金屬的構造

金屬是一種具有光澤(即對可見光強烈反射)、富有延展性、容易導電、傳熱等性質的物質。 金屬的上述特質都跟金屬晶體內含有自由電子有關。在自然界中，極大多數金屬以化合態存在，少數金屬例如金、鉑、銅、鉍以游離態存在。金屬礦物多數是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及矽酸鹽。屬於金屬的物質有金、銀、銅、鐵、錳、鋅等。在一大氣壓及25攝氏度的常溫下，除汞外，其他金屬都是固體。大部分的金屬是銀灰色，只有少數不是，如銅是暗紅色的。由於金屬的電子傾向失去，因此有良好的導電性，但溫度越高時因為受到了原子核的熱震盪阻礙，電阻將會變大。金屬之間的連結是金屬鍵(英文:Metallic bond)，因此隨意更換位置都可再重新建立連結，這也是金屬伸展性良好的原因。金屬元素在化合物中通常只顯正價。
金屬具光澤、富有延展性、容易導電、利於傳熱。 金屬的上述特質都跟金屬晶體內含有自由電子有關。 在金屬晶體中具有中性原子，金屬陽離子與自由電子。自由電子可在整個晶體中自由移動。金屬受外力時，金屬晶體內某一層金屬原子及離子與另一層的金屬原子及離子發生相對滑動，由於自由電子的運動，各層間仍保持著金屬鍵的作用力，此乃金屬延展性良之因。

金屬原子有自由電子
自由電子形成電子海
形成金屬鍵
金屬原子就是以金屬鍵組成金屬

金屬由什麼形成?
一九一六年，科學家 Paul Langevin 將石英晶體應用在水底聲納換能器上，這是壓電材料的首項應用。後來，更多壓電的晶體被發現，例如羅謝爾鹽和電氣石，但是它們的用途始終有所局限，直到在一九四一年發現了鈦酸鋇(BaTiO<sub>3)。鈦酸鋇與其他單晶的材料不同，它是一種多晶陶瓷材料，好處是比較便宜和尺寸較少限制。緊隨的是在一九五四年發現的鈦酸鋯酸鉛(PZT)，它的反應強度和穩定性使它成為現今商業上最常用的壓電材料。直到現在，已知的壓電材料有過百種，陶瓷的有鈦酸鉛(PT)和鈮化鎂鉛(PMN)，聚合物的有氟化聚乙烯(PVDF)及其異分子聚合物氟化三氟聚乙烯[P(VDF-TrFE)]，混合物種的有瓷/聚合物和瓷/玻璃的混合物。


如果一種材料擁有壓電特性，它的結構會變成沒有中心對稱。它會有各向異性的特性，也就是說它的特性會因應測量的方向而有所不同，因此壓電特性是一種各向異性的特性。圖二展示出一種PZT材料，它的晶體結構會因溫度改變而改變。當溫度在居里溫度(T<sub>c)以上，陶瓷的晶胞(unit cell)會是個立方，即是說它是中心對稱的，因此它沒有電偶極矩(electric dipole moment)。但是當溫度在T<sub>c以下，正極的鈦/鋯離子會從它的中央位置移向其他容許的方向，使到晶格變成鈣鈦礦結構(一種非中心對稱的結構)，並產生出一個單軸對稱的電偶極矩。這樣代表了當操作溫度被提昇到接近居里溫度時，壓電效應會穩定地減少，直到到達或高於居里溫度時，壓電效應會完全消失。實際上，最高操作溫度應該維持在該材料的T<sub>c的一半左右，例如PZT-8的T<sub>c是攝氏三百六十度、PVDF的T<sub>c是攝氏一百一十度。


(圖二﹕PZT陶瓷在居里溫度以上及以下的晶體結構)

形狀記憶合金智能材料

形狀記憶合金(SMAs)是一種金屬材料，它們最特別之處是它們變形後，只要將它加熱至“形體改變溫度”(transformation temperature)以上，它們會恢復未變形的形狀，就好像它們是有“記憶”一樣。第一種形狀記憶合金是由鎳和鈦所造的合金，叫做鎳鈦諾(Nitinol)，它是由美國海軍測量實驗室在一九六五年發現的。這種合金可以在變形百分之十後回復原狀，可是超過百分之十以上，它便會進行塑性形變並且不能回復原狀。最新的形狀記憶合金是由銅和鋅加上其他金屬例如鋁所造成的合金。現時形狀記憶合金已經應用在不同的範疇，如用作水底建築的接口和螺旋釘等，因而可避免在水底焊接的麻煩；它也應用在生物醫學儀器上，例如手術夾鉗等。

圖三顯示了形狀記憶效應的原理。基本上形狀回復的原因，是靠材料的固相由馬氏體 (martensite)改變為奧氏體(austenite)。一般來說形狀記憶合金在溫度高於奧氏體溫度T<sub>AF(例如鎳鈦諾的T<sub>AF是攝氏五百到七百度) 下形成，並呈現高序的奧氏體晶體結構。當冷卻到達馬氏體溫度T<sub>MF以下的時候，在沒有應變壓力之下的形狀記憶合金會出現孿馬氏體結構。這時形狀記憶合金會很容易在應力下變形，這是由於孿晶間界(twin boundary)會順著應力的方向擴展出去。之後，只要將變形了的合金加熱，合金內變形了的孿馬氏體結構會變回奧氏體晶體結構，即是說未變形前的奧氏體晶體結構會重新建立，也就是說它會回復原來的形狀。

形狀記憶合金的機制可以是單向進行的，即是當溫度在T<sub>AF以上，它們會變回它們原來的形狀。但是我們也可以令它們變成“完全可逆的”，即是擁有雙向的形狀記憶效果 (也就是說當溫度在T<sub>AF以上時它們會變成之前在T<sub>AF以上的形狀；但當溫度在T<sub>AF以下時它們會變回之前在T<sub>AF以下的形狀)。這種雙向效果的背後原理其實是同一種原理 (兩者都是由於孿晶間界會順著應力的方向擴展出去而變形，只是發生變形時的晶體結構不同而已)，而且結果與本來的微結構是幾乎一樣的。但是一般來說，單向形狀記憶效應會比雙向的有較高的應變力。