固体

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（例如金属及冰），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。固体有三种特性：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。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。不规则排列的固体被称为无定形体，例如聚苯乙烯和玻璃。准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。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。一般而言，金属是电及热的良导体。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）及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。有机化学是研究有机化合物的结构、性质、组成、反应及制备等。有机化合物的主要成分为碳和氢，但也包括氧、氮及卤素（氟、氯、溴、碘），有些有机化合物还含有磷和硫等，有机固体的例子有木材、石蜡、萘及许多的聚合物和塑胶等。木材是像乔木和灌木能够次级生长（英语：Secondary growth）的植物所形成的木质化组织。这些植物在初生生长结束后，根茎中的维管形成层开始活动，向外发展出韧皮，向内发展出木材。木材是维管形成层向内的发展出植物组织的统称，包括木质部和木质线。木材为林业主产物，对于人类生活起着很大的支持作用。根据木材性质的不同，可以用在不同的应用中。聚合物（Polymer）是指具有非常大的分子量的化合物，分子间由结构单位（英语：structural unit）、或单体经由共价键连接在一起。这个字眼（polymer）是出自于希腊字：polys代表的是多，而meros 代表的是小单位（part），所以很多小单位连结在一起的这种特别的分子，我们称之为聚合物。需要更多的信息，可以参考塑胶、DNA和高分子。许多自然界的材料都可以视为复杂的复合材料，而且各自有其特殊的性质。这些材料历经数百万年的演变，许多科学家也从中得到灵感来设计先进材料。生物材料的特徴包括结构层次（structural hierarchy）、多功能性及自我修复（英语：self-healing）的能力。自我组织也是生物材料的基本特性之一，借此才能由分子层次逐渐组合为各种生物材料，自组装也是在进行一些高效能生物材料的化学合成时，逐渐开始使用的方法之一。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。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。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。材料的力学性质是和其材料强度及抵抗变形的能力有关，像许多结构中使用钢梁的原因是因为钢的高强度，在结构中受力时不会断裂，也不会有显著的弯曲。力学性质包括弹性、塑性、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、断裂韧性及延展性（脆性材料的延展性低）及压入硬度。固体力学是研究固体在外在施力及温度变化下的行为。固体和流体不同，不会有宏观的流动现象。固体有一定的形状，若其形状变化，和其原有形状不同，称为形变，形变和原有尺寸的比例称为应变。若材料受到的应力非常小，几乎所有固体都会满足胡克定律，其应变和应力成正比，比例系数为弹性模量或杨氏模量，这类的变形是在线弹性（英语：linearly elastic）的范围内。物体受力时的形变可分为以下的三种：许多材料高温下的强度会下降，防火材料是指高温下仍可维持其强度的材料，可用一些有特殊要求的应用中。例如玻璃陶瓷有优异的力学性质，而且可以承受超过1000 °C的反复性快速温度变化，适用在台面烹饪中。在航太工业中，飞机或太空船外层使用的材料需要可以耐热冲击，因此会使用由有机聚合物纺出的合成纤维，有聚合物/陶瓷/金属的复合材料或是纤维增强塑料（英语：fiber-reinforced polymer）。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。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。有些材料会允许可见光穿透，例如玻璃，有些材料则会反射可见光，例如金属。许多材料会允许一定波长范围的电磁波通过，反射其他波长范围的电磁波。例如窗户的玻璃会设计成可以让可见光穿透，但会反射大部分会造成晒伤的紫外线，此特性可以用来作频率选择的光滤镜，可以调整入射光的颜色。在一些特定的应用时，需同时考虑材料的光学和力学特性。例如红外线导引导弹的感测器需放在一个允许红外线穿透的外壳内，目前会使用单晶蓝宝石作为高速红外线导引导弹的外壳，但无法让整个中红外线（3–5 µm）范围内的红外线都穿透此材料，在室温下若波长约超过4.5 µm，穿透能力就开始下降。虽然在室温下蓝宝石的强度比其他和中红外线的材料会好，但若超过600°C时其强度会变差。因此长期以来都要在光学特性和力学的耐久性上取舍，不过使用透明陶瓷（英语：Transparent ceramics）或光学奈米材料可以减少这类的问题。受导引的光波传输和光纤领域有关，也和玻璃是否可以同时传送多个频率的信号（多模光导）有关，理想情形下光讯号强度维持不变，而信号之间不会有干涉。光导是积体光电子电路的一部分，或是光学通讯系统的传输介质。太阳能电池是可以将光能转换为电能的设备，太阳能电池会利用吸光性材料用光子激发电子和空穴，再让电子和空穴往不同方向移动来传导电流。上述的效应称为光电效应，此一领域称为光电工程。太阳能电池有许多不同的应用，最常见的是用在需要电源，但又无法连接到输电网络的情形，例如地球轨道上的卫星、掌上式计算机、手表、卫星电话或距离很远的打水泵浦。近来也开始将太阳能电池产生的能量透过变频器转换为交流电压，输送到输电网络，太阳能电池不只是一个独立的电源，也可以是输电网络的一部分。所有的太阳能电池都需要在电池结构中有可以吸收光线的材料，用来吸收光子，利用光电效应产生电子。由于太阳光中特定频率范围的光才能穿过大气层，到达地表，太阳能电池中的吸光性材料会选用在可吸收这些频率光子的材料，不过若太阳能电池是放置在大气层外，则需针对大气层的太阳光频率分布来选择太阳能电池的材质。