบ่งบอกว่าวัสดุสามารถดูดซับพลังงานได้มากเพียงใดก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวทางกลในขณะที่ความเหนียวแตกหัก (แสดงเป็น K Ic ) อธิบายถึงความสามารถของวัสดุที่มีข้อบกพร่องทางจุลภาคโดยธรรมชาติในการต้านทานการแตกหักจากการเติบโตของรอยแตกและการขยายพันธุ์ หากวัสดุมีค่าความเหนียวแตกหักมากหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์การแตกหักแนะนำว่ามักจะเกิดการแตกหักแบบเหนียว เปราะแตกหักเป็นลักษณะมากที่สุดของเซรามิกและแก้วเซรามิกวัสดุที่มักจะแสดงต่ำ (และไม่สอดคล้องกัน) ค่า K Ic

ตัวอย่างของการใช้งานเซรามิกความแข็งสูงสุดของเซอร์โคเนียถูกนำไปใช้ในการผลิตใบมีดเช่นเดียวกับเครื่องมือตัดอุตสาหกรรมอื่น ๆ เซรามิกเช่นอลูมินา , คาร์ไบด์โบรอนและซิลิกอนคาร์ไบด์มีการใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุนเพื่อขับไล่ขนาดใหญ่ลำกล้องปืนไรเฟิลยิง ชิ้นส่วนซิลิคอนไนไตรด์ใช้ในตลับลูกปืนเซรามิกซึ่งมีความแข็งสูงทำให้ทนทานต่อการสึกหรอ โดยทั่วไปเซรามิกยังทนต่อสารเคมีและสามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่เปียกซึ่งตลับลูกปืนเหล็กจะไวต่อการเกิดออกซิเดชั่น (หรือสนิม)

ในฐานะอีกตัวอย่างหนึ่งของการใช้งานเซรามิกในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โตโยต้าได้ทำการวิจัยการผลิตเครื่องยนต์เซรามิกอะเดียแบติกที่มีอุณหภูมิในการทำงานมากกว่า 6000 ° F (3300 ° C) เครื่องยนต์เซรามิกไม่จำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนและด้วยเหตุนี้จึงช่วยลดน้ำหนักได้มากและทำให้ประหยัดน้ำมันมากขึ้น ในเครื่องยนต์โลหะธรรมดาพลังงานส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิงจะต้องถูกกระจายไปเป็นความร้อนเหลือทิ้งเพื่อป้องกันการหลอมละลายของชิ้นส่วนโลหะ การทำงานนอกจากนี้ยังถูกทำในการพัฒนาชิ้นส่วนเซรามิกสำหรับกังหันก๊าซ เครื่องยนต์ เครื่องยนต์เทอร์ไบน์ที่ทำด้วยเซรามิกสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นทำให้เครื่องบินมีระยะและน้ำหนักบรรทุกมากขึ้นสำหรับเชื้อเพลิงจำนวนหนึ่ง อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์ดังกล่าวไม่ได้อยู่ในระหว่างการผลิตเนื่องจากการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกที่มีความแม่นยำและความทนทานเพียงพอนั้นยากและมีค่าใช้จ่ายสูง วิธีการประมวลผลมักส่งผลให้เกิดการแพร่กระจายของข้อบกพร่องด้วยกล้องจุลทรรศน์ซึ่งมักมีบทบาทที่เป็นอันตรายในกระบวนการเผาทำให้เกิดการขยายตัวของรอยแตกและความล้มเหลวทางกลขั้นสูงสุด

แก้วเซรามิก

ความแข็งแรงสูงเตาแก้วเซรามิกเล็กน้อย ขยายความร้อน

วัสดุแก้วเซรามิกที่มีคุณสมบัติหลายคนที่มีทั้งแก้วไม่เป็นผลึกและผลึก เซรามิก พวกเขาถูกสร้างขึ้นเป็นแก้วจากนั้นก็ตกผลึกบางส่วนโดยการบำบัดความร้อนทำให้เกิดทั้งขั้นอสัณฐานและขั้นตอนที่เป็นผลึกเพื่อให้เม็ดผลึกฝังอยู่ภายในระยะระหว่างเม็ดที่ไม่เป็นผลึก

แก้วเซรามิกใช้ในการทำเครื่องครัว (เดิมรู้จักกันในชื่อแบรนด์CorningWare ) และเตาตั้งพื้นที่มีทั้งความต้านทานต่อการช็อกจากความร้อนสูงและความสามารถในการซึมผ่านของของเหลวที่ต่ำมาก ค่าสัมประสิทธิ์เชิงลบของการขยายตัวทางความร้อนของเฟสเซรามิกผลึกสามารถสมดุลกับค่าสัมประสิทธิ์เชิงบวกของเฟสแก้ว เมื่อถึงจุดหนึ่ง (ผลึก ~ 70%) แก้วเซรามิกมีสัมประสิทธิ์สุทธิของการขยายตัวทางความร้อนใกล้กับศูนย์ แก้วเซรามิกประเภทนี้มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมและสามารถรักษาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ และรวดเร็วได้ถึง 1,000 ° C

แก้วเซรามิกนอกจากนี้ยังอาจเกิดขึ้นตามธรรมชาติเมื่อฟ้าผ่านัดผลึก (เช่นควอทซ์) พบในธัญพืชมากที่สุดหาดทราย ในกรณีนี้มากและความร้อนได้ทันทีจากฟ้าผ่า (~ 2500 ° C) สร้างกลวงแยกโครงสร้าง rootlike เรียกfulguriteผ่านฟิวชั่น

ของแข็งอินทรีย์

เส้นใยเยื่อไม้แต่ละเส้นในตัวอย่างนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ประมาณ 10 µm

เคมีอินทรีย์ศึกษาโครงสร้างคุณสมบัติองค์ประกอบปฏิกิริยาและการเตรียมความพร้อมโดยการสังเคราะห์ (หรือวิธีการอื่น ๆ ) ของสารประกอบทางเคมีของคาร์บอนและไฮโดรเจนซึ่งอาจประกอบด้วยจำนวนขององค์ประกอบอื่น ๆ เช่นใดไนโตรเจน , ออกซิเจนและฮาโลเจน: ฟลูออรีน , คลอรีน , โบรมีนและไอโอดีน บางสารอินทรีย์ก็อาจจะมีองค์ประกอบฟอสฟอรัสหรือกำมะถัน ตัวอย่างของของแข็งอินทรีย์ ได้แก่ ไม้พาราฟิน , เหม็นและความหลากหลายของโพลิเมอร์และพลาสติก

ไม้

ไม้เป็นวัสดุอินทรีย์ธรรมชาติส่วนใหญ่ประกอบด้วยเซลลูโลสเส้นใยฝังอยู่ในเมทริกซ์ของลิกนิน เกี่ยวกับคุณสมบัติเชิงกลเส้นใยมีความตึงเครียดอย่างมากและเมทริกซ์ลิกนินต้านทานการบีบอัด ดังนั้นไม้จึงเป็นวัสดุก่อสร้างที่สำคัญตั้งแต่มนุษย์เริ่มสร้างที่พักพิงและใช้เรือ ไม้ที่จะใช้สำหรับงานก่อสร้างที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นไม้หรือไม้ ในการก่อสร้างไม้ไม่ได้เป็นเพียงวัสดุโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังใช้ในการขึ้นรูปสำหรับคอนกรีตอีกด้วย

นอกจากนี้วัสดุที่ทำจากไม้ยังถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางสำหรับบรรจุภัณฑ์ (เช่นกระดาษแข็ง) และกระดาษซึ่งทั้งสองอย่างนี้สร้างขึ้นจากเยื่อกระดาษที่ผ่านการกลั่น กระบวนการผลิตเยื่อเคมีใช้การรวมกันของสารเคมีที่มีอุณหภูมิสูงและอัลคาไลน์ (คราฟท์) หรือกรด (ซัลไฟต์) เพื่อทำลายพันธะเคมีของลิกนินก่อนที่จะเผาออก

โพลีเมอร์

ภาพ STM ของตนเองประกอบ supramolecularโซ่ของเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ quinacridoneใน กราไฟท์

คุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่งของคาร์บอนในเคมีอินทรีย์คือสามารถสร้างสารประกอบบางชนิดโมเลกุลแต่ละโมเลกุลซึ่งสามารถยึดติดกันเองได้จึงก่อตัวเป็นโซ่หรือเครือข่าย กระบวนการนี้เรียกว่าพอลิเมอไรเซชันและโพลีเมอร์โซ่หรือเครือข่ายในขณะที่สารประกอบต้นทางเป็นโมโนเมอร์ มีอยู่สองกลุ่มหลักของโพลีเมอร์: โพลีเมอร์ที่ผลิตขึ้นเองจะเรียกว่าโพลีเมอร์อุตสาหกรรมหรือโพลีเมอร์สังเคราะห์ (พลาสติก) และโพลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ

โมโนเมอร์สามารถมีสารทดแทนทางเคมีต่างๆหรือหมู่ฟังก์ชันซึ่งอาจส่งผลต่อคุณสมบัติทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์เช่นความสามารถในการละลายและการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีตลอดจนคุณสมบัติทางกายภาพเช่นความแข็งความหนาแน่นความต้านทานทางกลหรือแรงดึงความต้านทานต่อการขัดถูความร้อน ความต้านทานความโปร่งใสสี ฯลฯ ในโปรตีนความแตกต่างเหล่านี้ทำให้พอลิเมอร์มีความสามารถในการนำโครงสร้างที่ใช้งานทางชีวภาพไปใช้กับผู้อื่นได้ (ดูการประกอบตัวเอง )

ของใช้ในบ้านที่ทำจากพลาสติกหลายชนิด

ผู้คนใช้พอลิเมอร์อินทรีย์จากธรรมชาติมานานหลายศตวรรษในรูปแบบของแว็กซ์และครั่งซึ่งจัดเป็นพอลิเมอร์เทอร์โมพลาสติก พอลิเมอร์จากพืชชื่อเซลลูโลสให้ความต้านทานแรงดึงสำหรับเส้นใยและเชือกธรรมชาติและในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ยางธรรมชาติถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย โพลีเมอร์เป็นวัตถุดิบ (เรซิน) ที่ใช้ทำสิ่งที่เรียกกันทั่วไปว่าพลาสติก พลาสติกเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่สร้างขึ้นหลังจากที่มีการเติมโพลีเมอร์หรือสารเติมแต่งอย่างน้อยหนึ่งชนิดลงในเรซินในระหว่างการแปรรูปซึ่งจะถูกสร้างขึ้นเป็นรูปแบบสุดท้าย ลีเมอร์ที่ได้รับรอบและที่อยู่ในการใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ได้แก่ คาร์บอนพลาสติก , โพรพิลีน , โพลีไวนิลคลอไรด์ , สไตรีน , ไนล่อน, โพลีเอสเตอร์ , อะคลิค , ยูรีเทนและโพลีคาร์บอเนตและซิลิคอนซิลิโคน โดยทั่วไปพลาสติกถูกจัดประเภทเป็นพลาสติก "สินค้าโภคภัณฑ์" "ชนิดพิเศษ" และ "วิศวกรรม"

วัสดุคอมโพสิต

การจำลองด้านนอกของ กระสวยอวกาศเนื่องจากมีความร้อนสูงถึงกว่า 1,500 ° C ในระหว่างการกลับเข้ามาใหม่
ผ้าทอ คาร์บอนไฟเบอร์ เส้นใยเป็นองค์ประกอบที่พบบ่อยใน วัสดุคอมโพสิต

วัสดุคอมโพสิตประกอบด้วยระยะมาโครสองเฟสขึ้นไปซึ่งหนึ่งในนั้นมักเป็นเซรามิก ตัวอย่างเช่นเมทริกซ์ต่อเนื่องและเฟสการกระจายตัวของอนุภาคเซรามิกหรือเส้นใย

การใช้วัสดุคอมโพสิตมีตั้งแต่องค์ประกอบโครงสร้างเช่นคอนกรีตเสริมเหล็กไปจนถึงกระเบื้องฉนวนกันความร้อนซึ่งมีบทบาทสำคัญและสำคัญในระบบป้องกันความร้อนกระสวยอวกาศของ NASA ซึ่งใช้เพื่อปกป้องพื้นผิวของกระสวยจากความร้อน - เข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก ตัวอย่างหนึ่งคือReinforced Carbon-Carbon (RCC) ซึ่งเป็นวัสดุสีเทาอ่อนที่ทนต่ออุณหภูมิย้อนกลับได้สูงถึง 1510 ° C (2750 ° F) และปกป้องฝาปิดจมูกและขอบด้านบนของปีกของกระสวยอวกาศ RCC เป็นลามิเนตวัสดุคอมโพสิตที่ทำจากกราไฟท์ เรยอนผ้าชุบด้วยเรซินฟีนอล หลังจากการบ่มที่อุณหภูมิสูงในหม้อนึ่งความร้อนแล้วลามิเนตจะถูกไพโรไลซ์เพื่อเปลี่ยนเรซินเป็นคาร์บอนชุบด้วยแอลกอฮอล์เฟอร์ฟูรัลในห้องสุญญากาศและบ่ม / ไพโรไลซ์เพื่อเปลี่ยนแอลกอฮอล์จากเฟอร์ฟูรัลเป็นคาร์บอน เพื่อให้มีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันสำหรับความสามารถในการนำกลับมาใช้ใหม่ชั้นนอกของ RCC จะถูกแปลงเป็นซิลิกอนคาร์ไบด์

ตัวอย่างของคอมโพสิตในประเทศสามารถดูได้ในปลอก "พลาสติก" ของโทรทัศน์โทรศัพท์มือถือและอื่น ๆ ปลอกพลาสติกเหล่านี้มักเป็นคอมโพสิตที่ประกอบด้วยเมทริกซ์เทอร์โมพลาสติกเช่นอะคริโลไนไตรล์บิวทาไดอีนสไตรีน (ABS) ซึ่งมีการเติมชอล์กแคลเซียมคาร์บอเนตแป้งโรยตัวใยแก้วหรือเส้นใยคาร์บอนเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเป็นกลุ่มหรือการกระจายตัวด้วยไฟฟ้าสถิต ส่วนเพิ่มเติมเหล่านี้อาจเรียกว่าเส้นใยเสริมแรงหรือสารช่วยกระจายตัวขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์

ดังนั้นวัสดุเมทริกซ์จึงล้อมรอบและรองรับวัสดุเสริมแรงโดยการรักษาตำแหน่งสัมพัทธ์ การเสริมกำลังให้คุณสมบัติทางกลและทางกายภาพพิเศษเพื่อเพิ่มคุณสมบัติของเมทริกซ์ การทำงานร่วมกันก่อให้เกิดคุณสมบัติของวัสดุที่ไม่สามารถหาได้จากวัสดุที่เป็นส่วนประกอบแต่ละชนิดในขณะที่เมทริกซ์และวัสดุเสริมความแข็งแรงที่หลากหลายทำให้นักออกแบบสามารถเลือกชุดค่าผสมที่เหมาะสมได้

เซมิคอนดักเตอร์

ชิปเซมิคอนดักเตอร์บนพื้นผิวผลึกซิลิกอน

สารกึ่งตัวนำคือวัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้า (และการนำไฟฟ้า) ระหว่างตัวนำโลหะและฉนวนที่ไม่ใช่โลหะ พวกเขาสามารถพบได้ในตารางธาตุย้ายที่เหมาะสมลงในแนวทแยงมุมจากโบรอน พวกเขาแยกตัวนำไฟฟ้า (หรือโลหะไปทางซ้าย) จากฉนวน (ทางด้านขวา)

อุปกรณ์ที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เป็นรากฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยรวมทั้งวิทยุ, คอมพิวเตอร์, โทรศัพท์, ฯลฯ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ ที่ทรานซิสเตอร์ , เซลล์แสงอาทิตย์ , ไดโอดและวงจรรวม แผงโซลาร์เซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ที่เปลี่ยนแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง

ในตัวนำโลหะกระแสจะถูกพัดพาโดยการไหลของอิเล็กตรอน "แต่ในเซมิคอนดักเตอร์กระแสไฟฟ้าสามารถพาไปได้ทั้งโดยอิเล็กตรอนหรือโดย" รู "ที่มีประจุบวกในโครงสร้างวงอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ได้แก่ ซิลิกอนเจอร์เมเนียมและแกลเลียม arsenide

วัสดุนาโน

ซิลิกอนจำนวนมาก (ซ้าย) และผงนาโนซิลิกอน (ขวา)

ของแข็งแบบดั้งเดิมจำนวนมากมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันเมื่อหดตัวเป็นขนาดนาโนเมตร ตัวอย่างเช่นอนุภาคนาโนของทองคำเหลืองและซิลิกอนสีเทามักมีสีแดง อนุภาคนาโนทองละลายที่อุณหภูมิต่ำกว่ามาก (~ 300 ° C สำหรับขนาด 2.5 นาโนเมตร) กว่าแผ่นทองคำ (1,064 ° C); [10]และสายนาโนที่เป็นโลหะมีความแข็งแรงมากกว่าโลหะจำนวนมากที่เกี่ยวข้อง [11] [12]อนุภาคนาโนที่มีพื้นที่ผิวสูงทำให้มีความน่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานบางประเภทในด้านพลังงาน ตัวอย่างเช่นโลหะแพลตตินั่มอาจให้การปรับปรุงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชื้อเพลิงรถยนต์เช่นเดียวกับเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) นอกจากนี้ออกไซด์เซรามิก (หรือ cermets) ของแลนทานัม , ซีเรียมแมงกานีสนิกเกิลและตอนนี้ถูกพัฒนาเป็นเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (SOFC) ลิเธียมลิเธียมไททาเนตและอนุภาคนาโนแทนทาลัมถูกนำไปใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อนุภาคนาโนของซิลิคอนได้แสดงให้เห็นว่าสามารถขยายความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมากในระหว่างรอบการขยายตัว / การหดตัว วงจรนาโนของซิลิคอนโดยไม่มีการย่อยสลายอย่างมีนัยสำคัญและนำเสนอศักยภาพในการใช้งานในแบตเตอรี่ที่มีระยะเวลาการจัดเก็บที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก อนุภาคนาโนของซิลิคอนยังถูกนำไปใช้ในเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์รูปแบบใหม่ การสะสมฟิล์มบาง ๆ ของจุดควอนตัมซิลิกอนบนพื้นผิวโพลีคริสตัลลีนซิลิกอนของเซลล์แสงอาทิตย์ (โซลาร์เซลล์) จะเพิ่มแรงดันเอาท์พุทได้มากถึง 60% โดยการเรืองแสงที่เข้ามาก่อนที่จะจับภาพ ที่นี่อีกครั้งพื้นที่ผิวของอนุภาคนาโน (และฟิล์มบาง ๆ ) มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มปริมาณรังสีที่ดูดซับให้ได้สูงสุด

ชีววัสดุ

เส้นใยคอลลาเจนจากกระดูกสาน

วัสดุธรรมชาติ (หรือชีวภาพ) หลายชนิดเป็นวัสดุผสมที่ซับซ้อนและมีคุณสมบัติเชิงกลที่น่าทึ่ง โครงสร้างที่ซับซ้อนเหล่านี้ซึ่งเพิ่มขึ้นจากวิวัฒนาการหลายร้อยล้านปีเป็นแรงบันดาลใจให้นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุในการออกแบบวัสดุใหม่ ๆ ลักษณะที่กำหนด ได้แก่ ลำดับชั้นโครงสร้างมัลติฟังก์ชั่นและความสามารถในการรักษาตัวเอง การจัดระเบียบตนเองยังเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุทางชีวภาพหลายชนิดและลักษณะที่โครงสร้างถูกประกอบขึ้นจากระดับโมเลกุลขึ้นไป ดังนั้นการประกอบตัวเองจึงกลายเป็นกลยุทธ์ใหม่ในการสังเคราะห์ทางเคมีของวัสดุชีวภาพที่มีประสิทธิภาพสูง

คุณสมบัติทางกายภาพของธาตุและสารประกอบที่เป็นหลักฐานสรุปขององค์ประกอบทางเคมี ได้แก่ กลิ่นสีปริมาตรความหนาแน่น (มวลต่อหน่วยปริมาตร) จุดหลอมเหลวจุดเดือดความจุความร้อนรูปแบบทางกายภาพและรูปร่างที่อุณหภูมิห้อง (ของแข็งของเหลวหรือก๊าซ ; ลูกบาศก์, ผลึกตรีโกณมิติ ฯลฯ ), ความแข็ง, ความพรุน, ดัชนีการหักเหของแสงและอื่น ๆ อีกมากมาย ส่วนนี้จะกล่าวถึงคุณสมบัติทางกายภาพบางประการของวัสดุในสถานะของแข็ง

เครื่องกล

หินแกรนิตหินในชิลี Patagonia เช่นเดียวกับแร่อนินทรีย์ส่วนใหญ่ที่ เกิดจากการออกซิเดชั่นในชั้นบรรยากาศของโลกหินแกรนิตประกอบด้วย ซิลิกาผลึก SiO 2และ อลูมินา Al 2 O 3 เป็นหลัก

คุณสมบัติเชิงกลของวัสดุอธิบายลักษณะต่างๆเช่นความแข็งแรงและความต้านทานต่อการเสียรูป ตัวอย่างเช่นคานเหล็กถูกใช้ในการก่อสร้างเนื่องจากมีความแข็งแรงสูงซึ่งหมายความว่าพวกเขาจะไม่หักหรืองออย่างมีนัยสำคัญภายใต้ภาระที่ใช้

คุณสมบัติทางกลรวมถึงความยืดหยุ่นและปั้น , ความต้านทานแรงดึง , แรงอัด , แรงเฉือน , แตกหัก , ความเหนียว (ต่ำในวัสดุเปราะ) และความแข็งเยื้อง กลศาสตร์ของแข็งคือการศึกษาพฤติกรรมของสสารที่เป็นของแข็งภายใต้การกระทำภายนอกเช่นแรงภายนอกและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

ของแข็งไม่แสดงการไหลแบบมาโครสโคปิกเหมือนของไหล การศึกษาระดับปริญญาใด ๆ ของการเดินทางจากรูปร่างเดิมเรียกว่าการเปลี่ยนรูป สัดส่วนของการเปลี่ยนรูปเป็นขนาดดั้งเดิมเรียกว่าความเครียด หากความเค้นที่ใช้มีค่าต่ำเพียงพอวัสดุที่เป็นของแข็งเกือบทั้งหมดจะทำงานในลักษณะที่ความเครียดนั้นแปรผันตรงกับความเค้น ( กฎของ Hooke ) ค่าสัมประสิทธิ์ของสัดส่วนที่เรียกว่าโมดูลัสของความยืดหยุ่นหรือมอดุลัส ภูมิภาคของการเสียรูปนี้เป็นที่รู้จักกันเป็นยางยืดเส้นตรงภูมิภาค แบบจำลองสามแบบสามารถอธิบายว่าของแข็งตอบสนองต่อความเครียดที่ประยุกต์ใช้อย่างไร:

  • ความยืดหยุ่น - เมื่อขจัดความเค้นที่ใช้วัสดุจะกลับสู่สภาพที่ไม่ได้รูป
  • viscoelasticity - เหล่านี้เป็นวัสดุที่ยืดหยุ่นประพฤติ แต่ยังได้หมาด ๆ เมื่อความเค้นที่ใช้ถูกขจัดออกไปจะต้องมีการทำงานเพื่อป้องกันผลกระทบจากการทำให้หมาด ๆ และจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนภายในวัสดุ ซึ่งส่งผลให้เกิดการวนซ้ำของฮิสเทอรีซิสในเส้นโค้งความเค้น - ความเครียด นี่หมายความว่าการตอบสนองเชิงกลมีการพึ่งพาเวลา
  • ความเป็นพลาสติก - วัสดุที่มีพฤติกรรมยืดหยุ่นโดยทั่วไปจะทำเช่นนั้นเมื่อความเค้นที่ใช้มีค่าน้อยกว่าค่าผลผลิต เมื่อความเค้นมากกว่าความเค้นผลผลิตวัสดุจะทำงานเป็นพลาสติกและไม่กลับสู่สถานะก่อนหน้า นั่นคือการเปลี่ยนรูปของพลาสติกที่เปลี่ยนกลับไม่ได้ (หรือการไหลแบบหนืด) เกิดขึ้นหลังจากผลผลิตที่ได้ถาวร

วัสดุหลายชนิดจะอ่อนตัวลงเมื่ออุณหภูมิสูง วัสดุที่คงความแข็งแรงไว้ที่อุณหภูมิสูงเรียกว่าวัสดุทนไฟมีประโยชน์ในหลายวัตถุประสงค์ ตัวอย่างเช่นเซรามิกแก้วกลายเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการปรุงอาหารบนเคาน์เตอร์เนื่องจากมีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมและสามารถรักษาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ และรวดเร็วได้ถึง 1,000 ° C ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศวัสดุประสิทธิภาพสูงที่ใช้ในการออกแบบเครื่องบินและ / หรือภายนอกของยานอวกาศจะต้องมีความต้านทานต่อการช็อกจากความร้อนสูง ดังนั้นเส้นใยสังเคราะห์ที่แยกออกมาจากโพลีเมอร์อินทรีย์และวัสดุผสมพอลิเมอร์ / เซรามิก / โลหะและโพลีเมอร์เสริมใยจึงได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงจุดประสงค์นี้

ความร้อน

โหมดปกติของการสั่นสะเทือนของ อะตอมใน ของแข็งที่เป็น ผลึก

เนื่องจากของแข็งมีพลังงานความร้อนอะตอมของมันจึงสั่นสะเทือนเกี่ยวกับตำแหน่งเฉลี่ยคงที่ภายในช่องตาข่ายที่เรียงลำดับ (หรือไม่เรียงลำดับ) สเปกตรัมของการสั่นสะเทือนในตาข่ายเครือข่ายผลึกให้รากฐานสำหรับทฤษฎีจลน์ของของแข็ง การเคลื่อนไหวนี้เกิดขึ้นในระดับอะตอมและทำให้ไม่สามารถสังเกตเห็นหรือตรวจพบไม่ต้องใช้อุปกรณ์ความเชี่ยวชาญสูงเช่นที่ใช้ในสเปกโทรสโก

สมบัติทางความร้อนของของแข็งรวมถึงการนำความร้อนซึ่งเป็นคุณสมบัติของวัสดุที่บ่งชี้ความสามารถในการให้ความร้อนการดำเนินการ ของแข็งยังมีความจุความร้อนจำเพาะซึ่งเป็นความสามารถของวัสดุในการกักเก็บพลังงานในรูปแบบของความร้อน (หรือการสั่นของตาข่ายความร้อน)

ไฟฟ้า

"> File:Flyingsuperconductor.ogvเล่นสื่อ
วิดีโอการลอยตัวของตัวนำยิ่งยวดของ YBCO

คุณสมบัติทางไฟฟ้ารวมถึงการนำความต้านทานความต้านทานและความจุ ตัวนำไฟฟ้าเช่นโลหะและโลหะผสมมีความแตกต่างกับฉนวนไฟฟ้าเช่นแว่นตาและเซรามิก เซมิคอนดักเตอร์ทำงานที่ไหนสักแห่งในระหว่างนั้น ในขณะที่การนำไฟฟ้าในโลหะเกิดจากอิเล็กตรอนทั้งอิเล็กตรอนและโฮลมีส่วนทำให้เกิดกระแสในเซมิคอนดักเตอร์ อีกวิธีหนึ่งคือไอออนสนับสนุนกระแสไฟฟ้าในตัวนำไอออนิก

วัสดุหลายชนิดยังแสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ ประกอบด้วยธาตุโลหะเช่นดีบุกและอลูมิเนียมโลหะผสมหลายชนิดเซมิคอนดักเตอร์ที่เจือมากและเซรามิกบางชนิด ความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำไฟฟ้า (โลหะ) ส่วนใหญ่โดยทั่วไปจะลดลงเรื่อย ๆ เมื่ออุณหภูมิลดลง แต่ยังคง จำกัด อย่างไรก็ตามในตัวนำยิ่งยวดความต้านทานจะลดลงทันทีเป็นศูนย์เมื่อวัสดุถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงของลวดตัวนำยวดยิ่งสามารถคงอยู่ได้ตลอดไปโดยไม่มีแหล่งพลังงาน

อิเล็กทริกหรือฉนวนไฟฟ้าเป็นสารที่มีความทนทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ อิเล็กทริกเช่นพลาสติกมีแนวโน้มที่จะมีความเข้มข้นของสนามไฟฟ้าที่ใช้ภายในตัวมันเองซึ่งคุณสมบัติที่ใช้ในตัวเก็บประจุ เก็บประจุเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่สามารถเก็บพลังงานในสนามไฟฟ้าระหว่างคู่ของตัวนำเว้นระยะอย่างใกล้ชิด (เรียกว่า 'แผ่น) เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับตัวเก็บประจุประจุไฟฟ้าที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีขั้วตรงข้ามจะสร้างขึ้นบนแต่ละแผ่น ตัวเก็บประจุใช้ในวงจรไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานเช่นเดียวกับในตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างสัญญาณความถี่สูงและความถี่ต่ำ

เครื่องกลไฟฟ้า

Piezoelectricityคือความสามารถของคริสตัลในการสร้างแรงดันไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อความเครียดเชิงกลที่ใช้ ผลของเพียโซอิเล็กทริกสามารถย้อนกลับได้ในผลึกเพียโซอิเล็กทริกนั้นเมื่ออยู่ภายใต้แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ภายนอกสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เล็กน้อย วัสดุพอลิเมอเหมือนยาง, ขนสัตว์, ผม, เส้นใยไม้และผ้าไหมมักจะประพฤติตัวเป็นelectrets ตัวอย่างเช่นโพลีไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) มีการตอบสนองของเพียโซอิเล็กทริกที่มีขนาดใหญ่กว่าควอตซ์วัสดุเพียโซอิเล็กทริกแบบเดิมหลายเท่า (ผลึก SiO 2 ) การเปลี่ยนรูป (~ 0.1%) นำไปใช้กับการใช้งานทางเทคนิคที่เป็นประโยชน์เช่นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแรงสูงลำโพงเลเซอร์ตลอดจนเซ็นเซอร์ทางเคมีชีวภาพและอะคูสโตออปติกและ / หรือทรานสดิวเซอร์

ออปติคอล

วัสดุสามารถส่งผ่าน (เช่นแก้ว) หรือสะท้อนแสง (เช่นโลหะ) ที่มองเห็นได้

โดยทั่วไปวัสดุแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ โปร่งใสโปร่งแสงหรือทึบแสง

วัสดุโปร่งใสอนุญาตให้รังสีของแสงส่องผ่านได้อย่างสมบูรณ์ ตัวอย่าง - น้ำบริสุทธิ์แก้วที่สะอาด วัสดุโปร่งแสงช่วยให้รังสีของแสงผ่านได้บางส่วน ตัวอย่าง - น้ำไม่บริสุทธิ์น้ำมันหน้าต่างที่ปนเปื้อน วัสดุทึบแสงไม่อนุญาตให้แสงผ่านได้ ตัวอย่าง - ไม้เหล็กพลาสติก

วัสดุจำนวนมากจะส่งผ่านความยาวคลื่นบางส่วนในขณะที่ปิดกั้นวัสดุอื่น ๆ ยกตัวอย่างเช่นกระจกโปร่งใสให้กับแสงที่มองเห็นแต่น้อยมากดังนั้นส่วนใหญ่ของความถี่ของรังสีอัลตราไวโอเลตแสงที่ทำให้เกิดผิวไหม้ คุณสมบัตินี้ใช้สำหรับตัวกรองแสงแบบเลือกความถี่ซึ่งสามารถเปลี่ยนสีของแสงตกกระทบได้

สำหรับวัตถุประสงค์บางประการคุณสมบัติทางแสงและทางกลของวัสดุอาจเป็นที่สนใจได้ ยกตัวอย่างเช่นเซ็นเซอร์บนอินฟราเรดบ้าน ( "ความร้อนที่กำลังมองหา") ขีปนาวุธจะต้องได้รับการคุ้มครองจากปกที่มีความโปร่งใสกับรังสีอินฟราเรด วัสดุที่เลือกใช้ในปัจจุบันสำหรับโดมขีปนาวุธนำวิถีอินฟราเรดความเร็วสูงคือแซฟไฟร์คริสตัลเดียว การส่งผ่านแสงของแซฟไฟร์ไม่ได้ขยายครอบคลุมช่วงอินฟราเรดกลางทั้งหมด (3–5 µm) แต่จะเริ่มลดลงที่ความยาวคลื่นมากกว่า 4.5 µm โดยประมาณที่อุณหภูมิห้อง แม้ว่าความแข็งแรงของแซฟไฟร์จะดีกว่าวัสดุโดมอินฟราเรดระดับกลางอื่น ๆ ที่มีอยู่ที่อุณหภูมิห้อง แต่ก็จะอ่อนตัวสูงกว่า 600 ° C การแลกเปลี่ยนที่ยาวนานเกิดขึ้นระหว่างแบนด์พาสออปติคอลและความทนทานเชิงกล วัสดุใหม่ ๆ เช่นเซรามิกใสหรือนาโนคอมโพสิตแบบออปติคัลอาจให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

การส่งคลื่นแสงแบบนำทางเกี่ยวข้องกับสาขาของไฟเบอร์ออปติกและความสามารถของแว่นตาบางตัวในการส่งสัญญาณพร้อมกันและมีการสูญเสียความเข้มต่ำช่วงความถี่ (ท่อนำคลื่นแสงแบบหลายโหมด) โดยมีสัญญาณรบกวนเล็กน้อยระหว่างกัน ท่อนำคลื่นแสงใช้เป็นส่วนประกอบในวงจรออปติกรวมหรือเป็นสื่อส่งผ่านในระบบสื่อสารด้วยแสง

ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

เซลล์แสงอาทิตย์หรือเซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้วอุปกรณ์จำเป็นต้องทำหน้าที่เพียงสองอย่างเท่านั้น: การสร้างรูปถ่ายของตัวพาประจุ (อิเล็กตรอนและโฮล) ในวัสดุดูดซับแสงและการแยกตัวพาประจุไปยังหน้าสัมผัสที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าซึ่งจะส่งกระแสไฟฟ้า (เพียงแค่ใส่อิเล็กตรอน ปิดผ่านหน้าสัมผัสโลหะเข้าสู่วงจรภายนอก) การแปลงนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกและสาขาการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับเซลล์แสงอาทิตย์เรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์

โซลาร์เซลล์มีการใช้งานมากมาย ใช้มานานแล้วในสถานการณ์ที่ไม่สามารถใช้พลังงานไฟฟ้าจากกริดได้เช่นในระบบไฟฟ้าในพื้นที่ห่างไกลดาวเทียมโคจรรอบโลกและยานสำรวจอวกาศเครื่องคิดเลขแบบมือถือนาฬิกาข้อมือวิทยุระยะไกลและการใช้งานปั๊มน้ำ เมื่อไม่นานมานี้พวกเขากำลังเริ่มใช้ในชุดแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (อาร์เรย์เซลล์แสงอาทิตย์) ที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าผ่านอินเวอร์เตอร์ซึ่งไม่ได้ทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายไฟเพียงอย่างเดียว แต่เป็นแหล่งไฟฟ้าเพิ่มเติม

เซลล์แสงอาทิตย์ทุกคนจำเป็นต้องเป็นวัสดุดูดซับแสงที่มีอยู่ภายในโครงสร้างของเซลล์ในการดูดซับโฟตอนและสร้างอิเล็กตรอนผ่านทางผลกระทบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ วัสดุที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์มักจะมีคุณสมบัติพิเศษในการดูดซับความยาวคลื่นของแสงจากแสงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นผิวโลก เซลล์แสงอาทิตย์บางชนิดได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการดูดซับแสงนอกเหนือจากชั้นบรรยากาศของโลกเช่นกัน

  1. ^ Holley, เดนนิส (2017/05/31) ฉันชีววิทยาทั่วไป: โมเลกุลเซลล์และยีน สำนักพิมพ์ด็อกเอียร์. ISBN 9781457552748.
  2. ^ โรเจอร์สเบน; อดัมส์เจสซี่; Pennathur, Sumita (2014-10-28). นาโนเทคโนโลยี: การทำความเข้าใจระบบขนาดเล็กพิมพ์ครั้งที่สาม CRC Press . ISBN 9781482211726.
  3. ^ นาฮูม, อลันม.; เมลวิน, John W. (2013-03-09). การบาดเจ็บโดยอุบัติเหตุ: ชีวกลศาสตร์และการป้องกัน Springer Science & Business Media ISBN 9781475722642.
  4. ^ นารูลา GK; นารูลาแคนซัส; คุปตะ, VK (1989). วัสดุศาสตร์ . การศึกษาของ Tata McGraw-Hill ISBN 9780074517963.
  5. ^ อาร์โนลด์ไบรอัน (2549-07-01). มูลนิธิวิทยาศาสตร์ . เล็ตส์และลอนส์เดล ISBN 9781843156567.
  6. ^ กลุ่มแผนภาพ (2552-01-01). ข้อเท็จจริงในไฟล์เคมีคู่มือ สำนักพิมพ์ Infobase . ISBN 9781438109558.
  7. ^ มอร์ติเมอร์, ชาร์ลส์อี. (2518). เคมี: แนวทางเชิงความคิด (ฉบับที่ 3). นิวยอร์ก: บริษัท D. Van Nostrad ISBN 0-442-25545-4.
  8. ^ บาร์โคเฮนโยเซฟ; แซคนี่, คริส (2009-08-04). การขุดเจาะในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง: การรุกและการสุ่มตัวอย่างบนโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่น John Wiley & Sons ISBN 9783527626632.
  9. ^ “ เซรามิกส์” . autocww.colorado.edu . สืบค้นเมื่อ2017-05-09 .
  10. ^ บัฟฟาต, ภ.; โบเรล, J.-P. (2519). "ขนาดมีผลต่ออุณหภูมิการหลอมละลายของอนุภาคทองคำ" . ทางกายภาพรีวิว 13 (6) : 2287. Bibcode : 1976PhRvA..13.2287B . ดอย : 10.1103 / PhysRevA.13.2287 .
  11. ^ วอลเตอร์เอชโคห์ล (1995). คู่มือวัสดุและเทคนิคสำหรับอุปกรณ์สูญญากาศ . สปริงเกอร์. หน้า 164–167 ISBN 1-56396-387-6.
  12. ^ Shpak, Anatoly P.; โคเทรชโก, เซอร์กีโอ.; มาซิโลวา, ทัตจานาฉัน; Mikhailovskij, Igor M (2009). "ความต้านทานแรงดึงโดยธรรมชาติของนาโนคริสตัลโมลิบดีนัม" . วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีวัสดุขั้นสูง . 10 (4): 045004. Bibcode : 2009STAdM..10d5004S . ดอย : 10.1088 / 1468-6996 / 10/4/045004 . PMC  5090266 PMID  27877304

  • ของแข็ง (สถานะของสสาร)ที่สารานุกรมบริแทนนิกา
การเปลี่ยนเฟสของสสาร ( )
basicถึง
ของแข็ง ของเหลว แก๊ส พลาสม่า
จาก ของแข็ง ละลาย การระเหิด
ของเหลว การแช่แข็ง การระเหย
แก๊ส การทับถม การควบแน่น ไอออไนเซชัน
พลาสม่า การสร้างใหม่
TOP