Твердый
-
Твердое тело
- Одно из четырех фундаментальных состояний вещества
- Молекулы плотно упакованы, обладают наименьшей кинетической энергией
- Характеризуется структурной жесткостью и сопротивлением силе
- Не течет и не расширяется, как жидкость, и не сжимается, как газ
-
Кристаллические и аморфные твердые тела
- Кристаллические твердые тела имеют правильную геометрическую решетку
- Аморфные твердые тела не имеют дальнего порядка в расположении атомов
- Кристаллические структуры зависят от материала и условий формирования
-
Металлы
- Прочные, плотные, хорошие проводники электричества и тепла
- Используются в строительстве, транспорте, приборах и инструментах
- Железо и алюминий — наиболее распространенные металлы
- Металлическая связь удерживает атомы вместе
-
Минералы
- Природные твердые вещества, образовавшиеся под высоким давлением
- Имеют кристаллическую структуру с одинаковыми физическими свойствами
- Вариации состава от чистых элементов до сложных силикатов
-
Керамика
- Состоит из неорганических соединений, обычно оксидов
- Химически инертна, выдерживает высокие температуры
- Традиционное сырье включает глинистые минералы, современные материалы включают оксид алюминия
- Современные керамические материалы включают карбид кремния и карбид вольфрама
-
Керамические материалы
- Изготавливаются из мелкодисперсных порошков, образуя мелкозернистую поликристаллическую микроструктуру.
- Обычно непрозрачны, но золь-гель технология позволяет создавать прозрачную керамику.
- Используются в медицине, электротехнике и электронной промышленности.
-
Механическая прочность и разрушение
- Керамические материалы хрупкие, твердые, прочные при сжатии, слабые при сдвиге и растяжении.
- Хрупкое разрушение характерно для большинства керамических и стеклокерамических материалов.
- Примеры применения: лезвия ножей, бронежилеты, керамические шарикоподшипники.
-
Стеклокерамика
- Обладает свойствами как стекла, так и керамики.
- Используется для кухонной посуды и плит, обладает высокой устойчивостью к тепловому удару.
- Может выдерживать многократные и быстрые перепады температур до 1000 °C.
-
Органические твердые вещества
- Изучают структуру, свойства, состав и реакции химических соединений углерода и водорода.
- Примеры: древесина, парафин, нафталин, полимеры и пластмассы.
-
Древесина
- Натуральный органический материал, состоящий из целлюлозных волокон и лигниновой матрицы.
- Используется в строительстве, упаковке и производстве бумаги.
-
Полимеры
- Образуются путем полимеризации мономеров.
- Существуют промышленные и биополимеры.
- Примеры: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, нейлоны, сложные полиэфиры, акрил, полиуретан, поликарбонаты, силиконы.
-
Композитные материалы
- Содержат две или более макроскопических фаз, часто керамическую.
- Примеры: железобетон, теплоизоляционные плиты, RCC для космических челноков.
- Отечественные образцы: пластиковые корпуса телевизоров и сотовых телефонов.
-
Синергетический эффект и разнообразие материалов
- Синергетический эффект обеспечивает уникальные свойства материалов.
- Большое разнообразие матричных и упрочняющих материалов позволяет выбрать оптимальную комбинацию.
-
Полупроводники
- Полупроводники имеют среднее электрическое сопротивление между металлами и изоляторами.
- Используются в электронике, включая транзисторы, солнечные элементы и диоды.
- Примеры: кремний, германий, арсенид галлия.
-
Наноматериалы
- Наночастицы проявляют различные свойства при сжатии до нанометровых размеров.
- Примеры: наночастицы золота, нанопроволоки, наночастицы лития.
- Наночастицы используются в энергетике, аккумуляторах и солнечных элементах.
-
Биоматериалы
- Природные материалы обладают сложными структурами и самовосстановлением.
- Самоорганизация и самосборка используются в химическом синтезе биоматериалов.
-
Физические свойства
- Включают запах, цвет, объем, плотность, температуру плавления и кипения.
- Механические свойства описывают прочность и устойчивость к деформации.
- Тепловые свойства включают теплопроводность и удельную теплоемкость.
- Электрические свойства включают удельное электрическое сопротивление и электропроводность.
- Пьезоэлектричество используется в пьезоэлектрических устройствах.
- Оптические свойства включают передачу и отражение видимого света.
-
Оптические свойства материалов
- Оконное стекло прозрачно для видимого света, но менее прозрачно для ультрафиолетового излучения.
- Частотно-селективные оптические фильтры изменяют цвет падающего света.
- Датчики на ракете с инфракрасной головкой самонаведения требуют прозрачной оболочки.
- Монокристалл сапфира используется для изготовления куполов для высокоскоростных ракет.
- Сапфир имеет низкую оптическую проницаемость в среднем инфракрасном диапазоне.
- При температуре выше 600 °C сапфир слабеет.
- Новые материалы, такие как прозрачная керамика и оптические нанокомпозиты, могут улучшить эксплуатационные характеристики.
-
Волоконная оптика
- Волоконная оптика связана с передачей световых волн через оптические волноводы.
- Оптические волноводы используются в интегральных оптических схемах и оптических системах связи.
-
Фотоэлектрические ячейки
- Солнечный элемент преобразует световую энергию в электрическую.
- Устройство выполняет фотогенерацию носителей заряда и их отделение от проводящего контакта.
- Солнечные батареи используются в системах электроснабжения, портативных устройствах и космических миссиях.
- Солнечные модули подключаются к электросети через инвертор.
- Светопоглощающий материал в структуре элемента поглощает фотоны и генерирует электроны.
-
История материаловедения
- Материаловедение возникло в эпоху Просвещения.
- Включает элементы физики, химии и инженерии.
- С 1940-х годов материаловедение стало отдельной областью науки и техники.
- Материаловеды изучают влияние обработки на структуру и свойства материалов.
- Парадигма материалов используется в нанотехнологиях, биоматериалах и металлургии.