Khác biệt giữa bản sửa đổi của “Chất rắn”

Sửa liên kết
Đây là một bài viết cơ bản. Nhấn vào đây để biết thêm thông tin.
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Duyệt lịch sử tương tác
← Thay đổi trướcThay đổi sau →
Nội dung được xóa Nội dung được thêm vào
Trực quanMã wiki
Dòng 86: Dòng 86:
Con người đã sử dụng polyme hữu cơ tự nhiên trong nhiều thế kỷ dưới dạng [[sáp]] và [[Sơn cánh kiến|shellac]], được xếp vào loại [[Nhựa nhiệt dẻo|polyme nhiệt dẻo]]. Một loại polyme thực vật có tên là [[Xenlulose|cellulose]] cung cấp [[độ bền kéo]] cho sợi tự nhiên và dây thừng. Vào đầu thế kỷ 19, cao su tự nhiên, một loại polyme hữu cơ tự nhiên, đã được sử dụng rộng rãi. Polyme là nguyên liệu thô (dưới dạng nhựa dẻo – ''resin'') được sử dụng để tạo ra chất dẻo. Nhựa (''plastics'') là sản phẩm cuối cùng, được tạo ra sau khi một hoặc nhiều polyme hoặc chất phụ gia được thêm vào resin trong quá trình chế biến, sau đó được định hình thành dạng cuối cùng. Các loại polyme đã có từ lâu và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, bao gồm [[polyetylen]] gốc cacbon, [[polypropylen]], [[Poly(vinyl clorua)|polyvinyl clorua]], [[polystyren]], nylon, [[Polyester|polyeste]], [[Nhựa acrylic|acrylic]], [[polyurethane]] và [[Polycacbonat|polycarbonat]], và silicon gốc [[silicon]]. Nhựa thường được phân loại là nhựa "hàng hóa", "đặc thù" và "kỹ thuật".
Con người đã sử dụng polyme hữu cơ tự nhiên trong nhiều thế kỷ dưới dạng [[sáp]] và [[Sơn cánh kiến|shellac]], được xếp vào loại [[Nhựa nhiệt dẻo|polyme nhiệt dẻo]]. Một loại polyme thực vật có tên là [[Xenlulose|cellulose]] cung cấp [[độ bền kéo]] cho sợi tự nhiên và dây thừng. Vào đầu thế kỷ 19, cao su tự nhiên, một loại polyme hữu cơ tự nhiên, đã được sử dụng rộng rãi. Polyme là nguyên liệu thô (dưới dạng nhựa dẻo – ''resin'') được sử dụng để tạo ra chất dẻo. Nhựa (''plastics'') là sản phẩm cuối cùng, được tạo ra sau khi một hoặc nhiều polyme hoặc chất phụ gia được thêm vào resin trong quá trình chế biến, sau đó được định hình thành dạng cuối cùng. Các loại polyme đã có từ lâu và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, bao gồm [[polyetylen]] gốc cacbon, [[polypropylen]], [[Poly(vinyl clorua)|polyvinyl clorua]], [[polystyren]], nylon, [[Polyester|polyeste]], [[Nhựa acrylic|acrylic]], [[polyurethane]] và [[Polycacbonat|polycarbonat]], và silicon gốc [[silicon]]. Nhựa thường được phân loại là nhựa "hàng hóa", "đặc thù" và "kỹ thuật".


=== Vật liệu tổng hợp ===
=== Vật liệu composite ===
{{chính|Vật liệu composite}}
{{chính|Vật liệu composite}}
[[Tập tin:Stsheat.jpg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp tin:Stsheat.jpg|nhỏ|250x250px|Mô phỏng bên ngoài của [[Tàu con thoi]] khi nó nóng lên hơn 1500 ° C trong quá trình vào lại khí quyển]]
[[Tập tin:Stsheat.jpg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp tin:Stsheat.jpg|nhỏ|250x250px|Mô phỏng bên ngoài của [[Tàu con thoi]] khi nó nóng lên hơn 1500 ° C trong quá trình vào lại khí quyển]]
[[Tập tin:Kohlenstofffasermatte.jpg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp tin:Kohlenstofffasermatte.jpg|nhỏ|250x250px|Một vải dệt [[Polyme gia cố sợi carbon|sợi carbon]], một yếu tố phổ biến trong các [[vật liệu composite]]]]
[[Tập tin:Kohlenstofffasermatte.jpg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp tin:Kohlenstofffasermatte.jpg|nhỏ|250x250px|Một vải dệt [[Polyme gia cố sợi carbon|sợi carbon]], một yếu tố phổ biến trong các [[vật liệu composite]]]]
[[Vật liệu composite]] chứa hai hoặc nhiều pha vĩ mô, một trong số đó thường là gốm. Ví dụ, một chất nền liên tục và một pha phân tán của các hạt hoặc sợi gốm.
[[Vật liệu composite|Composite]] là loại vật liệu đa pha, được tạo ra nhờ quá trình kết hợp nhân tạo từ những vật liệu khác nhau nhằm tạo ra những đặc tính mà từng vật liệu thành phần không có được.<ref name="Chung 2010 p.1">{{cite book | last=Chung | first=D.D.L. | title=Composite Materials: Science and Applications | publisher=Springer London | series=Engineering Materials and Processes | year=2010 | isbn=978-1-84882-831-5 | url=https://books.google.ca/books?id=vGstB0vDe04C | page=1}}</ref> Ví dụ, một chất nền liên tục và một pha phân tán của các hạt hoặc sợi gốm.


Các ứng dụng của vật liệu composite bao gồm các yếu tố cấu trúc như bê tông cốt thép, đến gạch cách nhiệt đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu trong [[Hệ thống bảo vệ nhiệt của Tàu con thoi|hệ thống bảo vệ nhiệt Tàu con thoi]] của NASA, được sử dụng để bảo vệ bề mặt của tàu con thoi khỏi sức nóng của tái -đi vào bầu khí quyển của Trái Đất. Một ví dụ là [[Carbon-Carbon gia cố|Carbon-Carbon tăng cường]] (RCC), vật liệu màu xám nhạt chịu được nhiệt độ tái sử dụng lên đến 1510 &nbsp; °C (2750 &nbsp; °F) và bảo vệ nắp mũi và các cạnh đầu của cánh Tàu con thoi. RCC là vật liệu composite [[nhiều lớp]] được làm từ vải [[rayon]] [[than chì]] và được ngâm tẩm với [[Phenol formaldehyde|nhựa phenolic]]. Sau khi đóng rắn ở nhiệt độ cao trong nồi hấp, tấm gỗ được nhiệt luyện để chuyển nhựa thành carbon, được ngâm tẩm với cồn [[furfural]] trong buồng chân không, và được đóng rắn / nhiệt phân để chuyển cồn từ furfural thành cacbon. Để cung cấp khả năng chống oxy hóa cho khả năng tái sử dụng, các lớp bên ngoài của RCC được chuyển thành cacbua silic.
Các ứng dụng của vật liệu composite bao gồm các yếu tố cấu trúc như bê tông cốt thép, đến gạch cách nhiệt đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu trong [[Hệ thống bảo vệ nhiệt của Tàu con thoi|hệ thống bảo vệ nhiệt Tàu con thoi]] của NASA, được sử dụng để bảo vệ bề mặt của tàu con thoi khỏi sức nóng của tái -đi vào bầu khí quyển của Trái Đất. Một ví dụ là [[Carbon-Carbon gia cố|Carbon-Carbon tăng cường]] (RCC), vật liệu màu xám nhạt chịu được nhiệt độ tái sử dụng lên đến 1510 &nbsp; °C (2750 &nbsp; °F) và bảo vệ nắp mũi và các cạnh đầu của cánh Tàu con thoi. RCC là vật liệu composite [[nhiều lớp]] được làm từ vải [[rayon]] [[than chì]] và được ngâm tẩm với [[Phenol formaldehyde|nhựa phenolic]]. Sau khi đóng rắn ở nhiệt độ cao trong nồi hấp, tấm gỗ được nhiệt luyện để chuyển nhựa thành carbon, được ngâm tẩm với cồn [[furfural]] trong buồng chân không, và được đóng rắn / nhiệt phân để chuyển cồn từ furfural thành cacbon. Để cung cấp khả năng chống oxy hóa cho khả năng tái sử dụng, các lớp bên ngoài của RCC được chuyển thành cacbua silic.

Phiên bản lúc 03:31, ngày 30 tháng 8 năm 2020

Đối với các định nghĩa khác, xem Rắn (định hướng).
Dạng tinh thể đơn của insulin rắn.

Chất rắn là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất (các trạng thái khác là chất lỏng, chất khí và plasma). Các phân tử trong chất rắn xếp chặt chẽ với nhau và chứa ít động năng nhất. Vật rắn được đặc trưng bởi độ cứng và khả năng chống lại lực tác dụng lên bề mặt (theo phương vuông góc hoặc phương tiếp tuyến). Những đặc tính này phụ thuộc vào tính chất của các nguyên tử cấu tạo nên chất rắn, cấu trúc sắp xếp, và lực liên kết giữa các nguyên tử đó.[1] Chất rắn không chảy được như chất lỏng để có hình dạng như vật chứa của nó, cũng không nở ra để lấp đầy toàn bộ thể tích sẵn có như chất khí. Chất rắn không thể bị nén với áp suất nhỏ trong khi chất khí có thể nén được với áp suất nhỏ bởi vì các phân tử trong chất khí được chuyển động tự do.

Chất rắn thường được chia thành ba dạng cơ bản — tinh thể, vô định hình, và giả tinh thể. Tinh thể có cấu trúc nguyên tử được sắp xếp trật tự đều đặn và có tính lặp lại tuần hoàn. Hầu hết tết cả các kim loại và các khoáng chất như muối ăn (natri clorua) đều có cấu trúc tinh thể. Chất rắn vô định hình là vật chất mà các nguyên tử và phân tử đều không được sắp xếp theo một mạng không gian nhất định. Thủy tinh, nhựa, và gel là những loại chất rắn vô định hình. Chất rắn giả tinh thể (hay còn được gọi tựa tinh thể, quasi-crystal) có những cấu trúc đối xứng mới được khám phá, trong đó sự lặp lại của các nguyên tử không được tuần hoàn ở mỗi đoạn nhất định. Cấu trúc tựa tinh thể thường gặp ở các hợp kim của nhôm khi kết hợp với các kim loại khác như sắt, cobalt, hoặc nickel.[1]

Ngành vật lý liên quan đến chất rắn được gọi là vật lý chất rắn, và là nhánh chính của vật lý vật chất ngưng tụ (bao gồm cả chất lỏng). Ngành khoa học vật liệu chủ yếu quan tâm đến các tính chất vật lý và hóa học của chất rắn. Ngành hóa học chất rắn đặc biệt quan tâm đến việc tổng hợp các vật liệu mới, cũng như khoa học xác định và thành phần hóa học.

Cấu trúc vi mô

Mô hình của các nguyên tử được sắp xếp chặt chẽ trong một tinh thể rắn.

Các nguyên tử, phân tử hoặc ion tạo nên chất rắn có thể được sắp xếp một cách tuần hoàn đều đặn hoặc không đều. Vật liệu có các thành phần được sắp xếp theo một mô hình đều đặn, tuần hoàn được gọi là tinh thể. Trong một số trường hợp, trật tự sắp xếp đều đặn có thể kéo dài liên tục, không bị gián đoạn trên quy mô lớn, ví dụ như kim cương, trong đó mỗi viên kim cương là một đơn tinh thể. Các vật thể rắn đủ lớn để có thể nhìn thấy và cầm nắm được hiếm khi được cấu tạo từ một đơn tinh thể, mà thay vào đó được làm từ một số lượng lớn các đơn tinh thể, được gọi là đa tinh thể.[2] Hầu hết tất cả các kim loại thông thường, và nhiều đồ gốm, là đa tinh thể.

Một số vật liệu khác có cấu trúc nguyên tử không sắp xếp đều đặn trong một giới hạn dài của mạng không gian. Những vật chất này được gọi là chất rắn vô định hình; ví dụ bao gồm polystyrene[3], polycarbonate[4], và thủy tinh.[5][6]

Cấu trúc của chất rắn (tinh thể hay vô định hình) phụ thuộc vào vật liệu liên quan và điều kiện hình thành nó. Quá trình làm lạnh nhanh nhằm giữ dung dịch rắn ở trạng thái vô định hình và ngăn cản việc tạo mầm tinh thể; kết quả tạo ra chất rắn vô định hình. Quá trình làm nguội chậm hay ủ nguội sẽ tạo ra cấu trúc tinh thể.[7][8]

Nhiều vật thể thông thường như nước đá hoặc một đồng xu có thành phần hóa học đồng nhất trong toàn bộ cấu trúc vật thể. Trong khi đó, một số vật liệu khác lại cấu thành từ nhiều chất khác nhau trong cấu trúc vật thể. Ví dụ, đá là một cấu trúc tổng hợp của nhiều loại chất khoáng và mineraloid khác nhau với thành phần hóa học khác nhau.[9] Các loại vật liệu xơ sợi thực vật như gỗ, tre... là những chất hữu cơ tự nhiên chủ yếu bao gồm các sợi xenlulo được nhúng trong một nền lignin hữu cơ.[10][11] Trong ngành khoa học vật liệu, vật liệu composite được tạo ra từ nhiều vật liệu khác nhau nhằm đạt được những đặc tính mong muốn.

Phân loại

Lực liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn có thể có nhiều dạng khác nhau. Bốn loại liên kết nguyên tử thường gặp trong các tinh thể rắn: liên kết kim loại, liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, và liên kết phân tử (lực van der Waals).[1] Ví dụ, tinh thể natri clorua (muối ăn thông thường) được tạo thành từ hai ion, natri và clo, được giữ với nhau bằng liên kết ion.[12] Trong liên kết kim loại, các electron hóa trị được di chuyển tự do giữa các nguyên tử kim loại,[13] giúp kim loại và hợp kim của chúng có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao.[1] Trong cấu trúc kim cương[14] hoặc silicon, các nguyên tử chia sẻ electron và hình thành liên kết cộng hóa trị.[15] Các tinh thể có liên kết cộng hóa trị có đặc tính cứng, một số loại có tính giòn.[1] Lực Van der Waals, hình thành do sự dao động lưỡng cực của điện tích[16], là lực liên kết yếu, trong phạm vi gần (dưới 1 nanomet), giúp liên kết các tinh thể dạng tấm trong cấu trúc graphit hoặc các tấm silicat trong cấu trúc khoáng pyrophyllite.[17] Do lực van der Waals là lực liên kết yếu, nên tinh thể có lực van der Waals sẽ có độ cứng thấp[17], nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy thấp.[18] Loại liên kết khác nhau sẽ làm cho tính chất của các loại chất rắn khác nhau.

Kim loại

Bài chi tiết: Kim loại
Đỉnh cao của Tòa nhà Chrysler ở New York, tòa nhà bằng gạch được hỗ trợ bằng thép cao nhất thế giới, được ốp bằng thép không gỉ.

Các kim loại thường là chất dẫn điện mạnh và dẫn nhiệt tốt.[19][20] Phần lớn các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, những nguyên tố nằm bên trái đường chéo vẽ từ bo đến poloni, là kim loại. Hỗn hợp của hai hoặc nhiều nguyên tố trong đó thành phần chính là kim loại được gọi là hợp kim.

Con người đã sử dụng kim loại, như đồng[21], bạc[22], hoặc chì[23], cho nhiều mục đích khác nhau từ thời tiền sử. Độ bền và độ tin cậy của kim loại đã dẫn đến việc chúng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các tòa nhà và các cấu trúc khác, cũng như trong hầu hết các phương tiện giao thông, nhiều thiết bị và dụng cụ, đường ống, biển báo đường bộ và đường sắt. Sắt và nhôm là hai kim loại kết cấu được sử dụng phổ biến nhất. Đồng thời, chúng cũng là những kim loại phong phú nhất trong vỏ Trái Đất.[24] Sắt được sử dụng phổ biến nhất ở dạng hợp kim là thép. Do chứa tới 2,1% cacbon, nên thép cứng hơn nhiều so với sắt nguyên chất.

Vì kim loại là chất dẫn điện tốt, nên chúng có giá trị ứng dụng cao trong các thiết bị điện và để truyền tải điện đi xa với năng lượng hao phí thấp. Do đó, hệ thống lưới điện sử dụng cáp kim loại để phân phối điện. Ví dụ, hệ thống điện gia đình sử dụng dây điện bằng đồng vì đặc tính dẫn điện tốt và dễ gia công. Nhờ có tính dẫn nhiệt cao, kim loại được ứng dụng để sản xuất dụng cụ nấu nướng.

Việc nghiên cứu các nguyên tố kim loại và hợp kim của chúng chiếm một phần đáng kể trong các lĩnh vực hóa học chất rắn, vật lý, khoa học vật liệu và kỹ thuật.

Các ion kim loại, mang điện tích dương, được liên kết với nhau bằng tập hợp mật độ cao của những electron tự do; lực liên kết này được gọi là liên kết kim loại.[25] Trong cấu trúc kim loại, các nguyên tử dễ dàng mất electron ngoài cùng (electron hóa trị), tạo thành ion dương. Các electron tự do di chuyển trên toàn bộ mạng không gian của chất rắn. Các ion kim loại được liên kết với nhau bằng tương tác tĩnh điện giữa các ion và đám mây electron.[26][27] Nhờ vào số lượng lớn các electron tự do trong cấu trúc, nên kim loại có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Các electron tự do cũng ngăn cản ánh sáng khả kiến, làm cho kim loại sáng bóng, phản chiếu ánh sáng, và rực rỡ.[28]

Những mô hình hiện đại mô tả tính chất kim loại ghi nhận tác động của ion dương (ở trung tâm nguyên tử) lên electron tự do. Do hầu hết các kim loại đều có cấu trúc tinh thể, nên những ion này thường được sắp xếp thành mạng không gian lặp lại tuần hoàn. Về mặt toán học, điện thế của những ion dương trung tâm này có thể tính được bằng các mô hình toán học khác nhau, đơn giản nhất là mô hình electron gần như tự do.

Khoáng chất

Bài chi tiết: Khoáng chất
Một bộ sưu tập các khoáng chất khác nhau.

Khoáng chất là chất rắn có trong tự nhiên được hình thành thông qua các quá trình địa chất khác nhau[29] dưới áp suất cao. Khoáng chất có thành phần cấu tạo đa dạng, từ các nguyên tố và muối đơn giản đến các hợp chất silicat rất phức tạp với hàng ngàn dạng hình thể. Ngược lại, một mẫu đá là một tập hợp ngẫu nhiên của các khoáng chất và/hoặc mineraloid, và không có thành phần hóa học cụ thể. Phần lớn các loại đá trong vỏ Trái Đất có chứa thạch anh (tinh thể SiO2), felspat, mica, clorit, cao lanh, canxit, créatinine, olivin, augit, hornblend, magnetit, hematit, limonit và một số khoáng chất khác. Một số khoáng chất như thạch anh, mica hoặc fenspat phổ biến, trong khi những khoáng chất khác chỉ được tìm thấy ở một số địa điểm trên toàn thế giới.[30] Nhóm khoáng chất lớn nhất cho đến nay là silicat (hầu hết các loại đá có thành phần chứa ≥ 95% silicat), được cấu tạo phần lớn từ silic và oxy, với sự bổ sung của các ion nhôm, magiê, sắt, canxi và các kim loại khác.

Gốm sứ

Xem thêm thông tin: Đồ gốm
Bộ phận chịu lực bằng gốm Si3N4

Gốm sứ là những vật liệu vô cơ cấu tạo gồm những nguyên tố kim loại và phi kim liên kết hóa học với nhau. Chúng có thể tồn tại ở dạng tinh thể, phi tinh thể, hoặc hỗn hợp của cả hai dạng.[31] Gốm sứ có độ cứng cao, độ bền nhiệt tốt[31], độ dẫn nhiệt và hệ số giãn nở vì nhiệt thấp.[32] Ngoài ra, gốm sứ là vật liệu trơ về mặt hóa học, có khả năng chịu được sự ăn mòn hóa học xảy ra trong môi trường axit hoặc kiềm (xút ăn da).[33] Gốm sứ thường có thể chịu được nhiệt độ cao từ 1000 đến 1600 °C (1800 đến 3000 °F). Các trường hợp ngoại lệ bao gồm các vật liệu vô cơ không phải oxit, chẳng hạn như nitrit, borid và cacbit.

Thành phần nguyên liệu thô để sản xuất gốm sứ truyền thống bao gồm khoáng sét như kaolinit, silica, và felspat.[34] Đất sét, chiếm phần lớn trong thành phần cấu tạo của gốm sứ, có công thức Al
2O
3·2SiO
2·2H2O với lượng nhỏ tạp chất. Silica (SiO
2) có nhiệt độ nóng chảy cao nên giúp gốm sứ có tính chịu nhiệt tốt. Felspat (K
2O·Al
2O
3·6H2O) có nhiệt độ nóng chảy thấp, giúp kết dính các cấu tử chịu nhiệt lại với nhau.[31] Các loại gốm sứ được phát triển gần đây hơn có chứa thêm nhôm oxit (alumin), cacbua silic, và cacbua vonfram trong thành phần cấu tạo.[35] Cacbua silic và cacbua vonfram được đánh giá cao về khả năng chống mài mòn và do đó được sử dụng trong các ứng dụng như tấm mài mòn của thiết bị nghiền trong hoạt động khai thác.[36][37]

Hầu hết các vật liệu gốm, chẳng hạn như alumin và các hợp chất của nó, được hình thành từ bột mịn, tạo ra một vi cấu trúc đa tinh thể hạt mịn chứa đầy các trung tâm tán xạ ánh sáng tương đương với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Do đó, chúng thường là những vật liệu không trong suốt, trái ngược với những vật liệu trong suốt. Tuy nhiên, công nghệ kích thước nano gần đây (ví dụ như sol-gel) đã có thể sản xuất gốm sứ trong suốt đa tinh thể như alumin trong suốt và các hợp chất alumin cho các ứng dụng như laser công suất cao. Gốm sứ cao cấp cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp y học, điện, và điện tử.

Kỹ thuật gốm là khoa học và công nghệ tạo ra các vật liệu, bộ phận và thiết bị bằng gốm ở trạng thái rắn. Điều này được thực hiện bằng phương pháp phản ứng kết tủa từ các dung dịch hóa học dưới tác dụng của nhiệt, hoặc ở nhiệt độ thấp. Thuật ngữ này bao gồm quá trình tinh chế nguyên liệu thô, nghiên cứu và sản xuất các hợp chất hóa học có liên quan, sự hình thành các cấu tử, và việc nghiên cứu cấu trúc, thành phần cấu tạo, và tính chất của chúng.

Về mặt cơ học, vật liệu gốm có tính giòn, cứng, chịu nén mạnh và chịu lực kéo và cắt yếu.[35] Vật liệu giòn có thể thể hiện độ bền kéo đáng kể bằng cách chịu tải trọng tĩnh. Độ bền cho biết vật liệu có thể hấp thụ bao nhiêu năng lượng trước khi hỏng hóc cơ học, trong khi độ bền đứt gãy (fracture toughness)[38] (ký hiệu là KIc) mô tả khả năng của vật liệu với các sai hỏng mạng tinh thể vốn có nhằm chống lại sự đứt gãy thông qua sự phát triển và lan truyền vết nứt. Nếu một vật liệu có giá trị độ bền đứt gãy lớn, các nguyên tắc cơ bản của lĩnh vực cơ học đứt gãy cho thấy rằng nó rất có thể sẽ trải qua quá trình đứt gãy dẻo. Gãy giòn là tính chất đặc trưng của hầu hết các vật liệu gốm và gốm thủy tinh thường biểu hiện các giá trị KIc thấp (và không nhất quán).

Ví dụ về các ứng dụng của gốm sứ, độ cứng cực cao của zirconia được sử dụng trong sản xuất lưỡi dao[39], cũng như các dụng cụ cắt công nghiệp khác.[40] Những loại vật liệu gốm sứ như nhôm oxit (Al
2O
3), bo cacbua (B
4C), và silic cacbua (SiC) đã được sử dụng trong áo chống đạn để có thể chịu được lực đạn của súng trường cỡ lớn. Silic nitrua (Si
3N
4) được sử dụng trong các ổ bi sứ, nhờ vào đặc tính độ cứng cao giúp chúng chống mài mòn hiệu quả.[41][42] Gốm sứ cũng có khả năng chống hóa chất và có thể được sử dụng trong môi trường ẩm ướt, nơi các ổ trục thép sẽ dễ bị ăn mòn do oxy hóa.[43]

Một ví dụ khác về các ứng dụng gốm, vào đầu những năm 1980, Toyota đã nghiên cứu sản xuất động cơ đốt trong gốm đoạn nhiệt với buồng đốt làm bằng gốm.[44][45] Động cơ gốm không yêu cầu hệ thống làm mát do đó cho phép giảm trọng lượng đáng kể và đạt hiệu suất nhiên liệu cao hơn. Trong một động cơ kim loại thông thường, phần lớn năng lượng thải ra từ nhiên liệu phải được tiêu tán dưới dạng nhiệt thải để ngăn chặn sự nóng chảy của các bộ phận kim loại. Gốm sứ cũng đang được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong động cơ tuabin khí (Ceramic gas turbine – CGT).[46] Động cơ tuabin làm bằng gốm sứ sử dụng trong máy bay có thể hoạt động hiệu quả hơn, giúp máy bay tầm hoạt động và khả năng chịu tải lớn hơn đối với một lượng nhiên liệu nhất định.[47] Tuy nhiên, những động cơ như vậy không được sản xuất vì việc sản xuất các bộ phận bằng gốm với độ chính xác và độ bền cao là rất khó và tốn kém. Các phương pháp xử lý thường dẫn đến sự phân bố rộng rãi của các sai hỏng mạng tinh thể cực nhỏ, thường đóng vai trò bất lợi trong quá trình thiêu kết, dẫn đến sự gia tăng các vết nứt và cuối cùng là hỏng hóc cơ học.[48]

Gốm thủy tinh

Mặt bếp bằng gốm thủy tinh có độ bền cao, khả năng truyền nhiệt tốt, độ giãn nở nhiệt không đáng kể.

Vật liệu gốm thủy tinh có nhiều đặc tính giống với cả thủy tinh (vô định hình) và gốm kết tinh (tinh thể). Chúng được tạo thành dưới dạng thủy tinh, và sau đó được kết tinh một phần bằng cách xử lý nhiệt, tạo ra cả pha vô định hình và pha tinh thể để các hạt tinh thể được phân bố đều trên nền pha vô định hình.

Gốm thủy tinh được sử dụng để làm dụng cụ nấu ăn (ban đầu được biết đến với tên thương hiệu Pyroceram và Vision của hãng CorningWare)[49] và mặt bếp do có hệ số truyền nhiệt cao, tính chịu nhiệt tốt, không dẫn điện, và trong suốt.[50] Hệ số giãn nở nhiệt âm của pha gốm kết tinh có thể cân bằng với hệ số dương của pha thủy tinh. Tại một điểm kết tinh nhất định (khoảng 70% thể tích cấu trúc là pha tinh thể) gốm thủy tinh có hiệu hệ số giãn nở nhiệt gần bằng không.[51]

Gốm thủy tinh có những ưu điểm như tính bền trong điều kiện nhiệt độ thay đổi nhanh,[52] ổn định về mặt hóa học, dễ gia công cơ khí, và chịu mài mòn tốt.[53] Gốm thủy tinh cũng có thể xuất hiện ngoài tự nhiên khi sét đánh vào các hạt tinh thể (ví dụ như thạch anh) có trong cát biển. Trong trường hợp này, nhiệt độ cực cao và tức thời của tia sét (khoảng 2.500 °C) làm nóng chảy tinh thể, tạo ra cấu trúc rỗng và phân nhánh được gọi là fulgurite.[54]

Chất rắn hữu cơ

Các sợi bột gỗ riêng lẻ trong mẫu này có đường kính khoảng 10 µm.

Hóa học hữu cơ nghiên cứu cấu trúc, tính chất, thành phần, phản ứng và điều chế bằng cách tổng hợp (hoặc các phương tiện khác) các hợp chất hóa học của cacbon và hydro, có thể chứa bất kỳ nguyên tố nào khác như nitơ, oxy và các halogen: flo, clo, brom và iot. Một số hợp chất hữu cơ cũng có thể chứa các nguyên tố phốt pho hoặc lưu huỳnh. Ví dụ về chất rắn hữu cơ bao gồm gỗ, sáp parafin, naphthalene và nhiều loại polyme và chất dẻo.

Gỗ

Bài chi tiết: Gỗ

Gỗ là một vật liệu hữu cơ tự nhiên chủ yếu bao gồm các sợi xenlulo được phân bố đều trong nền lignin. Về tính chất cơ học, sợi trong gỗ có độ bền đứt cao và nền ma trận lignin (vốn là những polymer hữu cơ phức tạp) giúp gỗ chịu nén tốt.[55] Vì vậy, gỗ là một vật liệu xây dựng quan trọng kể từ khi con người bắt đầu xây dựng nơi ở và đóng tàu thuyền. Gỗ được sử dụng cho công việc xây dựng thường được gọi là gỗ xẻ hoặc gỗ mộc. Trong xây dựng, gỗ không chỉ là vật liệu kết cấu mà còn được dùng để tạo khuôn để đổ bê tông.[56]

Vật liệu làm từ gỗ cũng được sử dụng rộng rãi để đóng gói (ví dụ như bìa cứng) và giấy, cả hai đều được tạo ra từ bột giấy. Quá trình sản xuất bột giấy theo phương pháp hóa học sử dụng sự kết hợp của nhiệt độ cao và hóa chất kiềm (kraft) hoặc axit (sulfit) để phá vỡ các liên kết hóa học của lignin trước khi đốt cháy.[57][58]

Polymer

Bài chi tiết: Polyme
Hình ảnh STM của các chuỗi siêu phân tử tự lắp ráp của chất bán dẫn hữu cơ quinacridone trên than chì.

Polyme là nhóm những hợp chất cao phân tử được tạo thành từ những đơn vị cấu trúc được lặp đi lặp lại, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, hình thành một phân tử dạng mạch dài.[59][60] Nếu polyme chỉ gồm một loại đơn vị cấu trúc tạo nên, thì sẽ được gọi là polyme đồng thể (homopolymer); nếu có từ hai loại polyme khác nhau cùng tham gia cấu tạo nên phân tử polyme, thì sẽ được gọi là polyme đồng trùng hợp (copolymer).[59] Một trong những sản phẩm polyme đơn giản nhất là polyetylen được hình thành từ quá trình polyme hóa những phân tử etylen.[61] Hai nhóm polyme chính tồn tại: những polyme được sản xuất nhân tạo được gọi là polyme công nghiệp hoặc polyme tổng hợp (chất dẻo) và những loại có nguồn gốc tự nhiên là polyme sinh học.

Những đơn vị cấu trúc lặp lại này được gọi là monome.[59] Các monome có thể có nhiều nhóm thế hoặc các nhóm chức khác nhau, có thể ảnh hưởng đến những tính chất hóa học của các hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như tính hòa tan và tính hoạt hóa, cũng như những tính chất vật lý, như độ cứng, tỷ trọng, độ bền cơ học hoặc độ bền kéo, khả năng chống mài mòn, tính chịu nhiệt, độ trong suốt, màu sắc, v.v.. Trong protein, những khác biệt này cho phép polyme có khả năng áp dụng cấu trúc hoạt động sinh học ưu tiên hơn những cấu trúc khác (xem phần tự lắp ráp).

Đồ gia dụng bằng nhựa các loại.

Con người đã sử dụng polyme hữu cơ tự nhiên trong nhiều thế kỷ dưới dạng sáp và shellac, được xếp vào loại polyme nhiệt dẻo. Một loại polyme thực vật có tên là cellulose cung cấp độ bền kéo cho sợi tự nhiên và dây thừng. Vào đầu thế kỷ 19, cao su tự nhiên, một loại polyme hữu cơ tự nhiên, đã được sử dụng rộng rãi. Polyme là nguyên liệu thô (dưới dạng nhựa dẻo – resin) được sử dụng để tạo ra chất dẻo. Nhựa (plastics) là sản phẩm cuối cùng, được tạo ra sau khi một hoặc nhiều polyme hoặc chất phụ gia được thêm vào resin trong quá trình chế biến, sau đó được định hình thành dạng cuối cùng. Các loại polyme đã có từ lâu và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, bao gồm polyetylen gốc cacbon, polypropylen, polyvinyl clorua, polystyren, nylon, polyeste, acrylic, polyurethane và polycarbonat, và silicon gốc silicon. Nhựa thường được phân loại là nhựa "hàng hóa", "đặc thù" và "kỹ thuật".

Vật liệu composite

Bài chi tiết: Vật liệu composite
Mô phỏng bên ngoài của Tàu con thoi khi nó nóng lên hơn 1500 ° C trong quá trình vào lại khí quyển
Một vải dệt sợi carbon, một yếu tố phổ biến trong các vật liệu composite

Composite là loại vật liệu đa pha, được tạo ra nhờ quá trình kết hợp nhân tạo từ những vật liệu khác nhau nhằm tạo ra những đặc tính mà từng vật liệu thành phần không có được.[62] Ví dụ, một chất nền liên tục và một pha phân tán của các hạt hoặc sợi gốm.

Các ứng dụng của vật liệu composite bao gồm các yếu tố cấu trúc như bê tông cốt thép, đến gạch cách nhiệt đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu trong hệ thống bảo vệ nhiệt Tàu con thoi của NASA, được sử dụng để bảo vệ bề mặt của tàu con thoi khỏi sức nóng của tái -đi vào bầu khí quyển của Trái Đất. Một ví dụ là Carbon-Carbon tăng cường (RCC), vật liệu màu xám nhạt chịu được nhiệt độ tái sử dụng lên đến 1510   °C (2750   °F) và bảo vệ nắp mũi và các cạnh đầu của cánh Tàu con thoi. RCC là vật liệu composite nhiều lớp được làm từ vải rayon than chì và được ngâm tẩm với nhựa phenolic. Sau khi đóng rắn ở nhiệt độ cao trong nồi hấp, tấm gỗ được nhiệt luyện để chuyển nhựa thành carbon, được ngâm tẩm với cồn furfural trong buồng chân không, và được đóng rắn / nhiệt phân để chuyển cồn từ furfural thành cacbon. Để cung cấp khả năng chống oxy hóa cho khả năng tái sử dụng, các lớp bên ngoài của RCC được chuyển thành cacbua silic.

Ví dụ trong nhà về vật liệu tổng hợp có thể được nhìn thấy trong vỏ "nhựa" của máy thu hình, điện thoại di động, v.v. Những vỏ nhựa này thường là một hỗn hợp được tạo thành từ một ma trận nhựa nhiệt dẻo như acrylonitrile butadien styren (ABS) trong đó phấn canxi cacbonat, bột talc, sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon đã được thêm vào để tăng cường độ bền, khối lượng lớn hoặc phân tán tĩnh điện. Những chất bổ sung này có thể được gọi là sợi gia cường hoặc chất phân tán, tùy thuộc vào mục đích của chúng.

Do đó, vật liệu ma trận bao quanh và hỗ trợ các vật liệu gia cường bằng cách duy trì vị trí tương đối của chúng. Quân tiếp viện truyền các tính chất cơ học và vật lý đặc biệt của chúng để tăng cường các đặc tính của ma trận. Sự hiệp lực tạo ra các thuộc tính vật liệu không có sẵn từ các vật liệu cấu thành riêng lẻ, trong khi sự đa dạng của ma trận và vật liệu tăng cường cung cấp cho nhà thiết kế sự lựa chọn về sự kết hợp tối ưu.

Chất bán dẫn

Bài chi tiết: Chất bán dẫn
Chip bán dẫn trên nền silicon kết tinh.

Chất bán dẫn là vật liệu có điện trở suất (và độ dẫn điện) giữa chất dẫn điện kim loại và chất cách điện phi kim loại. Chúng có thể được tìm thấy trong bảng tuần hoàn di chuyển theo đường chéo xuống ngay từ boron. Chúng tách các vật dẫn điện (hoặc kim loại ở bên trái) khỏi chất cách điện (bên phải).

Các thiết bị làm từ vật liệu bán dẫn là nền tảng của điện tử hiện đại, bao gồm radio, máy tính, điện thoại, v.v. Các thiết bị bán dẫn bao gồm bóng bán dẫn, pin mặt trời, điốt và mạch tích hợp. Tấm quang điện mặt trời là thiết bị bán dẫn lớn, trực tiếp biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện.

Trong một vật dẫn kim loại, dòng điện được mang theo bởi dòng electron ", nhưng trong chất bán dẫn, dòng điện có thể được mang bởi các electron hoặc bởi các" lỗ trống "tích điện dương trong cấu trúc dải điện tử của vật liệu. Các vật liệu bán dẫn phổ biến bao gồm silic, gecmani và gali arsenua.

Vật liệu nano

Silicon số lượng lớn (trái) và thuốc nano silicon (phải)

Nhiều chất rắn truyền thống thể hiện các đặc tính khác nhau khi chúng co lại kích thước nanomet. Ví dụ, các hạt nano của silicon thường có màu vàng và xám có màu đỏ; các hạt nano vàng nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều (~ 300   °C trong kích cỡ 2,5nm) so với các phiến vàng (1064°C);[63] và các dây nano kim loại mạnh hơn nhiều so với các kim loại rời tương ứng.[64][65] Diện tích bề mặt cao của các hạt nano khiến chúng trở nên cực kỳ hấp dẫn đối với một số ứng dụng nhất định trong lĩnh vực năng lượng. Ví dụ, kim loại bạch kim có thể cung cấp những cải tiến như chất xúc tác nhiên liệu ô tô, cũng như pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEM). Ngoài ra, các oxit gốm (hoặc gốm kim loại) của lantan, xeri, mangan và niken hiện đang được phát triển như pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC). Các hạt nano lithium, lithium-titanate và tantali đang được ứng dụng trong pin lithium ion. Các hạt nano silicon đã được chứng minh là có thể mở rộng đáng kể dung lượng lưu trữ của pin lithium ion trong chu kỳ giãn nở / co lại. Các dây nano silicon có chu kỳ mà không bị suy giảm đáng kể và có tiềm năng sử dụng trong pin với thời gian lưu trữ được mở rộng đáng kể. Các hạt nano silic cũng đang được sử dụng trong các dạng pin năng lượng mặt trời mới. Sự lắng đọng màng mỏng của các chấm lượng tử silicon trên nền silicon đa tinh thể của tế bào quang điện (năng lượng mặt trời) làm tăng sản lượng điện áp lên tới 60% bằng cách phát huỳnh quang ánh sáng tới trước khi bắt. Ở đây một lần nữa, diện tích bề mặt của các hạt nano (và màng mỏng) đóng một vai trò quan trọng trong việc tối đa hóa lượng bức xạ được hấp thụ.

Vật liệu sinh học

Sợi collagen của xương được dệt thành

Nhiều vật liệu tự nhiên (hoặc sinh học) là vật liệu tổng hợp phức tạp với các đặc tính cơ học đáng chú ý. Những cấu trúc phức tạp này, đã hình thành từ hàng trăm triệu năm tiến hóa, là nguồn cảm hứng cho các nhà khoa học vật liệu trong việc thiết kế các vật liệu mới. Các đặc điểm xác định của chúng bao gồm cấu trúc phân cấp, tính đa chức năng và khả năng tự phục hồi. Tính tự tổ chức cũng là một đặc điểm cơ bản của nhiều vật liệu sinh học và cách thức mà các cấu trúc được lắp ráp từ cấp độ phân tử trở lên. Do đó, tự lắp ráp đang nổi lên như một chiến lược mới trong tổng hợp hóa học của vật liệu sinh học hiệu suất cao.

Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của các nguyên tố và hợp chất cung cấp bằng chứng kết luận về thành phần hóa học bao gồm mùi, màu sắc, thể tích, tỷ trọng (khối lượng trên một đơn vị thể tích), điểm nóng chảy, điểm sôi, nhiệt dung, dạng và hình dạng vật lý ở nhiệt độ phòng (rắn, lỏng hoặc khí; tinh thể lập phương, tam giác, v.v.), độ cứng, độ xốp, chỉ số khúc xạ và nhiều loại khác. Phần này thảo luận về một số tính chất vật lý của vật liệu ở trạng thái rắn.

Tính chất cơ học

Sự hình thành đá granit ở Patagonia thuộc Chile. Giống như hầu hết các khoáng chất vô cơ được hình thành do quá trình oxy hóa trong khí quyển Trái Đất, đá granit chủ yếu bao gồm tinh thể silica SiO2 và alumin Al2O3.

Tính chất cơ học của vật liệu mô tả các đặc điểm như độ bền và khả năng chống biến dạng của chúng. Ví dụ, dầm thép được sử dụng trong xây dựng vì độ bền cao của chúng, có nghĩa là chúng không bị gãy hoặc uốn cong đáng kể dưới tải trọng tác dụng.

Các tính chất cơ học bao gồm độ đàn hồi và độ dẻo, độ bền kéo, độ bền nén, độ bền cắt, độ dai đứt gãy, độ dẻo (ít vật liệu giòn) và độ cứng lõm. Cơ học chất rắn là nghiên cứu về hoạt động của vật chất rắn dưới các tác động bên ngoài như ngoại lực và sự thay đổi nhiệt độ.

Chất rắn không thể hiện dòng chảy vĩ mô như chất lỏng. Bất kỳ mức độ nào khác với hình dạng ban đầu của nó được gọi là biến dạng. Tỷ lệ của biến dạng so với kích thước ban đầu được gọi là biến dạng. Nếu ứng suất tác dụng đủ thấp, hầu như tất cả các vật liệu rắn đều hoạt động theo cách mà biến dạng tỷ lệ thuận với ứng suất (định luật Hooke). Hệ số tỷ trọng được gọi là môđun đàn hồi hay môđun Young. Vùng biến dạng này được gọi là vùng đàn hồi tuyến tính. Ba mô hình có thể mô tả cách một vật rắn phản ứng với một ứng suất:

  • Tính đàn hồi - Khi một ứng suất tác dụng bị loại bỏ, vật liệu trở lại trạng thái không định dạng của nó.
  • Nhớt đàn hồi - Đây là những vật liệu hoạt động đàn hồi, nhưng cũng có giảm chấn. Khi ứng suất tác dụng được loại bỏ, công việc phải được thực hiện để chống lại các hiệu ứng giảm chấn và được chuyển thành nhiệt trong vật liệu. Điều này dẫn đến một vòng lặp trễ trong đường cong ứng suất-biến dạng. Điều này ngụ ý rằng phản ứng cơ học có sự phụ thuộc vào thời gian.
  • Tính dẻo - Vật liệu hoạt động đàn hồi thường làm như vậy khi ứng suất tác dụng nhỏ hơn giá trị chảy. Khi ứng suất lớn hơn ứng suất chảy, vật liệu hoạt động dẻo và không trở lại trạng thái trước đó. Đó là, biến dạng dẻo không thể đảo ngược (hoặc chảy nhớt) xảy ra sau khi năng suất là vĩnh viễn.

Nhiều vật liệu trở nên yếu hơn ở nhiệt độ cao. Vật liệu giữ được độ bền ở nhiệt độ cao, được gọi là vật liệu chịu lửa, rất hữu ích cho nhiều mục đích. Ví dụ, gốm thủy tinh đã trở nên cực kỳ hữu ích cho việc nấu nướng trên mặt bàn, vì chúng thể hiện các đặc tính cơ học tuyệt vời và có thể duy trì sự thay đổi nhiệt độ lặp lại và nhanh chóng lên đến 1000 °C. Trong ngành hàng không vũ trụ, các vật liệu hiệu suất cao được sử dụng trong thiết kế ngoại thất của máy bay và / hoặc tàu vũ trụ phải có khả năng chống sốc nhiệt cao. Do đó, sợi tổng hợp được tạo ra từ các polyme hữu cơ và các vật liệu tổng hợp polyme / gốm / kim loại và các polyme gia cường bằng sợi hiện đang được thiết kế với mục đích này.

Tính chất nhiệt

Các phương thức dao động nguyên tử bình thường trong chất rắn kết tinh.

Bởi vì chất rắn có năng lượng nhiệt, các nguyên tử của chúng dao động về các vị trí trung bình cố định trong mạng tinh thể có trật tự (hoặc không trật tự). Quang phổ của dao động mạng tinh thể trong mạng lưới tinh thể hoặc thủy tinh cung cấp nền tảng cho lý thuyết động học của chất rắn. Chuyển động này xảy ra ở cấp độ nguyên tử, do đó không thể quan sát hoặc phát hiện được nếu không có thiết bị chuyên dụng cao, chẳng hạn như thiết bị được sử dụng trong quang phổ.

Tính chất nhiệt của chất rắn bao gồm tính dẫn nhiệt, là tính chất của vật liệu biểu thị khả năng dẫn nhiệt. Chất rắn cũng có nhiệt dung riêng, là khả năng tích trữ năng lượng của vật liệu dưới dạng nhiệt (hay dao động mạng tinh thể nhiệt).

Tính chất điện

Các tính chất điện bao gồm độ dẫn điện, điện trở, trở kháng và điện dung. Chất dẫn điện như kim loại và hợp kim tương phản với chất cách điện như thủy tinh và gốm sứ. Chất bán dẫn hoạt động ở đâu đó ở giữa. Trong khi đó sự dẫn điện trong kim loại là do các electron gây ra, cả electron và lỗ trống đều góp phần tạo ra dòng điện trong chất bán dẫn. Ngoài ra, các ion hỗ trợ dòng điện trong các vật dẫn ion.

Nhiều vật liệu cũng thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ thấp; chúng bao gồm các nguyên tố kim loại như thiếc và nhôm, các hợp kim kim loại khác nhau, một số chất bán dẫn được pha tạp nhiều và một số đồ gốm nhất định. Điện trở suất của hầu hết các vật dẫn điện (kim loại) thường giảm dần khi nhiệt độ hạ xuống, nhưng vẫn là hữu hạn. Tuy nhiên, trong chất siêu dẫn, điện trở đột ngột giảm xuống bằng không khi vật liệu được làm lạnh dưới nhiệt độ tới hạn của nó. Dòng điện chạy trong một vòng dây siêu dẫn có thể tồn tại vô thời hạn mà không cần nguồn điện.

Chất điện môi, hay chất cách điện, là một chất có khả năng chống lại dòng điện chạy qua. Một chất điện môi, chẳng hạn như chất dẻo, có xu hướng tập trung điện trường đặt vào trong chính nó, đặc tính này được sử dụng trong tụ điện. Tụ điện là một thiết bị điện có thể lưu trữ năng lượng trong điện trường giữa một cặp vật dẫn đặt cách nhau gần nhau (gọi là 'bản'). Khi đặt hiệu điện thế vào tụ điện, các điện tích có độ lớn bằng nhau, nhưng ngược cực, tích tụ trên mỗi bản tụ. Tụ điện được sử dụng trong các mạch điện như thiết bị lưu trữ năng lượng, cũng như trong các bộ lọc điện tử để phân biệt giữa tín hiệu tần số cao và tần số thấp.

Tính chất cơ điện

Áp điện là khả năng của các tinh thể tạo ra một điện áp để phản ứng với một ứng suất cơ học. Hiệu ứng áp điện là thuận nghịch trong các tinh thể áp điện, khi chịu một hiệu điện thế bên ngoài, có thể thay đổi hình dạng một lượng nhỏ. Các vật liệu polyme như cao su, len, tóc, sợi gỗ và lụa thường hoạt động như những chiếc túi điện. Ví dụ, polyme polyvinylidene florua (PVDF) thể hiện phản ứng áp điện lớn hơn nhiều lần so với thạch anh vật liệu áp điện truyền thống (SiO2 tinh thể). Độ biến dạng (~ 0,1%) có lợi cho các ứng dụng kỹ thuật hữu ích như nguồn điện cao thế, loa phóng thanh, tia laser, cũng như các cảm biến và / hoặc đầu dò hóa học, sinh học và quang học.

Tính chất quang học

Vật liệu có thể truyền ánh sáng (ví dụ như thủy tinh) hoặc phản xạ ánh sáng (ví dụ như kim loại).

Nhiều vật liệu sẽ truyền một số bước sóng trong khi chặn các bước sóng khác. Ví dụ, kính cửa sổ trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng ít hơn nhiều đối với hầu hết các tần số của tia cực tím gây cháy nắng. Đặc tính này được sử dụng cho các bộ lọc quang học chọn lọc tần số, có thể làm thay đổi màu sắc của ánh sáng tới.

Đối với một số mục đích, cả tính chất quang học và cơ học của vật liệu đều có thể được quan tâm. Ví dụ, các cảm biến trên tên lửa di chuyển hồng ngoại ("tầm nhiệt") phải được bảo vệ bằng một vỏ bọc trong suốt đối với bức xạ hồng ngoại. Vật liệu hiện nay được lựa chọn cho các mái vòm tên lửa dẫn đường hồng ngoại tốc độ cao là sapphire đơn tinh thể. Sự truyền quang học của sapphire không thực sự mở rộng để bao phủ toàn bộ phạm vi hồng ngoại trung bình (3–5 µm), nhưng bắt đầu giảm ở bước sóng lớn hơn xấp xỉ 4,5 µm ở nhiệt độ phòng. Mặc dù độ bền của sapphire tốt hơn so với các vật liệu vòm hồng ngoại tầm trung hiện có khác ở nhiệt độ phòng, nhưng nó lại yếu đi trên 600 °C. Sự đánh đổi lâu dài tồn tại giữa băng thông quang học và độ bền cơ học; vật liệu mới như gốm sứ trong suốt hoặc vật liệu tổng hợp nano quang học có thể cải thiện hiệu suất.

Truyền sóng ánh sáng có hướng dẫn liên quan đến trường sợi quang và khả năng truyền của một số thủy tinh nhất định, đồng thời và giảm cường độ thấp, một dải tần số (ống dẫn sóng quang đa chế độ) với ít nhiễu giữa chúng. Ống dẫn sóng quang được sử dụng làm thành phần trong mạch quang tích hợp hoặc làm phương tiện truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang học.

Quang-điện tử

Pin mặt trời hay tế bào quang điện là một thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Về cơ bản, thiết bị chỉ cần thực hiện hai chức năng: tạo ảnh của hạt mang điện (electron và lỗ trống) trong vật liệu hấp thụ ánh sáng, và tách các hạt mang điện tới một tiếp điểm dẫn điện sẽ truyền điện (nói một cách đơn giản là mang electron tắt qua một kim loại tiếp xúc với một mạch ngoài). Sự chuyển đổi này được gọi là hiệu ứng quang điện, và lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến pin mặt trời được gọi là quang điện.

Pin mặt trời có nhiều ứng dụng. Từ lâu, chúng đã được sử dụng trong các trường hợp không có nguồn điện từ lưới điện, chẳng hạn như trong hệ thống điện vùng sâu vùng xa, vệ tinh quay quanh Trái Đất và tàu thăm dò không gian, máy tính cầm tay, đồng hồ đeo tay, điện thoại vô tuyến từ xa và các ứng dụng bơm nước. Gần đây hơn, chúng bắt đầu được sử dụng trong các cụm mô-đun năng lượng mặt trời (mảng quang điện) được kết nối với lưới điện thông qua một bộ biến tần, không hoạt động như một nguồn cung cấp duy nhất mà là một nguồn điện bổ sung.

Tất cả các tế bào năng lượng mặt trời đều cần một vật liệu hấp thụ ánh sáng có trong cấu trúc tế bào để hấp thụ các photon và tạo ra các điện tử thông qua hiệu ứng quang điện. Các vật liệu được sử dụng trong pin mặt trời có xu hướng có đặc tính là hấp thụ ưu tiên các bước sóng của ánh sáng mặt trời truyền đến bề mặt Trái Đất. Một số pin mặt trời cũng được tối ưu hóa để hấp thụ ánh sáng bên ngoài bầu khí quyển của Trái Đất.

Xem thêm

Tham khảo

  1. ^ a b c d e The Editors of Encyclopaedia Britannica (9 tháng 4 năm 2020). “Solid - Definition & Facts”. Encyclopedia Britannica. Bản gốc lưu trữ ngày 15 tháng 7 năm 2020. Truy cập ngày 23 tháng 8 năm 2020.Quản lý CS1: ref=harv (liên kết)
  2. ^ Kumar, Vijaya K. (2011). Engineering Physics (For 1st Year of JNTU, Anantapur). S. Chand Publishing. tr. 46. ISBN 978-81-219-3647-7.
  3. ^ Zallen, R. (2008). The Physics of Amorphous Solids. Physics textbook. John Wiley & Sons. tr. 108. ISBN 978-3-527-61797-5.
  4. ^ Swallowe, G.M. (1999). Mechanical Properties and Testing of Polymers: An A–Z Reference. Polymer Science and Technology Series. Springer Netherlands. tr. 23. ISBN 978-0-412-80170-9.
  5. ^ Zallen, R. (2008). The Physics of Amorphous Solids. Physics textbook. John Wiley & Sons. tr. 23. ISBN 978-3-527-61797-5.
  6. ^ Šesták, J.; Mareš, J.J.; Hubík, P. (2010). Glassy, Amorphous and Nano-Crystalline Materials: Thermal Physics, Analysis, Structure and Properties. Hot Topics in Thermal Analysis and Calorimetry. Springer Netherlands. tr. 2. ISBN 978-90-481-2882-2.
  7. ^ Trích: "(...) The main goal of the rapid freezing was to maintain the solution in an amorphous state and prevent the nucleation of ice crystals. Slow cooling, or annealing at an immediate temperature, results in the formation of hexagonal or cubic ice crystals." Helliwell, J.R.; Rentzepis, P.M. (1997). Time-resolved Diffraction. Oxford Series on Synchrotron Radiation. Clarendon Press. tr. 391. ISBN 978-0-19-850032-2.
  8. ^ Trích: "Rapidly cooled samples were amorphous to x-rays, whereas slowly cooled samples were crystalline." Baertschi, S.W.; Alsante, K.M.; Reed, R.A. (2016). Pharmaceutical Stress Testing: Predicting Drug Degradation, Second Edition. Drugs and the Pharmaceutical Sciences. CRC Press. tr. 357. ISBN 978-1-4398-0180-2.
  9. ^ Macdonald, G.A.; Abbott, A.T.; Peterson, F.L. (1983). Volcanoes in the Sea: The Geology of Hawaii. University of Hawaii Press. tr. 124. ISBN 978-0-8248-0832-7.
  10. ^ Thakur, V.K. (2013). Green Composites from Natural Resources. Taylor & Francis. tr. 7. doi:10.1201/b16076. ISBN 978-1-4665-7069-6.
  11. ^ Fahim, M.; Chand, N. (2008). Tribology of Natural Fiber Polymer Composites. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering. Elsevier Science. tr. 8. ISBN 978-1-84569-505-7.
  12. ^ Holman, J.S.; Stone, P. (2001). Chemistry. Nelson Science Series. Nelson Thornes Limited. tr. 258. ISBN 978-0-7487-6239-2.
  13. ^ Narula, G.K.; Narula, K.S.; Gupta, V.K. (1989). Materials Science. Tata McGraw-Hill Education. tr. 60. ISBN 978-0-07-451796-3.
  14. ^ Rogers, B.; Adams, J.; Pennathur, S. (2014). Nanotechnology: Understanding Small Systems, Third Edition. Mechanical and Aerospace Engineering Series. Taylor & Francis. tr. 93. ISBN 978-1-4822-1172-6.
  15. ^ Nahum, A.M.; Melvin, J.W. (2013). Accidental Injury: Biomechanics and Prevention. Springer New York. tr. 15. ISBN 978-1-4757-2264-2.
  16. ^ *Parsegian, V.A. (2005). Van der Waals Forces: A Handbook for Biologists, Chemists, Engineers, and Physicists. Cambridge University Press. tr. 4. ISBN 978-1-139-44416-3.
    *Buchanan, R.C.; Park, T. (1997). Materials Crystal Chemistry. Taylor & Francis. tr. 74. ISBN 978-0-8247-9798-0.
  17. ^ a b Gill, R. (2014). Chemical Fundamentals of Geology and Environmental Geoscience. John Wiley & Sons. tr. 131. ISBN 978-1-118-95794-3.
  18. ^ Patterson, J.; Bailey, B. (2007). Solid-State Physics: Introduction to the Theory. Springer Berlin Heidelberg. tr. 2. ISBN 978-3-540-34933-4.
  19. ^ Arnold, Brian (ngày 1 tháng 7 năm 2006). Science Foundation (bằng tiếng Anh). Letts and Lonsdale. ISBN 9781843156567.
  20. ^ Group, Diagram (ngày 1 tháng 1 năm 2009). The Facts on File Chemistry Handbook (bằng tiếng Anh). Infobase Publishing. ISBN 9781438109558.
  21. ^ Stylianidis, E. Photogrammetric Survey for the Recording and Documentation of Historic Buildings. Springer. tr. 99. ISBN 978-3-030-47310-5.
  22. ^ Enghag, P. (2008). Encyclopedia of the Elements: Technical Data - History - Processing - Applications. John Wiley & Sons. tr. 79. ISBN 978-3-527-61234-5.
  23. ^ Das, S.; Dash, H.R. (2017). Handbook of Metal-Microbe Interactions and Bioremediation. CRC Press. tr. 30. ISBN 978-1-351-64939-1.
  24. ^ Girard, J.E. (2009). Principles of Environmental Chemistry. Jones & Bartlett Learning, LLC. tr. 11. ISBN 978-0-7637-8637-3.
  25. ^ Nickelson, L. (2018). Electromagnetic Theory and Plasmonics for Engineers. Springer Singapore. tr. 96. ISBN 978-981-13-2352-2.
  26. ^ Mortimer, Charles E. (1975). Chemistry: A Conceptual Approach (ấn bản 3). New York: D. Van Nostrad Company. tr. 128-133. ISBN 0-442-25545-4.
  27. ^ Mouritz, A.P. (2012). Introduction to Aerospace Materials. Woodhead Publishing in Materials. Elsevier Science. tr. 60. ISBN 978-0-85709-515-2.
  28. ^ Naumann, R.J. (2008). Introduction to the Physics and Chemistry of Materials. CRC Press. tr. 339. ISBN 978-1-4200-6134-5.
  29. ^ Bar-Cohen, Yoseph; Zacny, Kris (ngày 4 tháng 8 năm 2009). Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets (bằng tiếng Anh). John Wiley & Sons. ISBN 9783527626632.
  30. ^ Adeyeri, J.B. (2014). Technology and Practice in Geotechnical Engineering. IGI Global. tr. 45. ISBN 978-1-4666-6506-4.
  31. ^ a b c Schwartz, M. (2016). Encyclopedia and Handbook of Materials, Parts and Finishes. CRC Press. tr. 538. ISBN 978-1-4665-6748-1.
  32. ^ Palanna, O.G. (2009). Engineering Chemistry. McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited. tr. 579. ISBN 978-0-07-014610-5.
  33. ^ Sikalidis, C. (2011). Advances in Ceramics: Electric and Magnetic Ceramics, Bioceramics, Ceramics and Environment. IntechOpen. tr. 513. ISBN 978-953-307-350-7.
  34. ^ Segal, D. (2017). Materials for the 21st Century. Oxford University Press. tr. 144. ISBN 978-0-19-880407-9.
  35. ^ a b Mukherjee, S. (2013). The Science of Clays: Applications in Industry, Engineering, and Environment. Springer Netherlands. tr. 123. ISBN 978-94-007-6683-9.
  36. ^ Palanna, O.G. (2009). Engineering Chemistry. McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited. tr. 596. ISBN 978-0-07-014610-5.
  37. ^ Davis, J.R. (2002). Surface Hardening of Steels: Understanding the Basics. ASM International. tr. 292. ISBN 978-1-61503-250-1.
  38. ^ Hay còn gọi là "độ dai phá hủy". Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9101:2011 (ISO 26602:2009) về Gốm mịn (gốm cao cấp, gốm kỹ thuật cao cấp) – Vật liệu silic nitrua dùng cho viên bi ổ lăn.
  39. ^ Hussey, R.J.; Wilson, J. (2012). Advanced Technical Ceramics Directory and Databook. Springer US. tr. 3. ISBN 978-1-4419-8662-7.
  40. ^ Chowdhury, A.K.; Sinha, G.P. (2007). Advanced Manufacturing Technologies: Proceedings of International Conference on Advanced Manufacturing Technologies at CMERI, Durgapur During 29-30th November 2007. Allied Publishers. tr. 547. ISBN 978-81-8424-259-1.
  41. ^ Jahanmir, S. (1993). Friction and Wear of Ceramics. Taylor & Francis. tr. 62. ISBN 978-0-8493-8393-9.
  42. ^ Salem, J.; Fuller, E.; Ohji, T.; Wereszczak, A. (2009). Corrosion, Wear, Fatigue, and Reliability of Ceramics. Ceramic Engineering and Science Proceedings. John Wiley & Sons. tr. 91. ISBN 978-0-470-45633-0.
  43. ^ Harnoy, A. (2002). Bearing Design in Machinery: Engineering Tribology and Lubrication. Mechanical Engineering. CRC Press. tr. 304. ISBN 978-0-203-90907-2.
  44. ^ Heinrich, J.G.; Aldinger, F. (2008). Ceramic Materials and Components for Engines. John Wiley & Sons. tr. 45. ISBN 978-3-527-61277-2.
  45. ^ Mukherjee, S. (2013). The Science of Clays: Applications in Industry, Engineering, and Environment. Springer Netherlands. tr. 129. ISBN 978-94-007-6683-9.
  46. ^ Meyyappan, M. (2004). Carbon Nanotubes: Science and Applications. CRC Press. tr. 268. ISBN 978-0-203-49493-6.
  47. ^ Hans Bach (11 tháng 11 năm 2013). Low Thermal Expansion Glass Ceramics. Springer. tr. 4. ISBN 978-3-662-03083-7.
    J. Paulo Davim (27 tháng 11 năm 2013). Biomedical Composites: Materials, Manufacturing and Engineering. Walter de Gruyter. tr. 91. ISBN 978-3-11-026748-8.
  48. ^ Holand, W.; Beall, G.H. (2012). Glass Ceramic Technology. Wiley. tr. 274. ISBN 978-1-118-26592-5.
  49. ^ Wilson, R.N. (2013). Reflecting Telescope Optics II: Manufacture, Testing, Alignment, Modern Techniques. Astronomy and Astrophysics Library. Springer Berlin Heidelberg. tr. 223. ISBN 978-3-662-08488-5.
  50. ^ Berezhnoi, A.I. (2012). Glass-Ceramics and Photo-Sitalls. Springer. tr. 327. ISBN 978-1-4684-1761-6.
  51. ^ El-Meliegy, E.; van Noort, R. (2011). Glasses and Glass Ceramics for Medical Applications. SpringerLink : Bücher. Springer New York. tr. 115. ISBN 978-1-4614-1228-1.
  52. ^ Pasek, Matthew A.; Hurst, Marc (28 tháng 7 năm 2016). “A Fossilized Energy Distribution of Lightning”. Scientific Reports. Springer Science and Business Media LLC. 6 (1). doi:10.1038/srep30586. ISSN 2045-2322.
  53. ^ Chung, D.D.L. (2016). Carbon Composites: Composites with Carbon Fibers, Nanofibers, and Nanotubes. Butterworth-Heinemann Elsevier. tr. 252. ISBN 978-0-12-802880-3.
  54. ^ Hurd, M.K. (2005). Formwork for Concrete. Publication SP. American Concrete Institute. tr. 1-PA30. ISBN 978-0-87031-177-2.
  55. ^ Considine, D.M.; Considine, G.D. (2013). Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia. Springer. tr. 2579. ISBN 978-1-4757-6918-0.
  56. ^ Ropp, R.C. (2012). Encyclopedia of the Alkaline Earth Compounds. Elsevier Science. tr. 146. ISBN 978-0-444-59553-9.
  57. ^ a b c Bower, D.I. (2002). An Introduction to Polymer Physics. Cambridge University Press. tr. 8. ISBN 978-0-521-63721-3.
  58. ^ Flory, P.J. (1953). Principles of Polymer Chemistry. Cornell University Press. tr. 31. ISBN 978-0-8014-0134-3.
  59. ^ Ward, I.M.; Sweeney, J. (2012). Mechanical Properties of Solid Polymers. John Wiley & Sons. tr. 1. ISBN 978-1-119-96711-8. Truy cập ngày 28 tháng 8 năm 2020.
  60. ^ Chung, D.D.L. (2010). Composite Materials: Science and Applications. Engineering Materials and Processes. Springer London. tr. 1. ISBN 978-1-84882-831-5.
  61. ^ Buffat, Ph.; Borel, J.-P. (1976). “Size effect on the melting temperature of gold particles”. Physical Review A. 13 (6): 2287. Bibcode:1976PhRvA..13.2287B. doi:10.1103/PhysRevA.13.2287.
  62. ^ Walter H. Kohl (1995). Handbook of materials and techniques for vacuum devices. Springer. tr. 164–167. ISBN 1-56396-387-6.
  63. ^ Shpak, Anatoly P.; Kotrechko, Sergiy O.; Mazilova, Tatjana I; Mikhailovskij, Igor M (2009). “Inherent tensile strength of molybdenum nanocrystals”. Science and Technology of Advanced Materials. 10 (4): 045004. Bibcode:2009STAdM..10d5004S. doi:10.1088/1468-6996/10/4/045004. PMC 5090266. PMID 27877304.
Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Chất_rắn&oldid=63760735”