Čvrsto stanje
| Mehanika kontinuuma | |
|---|---|
| | |
Čvrstoilikruto stanjeje jedno odčetiri osnovna stanja materije(ostale sutečnost,pliniplazma). Molekule u krutini su usko spakovane i sadrže najmanje kinetičke energije. Čvrst materijal karakterizirastrukturna krutosti otpornost na silu, koja djeluje na površini. Za razliku od tečnosti, čvrsti predmet ne predstavlja oblik koji ima svoj sadržaj, niti se širi ispunjavavajuči čitav raspoloživivolumenpoput plina.
Pregled
[uredi|uredi izvor]Čvrsta tvarpredstavlja jedno od triagregatna stanjatvari, kada je tvar u čvrstomagregatnom stanju,a prepoznatljivo je po svojstvima opiranja promjenamaoblikaizapremine.Najviši oblik organizacije tvari zastupljen je u čvrstom agregatnom stanju. Mnoge tvari u prirodi se nalaze upravo u ovakvom obliku organizacije. Uređenost strukturnih jedinica (atomi,molekule,ioni) u čvrstoj supstanci je znatno veća nego utečnostima.Promjena položaja strukturnih jedinica nije moguća i one miruju, ako se zanemare oscilacije ovih strukturnih jedinica oko ravnotežnog položaja. Zbog toga čvrste supstance imaju svoj vlastiti volumen i vlastiti oblik. Ukoliko su strukturne jedinice u čvrstoj supstanci pravilno raspoređene u bilo kojem dijelu ili pravcu u supstanci, onda su te supstancekristali.Ukoliko je razmještaj strukturnih jedinica promjenjiv i različit u različitim dijelovima supstance, onda su toamorfne supstance.Amorfno stanje je slično tečnom agregatnom stanju i izgleda kao nagla zaleđenost strukturnih jedinica u tečnom stanju i sva neuređenost, karakteristična za tečnosti, ostala je fiksirana. Zbog toga se amorfno stanje može i zove pothlađena tečnost. Podizanjemtemperature,neuređenost se postepeno povećava, približava tečnom stanju i to se manifestira kao omekšavanje. Zbog toga amorfne supstance nemaju fiksnutemperaturu topljenja,nego temperaturni interval omekšavanja.Stakloje najuobičajeni oblik amorfnog stanja.
Makroskopski opis
[uredi|uredi izvor]Atomi u čvrstoj potpornoj međusobnoj vezi, su u pravilnojgeometrijskoj rešetki(kristalne čvrste materije,koje uključujumetalei običneledove]]), ili nepravilno (amorfne krutine,poput uobičajenog prozorskog stakla). Čvrste tvari se ne mogu komprimirati malim pritiskom, dok se plinovi komprimiraju i malim, jer su molekule u plinu labavo upakirane.
Oblastfizikekoja se bavi čvrstim tvarima naziva sefizika čvrstog stanjai glavna je granafizike kondenzirane materije(koja također uključuje i tekućine).Nauka o materijalimaprvenstveno se bavifizičkimihemijskim svojstvimačvrstih supstanci.Hemija čvrstih stanjaposebno se bavisintezomnovih materijala, kao i nauka o identifikaciji ihemijskog sastava.
Atomi, molekuli ili ioni koji čine čvrste materije mogu biti poredani u redoslijedu koji se ponavlja ili nepravilno. Materijali čiji su sastojci raspoređeni u pravilnom uzorku poznati su pod nazivomkristali.U nekim slučajevima, redovno poredak može se nastaviti neprekinuto u velikim razmjerima, a primjer sudijamanti,gdje je svakimonokristal.Čvrsti predmeti koji su dovoljno veliki da se vide i njima se rukuje, rijetko se sastoje od jednog kristala, već su umjesto toga izrađeni od velikog broja monokristala, poznatih kaokristaliti,čija veličina može varirati od nekoliko nanometara do nekoliko metara. Takvi materijali nazivaju sepolikristalnalinija. Gotovo svi uobičajeni metali, a i mnogikeramički,su polikristalni.
U ostalim materijalima ne postoji dugoročni raspored u položaju atoma. Te čvrste materije su poznate kaoamorfne čvrste materije;primjeri uključujupolistirenistaklo.
Da li je čvrsta supstanca kristalna ili amorfna, ovisi o uključenom materijalu i uvjetima u kojima je nastala. Čvrste tvari koje nastaju polaganim hlađenjem obično će biti kristalne, dok će one koje se brzo smrznu vjerovatnije biti amorfne. Isto tako, specifičnakristalna struktura,koju usvoji kristalna čvrsta supstanca, ovisi o uključenom materijalu i o tome kako je nastala.
Iako su mnogi uobičajeni predmeti, poput kockice leda ili novčića, hemijski identični, mnogi drugi uobičajeni materijali sadrže brojne različite supstance spakovane zajedno. Naprimjer, tipskastijenajeagregatnekoliko različitih minerala imineraloid,bez specifičnog hemijskog sastava. Drvo je prirodni organski materijal, koji se sastoji uglavnom odceluloznihvlakana ugrađenih u matricu organskoglignina.U nauci o materijalima,kompozitiviše od jednog sastavnog materijala mogu se dizajnirati tako da ima željena svojstva.
Klase čvrstih tvari
[uredi|uredi izvor]Sile između atoma u čvrstom tijelu mogu imati različite oblike. Naprimjer, kristalnatrij-hlorida(uobičajena sol) sastoji se odionaledanatrijaihlor,koji se zajedno držeionskom vezom.[1]U dijamantu[2]ilisilicijum,atomi dijeleelektronei formirajukovalentne veze,[3]U metalima elektroni dijelemetalno vezanje.[4]Neke čvrste materije, posebno većina organskih spojeva, drže se zajednovan der Waalsovom silomrezultatirajući polarizacije elektronskog oblaka naboja na svakoj molekuli. Razlike između vrsta čvrstog materijala proizlaze iz razlika između njihovog vezanja.
Metali
[uredi|uredi izvor]
Metali su obično jaki, gusti i dobri provodnici saelektričnom energijomitoplotom.[5][6]
Glavninu elemenata uperiodnom sistemu,onima lijevo od dijagonalne linije povučene odbortadopolonija,čine metali. Mješavine dva ili više elemenata u kojima je glavni sastojak metal, poznate su pod nazivomlegura.
Ljudi su koristili metale u razne svrhe još odprapovijesti. čvrstoćaipouzdanostmetala doveli su do njihove široke upotrebe u gradnji zgrada i drugih objekata, kao i u većini vozila, mnogih uređaja i alata, cijevi, putokaza i željezničkih pruga.Gvožđeialuminijsu dva najčešće korištena strukturna metala. Oni su ujedno i najzastupljeniji metali uZemljinoj kori.Gvožđe se najčešće koristi u obliku legure,čelikakoji sadrži do 2,1%ugljika,što ga čini mnogo tvrđim od čistog gvožđaa.
Budući da su metali dobri provodnici električne energije, dragocjeni su u električnim uređajima i za prenošenjeelektrične strujena velike udaljenosti, s malim gubicima ili rasipanjem energije. Stoga se, za distribuciju električne energije, električne mreže oslanjaju na metalne kablove. Kućni električni sistemi su, naprimjer, ožičeni bakrom zbog dobrih provodnih svojstava i jednostavne obradivosti. Visokatoplotna provodljivostvećine metala čini ih korisnim i za posuđe za kuhanje na šporetima
Proučavanje metalnih elemenata i njihovihleguračini značajan dio polja hemije čvrstog stanja, fizike, nauke o materijalima i inženjerstva.
Metalne čvrste supstance drže zajedno gustoća zajedničkih, delokalizovanih elektrona, poznatih kao "mwtalno vezanje".U metalu, atomi lahko izgube svoje najudaljenije (" valencija ")elektrone,stvarajući pozitivneione.Slobodni elektroni se šire po čitavoj čvrstoj materiji, koja se čvrsto drži zajedno, elektrostatskim interakcijama između iona i elektronskog oblaka.[7]Veliki brojslobodnih elektronadaje metalima njihove visoke vrijednosti električne i toplotne provodljivosti. Slobodni elektroni takođe sprečavaju prijenos vidljive svetlosti, čineći metale neprozirnim, blistavim isjajnim.
Napredniji modeli svojstava metala razmatraju učinak jezgara pozitivnih iona na delokalizirane elektrone. Kako većina metala ima kristalnu strukturu, ti ioni obično su raspoređeni u periodičnu rešetku. Matematički, potencijal ionskih jezgara može se tretirati različitim modelima, a najjednostavniji jemodel gotovo slobodnih elektrona.
Minerali
[uredi|uredi izvor]
Minerali su čvrste supstance prirodnog porijekla, nastale u različitim geološkim procesima[8]pod visokim pritiskom. Da bi se tvar mogla klasificirati kao pravi mineral, treba imatikristalnu strukturu,s jednakim fizičkim svojstvima. Sastav minerala varira od čistihelemenatai jednostavnihsolido vrlo složenihsilikata,sa hiljadama poznatih oblika. Suprotno tome, uzorakstijenaslučajni je agregat minerala i / ilimineraloidai nema specifičan hemijski sastav. Velika većina stijenaZemljine koresastoji se odkvarca(kristalni SiO2), glinenca, tinjca,hlorit,kaolin,kalcita,epidot,olivin,augit,škriljaca,magnetita,hematita,limonitai nekoliko drugih minerala. Neki minerali, poputkvarcaliskunailiglinenacasu uobičajeni, dok su drugi pronađeni na samo nekoliko lokacija širom svijeta. Daleko najveća grupa minerala susilikati(većina stijena su ≥95% silikatne), koji se uglavnom sastoje odsilicijaikisika,uz dodatak ionaaluminija,magnezija,gvožđa,kalcijai drugih metala.
Keramika
[uredi|uredi izvor]
Keramičke čvrste supstance sastoje se od anorganskih spojeva, običnooksidahemijskih elemenata.[9]Hemijski su inertni i često su sposobni izdržati hemijsku eroziju koja se javlja u kiselom ili kaustičnom okruženju. Keramika uglavnom može podnijeti visoke temperature, u rasponu od 1000 do 1600 °C (1800 do 3000 °F). Izuzeci uključuju neoksidne anorganske materijale, kao što sunitridi,boridiikarbidi.
Tradicijske keramičke sirovine uključuju mineraleglinekao što jekaolinit,novije materije uključuju aluminij-oksid (glinica). Moderni keramički materijali, koji su klasificirani kao napredna keramika, uključujusilicij-karbidivolfram-karbid.Oba su cijenjeni zbog otpornosti na habanje i stoga pronalaze upotrebu u takvoj primjeni kao što su habajuće ploče oprema za drobljenje u rudarskim operacijama.
Većina keramičkih materijala, poput glinice i njenih spojeva, suoblikovaniod finih prahova, čime se dobiva fino zrnastapolikristalnamikrostruktura,ispunjena centrimarasipanja svjetlosti,uporedivim satalasnom dužinomvidljive svjetlosti.Dakle, to su uglavnom neprozirni materijali, za razliku odprozirnih.Međutim, nedavna tehnologija nanorazmjera (npr.sol-gel) omogućila je proizvodnju polikristalnihprozirnih keramika,poput prozirne glinice i spojeva glinice za takvu primjenu kao što sulaserivelike snage. Napredna keramika se također koristi i u medicini, električnoj i elektroničkoj industriji.
Keramičko inženjerstvoje nauka i tehnologija stvaranja čvrstih keramičkih materijala, dijelova i uređaja. To se postiže dejstvom toplote ili, pri nižim temperaturama, upotrebomreakcije taloženjaiz hemijskihrastvora.Pojam uključuje pročišćavanje sirovina, proučavanje i proizvodnju dotičnih hemijskih spojeva, njihovo formiranje u komponente i proučavanje njihove strukture, sastava i svojstava.
Mehanički gledano, keramički materijali su lomljivi, tvrdi, jaki na kompresiju i slabi na smicanje i zatezanje.Krhkimaterijali mogu pokazivati značajnuvlačnu čvrstoćupodržavajući statičko opterećenje.Žilavostpokazuje koliko energije materijal može apsorbirati prije mehaničkog otkaza, dokžilavost loma(označava se sa KIc) opisuje sposobnost materijala sa svojstvenimmikrostrukturnim nedostacimada se odupre pucanju rastom i širenjem pukotina. Ako materijal ima veliku vrijednostžilavosti loma,osnovni principimehanike lomasugeriraju da će najvjerovatnije doživjeti duktilni lom. Krhki lom je vrlo karakterističan za većinukeramičkogistaklokeramičkogmaterijala, koji obično pokazuju niske (i nedosljedne) vrijednosti KIc.
Kao primjer primjene keramike, koristi se ekstremna tvrdoćacirkoniju proizvodnjinoževihoštrica, kao i ostalih industrijskih alata za rezanje. Keramika poputglinice,bor-karbidaisilicij-karbidakorišćena je upancirimaza odbijanje vatre pušaka velikog kalibra. Dijelovisilicij-nitridakoriste se u keramičkim kugličnim ležajevima, gdje ih velika tvrdoća čini otpornim na habanje. Općenito, keramika je također kemijski otporna i može se koristiti u mokrim okruženjima gdje bi čelični ležajevi bili osjetljivi na oksidaciju (ili hrđu).
Kao još jedan primjer primjene keramike, ranih 1980-ih,Toyotaje istraživala proizvodnju adijabatskog keramičkog motora saradnom temperaturomod preko 6000 °F (3300 °C). Keramičkim motorima nije potreban sistem za hlađenje i stoga omogućavaju veliko smanjenje težine, a time i veću efikasnost goriva. U konvencijskom metalnom motoru, većina energije koja se oslobađa iz goriva mora se rasipati kaootpadna toplota,kako bi se spriječilo topljenje metalnih dijelova. Također se radi na razvoju keramičkih dijelova zaplinsku turbinumotora.Turbinski motori izrađeni od keramike mogli bi raditi efikasnije, pružajući zrakoplovima veći domet i korisni teret za zadanu količinu goriva. Takvi motori se međutim ne proizvode, jer je izrada keramičkih dijelova s dovoljnom preciznošću i trajnošću teška i skupa. Metode obrade često rezultiraju širokom distribucijom mikroskopskih nedostataka koji često imaju štetnu ulogu u procesu sinterovanja, što rezultira širenjem pukotina i krajnjim mehaničkim otkazivanjem.
Staklokeramika
[uredi|uredi izvor]
Staklokeramički materijali dijele mnoga svojstva i s nekristalnim čašama i sakristalnimkeramikom.Nastaju u obliku stakla, a zatim se delimično kristaliziraju toplotnom obradom, proizvodeći iamorfnuikristalnufazu, tako da kristalna zrna budu ugrađena u nekristalnu intergranularnu fazu.
Staklokeramika se koristi za izradu posuđa (izvorno poznato pod imenom brendaCorningWare) i štednjaka koji imaju visoku otpornost natermički udari izuzetno niskupropusnostza tečnosti. Negativnikoeficijent toplotnog širenjakristalne keramičke faze može se uravnotežiti pozitivnim koeficijentom staklaste faze. U određenom stanju (~ 70% kristalnosti) staklokeramika ima neto koeficijent toplotnog širenja blizu nule. Ova vrsta staklokeramike pokazuje izvrsna mehanička svojstva i može održavati ponovljene i brze promjene temperature do 1000 °C.
Staklokeramika se takođe može prirodno pojaviti kadamunjaudari u kristalna (npr.kvarcna) zrna koja se nalaze upijeskuna većini plaža. U ovom slučaju, ekstremna i neposredna vrućina groma (~2500 °C), putemfuzija,stvara šuplje, razgranate korijenske strukture nazvanefulguriti.
Organske čvrste supstance
[uredi|uredi izvor]
Organska hemija proučava strukturu, svojstva, sastav, reakcije i pripremu sintezom (ili drugim sredstvima) hemijskih spojevaugljikaivodika,koji mogu sadržavati bilo koji broj drugih elemenata kao što sudušik,kisiki halogeni:fluor,hlor,bromijod.Neki organski spojevi mogu također sadržavati elementarnifosforilisumpor.Primjeri organskih čvrstih tvari uključuju drvo,parafinski vosak,naftaleni širok spektarpolimeraiplastike.
Drvo
[uredi|uredi izvor]Drvo je prirodni organski materijal, koji se sastoji uglavnom odceluloznihvlakana ugrađenih u matricu odlignina.Što se tiče mehaničkih svojstava, vlakna su jaka u napetosti, a ligninska matrica se odupire kompresiji. Stoga je drvo važan građevinski materijal otkad su ljudi počeli graditi skloništa i koristiti čamce. Drvo koje se koristi za građevinske radove poznato je kaodrvna građailidrvena građa.U građevinarstvu, drvo nije samo konstruktivni materijal, već se koristi i za oblikovanje kalupa za beton (poznato kao šalovanje).
Materijali na bazi drveta također se široko koriste za pakiranje npr.kartonaipapira,koji su stvoreni od rafinirane pulpe. Procesi hemijske pulpe koriste kombinaciju visokotemperaturnih i alkalnih (jakih) ili kiselih (sulfitnih) hemikalija za razbijanje hemijskih veza lignina, prije nego što ga sagore.
Polimeri
[uredi|uredi izvor]
Jedno važno svojstvo ugljika u organskoj hemiji je da može stvoriti određene spojeve, čije su pojedinačne molekula sposobne da se međusobno, stvarajući tako lanac ili mrežu. Proces se nazivapolimerizacija,a lanci ili mreže polimeri, dok je izvorni spojmonomer.Postoje dvije glavne skupine polimera: vještački proizvedeni nazivaju se industrijskim polimerima ili sintetskim polimerima (plastika) i oni koji se prirodno pojavljuju kao biopolimeri.
Monomeri mogu imati različite hemijske supstituente ili funkcijske grupe, koji mogu uticati na hemijska svojstva organskih spojeva, kao što su topivost i hemijska reaktivnost, kao i na fizička svojstva, kao što su tvrdoća, gustoća, mehanička ili vlačna čvrstoća, otpornost na habanje, toplotna otpornost, prozirnost, boja itd. U proteinima, ove razlike daju polimeru sposobnost da poprimi biološki aktivnu konformaciju u odnosu na druge (vidisamosastavljanje).
Ljudi stoljećima koriste prirodne organske polimere u obliku voska išelaka,koji je klasificiran kao termoplastični polimer. Biljni polimer nazvancelulozapružao je vlačnu čvrstoću prirodnim vlaknima i užadima, a početkom 19. stoljeća prirodni kaučuk je bio u širokoj upotrebi. Polimeri su sirovine (smole) od kojih se izrađuje ono što se obično naziva plastikom. Plastika je konačni proizvod koji nastaje nakon dodavanja jednog ili više polimera ili aditiva u smolu tokom obrade koja se zatim oblikuje u konačni oblik. Polimeri koji su postojali i koji su trenutno široko rasprostranjeni uključujupolietilen,polipropilen,polivinil hlorid,polistiren,najloni,poliesterna bazi ugljenika s,akril,poliuretanipolikarbonats isilikonna bazi silicija. Plastika se obično klasificira kao "roba", "specijalnost" i "inženjerska" plastika.
Kompozitni materijali
[uredi|uredi izvor]
Kompozitni materijalisadrže dvije ili više makroskopskih faza, od kojih je jedna često keramička. Naprimjer, kontinuirana matrica i dispergirana faza keramičkih čestica ili vlakana.
Primjena kompozitnih materijala kreće se od strukturnih elemenata, kao što je armirani beton, do toplinski izolacijskih pločica koje igraju ključnu i integralnu ulogu uNASA-inomsistem toplotne zaštite Space Shuttlea,koji se koristi za zaštitu površine šatla od vrućina ponovnog ulaska u Zemljinu atmosferu. Jedan od primjera jeojačani ugljik-ugljik(RCC), svijetlosivi materijal koji podnosi temperature ulaska do 1510 °C (2750 °F) i štiti kapicu nosa i prednje ivice krila Space Shuttle-a. RCC jelaminiranikompozitni materijal izrađen odgrafitnograjonatkanine i impregniranfenolnom smolom.Nakon stvrdnjavanja na visokoj temperaturi u autoklavu, laminat se pirolizira da bi se smola pretvorila u ugljik, impregnira sefurfuralnimalkoholom u vakuumskoj komori i stvrdne/pirolizira, da se furfuralni alkohol pretvori u ugljik. Kako bi se osigurala otpornost na oksidaciju radi ponovne upotrebe, vanjski slojevi RCC pretvaraju se u silicij-karbid.
Kućanski primjeri kompozita mogu se vidjeti u "plastičnim" kućištima televizora, mobitela i tako dalje. Ova plastična kućišta obično su kompoziti koji se sastoje od termoplastične matrice, kao što jeakrilonitril-butadien stiren(ABS) u koju su dodanikalcij-karbonatnakreda,talk,staklena vlakna ili ugljična vlakna za čvrstoća, skupno ili kao elektro-statička disperzija. Ovi dodaci mogu se nazivati ojačavajućim vlaknima ili disperzivima, ovisno o njihovoj namjeni.
Dakle, matrični materijal okružuje i podupire armaturne materijale, zadržavajući njihov relativni položaj. Ojačanja daju svoja posebna mehanička i fizička svojstva, kako bi se poboljšala svojstva matrice. Sinergizam stvara svojstva materijala nedostupna pojedinačnim sastavnim materijalima, dok široka paleta matričnih i ojačavajućih materijala pruža izbor za dizajniranje optimalne kombinacije.
Poluprovodnici
[uredi|uredi izvor]
Poluprovodnicisu materijali koji imaju električnu otpornost (i provodljivost) između metalnih provodnika i nemetalnih izolatora. Mogu se naći uperiodnom sistemukoji se dijagonalno kreće prema dolje desno odbora.Oni odvajaju električne provodnike (ili metale, lijevo) od izolatora (desno).
Uređaji izrađeni od poluprovodničkih materijala temelj su moderne elektronike, uključujući radio, računare, telefone itd. Poluprovodnički uređaji uključujutranzistore,solarnu ćeliju,diodeiintegrisane krugove.Solarni fotonaponski paneli veliki su poluvodički uređaji koji direktno pretvaraju svjetlost u električnu energiju.
U metalnom provodniku, struju prenosi protok elektrona ", ali u poluprovodnicima je mogu prenositi ili elektroni ili pozitivno nabijene"rupe"uelektronski opsežnoj strukturi.Uobičajeni poluprovodnički materijali uključuju silicij,germanijigalij-arsenid.
Nanomaterijali
[uredi|uredi izvor]
Mnoge uobičajene čvrste supstance pokazuju različita svojstva kada se smanje na nanometarske veličine. Naprimjer,nanočesticeobičnog žutog zlata i sivog silicija imaju crvenu boju; nanočestice zlata se tope na mnogo nižim temperaturama (~ 300 °C za veličinu 2,5 nm) od zlatnih ploča (1064 °C);[10]and metallic nanowires are much stronger than the corresponding bulk metals.[11][12]Velika površina nanočestica čini ih izuzetno atraktivnim za određene primjene u području energije. Naprimjer,platinastimetali mogu pružiti poboljšanja kao gorivo za automobilskekatalizatore,kao imembrana protonske razmjene(PEM). Također, keramički oksidi (ili kermeti)lantana,cerija,manganainiklasada se razvijaju kaogorivne ćelije čvrstog oksida(SOFC). U litij-ionskim baterijama primenjuju se nanočestice litija,litij-titanataitantala.Pokazano je da nanočestice silicija dramatično proširuju kapacitet skladištenja litij-ionskih baterija tokom ciklusa širenja / stezanja. Silicijske nanočestice kruže bez značajne razgradnje i predstavljaju potencijal za upotrebu u baterijama sa znatno produženim vremenima skladištenja. Nanočestice silicija se takođe koriste u novim oblicima ćelija solarne energije. Taloženje silicijskekvantne tačkeu tankom sloju na polikristalnom silicijskom supstratu fotonaponske (solarne) ćelije povećava izlazni napon čak 60%, fluoresciranjem dolazne svjetlosti prije hvatanja. I ovdje, površina nanočestica (i tankih filmova) ima kritičnu ulogu u maksimiziranju količine apsorbirane radijacije.
Biomaterijali
[uredi|uredi izvor]
tkani]] Mnogi prirodni (ili biološki) materijali složeni su kompoziti sa izvanrednim mehaničkim svojstvima. Ove složene strukture, koje su nastajale tokom stotina miliona godina evolucije, nadahnjuju naučnike za materijale u dizajnu novih materijala. Njihove karakteristike uključuju strukturnu hijerarhiju, multifunkcionalnost i sposobnost samoizlječenja. Samoorganizacija je također temeljna karakteristika mnogih bioloških materijala i načina na koji se strukture sastavljaju od molekulskog nivoa naviše. Dakle,samosastavljanjese pojavljuje kao nova strategija u hemijskoj sintezi biomaterijala visokih performansi.
Fizička svojstva
[uredi|uredi izvor]Fizička svojstva elemenata i spojeva koji pružaju konačne dokaze o hemijskom sastavu uključuju miris, boju, zapreminu, gustinu (masa po jedinici zapremine), tačku topljenja, tačku ključanja, toplotni kapacitet, fizički oblik i oblik na sobnoj temperaturi (krutina, tečnost ili plin; kubni, trokutasti kristali, itd.), tvrdoća, poroznost, indeks loma i mnogi drugi. Ovaj odjeljak razmatra neka fizička svojstva materijala u čvrstom stanju.
Mehanička
[uredi|uredi izvor]
Kao i većina neorganskih minerala, nastalih oksidacijom u Zemljinoj atmosferi, granit se sastoji prvenstveno odkristalnogsilicij-dioksidaSiO2igliniceAl2O3.
Mehanička svojstva materijala opisuju karakteristike kao što sučvrstoćai otpornost na deformacije. Na primjer, čelične grede koriste se u građevinarstvu zbog svoje velike čvrstoće, što znači da se niti ne lome niti savijaju pod opterećenjem.
Mehanička svojstva uključujuelastičnostiplastičnost,vlačnu čvrstoću,tlačna čvrstoća,posmična čvrstoća,žilavost loma,duktilnost(s malo krhkih materijala) itvrdoću uvlačenja.Mehanika krutineje oblast proučavanja ponašanja čvrste materije pod vanjskim djelovanjem, poput vanjskih sila i promjena temperature.
Čvrsta supstanca ne pokazuje makroskopski protok, kao što to imaju tečnosti. Bilo koji stepen odstupanja od prvobitnog oblika naziva sedeformacija.Udio deformacije u odnosu na izvornu veličinu naziva se naprezanje. Ako je primijenjenonaprezanjedovoljno malo, gotovo svi čvrsti materijali ponašaju se tako da je naprezanje izravno proporcionalno naprezanju (Hookeov zakon). Koeficijent proporcije naziva semodul elastičnostiiliYoungov modul.Ovo područje deformacije poznato je kaolinearno elastičnaregija. Tri modela mogu opisati kako čvrsta supstanca odgovara na primijenjeni stres:
- Elastičnost– Kada se ukloni primijenjeno naprezanje, materijal se vraća u nedeformirano stanje.
- Viskoelastičnost– Ovo su materijali koji se ponašaju elastično, ali imaju iprigušivanje.Kada se ukloni primijenjeno naprezanje, mora se raditi na efektima prigušenja i pretvoriti u toplotu unutar materijala. To rezultirapetljom histerezeu krivulji naprezanje-deformacija, što implicira da mehanički odziv ima vremensku ovisnost.
- Plastičnost– Materijali koji se ponašaju elastično, uglavnom to čine kada je primijenjeno naprezanje manje od vrijednosti prinosa. Kada je naprezanje veće od napona toka, materijal se ponaša plastično i ne vraća se u prethodno stanje. Odnosno, nepovratna plastična deformacija (ili viskozni tok) nastaje nakon trajnog popuštanja.
Mnogi materijali postaju slabiji na visokim temperaturama. Materijali koji zadržavaju svoju čvrstoću na visokim temperaturama, zvanivatrostalni materijali,korisni su u mnoge svrhe. Naprimjer,staklokeramikaje postala izuzetno korisna za kuhanje na radnoj površini, jer pokazuju izvrsna mehanička svojstva i mogu održavati ponovljene i brze promjene temperature do 1000 °C. U vazduhoplovnoj industriji, materijali visokih performansi, koji se koriste u dizajnu eksterijera aviona i / ili svemirskih letelica, moraju imati visoku otpornost na toplotni udar. Prema tome, u tu svrhu, sada se dizajniraju sintetska vlakna izrađena od organskih polimera i polimernih/keramičkih/metalnih kompozitnih materijala i polimeri ojačani vlaknima.
Termička
[uredi|uredi izvor]
Budući da čvrste supstance imajutoplotnu energiju,njihovi atomi vibriraju oko fiksnih srednjih položaja unutar uređene (ili neuređene) rešetke. Spektar vibracija rešetke u kristalnoj ili staklastoj mreži pruža osnovu zakinetičku teoriju čvrstih tijela.Ovo se kretanje događa na atomskom nivou, pa se stoga ne može primijetiti ili otkriti bez visoko specijalizirane opreme, poput one koja se koristi uspektroskopija.
Termička svojstva čvrstih supstanci uključujutoplotnu provodljivost,što je svojstvo materijala koje ukazuje na njegovu sposobnost daprovodi toplotu.Čvrste materije takođe imajuspecifični toplotni kapacitet,što je sposobnost materijala da skladišti energiju u obliku toplote (ili vibracija toplotne rešetke).
Električna
[uredi|uredi izvor]Električna svojstva uključujuprovodljivost,otpor,impedancijuikapacitet.Električni provodnici poput metala i legura suprotstavljeni su električnim izolatorima kao što su stakla i keramika.Poluprovodniciponašaju se negdje između. Dok provodljivost u metalima uzrokuju elektroni, i elektroni i rupe doprinose struji u poluprovodnicima. Alternativno, uionskim provodnicima,električnu struju podržavaju ioni.
Mnogi materijali također pokazujusupravodljivostna niskim temperaturama; uključuju metalne elemente poput kalaja i aluminija, razne metalne legure, neke jako dopirane poluprovodnike i određenoj keramici.Električni otporvećine električnih (metalnih) vodiča općenito se smanjuje, kako se temperatura spušta, ali ostaje konačan. Međutim, u superprovodniku, kada se materijal ohladi ispod kritične temperature, otpor naglo pada na nulu. Električna struja koja teče u petlji supravodljive žice može trajati neograničeno dugo bez izvora napajanja.
Dielektrični ili električni izolator je supstanca koja je vrlo otporna na protok električne struje. Dielektrik, poput plastike, teži koncentriranju svog primijenjenog električnog polja, što se koristi u kondenzatorima.Kondenzatorje električni uređaj koji može pohraniti energiju u električnom polju između para usko razmaknutih vodiča (zvanih 'ploče'). Kada se na kondenzator primijeni napon, na svakoj ploči se nakupljaju električni naboji jednake veličine, ali suprotne polarnosti. Kondenzatori se koriste u električnim krugovima kao uređaji za skladištenje energije, kao i u elektroničkim filtrima za razlikovanje visokofrekventnih i niskofrekventnih signala.
Elektromehanička
[uredi|uredi izvor]Pijazoelektričnostje sposobnost kristala da generiraju napon, kao odgovor na primijenjeno mehaničko naprezanje. Pijazoelektrični efekt je reverzibilan u tome što njegovi kristali, kada su podvrgnuti naponu spolja, mogu promijeniti oblik za malu količinu. Polimerni materijali poput gume, vune, kose, drvenih vlakana i svile često se ponašaju kaoelektreti.Naprimjer, polimerpoliviniliden-fluorid(PVDF) pokazuje pijazoelektrični odziv nekoliko puta veći od uobičajenog kvarcnog pijazoelektričnog materijala (kristalni SiO2). Deformacija (~ 0,1%) prikladna je za korisne tehničke primjene kao što su visokonaponski izvori, zvučnici, laseri, kao i hemijski, biološki i akustično-optički senzori i / ili pretvarači.
Optička
[uredi|uredi izvor]Materijali mogupropuštati(npr. staklo) ili reflektirati (npr. metali) vidljivu svjetlost.
Mnogi materijali će prenositi neke talasne dužine, dok će ih druge blokirati. Naprimjer, prozorsko staklo je prozirno zavidljivu svjetlost,ali mnogo manje za većinu frekvencijaultraljubičastogsvjetla koje uzrokujuopekotine od sunca.Ovo se svojstvo koristi za optičke filtere, selektivne po frekvenciji, koji mogu promijeniti boju upadne svjetlosti.
U neke svrhe mogu biti od interesa i optička i mehanička svojstva materijala. Naprimjer, senzori na infracrvenom usmjerivaču („traženje toplote “) projektila, moraju biti zaštićeni poklopcem koji je proziran zainfracrveno zračenje.Sadašnji odabrani materijal za kupole brzih infracrveno navođenih projektila je monokristalnisafir.Optički prenos safira zapravo se ne proteže na čitav srednji infracrveni opseg (3-5 µm), već počinje da opada na talasnim dužinama većim od približno 4,5 µm na sobnoj temperaturi. Iako je snaga safira bolja od snage ostalih dostupnih materijala, infracrvene kupole srednjeg dometa na sobnoj temperaturi, ona slabi iznad 600 °C. Postoji dugogodišnja tazmjena između optičkog opsega i mehaničke trajnosti; novi materijali, kao što jeprozirna keramikaili optički nanokompoziti mogu pružiti poboljšane performanse.
Vođeni prenos svjetlosnih talasa uključuje područje optičkih vlakana i sposobnost određenih naočala da istovremeno, uz mali gubitak intenziteta, prenose raspon frekvencija (višemodni optički talasovodi) sa malim smetnjama između njih. Optički valovodi se koriste kao komponenti u integriranim optičkim krugovima ili kao prijenosni medij u optičkim komunikacijskim sistemima.
Opto-elektronička
[uredi|uredi izvor]Solarna ćelija je fotonaponski uređaj koji pretvara svjetlosnu energiju u električnu. U osnovi, uređaj mora ispunjavati samo dvije funkcije: (1) foto-generiranje nosača naboja (elektroni i rupe) u materijalu koji apsorbira svjetlost i (2) odvajanje nosača naboja do vodljivog kontakta koji će prenositi električnu energiju (jednostavno rečeno, noseći elektrone isključen kroz metalni kontakt u vanjski krug). Ova konverzija se nazivafotoelektrični efekt,a područje istraživanja vezano za solarne ćelije poznato je kao fotonaponski sistem.
Solarne ćelije imaju mnogo primjena. Dugo se koriste u situacijama kada električna energija iz mreže nije dostupna, kao što su elektroenergetski sistemi u udaljenim područjima, sateliti koji orbitiraju oko Zemlje i svemirske sonde, ručni kalkulatori, ručni satovi, daljinski radiotelefoni i aplikacije za pumpanje vode. U novije vrijeme počinju se koristiti u sklopovima solarnih modula (fotonaponskih nizova) povezanih na električnu mrežu preko pretvarača, koji ne bi trebao služiti kao jedini izvor napajanja, već kao dodatni izvor električne energije.
Svim solarnim ćelijama potreban je materijal koji apsorbira svetlost u ćelijskoj strukturi da bi apsorbiraofotonei stvaraoelektronepomoćufotonaponskog efekta.Materijali koji se koriste u solarnim ćelijama imaju svojstvo preferencijalnog upijanja talasnih dužina sunčeve svjetlosti koje dopiru do površine Zemlje. Neke solarne ćelije su također optimizovane za apsorpciju svetlosti i izvan Zemljine atmosfere.
Reference
[uredi|uredi izvor]- ^Holley, Dennis (31. 5. 2017).GENERAL BIOLOGY I: Molecules, Cells and Genes(jezik: engleski). Dog Ear Publishing.ISBN9781457552748.
- ^Rogers, Ben; Adams, Jesse; Pennathur, Sumita (28. 10. 2014).Nanotechnology: Understanding Small Systems, Third Edition(jezik: engleski). CRC Press.ISBN9781482211726.
- ^Nahum, Alan M.; Melvin, John W. (9. 3. 2013).Accidental Injury: Biomechanics and Prevention(jezik: engleski). Springer Science & Business Media.ISBN9781475722642.
- ^Narula, G. K.; Narula, K. S.; Gupta, V. K. (1989).Materials Science(jezik: engleski). Tata McGraw-Hill Education.ISBN9780074517963.
- ^Arnold, Brian (1. 7. 2006).Science Foundation(jezik: engleski). Letts and Lonsdale.ISBN9781843156567.
- ^Group, Diagram (1. 1. 2009).The Facts on File Chemistry Handbook(jezik: engleski). Infobase Publishing.ISBN9781438109558.
- ^Mortimer, Charles E. (1975).Chemistry: A Conceptual Approach(3rd izd.). New York: D. Van Nostrad Company.ISBN0-442-25545-4.
- ^Bar-Cohen, Yoseph; Zacny, Kris (4. 8. 2009).Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets(jezik: engleski). John Wiley & Sons.ISBN9783527626632.
- ^"Ceramics".autocww.colorado.edu.Arhivirano soriginala,17. 7. 2019.Pristupljeno 9. 5. 2017.
- ^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.
- ^Walter H. Kohl (1995).Handbook of materials and techniques for vacuum devices.Springer. str. 164–167.ISBN1-56396-387-6.
- ^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.PMC5090266.PMID27877304.
Vanjski linkovi
[uredi|uredi izvor]
