keraamisilla rakenteilla (jatkoa)

keraamisilla lasisilla
keraamisilla rakenteilla on tiettyjä ominaisuuksia, jotka ovat aivan erilaisia kuin metalleilla. Muista, että kun nestemäisessä tilassa olevaa metallia jäähdytetään, kiteinen kiinteä aine saostuu sulamispisteen saavuttaessa. Lasimaisella materiaalilla neste kuitenkin jäähtyessään muuttuu yhä viskoosisemmaksi. Jyrkkää Sulamis-tai jäätymispistettä ei ole. Se muuttuu nesteestä pehmeäksi muoviseksi kiinteäksi ja muuttuu lopulta kovaksi ja hauraaksi. Tämän ainutlaatuisen ominaisuuden ansiosta se voidaan puhaltaa muotoihin sen lisäksi, että se on valettu, valssattu, vedetty ja muuten käsitelty kuin metalli.

lasimainen käyttäytyminen liittyy materiaalin atomirakenteeseen. Jos puhdasta piidioksidia (SiO2) sulatetaan yhteen, muodostuu jäähtyessä lasiaiseksi kutsuttua piidioksidia. Tämän lasin perusyksikkörakenne on piitetraedri, joka koostuu yhdestä piiatomista, jota ympäröi neljä yhtä kaukana olevaa happiatomia. Piiatomit miehittävät happiatomien väliset aukot (interstitiaalit) ja jakavat neljä valenssielektronia happiatomien kanssa kovalenttisen sidoksen kautta. Piiatomilla on neljä valenssielektronia ja jokaisella happiatomilla on kaksi valenssielektronia, joten piidioksiditetraedrilla on neljä ylimääräistä valenssielektronia jaettavaksi vierekkäisten tetraedrien kanssa. Silikaattirakenteet voivat liittyä toisiinsa jakamalla atomit SiO2-tetraedrien kahteen kulmaan muodostaen ketju-tai rengasrakenteita. Muodostuu piidioksiditetraedriketjujen verkosto, ja korkeissa lämpötiloissa nämä ketjut liukuvat helposti toistensa ohi. Sulan jäähtyessä lämpöenergia vähenee eivätkä ketjut pääse liikkumaan yhtä helposti, jolloin rakenne jäykistyy. Piidioksidi on lasin tärkein ainesosa, mutta siihen lisätään muita oksideja tiettyjen fysikaalisten ominaisuuksien muuttamiseksi tai sulamispisteen alentamiseksi.

keraaminen kiteinen tai osittain kiteinen aine
useimmissa keramiikassa on yleensä sekä metallisia että epämetallisia alkuaineita, joissa on ionisia tai kovalenttisia sidoksia. Siksi on otettava huomioon metalliatomien rakenne, epämetalliatomien rakenne ja valenssielektronien tuottamien varausten tasapaino. Yksikkökennoa käytetään metallien tapaan keramiikan atomirakenteen kuvaamisessa. Kuutiolliset ja kuusikulmaiset kennot ovat yleisimpiä. Lisäksi metallisten ja epämetallisten ionien säteiden erolla on tärkeä rooli yksikkösolun järjestelyssä.

metalleissa atomien säännöllinen järjestely tiheään pakatuiksi tasoiksi johti luisumiseen rasituksessa, mikä antaa metallille niille ominaisen sitkeyden. Keramiikassa haurasmurtuma liukumisen sijaan on yleinen, koska sekä atomien järjestely että sidostyyppi ovat erilaiset. Keramiikan murtuma-tai katkaisutasot ovat seurausta tasoista, joissa on säännöllisesti järjestyneitä atomeja.

kiderakenteen rakennuskriteerit ovat:

• säilytä puolueettomuus
• varaustasapaino sanelee kemiallisen kaavan
• saavuttaa lähimmän pakkaamisen

alla on kuvattu muutamia erilaisia lasiperheen ulkopuolisia keraamisia materiaaleja.

Silikaattikeramiikka
kuten aiemmin mainittiin, silikaattirakenne on monien keramiikan, samoin kuin lasin perusrakenne. Se on sisäinen järjestely koostuu pyramidin (tetraedrinen tai nelisivuinen) yksiköitä. Neljä suurta happi (0) atomia ympäröivät jokaista pienempää piiatomia (Si). Kun piitetraedrit jakavat kolme nurkka-atomia, ne tuottavat kerrostuneita silikaatteja (talkki, kaoliniittisavi, kiille). Savi on monien rakennustuotteiden, kuten tiilen ja laatan perusraaka-aine. Kun piitetraedrit jakavat neljä comer-atomia, ne tuottavat kehyssilikaatteja (kvartsi, tridymiitti). Kvartsi muodostuu, kun tämän materiaalin tetraedri on järjestetty säännölliseen, järjestykseen. Jos sulassa tilassa olevaa piidioksidia jäähdytetään hyvin hitaasti, se kiteytyy jäätymispisteessä. Mutta jos sula pii jäähdytetään nopeammin, tuloksena oleva kiinteä aine on epäjärjestelmällinen järjestely, joka on lasia.

sementti
sementti (Portlandsementti) on yksi betonin pääraaka-aineista. Sementtiä on useita eri laatuja , mutta tyypillinen Portlandsementti sisältää 19-25% SiO2: ta, 5-9% Al2O3: a, 60-64% CaO: ta ja 2-4% FeO: ta. Sementit valmistetaan jauhamalla savet ja kalkkikivet oikeassa suhteessa, polttamalla uunissa ja hiomalla uudelleen. Kun vettä lisätään, mineraalit joko hajoavat tai yhtyvät veteen, ja koko massaan kasvaa uusi vaihe. Reaktio on liuos, uudelleenkiteytyminen ja silikaattirakenteen saostuminen. Veden määrää on yleensä tärkeää säädellä, jotta estetään ylimääräinen vesi, joka ei kuuluisi rakenteeseen ja heikentäisi sitä. Hydraation lämpö (reaktiolämpö veden adsorptiossa) sementin asettamisessa voi olla suuri ja voi aiheuttaa vaurioita suurissa rakenteissa.

Nitridikeramiikka
nitridit yhdistävät keraamisten aineiden ylivertaisen kovuuden korkeaan termiseen ja mekaaniseen stabiiliuteen, mikä tekee niistä sopivia käytettäväksi leikkuutyökaluina, kulutusta kestävinä osina ja rakenneosina korkeissa lämpötiloissa. Tinalla on kuutiomainen rakenne, joka on rakennetyypeistä ehkä yksinkertaisin ja tunnetuin. Kationit ja anionit molemmat sijaitsevat erillisten FCC-ristikoiden solmukohdissa. Rakenne on muuttumaton, jos Ti-ja N-atomit (ristikot) ovat keskenään.

Ferroelektrinen keramiikka
kiderakenteesta riippuen joissakin kideratoissa positiivisten ja negatiivisten varausten keskipisteet eivät kohtaa edes ilman ulkoista sähkökenttää. Tällöin sanotaan, että kiteessä on spontaani polarisaatio. Kun dielektrisen polarisaatiota voidaan muuttaa sähkökentän avulla, sitä kutsutaan ferrosähköiseksi. Tyypillinen keraaminen ferrosähköinen on bariumtitanaatti, BaTiO3. Ferrosähköiset materiaalit, erityisesti monikiteinen keramiikka, ovat erittäin lupaavia sovellusalojen lajikkeille, kuten pietsosähköisille/sähköstriktiivisille antureille ja elektrooptisille.

Faasidiagrammi
faasidiagrammi on tärkeä ymmärrettäessä polyfaasikeramiikan mikrorakenteen muodostumista ja hallintaa, aivan kuten polyfaasimetallimateriaalien kanssa. Myös ei-ekvilibriumrakenteet ovat keramiikassa vielä yleisempiä, koska monimutkaisempia kiderakenteita on vaikeampi nukleoida ja kasvaa sulamisesta.

epätäydellisyydet keramiikassa
epätäydellisyydet keraamisissa kiteissä sisältävät pistevirheitä ja epäpuhtauksia kuten metalleissa. Keramiikassa virheen muodostumiseen vaikuttaa kuitenkin voimakkaasti varauksen neutraalisuuden ehto, koska epätasapainoisten varausten alueiden luominen vaatii suuren energiamäärän. Ionisissa kiteissä varauksen neutraalius johtaa usein virheisiin, jotka tulevat vastakkaisen varauksen omaavina ionipareina tai useina lähekkäisinä pistevirheinä, joissa kaikkien varausten summa on nolla. Latausneutraaleja vikoja ovat esimerkiksi Frenkel-ja Schottky-viat. Frenkel-vika syntyy, kun isäntäatomi siirtyy läheiseen interstitiaaliasentoon luoden tyhjän-interstitiaalisen kationiparin. Schottky-vika on pari lähellä kationia ja anionia avoimia paikkoja. Schottkyn vika syntyy, kun isäntäatomi poistuu paikaltaan ja siirtyy pinnalle luoden tyhjän ja tyhjän parin.

joskus koostumus saattaa hieman muuttua, jotta saadaan tasapainoisempi atomilataus. Kiinteitä aineita kuten SiO2, joilla on hyvin määritelty kemiallinen kaava, kutsutaan stoikiometrisiksi yhdisteiksi. Kun kiinteän aineen koostumus poikkeaa normaalista kemiallisesta kaavasta, tuloksena olevan kiinteän aineen sanotaan olevan nonstoikiometrinen. Nonstoikiometria ja kiinteän aineen pistevirheiden olemassaolo liittyvät usein läheisesti toisiinsa. Anionit ovat SiO2-x: n nonstoikiometrian lähde,

epäpuhtausatomien kulkeutuminen hilaan on todennäköistä olosuhteissa, joissa varaus säilyy. Tällöin kyseessä ovat elektronegatiiviset epäpuhtaudet, jotka korvaavat hilan anionin tai elektropositiiviset substituoivat epäpuhtaudet. Tämä on todennäköisempää samankaltaisille ionisäteille, koska tämä minimoi hilavääristymän vaatiman energian. Vikoja ilmenee, jos epäpuhtauksien varaus ei ole tasapainossa.