Fast (Svenska)

krafterna mellan atomerna i ett fast ämne kan ta olika former. Till exempel består en kristall av natriumklorid (vanligt salt) av jonisk natrium och klor, som hålls samman av jonbindningar. I diamant eller kisel delar atomerna elektroner och bildar kovalenta bindningar. I metaller delas elektroner i metallbindning. Vissa fasta ämnen, särskilt de flesta organiska föreningar, hålls samman med van der Waals krafter som härrör från polariseringen av det elektroniska laddningsmolnet på varje molekyl., Skillnaderna mellan de typer av fasta resultat från skillnaderna mellan deras bindning.

MetalsEdit

metaller är vanligtvis starka, täta och goda ledare för både el och värme. Huvuddelen av elementen i det periodiska bordet, de till vänster om en diagonal linje dragen från Bor till polonium, är metaller.,Blandningar av två eller flera element i vilka huvudkomponenten är en metall är kända som legeringar.

människor har använt metaller för olika ändamål sedan förhistorisk tid.Metallens styrka och tillförlitlighet har lett till deras utbredda användning vid byggande av byggnader och andra strukturer, liksom i de flesta fordon, många apparater och verktyg, rör, vägskyltar och järnvägsspår. Järn och aluminium är de två vanligaste strukturella metallerna. De är också de mest rikliga metallerna i jordskorpan., Järn används oftast i form av en legering, stål, som innehåller upp till 2,1% kol, vilket gör det mycket svårare än rent järn.

eftersom metaller är bra ledare av el, är de värdefulla i elektriska apparater och för att bära en elektrisk ström över långa avstånd med liten energiförlust eller avledning. Således är elnät beroende av metallkablar för att distribuera El. Hem elektriska system, till exempel, är trådbundna med koppar för sina goda ledande egenskaper och enkel bearbetbarhet., Den höga värmeledningsförmågan hos de flesta metaller gör dem också användbara för kokkärl.

studien av metalliska element och deras legeringar utgör en betydande del av områdena solid state kemi, fysik, materialvetenskap och teknik.

metalliska fasta ämnen hålls samman av en hög densitet av delade, delokaliserade elektroner, känd som ”metallisk bindning”. I en metall förlorar atomer lätt sina yttersta (”valense”) elektroner och bildar positiva joner., De fria elektronerna sprids över hela fasta, som hålls samman ordentligt genom elektrostatiska interaktioner mellan jonerna och elektronmolnet. Det stora antalet fria elektroner ger metaller sina höga värden på elektrisk och värmeledningsförmåga. De fria elektronerna förhindrar också överföring av synligt ljus, vilket gör metaller ogenomskinliga, glänsande och glänsande.

mer avancerade modeller av metallegenskaper anser effekten av de positiva jonkärnorna på de delokaliserade elektronerna. Eftersom de flesta metaller har kristallin struktur, är dessa joner vanligtvis anordnade i en periodisk gitter., Matematiskt kan jonkärnornas potential behandlas av olika modeller, det enklaste är den nästan fria elektronmodellen.

MineralsEdit

mineraler är naturligt förekommande fasta ämnen som bildas genom olika geologiska processer under högt tryck. För att klassificeras som ett sant mineral måste ett ämne ha en kristallstruktur med likformiga fysikaliska egenskaper hela tiden., Mineraler varierar i sammansättning från rena element och enkla salter till mycket komplexa silikater med tusentals kända former. Däremot är ett bergprov ett slumpmässigt aggregat av mineraler och / eller mineraloider, och har ingen specifik kemisk sammansättning. Den stora majoriteten av jordskorpans stenar består av kvarts (kristallin SiO2), fältspat, glimmer, klorit, kaolin, kalcit, epidote, olivin, augit, hornblende, magnetit, hematit, limonit och några andra mineraler. Vissa mineraler, som kvarts, glimmer eller fältspat är vanliga, medan andra har hittats på endast ett fåtal platser över hela världen., Den största gruppen av mineraler överlägset är silikaterna (de flesta bergarter är ≥95% silikater), som till stor del består av kisel och syre, med tillsats av joner av aluminium, magnesium, järn, kalcium och andra metaller.

CeramicsEdit

keramiska fasta ämnen består av oorganiska föreningar, vanligtvis oxider av kemiska element., De är kemiskt inerta och kan ofta motstå kemisk erosion som uppträder i en sur eller kaustisk miljö. Keramik tål i allmänhet höga temperaturer från 1000 till 1600 ° C (1800 till 3000 °F). Undantag inkluderar icke-oxid oorganiska material, såsom nitrider, borider och karbider.

traditionella keramiska råvaror inkluderar lermineraler som kaolinit, senare material inkluderar aluminiumoxid (aluminiumoxid). De moderna keramiska materialen, som klassificeras som avancerad keramik, inkluderar kiselkarbid och volframkarbid., Båda värderas för deras nötningsmotstånd och finner därför användning i sådana applikationer som slitplattorna för krossutrustning i gruvdrift.

de flesta keramiska material, såsom aluminiumoxid och dess föreningar, bildas av fina pulver, vilket ger en finkornig polykristallin mikrostruktur som är fylld med ljusspridningscentra som är jämförbara med våglängden för synligt ljus. Således är de i allmänhet ogenomskinliga material, i motsats till transparenta material. Ny nanoskala (t. ex., sol-gel) teknik har dock möjliggjort produktion av polykristallin transparent keramik såsom transparent aluminiumoxid och aluminiumoxid föreningar för sådana tillämpningar som hög effekt lasrar. Avancerad keramik används också inom medicin -, el-och elektronikindustrin.

keramisk teknik är vetenskapen och tekniken för att skapa solid state keramiska material, delar och enheter. Detta görs antingen genom värmeverkan eller vid lägre temperaturer med hjälp av utfällningsreaktioner från kemiska lösningar., Termen innefattar rening av råvaror, studier och produktion av de berörda kemiska föreningarna, deras bildning i komponenter och studien av deras struktur, sammansättning och egenskaper.

mekaniskt sett är keramiska material spröda, hårda, starka i kompression och svaga i skjuvning och spänning. Spröda material kan uppvisa betydande draghållfasthet genom att stödja en statisk belastning., Seghet indikerar hur mycket energi ett material kan absorbera före mekaniskt fel, medan frakturseghet (betecknad KIc ) beskriver förmågan hos ett material med inneboende mikrostrukturella brister att motstå fraktur via spricktillväxt och förökning. Om ett material har ett stort värde av brottseghet, föreslår de grundläggande principerna för brottmekanik att det sannolikt kommer att genomgå duktil fraktur. Spröd fraktur är mycket karakteristisk för de flesta keramiska och glaskeramiska material som vanligtvis uppvisar låga (och inkonsekventa) värden för KI-grupp.,

för ett exempel på tillämpningar av keramik används den extrema hårdheten hos zirkoniumoxid vid tillverkning av knivblad, liksom andra industriella skärverktyg. Keramik som aluminiumoxid, borkarbid och kiselkarbid har använts i skottsäkra västar för att avvärja storkalibrig gevärsbrand. Kiselnitriddelar används i Keramiska kullager, där deras höga hårdhet gör dem slitstarka. I allmänhet är keramik också kemiskt resistenta och kan användas i våta miljöer där stållager skulle vara mottagliga för oxidation (eller rost).,

som ett annat exempel på keramiska applikationer undersökte Toyota i början av 1980-talet produktion av en adiabatisk keramisk motor med en driftstemperatur på över 6000 °f (3300 °C). Keramiska motorer kräver inte ett kylsystem och möjliggör därmed en stor viktminskning och därmed större bränsleeffektivitet. I en konventionell metallmotor måste mycket av den energi som frigörs från bränslet skingras som spillvärme för att förhindra en smältning av metalldelarna. Man arbetar också med att utveckla keramiska delar för gasturbinmotorer., Turbinmotorer gjorda med keramik kan fungera mer effektivt, vilket ger flygplan större räckvidd och nyttolast för en viss mängd bränsle. Sådana motorer är emellertid inte i produktion, eftersom tillverkningen av keramiska delar i tillräcklig precision och hållbarhet är svår och dyr. Bearbetningsmetoder resulterar ofta i en bred fördelning av mikroskopiska brister som ofta spelar en skadlig roll i sintringsprocessen, vilket resulterar i spridning av sprickor och ultimat mekaniskt misslyckande.,

glas ceramicsEdit

glaskeramiska material delar många egenskaper med både icke-kristallina glasögon och kristallin keramik. De bildas som ett glas och kristalliseras sedan delvis genom värmebehandling, vilket producerar både amorfa och kristallina faser så att kristallina korn är inbäddade i en icke-kristallin intergranulär fas.,

Glaskeramik används för att göra köksredskap (ursprungligen känt av varumärket CorningWare) och stovetops som har både hög motståndskraft mot termisk chock och extremt låg permeabilitet mot vätskor. Den negativa koefficienten för termisk expansion av den kristallina keramiska fasen kan balanseras med den glasaktiga fasens positiva koefficient. Vid en viss punkt (~70% kristallin) har glaskeramiken en nettokoefficient för termisk expansion nära noll. Denna typ av glaskeramik uppvisar utmärkta mekaniska egenskaper och kan upprätthålla upprepade och snabba temperaturförändringar upp till 1000 ° C.,

Glaskeramik kan också förekomma naturligt när blixten träffar de kristallina (t.ex. kvarts) korn som finns i de flesta strandsand. I detta fall skapar blixtens extrema och omedelbara värme (~2500 °C) ihåliga, förgrenade rotliknande strukturer som kallas fulgurit via fusion.

organisk solidsEdit

organisk kemi studerar struktur, egenskaper, sammansättning, reaktioner och beredning genom syntes (eller andra medel) av kemiska föreningar av kol och väte, som kan innehålla valfritt antal andra element såsom kväve, syre och halogener: fluor, klor, brom och jod. Vissa organiska föreningar kan också innehålla elementen fosfor eller svavel. Exempel på organiska fasta ämnen är trä, paraffinvax, naftalen och en mängd olika polymerer och plast.,

WoodEdit

trä är ett naturligt organiskt material som huvudsakligen består av cellulosafibrer inbäddade i en matris av lignin. När det gäller mekaniska egenskaper är fibrerna starka i spänning, och ligninmatrisen motstår kompression. Således har Trä varit ett viktigt byggmaterial sedan människor började bygga skyddsrum och använda båtar. Trä som ska användas för byggnadsarbeten är allmänt känd som virke eller timmer. I konstruktion är trä inte bara ett konstruktionsmaterial, men används också för att bilda mögel för betong.,

träbaserade material används också i stor utsträckning för förpackning (t.ex. kartong) och papper, som båda skapas från den raffinerade massan. De kemiska pulpingprocesserna använder en kombination av hög temperatur och alkaliska (kraft) eller sura (sulfit) kemikalier för att bryta lignins kemiska bindningar innan de brinner ut.

PolymersEdit

en viktig egenskap hos kol i organisk kemi är att det kan bilda vissa föreningar, vars enskilda molekyler kan fästa sig vid varandra och därigenom bilda en kedja eller ett nätverk. Processen kallas polymerisation och kedjorna eller nätpolymererna, medan källföreningen är en monomer. Två huvudgrupper av polymerer finns: de artificiellt tillverkade kallas industriella polymerer eller syntetiska polymerer (plast) och de som naturligt förekommer som biopolymerer.,

monomerer kan ha olika kemiska substituenter, eller funktionella grupper, som kan påverka de kemiska egenskaperna hos organiska föreningar, såsom löslighet och kemisk reaktivitet, liksom de fysikaliska egenskaperna, såsom hårdhet, densitet, mekanisk eller draghållfasthet, nötningsbeständighet, värmebeständighet, transparens, färg, etc.. I proteiner ger dessa skillnader polymeren förmågan att anta en biologiskt aktiv konformation i stället för andra (se självmontering).

människor har använt naturliga organiska polymerer i århundraden i form av vaxer och shellack, som klassificeras som en termoplastisk polymer. En växtpolymer som heter cellulosa gav draghållfastheten för naturliga fibrer och rep, och i början av 1800-talet var naturgummi i utbredd användning. Polymerer är de råvaror (hartser) som används för att göra vad som vanligtvis kallas plast. Plast är slutprodukten, skapad efter att en eller flera polymerer eller tillsatser har tillsatts till ett harts under bearbetningen, som sedan formas till en slutlig form., Polymerer som har funnits, och som är i nuvarande utbredd användning, inkluderar kolbaserad polyeten, polypropen, polyvinylklorid, polystyren, nyloner, polyestrar, akryl, polyuretan och polykarbonater och kiselbaserade silikoner. Plast klassificeras i allmänhet som” råvara”,” specialitet ”och” teknik ” plast.,

Kompositmaterialsedit

kompositmaterial innehåller två eller flera makroskopiska faser, varav en ofta är keramisk. Till exempel en kontinuerlig matris och en dispergerad fas av keramiska partiklar eller fibrer.,

tillämpningar av kompositmaterial sträcker sig från strukturella element såsom stål-armerad betong, till termiskt isolerande plattor som spelar en viktig och integrerad roll i NASA: s rymdfärjan termiska skyddssystem, som används för att skydda ytan av skytteln från värmen av återinträde i jordens atmosfär. Ett exempel är förstärkt Kol-Kol (RCC), det ljusgråa materialet som tål återinträdestemperaturer upp till 1510 °C (2750 °f) och skyddar nästäcket och framkanterna på rymdfärjans vingar., RCC är ett laminerat kompositmaterial tillverkat av grafit rayon trasa och impregnerat med en fenolharts. Efter härdning vid hög temperatur i en autoklav pyroliseras laminatet för att omvandla hartset till kol, impregnerat med furfural alkohol i en vakuumkammare och härdat/pyroliserat för att omvandla furfural alkohol till kol. För att ge oxidationsmotstånd för återanvändningskapacitet omvandlas RCC: s yttre lager till kiselkarbid.

inhemska exempel på kompositer kan ses i ”plast” höljen av TV-apparater, mobiltelefoner och så vidare., Dessa plasthöljen är vanligtvis en komposit som består av en termoplastisk matris såsom akrylnitril butadien styren (ABS) där kalciumkarbonat krita, talk, glasfibrer eller kolfibrer har tillsatts för styrka, bulk, eller elektrostatisk dispersion. Dessa tillsatser kan kallas förstärkande fibrer eller dispergeringsmedel, beroende på deras syfte.

således omger matrismaterialet och stöder förstärkningsmaterialen genom att bibehålla sina relativa positioner. Förstärkningarna ger sina speciella mekaniska och fysikaliska egenskaper för att förbättra matrisegenskaperna., En synergism producerar materialegenskaper som inte är tillgängliga från de enskilda beståndsdelarna, medan det stora utbudet av matriser och förstärkningsmaterial ger designern valet av en optimal kombination.

Semiconductors

halvledare är material som har en elektrisk resistivitet (och konduktivitet) mellan metallledare och icke-metalliska isolatorer., De finns i det periodiska bordet som rör sig diagonalt nedåt direkt från Bor. De separerar de elektriska ledarna (eller metallerna till vänster) från isolatorerna (till höger).

enheter gjorda av halvledarmaterial är grunden för modern elektronik, inklusive radio, datorer, telefoner etc. Halvledaranordningar inkluderar transistorn, solceller, dioder och integrerade kretsar. Solcellspaneler är stora halvledaranordningar som direkt omvandlar ljus till elektrisk energi.,

i en metallisk ledare bärs strömmen av flödet av elektroner”, men i halvledare kan strömmen bäras antingen av elektroner eller av de positivt laddade ”hålen” i materialets elektroniska bandstruktur. Vanliga halvledarmaterial inkluderar kisel, germanium och galliumarsenid.

NanomaterialsEdit

många traditionella fasta ämnen uppvisar olika egenskaper när de krymper till nanometerstorlekar., Till exempel är nanopartiklar av vanligtvis gult guld och grå kisel röda i färg; guld nanopartiklar smälter vid mycket lägre temperaturer (~300 °C för 2,5 nm storlek) än guldplattorna (1064 °C); och metalliska nanotrådar är mycket starkare än motsvarande bulkmetaller. Den höga ytan av nanopartiklar gör dem extremt attraktiva för vissa tillämpningar inom energiområdet. Till exempel kan platinametaller ge förbättringar som bränslekatalysatorer för bilar, liksom proton exchange membrane (PEM) bränsleceller., Även keramiska oxider (eller kermeter) av lantan, cerium, mangan och nickel utvecklas nu som bränsleceller för fast oxid (SOFC). Litium, litiumtitanat och tantal nanopartiklar appliceras i litiumjonbatterier. Kiselnanopartiklar har visat sig dramatiskt öka lagringskapaciteten hos litiumjonbatterier under expansions – / sammandragningscykeln. Kisel nanotrådar cykel utan betydande nedbrytning och presentera potentialen för användning i batterier med kraftigt utökade lagringstider. Kiselnanopartiklar används också i nya former av solenergiceller., Tunnfilmsdeposition av kiselkvantpunkter på det polykristallina kiselsubstratet i en solcell ökar spänningsutgången så mycket som 60% genom att fluorescera det inkommande ljuset före infångning. Här spelar ytan av nanopartiklarna (och tunna filmer) en kritisk roll för att maximera mängden absorberad strålning.,

BiomaterialsEdit

många naturliga (eller biologiska) material är komplexa kompositer med anmärkningsvärda mekaniska egenskaper. Dessa komplexa strukturer, som har stigit från hundratals miljoner år av evolution, är inspirerande materialforskare i utformningen av nya material. Deras definierande egenskaper inkluderar strukturell hierarki, multifunktionalitet och självläkande förmåga., Självorganisering är också en grundläggande egenskap hos många biologiska material och det sätt på vilket strukturerna monteras från molekylär nivå upp. Således uppstår självmontering som en ny strategi för kemisk syntes av högpresterande biomaterial.