단단한
Solid| 시리즈의 일부 |
| 연속체 역학 |
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| 응집 물질 물리학 |
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| 단계 · 상전이 · QCP |
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고체는 물질의 네 가지 기본 상태 중 하나입니다(다른 것은 액체, 가스, 플라즈마).고체 속의 분자들은 촘촘히 채워져 있고 가장 적은 양의 운동 에너지를 포함하고 있다.고체는 구조적 강성과 표면에 가해지는 힘에 대한 저항을 특징으로 한다.액체와는 달리, 고체 물체는 용기의 형태를 띠기 위해 흐르지 않으며 기체처럼 사용 가능한 전체 부피를 채우기 위해 팽창하지도 않습니다.고체의 원자는 규칙적인 기하학적 격자(금속과 일반 얼음을 포함하는 결정성 고체) 또는 불규칙한(일반적인 창문 유리창과 같은 비정질 고체.고체는 적은 압력으로 압축될 수 없는 반면, 가스는 기체 내의 분자가 느슨하게 채워져 있기 때문에 적은 압력으로 압축될 수 있습니다.
고체를 다루는 물리학 분야는 고체 물리학이라고 불리며 응축 물질 물리학의 주요 분야이다.재료과학은 주로 고체의 물리적, 화학적 특성에 관한 것이다.고체 화학은 특히 식별과 화학 조성의 과학뿐만 아니라 새로운 물질의 합성과 관련이 있다.
현미경적 설명
고체를 구성하는 원자, 분자 또는 이온은 규칙적인 반복 패턴으로 배열되거나 불규칙적으로 배열될 수 있습니다.성분이 규칙적인 패턴으로 배열된 재료를 크리스털이라고 합니다.경우에 따라서는 다이아몬드와 같이 각 다이아몬드가 단일 결정인 대규모에서도 규칙적인 순서가 중단되지 않고 지속될 수 있습니다.보고 다룰 수 있을 만큼 충분히 큰 고체 물체는 단결정으로 구성되는 경우는 드물지만, 대신 크기가 수 나노미터에서 수 미터까지 다양할 수 있는 결정체로 알려진 많은 수의 단결정으로 이루어져 있다.이런 물질들은 다결정이라고 불린다.거의 모든 일반적인 금속과 많은 세라믹은 다결정이다.
다른 물질에서는 원자의 위치에 장기 순서가 없습니다.이러한 고체는 비정질 고체로 알려져 있는데, 폴리스티렌과 유리가 그 예입니다.
고체가 결정성인지 비정질인지는 관련된 물질과 고체가 형성된 조건에 따라 달라집니다.느린 냉각에 의해 형성된 고형물은 결정성인 반면 급속 냉동된 고형물은 비정질일 가능성이 높다.마찬가지로 결정성 고체에 의해 채택된 특정 결정 구조는 관련된 물질과 어떻게 형성되었는지에 따라 달라집니다.
얼음 입방체나 동전과 같은 많은 일반적인 물체들이 화학적으로 동일하지만, 다른 많은 일반적인 물질들은 함께 채워진 많은 다른 물질들로 구성되어 있다.예를 들어, 전형적인 암석은 특정한 화학조성이 없는 몇 가지 다른 광물과 미네랄로이드의 집합체이다.목재는 주로 유기 리그닌 매트릭스에 내장된 셀룰로오스 섬유로 구성된 천연 유기 재료입니다.재료 과학에서, 둘 이상의 구성 재료로 이루어진 복합 재료는 원하는 특성을 가지도록 설계될 수 있습니다.
솔리드 클래스
고체에서 원자 사이의 힘은 다양한 형태를 취할 수 있다.예를 들어 염화나트륨(일반 소금)의 결정은 이온 결합에 의해 [1]결합되는 이온 나트륨과 염소로 구성되어 있습니다.다이아몬드나 실리콘에서[2] 원자는 전자를 공유하며 공유 [3]결합을 형성한다.금속에서 전자는 금속 [4]결합에서 공유된다.일부 고체, 특히 대부분의 유기 화합물은 각 분자의 전하 구름 편광으로 인한 반데르발스 힘과 함께 고정됩니다.솔리드 유형 간의 차이는 접합 간의 차이로 인해 발생합니다.
금속
금속은 일반적으로 전기와 [5][6]열 모두에 강하고 밀도가 높으며 우수한 전도체입니다.주기율표에서 붕소에서 폴로늄으로 그려진 대각선 왼쪽에 있는 원소의 대부분은 금속이다.주성분이 금속인 두 개 이상의 원소의 혼합물을 합금이라고 한다.
사람들은 선사시대부터 금속을 다양한 용도로 사용해 왔다.금속의 강도와 신뢰성은 건물과 다른 구조물, 그리고 대부분의 차량, 많은 기구와 도구, 파이프, 도로 표지판 및 철도 선로 건설에 널리 사용되도록 만들었습니다.철과 알루미늄은 가장 일반적으로 사용되는 구조용 금속입니다.그것들은 또한 지구의 지각에서 가장 풍부한 금속입니다.철은 가장 일반적으로 합금, 강철 형태로 사용되며, 강철은 최대 2.1%의 탄소를 함유하고 있어 순수한 철보다 훨씬 단단합니다.
금속은 전기 전도체이기 때문에 에너지 손실이나 방산이 거의 없는 상태에서 전기 기기 및 장거리 전류 전달에 매우 유용합니다.따라서 전력망은 배전을 위해 금속 케이블에 의존합니다.예를 들어 가정용 전기 시스템은 전도성이 우수하고 기계가공성이 용이하기 때문에 구리로 배선되어 있습니다.대부분의 금속은 높은 열전도율을 가지고 있기 때문에 스토브톱 조리기구에도 유용합니다.
금속 원소와 그 합금에 대한 연구는 고체 화학, 물리학, 재료 과학 및 공학 분야의 중요한 부분을 차지합니다.
금속 고체는 "금속 결합"으로 알려진 고밀도 공유, 비국재화 전자에 의해 함께 고정됩니다.금속에서 원자는 가장 바깥쪽에 있는 "원자가" 전자를 쉽게 잃어 양이온을 형성합니다.자유 전자는 이온과 전자 [7]구름 사이의 정전기적 상호작용에 의해 단단하게 결합되는 고체 전체에 퍼져 있습니다.많은 수의 자유 전자는 금속에 높은 전기 및 열 전도율을 제공합니다.자유 전자는 가시광선의 투과도 막아 금속을 불투명하고 반짝이며 광택이 나게 합니다.
금속 성질에 대한 보다 진보된 모델에서는 국소화되지 않은 전자에 대한 양이온 코어의 영향을 고려합니다.대부분의 금속은 결정 구조를 가지고 있기 때문에, 그 이온들은 보통 주기적인 격자로 배열된다.수학적으로 이온 코어의 전위는 다양한 모델에 의해 처리될 수 있으며, 가장 간단한 것은 거의 자유로운 전자 모델입니다.
광물
광물은 고압에서 다양한 지질[8] 과정을 통해 자연적으로 생성되는 고체이다.진짜 광물로 분류되기 위해서는 물질이 전체적으로 균일한 물리적 성질을 가진 결정 구조를 가져야 한다.광물은 순수한 원소와 단순한 소금에서부터 수천 가지의 알려진 형태를 가진 매우 복잡한 규산염까지 다양하다.이와는 대조적으로 암석 샘플은 광물 및/또는 미네랄로이드의 무작위 집합체이며 특정 화학조성을 가지지 않는다.지구2 지각의 대부분의 암석은 석영, 장석, 운모, 염소산염, 카올린, 칼라이트, 표피, 감람석, 호른블렌드, 자철석, 헤마타이트, 리모나이트 그리고 몇몇 다른 광물들로 구성되어 있습니다.석영, 운모, 장석과 같은 일부 광물은 흔하지만, 다른 광물은 전 세계적으로 몇 군데에서만 발견되고 있다.지금까지 가장 큰 광물군은 규산염(대부분의 암석은 95% 이하의 규산염)으로, 주로 실리콘과 산소로 이루어져 있으며 알루미늄, 마그네슘, 철, 칼슘 및 기타 금속이 첨가되어 있습니다.
세라믹스
세라믹 고형물은 무기 화합물, 보통 화학 [9]원소의 산화물로 구성됩니다.화학적으로 불활성이며 산성 또는 가성 환경에서 발생하는 화학적 침식을 견딜 수 있는 경우가 많습니다.세라믹은 일반적으로 1000~1600°C(1800~3000°F)의 고온에도 견딜 수 있습니다.예외적으로 질화물, 붕화물 및 탄화물과 같은 비산화물 무기 물질이 포함됩니다.
전통적인 세라믹 원료에는 카올리나이트와 같은 점토 광물이 포함되며, 보다 최근의 재료에는 산화 알루미늄(알루미나)이 포함됩니다.최신 세라믹 재료는 고급 세라믹으로 분류되며 탄화규소와 탄화텅스텐이 포함됩니다.둘 다 내마모성으로 평가되기 때문에 채굴 작업에서 파쇄 장비의 마모판과 같은 용도로 사용됩니다.
알루미나 및 그 화합물과 같은 대부분의 세라믹 재료는 미세한 분말에서 형성되며 가시광선의 파장에 버금가는 빛의 산란 중심으로 채워진 미세한 다결정 미세 구조를 생성합니다.따라서 투명 재료와 달리 일반적으로 불투명한 재료입니다.그러나 최근의 나노스케일(예: sol-gel) 기술은 고출력 레이저와 같은 응용 분야를 위한 투명 알루미나 및 알루미나 화합물과 같은 다결정 투명 세라믹스의 생산을 가능하게 했다.첨단 세라믹은 의학, 전기, 전자 산업에도 사용된다.
세라믹 엔지니어링은 고체 세라믹 재료, 부품 및 소자를 만드는 과학기술입니다.이는 열의 작용에 의해 수행되거나 낮은 온도에서 화학 용액의 침전 반응을 사용하여 수행됩니다.원료의 정제, 해당 화합물의 연구 및 생산, 구성 요소로의 형성, 구조, 구성 및 특성에 대한 연구를 포함한다.
기계적으로 말하면 세라믹 재료는 부서지기 쉽고 단단하며 압축력이 강하고 전단 및 장력이 약합니다.메짐성 재료는 정적 하중을 지지함으로써 상당한 인장 강도를 나타낼 수 있습니다.인성은 기계적 고장 전에 재료가 흡수할 수 있는 에너지의 양을 나타내며, 파괴 인성(표시Ic K)은 균열 성장과 전파를 통해 파괴에 저항하는 고유의 미세 구조 결함을 가진 재료의 능력을 나타냅니다.재료가 파괴 인성 값이 큰 경우, 파괴 역학의 기본 원리에 따르면 연성 파괴를 겪을 가능성이 높다.메짐성 파괴는 일반적으로 낮은(그리고 일관되지 않은) K 값을 보이는 대부분의 세라믹 및 유리 세라믹 재료에서 매우Ic 특징적입니다.
세라믹의 응용 예로서 지르코니아의 극경도를 칼날 및 기타 공업용 절삭공구 제조에 이용한다.알루미나, 탄화붕소, 탄화규소 등의 세라믹이 방탄조끼에 사용되어 대구경 소총 사격을 격퇴해 왔다.질화규소 부품은 세라믹 볼 베어링에 사용되며, 높은 경도로 인해 마모에 강합니다.일반적으로 세라믹은 내화학성이 있으며 강철 베어링이 산화(또는 녹)되기 쉬운 습한 환경에서 사용할 수 있습니다.
세라믹 응용의 또 다른 예로, 1980년대 초에 도요타는 작동 온도가 3,000°F(3,300°C) 이상인 단열 세라믹 엔진의 생산을 연구했습니다.세라믹 엔진은 냉각 시스템이 필요하지 않으므로 상당한 중량 감소가 가능하므로 연비가 향상됩니다.기존의 금속 엔진에서는 금속 부품의 용융을 방지하기 위해 연료에서 방출되는 에너지의 대부분을 폐열로 방출해야 합니다.가스터빈 엔진용 세라믹 부품 개발 작업도 진행되고 있다.세라믹으로 만든 터빈 엔진은 항공기에 일정량의 연료에 대해 더 넓은 항속거리 및 적재량을 제공하면서 보다 효율적으로 작동할 수 있었다.그러나 세라믹 부품을 충분한 정밀도와 내구성으로 제조하는 것은 어렵고 비용이 많이 들기 때문에 이러한 엔진은 생산되지 않는다.가공방법은 종종 소결공정에서 해로운 역할을 하는 미세한 결함의 광범위한 분포를 초래하여 균열이 확산되고 궁극적인 기계적 고장을 일으킨다.
유리 세라믹스
유리 세라믹 재료는 비결정성 유리 및 결정성 세라믹스와 많은 특성을 공유합니다.이들은 유리로 형성되고 열처리에 의해 부분적으로 결정화되어 비정질 및 결정상을 모두 생성하며 결정성 입자가 비결정성 입상 내에 내장됩니다.
유리 세라믹은 열충격에 대한 내성과 액체에 대한 투과성이 매우 낮은 조리용구(원래 CorningWare 브랜드로 알려져 있음)와 스토브를 만드는 데 사용됩니다.결정성 세라믹 상의 열팽창 계수는 유리 상태의 양의 계수와 균형을 이룰 수 있습니다.유리세라믹은 특정 지점(70% 결정)에서 열팽창 계수가 0에 가깝다.이 유형의 유리 세라믹은 기계적 특성이 뛰어나며 최대 1000°C까지 반복적이고 빠른 온도 변화를 지속할 수 있습니다.
유리 세라믹은 또한 대부분의 해변 모래에서 발견되는 결정(예: 석영) 입자에 번개가 칠 때 자연적으로 발생할 수 있습니다.이 경우, 번개의 극단적이고 즉각적인 열(약 2,500 °C)은 융접을 통해 풀구라이트라고 불리는 속이 빈 가지 모양의 뿌리 모양의 구조를 만듭니다.
유기 고형물
유기화학은 질소, 산소, 할로겐과 같은 다른 원소들, 즉 불소, 염소, 브롬과 요오드를 포함할 수 있는 탄소와 수소의 화합물들의 구조, 특성, 구성, 반응, 그리고 제조를 연구합니다.일부 유기 화합물은 인이나 유황 원소를 포함할 수도 있다.유기 고형물의 예로는 목재, 파라핀 왁스, 나프탈렌 및 다양한 폴리머와 플라스틱이 있다.
나무
목재는 주로 리그닌 매트릭스에 내장된 셀룰로오스 섬유로 구성된 천연 유기 재료입니다.역학적 성질에 관해서는 섬유는 장력이 강하고 리그닌 매트릭스는 압축에 강하다.그러므로 목재는 인간이 피난처를 만들고 배를 사용하기 시작한 이래로 중요한 건축자재가 되어왔다.건설 작업에 사용되는 목재는 일반적으로 목재 또는 목재로 알려져 있다.건축에서 목재는 구조 재료일 뿐만 아니라 콘크리트 주형을 형성하는 데도 사용됩니다.
목재 기반 재료는 포장(예: 골판지) 및 종이에도 광범위하게 사용되며, 둘 다 정제된 펄프로 만들어집니다.화학적 펄핑 과정은 고온과 알칼리성(크래프트) 또는 산성(황산) 화학 물질의 조합을 사용하여 리그닌을 연소시키기 전에 화학 결합을 파괴합니다.
폴리머
유기화학에서 탄소의 한 가지 중요한 특성은 탄소가 특정 화합물을 형성할 수 있다는 것입니다. 각각의 분자는 서로 결합할 수 있고, 그 결과 사슬이나 네트워크를 형성할 수 있습니다.이 과정은 중합과 사슬 또는 네트워크 폴리머라고 불리는 반면, 소스 화합물은 단량체이다.두 가지 주요 폴리머 그룹이 존재합니다: 인공적으로 제조된 폴리머는 산업용 폴리머 또는 합성 폴리머(플라스틱)라고 불리며 자연적으로 발생하는 폴리머는 생물 폴리머라고 불립니다.
단량체에는 다양한 화학 치환기 또는 기능성 그룹이 있을 수 있으며, 이는 용해성 및 화학 반응성과 같은 유기 화합물의 화학적 특성과 경도, 밀도, 기계적 강도 또는 인장 강도, 내마모성, 내열성, 투명성, 색채 등과 같은 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.단백질에서, 이러한 차이는 폴리머가 다른 것보다 우선하여 생물학적으로 활성화된 배열을 채택할 수 있는 능력을 제공한다(자기 조립 참조).
사람들은 열가소성 폴리머로 분류되는 왁스와 셸락의 형태로 수 세기 동안 천연 유기 폴리머를 사용해 왔다.셀룰로오스라는 식물성 폴리머는 천연 섬유와 로프에 인장 강도를 제공했고, 19세기 초에는 천연 고무가 널리 사용되었습니다.폴리머는 흔히 플라스틱이라고 불리는 것을 만드는 데 사용되는 원료입니다.플라스틱은 가공 과정에서 수지에 하나 이상의 폴리머 또는 첨가제를 첨가한 후 만들어진 최종 제품이며, 최종 형태로 형성됩니다.현재 널리 사용되고 있는 고분자에는 탄소계 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스틸렌, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 실리콘계 실리콘 등이 있습니다.플라스틱은 일반적으로 "일반", "전문" 및 "공학" 플라스틱으로 분류됩니다.
복합 재료
복합 재료는 두 개 이상의 거시적 위상을 포함하며, 그 중 하나는 종종 세라믹입니다.예를 들어 연속 매트릭스 및 세라믹 입자 또는 섬유의 분산상입니다.
복합 재료의 적용 범위는 강철 강화 콘크리트와 같은 구조 요소에서 NASA의 우주왕복선 열 보호 시스템에서 핵심적이고 필수적인 역할을 하는 단열 타일에 이르기까지 다양합니다. 이 타일은 우주왕복선의 표면을 지구 대기권 재진입 열로부터 보호하는 데 사용됩니다.예를 들어, 최대 1510°C(2750°F)의 재진입 온도를 견디고 Space Shuttle 날개의 노즈 캡과 앞쪽 모서리를 보호하는 RCC(강화탄소-탄소)가 있습니다.RCC는 흑연 레이온 천으로 페놀 수지를 함침시킨 적층 복합 재료입니다.오토클레이브에서 고온 경화 후 적층체를 화쇄하여 수지를 카본으로 변환하고 진공챔버 내에 플루프랄알코올을 함침하여 경화/파쇄하여 플루프랄알코올을 카본으로 변환한다.재사용 능력을 위한 내산화성을 제공하기 위해 RCC의 외층을 탄화규소로 변환한다.
합성 재료의 국내 예는 텔레비전, 휴대폰 등의 "플라스틱" 케이스에서 볼 수 있다.이러한 플라스틱 케이스는 일반적으로 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 열가소성 플라스틱 매트릭스로 구성되며, 여기에 탄산칼슘 분필, 탈크, 유리섬유 또는 탄소섬유가 첨가되어 강도, 벌크 또는 정전 분산됩니다.이러한 첨가물은 용도에 따라 강화섬유 또는 분산제라고 할 수 있다.
따라서 매트릭스 재료는 철근 재료의 상대적인 위치를 유지하여 철근 재료를 둘러싸고 지지한다.보강군은 매트릭스 특성을 강화하기 위해 특별한 기계적 및 물리적 특성을 부여합니다.시너지 효과는 개별 구성 재료에서 사용할 수 없는 재료 특성을 생성하는 반면, 광범위한 매트릭스 및 강화 재료는 설계자에게 최적의 조합을 선택할 수 있게 합니다.
반도체
반도체는 금속 도체와 비금속 절연체 사이에 전기 저항률(및 전도율)을 가진 물질입니다.그것들은 붕소에서 대각선으로 아래로 이동하는 주기율표에서 발견될 수 있다.절연체(오른쪽)에서 전기 도체(왼쪽 금속)를 분리합니다.
반도체 재료로 만들어진 소자는 라디오, 컴퓨터, 전화 등을 포함한 현대 전자제품의 기반이다.반도체 소자는 트랜지스터, 태양전지, 다이오드 및 집적회로를 포함한다.태양광 발전 패널은 빛을 직접 전기에너지로 변환하는 대형 반도체 장치이다.
금속도체에서는 전자의 흐름에 의해 전류가 흐르지만 반도체에서는 전자 또는 재료의 전자 밴드 구조에서 양전하를 띤 '구멍'에 의해 전류가 흐를 수 있다.일반적인 반도체 재료에는 실리콘, 게르마늄 및 갈륨 비소가 포함됩니다.
나노 물질
많은 전통적인 고형물은 나노미터 크기로 축소될 때 다른 특성을 보인다.예를 들어, 보통 황금과 회색 실리콘의 나노 입자는 빨간색이고, 금 나노 입자는 금 슬래브(1064°C)[10]보다 훨씬 낮은 온도(2.5nm 크기의 경우 300°C)에서 녹으며, 금속 나노 입자는 대응하는 [11][12]벌크 금속보다 훨씬 강합니다.나노 입자의 표면적이 높기 때문에 에너지 분야에서의 특정 용도에 매우 매력적입니다.예를 들어, 백금 금속은 자동차 연료 촉매뿐만 아니라 양성자 교환막(PEM) 연료 전지로도 개선될 수 있습니다.또한 랜턴, 세륨, 망간 및 니켈의 세라믹 산화물(또는 서멧)이 고체 산화물 연료 전지(SOFC)로 개발되고 있습니다.리튬이온전지에는 리튬, 티탄산리튬, 탄탈 나노입자가 적용되고 있다.실리콘 나노 입자는 팽창/수축 주기 동안 리튬 이온 배터리의 저장 용량을 획기적으로 확장하는 것으로 나타났습니다.실리콘 나노와이어는 큰 열화 없이 순환하며 저장 시간이 크게 연장된 배터리에서 사용할 수 있는 가능성을 제시합니다.실리콘 나노 입자는 또한 새로운 형태의 태양 에너지 전지에 사용되고 있다.태양광 셀의 다결정 실리콘 기판상에 실리콘 양자 닷의 박막 증착은 포착 전에 입사광을 형광 처리함으로써 전압 출력을 60%까지 증가시킨다.여기서도 나노입자(및 박막)의 표면적은 흡수된 방사선의 양을 최대화하는 데 중요한 역할을 한다.
생체 재료
많은 천연(또는 생물학적) 재료는 놀라운 기계적 특성을 가진 복잡한 복합 재료입니다.수억 년의 진화로부터 생겨난 이 복잡한 구조들은 재료 과학자들에게 새로운 재료의 디자인에 영감을 주고 있습니다.이들의 특징에는 구조적 계층 구조, 다기능성 및 자가 치유 능력이 포함됩니다.자기 조직화는 또한 많은 생물학적 물질과 구조가 분자 레벨에서 위로 조립되는 방법의 근본적인 특징이다.따라서 자가조립은 고성능 생체물질의 화학합성에서 새로운 전략으로 떠오르고 있다.
물리 속성
화학적 조성의 결정적인 증거를 제공하는 원소 및 화합물의 물리적 특성에는 냄새, 색상, 부피, 밀도(단위 부피당 질량), 녹는점, 비등점, 열용량, 상온에서의 물리적 형태 및 형상(고체, 액체 또는 기체, 입방체, 삼각 결정 등), 경도, 다공도, 굴절률 등이 포함된다.그리고 다른 많은 것들도.이 섹션에서는 솔리드 상태의 재료의 몇 가지 물리적 특성에 대해 설명합니다.
기계
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재료의 기계적 특성은 재료의 강도 및 변형에 대한 저항성과 같은 특성을 나타냅니다.예를 들어 강철 빔은 강도가 높기 때문에 건설에 사용됩니다. 즉, 강철 빔은 가해지는 하중에서도 크게 부러지거나 구부러지지 않습니다.
기계적 특성에는 탄성 및 가소성, 인장 강도, 압축 강도, 전단 강도, 파괴 인성, 연성(취약성 재료에서 낮음) 및 압입 경도가 포함됩니다.고체역학은 외력이나 온도변화와 같은 외부작용에 의한 고체물질의 거동을 연구하는 학문이다.
고체는 유체처럼 거시적인 흐름을 보이지 않습니다.원형을 이탈하는 정도를 변형이라고 합니다.원래 크기에 대한 변형 비율을 변형률이라고 합니다.가해진 응력이 충분히 낮으면 거의 모든 고체 물질은 응력에 변형률이 정비례하도록 동작합니다(Hooke의 법칙).비율의 계수를 탄성 계수 또는 영 계수라고 합니다.이 변형 영역을 선형 탄성 영역이라고 합니다.세 가지 모델로 고체가 가해진 응력에 어떻게 반응하는지를 설명할 수 있습니다.
- 탄력성 – 가해진 응력이 제거되면 재료는 변형되지 않은 상태로 돌아갑니다.
- 점탄성 – 탄성적으로 동작하지만 댐핑이 있는 재료입니다.가해진 응력이 제거되면 댐핑 효과에 대한 작업이 수행되어야 하며 재료 내에서 열로 변환됩니다.그 결과 응력-변형 곡선에서 이력 루프가 발생합니다.이는 기계적 응답이 시간 의존성을 갖는다는 것을 의미합니다.
- 가소성 – 일반적으로 탄성적으로 작용하는 재료는 가해지는 응력이 항복 값보다 작을 때 탄성 작용을 합니다.응력이 항복 응력보다 크면 재료는 가소성을 띠며 이전 상태로 돌아가지 않습니다.즉, 영구적인 수율 후에 비가역적 소성 변형(또는 점성 흐름)이 발생합니다.
많은 물질들이 고온에서 약해진다.고온에서 강도를 유지하는 내화재라고 불리는 재료는 여러 가지 용도로 유용합니다.예를 들어, 유리 세라믹은 뛰어난 기계적 특성을 보이며 1000°C까지 반복적이고 빠른 온도 변화를 지속할 수 있기 때문에 카운터톱 요리에 매우 유용하게 사용되고 있습니다.항공우주 산업에서 항공기 및/또는 우주선 외부 설계에 사용되는 고성능 재료는 열 충격에 대한 높은 내성을 가져야 합니다.따라서 유기 고분자 및 폴리머/세라믹/금속 복합재료에서 방적된 합성섬유와 섬유강화 폴리머가 이러한 목적을 염두에 두고 설계되고 있다.
온도
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고체의 원자는 열에너지가 있기 때문에 질서 있는(또는 무질서한) 격자 내에서 고정된 평균 위치에서 진동합니다.결정성 또는 유리성 네트워크에서 격자 진동의 스펙트럼은 고체의 운동 이론의 기초를 제공합니다.이 움직임은 원자 수준에서 발생하므로 분광학에서 사용되는 것과 같은 고도로 전문화된 장비 없이는 관측되거나 검출될 수 없다.
고체의 열적 특성에는 열전도성이 포함됩니다. 열전도성은 열전도성을 나타내는 물질의 특성입니다.고체에는 열(또는 열 격자 진동) 형태로 에너지를 저장하는 물질의 용량인 특정 열 용량도 있습니다.
전기
전기적 특성에는 전도율, 저항, 임피던스 및 캐패시턴스가 포함됩니다.금속 및 합금과 같은 전기 도체는 유리 및 세라믹과 같은 전기 절연체와 대조됩니다.반도체는 그 중간쯤에서 동작합니다.금속의 전도성은 전자에 의해 발생하는 반면, 전자와 구멍은 모두 반도체의 전류에 기여합니다.또는 이온은 이온 도체의 전류를 지지한다.
또한 많은 재료는 저온에서 초전도성을 보입니다. 주석 및 알루미늄과 같은 금속 원소, 다양한 금속 합금, 일부 도프된 반도체 및 특정 세라믹을 포함합니다.대부분의 전기(금속) 도체의 전기 저항률은 일반적으로 온도가 낮아짐에 따라 점차 감소하지만 유한한 상태를 유지합니다.그러나 초전도체에서는 물질이 임계 온도 이하로 냉각되면 저항이 갑자기 0으로 떨어집니다.초전도선의 루프를 흐르는 전류는 전원 없이 무한히 지속될 수 있다.
유전체 또는 전기 절연체는 전류의 흐름에 강한 저항성을 가진 물질이다.플라스틱과 같은 유전체는 그 안에 인가된 전계를 집중시키는 경향이 있으며, 이 특성은 콘덴서에 사용됩니다.콘덴서는 한 쌍의 촘촘한 도체('플레이트'라고 함) 사이의 전기장에 에너지를 저장할 수 있는 전기 장치입니다.콘덴서에 전압이 인가되면 각 플레이트에 같은 크기의 전하가 축적되지만 극성은 반대입니다.캐패시터는 에너지 저장 장치로 전기 회로에 사용되며 고주파 신호와 저주파 신호를 구별하는 전자 필터에도 사용됩니다.
전기 기계
압전기는 가해진 기계적 응력에 반응하여 전압을 생성하는 결정의 능력입니다.압전효과는 외부전압에 의해 압전결정이 소량 변형될 수 있다는 점에서 가역적입니다.고무, 울, 헤어, 목재 섬유, 실크 같은 폴리머 재료는 종종 일렉트렛 역할을 한다.예를 들어 폴리머 폴리불화비닐리덴(PVDF)은 기존의 압전재료 석영(결정 SiO2)보다 몇 배 큰 압전 응답을 나타낸다.변형(~0.1%)은 화학적, 생물학적, 음향 광학 센서 및/또는 변환기뿐만 아니라 고전압 소스, 확성기, 레이저와 같은 유용한 기술 애플리케이션에 적합합니다.
옵티컬
물질은 가시광선을 투과(예: 유리)하거나 반사(예: 금속)할 수 있다.
많은 물질들이 파장을 전달하고 다른 파장은 차단합니다.예를 들어, 유리창은 가시광선에는 투명하지만 햇볕에 타는 대부분의 자외선 주파수에는 훨씬 덜하다.이 특성은 입사광의 색상을 변경할 수 있는 주파수 선택 광학 필터에 사용됩니다.
어떤 목적에서는 소재의 광학 및 기계적 특성이 모두 관심사가 될 수 있다.예를 들어 적외선 호밍("열추적") 비산물의 센서는 적외선 방사선에 투명한 커버로 보호되어야 합니다.현재 고속 적외선 유도 미사일 돔의 재료는 단결정 사파이어입니다.사파이어의 광전송은 실제로 중적외선 범위 전체(3~5µm)로 확대되는 것이 아니라 실온에서 약 4.5µm 이상의 파장에서 감소하기 시작합니다.사파이어의 강도는 실온에서 다른 중거리 적외선 돔 재료보다 우수하지만 600°C 이상에서는 약해집니다.광학 밴드 패스와 기계적 내구성 사이에는 오랜 시간 동안 트레이드오프가 존재하며, 투명 세라믹스나 광학 나노 컴포지트 등의 신소재가 향상된 성능을 제공할 수 있습니다.
유도광파 전송은 광섬유 분야와 특정 안경이 동시에 낮은 강도 손실과 함께 그들 사이의 간섭이 거의 없는 주파수 범위(멀티 모드 광도파도)를 전송하는 능력을 포함합니다.광도파로는 집적광회로의 부품 또는 광통신 시스템의 전송매체로 사용된다.
광전자
태양 전지 또는 광전지는 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다.기본적으로 이 장치는 광흡수성 물질 내의 전하 캐리어(전자 및 구멍)의 광생성과 전기를 전달하는 도전성 접점(간단히 말하면 금속 접점을 통해 외부 회로로 전자를 운반하는 것)에 대한 전하 캐리어(전자와 구멍)의 분리라는 두 가지 기능만 수행하면 됩니다.이러한 전환은 광전 효과라고 불리며, 태양 전지와 관련된 연구 분야는 광전지로 알려져 있다.
태양 전지는 많은 응용 분야를 가지고 있다.원격 지역 전력 시스템, 지구 궤도 위성 및 우주 탐사선, 핸드헬드 계산기, 손목시계, 원격 무선 전화 및 물 펌핑 애플리케이션 등 그리드의 전력을 이용할 수 없는 상황에서 오랫동안 사용되어 왔습니다.최근에는 인버터를 통해 전력망에 접속되는 태양광 모듈(광전 어레이)의 조립체, 즉 단독 공급이 아닌 추가 전력원으로서 활용되기 시작했다.
모든 태양 전지는 광자를 흡수하고 광전 효과를 통해 전자를 생성하기 위해 세포 구조 내에 포함된 광흡수 물질을 필요로 한다.태양 전지에 사용되는 물질은 지구 표면에 도달하는 태양 빛의 파장을 우선적으로 흡수하는 성질을 가지고 있다.일부 태양 전지는 지구 대기권 밖의 빛 흡수에 최적화되어 있기도 하다.
레퍼런스
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