keramiske strukturer (fortsat)

keramisk glas
keramik med en helt glasagtig struktur har visse egenskaber, der er helt forskellige fra metaller. Husk, at når metal i flydende tilstand afkøles, udfældes et krystallinsk fast stof, når smeltefrysepunktet nås. Men med et glasagtigt materiale, når væsken afkøles, bliver den mere og mere viskøs. Der er ikke noget skarpt smelte-eller frysepunkt. Det går fra væske til et blødt plastfast stof og bliver til sidst hårdt og sprødt. På grund af denne unikke egenskab kan den blæses i former ud over at blive støbt, rullet, tegnet og på anden måde forarbejdet som et metal.

glasagtig opførsel er relateret til materialets atomstruktur. Hvis ren silica (SiO2) smeltes sammen, dannes et glas kaldet glasagtig silica ved afkøling. Den grundlæggende enhedsstruktur i dette glas er silica tetraeder, som er sammensat af et enkelt siliciumatom omgivet af fire lige store iltatomer. Siliciumatomerne optager åbningerne (interstitialer) mellem iltatomerne og deler fire valenselektroner med iltatomerne gennem kovalent binding. Silicaatomet har fire valenselektroner, og hvert af iltatomerne har to valenselektroner, så silica tetrahedronen har fire ekstra valenselektroner til at dele med tilstødende tetrahedral. Silikatstrukturerne kan forbinde sig ved at dele atomerne i to hjørner af SiO2 tetraeder, der danner kæde-eller ringstrukturer. Et netværk af silica tetraedriske kæder dannes, og ved høje temperaturer glider disse kæder let forbi hinanden. Når smelten afkøles, falder termisk vibrationsenergi, og kæderne kan ikke bevæge sig så let, så strukturen bliver mere stiv. Silica er den vigtigste bestanddel af glas, men andre iltstoffer tilsættes for at ændre visse fysiske egenskaber eller for at sænke smeltepunktet.

keramisk krystallinsk eller delvist krystallinsk materiale
De fleste keramik indeholder normalt både metalliske og ikke-metalliske elementer med ioniske eller kovalente bindinger. Derfor er strukturen de metalliske atomer, strukturen af de ikke-metalliske atomer og balancen mellem ladninger produceret af valenselektronerne skal overvejes. Som med metaller bruges enhedscellen til at beskrive keramikens atomstruktur. De kubiske og sekskantede celler er mest almindelige. Derudover spiller forskellen i radier mellem de metalliske og ikke-metalliske ioner en vigtig rolle i arrangementet af enhedscellen.

i metaller førte det regelmæssige arrangement af atomer i tætpakkede planer til forekomsten af glidning under stress, hvilket giver metal deres karakteristiske duktilitet. I keramik er skør brud snarere end glidning almindelig, fordi både arrangementet af atomerne og typen af binding er forskellig. Brud-eller spaltningsplanerne af keramik er resultatet af planer med regelmæssigt arrangerede atomer.

bygningskriterierne for krystalstrukturen er:

• Oprethold neutralitet
• ladningsbalance dikterer kemisk formel
• opnå nærmeste pakning

et par af de forskellige typer keramiske materialer uden for glasfamilien er beskrevet nedenfor.

Silikatkeramik
som tidligere nævnt er silicastrukturen den grundlæggende struktur for mange keramik såvel som glas. Det har et internt arrangement bestående af pyramide (tetraedriske eller firesidede) enheder. Fire store ilt (0) atomer omgiver hvert mindre silicium (Si) atom. Når silica tetraeder deler tre hjørneatomer, producerer de lagdelte silikater (talkum, kaolinit ler, glimmer). Ler er det grundlæggende råmateriale til mange byggeprodukter som mursten og fliser. Når silicatraeder deler fire komeratomer, producerer de rammesilicater (kvarts, tridymit). Kvarts dannes, når tetraeder i dette materiale er arrangeret på en regelmæssig, ordnet måde. Hvis silica i smeltet tilstand afkøles meget langsomt, krystalliserer det ved frysepunktet. Men hvis smeltet silica afkøles hurtigere, er det resulterende faste stof et uordnet arrangement, der er glas.

Cement
Cement (Portland cement) er en af hovedbestanddelene i beton. Der er en række forskellige kvaliteter af cement, men en typisk Portlandcement vil indeholde 19 Til 25% SiO2 , 5 til 9% Al2O3, 60 til 64% CaO og 2 til 4% FeO. Cement fremstilles ved formaling af ler og kalksten i passende forhold, fyring i en ovn og regrinding. Når der tilsættes vand, nedbrydes mineralerne eller kombineres med vand, og en ny fase vokser gennem massen. Reaktionen er opløsning, omkrystallisation og udfældning af en silikatstruktur. Det er normalt vigtigt at kontrollere mængden af vand for at forhindre et overskud, der ikke ville være en del af strukturen og ville svække det. Hydratiseringsvarmen (reaktionsvarme i adsorption af vand) ved indstilling af cementen kan være stor og kan forårsage skade i store strukturer.

Nitridkeramik
nitrider kombinerer keramikens overlegne hårdhed med høj termisk og mekanisk stabilitet, hvilket gør dem velegnede til applikationer som skæreværktøj, slidbestandige dele og strukturelle komponenter ved høje temperaturer. TiN har en kubisk struktur, som måske er den enkleste og mest kendte af strukturtyper. Kationer og anioner ligger begge ved knudepunkterne på separate FCC-gitter. Strukturen er uændret, hvis ti-og N-atomerne (gitter) udskiftes.

ferroelektrisk keramik
afhængig af krystalstrukturen, i nogle krystalgitter, falder centrene for de positive og negative ladninger ikke sammen selv uden anvendelse af eksternt elektrisk felt. I dette tilfælde siges det, at der findes spontan polarisering i krystallen. Når polariseringen af det dielektriske kan ændres af et elektrisk felt, kaldes det ferroelektrisk. En typisk keramisk ferroelektrisk er bariumtitanat, BaTiO3. Ferroelektriske materialer, især polykrystallinsk keramik, er meget lovende for sorter af anvendelsesområder som f.eks. fasediagrammet

Fasediagram
fasediagrammet er vigtigt for at forstå dannelsen og styringen af mikrostrukturen i mikrostrukturen af polyfase keramik, ligesom det er med polyfase metalliske materialer. Også, ikke-ligevægtsstrukturer er endnu mere udbredte i keramik, fordi de mere komplekse krystalstrukturer er sværere at nukleere og vokse fra smelten.

ufuldkommenheder i keramik
ufuldkommenheder i keramiske krystaller inkluderer punktfejl og urenheder som i metaller. Men i keramik defekt dannelse er stærkt påvirket af betingelsen om afgift neutralitet, fordi oprettelsen af områder af ubalancerede afgifter kræver en udgift af en stor mængde energi. I ioniske krystaller resulterer ladningsneutralitet ofte i defekter, der kommer som par ioner med modsat ladning eller flere nærliggende punktfejl, hvor summen af alle ladninger er nul. Charge neutrale defekter omfatter Frenkel og Schottky defekter. En Frenkel-defekt opstår, når et værtsatom bevæger sig ind i en nærliggende interstitiel position for at skabe et ledigt interstitielt par kationer. En Schottky-defekt er et par nærliggende kation og anion ledige stillinger. Schottky-defekt opstår, når et værtsatom forlader sin position og bevæger sig til overfladen og skaber et ledigt par.

nogle gange kan sammensætningen ændre sig lidt for at nå frem til en mere afbalanceret atomladning. Faste stoffer såsom SiO2, som har en veldefineret kemisk formel, kaldes støkiometriske forbindelser. Når sammensætningen af et fast stof afviger fra den kemiske standardformel, siges det resulterende faste stof at være ikke-støkiometrisk. Nonstoichiometri og eksistensen af punktfejl i et fast stof er ofte nært beslægtede. Anion ledige stillinger er kilden til nonstoichiometri i SiO2-h,

introduktion af urenhedsatomer i gitteret er sandsynligvis under forhold, hvor ladningen opretholdes. Dette er tilfældet med elektronegative urenheder, der erstatter en gitteranion eller elektropositive substitutionelle urenheder. Dette er mere sandsynligt for lignende ioniske radier, da dette minimerer den energi, der kræves til gitterforvrængning. Fejl vises, hvis ladningen af urenhederne ikke er afbalanceret.