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固体

2021-02-26 12:11:11

固体是物质存在的一种状态,是四种基本物质状态之一。与液体和气体相比,固体有固定的体积及形状,形状也不会随着容器形状而改变。固体的质地较液体及气体坚硬,固体的原子之间有紧密的结合。固体可能是晶体,其空间排列是有规则的晶格排列(例如金属及),也可能是无定形体,在空间上是不规则的排列(例如玻璃)。一般而言,固体是宏观物体,一个物体要达到一定的大小才能够被称为固体,但是对其大小无明确的规定。

物理学中研究固体的分支称为固体物理学,是凝聚态物理学的主要分支之一。材料科学探讨各种常见固体的物理及化学特性。固体化学研究固体结构、性质、合成、表征等的一门化学分支,也和一些固体材料的化学合成有关。

特性

固体有三种特性:

  • 固体里的粒子是紧紧相扣,不易进行运动。
  • 固体是固定在物质里一个特定空间。
  • 当有外力对物质施加作用时,固体形状会被扭曲,导致变形。

尽管任何固体都有热能,粒子间可以相互震动,此粒子运动幅度相当的小,很难靠感觉来观察。

通过其组成部分之间相互作用,固体的特性可能与组成它的粒子的特性有很大区别。

微观描述

固体可依其原子、分子或离子的排列方式是否有特定周期性的规则,分类为晶体或无定形体(非晶体),而晶体又分为单晶体和多晶体。固体是结晶体或是无定形体,和其材料及冷却凝固的条件有关,缓慢冷却形成的固体比较容易形成结晶体,而快速冷却形成的固体比较容易形成无定形体。

有些物质中只含有一种化合物,像冰块或氯化钠等,但也有许多物体是由多种化合物所组成,像岩石就是由许多不同的的矿物及准矿物所组成,无法用一个化学式来表示其中的成分,而木材是自然形成的有机材料,主要由纤维素及木质素所组成。复合材料是由多种材料所组成,可借由材料及成分的调整来达到预期的特性。

晶体

晶体是排列规则的固体,当整个晶体内原子都按周期性规则排列时,称为单晶,例如氯化钠、天然水晶、钻石等。不过大部分固体的晶体大小都远小于可用肉眼判识的大小,肉眼可见的固体其实是由许多称为晶粒的“小单晶体”所组成,晶粒最小可以到数奈米。粗晶、微晶、纳米晶指的就是晶粒的大小。

由许多晶粒组成的固体称为多晶,常见的石头、金属、陶瓷都是多晶。结晶体的晶体结构和其材料及冷却凝固的条件有关。例如钢在慢速冷却时会形成波来铁,若经过淬火的快速冷却,会形成马氏体

非晶体

不规则排列的固体被称为无定形体,例如聚苯乙烯玻璃

准晶

准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。

固体的类别

依固体组成的原子(或原子团)不同,原子之间的作用力也随之不同:例如氯化钠是由氯离子和钠离子组成,氯离子和钠离子之间会形成离子键。像钻石或硅的固体,原子和原子之间共同使用它们的外层电子,形成成共价键。金属中的原子之间会形成金属键,原子的价电子会形成自由电子。大部分的有机化合物分子间的作用力是范德瓦耳斯力,主因是在分子中的电荷分布不平均所造成。固体的特性受原子之间作用力的影响很大。

金属

一般而言,金属是电及的良导体。元素周期表中由硼画一条线至Og,线左侧的元素都是金属。合金是指由二种或二种以上元素混合而成,以金属为其主要成分,且有金属特性的混合物。

人类自史前时代就开始使用金属,像青铜时代及铁器时代就开始以器具使用的金属种类为其时代名称。金属由于其强度及可靠度良好,已广为使用在各领域中,例如建筑物的结构、车辆的结构、许多工具及设备、管线、道路标志及铁轨等。铁和铝是最常使用的二种金属,也是地壳中丰度最高的二种金属元素。在使用时,铁一般会和其他元素形成合金,其中最常使用的钢,其碳含量最多会到2.1%,而随着碳含量的增加,合金的硬度也会逐渐提高。

矿物

矿物是存在于自然界中,在高压下经过许多地质过程后形成的固体。矿物必需有晶体结构以及一致性物理性质。矿物的成分约有数千种广,范围从纯元素、简单盐类,也可以是复杂的硅酸盐。矿物和岩石不同,后者是由许多的矿物及准矿物所组成,无法用化学式来表示。地壳中岩石的主要成分包括石英长石云母、绿泥石、高岭石、方解石、绿帘石、橄榄石、普通辉石、角闪石、磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿等。其中石英、长石及云母是常见的矿物,其他的矿物只在一些特定区域才能找到。矿物中最多的是硅酸盐,约占一般岩石的95%,主要是由氧和硅组成,也包括铝、镁、铁、钙及其他金属。

陶瓷

陶瓷材料是由无机化合物所组成,通常是元素的氧化物。陶瓷不容易发生化学反应,一般而言是可以耐酸耐腐蚀的材料。陶瓷一般可耐1000至1600 °C的高温,不过像氮化物硼化物英语Boride碳化物等不含氧的无机化合物其耐温范围更高。陶瓷一般会有高硬度、高耐磨性、抗腐蚀,但其脆性大。

传统的陶瓷原料包括像高岭石之类的黏土矿物,较后期的陶瓷原料则包括氧化铝(矾土),现代的陶瓷原料或称为先进陶瓷原料包括有碳化硅及碳化钨.两者的耐磨性都很好,因此可用在像采矿设备中的粉碎用机械中。

大部分的陶瓷(包括矾土及其相关化合物)都是用粉末原料成形而成,因此可以得到细粒度的多晶微结构英语Microstructure,容易散射可见光范围的电磁波,因此陶瓷一般都是不透明的材料。

玻璃陶瓷

玻璃陶瓷兼具有无定形体的玻璃及晶体的陶瓷的许多特性,其成形方式类似玻璃,再利用热处理的方式使其部分产生结晶,因此其中同时有无定形体及晶体均匀分布。

当闪电击中砂粒中的晶粒时,也会产生玻璃陶瓷。闪电带来的大量及快速的热能会使温度到约2500 °C,会产生中空、分支树根状的闪电熔岩。

有机固体

资料专题:固体固体的类别有机固体

复合材料

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料,经过复合工艺而制备的多相材料。其中包括连续相的基体,和被基体包容,用来提升材料性能的相增强体。

复合材料的应用范围很广,包括建筑工程中常用的钢筋混凝土,及用在航天飞机的航天飞机隔热系统中,在航天飞机返航回到地球时避免表面过热的绝热瓦,航天飞机机鼻及机翼前缘会使用强化碳-碳英语Reinforced_Carbon-Carbon的浅灰色材料,可以承受返航时高达1510 °C的温度。强化碳-碳是一种由浸渍在酚醛树脂的石墨人造丝制成的层叠英语Laminated复合材料。在高温的高压釜中处理后,层叠会热分解,人造丝会释出碳,再在真空下浸渍在糠醇英语Furfuryl_alcohol中,糠醇也会会释出碳。为了反复利用时的抗氧化能力,会用碳化硅作为强化碳-碳的外层。

半导体

半导体是电阻率介于金属导体和非金属绝缘体之间的物质,在周期表硼往右下的对角线上.其左边是金属导体,其右边是绝缘体。

半导体元件是近代电子学的基础,包括收音机、电脑、电视中都有半导体元件。半导体元件包括晶体管、太阳能电池、二极管及集成电路。大阳能光电板是大型的半导体元件,直接将光能转换为电能。

在金属导体中,电流是由于电子的流动所造成,但在半导体中,电流是由于材料能带结构中的电子流动以及带正电空穴流动所造成。常见的半导体材料包括硅、锗及砷化镓。

纳米材料

许多固体当其大小为几个纳米时,其特性也会随之改变。例如金和硅分别是金色和灰色,但金和硅的纳米料子都是红色,大小为约2.5纳米的金纳米粒子,其熔点约为300°C,远低于金块的熔点1064°C。金属的纳米线其强度也比一般大小下的相同金属要大。

纳米材料有高表面积,适用在许多和能源相关的应用中,例如纳米的铂金属可以作为车用燃料的催化剂,也可以用在质子交换膜燃料电池中、镧、铈、锰、镍的氧化物形成的陶瓷或金属陶瓷英语cermet可用在固体氧化物燃料电池(SOFC)、锂和钛的纳米颗粒可用在锂离子电池或钛酸锂电池中、硅纳米粒子已被证实可以大幅提升锂离子电池在膨胀/收缩周期中的储存容量。硅纳米颗粒也用在新形式的太阳能电池中,太阳能电池中多晶硅基板上硅量子点的薄膜沉积可以增加60%输出电压,此应用中纳米颗粒或薄膜的表面积也使其吸收辐射量达到最大值。

物理性质

固体的物理性质包括气味、颜色、体积、密度、熔点、沸点、比热、室温下的形态(固体、液体或气体)、硬度、多孔性、折射率等。以下探讨一些固体的材料性质。

世界上最轻的固体是飞行石墨,其密度小于0.2 mg/cm³,比微晶格英语Microlattice(0.9 mg/cm³ )和气凝胶(1.9 mg/cm³)的密度都小。

力学

资料专题:固体物理性质力学

热学

由于固体有热能,其原子会在固体中特定位置的周围振动,晶体或是无定形体的晶格振动频率频谱是固体动力学的基础,原子的振动幅度是原子等级的大小,因此需用特殊的仪器才能观察,例如光谱学相关的仪器。

固体的热学性质包括热导率,是指一固体热传导的能力。固体的热学性质也包括比热容,是指固体以热能方式储存能量的能力。

热电效应包括三个在金属中温度和电压之间的转换效应:塞贝克效应、帕尔帖效应及汤姆孙效应,前二个是在二种不同金属介质中,温度差和电压之间的转换效应,汤姆孙效应则是一金属两端温度不同时,金属两端会形成电势差的效应。

电学

电学性质包括电导率、电阻率、阻抗及电容,金属及合金是电的导体,而玻璃及陶瓷是电的绝缘体,前者电导率高,后者电导率低,而半导体介于二者之间。金属的导电是因为其中的电子,半导体的导电是电子和空穴,而快离子导体英语Fast ion conductor的导电性是由离子造成。

大部分导体的电阻率会随着温度的下降而降低,只是电阻率最终会是一个不为零的值。有些材料有超导体的特性,当在温度低于其临界温度时,电阻率会突然降为零。低温下有超导特性的材料包括锡和铝等金属、许多金属合金、一些重度掺杂的半导体及特定的陶瓷。一个由超导体形成的线圈,可以在没有电压源的条件下,让电流在线圈内持续流动。

介电质是一种可以电极化的绝缘体,可以用在电容器中。电容器是利用二片距离很近的导体来储存能量的电子零件,二片导体之间即为介电质,因此二片导体会产生大小相同,极性相反的电荷,在电路中电容器常作为能量储存元件,因此电容器的阻抗会随着频率而不同,电容器也常用在滤波器中,去分离高频及低频讯号。

机电特性

压电性是指晶体在受到应力后会产生电压的特性,在有压电性的晶体中,若施加电压也会产生微小的形变。像橡胶、木材、头发及丝等聚合物都有压电性,而聚偏二氟乙烯聚合物的压电性要比石英高出许多。压电性材料的形变特性使其适用在像高压源、喇叭、激光.及其他化学、生物及声光英语acousto-optic的感测器及换能器。

光学

资料专题:固体物理性质光学

磁学

参见

参考资料

资料专题:固体参考资料