固體

固體（solid）是物質存在的一種狀態，是四種基本物質狀態之一。與液體和氣體相比，固體有固定的體積及形狀，形狀也不會隨著容器形狀而改變。固體的質地較液體及氣體堅硬，固體的原子之間有緊密的結合。固體可能是晶體，其空間排列是有規則的晶格排列（例如金屬及冰），也可能是無定形體，在空間上是不規則的排列（例如玻璃）。一般而言，固體是宏觀物體，一個物體要達到一定的大小才能夠被稱為固體，但是對其大小無明確的規定。

物理學中研究固體的分支稱為固體物理學，是凝聚態物理學的主要分支之一。材料科學探討各種常見固體的物理及化學特性。固體化學研究固體結構、性質、合成、表徵等的一門化學分支，也和一些固體材料的化學合成有關。

## 特性

固體有三種特性：

- 固體裡的粒子是緊緊相扣，不易進行運動。
- 固體是固定在物質裡一個特定空間。
- 當有外力對物質施加作用時，固體形狀會被扭曲，導致變形。

儘管任何固體都有熱能，粒子間可以相互震動，此粒子運動幅度相當的小，很難靠感覺來觀察。

通過其組成部分之間相互作用，固體的特性可能與組成它的粒子的特性有很大區別。

## 微觀描述

固體可依其原子、分子或離子的排列方式是否有特定週期性的規則，分類為晶體或無定形體（非晶體），而晶體又分為單晶體和多晶體。固體是結晶體或是無定形體，和其材料及冷卻凝固的條件有關，緩慢冷卻形成的固體比較容易形成結晶體，而快速冷卻形成的固體比較容易形成無定形體。

有些物質中只含有一種化合物，像冰塊或氯化鈉等，但也有許多物體是由多種化合物所組成，像岩石就是由許多不同的的礦物及准礦物所組成，無法用一個化學式來表示其中的成份，而木材是自然形成的有機材料，主要由纖維素及木質素所組成。複合材料是由多種材料所組成，可藉由材料及成份的調整來達到預期的特性。

### 晶體

不規則排列的二氧化矽，每個矽原子都和三個氧原子鍵結，每個氧原子也都和二個矽原子鍵結，但其整體排列沒有一定的規則晶體是排列規則的固體，當整個晶體內原子都按周期性規則排列時，稱為單晶，例如氯化鈉、天然水晶、鑽石等。不過大部份固體的晶體大小都遠小於可用肉眼判識的大小，肉眼可見的固體其實是由許多稱為晶粒的「小單晶體」所組成，晶粒最小可以到數奈米。粗晶、微晶、納米晶指的就是晶粒的大小。

由許多晶粒組成的固體稱為多晶，常見的石頭、金屬、陶瓷都是多晶。結晶體的晶體結構和其材料及冷卻凝固的條件有關。例如鋼在慢速冷卻時會形成波來鐵，若經過淬火的快速冷卻，會形成馬氏體。

### 非晶體

不規則排列的固體被稱為無定形體，例如聚苯乙烯和玻璃。

### 准晶

准晶體是一種介於晶體和非晶體之間的固體。

## 固體的類別

依固體組成的原子（或原子團）不同，原子之間的作用力也隨之不同：例如氯化鈉是由氯離子和鈉離子組成，氯離子和鈉離子之間會形成離子鍵。像鑽石或矽的固體，原子和原子之間共同使用它們的外層電子，形成成共價鍵。金屬中的原子之間會形成金屬鍵，原子的價電子會形成自由電子。大部份的有機化合物分子間的作用力是凡得瓦力，主因是在分子中的電荷分佈不平均所造成。固體的特性受原子之間作用力的影響很大。

### 金屬

一般而言，金屬是電及熱的良導體。元素週期表中由硼畫一條線至Og，線左側的元素都是金屬。合金是指由二種或二種以上元素混合而成，以金屬為其主要成份，且有金屬特性的混合物。

人類自史前時代就開始使用金屬，像青銅時代及鐵器時代就開始以器具使用的金屬種類為其時代名稱。金屬由於其強度及可靠度良好，已廣為使用在各領域中，例如建築物的結構、車輛的結構、許多工具及設備、管線、道路標誌及鐵軌等。鐵和鋁是最常使用的二種金屬，也是地殼中豐度最高的二種金屬元素。在使用時，鐵一般會和其他元素形成合金，其中最常使用的鋼，其碳含量最多會到2.1%，而隨著碳含量的增加，合金的硬度也會逐漸提高。

### 礦物

礦物是存在於自然界中，在高壓下經過許多地質過程後形成的固體。礦物必需有晶體結構以及一致性物理性質。礦物的成份約有數千種廣，範圍從純元素、簡單鹽類，也可以是複雜的矽酸鹽。礦物和岩石不同，後者是由許多的礦物及准礦物所組成，無法用化學式來表示。地殼中岩石的主要成份包括石英、長石、雲母、綠泥石、高嶺石、方解石、綠簾石、橄欖石、普通輝石、角閃石、磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦等。其中石英、長石及雲母是常見的礦物，其他的礦物只在一些特定區域才能找到。礦物中最多的是矽酸鹽，約佔一般岩石的95%，主要是由氧和矽組成，也包括鋁、鎂、鐵、鈣及其他金屬。

### 陶瓷

陶瓷材料是由無機化合物所組成，通常是元素的氧化物。陶瓷不容易發生化學反應，一般而言是可以耐酸耐腐蝕的材料。陶瓷一般可耐1000至1600 °C的高溫，不過像氮化物、硼化物及碳化物等不含氧的無機化合物其耐溫範圍更高。陶瓷一般會有高硬度、高耐磨性、抗腐蝕，但其脆性大。

傳統的陶瓷原料包括像高嶺石之類的黏土礦物，較後期的陶瓷原料則包括氧化鋁（礬土），現代的陶瓷原料或稱為先進陶瓷原料包括有碳化矽及碳化鎢．兩者的耐磨性都很好，因此可用在像採礦設備中的粉碎用機械中。

大部份的陶瓷（包括礬土及其相關化合物）都是用粉末原料成形而成，因此可以得到細粒度的多晶微結構，容易散射可見光範圍的電磁波，因此陶瓷一般都是不透明的材料。

### 玻璃陶瓷

玻璃陶瓷兼具有無定形體的玻璃及晶體的陶瓷的許多特性，其成形方式類似玻璃，再利用熱處理的方式使其部份產生結晶，因此其中同時有無定形體及晶體均勻分佈。

當閃電擊中砂粒中的晶粒時，也會產生玻璃陶瓷。閃電帶來的大量及快速的熱能會使溫度到約2500 °C，會產生中空、分支樹根狀的閃電熔岩。

### 有機固體

有機化學是研究有機化合物的結構、性質、組成、反應及製備等。有機化合物的主要成份為碳和氫，但也包括氧、氮及鹵素（氟、氯、溴、碘），有些有機化合物還含有磷和硫等，有機固體的例子有木材、石蠟、萘及許多的聚合物和塑膠等。

#### 木材

木材是像喬木和灌木能夠次級生長的植物所形成的木質化組織。這些植物在初生生長結束後，根莖中的維管形成層開始活動，向外發展出韌皮，向內發展出木材。木材是維管形成層向內的發展出植物組織的統稱，包括木質部和木質線。

木材為林業主產物，對於人類生活起著很大的支持作用。根據木材性質的不同，可以用在不同的應用中。

#### 聚合物

聚合物（Polymer）是指具有非常大的分子量的化合物，分子間由結構單位、或單體經由共價鍵連接在一起。這個字眼（polymer）是出自於希臘字：polys代表的是多，而meros 代表的是小單位（part），所以很多小單位連結在一起的這種特別的分子，我們稱之為聚合物。需要更多的資訊，可以參考塑膠、DNA和高分子。

#### 生物材料

許多自然界的材料都可以視為複雜的複合材料，而且各自有其特殊的性質。這些材料歷經數百萬年的演變，許多科學家也從中得到靈感來設計先進材料。生物材料的特徴包括結構層次（structural hierarchy）、多功能性及自我修復的能力。自我組織也是生物材料的基本特性之一，藉此才能由分子層次逐漸組合為各種生物材料，自組裝也是在進行一些高效能生物材料的化學合成時，逐漸開始使用的方法之一。

### 複合材料

複合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料，經過複合工藝而製備的多相材料。其中包括連續相的基體，和被基體包容，用來提昇材料性能的相增強體。

複合材料的應用範圍很廣，包括建築工程中常用的鋼筋混凝土，及用在太空梭的太空梭隔熱系統中，在太空梭返航回到地球時避免表面過熱的絕熱瓦，太空梭機鼻及機翼前緣會使用強化碳-碳的淺灰色材料，可以承受返航時高達1510 °C的溫度。強化碳-碳是一種由浸漬在酚醛樹脂的石墨人造絲製成的層疊複合材料。在高溫的高壓釜中處理後，層疊會熱分解，人造絲會釋出碳，再在真空下浸漬在糠醇中，糠醇也會釋出碳。為了反覆利用時的抗氧化能力，會用碳化矽作為強化碳-碳的外層。

### 半導體

半導體是電阻率介於金屬導體和非金屬絕緣體之間的物質，在週期表硼往右下的對角線上．其左邊是金屬導體，其右邊是絕緣體。

半導體元件是近代電子學的基礎，包括收音機、電腦、電視中都有半導體元件。半導體元件包括電晶體、太陽能電池、二極體及積體電路。大陽能光電板是大型的半導體元件，直接將光能轉換為電能。

在金屬導體中，電流是由於電子的流動所造成，但在半導體中，電流是由於材料能帶結構中的電子流動以及帶正電電洞流動所造成。常見的半導體材料包括矽、鍺及砷化鎵。

### 納米材料

許多固體當其大小為幾個納米時，其特性也會隨之改變。例如金和矽分別是金色和灰色，但金和矽的納米料子都是紅色，大小為約2.5納米的金納米粒子，其熔點約為300°C，遠低於金塊的熔點1064°C。金屬的納米線其強度也比一般大小下的相同金屬要大。

納米材料有高表面積，適用在許多和能源相關的應用中，例如納米的鉑金屬可以作為車用燃料的催化劑，也可以用在質子交換膜燃料電池中、鑭、鈰、錳、鎳的氧化物形成的陶瓷或金屬陶瓷可用在固體氧化物燃料電池（SOFC）、鋰和鈦的納米顆粒可用在鋰離子電池或鈦酸鋰電池中、矽納米粒子已被證實可以大幅提昇鋰離子電池在膨脹/收縮周期中的儲存容量。矽納米顆粒也用在新形式的太陽能電池中，太陽能電池中多晶矽基板上矽量子點的薄膜沉積可以增加60%輸出電壓，此應用中納米顆粒或薄膜的表面積也使其吸收輻射量達到最大值。

## 物理性質

固體的物理性質包括氣味、顏色、體積、密度、熔點、沸點、比熱、室溫下的形態（固體、液體或氣體）、硬度、多孔性、折射率等。以下探討一些固體的材料性質。

世界上最輕的固體是飛行石墨，其密度小於0.2 mg/cm³，比微晶格（0.9 mg/cm³）和氣凝膠（1.9 mg/cm³）的密度都小。

### 力學

材料的力學性質是和其材料強度及抵抗變形的能力有關，像許多結構中使用鋼梁的原因是因為鋼的高強度，在結構中受力時不會斷裂，也不會有顯著的彎曲。

力學性質包括彈性、塑性、抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、斷裂韌性及延展性（脆性材料的延展性低）及壓入硬度。固體力學是研究固體在外在施力及溫度變化下的行為。

固體和流體不同，不會有宏觀的流動現象。固體有一定的形狀，若其形狀變化，和其原有形狀不同，稱為形變，形變和原有尺寸的比例稱為應變。若材料受到的應力非常小，幾乎所有固體都會滿足胡克定律，其應變和應力成正比，比例係數為彈性模量或楊氏模量，這類的變形是在線彈性的範圍內。物體受力時的形變可分為以下的三種：

- 彈性：當外力移除後，物體會恢復成原來形變前的狀態。
- 粘彈性：材料同時有彈性及阻尼，因此當外力移除後，物體會接近原來形變前的狀態，但不會完全恢復形變前的狀態，需額外施力克服阻尼的影響。其應力-應變曲線會有遲滯現象，表示其力學上的響應為一個和時間有關的響應。
- 塑性：當外力造成的應力超過一定範圍時，物體會產生不可逆的永久形變，外力移除後，物體無法恢復成原來形變前的狀態。

許多材料高溫下的強度會下降，防火材料是指高溫下仍可維持其強度的材料，可用一些有特殊要求的應用中。例如玻璃陶瓷有優異的力學性質，而且可以承受超過1000 °C的反覆性快速溫度變化，適用在檯面烹飪中。在航太工業中，飛機或太空船外層使用的材料需要可以耐熱衝擊，因此會使用由有機聚合物紡出的合成纖維，有聚合物/陶瓷/金屬的複合材料或是纖維增強塑料。

### 熱學

由於固體有熱能，其原子會在固體中特定位置的周圍振動，晶體或是無定形體的晶格振動頻率頻譜是固體動力學的基礎，原子的振動幅度是原子等級的大小，因此需用特殊的儀器才能觀察，例如光譜學相關的儀器。

固體的熱學性質包括熱導率，是指一固體熱傳導的能力。固體的熱學性質也包括比熱容，是指固體以熱能方式儲存能量的能力。

熱電效應包括三個在金屬中溫度和電壓之間的轉換效應：塞貝克效應、帕爾帖效應及湯姆森效應，前二個是在二種不同金屬介質中，溫度差和電壓之間的轉換效應，湯姆森效應則是一金屬兩端溫度不同時，金屬兩端會形成電勢差的效應。

### 電學

電學性質包括電導率、電阻率、阻抗及電容，金屬及合金是電的導體，而玻璃及陶瓷是電的絕緣體，前者電導率高，後者電導率低，而半導體介於二者之間。金屬的導電是因為其中的電子，半導體的導電是電子和電洞，而快離子導體的導電性是由離子造成。

大部份導體的電阻率會隨著溫度的下降而降低，只是電阻率最終會是一個不為零的值。有些材料有超導體的特性，當在溫度低於其臨界溫度時，電阻率會突然降為零。低溫下有超導特性的材料包括錫和鋁等金屬、許多金屬合金、一些重度摻雜的半導體及特定的陶瓷。一個由超導體形成的線圈，可以在沒有電壓源的條件下，讓電流在線圈內持續流動。

介電質是一種可以電極化的絕緣體，可以用在電容器中。電容器是利用二片距離很近的導體來儲存能量的電子零件，二片導體之間即為介電質，因此二片導體會產生大小相同，極性相反的電荷，在電路中電容器常作為能量儲存元件，因此電容器的阻抗會隨著頻率而不同，電容器也常用在濾波器中，去分離高頻及低頻訊號。

#### 機電特性

壓電性是指晶體在受到應力後會產生電壓的特性，在有壓電性的晶體中，若施加電壓也會產生微小的形變。像橡膠、木材、頭髮及絲等聚合物都有壓電性，而聚偏二氟乙烯聚合物的壓電性要比石英高出許多。壓電性材料的形變特性使其適用在像高壓源、喇叭、雷射．及其他化學、生物及聲光的感測器及換能器。

### 光學

有些材料會允許可見光穿透，例如玻璃，有些材料則會反射可見光，例如金屬。

許多材料會允許一定波長範圍的電磁波通過，反射其他波長範圍的電磁波。例如窗戶的玻璃會設計成可以讓可見光穿透，但會反射大部份會造成曬傷的紫外線，此特性可以用來作頻率選擇的光濾鏡，可以調整入射光的顏色。

在一些特定的應用時，需同時考慮材料的光學和力學特性。例如紅外線導引飛彈的感測器需放在一個允許紅外線穿透的外殼內，目前會使用單晶藍寶石作為高速紅外線導引飛彈的外殼，但無法讓整個中紅外線（3–5 µm）範圍內的紅外線都穿透此材料，在室溫下若波長約超過4.5 µm，穿透能力就開始下降。雖然在室溫下藍寶石的強度比其他和中紅外線的材料會好，但若超過600°C時其強度會變差。因此長期以來都要在光學特性和力學的耐久性上取捨，不過使用透明陶瓷或光學奈米材料可以減少這類的問題。

受導引的光波傳輸和光纖領域有關，也和玻璃是否可以同時傳送多個頻率的信號（多模光導）有關，理想情形下光訊號強度維持不變，而信號之間不會有干涉。光導是積體光電子電路的一部份，或是光學通訊系統的傳輸介質。

#### 光電特性

太陽能電池是可以將光能轉換為電能的設備，太陽能電池會利用吸光性材料用光子激發電子和電洞，再讓電子和電洞往不同方向移動來傳導電流。上述的效應稱為光電效應，此一領域稱為光電工程。

太陽能電池有許多不同的應用，最常見的是用在需要電源，但又無法連接到輸電網路的情形，例如地球軌道上的衛星、掌上式電腦、手錶、衛星電話或距離很遠的打水泵浦。近來也開始將太陽能電池產生的能量透過變頻器轉換為交流電壓，輸送到輸電網路，太陽能電池不只是一個獨立的電源，也可以是輸電網路的一部份。

所有的太陽能電池都需要在電池結構中有可以吸收光線的材料，用來吸收光子，利用光電效應產生電子。由於太陽光中特定頻率範圍的光才能穿過大氣層，到達地表，太陽能電池中的吸光性材料會選用在可吸收這些頻率光子的材料，不過若太陽能電池是放置在大氣層外，則需針對大氣層的太陽光頻率分佈來選擇太陽能電池的材質。