Vaste stof

de krachten tussen de atomen in een vaste stof kunnen verschillende vormen aannemen. Een kristal van natriumchloride (zout) bestaat bijvoorbeeld uit ionisch natrium en chloor, die door ionische bindingen bij elkaar worden gehouden. In diamant of silicium delen de atomen elektronen en vormen ze covalente bindingen. In metalen worden elektronen gedeeld in metaalbinding. Sommige vaste stoffen, in het bijzonder de meeste organische verbindingen, worden samengehouden met Van der Waals krachten als gevolg van de polarisatie van de elektronische ladingswolk op elk molecuul., De verschillen tussen de soorten vaste stoffen zijn het gevolg van de verschillen tussen hun binding.

MetalsEdit

metalen zijn doorgaans sterke, dichte en goede geleiders van zowel elektriciteit als warmte. Het grootste deel van de elementen in het periodiek systeem, die links van een diagonale lijn getrokken van boor tot polonium, zijn metalen.,Mengsels van twee of meer elementen waarin het belangrijkste bestanddeel een metaal is, worden legeringen genoemd.

mensen gebruiken metalen voor verschillende doeleinden sinds de prehistorie.De sterkte en betrouwbaarheid van metalen heeft geleid tot hun wijdverbreid gebruik in de bouw van gebouwen en andere structuren, evenals in de meeste voertuigen, veel apparaten en gereedschappen, leidingen, verkeersborden en spoorbanen. Ijzer en aluminium zijn de twee meest gebruikte structurele metalen. Ze zijn ook de meest voorkomende metalen in de aardkorst., Ijzer wordt het meest gebruikt in de vorm van een legering, staal, die tot 2,1% koolstof bevat, waardoor het veel harder dan zuiver ijzer.

omdat metalen goede geleiders van elektriciteit zijn, zijn ze waardevol in elektrische apparaten en voor het dragen van een elektrische stroom over lange afstanden met weinig energieverlies of-dissipatie. Elektriciteitsnetten zijn dus afhankelijk van metalen kabels om elektriciteit te distribueren. Thuis elektrische systemen, bijvoorbeeld, zijn bedraad met koper voor zijn goede geleidende eigenschappen en gemakkelijke bewerkbaarheid., De hoge thermische geleidbaarheid van de meeste metalen maakt ze ook nuttig voor kookgerei.

De studie van metalen elementen en hun legeringen maakt een aanzienlijk deel uit van de gebieden van de vastestofchemie, fysica, materiaalkunde en engineering.

metallische vaste stoffen worden bij elkaar gehouden door een hoge dichtheid van gedeelde, gedelokaliseerde elektronen, bekend als “metallische binding”. In een metaal verliezen atomen gemakkelijk hun buitenste (“valentie”) elektronen, waardoor positieve ionen ontstaan., De vrije elektronen worden verspreid over de gehele vaste stof, die stevig bij elkaar wordt gehouden door elektrostatische interacties tussen de ionen en de elektronenwolk. Het grote aantal vrije elektronen geeft metalen hun hoge waarden van elektrische en thermische geleidbaarheid. De vrije elektronen voorkomen ook de overdracht van zichtbaar licht, waardoor metalen ondoorzichtig, glanzend en glanzend worden.

meer geavanceerde modellen van metaaleigenschappen houden rekening met het effect van de positieve ionen-kernen op de gedelokaliseerde elektronen. Aangezien de meeste metalen kristallijne structuur hebben, worden deze ionen meestal gerangschikt in een periodiek rooster., Wiskundig gezien kan het potentieel van de ionkernen worden behandeld door verschillende modellen, waarvan de eenvoudigste het bijna vrije elektronenmodel is.

MineralsEdit

mineralen zijn van nature voorkomende vaste stoffen gevormd door verschillende geologische processen onder hoge druk. Om als echt mineraal te worden ingedeeld, moet een stof een kristalstructuur hebben met uniforme fysische eigenschappen., Mineralen variëren in samenstelling van pure elementen en eenvoudige zouten tot zeer complexe silicaten met duizenden bekende vormen. Een steenmonster is daarentegen een willekeurig aggregaat van mineralen en / of mineraloã den en heeft geen specifieke chemische samenstelling. Het overgrote deel van de rotsen van de aardkorst bestaat uit kwarts (kristallijn SiO2), veldspaat, mica, chloriet, kaolien, calciet, epidoot, olivijn, augiet, hornblende, magnetiet, hematiet, limoniet en enkele andere mineralen. Sommige mineralen, zoals kwarts, mica of veldspaat komen veel voor, terwijl andere op slechts een paar locaties wereldwijd zijn gevonden., De grootste groep mineralen is veruit de silicaten (de meeste stenen zijn ≥ 95% silicaten), die grotendeels bestaan uit silicium en zuurstof, met de toevoeging van ionen van aluminium, magnesium, ijzer, calcium en andere metalen.

CeramicsEdit

keramische vaste stoffen bestaan uit anorganische verbindingen, meestal oxiden van chemische elementen., Ze zijn chemisch inert en zijn vaak bestand tegen chemische erosie die optreedt in een zure of bijtende omgeving. De keramiek kan over het algemeen hoge temperaturen weerstaan die zich van 1000 aan 1600 °C (1800 aan 3000 °F) uitstrekken. Uitzonderingen zijn niet-oxide anorganische materialen, zoals nitriden, boriden en carbiden.

traditionele keramische grondstoffen omvatten kleimineralen zoals kaoliniet, recentere materialen omvatten aluminiumoxide (aluminiumoxide). De moderne keramische materialen, die zijn geclassificeerd als geavanceerde keramiek, omvatten siliciumcarbide en wolfraamcarbide., Beide worden gewaardeerd om hun slijtvastheid en worden daarom gebruikt in toepassingen zoals de slijtplaten van breekmachines in de mijnbouw.

De meeste keramische materialen, zoals aluminiumoxide en zijn verbindingen, worden gevormd uit fijne poeders, wat een fijnkorrelige polykristallijne microstructuur oplevert die is gevuld met lichtverstrooiingscentra die vergelijkbaar zijn met de golflengte van zichtbaar licht. Zo zijn ze over het algemeen ondoorzichtige materialen, in tegenstelling tot transparante materialen. Recente nanoschaal (bijv., sol-gel) technologie heeft echter de productie mogelijk gemaakt van polykristallijne transparante keramiek zoals transparante aluminiumoxide en aluminiumverbindingen voor toepassingen zoals high-power lasers. Geavanceerde keramiek wordt ook gebruikt in de geneeskunde, elektrische en elektronische industrie.

keramische techniek is de wetenschap en technologie van het creëren van vaste-state keramische materialen, onderdelen en apparaten. Dit gebeurt ofwel door de werking van warmte, of, bij lagere temperaturen, met behulp van precipitatiereacties van chemische oplossingen., De term omvat de zuivering van grondstoffen, de studie en productie van de betrokken chemische verbindingen, de vorming ervan tot componenten, en de studie van hun structuur, samenstelling en eigenschappen.

Mechanisch gezien zijn keramische materialen Bros, hard, sterk in compressie en zwak in knippen en spanning. Brosse materialen kunnen een aanzienlijke treksterkte vertonen door een statische belasting te ondersteunen., Taaiheid geeft aan hoeveel energie een materiaal kan absorberen vóór mechanische storing, terwijl breukvastheid (aangeduid met KIC ) het vermogen van een materiaal met inherente microstructurele gebreken beschrijft om breuken te weerstaan via scheurgroei en-voortplanting. Als een materiaal een grote waarde van breuk taaiheid heeft, suggereren de basisprincipes van Breukmechanica dat het hoogstwaarschijnlijk nodulaire fractuur zal ondergaan. Brosse breuk is zeer kenmerkend voor de meeste keramische en glaskeramische materialen die doorgaans lage (en inconsistente) waarden van Kig vertonen.,

bij een voorbeeld van toepassingen van keramiek wordt de extreme hardheid van zirkonia gebruikt bij de vervaardiging van messen en andere industriële snijgereedschappen. Keramiek zoals aluminiumoxide, boriumcarbide en siliciumcarbide zijn gebruikt in kogelvrije vesten om grote kaliber geweer vuur af te weren. Silicium nitride onderdelen worden gebruikt in keramische kogellagers, waar hun hoge hardheid maakt ze slijtvast. In het algemeen is keramiek ook chemisch resistent en kan worden gebruikt in natte omgevingen waar stalen lagers gevoelig zijn voor oxidatie (of roest).,

als een ander voorbeeld van keramische toepassingen onderzocht Toyota begin jaren tachtig de productie van een adiabatische keramische motor met een bedrijfstemperatuur van meer dan 6000 °F (3300 °C). Keramische motoren hebben geen koelsysteem nodig en maken dus een grote gewichtsvermindering en dus een grotere brandstofefficiëntie mogelijk. In een conventionele metallische motor moet een groot deel van de energie die uit de brandstof vrijkomt, als afvalwarmte worden afgevoerd om een meltdown van de metalen onderdelen te voorkomen. Er wordt ook gewerkt aan de ontwikkeling van keramische onderdelen voor gasturbinemotoren., Turbinemotoren gemaakt met keramiek zou efficiënter kunnen werken, waardoor vliegtuigen meer bereik en nuttige lading voor een bepaalde hoeveelheid brandstof. Dergelijke motoren zijn echter niet in productie, omdat de productie van keramische onderdelen in de voldoende precisie en duurzaamheid is moeilijk en kostbaar. Verwerkingsmethoden resulteren vaak in een brede verspreiding van microscopische gebreken die vaak een schadelijke rol spelen in het sinterproces, wat resulteert in de proliferatie van scheuren en uiteindelijke mechanische storing.,

Glass ceramicsEdit

glas-keramische materialen hebben vele eigenschappen met zowel niet-kristallijn glas als kristallijn Keramiek. Ze worden gevormd als een glas, en dan gedeeltelijk gekristalliseerd door warmtebehandeling, produceren zowel amorfe en kristallijne fasen zodat kristallijne korrels zijn ingebed in een niet-kristallijne intergranulaire fase.,

glaskeramiek wordt gebruikt om kookgerei (oorspronkelijk bekend onder de merknaam CorningWare) en kookplaten te maken die zowel een hoge weerstand tegen thermische schokken hebben als een extreem lage doorlaatbaarheid voor vloeistoffen. De negatieve thermische uitzettingscoëfficiënt van de kristallijne keramische fase kan worden gecompenseerd met de positieve coëfficiënt van de glazige fase. Op een bepaald punt (~70% kristallijn) heeft het glas-keramiek een netto thermische uitzettingscoëfficiënt die dicht bij nul ligt. Dit type glas-keramiek vertoont uitstekende mechanische eigenschappen en kan herhaalde en snelle temperatuurveranderingen tot 1000 °C verdragen.,

glaskeramiek kan ook van nature voorkomen wanneer de bliksem de kristallijne (bv. kwartskorrels) in het meeste strandzand treft. In dit geval, de extreme en onmiddellijke hitte van de bliksem (~2500 °C) creëert holle, vertakte wortelachtige structuren genoemd fulguriet via fusie.

Organic solidsEdit

organische chemie onderzoekt de structuur, eigenschappen, samenstelling, reacties en bereiding door synthese (of op andere wijze) van chemische verbindingen van koolstof en waterstof, die een willekeurig aantal andere elementen kunnen bevatten, zoals stikstof, zuurstof en de halogenen: fluor, chloor, broom en jodium. Sommige organische verbindingen kunnen ook de elementen fosfor of zwavel bevatten. Voorbeelden van organische vaste stoffen zijn hout, paraffinewas, naftaleen en een grote verscheidenheid aan polymeren en kunststoffen.,

WoodEdit

hout is een natuurlijk organisch materiaal dat voornamelijk bestaat uit cellulosevezels die zijn ingebed in een ligninematrix. Met betrekking tot mechanische eigenschappen, de vezels zijn sterk in spanning, en de lignine matrix bestand tegen compressie. Zo is hout een belangrijk bouwmateriaal geweest sinds mensen schuilplaatsen begonnen te bouwen en boten te gebruiken. Hout voor de bouw wordt algemeen bekend als hout of hout. In de bouw is hout niet alleen een structureel materiaal, maar wordt het ook gebruikt om de mal voor beton te vormen.,

materialen op houtbasis worden ook op grote schaal gebruikt voor verpakkingen (bv. karton) en papier, beide gemaakt van de geraffineerde pulp. De chemische verpulpprocessen gebruiken een combinatie van hoge temperatuur en alkalische (kraft) of zure (sulfiet) chemicaliën om de chemische bindingen van de lignine te breken alvorens het uit te branden.

PolymersEdit

een belangrijke eigenschap van koolstof in de organische chemie is dat het bepaalde verbindingen kan vormen, waarvan de individuele moleculen zich aan elkaar kunnen hechten en zo een keten of netwerk vormen. Het proces wordt genoemd polymerisatie en de kettingen of netwerkpolymeren, terwijl de bronsamenstelling een monomeer is. Er bestaan twee belangrijke groepen polymeren: de kunstmatig vervaardigde polymeren worden industriële polymeren of synthetische polymeren (kunststoffen) genoemd en de van nature voorkomende polymeren als biopolymeren.,

monomeren kunnen verschillende chemische substituenten of functionele groepen hebben die van invloed kunnen zijn op de chemische eigenschappen van organische verbindingen, zoals oplosbaarheid en chemische reactiviteit, evenals de fysische eigenschappen, zoals hardheid, dichtheid, mechanische of treksterkte, slijtvastheid, hittebestendigheid, transparantie, kleur, enz.. In proteã nen, geven deze verschillen het polymeer de capaciteit om een biologisch actieve bouw in plaats van anderen aan te nemen (zie zelfassemblage).

mensen gebruiken al eeuwenlang natuurlijke organische polymeren in de vorm van wassen en schellak, die is ingedeeld als thermoplastisch polymeer. Een plant polymeer genaamd cellulose zorgde voor de treksterkte voor natuurlijke vezels en touwen, en tegen het begin van de 19e eeuw was natuurlijk rubber in wijdverbreid gebruik. Polymeren zijn de grondstoffen (de harsen) die worden gebruikt om zogenaamde kunststoffen te maken. Kunststoffen zijn het eindproduct, gemaakt nadat een of meer polymeren of additieven zijn toegevoegd aan een hars tijdens de verwerking, die vervolgens wordt gevormd in een definitieve vorm., Polymeren die rond zijn geweest, en die in de huidige wijdverspreide gebruik, omvatten koolstof-gebaseerde polyethyleen, polypropyleen, polyvinylchloride, polystyreen, nylons, polyesters, acryl, polyurethaan, en polycarbonaten, en silicium-gebaseerde siliconen. Kunststoffen worden over het algemeen ingedeeld als “grondstoffen”, “speciale” en “technische” kunststoffen.,

Composiet materialsEdit

Composiet materialen bevatten twee of meer macroscopische fasen, waarvan er één is vaak keramiek. Bijvoorbeeld, een continue matrix, en een verspreide fase van keramische deeltjes of vezels.,

toepassingen van composietmaterialen variëren van structurele elementen zoals staalbeton tot de thermisch isolerende tegels die een belangrijke en integrale rol spelen in het thermisch beschermingssysteem van de space Shuttle van NASA, dat wordt gebruikt om het oppervlak van de shuttle te beschermen tegen de hitte van het opnieuw binnendringen in de atmosfeer van de aarde. Een voorbeeld hiervan is Reinforced Carbon-Carbon (RCC), het lichtgrijze materiaal dat bestand is tegen terugkeertemperaturen tot 1510 °C (2750 °F) en de neuskap en voorranden van de vleugels van de Space Shuttle beschermt., RCC is een gelamineerd composiet materiaal gemaakt van grafiet rayon doek en geïmpregneerd met een fenolhars. Na uitharding bij hoge temperatuur in een autoclaaf wordt het laminaat gepyroliseerd om de hars om te zetten in koolstof, geïmpregneerd met furfural alcohol in een vacuümkamer, en uitgehard/gepyroliseerd om de furfural alcohol om te zetten in koolstof. Om oxidatieweerstand te bieden voor hergebruik, worden de buitenste lagen van de RCC omgezet in siliciumcarbide.

binnenlandse voorbeelden van composieten zijn te zien in de “plastic” behuizingen van televisietoestellen, mobiele telefoons, enzovoort., Deze kunststof behuizingen zijn meestal een composiet samengesteld uit een thermoplastische matrix zoals acrylonitril butadieen styreen (ABS) waarin calciumcarbonaat krijt, Talk, glasvezels of koolstofvezels zijn toegevoegd voor sterkte, bulk, of elektro-statische dispersie. Deze toevoegingen kunnen worden aangeduid als versterkende vezels, of dispergeermiddelen, afhankelijk van hun doel.

Het matrixmateriaal omringt en ondersteunt de wapeningsmaterialen door hun relatieve posities te behouden. De versterkingen geven hun speciale mechanische en fysische eigenschappen om de matrixeigenschappen te verbeteren., Een synergisme produceert materiaaleigenschappen die niet beschikbaar zijn van de afzonderlijke samenstellende materialen, terwijl de grote verscheidenheid aan matrix-en versterkingsmaterialen de ontwerper de keuze biedt voor een optimale combinatie.

SemiconductorsEdit

halfgeleiders zijn materialen met een elektrische weerstand (en geleidbaarheid) tussen die van metalen geleiders en niet-metalen isolatoren., Ze zijn te vinden in het periodiek systeem bewegen diagonaal naar beneden rechts van borium. Ze scheiden de elektrische geleiders (of metalen, naar links) van de isolatoren (naar rechts).

apparaten gemaakt van halfgeleidermaterialen vormen de basis van moderne elektronica, waaronder radio, computers, telefoons, enz. Halfgeleiderelementen omvatten transistor, zonnecellen, dioden en geïntegreerde schakelingen. Fotovoltaïsche zonnepanelen zijn grote halfgeleiderelementen die licht direct omzetten in elektrische energie.,

in een metalen geleider wordt de stroom gedragen door de stroom van elektronen”, maar in halfgeleiders kan de stroom worden gedragen door elektronen of door de positief geladen “gaten” in de elektronische bandstructuur van het materiaal. Gemeenschappelijke halfgeleidermaterialen omvatten silicium, germanium en galliumarsenide.

NanomaterialsEdit

veel traditionele vaste stoffen vertonen verschillende eigenschappen wanneer ze krimpen tot nanometer., Bijvoorbeeld, nanoparticles van gewoonlijk geel goud en grijs silicium zijn rood van kleur; gouden nanoparticles smelt bij veel lagere temperaturen (~300 °C voor 2.5 nm grootte) dan de gouden platen (1064 °C); en metaal nanowires zijn veel sterker dan de overeenkomstige bulk metalen. De hoge oppervlakte van nanodeeltjes maakt ze zeer aantrekkelijk voor bepaalde toepassingen op het gebied van energie. Bijvoorbeeld, platinametalen kunnen verbeteringen als automobiel brandstof katalysatoren, evenals Proton exchange Membraan (PEM) brandstofcellen., Ook worden keramische oxiden (of cermets) van lanthaan, cerium, mangaan en nikkel nu ontwikkeld als vaste oxide brandstofcellen (SOFC). Lithium, lithium-titanaat en tantaal nanoparticles worden toegepast in lithium ionenbatterijen. Het silicium nanoparticles is getoond om de opslagcapaciteit van lithium ionenbatterijen tijdens de uitbreiding/contractiecyclus dramatisch uit te breiden. Silicium nanodraden cyclus zonder significante degradatie en presenteren het potentieel voor gebruik in batterijen met sterk verlengde opslagtijden. Silicium nanoparticles worden ook gebruikt in nieuwe vormen van zonne – energiecellen., Dunne film afzetting van silicium quantum dots op de polykristallijne silicium substraat van een fotovoltaïsche (zonne) cel verhoogt de spanning uitgang zo veel als 60% door het binnenkomende licht te fluoresceren voorafgaand aan de vangst. Ook hier speelt de oppervlakte van de nanodeeltjes (en dunne films) een cruciale rol bij het maximaliseren van de hoeveelheid geabsorbeerde straling.,

BiomaterialsEdit

veel natuurlijke (of biologische) materialen zijn complexe composieten met opmerkelijke mechanische eigenschappen. Deze complexe structuren, die zijn ontstaan uit honderden miljoenen jaren evolutie, inspireren materiaalwetenschappers bij het ontwerpen van nieuwe materialen. Hun kenmerkende eigenschappen omvatten structurele hiërarchie, multifunctionaliteit en zelfgenezend vermogen., Zelf-organisatie is ook een fundamenteel kenmerk van vele biologische materialen en de manier waarop de structuren worden geassembleerd vanaf het moleculaire niveau omhoog. Aldus, komt de zelfassemblage als nieuwe strategie in de chemische synthese van hoogwaardige biomaterialen naar voren.