Wie in jedem Material werden die Eigenschaften von Keramiken durch die Art der vorhandenen Atome, die Art der Bindung zwischen den Atomen und die Art und Weise, wie die Atome zusammengepackt sind, bestimmt
In Keramiken gibt es zwei Arten von Bindungen: ionische und kovalente. Die Ionenbindung erfolgt zwischen einem Metall und einem Nichtmetall, also zwei Elementen mit sehr unterschiedlicher Elektronegativität. Elektronegativität ist die Fähigkeit des Kerns in einem Atom, alle Elektronen innerhalb des Atoms selbst anzuziehen und zurückzuhalten, und hängt von der Anzahl der Elektronen und dem Abstand der Elektronen in den äußeren Schalen vom Kern ab.In einer ionischen Bindung überträgt eines der Atome (das Metall) Elektronen auf das andere Atom (das Nichtmetall) und wird so positiv geladen (Kation), während das Nichtmetall negativ geladen wird (Anion). Die beiden Ionen mit entgegengesetzten Ladungen ziehen sich mit einer starken elektrostatischen Kraft an.Die kovalente Bindung erfolgt stattdessen zwischen zwei Nichtmetallen, mit anderen Worten zwei Atomen, die eine ähnliche Elektronegativität aufweisen, und beinhaltet die gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren zwischen den beiden Atomen.Obwohl beide Arten von Bindungen zwischen Atomen in keramischen Materialien auftreten, ist in den meisten von ihnen (insbesondere den Oxiden) die ionische Bindung vorherrschend.
Es gibt zwei andere Arten von atomaren Bindungen: metallische und die Van der Waals. Im ersten Fall sind die Metallkationen von Elektronen umgeben, die sich frei zwischen Atomen bewegen können. Metallische Bindungen sind nicht so stark wie ionische und kovalente Bindungen. Metallische Bindungen sind für die Haupteigenschaften von Metallen verantwortlich, wie z. B. die Duktilität, bei der das Metall leicht gebogen oder gedehnt werden kann, ohne zu brechen, wodurch es zu Draht gezogen werden kann. Die freie Bewegung von Elektronen erklärt auch, warum Metalle dazu neigen, Strom- und Wärmeleiter zu sein.Van-der-Waals-Bindungen bestehen aus schwachen elektrostatischen Kräften zwischen Atomen, die eine permanente oder induzierte Polarisation aufweisen. Ein Beispiel für die Van-der-Waal-Bindung ist die Wasserstoffbindung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die für viele Eigenschaften von Wasser verantwortlich ist.
In Polymeren gibt es kovalente Bindungen zwischen den Atomen des Polymers, aber die polymeren Makromoleküle (oder Ketten) werden durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Von allen vier Arten von Anleihen ist Van der Waals die schwächste. Aus diesem Grund sind Polymere sehr elastisch (z. B. ein Gummiband), können leicht geschmolzen werden und haben eine geringe Festigkeit.Die ionischen und kovalenten Bindungen von Keramiken sind für viele einzigartige Eigenschaften dieser Materialien verantwortlich, wie hohe Härte, hohe Schmelzpunkte, geringe Wärmeausdehnung und gute chemische Beständigkeit, aber auch für einige unerwünschte Eigenschaften, vor allem die Sprödigkeit, die zu Brüchen führt, es sei denn, das Material wird durch Verstärkungsmittel oder auf andere Weise gehärtet.
Die Eigenschaften von Keramiken hängen jedoch auch von ihrer Mikrostruktur ab. Keramiken sind definitionsgemäß natürliche oder synthetische anorganische, nichtmetallische, polykristalline Materialien. Manchmal werden sogar monokristalline Materialien wie Diamant und Saphir fälschlicherweise unter den Begriff Keramik eingeschlossen. Polykristalline Materialien werden durch mehrere Kristallkörner gebildet, die während des Herstellungsprozesses miteinander verbunden sind, während monokristalline Materialien als ein dreidimensionaler Kristall gezüchtet werden. Herstellungsverfahren von polykristallinen Materialien sind im Vergleich zu Einkristallen relativ kostengünstig. Aufgrund dieser Unterschiede (z., mehrere Kristalle mit verschiedenen Orientierungen, Vorhandensein von Korngrenzen, Herstellungsverfahren), polykristalline Materialien sollten wirklich nicht mit Einkristallen verwechselt werden und sollten die einzigen sein, die unter die Definition von Keramik fallen. Die Eigenschaften und die Verarbeitung von Keramiken werden weitgehend durch ihre Korngrößen und -formen beeinflusst, und Eigenschaften wie Dichte, Härte, mechanische Festigkeit und optische Eigenschaften korrelieren stark mit der Mikrostruktur des Sinterstücks.
Andererseits besteht Glas aus anorganischen, nichtmetallischen Materialien mit einer amorphen Struktur. Amorphe Struktur bedeutet, dass Atome nicht nach einer geordneten, sich wiederholenden Anordnung wie in Kristallen organisiert sind. Glaskeramiken bestehen aus kleinen Körnern, die von einer Glasphase umgeben sind, und haben Eigenschaften zwischen denen von Glas und Keramik.
Die folgende Tabelle enthält eine Zusammenfassung der Haupteigenschaften von Keramik und Glas. Dies sind typische Eigenschaften. Tatsächlich können die Eigenschaften von Keramik und Glas auf spezifische Anwendungen zugeschnitten werden, indem die Zusammensetzung geändert wird, einschließlich der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Metallen und Polymeren, und indem Verarbeitungsparameter geändert werden.
