Solide
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Rhéologie
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Solide est l'un des les quatre états fondamentaux de la matière (les autres étant liquide , gaz et plasma ). Il est caractérisé par une rigidité structurelle et une résistance à des changements de forme ou de volume. Contrairement à un liquide , un objet solide ne se écoule pas à prendre sur la forme de son contenant, ni ne se dilater pour remplir la totalité du volume à sa disposition comme un gaz fait. Les atomes dans un solide sont étroitement liés les uns aux autres, que ce soit dans un réseau géométrique régulière ( solides cristallins , qui comprennent les métaux et ordinaire glace d'eau ) ou irrégulière (un solide tel fenêtre commune amorphe verre ).
La branche de la physique qui traite de solides est appelé Solid-State Physics, et est la branche principale de la physique de la matière condensée (qui comprend aussi les liquides). La science des matériaux est principalement lié à la physique et propriétés chimiques des solides. La chimie du solide est particulièrement préoccupé par la la synthèse de nouveaux matériaux, ainsi que de la science de l'identification et composition chimique.
Description microscopique
Les atomes, des molécules ou des ions qui constituent un solide peuvent être agencés selon un motif répétitif ordonné, ou irrégulière. Matériaux dont les constituants sont disposés suivant un motif régulier sont connus comme des cristaux . Dans certains cas, l'ordre régulier peut continuer sans interruption sur une grande échelle, par exemple diamants , où chaque diamant est un monocristal. Les objets solides qui sont assez grands pour voir et la poignée sont rarement composés d'un seul cristal, mais à la place sont constitués d'un grand nombre de monocristaux, appelés cristallites, dont la taille peut varier de quelques nanomètres à plusieurs mètres. Ces matériaux sont appelés polycristallin. Presque tous les métaux communs, et beaucoup la céramique, sont polycristallin.
En d'autres matériaux, il ne existe pas d'ordre à longue distance dans la position des atomes. Ces solides sont connus comme solides amorphes; exemples comprennent le polystyrène et le verre .
Qu'il se agisse d'un solide cristallin ou amorphe est dépend de la matière en cause, et les conditions dans lesquelles elle a été formée. Les solides qui se forment par refroidissement lent auront tendance à être cristallin, tandis que les solides qui sont congelés rapidement sont plus susceptibles d'être amorphes. De même, le spécifique la structure cristalline adoptée par un solide cristallin dépend du matériau en cause et de la façon dont il a été formé.
Alors que de nombreux objets courants, comme un cube de glace ou une pièce de monnaie, sont chimiquement identiques dans l'ensemble, de nombreux autres matériaux communs comprennent un certain nombre de différentes substances emballés ensemble. Par exemple, un type de roche est un agrégat de plusieurs différents minéraux et mineraloids, sans composition chimique spécifique. bois est un matériau naturel organique composé principalement de fibres cellulosiques noyées dans une matrice organique de lignine. Dans la science des matériaux, des composites de plus d'un matériau constituant peuvent être conçus pour avoir des propriétés souhaitées.
Classes de solides
Les forces entre les atomes dans un solide peuvent prendre diverses formes. Par exemple, un cristal de chlorure de sodium (sel commun) est constitué d' ions sodium et le chlore , qui sont maintenus ensemble par des liaisons ioniques. Dans le diamant ou le silicium, les atomes parts électrons et forme des liaisons covalentes. Dans les métaux, les électrons sont partagés une liaison métallique. Certains solides, en particulier la plupart des composés organiques, sont détenus avec des forces de van der Waals résultant de la polarisation du nuage de charge électronique sur chaque molécule. Les différences entre les types de résultats solides des différences entre leur liaison.
Métaux
Les métaux sont généralement conducteurs fortes, denses et bien des deux électricité et chaleur. La majeure partie des éléments de la classification périodique des éléments , ceux à la gauche de la ligne diagonale tirée de bore à polonium , sont des métaux. Des mélanges de deux ou plusieurs éléments dans lesquels le composant principal est un métal sont connus comme alliages.
Les gens utilisent les métaux pour une variété de fins depuis la préhistoire. Le la force et fiabilité des métaux a conduit à leur large utilisation dans la construction de bâtiments et d'autres structures, ainsi que dans la plupart des véhicules, de nombreux appareils et outils, tuyaux, panneaux de signalisation et des voies ferrées. fer et l'aluminium sont les deux métaux structurelles les plus couramment utilisés, et ils sont également les métaux les plus abondants dans la Terre croûte . Le fer est le plus souvent utilisé sous la forme d'un alliage, l'acier , qui contient jusqu'à 2,1% de carbone , ce qui rend beaucoup plus dur que le fer pur.
Parce que les métaux sont de bons conducteurs d'électricité, ils sont précieux dans électriques et appareils pour porter un courant électrique sur de longues distances avec peu de perte ou la dissipation d'énergie. Ainsi, les réseaux électriques se appuient sur des câbles métalliques pour distribuer de l'électricité. Accueil systèmes électriques, par exemple, sont câblés avec du cuivre pour ses bonnes propriétés conductrices et usinage facile. La haute conductivité thermique de la plupart des métaux rend également utile pour les ustensiles de cuisson sur la cuisinière.
L'étude de métalliques éléments et leur alliages constitue une partie importante des domaines de l'état solide chimie, la physique, la science des matériaux et de l'ingénierie.
Métalliques solides sont maintenues ensemble par une forte densité de partage, des électrons délocalisés, connu sous le nom " collage métallique ". Dans un métal, atomes perdent facilement leur externe (" valence ") électrons , formant positifs ions . Les électrons libres sont répartis sur le solide ensemble, qui se tient ensemble fermement par des interactions électrostatiques entre les ions et le nuage d'électrons. Le grand nombre de donne des électrons libres métaux leurs valeurs élevées de la conductivité électrique et thermique. Les électrons libres empêchent également la transmission de la lumière visible, ce qui rend les métaux opaque, brillant et lustré.
Plus de modèles avancés de propriétés métalliques considèrent l'effet des ions noyaux positifs sur les électrons délocalisés. Comme la plupart des métaux ont une structure cristalline, ces ions sont généralement disposés dans un réseau périodique. Mathématiquement, le potentiel des noyaux d'ions peut être traitée par différents modèles, le plus simple étant le modèle électrons presque libres.
Minéraux
Minéraux solides sont formés à travers divers d'origine naturelle géologiques processus sous des pressions élevées. Pour être classé comme un véritable minérale, une substance doit avoir un structure cristalline avec des propriétés physiques uniformes dans l'ensemble. Minerals vont en composition de purs éléments simples et des sels de très complexe silicates avec des milliers de formes connues. En revanche, une roche échantillon aléatoire est un agrégat de minéraux et / ou mineraloids, et n'a pas de composition chimique spécifique. La grande majorité des roches de la croûte terrestre se composent de quartz (SiO de cristallin 2), feldspath, mica, chlorite, le kaolin, la calcite, épidote, olivine, augite, amphibole, magnétite, hématite, limonite et quelques autres minéraux. Certains minéraux, comme le quartz , mica ou du feldspath sont communes, tandis que d'autres ont été trouvés dans seulement quelques endroits dans le monde. Le plus grand groupe de minéraux est de loin le silicates (la plupart des roches sont ≥95% silicates), qui sont composées principalement de silicium et d'oxygène , avec l'addition d'ions d' aluminium , magnésium , fer , calcium et d'autres métaux.
Céramique
Matières solides en céramique sont composées de composés inorganiques, habituellement des oxydes d'éléments chimiques. Ils sont chimiquement inertes, et sont souvent capables de résister à l'érosion chimique qui se produit dans un environnement acide ou caustique. Céramique peuvent généralement résister à des températures élevées de 1000 à 1600 ° C (1800 à 3000 ° F). Les exceptions incluent des matériaux inorganiques non-oxyde, comme nitrures, et borures carbures.
Matières premières céramiques traditionnelles comprennent argile minéraux tels que la kaolinite, des matériaux plus récents comprennent l'oxyde d'aluminium ( alumine ). Les matériaux céramiques modernes, qui sont classés comme les céramiques avancées, comprennent le carbure de silicium et le carbure de tungstène. Les deux sont appréciés pour leur résistance à l'abrasion, et donc trouver une utilisation dans des applications telles que les plaques d'usure des équipements de concassage dans les opérations minières.
La plupart des matériaux céramiques, comme l'alumine et de ses composés, sont formé à partir de poudres fines, donnant un grain fin polycristallin microstructure qui est rempli avec diffusion de la lumière centres comparable à la longueur d'onde de la lumière visible . Ainsi, ils sont généralement des matériaux opaques, par opposition à matériaux transparents. Nanométrique récente (par exemple, sol-gel) la technologie a, cependant, rendu possible la production de polycristallin céramiques transparentes comme l'alumine et de l'alumine composés transparents pour des applications telles que les lasers de forte puissance. Céramiques avancées sont également utilisés dans les industries médecine, électriques et électroniques.
L'ingénierie Céramique est la science et de la technologie de création à l'état solide matériaux céramiques, pièces et dispositifs. Ceci est réalisé soit par l'action de la chaleur, ou à des températures plus basses, en utilisant réactions de précipitation à partir de solutions chimiques. Le terme comprend la purification de matières premières, l'étude et la production des composés chimiques en question, leur formation en composantes, et l'étude de leur structure, la composition et les propriétés.
Mécaniquement parlant, matériaux céramiques sont fragiles, dur, résistant à la compression et faible en cisaillement et de tension. Matériaux fragiles peuvent présenter significative résistance à la traction en soutenant une charge statique. Ténacité indique combien d'énergie un matériau peut absorber avant la défaillance mécanique, tout en ténacité à la rupture (noté K Ic) décrit la capacité d'un matériau à inhérente défauts microstructuraux de résister fracture par croissance de la fissure et la propagation. Si l'on dispose d'une grande valeur de la ténacité, les principes de base de mécanique de la rupture suggèrent qu'il sera très probablement subir une rupture ductile. La rupture fragile est très caractéristique de la plupart céramique et matériaux en verre-céramique qui présentent généralement de faibles valeurs (et incompatibles) de K Ic.
Par exemple des applications de la céramique, de l'extrême dureté La zircone est utilisée dans la fabrication de lames de couteaux, ainsi que d'autres outils de coupe industrielle. Des céramiques telles que l'alumine , le carbure de bore et le carbure de silicium ont été utilisés dans gilets pare-balles pour repousser de gros calibre feu de fusil. Parties de nitrure de silicium sont utilisées dans des roulements à billes en céramique, où leur grande dureté les rend résistants à l'usure. En général, les céramiques sont également résistantes chimiquement et peuvent être utilisés dans des environnements humides où les roulements en acier seraient sensibles à l'oxydation (rouille).
Comme autre exemple d'application en céramique, au début des années 1980, Toyota a étudié la production d'un moteur adiabatique avec une céramique température de fonctionnement de plus de 6000 ° F (3300 ° C). Moteurs en céramique ne nécessitent pas un système de refroidissement et donc permettent une réduction de poids importante et donc une plus grande efficacité de carburant. Dans un moteur métallique classique, une grande partie de l'énergie libérée par le combustible doivent être dissipées aussi gaspiller la chaleur afin d'éviter un effondrement des parties métalliques. Le travail est également en cours dans le développement de pièces en céramique pour turbine à gaz moteurs. Les moteurs à turbine à base de céramiques pourrait fonctionner plus efficacement, donnant avions plus grande gamme et la charge utile pour un ensemble quantité de carburant. Cependant, de tels moteurs ne sont pas en production, car la fabrication de pièces en céramique dans la précision et la durabilité suffisante est difficile et coûteuse. Les méthodes de transformation donnent souvent lieu à une large distribution de défauts microscopiques qui jouent fréquemment un rôle préjudiciable dans le processus de frittage, ce qui entraîne la prolifération des fissures, et une défaillance mécanique ultime.
Vitrocérame
Matériaux verre-céramique part de nombreuses propriétés avec deux verres non cristallines et cristalline céramiques. Ils sont formés en tant que verre, et puis partiellement cristallisés par traitement à la chaleur, produisant à la fois amorphe et phases cristallines de sorte que les grains cristallins sont intégrés dans une phase non cristalline intergranulaire.
Verre-céramique sont utilisés pour faire des ustensiles de cuisine (à l'origine connu sous le nom de marque CorningWare) et une cuisinière qui ont à la fois une haute résistance à choc thermique et extrêmement faible la perméabilité aux liquides. Le négatif coefficient de dilatation thermique de la phase céramique cristalline peut être équilibré avec le coefficient positif de la phase vitreuse. A un certain moment (~ 70% cristallin) la vitrocéramique a un coefficient de dilatation thermique nette proche de zéro. Ce type d'expositions de verre-céramique excellentes propriétés mécaniques et peut soutenir répétée et la température change rapidement jusqu'à 1000 ° C.
Vitrocérame peuvent également se produire naturellement quand la foudre frappe le (par exemple quartz) grains trouvés dans la plupart plage cristallin sable . Dans ce cas, la chaleur extrême et immédiate de la foudre (~ 2500 ° C) crée creux, ramification de structures appelées rootlike fulgurite via fusion.
Solides organiques
La chimie organique étudie la structure, la composition, la réaction et la préparation par synthèse (ou d'autres moyens) des composés chimiques de carbone et l'hydrogène , qui peut contenir un nombre quelconque d'autres éléments tels que l'azote , l'oxygène et les halogènes: fluor , chlore , le brome et l'iode . Certains composés organiques peuvent également contenir les éléments phosphore ou le soufre . Des exemples de organiques solides comprennent le bois, la cire de paraffine, naphtalène et une grande variété de polymères et plastiques.
Bois
Bois est un matériau naturel organique composé principalement de fibres cellulosiques noyées dans une matrice de lignine. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, les fibres sont solides à la traction, et la matrice de lignine résiste à la compression. Ainsi bois a été un important matériau de construction depuis que les humains ont commencé à construire des abris et l'aide de bateaux. Bois à utiliser pour les travaux de construction qui est communément connu sous le nom bois ou du bois. Dans la construction, le bois ne est pas seulement un matériau de structure, mais est également utilisé pour former le moule pour béton.
Matériaux à base de bois sont également largement utilisés pour l'emballage (carton par exemple) et papier qui sont tous deux créé à partir de la pulpe raffinée. Les procédés de fabrication de pâte chimique utilisent une combinaison de haute température et alcaline (kraft) ou acides (sulfites) produits chimiques pour briser les liaisons chimiques de la lignine avant de le graver sur.
Polymères
Une propriété importante de carbone en chimie organique est qu'il peut former certains composés, les molécules individuelles qui sont capables de se accrocher les unes aux autres, formant ainsi une chaîne ou un réseau. Le processus est appelé polymérisation et les chaînes ou les réseaux de polymères, tandis que le composé servant de source est un monomère. Deux principaux groupes de polymères existent: celles fabriquées artificiellement sont appelés polymères industriels ou des polymères synthétiques (plastiques) et ceux qui se produisent naturellement comme biopolymères.
Les monomères peuvent avoir divers substituants chimiques, ou des groupes fonctionnels, ce qui peut affecter les propriétés chimiques des composés organiques, telles que la solubilité et la réactivité chimique, ainsi que les propriétés physiques, telles que la dureté, la densité, mécanique ou résistance à la traction, résistance à l'abrasion, à la chaleur la résistance, la transparence, la couleur, etc .. Dans les protéines, ces différences donnent le polymère la capacité à adopter une conformation biologiquement active, de préférence à d'autres (voir auto-assemblage).
Les gens ont été en utilisant des polymères organiques naturels pendant des siècles sous la forme de cires et shellac qui est classé comme un polymère thermoplastique. Un polymère de plante nommée cellulose à condition que la résistance à la traction des fibres naturelles et des cordes, et par le caoutchouc début du 19e siècle naturelle était largement utilisé. Les polymères sont des matières premières (les résines) utilisés pour faire ce que nous appelons communément plastiques. Les matières plastiques sont le produit final, créés après une ou plusieurs des polymères ou des additifs ont été ajoutés à une résine au cours du traitement, qui est ensuite façonné en une forme finale. Polymères qui ont été autour, et qui sont largement utilisés en cours, notamment à base de carbone le polyéthylène, le polypropylène, le chlorure de polyvinyle, le polystyrène , nylons, les polyesters, acryliques, polyuréthanne, et des polycarbonates à base de silicium, et silicones. Les plastiques sont généralement classés comme «marchandise», «spécialité» et des plastiques "d'ingénierie".
Les matériaux composites
Les matériaux composites contiennent deux ou plusieurs phases macroscopiques, dont l'un est souvent en céramique. Par exemple, une matrice continue et une phase dispersée de particules de céramique ou des fibres.
Applications de matériaux composites vont à partir d'éléments structurels tels que le béton renforcé d'acier, les tuiles isolantes thermiquement qui jouent un rôle clé et essentiel dans la NASA Navette spatiale système de protection thermique qui est utilisé pour protéger la surface de la navette à partir de la chaleur de la rentrée dans l'atmosphère terrestre. Un exemple est Carbone-carbone renforcé (RCC), le matériau gris clair qui résiste à des températures de rentrée jusqu'à 1510 ° C (2750 ° F) et protège le bouchon de nez et les bords d'attaque des ailes de la navette spatiale. RCC est un matériau composite stratifié fabriqué à partir de graphite tissu rayonne et imprégné d'un résine phénolique. Après durcissement à température élevée dans un autoclave, le stratifié est pyrolyse pour transformer la résine en carbone imprégné de alcool furfurylique dans une chambre à vide, et on durcit / pyrolysé pour convertir l'alcool de furfural de carbone. Afin de fournir la résistance à l'oxydation à la capacité de réutilisation, les couches externes de la RCC sont convertis en carbure de silicium.
Exemples intérieures de composites peut être vu dans les enveloppes «plastiques» de téléviseurs, téléphones cellulaires et ainsi de suite. Ces enveloppes en matière plastique sont généralement un composite constitué d'une matrice thermoplastique telle que l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), dans laquelle le carbonate de calcium craie, talc , fibres de verre ou des fibres de carbone ont été ajoutées pour résistance, en vrac, ou d'une dispersion électrostatique. Ces ajouts peuvent être appelées fibres de renforcement ou des dispersants, en fonction de leur objet.
Ainsi, le matériau de matrice entoure et soutient les matériaux de renfort, en maintenant leurs positions relatives. Les renforts confèrent leurs propriétés mécaniques et physiques particulières pour améliorer les propriétés de la matrice. Une synergie produit propriétés des matériaux non disponibles à partir des matériaux constitutifs individuels, tandis que la grande variété de matrice et matériaux de renforcement fournit au concepteur avec le choix d'une combinaison optimale.
Semi-conducteurs
Semi-conducteurs sont des matériaux qui possèdent une résistivité électrique (et conductivité) entre celle des conducteurs métalliques et des isolants non métalliques. Ils peuvent être trouvés dans le tableau périodique déplaçant vers la droite diagonale vers le bas à partir de bore . Elles séparent les conducteurs électriques (ou métaux, vers la gauche) à partir des isolateurs (à droite).
Dispositifs fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs sont à la base de l'électronique moderne, y compris la radio, les ordinateurs, les téléphones, etc. Dispositifs à semiconducteurs comprennent les transistor, cellules solaires, diodes et circuits intégrés . Panneaux solaires photovoltaïques sont de grands dispositifs semi-conducteurs qui convertissent directement la lumière en énergie électrique.
Dans un conducteur métallique, le courant est transporté par le flux d'électrons », mais dans les semi-conducteurs, le courant peut être effectuée soit par des électrons ou par la charge positive" trous "dans la structure de bande électronique de la matière. Matériaux semi-conducteurs communs incluent le silicium, le germanium et l'arséniure de gallium.
Nanomatériaux
Beaucoup de solides traditionnels présentent des propriétés différentes quand ils rétrécissent aux dimensions nanométriques. Par exemple, des nanoparticules d'or et de silicium habituellement jaune gris sont de couleur rouge; des nanoparticules d'or fondent à des températures beaucoup plus faibles (~ 300 ° C pendant 2,5 nm taille) que les plaques d'or (1064 ° C); et nanofils métalliques sont beaucoup plus forts que les métaux en vrac correspondant. La grande surface de nanoparticules les rend extrêmement attrayante pour certaines applications dans le domaine de l'énergie. Par exemple, les métaux de platine apportent des améliorations peuvent être comme carburant automobile catalyseurs , ainsi que Membrane échangeuse de protons (PEM) des piles à combustible. En outre, les oxydes céramiques (ou cermets) de lanthane , le cérium , le manganèse et le nickel sont en cours d'élaboration comme les piles à combustible à oxyde solide (SOFC). Lithium, titanate de lithium-tantale et des nanoparticules sont appliquées dans les batteries au lithium-ion. des nanoparticules de silicium ont été montrés pour étendre considérablement la capacité de stockage des batteries au lithium-ion au cours du cycle d'expansion / contraction. Silicon nanofils cycle, sans dégradation significative et présenter le potentiel d'utilisation dans les batteries avec des temps de stockage beaucoup plus vastes. Nanoparticules de silicium sont également utilisés dans de nouvelles formes de cellules solaires. Dépôt d'un film mince de silicium les points quantiques sur le substrat d'un photovoltaïques (solaires) augmente cellulaires sortie de tension jusqu'à 60% en fluorescence la lumière entrante avant la capture de silicium polycristallin. Là encore, la surface des nanoparticules (couches minces) et joue un rôle essentiel dans la maximisation de la quantité de rayonnement absorbé.
Biomatériaux
Beaucoup de matériaux naturels (ou biologiques) sont des composites complexes avec des propriétés mécaniques remarquables. Ces structures complexes, qui ont augmenté de plusieurs centaines de millions d'années d'évolution, sont spécialistes des matériaux d'inspiration dans la conception de nouveaux matériaux. Leurs caractéristiques déterminantes comprennent hiérarchie structurelle, la multifonctionnalité et la capacité d'auto-guérison. L'auto-organisation est également une caractéristique fondamentale de nombreux matériaux biologiques et la manière dont les structures sont assemblés depuis le niveau moléculaire jusqu'à. Ainsi, auto-assemblage est en train de devenir une nouvelle stratégie dans la synthèse chimique de biomatériaux de haute performance.
Propriétés physiques
Les propriétés physiques des éléments et composés qui fournissent des preuves concluantes de la composition chimique comprennent une odeur, couleur, volume, densité (masse par unité de volume), point de fusion, point d'ébullition, la capacité thermique, la forme physique et la forme à la température ambiante (solide, liquide ou gazeux ; cubes, cristaux trigonaux, etc.), la dureté, la porosité, indice de réfraction et bien d'autres. Cette section traite des propriétés physiques des matériaux à l'état solide.
Mécanique
Les propriétés mécaniques des matériaux décrivent les caractéristiques telles que leur la force et la résistance à la déformation. Par exemple, des poutres d'acier sont utilisés dans la construction en raison de leur haute résistance, ce qui signifie qu'ils ne se brisent ou de le plier de manière significative sous la charge appliquée.
Les propriétés mécaniques comprennent élasticité et plasticité, résistance à la traction, résistance à la compression, résistance au cisaillement, la ténacité, ductilité (faible en matériaux fragiles), et Indentation. Mécanique des solides est l'étude du comportement de la matière solide dans les actions extérieures telles que les forces externes et les changements de température.
Un solide ne présente pas de flux macroscopique, comme fluides font. Tout degré du départ de sa forme d'origine est appelé déformation. La proportion de la déformation à la taille originale est appelée souche. Si l'application le stress est suffisamment faible, presque toutes les matières solides se comportent d'une manière telle que la déformation est directement proportionnelle à la contrainte ( La loi de Hooke). Le coefficient de la proportion est appelé le module d'élasticité ou Le module de Young. Cette région de déformation est connue comme la région élastique linéaire. Trois modèles peuvent décrire comment un solide répond à une contrainte appliquée:
- Élasticité - Quand une contrainte appliquée est retirée, les rendements matériels à son état non déformé.
- Viscoélasticité - Ce sont des matériaux qui se comportent de manière élastique, mais aussi d'amortissement. Lorsque la contrainte appliquée est retirée, le travail doit être fait à l'encontre des effets d'amortissement et est convertie en chaleur dans le matériau. Il en résulte une boucle d'hystérésis dans la courbe contrainte-déformation. Cela implique que la réponse mécanique a une dépendance temporelle.
- Plasticité - Les matériaux qui se comportent de manière élastique généralement le faire lorsque la contrainte appliquée est inférieure à une valeur de rendement. Lorsque le stress est supérieur à la limite d'élasticité, le matériau se comporte plastiquement et ne retourne pas à son état précédent. Ce est, une déformation plastique irréversible (ou écoulement visqueux) se produit après un rendement qui est permanent.
De nombreux matériaux deviennent plus faibles à des températures élevées. Les matériaux qui conservent leur résistance aux hautes températures, appelés matériaux réfractaires, sont utiles pour de nombreuses fins. Par exemple, verre-céramique sont devenus extrêmement utile pour la cuisson de comptoir, car ils présentent d'excellentes propriétés mécaniques et peut soutenir répétée et la température change rapidement jusqu'à 1000 ° C. Dans l'industrie aérospatiale, les matériaux de haute performance utilisés dans la conception des aéronefs et / ou extérieur de l'engin spatial doivent avoir une haute résistance aux chocs thermiques. Ainsi, les fibres synthétiques filées de polymères organiques et / matériaux composites céramique / métal de polymère et des polymères renforcés par des fibres sont maintenant conçus dans ce but à l'esprit.
Thermique
Étant donné que les solides ont énergie thermique, leurs atomes vibrent sur les positions moyennes fixes dans le réseau ordonné (ou désordre). Le spectre des vibrations du réseau dans un réseau cristallin ou vitreux fournit la fondation pour la théorie cinétique des solides. Ce mouvement se produit à l'échelle atomique, et donc ne peut pas être observé ou détecté sans équipement hautement spécialisé, tel que celui utilisé dans la spectroscopie .
Propriétés thermiques des solides comprennent conductivité thermique, qui est la propriété d'un matériau qui indique sa capacité à conduire la chaleur. Les solides ont aussi une capacité spécifique de chaleur, qui est la capacité d'un matériau à stocker de l'énergie sous forme de chaleur (ou vibrations du réseau thermiques).
Électrique
Propriétés électriques comprennent conductivité, la résistance, et l'impédance de capacité . Conducteurs électriques tels que les métaux et alliages sont contrastées avec des isolateurs électriques tels que les verres et les céramiques. Semi-conducteurs se comportent quelque part entre les deux. Considérant que la conductivité dans les métaux est causée par des électrons, les deux électrons et les trous contribuent à courant dans les semi-conducteurs. Alternativement, les ions soutien du courant électrique dans conducteurs ioniques.
De nombreux matériaux présentent également la supraconductivité à basse température; ils incluent des éléments métalliques tels que l'étain et l'aluminium, divers alliages métalliques, des semi-conducteurs fortement dopés et certaines céramiques. La résistivité électrique (de la plupart des conducteurs électriques métalliques) diminue généralement progressivement à mesure que la température est abaissée, mais reste limitée. Dans un supraconducteur cependant, la résistance chute brutalement à zéro lorsque le matériau est refroidi en dessous de sa température critique. Un courant électrique circulant dans une boucle de fil supraconducteur peut persister indéfiniment sans alimentation électrique.
Un diélectrique ou isolant électrique est une matière qui est très résistant à la circulation du courant électrique. Un diélectrique, tel que du plastique, tend à se concentrer un champ électrique appliqué à l'intérieur de lui-même qui est utilisé dans la propriété condensateurs. Un Condensateur électrique est un dispositif qui permet de stocker l'énergie dans le champ électrique entre une paire de conducteurs étroitement espacés (appelé «plaques»). Lorsqu'une tension est appliquée au condensateur, des charges électriques de même grandeur, mais de polarité opposée, se accumulent sur chaque plaque. Les condensateurs sont utilisés dans des circuits électriques, des dispositifs de stockage d'énergie, ainsi que dans des filtres électroniques pour différencier entre les signaux haute fréquence et basse fréquence.
Électromécanique
La piézoélectricité est la capacité des cristaux pour produire une tension en réponse à une contrainte mécanique appliquée. L'effet piézo-électrique est réversible en ce que les cristaux piézo-électriques, lorsqu'elles sont soumises à une tension appliquée de l'extérieur, peut changer de forme par une petite quantité. Les matériaux polymères comme le caoutchouc, la laine, les cheveux, fibres de bois, et de la soie comportent souvent comme électrets. Par exemple, le polymère le fluorure de polyvinylidène (PVDF) présente une réponse piézo-électrique plusieurs fois plus grande que le matériau piézoélectrique de quartz classique (SiO 2 cristalline). La déformation (~ 0,1%) se prête à des applications techniques utiles telles que les sources à haute tension, haut-parleurs, des lasers, ainsi que chimique, biologique, et des capteurs de acousto-optique et / ou transducteurs.
Optique
Matériaux peuvent transmettre (verre par exemple) ou réfléchir (métaux) de la lumière visible.
De nombreux matériaux transmettent certaines longueurs d'onde tout en bloquant d'autres. Par exemple, le verre de fenêtre est transparente à la lumière visible, mais beaucoup moins pour la plupart des fréquences de l'ultraviolet lumière qui causent les coups de soleil. Cette propriété est utilisée pour les filtres optiques sélectifs en fréquence, qui peuvent modifier la couleur de la lumière incidente.
Pour certaines applications, les propriétés optiques et mécaniques d'un matériau peuvent être d'intérêt. Par exemple, les capteurs sur une autodirecteur infrarouge («chaleur-recherche») missile doit être protégé par un couvercle qui est transparent pour rayonnement infrarouge. Le matériau de choix actuel pour les dômes de missiles à grande vitesse à guidage infrarouge est monocristallin saphir. La transmission optique en saphir ne se étend pas fait pour couvrir la mi-infrarouge toute la gamme (3-5 um), mais commence à déposer à longueurs d'onde supérieures à environ 4,5 um à la température ambiante. Bien que la force de saphir est meilleure que celle d'autres disponibles milieu de gamme infrarouge matériaux de dôme à la température ambiante, elle affaiblit au-dessus de 600 ° C. Une longue date compromis existe entre passe-bande optique et durabilité mécanique; nouveaux matériaux tels que céramiques transparentes ou nanocomposites optiques peuvent fournir une meilleure performance.
Transmission d'onde lumineuse guidée implique le domaine de la fibre optique et la capacité de certains verres pour transmettre, en même temps et avec une faible perte d'intensité, une gamme de fréquences (guides d'ondes optiques multimodes) avec peu d'interférences entre eux. Des guides d'ondes optiques sont utilisés comme composants dans des circuits optiques intégrés ou comme support de transmission dans des systèmes de communication optiques.
Opto-électronique
Cellule solaire ou cellule photovoltaïque est un dispositif qui convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique. Fondamentalement, le dispositif doit remplir que deux fonctions: photo-génération de porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau absorbant la lumière, et la séparation des porteurs de charge à un contact conducteur qui transmet de l'électricité (tout simplement, portant électrons hors tension par un contact métallique dans un circuit externe). Cette conversion est appelée effet photoélectrique, et le champ de la recherche sur les cellules solaires est connu comme le photovoltaïque.
Les cellules solaires ont de nombreuses applications. Ils ont longtemps été utilisés dans des situations où l'alimentation électrique de la grille ne est pas disponible, comme dans les systèmes électriques des régions éloignées, les satellites et les sondes spatiales, calculatrices de poche, montres-bracelets, radiotéléphones à distance et les applications de pompage de l'eau de la Terre en orbite. Plus récemment, ils commencent à être utilisés dans des assemblages de modules solaires (modules photovoltaïques) raccordées au réseau d'électricité à travers un inverseur, ce ne est pas d'agir comme un seul approvisionnement mais comme une source d'électricité supplémentaire.
Toutes les cellules solaires nécessitent un matériau absorbant la lumière contenue dans la structure cellulaire pour absorber les photons et générer des électrons par l'effet photovoltaïque. Les matériaux utilisés dans les cellules solaires ont tendance à avoir la propriété d'absorber préférentiellement les longueurs d'onde de la lumière solaire qui atteignent la surface de la terre. Cependant, certaines cellules solaires sont optimisées pour absorption de la lumière au-delà de l'atmosphère terrestre ainsi.
