Festkörper

Die Kräfte zwischen den Atomen in einem Festkörper können verschiedene Formen annehmen. Zum Beispiel besteht ein Kristall aus Natriumchlorid (Kochsalz) aus ionischem Natrium und Chlor, die durch ionische Bindungen zusammengehalten werden. In Diamant oder Silizium teilen sich die Atome Elektronen und bilden kovalente Bindungen. In Metallen werden Elektronen in metallischer Bindung geteilt. Einige Feststoffe, insbesondere die meisten organischen Verbindungen, werden mit Van-der-Waals-Kräften zusammengehalten, die aus der Polarisation der elektronischen Ladungswolke auf jedem Molekül resultieren., Die Unähnlichkeiten zwischen den Feststofftypen ergeben sich aus den Unterschieden zwischen ihrer Bindung.

MetalsEdit

Metalle sind typischerweise starke, dichte und gute Leiter von Strom und Wärme. Der Großteil der Elemente im Periodensystem, die links von einer diagonalen Linie von Bor zu Polonium gezogen sind, sind Metalle.,Mischungen von zwei oder mehr Elementen, bei denen die Hauptkomponente ein Metall ist, sind als Legierungen bekannt.

Seit prähistorischen Zeiten verwenden die Menschen Metalle für eine Vielzahl von Zwecken.Die Festigkeit und Zuverlässigkeit von Metallen hat zu ihrer weit verbreiteten Verwendung beim Bau von Gebäuden und anderen Strukturen sowie in den meisten Fahrzeugen, vielen Geräten und Werkzeugen, Rohren, Verkehrsschildern und Eisenbahnschienen geführt. Eisen und aluminium sind die beiden am häufigsten verwendeten Metalle. Sie sind auch die am häufigsten vorkommenden Metalle in der Erdkruste., Eisen wird am häufigsten in Form einer Legierung verwendet, Stahl, der bis zu 2,1% Kohlenstoff enthält, was es viel härter macht als reines Eisen.

Da Metalle gute Stromleiter sind, sind sie wertvoll für Elektrogeräte und für die Übertragung eines elektrischen Stroms über große Entfernungen mit geringem Energieverlust oder Verlust. Elektrische Stromnetze sind daher auf Metallkabel angewiesen, um Strom zu verteilen. Elektrische Heimsysteme sind beispielsweise wegen ihrer guten Leitfähigkeit und einfachen Bearbeitbarkeit mit Kupfer verdrahtet., Die hohe Wärmeleitfähigkeit der meisten Metalle macht sie auch für Kochutensilien nützlich.

Die Untersuchung metallischer Elemente und ihrer Legierungen macht einen wesentlichen Teil der Bereiche Festkörperchemie, Physik, Werkstoffkunde und Maschinenbau aus.

Metallische Feststoffe werden durch eine hohe Dichte geteilter, delokalisierter Elektronen, bekannt als „metallische Bindung“, zusammengehalten. In einem Metall verlieren Atome leicht ihre äußersten („Valenz“) Elektronen und bilden positive Ionen., Die freien Elektronen verteilen sich über den gesamten Festkörper, der durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Ionen und der Elektronenwolke fest zusammengehalten wird. Die große Anzahl freier Elektronen verleiht Metallen ihre hohen Werte an elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Die freien Elektronen verhindern auch die Übertragung von sichtbarem Licht und machen Metalle undurchsichtig, glänzend und glänzend.

Fortgeschrittenere Modelle von Metalleigenschaften betrachten die Wirkung der positiven Ionen Kerne auf die delokalisierten Elektronen. Da die meisten Metalle eine kristalline Struktur haben, sind diese Ionen normalerweise in einem periodischen Gitter angeordnet., Mathematisch kann das Potenzial der Ionenkerne durch verschiedene Modelle behandelt werden, wobei das einfachste das fast freie Elektronenmodell ist.

MineralsEdit

Mineralien sind natürlich vorkommende Feststoffe, die durch verschiedene geologische Prozesse unter hohem Druck gebildet werden. Um als echtes Mineral eingestuft zu werden, muss eine Substanz eine Kristallstruktur mit einheitlichen physikalischen Eigenschaften aufweisen., Mineralien reichen in ihrer Zusammensetzung von reinen Elementen und einfachen Salzen bis hin zu sehr komplexen Silikaten mit Tausenden bekannter Formen. Im Gegensatz dazu ist eine Gesteinsprobe ein zufälliges Aggregat von Mineralien und / oder Mineraloiden und hat keine spezifische chemische Zusammensetzung. Die überwiegende Mehrheit der Gesteine der Erdkruste besteht aus Quarz (kristallines SiO2), Feldspat, Glimmer, Chlorit, Kaolin, Calcit, Epidot, Olivin, Augit, Hornblende, Magnetit, Hämatit, Limonit und einigen anderen Mineralien. Einige Mineralien, wie Quarz, Glimmer oder Feldspat sind üblich, während andere nur an wenigen Orten weltweit gefunden wurden., Die mit Abstand größte Gruppe von Mineralien sind die Silikate (die meisten Gesteine bestehen zu ≥95% aus Silikaten), die größtenteils aus Silizium und Sauerstoff bestehen und Ionen von Aluminium, Magnesium, Eisen, Kalzium und anderen Metallen enthalten.

CeramicsEdit

Keramische Feststoffe bestehen aus anorganischen verbindungen, meist Oxide des chemischen elements., Sie sind chemisch inert und können oft chemischer Erosion standhalten, die in einer sauren oder ätzenden Umgebung auftritt. Keramik hält im Allgemeinen hohen Temperaturen von 1000 bis 1600 °C (1800 bis 3000 °F) stand. Ausnahmen umfassen nicht oxidische anorganische Materialien wie Nitride, Boride und Carbide.

Traditionelle keramische Rohstoffe umfassen Tonmineralien wie Kaolinit, neuere Materialien umfassen Aluminiumoxid (Aluminiumoxid). Die modernen keramischen Materialien, die als fortschrittliche Keramik klassifiziert sind, umfassen Siliziumkarbid und Wolframcarbid., Beide werden für ihre Abriebfestigkeit geschätzt und finden daher Verwendung in Anwendungen wie den Verschleißplatten von Zerkleinerungsgeräten im Bergbau.

Die meisten keramischen Materialien wie Aluminiumoxid und seine Verbindungen werden aus feinen Pulvern gebildet, wodurch eine feinkörnige polykristalline Mikrostruktur entsteht, die mit Lichtstreuungszentren gefüllt ist, die mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts vergleichbar sind. Somit sind sie im Allgemeinen undurchsichtige Materialien, im Gegensatz zu transparenten Materialien. Neuere nanoskalige (z., die Sol-Gel) – Technologie hat jedoch die Herstellung polykristalliner transparenter Keramiken wie transparenter Aluminiumoxid-und Aluminiumoxidverbindungen für Anwendungen wie Hochleistungslaser ermöglicht. Fortschrittliche Keramik wird auch in der Medizin -, Elektro-und Elektronikindustrie eingesetzt.

Keramiktechnik ist die Wissenschaft und Technologie der Herstellung von festkörperkeramischen Materialien, Teilen und Geräten. Dies geschieht entweder durch Einwirkung von Wärme oder bei niedrigeren Temperaturen unter Verwendung von Niederschlagsreaktionen aus chemischen Lösungen., Der Begriff umfasst die Reinigung von Rohstoffen, das Studium und die Herstellung der betreffenden chemischen Verbindungen, ihre Bildung in Komponenten und das Studium ihrer Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften.

Mechanisch gesehen sind keramische Materialien spröde, hart, stark in der Kompression und schwach in Scheren und Spannung. Spröde Materialien können eine signifikante Zugfestigkeit aufweisen, indem sie eine statische Belastung tragen., Zähigkeit gibt an, wie viel Energie ein Material vor mechanischem Versagen aufnehmen kann, während Bruchzähigkeit (KIC ) die Fähigkeit eines Materials mit inhärenten Mikrostrukturfehlern beschreibt, Bruch durch Risswachstum und-ausbreitung zu widerstehen. Wenn ein Material einen großen Wert für Bruchzähigkeit hat, deuten die Grundprinzipien der Bruchmechanik darauf hin, dass es höchstwahrscheinlich einer duktilen Fraktur unterzogen wird. Sprödbruch ist sehr charakteristisch für die meisten keramischen und glaskeramischen Materialien, die typischerweise niedrige (und inkonsistente) Werte von KIc aufweisen.,

Für ein beispiel von anwendungen von keramik, die extreme härte von zirkonia ist verwendet in die herstellung von messer klingen, sowie andere industrielle schneiden werkzeuge. Keramiken wie Aluminiumoxid, Borkarbid und Siliziumkarbid wurden in kugelsicheren Westen verwendet, um großkalibriges Gewehrfeuer abzuwehren. Siliziumnitridteile werden in keramischen Kugellagern verwendet, wo ihre hohe Härte sie verschleißfest macht. Im Allgemeinen sind Keramiken auch chemisch beständig und können in feuchten Umgebungen verwendet werden, in denen Stahllager anfällig für Oxidation (oder Rost) wären.,

Als weiteres Beispiel für keramische Anwendungen erforschte Toyota in den frühen 1980er Jahren die Produktion eines adiabatischen Keramikmotors mit einer Betriebstemperatur von über 6000 °F (3300 °C). Keramikmotoren benötigen kein Kühlsystem und ermöglichen daher eine erhebliche Gewichtsreduktion und damit eine höhere Kraftstoffeffizienz. Bei einem herkömmlichen metallischen Motor muss ein Großteil der aus dem Kraftstoff freigesetzten Energie als Abwärme abgeführt werden, um ein Einschmelzen der metallischen Teile zu verhindern. Es wird auch an der Entwicklung von Keramikteilen für Gasturbinentriebwerke gearbeitet., Turbinentriebwerke aus Keramik könnten effizienter arbeiten und dem Flugzeug eine größere Reichweite und Nutzlast für eine bestimmte Kraftstoffmenge geben. Solche Motoren sind jedoch nicht in Produktion, da die Herstellung von Keramikteilen in der ausreichenden Präzision und Haltbarkeit schwierig und kostspielig ist. Verarbeitungsmethoden führen häufig zu einer breiten Verteilung mikroskopischer Fehler, die häufig eine schädliche Rolle beim Sinterprozess spielen, was zur Vermehrung von Rissen und schließlich zum mechanischen Versagen führt.,

Glaskeramikedit

Glaskeramikmaterialien haben viele Eigenschaften sowohl mit nichtkristallinen Gläsern als auch mit kristalliner Keramik. Sie werden als Glas gebildet und dann durch Wärmebehandlung teilweise kristallisiert, wobei sowohl amorphe als auch kristalline Phasen erzeugt werden, so dass kristalline Körner in eine nicht kristalline intergranulare Phase eingebettet sind.,

Glaskeramik wird zur Herstellung von Kochgeschirr (ursprünglich unter dem Markennamen CorningWare bekannt) und Hopfen verwendet, die sowohl eine hohe Beständigkeit gegen Wärmeschock als auch eine extrem geringe Durchlässigkeit für Flüssigkeiten aufweisen. Der negative Wärmeausdehnungskoeffizient der kristallinen Keramikphase kann mit dem positiven Koeffizienten der Glasphase ausgeglichen werden. An einem bestimmten Punkt (~70% kristallin) hat die Glaskeramik einen Nettoausdehnungskoeffizienten nahe Null. Diese Art von Glaskeramik weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf und kann wiederholte und schnelle Temperaturänderungen bis zu 1000 °C aufrechterhalten.,

Glaskeramik kann auch auf natürliche Weise auftreten, wenn ein Blitz auf die kristallinen Körner (z. B. Quarz) trifft, die in den meisten Strandsand vorkommen. In diesem Fall erzeugt die extreme und unmittelbare Hitze des Blitzes (~2500 °C) hohle, verzweigte wurzelartige Strukturen, die Fulgurit über Fusion genannt werden.

Organische Feststoffe

Die organische Chemie untersucht die Struktur, Eigenschaften, Zusammensetzung, Reaktionen und Vorbereitung chemischer Verbindungen von Kohlenstoff und Wasserstoff durch Synthese (oder andere Mittel), die eine beliebige Anzahl anderer Elemente wie Stickstoff, Sauerstoff und Halogene enthalten können: Fluor, Chlor, Brom und Jod. Einige organische Verbindungen können auch die Elemente Phosphor oder Schwefel enthalten. Beispiele für organische Feststoffe sind Holz, Paraffinwachs, Naphthalin und eine Vielzahl von Polymeren und Kunststoffen.,

WoodEdit

Holz ist ein natürliches organisches Material, das hauptsächlich aus Cellulosefasern besteht, die in eine Lignin-Matrix eingebettet sind. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften sind die Fasern stark gespannt und die Lignin-Matrix widersteht der Kompression. So ist Holz ein wichtiger Baustoff, seit Menschen mit dem Bau von Unterkünften und dem Einsatz von Booten begonnen haben. Holz, das für Bauarbeiten verwendet wird, wird allgemein als Holz oder Holz bezeichnet. Im Bauwesen ist Holz nicht nur ein Baumaterial, sondern wird auch verwendet, um die Form für Beton zu bilden.,

Holzwerkstoffe werden auch in großem Umfang für Verpackungen (z.B. Karton) und Papier verwendet, die beide aus dem raffinierten Zellstoff hergestellt werden. Die chemischen Aufziehprozesse verwenden eine Kombination aus Hochtemperatur-und alkalischen (Kraft) oder sauren (Sulfit) Chemikalien, um die chemischen Bindungen des Lignin vor dem Ausbrennen zu brechen.

PolymersEdit

Eine wichtige Eigenschaft von Kohlenstoff in der organischen Chemie ist, dass er bestimmte Verbindungen bilden kann, deren einzelne Moleküle sich aneinander binden und dadurch eine Kette oder ein Netzwerk bilden können. Das Verfahren wird Polymerisation und die Ketten oder Netzwerke Polymere genannt, während die Quellverbindung ein Monomer ist. Es gibt zwei Hauptgruppen von Polymeren: Die künstlich hergestellten werden als Industriepolymere oder synthetische Polymere (Kunststoffe) und die natürlich vorkommenden als Biopolymere bezeichnet.,

Monomere können verschiedene chemische Substituenten oder funktionelle Gruppen aufweisen, die die chemischen Eigenschaften organischer Verbindungen wie Löslichkeit und chemische Reaktivität sowie die physikalischen Eigenschaften wie Härte, Dichte, mechanische oder Zugfestigkeit, Abriebfestigkeit, Hitzebeständigkeit, Transparenz, Farbe usw. beeinflussen können.. In Proteinen geben diese Unterschiede dem Polymer die Fähigkeit, eine biologisch aktive Konformation gegenüber anderen anzunehmen (siehe Selbstorganisation).

Seit Jahrhunderten verwenden Menschen natürliche organische Polymere in Form von Wachsen und Schellack, der als thermoplastisches Polymer klassifiziert ist. Ein Pflanzenpolymer namens Cellulose lieferte die Zugfestigkeit für Naturfasern und Seile, und im frühen 19. Polymere sind die Rohstoffe (die Harze), aus denen üblicherweise Kunststoffe hergestellt werden. Kunststoffe sind das Endprodukt, das entsteht, nachdem einem Harz während der Verarbeitung ein oder mehrere Polymere oder Additive zugesetzt wurden, die dann zu einer endgültigen Form geformt werden., Polymere, die es schon gibt und die derzeit weit verbreitet sind, umfassen Polyethylen auf Kohlenstoffbasis, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Nylons, Polyester, Acryl, Polyurethan und Polycarbonate sowie Silikone auf Siliziumbasis. Kunststoffe werden allgemein als „Commodity“, „Specialty“ und „Engineering“ Kunststoffe klassifiziert.,

Verbundwerkstoffedit

Verbundwerkstoffe enthalten zwei oder mehr makroskopische Phasen, von denen eine häufig Keramik ist. Zum Beispiel eine kontinuierliche Matrix und eine dispergierte Phase von keramischen Partikeln oder Fasern.,

Die Anwendungen von Verbundwerkstoffen reichen von Strukturelementen wie Stahlbeton bis hin zu wärmeisolierenden Fliesen, die eine wichtige und integrale Rolle im Wärmeschutzsystem des Space Shuttle der NASA spielen, mit dem die Oberfläche des Shuttles vor der Hitze des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre geschützt wird. Ein Beispiel ist verstärkter Kohlenstoff-Kohlenstoff (RCC), das hellgraue Material, das Wiedereintrittstemperaturen bis zu 1510 °C (2750 °F) standhält und die Nasenkappe und die Vorderkanten der Flügel des Space Shuttles schützt., RCC ist ein laminiertes Verbundmaterial aus Graphit-Rayon-Tuch, das mit einem Phenolharz imprägniert ist. Nach dem Aushärten bei hoher Temperatur in einem Autoklav wird das Laminat pyrolisiert, um das Harz in Kohlenstoff umzuwandeln, mit Furfuralalkohol in einer Vakuumkammer imprägniert und ausgehärtet/pyrolisiert, um den Furfuralalkohol in Kohlenstoff umzuwandeln. Um Oxidationsbeständigkeit für die Wiederverwendbarkeit bereitzustellen, werden die äußeren Schichten des RCC in Siliziumkarbid umgewandelt.

Häusliche Beispiele für Verbundwerkstoffe sind in den „Kunststoffgehäusen“ von Fernsehgeräten, Mobiltelefonen usw. zu sehen., Diese Kunststoffgehäuse sind üblicherweise ein Verbund aus einer thermoplastischen Matrix wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), in dem Calciumcarbonatkreide, Talk, Glasfasern oder Kohlefasern zur Festigkeit, Masse oder elektrostatischen Dispersion zugesetzt wurden. Diese Zusätze können je nach Verwendungszweck als Verstärkungsfasern oder Dispergiermittel bezeichnet werden.

Somit umgibt und stützt das Matrixmaterial die Verstärkungsmaterialien durch Beibehaltung ihrer relativen Positionen. Die Verstärkungen verleihen ihre besonderen mechanischen und physikalischen Eigenschaften, um die Matrixeigenschaften zu verbessern., Ein Synergismus erzeugt Materialeigenschaften, die aus den einzelnen Bestandteilen nicht verfügbar sind, während die große Vielfalt an Matrix-und Verstärkungsmaterialien dem Designer die Wahl einer optimalen Kombination bietet.

Halbleiteredit

Halbleiter sind Materialien, die einen elektrischen Widerstand (und eine elektrische Leitfähigkeit) zwischen dem von metallischen Leitern und nichtmetallischen Isolatoren aufweisen., Sie können im Periodensystem gefunden werden, das sich diagonal nach unten rechts von Bor bewegt. Sie trennen die elektrischen Leiter (oder Metalle, links) von den Isolatoren (rechts).

Geräte aus Halbleitermaterialien sind die Grundlage moderner Elektronik, einschließlich Radio, Computer, Telefone usw. Halbleiterbauelemente umfassen den Transistor, Solarzellen, Dioden und integrierte Schaltungen. Solar-Photovoltaik-Module sind große Halbleiterbauelemente, die Licht direkt in elektrische Energie umwandeln.,

In einem metallischen Leiter wird Strom durch den Elektronenfluss “ getragen, aber in Halbleitern kann Strom entweder durch Elektronen oder durch die positiv geladenen „Löcher“ in der elektronischen Bandstruktur des Materials getragen werden. Übliche Halbleitermaterialien umfassen Silizium, Germanium und Galliumarsenid.

NanomaterialsEdit

Viele herkömmliche Feststoffe weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, wenn sie auf Nanometergrößen schrumpfen., Zum Beispiel sind Nanopartikel aus normalerweise Gelbgold und grauem Silizium rot gefärbt; Goldnanopartikel schmelzen bei viel niedrigeren Temperaturen (~300 °C für 2,5 nm Größe) als die Goldplatten (1064 °C); und metallische Nanodrähte sind viel stärker als die entsprechenden Massenmetalle. Die hohe Oberfläche von Nanopartikeln macht sie für bestimmte Anwendungen im Energiebereich äußerst attraktiv. Zum Beispiel können Platinmetalle Verbesserungen als Automobilbrennstoffkatalysatoren sowie Protonenaustauschmembran (PEM) – Brennstoffzellen liefern., Auch keramische Oxide (oder Cermets) von Lanthan, Cer, Mangan und Nickel werden nun als Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) entwickelt. Lithium -, Lithium-Titanat – und Tantal-Nanopartikel werden in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Es wurde gezeigt, dass Silizium-Nanopartikel die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien während des Expansions – /Kontraktionszyklus drastisch erweitern. Silizium-Nanodrähte laufen ohne nennenswerten Abbau ab und bieten das Potenzial für den Einsatz in Batterien mit stark verlängerten Lagerzeiten. Silizium-Nanopartikel werden auch in neuen Formen von Solarzellen eingesetzt., Die Dünnschichtabscheidung von Siliziumquantenpunkten auf dem polykristallinen Siliziumsubstrat einer photovoltaischen (Solar -) Zelle erhöht die Spannungsabgabe um bis zu 60%, indem das einfallende Licht vor der Erfassung fluoresziert wird. Auch hier spielt die Oberfläche der Nanopartikel (und Dünnfilme) eine entscheidende Rolle bei der Maximierung der absorbierten Strahlung.,

BiomaterialsEdit

Viele natürliche (oder biologische) Materialien sind komplexe Verbundwerkstoffe mit bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften. Diese komplexen Strukturen, die aus Hunderten von Millionen Jahren Evolution entstanden sind, inspirieren Materialwissenschaftler bei der Gestaltung neuartiger Materialien. Zu ihren bestimmenden Merkmalen gehören strukturelle Hierarchie, Multifunktionalität und Selbstheilungsfähigkeit., Selbstorganisation ist auch ein grundlegendes Merkmal vieler biologischer Materialien und die Art und Weise, wie die Strukturen von der molekularen Ebene auf aufgebaut werden. So entwickelt sich die Selbstorganisation zu einer neuen Strategie bei der chemischen Synthese von Hochleistungsbiomaterialien.