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Sólido

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Forma de um sólido cristalino único insulina .

Sólido é um dos os quatro estados fundamentais da matéria (os outros sendo líquido , gás e plasma ). Caracteriza-se por uma rigidez estrutural e resistência a variações da forma ou volume. Ao contrário de um líquido , de um objecto sólido não flui para assumir a forma de seu recipiente, nem expandir para preencher todo o volume disponível para ele como um gás faz. Os átomos na forma de um sólido são firmemente ligados um ao outro, quer numa estrutura geométrica regular ( sólidos cristalinos , os quais incluem metais e comum de gelado de água ) ou irregular (um sólido amorfo tal como janela comum de vidro ).

O ramo da física que lida com sólidos é chamado física de estado sólido, e é o principal ramo da física da matéria condensada (que também inclui os líquidos). Materiais ciência está principalmente preocupado com o físico e Propriedades químicas dos sólidos. Química de estado sólido está especialmente preocupado com o síntese de novos materiais, bem como a ciência da identificação e composição química.

Descrição microscópica

Modelo de átomos estreitamente empacotadas dentro de um sólido cristalino.

Os átomos, moléculas ou iões, que compõem um sólido podem ser dispostos num padrão de repetição ordenada, ou de forma irregular. Materiais cujos constituintes estão dispostos num padrão regular são conhecidos como cristais . Em alguns casos, a ordem regular pode continuar ininterrupta ao longo de um grande escala, por exemplo, diamantes , onde cada diamante é um cristal único. Objectos sólidos que são suficientemente grandes para ver e manipular raramente são compostas por um único cristal, mas em vez disso são feitas de um grande número de cristais simples, conhecidos como cristalitos, cujo tamanho pode variar de poucos nanómetros a vários metros. Tais materiais são chamados policristalino. Quase todos os metais comuns, e muitos cerâmica, são policristalino.

Os átomos de Si e O; cada átomo tem o mesmo número de ligações, mas o arranjo geral dos átomos é aleatória.
Padrão hexagonal regular de átomos de Si e S, com um átomo de Si em cada canto e os átomos de S no centro de cada lado.
Representação esquemática de uma substância vítrea random-rede (esquerda) e rede cristalina ordenada (direita) de composição química idêntica.

Em outros materiais, não há nenhuma ordem de longo alcance na posição dos átomos. Estes sólidos são conhecidos como sólidos amorfos; exemplos incluem poliestireno e vidro .

Se é um sólido cristalino ou amorfo depende do material utilizado, e as condições em que foi formado. Os sólidos que se formaram por arrefecimento lento tenderá a ser cristalino, enquanto os sólidos que são rapidamente congeladas são mais susceptíveis de ser amorfo. Da mesma forma, o específico estrutura cristalina adoptada por um sólido cristalino depende do material utilizado e de como ele foi formado.

Enquanto muitos objectos comuns, tais como um cubo de gelo ou uma moeda, são quimicamente idênticas ao longo de, muitos outros materiais comuns compreendem um número de diferentes substâncias embaladas conjuntamente. Por exemplo, um típico rocha é um agregado de vários diferentes minerais e mineraloides, com nenhuma composição química específica. madeira é um material orgânico natural que consiste principalmente de fibras de celulose embebida numa matriz de compostos orgânicos lignina. Na ciência dos materiais, compósitos de mais de um material constituinte pode ser concebido para ter propriedades desejadas.

Classes de sólidos

As forças entre os átomos de um sólido pode tomar uma variedade de formas. Por exemplo, um cristal de cloreto de sódio (sal comum) é constituído por iónica de sódio e de cloro , que são mantidos juntos por ligações iônicas. Na diamante ou de silício, os átomos compartilham elétrons e forma ligações covalentes. Nos metais, os elétrons são compartilhados em ligação metálica. Alguns sólidos, particularmente a maioria dos compostos orgânicos, são mantidos em conjunto com forças de van der Waals resultantes da polarização da nuvem de carga electrónica em cada molécula. As diferenças entre os tipos de resultado sólido das diferenças entre a sua ligação.

Metais

O auge do New York de Chrysler Building, o edifício mais alto do tijolo-suportado de aço do mundo, é revestida com aço inoxidável.

Metais normalmente são condutores fortes, densas, e bons de ambos e electricidade calor. A maior parte dos elementos da tabela periódica , aqueles à esquerda de uma linha diagonal desenhada de boro para polônio , são os metais. Misturas de dois ou mais elementos em que o principal componente é um metal são conhecidos como ligas.

As pessoas têm vindo a utilizar metais para uma variedade de propósitos, desde os tempos pré-históricos. O e força fiabilidade de metais levou ao seu uso difundido em construção de edifícios e outras estruturas, bem como na maioria dos veículos, muitos aparelhos e ferramentas, canos, sinais de estrada e trilhos de trem. ferro e alumínio são os dois metais estruturais mais comumente usados, e eles também são os metais mais abundantes na Terra crosta . O ferro é mais vulgarmente usado na forma de uma liga, de aço , que contém até 2,1% de carbono , tornando-o muito mais duro do que o ferro puro.

Porque os metais são bons condutores de eletricidade, eles são valiosos em elétricos e aparelhos para a realização de um corrente elétrica através de longas distâncias com pouca perda de energia ou dissipação. Assim, redes de energia elétrica dependem de cabos metálicos para distribuir energia elétrica. Início sistemas elétricos, por exemplo, estão ligados com o cobre por suas propriedades de boa condução e fácil usinabilidade. A alta condutividade térmica da maioria dos metais também os torna úteis para utensílios de fogão de cozinha.

O estudo de metálicos elementos e sua ligas torna-se uma parcela significativa das áreas de química, física, ciência de materiais em estado sólido e engenharia.

Sólidos metálicos são mantidos juntos por uma alta densidade de electrões partilhados, deslocalizados, conhecido como " ligação metálica ". Em um metal, átomos facilmente perder o seu exterior (" valência ") elétrons , formando positivos íons . Os elétrons livres estão espalhados por todo o sólido, que é realizada em conjunto com firmeza pelas interações eletrostáticas entre os íons e da nuvem de elétrons. O grande número de elétrons livres metais dá seus altos valores de condutividade elétrica e térmica. Os elétrons livres também prevenir a transmissão de luz visível, fazendo metais opaco, brilhante e lustrosa.

Mais modelos avançados de propriedades do metal considerar o efeito dos íons núcleos positivos sobre os elétrons deslocalizados. Como a maioria dos metais têm estrutura cristalina, esses iões são geralmente dispostas em uma estrutura periódica. Matematicamente, o potencial de os núcleos de iões pode ser tratado por vários modelos, sendo o mais simples o modelo de elétrons quase livres.

Minerais

Uma coleção de vários minerais.

Minerais são sólidos formados através de vários que ocorrem naturalmente geológicos processos sob altas pressões. Para ser classificado como uma verdadeira mineral, uma substância deve ter um estrutura cristalina com propriedades físicas uniformes em toda. Minerais variam em composição de puros elementos e simples sais de muito complexo silicatos com milhares de formas conhecidas. Em contraste, uma rocha é um agregado de amostra aleatória de minerais e / ou mineraloides, e não tem a composição química específica. A grande maioria das rochas da crosta terrestre consistem de quartzo (SiO 2 cristalino), feldspato, mica, clorito, caulino, calcite, epidote, olivina, augite, hornblenda, magnetita, hematite, limonite e alguns outros minerais. Alguns minerais, como quartzo , mica ou de feldspato são comuns, enquanto outros foram encontrados em apenas alguns locais em todo o mundo. O maior grupo de minerais, de longe, é o silicatos (a maioria das rochas são silicatos ≥95%), que são compostos principalmente de silício e oxigénio , com a adição de iões de alumínio , magnésio , ferro , cálcio e outros metais.

Cerâmica

Si 3 N 4 partes de rolamentos de cerâmica

Sólidos cerâmicos são compostas de compostos inorgânicos, normalmente óxidos de elementos químicos. Eles são quimicamente inertes e, frequentemente, são capazes de resistir a erosão química que ocorre em um ambiente ácido ou cáustico. Cerâmica geralmente pode resistir a altas temperaturas variando de 1.000 a 1600 ° C (1800-3000 ° F). As excepções incluem materiais inorgânicos não óxidos, tais como nitretos, e boretos carbonetos.

Matérias-primas cerâmicas tradicionais incluem argila minerais como caulinita, materiais mais recentes incluem o óxido de alumínio ( alumina ). Os modernos materiais cerâmicos, que são classificados como cerâmicas avançadas, incluem carboneto de silício e carboneto de tungstênio. Ambos são valorizados pela sua resistência à abrasão, e, portanto, encontrar utilização em aplicações tais como as placas de desgaste de equipamentos de trituração em operações de mineração.

A maior parte dos materiais cerâmicos, tais como alumina e seus compostos, estão formado a partir de pós finos, produzindo um grão fino policristalino microestrutura que é preenchido com Centros de dispersão de luz comparável à comprimento de onda da luz visível . Assim, eles são geralmente materiais opacos, por oposição a materiais transparentes. Nanoescala recentes (por exemplo, sol-gel) tecnologia tem, no entanto, tornou possível a produção de policristalino cerâmicas transparentes, como os compostos de alumina e alumina transparentes para aplicações tais como lasers de alta potência. Cerâmicas avançadas também são utilizados nas indústrias de medicina, elétricos e eletrônicos.

Engenharia cerâmica é a ciência e tecnologia de criação de estado sólido de cerâmica materiais, peças e dispositivos. Isto é feito quer pela acção do calor, ou, a temperaturas inferiores, utilizando-se reacções de precipitação a partir de soluções químicas. O termo inclui a purificação de matérias-primas, o estudo e produção dos compostos químicos em causa, a sua formação em componentes, e o estudo da sua estrutura, composição e propriedades.

Mecanicamente falando, materiais cerâmicos são frágeis, duro, forte em compressão e fraco em ruptura e tensão. Materiais frágeis podem apresentar significativa resistência à tração por suportar uma carga estática. Dureza indica a quantidade de energia que um material pode absorver antes de falha mecânica, enquanto resistência à fractura (denotado K Ic) descreve a capacidade de um material com inerente defeitos microestruturais para resistir fratura através do crescimento de crack e propagação. Se um material tem um grande valor de tenacidade à fratura, os princípios básicos da mecânica da fratura sugerem que ele provavelmente irá sofrer fratura dúctil. Fratura frágil é muito característico da maioria e cerâmica materiais vitrocerâmicos que normalmente apresentam valores baixos (e inconsistentes) de K Ic.

Por exemplo dos pedidos de cerâmica, a dureza extrema de O zircónio é utilizado na fabricação de lâminas de faca, bem como outras ferramentas de corte industrial. Cerâmicas, tais como alumina , carboneto de boro e carboneto de silício, têm sido usados em coletes à prova de balas para repelir grande calibre tiros de rifle. Peças de nitreto de silício são usados em rolamentos de esferas de cerâmica, onde a sua elevada dureza os torna resistente ao desgaste. Em geral, a cerâmica são também quimicamente resistente e pode ser usado em ambientes húmidos, onde os rolamentos de aço possa ser susceptível à oxidação (ou ferrugem).

Como outro exemplo de aplicações cerâmicas, no início de 1980, Toyota pesquisado produção de um motor de cerâmica com uma adiabática temperatura de operação de mais de 6000 ° F (3300 ° C). Motores cerâmicos não necessitam de um sistema de arrefecimento e, consequentemente, permitir uma maior redução de peso e, por conseguinte, uma maior eficiência energética. Num motor convencional metálico, a maior parte da energia libertada a partir do combustível deve ser dissipada como perder calor, a fim de evitar o colapso das partes metálicas. O trabalho também está sendo feito no desenvolvimento de peças de cerâmica para turbina a gás motores. Motores de turbinas feitas com cerâmica poderiam operar de forma mais eficiente, dando maior alcance e aviões de carga para uma determinada quantidade de combustível. No entanto, tais motores não estão em produção porque a fabricação de peças de cerâmica na precisão e durabilidade suficiente é difícil e caro. Os métodos de processamento, muitas vezes resultar em uma ampla distribuição de defeitos microscópicos que frequentemente desempenham um papel prejudicial no processo de sinterização, resultando na proliferação de fissuras, e falha mecânica final.

Vitrocerâmicos

Um cooktop alta resistência vidro-cerâmica com insignificante expansão térmica.

Materiais de vidro e de cerâmica compartilham muitas propriedades, com ambos os vidros não-cristalinos e cristalino cerâmica. Eles são formados como um copo, e, em seguida, parcialmente cristalizado por tratamento com calor, produzindo ambos e amorfo fases cristalinas, de modo que os grãos cristalinos são incorporados dentro de uma fase intergranular não cristalino.

Vitrocerâmicos são usados para fazer utensílios de cozinha (originalmente conhecido pelo nome de marca Corning) e fogões de mesa, que têm tanto elevada resistência à choque térmico e extremamente baixa permeabilidade aos líquidos. O negativo coeficiente de expansão térmica da fase cristalina de cerâmica pode ser equilibrada com o coeficiente positivo da fase vítrea. Em um certo ponto (~ 70% cristalino) o vidro cerâmico tem um coeficiente de expansão térmica líquido próximo de zero. Este tipo de exposições de cerâmica vítrea excelentes propriedades mecânicas e pode sustentar repetidas e temperatura rápido muda até 1000 ° C.

Cerâmicas de vidro também pode ocorrer naturalmente quando raio atinge o cristalino (por exemplo, quartzo) grãos encontrados na maioria praia de areia . Neste caso, o calor extremo e imediato do relâmpago (~ 2500 ° C), cria estruturas rootlike ramificação ocos chamados fulgurite via fusão.

Sólidos orgânicos

As fibras de polpa de madeira individuais desta amostra são cerca de 10 um de diâmetro.

A química orgânica estuda a estrutura, propriedades, composição, reacções, e a preparação por síntese (ou outros meios) de compostos químicos de carbono e hidrogénio , que pode conter qualquer número de outros elementos tais como azoto , oxigénio e os átomos de halogénio: flúor , cloro , bromo e iodo . Alguns compostos orgânicos também pode conter elementos do fósforo ou enxofre . Exemplos de orgânicos sólidos incluem a madeira, cera de parafina, naftaleno e uma vasta variedade de polímeros e plásticos.

Madeira

Madeira é um material orgânico natural que consiste principalmente de fibras de celulose embebida numa matriz de lignina. No que diz respeito propriedades mecânicas, as fibras são fortes na tensão e a matriz de lenhina resiste à compressão. Assim, a madeira tem sido um importante material de construção desde que os humanos começaram a construir abrigos e usando barcos. Madeira a ser usada para o trabalho de construção é vulgarmente conhecido como madeira serrada ou madeira. Em construção, madeira não só é um material estrutural, mas também é utilizado para formar o molde para concreto.

Materiais à base de madeira, também são amplamente utilizadas para a embalagem (por exemplo, de papelão) e papel que são ambos criados a partir da polpa refinada. Os processos de produção de pasta química usam uma combinação de ácidos (sulfito) produtos químicos de alta temperatura e alcalina (kraft) ou para quebrar as ligações químicas da lignina antes de queimá-lo.

Polímeros

STM imagem de auto-montagem cadeias supramoleculares do semicondutor orgânica Quinacridone em grafite.

Uma propriedade importante de carbono em química orgânica é que ele pode formar certos compostos, as moléculas individuais de que são capazes de ligar-se um ao outro, formando assim uma cadeia ou uma rede. O processo é chamado de polimerização e as cadeias ou redes de polímeros, enquanto que o composto de origem for um monómero. Dois grupos principais de polímeros existem: os fabricados artificialmente são referidos como polímeros industriais ou de polímeros sintéticos (plásticos) e aqueles que ocorrem naturalmente como biopolímeros.

Os monómeros pode ter vários substituintes químicos, ou grupos funcionais, que podem afectar as propriedades químicas de compostos orgânicos, tais como a solubilidade e a reactividade química, assim como as propriedades físicas, tais como a dureza, densidade, resistência à tracção ou mecânica, resistência à abrasão, ao calor resistência, transparência, cor, etc .. Em proteínas, essas diferenças dar o polímero a capacidade de adoptar uma conformação biologicamente ativa em detrimento de outros (ver self-assembly).

Utensílios domésticos feitos de vários tipos de plástico.

As pessoas têm vindo a utilizar polímeros orgânicos naturais durante séculos sob a forma de ceras e goma-laca, que está classificado como um polímero termoplástico. Um polímero planta chamada celulose desde que a resistência à tracção para as fibras naturais e cordas, e por a borracha natural início do século 19 foi em uso generalizado. Polímeros são as matérias-primas (resinas) usado para fazer o que comumente chamamos plásticos. Os plásticos são o produto final, criado após um ou mais polímeros ou aditivos foram adicionados a uma resina durante o processamento, o qual é então moldado numa forma final. Polímeros que estiveram ao redor, e que estão em uso comum, incluem-base de carbono polietileno, polipropileno, cloreto de polivinilo, poliestireno , nylons, poliésteres, acrílicos, poliuretano, e policarbonatos, e silício baseados em silicones. Plásticos são geralmente classificados como "mercadoria", "especialidade" e plásticos "engenharia".

Os materiais compósitos

Simulação do lado de fora do Space Shuttle como ele aquece a mais de 1500 ° C durante a reentrada
Um pano de tecido fibra de carbono filamentos, um elemento comum no materiais compósitos

Os materiais compósitos contêm duas ou mais fases macroscópicas, uma das quais é frequentemente cerâmica. Por exemplo, uma matriz contínua, e uma fase dispersa de partículas ou fibras de cerâmica.

Aplicações de materiais compósitos variam de elementos estruturais, tais como concreto reforçado com aço, para as peças termicamente isolantes que desempenham um papel fundamental e integral na NASA Space Shuttle sistema de proteção térmica que é usado para proteger a superfície da nave do calor da reentrada na atmosfera da Terra. Um exemplo é Reforçado carbono-carbono (RCC), o material cinza claro que resiste a temperaturas de reentrada até 1510 ° C (2750 ° F) e protege a tampa nariz e bordos de ataque das asas do vaivém espacial. É um RCC material composto laminado feito a partir de grafite pano rayon e impregnado com um resina fenólica. Após a cura a temperatura elevada numa autoclave, o laminado é pirolizado para converter a resina de carbono, impregnada com álcool furfurílico numa câmara de vácuo, e curados / pirolizado para converter o álcool furfurílico para carbono. A fim de proporcionar resistência à oxidação para a capacidade de reutilização, as camadas externas do RCC são convertidos em carboneto de silício.

Exemplos domésticos de compósitos pode ser visto nas tripas "plástico" de aparelhos de televisão, telefones celulares e assim por diante. Estes invólucros de plástico são normalmente um compósito constituído por uma matriz termoplástica, tal como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), em que o carbonato de cálcio de giz, talco , fibras de vidro ou fibras de carbono foram adicionados para a força, a granel, ou dispersão de electro-estática. Estas adições podem ser referidas como fibras de reforço, ou dispersantes, dependendo da sua finalidade.

Assim, o material de matriz rodeia e suporta os materiais de reforço, mantendo as suas posições relativas. Os reforços de conferir as suas propriedades mecânicas e físicas especiais para melhorar as propriedades da matriz. A sinergia produz propriedades do material indisponíveis a partir dos materiais constituintes individuais, enquanto a grande variedade de matriz e materiais de reforço fornece o designer com a escolha de uma combinação ótima.

Semiconductors

Chip semicondutor no substrato de silício cristalino.

Semicondutores são materiais que possuem uma resistividade eléctrica (condutividade e) entre a de condutores metálicos e não-metálicos isolantes. Eles podem ser encontrados na tabela periódica movendo para a direita na diagonal para baixo a partir de boro . Eles separar os condutores eléctricos (ou metais, para a esquerda) a partir dos isoladores (para a direita).

Dispositivos feitos de materiais semicondutores são a base da eletrônica moderna, incluindo rádio, computadores, telefones, etc. aparelhos de semicondutores incluem o transistor, células solares, diodos e circuitos integrados . Os painéis solares fotovoltaicos são dispositivos semicondutores que convertem grandes diretamente luz em energia elétrica.

Em um condutor metálico, a corrente é transportada pelo fluxo de electrões ", mas em semicondutores, a corrente pode ser realizada quer por electrões ou pela carga positiva" buracos "no estrutura de banda eletrônica do material. Materiais semicondutores comuns incluem silício, germânio e arsenieto de gálio.

Nanomateriais

Silício em massa (esquerda) e nanopowder silício (à direita)

Muitos sólidos tradicionais apresentam propriedades diferentes quando eles encolher para tamanhos nanômetros. Por exemplo, as nanopartículas de ouro geralmente amarelo e cinza silício são de cor vermelha; nanopartículas de ouro derreter a temperaturas muito mais baixas (~ 300 ° C durante 2,5 nm de tamanho) do que as placas de ouro (1064 ° C); e nanofios metálicos são muito mais fortes do que os metais granel correspondentes. A elevada área superficial de nanopartículas torna extremamente atractivo para certas aplicações no campo de energia. Por exemplo, os metais de platina pode ser proporcionar melhorias como combustível para automóveis catalisadores , bem como membrana de troca de prótons (PEM) as células de combustível. Além disso, os óxidos cerâmicos (ou cermets) de lantânio , cério , manganês e níquel estão agora a ser desenvolvido como células de combustível de óxido sólido (SOFC). Lítio, lítio-titanato e tântalo nanopartículas estão sendo aplicadas em baterias de íon de lítio. Nanopartículas de silício têm sido mostrados para expandir dramaticamente a capacidade de armazenamento de baterias de iões de lítio durante o ciclo de expansão / contracção. Silicon nanofios ciclo sem degradação significativa e apresentar o potencial para uso em baterias com tempos de armazenamento maiores ainda. Nanopartículas de silício também estão sendo usados em novas formas de células de energia solar. Deposição de filmes finos de silício pontos quânticos no substrato de silício policristalino de um fotovoltaicos (solares) célula aumenta tensão de saída, tanto quanto 60% por fluorescentes a luz recebida antes da captura. Aqui novamente, a área de superfície das nanopartículas (e filmes finos) desempenha um papel crítico em maximizar a quantidade de radiação absorvida.

Biomateriais

Colágeno fibras do tecido osso

Muitos materiais naturais (ou biológicos) são compostos complexos com notáveis propriedades mecânicas. Estas estruturas complexas, que subiram de centenas de milhões de anos de evolução, são os cientistas de materiais de inspiração na concepção de novos materiais. Suas características definidoras incluem hierarquia estrutural, a multifuncionalidade ea capacidade de auto-cura. A auto-organização é também uma característica fundamental de muitos materiais biológicos e do modo pelo qual as estruturas são montados a partir do nível molecular acima. Assim, auto-montagem está emergindo como uma nova estratégia na síntese química de biomateriais de alto desempenho.

Propriedades físicas

As propriedades físicas dos elementos e compostos que fornecem provas conclusivas de composição química incluem o odor, a cor, o volume, a densidade (massa por unidade de volume), ponto de fusão, ponto de ebulição, a capacidade de calor, forma física e forma à temperatura ambiente (sólido, líquido ou gasoso ; cúbicos, cristais trigonais, etc.), a dureza, porosidade, índice de refração e muitos outros. Esta seção discute algumas propriedades físicas dos materiais no estado sólido.

Mecânico

Granite formação de rocha no Chile Patagonia. Como a maioria dos inorgânicos minerais formados pela oxidação na atmosfera da Terra, consiste principalmente de granito cristalino sílica SiO2 e de alumina Al 2 O 3.

As propriedades mecânicas dos materiais de descrever as características, tais como a sua a força e resistência à deformação. Por exemplo, as vigas de aço são usados na construção por causa da sua elevada resistência, o que significa que eles não quebrar ou dobrar significativamente sob a carga aplicada.

Propriedades mecânicas incluem e elasticidade plasticidade, resistência à tracção, força compressiva, resistência ao cisalhamento, tenacidade à fratura, ductilidade (baixo em materiais frágeis), e de dureza. Mecânica de sólidos é o estudo do comportamento da matéria sólida no âmbito de acções externas, tais como as forças externas e mudanças de temperatura.

Um sólido não apresentam fluxo macroscópica, como fluidos de fazer. Qualquer grau de saída a partir da sua forma original é chamada deformação. A proporção de deformação ao tamanho original é chamado de tensão. Se o aplicado stress é suficientemente baixa, quase todos os materiais sólidos comportar de tal maneira que a tensão é directamente proporcional à tensão ( Lei de Hooke). O coeficiente de a proporção é denominada módulo de elasticidade ou O módulo de Young. Esta região de deformação é conhecido como o região linear elástica. Três modelos podem descrever como um sólido responde a uma tensão aplicada:

  • Elasticidade - Quando uma tensão aplicada é removida, o material retorna ao seu estado não deformado.
  • Viscoelasticidade - Estes são materiais que se comportam elasticamente, mas também têm amortecimento. Quando a tensão aplicada é removida, o trabalho tem de ser feito contra os efeitos de amortecimento e é convertida em calor dentro do material. Isto resulta numa ciclo de histerese na curva de tensão-deformação. Isto implica que a resposta mecânica tem um tempo-dependência.
  • Plasticidade - Materiais que se comportam elasticamente geralmente fazê-lo quando a tensão aplicada é inferior a um valor de rendimento. Quando a tensão é maior do que o limite de elasticidade, o material comporta-se plasticamente e não retornar ao seu estado anterior. Isto é, deformação plástica irreversível (ou fluxo viscoso) ocorre depois de rendimento, o qual é estável.

Muitos materiais tornam-se mais fraca em altas temperaturas. Materiais que retêm a sua resistência a altas temperaturas, chamadas materiais refractários, são úteis para diversos fins. Por exemplo, vidro-cerâmica tornaram-se extremamente útil para a bancada de cozinha, uma vez que exibem excelentes propriedades mecânicas e podem sustentar repetido e rápida de temperatura altera-se a 1000 ° C. Na indústria aeroespacial, materiais de alto desempenho utilizados no design de aeronaves e / ou exteriores da nave espacial deve ter uma alta resistência ao choque térmico. Assim, as fibras sintéticas ficou fora de polímeros orgânicos e polímeros / materiais compostos / metal cerâmicos e polímeros reforçados com fibras já estão sendo projetados com este objetivo em mente.

Térmico

Modos normais de vibração atômica em um sólido cristalino.

Porque tem sólidos energia térmica, os seus átomos vibram sobre posições médias fixos dentro da estrutura ordenada (ou desordenada). O espectro de vibrações da rede em uma rede cristalina ou vítrea fornece a base para o teoria cinética dos sólidos. Este movimento ocorre ao nível atómico, e, portanto, não pode ser observado ou detectado sem equipamento altamente especializado, tais como os utilizados em espectroscopia .

Propriedades térmicas de sólidos incluem condutividade térmica, que é a propriedade de um material que indica a sua capacidade de conduzir calor. Sólidos também têm um capacidade específica de calor, que é a capacidade de um material para armazenar energia na forma de calor (ou vibrações da rede térmicas).

Elétrico

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Vídeo de levitação supercondutora de YBCO

Propriedades elétricas incluem condutividade, resistência, impedância e capacitância . Condutores elétricos, tais como metais e ligas são contrastados com isoladores elétricos tais como vidros e cerâmica. Semiconductors comportar algures no meio. Considerando condutividade em metais é causada por elétrons, ambos os elétrons e buracos contribuir para a atual em semicondutores. Alternativamente, os íons apoiar corrente elétrica em condutores iônicos.

Muitos materiais exibem também supercondutividade a temperaturas baixas; eles incluem elementos metálicos, tais como alumínio, estanho e várias ligas metálicas, alguns semicondutores fortemente dopada, e certas cerâmicas. A resistividade eléctrica da maioria (metálicos) condutores eléctricos, geralmente diminui gradualmente à medida que a temperatura é reduzida, mas continua a ser limitado. Em um supercondutor no entanto, a resistência cai abruptamente para zero, quando o material é arrefecido abaixo da sua temperatura crítica. Uma corrente elétrica fluindo em um loop de fio supercondutor pode persistir indefinidamente com nenhuma fonte de energia.

A dieléctrica ou isolante eléctrica, é uma substância que é altamente resistente ao fluxo de corrente eléctrica. Um dieléctrico, tal como o plástico, tende a concentrar-se um campo eléctrico aplicado dentro de si, que propriedade é usada em capacitores. A capacitor é um dispositivo elétrico que pode armazenar energia no campo elétrico entre um par de condutores espaçados (chamados de 'placas'). Quando a tensão é aplicada ao condensador, cargas eléctricas de igual magnitude, mas de polaridade oposta, acumular-se em cada placa. Condensadores são utilizados em circuitos eléctricos, como dispositivos de armazenamento de energia, bem como em filtros electrónicos para diferenciar entre os sinais de alta frequência e de baixa frequência.

Electro-mecânica

Piezeletricidade é a capacidade de cristais para gerar uma tensão em resposta a uma tensão mecânica aplicada. O efeito piezoeléctrico é reversível, em que os cristais piezoeléctricos, quando sujeito a uma tensão aplicada externamente, pode mudar de forma por uma pequena quantidade. Materiais poliméricos como borracha, lã, pêlos, fibras de madeira, seda e muitas vezes se comportam como eletretos. Por exemplo, o polímero fluoreto de polivinilideno (PVDF) exibe uma resposta piezoeléctrico várias vezes maior do que o quartzo material piezoeléctrico tradicional (cristalino SiO2). A deformação (~ 0,1%) presta-se a aplicações técnicas úteis, tais como fontes de alta tensão, alto-falantes, lasers, bem como químicos, biológicos, e sensores óptico-acústico e / ou transdutores.

Ótico

Os materiais podem transmitir (vidro, por exemplo) ou refletir (por exemplo, metais) luz visível.

Muitos materiais irá transmitir alguns comprimentos de onda enquanto bloqueiam outras. Por exemplo, vidro de janela é transparente para luz visível, mas muito menos para a maioria das frequências de radiação ultravioleta luz que causam queimaduras solares. Esta propriedade é usada para filtros ópticos de frequência selectiva, que podem alterar a cor da luz incidente.

Para alguns propósitos, as propriedades ópticas e mecânicas de um material pode ser de interesse. Por exemplo, os sensores de um homing infravermelho ("heat-seeking") míssil deve ser protegido por uma tampa que é transparente para radiação infravermelha. O material atual de escolha para cúpulas de mísseis guiados por infravermelho de alta velocidade é um único cristal safira. A transmissão óptica de safira não realmente estender para cobrir toda a gama de infravermelho médio (3-5 mm), mas começa a cair em comprimentos de onda maiores do que cerca de 4,5 | iM à temperatura ambiente. Enquanto a força de safira é melhor do que a de outros disponíveis Médios materiais infravermelha cúpula à temperatura ambiente, ela enfraquece acima de 600 ° C. A longa data trade-off existente entre passa banda óptica e durabilidade mecânica; novos materiais, tais como cerâmicas transparentes ou nanocompósitos óptica pode fornecer um melhor desempenho.

Transmissão de ondas luminosas guiada envolve o campo de fibra óptica e a capacidade de certos vidros para transmitir, em simultâneo e com baixa perda de intensidade, uma gama de frequências (guias de onda ópticas multi-modo) com pouca interferência entre eles. Guias de onda ópticas são utilizadas como componentes em circuitos integrados ópticos ou como meio de transmissão, em sistemas de comunicação óptica.

Opto-eletrônicos

Uma célula solar ou fotovoltaica célula é um dispositivo que converte a energia da luz em energia eléctrica. Fundamentalmente, o dispositivo deve cumprir apenas duas funções: foto-geração de portadores de carga (elétrons e buracos) em um material absorvente de luz e separação dos portadores de carga para um contacto condutor que vai transmitir a energia (simplesmente, transportando elétrons off através de um contato de metal em um circuito externo). Esta conversão é denominado efeito fotoelétrico, e no domínio da investigação relacionada com células solares é conhecida como a energia fotovoltaica.

As células solares têm muitas aplicações. Eles têm sido muito utilizados em situações em que a energia elétrica da rede não está disponível, como em sistemas de energia área remota, satélites e sondas espaciais, calculadoras portáteis, relógios de pulso, radiotelephones remotos e aplicações de bombeamento de água em órbita da Terra. Mais recentemente, eles estão começando a ser utilizado em montagens de módulos solares fotovoltaicos (matrizes) ligados à rede eléctrica através de um inversor, que é não agir como uma única oferta, mas como uma fonte de eletricidade adicional.

Todas as células solares necessitam de um material de absorção de luz contida dentro da estrutura de pilha para absorver fotões e electrões através gerar o efeito fotovoltaico. Os materiais utilizados em células solares tendem a ter a propriedade de absorver preferencialmente comprimentos de onda da luz solar que alcançam a superfície da terra. No entanto, algumas células solares são otimizados para a absorção de luz para além da atmosfera da Terra também.

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