固体

title: 特性.
content: 固体有三种特性: 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。
title: 微观描述.
content: 固体可依其原子、分子或离子的排列方式是否有特定周期性的规则,分类为晶体或无定形体(非晶体),而晶体又分为单晶体和多晶体。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。  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及准矿物所组成,无法用一个化学式来表示其中的成分,而木材是自然形成的有机材料,主要由纤维素及木质素所组成。复合材料是由多种材料所组成,可借由材料及成分的调整来达到预期的特性。
title: 晶体.
content: 晶体是排列规则的固体,当整个晶体内原子都按周期性规则排列时,称为单晶,例如氯化钠、天然水晶、钻石等。不过大部分固体的晶体大小都远小于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“小单晶体”所组成,晶粒最小可以到数奈米。粗晶、微晶、纳米晶指的就是晶粒的大小。  由许多晶粒组成的固体称为多晶,常见的石头、金属、陶瓷都是多晶。结晶体的晶体结构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。
title: 非晶体.
content: 不规则排列的固体被称为无定形体,例如聚苯乙烯和玻璃。
title: 准晶.
content: 准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
title: 固体的类别.
content: 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。大部分的有机化合物分子间的作用力是凡得瓦力,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。
title: 金属.
content: 一般而言,金属是电及热的良导体。元素周期表中由硼画一条线至Og,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,以金属为其主要成分,且有金属特性的混合物。  人类自史前时代就开始使用金属,像青铜时代及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。铁和铝是最常使用的二种金属,也是地壳中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,其中最常使用的钢,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。
title: 矿物.
content: 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。矿物的成分约有数千种广,范围从纯元素、简单盐类,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所组成,无法用化学式来表示。地壳中岩石的主要成分包括石英、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,也包括铝、镁、铁、钙及其他金属。
title: 陶瓷.
content: 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、硼化物及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。  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及碳化钨.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。  大部分的陶瓷(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微结构,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。
title: 玻璃陶瓷.
content: 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分产生结晶,因此其中同时有无定形体及晶体均匀分布。  当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。
title: 有机固体.
content: 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分为碳和氢,但也包括氧、氮及卤素(氟、氯、溴、碘),有些有机化合物还含有磷和硫等,有机固体的例子有木材、石蜡、萘及许多的聚合物和塑胶等。
title: 木材.
content: 木材是像乔木和灌木能够次级生长的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,包括木质部和木质线。  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。
title: 聚合物.
content: 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、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"多",而"meros" 代表的是"小单位(part)",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。需要更多的资讯,可以参考塑胶、DNA和高分子。
title: 生物材料.
content: 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。
title: 复合材料.
content: 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,及用在航天飞机的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的石墨人造丝制成的层叠复合材料。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。
title: 半导体.
content: 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,在周期表硼往右下的对角线上.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、二极管及积体电路。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电洞流动所造成。常见的半导体材料包括硅、锗及砷化镓。
title: 纳米材料.
content: 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。金属的纳米线其强度也比一般大小下的相同金属要大。  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、镧、铈、锰、镍的氧化物形成的陶瓷或金属陶瓷可用在固体氧化物燃料电池(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。
title: 物理性质.
content: 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、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,其密度小于0.2 mg/cm3,比微晶格(0.9 mg/cm3 )和气凝胶(1.9 mg/cm3)的密度都小。
title: 力学.
content: 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、断裂韧性及延展性(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或杨氏模量,这类的变形是在线弹性的范围内。物体受力时的形变可分为以下的三种:  许多材料高温下的强度会下降,防火材料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。
title: 热学.
content: 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是固体动力学的基础,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、帕尔帖效应及汤姆森效应,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,汤姆森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。
title: 电学.
content: 电学性质包括电导率、电阻率、阻抗及电容,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电洞,而快离子导体的导电性是由离子造成。  大部分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的绝缘体,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。
title: 机电特性.
content: 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、生物及声光的传感器及换能器。
title: 光学.
content: 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,但会反射大部分会造成晒伤的紫外线,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,不过使用透明陶瓷或光学奈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的一部分,或是光学通讯系统的传输介质。
title: 光电特性.
content: 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电洞,再让电子和电洞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分。  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。

Summary: 固体是物质存在的一种状态,是四种基本物质状态之一。与液体和气体相比,固体有固定的体积及形状,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(例如金属及冰),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。

État solide: L’état solide est un état de la matière caractérisé par l'absence de liberté entre les molécules ou les ions (métaux par exemple).