Comme dans tout matériau, les propriétés de la céramique sont déterminées par les types d’atomes présents, les types de liaison entre les atomes et la manière dont les atomes sont emballés ensemble

Deux types de liaisons se trouvent dans la céramique: ionique et covalente. La liaison ionique se produit entre un métal et un non-métal, c’est-à-dire deux éléments à l’électronégativité très différente. L’électronégativité est la capacité du noyau d’un atome à attirer et à retenir tous les électrons à l’intérieur de l’atome lui-même, et dépend du nombre d’électrons et de la distance des électrons dans les coques extérieures du noyau.

Dans une liaison ionique, l’un des atomes (le métal) transfère des électrons à l’autre atome (le non-métal), devenant ainsi chargé positivement (cation), tandis que le non-métal devient chargé négativement (anion). Les deux ions ayant des charges opposées s’attirent avec une forte force électrostatique.

La liaison covalente se produit plutôt entre deux non-métaux, c’est-à-dire deux atomes qui ont une électronégativité similaire, et implique le partage de paires d’électrons entre les deux atomes.

Bien que les deux types de liaisons se produisent entre les atomes dans les matériaux céramiques, dans la plupart d’entre eux (en particulier les oxydes), la liaison ionique est prédominante.

Il existe deux autres types de liaisons atomiques : les liaisons métalliques et les liaisons de Van der Waals. Dans le premier, les cations métalliques sont entourés d’électrons qui peuvent se déplacer librement entre les atomes. Les liaisons métalliques ne sont pas aussi fortes que les liaisons ioniques et covalentes. Les liaisons métalliques sont responsables des principales propriétés des métaux, telles que la ductilité, où le métal peut être facilement plié ou étiré sans se casser, ce qui lui permet d’être étiré en fil. La libre circulation des électrons explique également pourquoi les métaux ont tendance à être conducteurs d’électricité et de chaleur.

Les liaisons de Van der Waals consistent en de faibles forces électrostatiques entre des atomes qui ont une polarisation permanente ou induite. Un exemple de liaison de Van der Waal est la liaison hydrogène entre l’hydrogène et l’oxygène, responsable de nombreuses propriétés de l’eau.

Dans les polymères, il existe des liaisons covalentes entre les atomes du polymère, mais les macromolécules polymériques (ou chaînes) sont maintenues ensemble par les forces de Van der Waals. De tous les quatre types de liens, Van der Waals est le plus faible. Pour cette raison, les polymères sont très élastiques (par exemple, un élastique), peuvent être facilement fondus et ont une faible résistance.

Les liaisons ioniques et covalentes des céramiques sont responsables de nombreuses propriétés uniques de ces matériaux, telles qu’une dureté élevée, des points de fusion élevés, une faible dilatation thermique et une bonne résistance chimique, mais aussi de certaines caractéristiques indésirables, en premier lieu la fragilité, qui conduit à des fractures à moins que le matériau ne soit durci par des agents de renforcement ou par d’autres moyens.

Les propriétés des céramiques, cependant, dépendent également de leur microstructure. Les céramiques sont par définition des matériaux inorganiques naturels ou synthétiques, non métalliques, polycristallins. Parfois, même les matériaux monocristallins, tels que le diamant et le saphir, sont inclus à tort sous le terme céramique. Les matériaux polycristallins sont formés par de multiples grains de cristal réunis pendant le processus de production, tandis que les matériaux monocristallins sont cultivés sous la forme d’un cristal tridimensionnel. Les procédés de fabrication de matériaux polycristallins sont relativement peu coûteux, par rapport aux monocristaux. En raison de ces différences (p. ex., cristaux multiples avec des orientations diverses, présence de joints de grains, procédés de fabrication), les matériaux polycristallins ne doivent vraiment pas être confondus avec des monocristaux et doivent être les seuls inclus dans la définition de la céramique. Les propriétés et le traitement des céramiques sont largement affectés par leurs tailles et formes de grains, et des caractéristiques telles que la densité, la dureté, la résistance mécanique et les propriétés optiques sont fortement corrélées avec la microstructure de la pièce frittée.

D’autre part, le verre est constitué de matériaux inorganiques non métalliques à structure amorphe. La structure amorphe signifie que les atomes ne sont pas organisés selon un arrangement répétitif bien ordonné comme dans les cristaux. Les vitrocéramiques sont constituées de petits grains entourés d’une phase vitreuse, et ont des propriétés entre celles du verre et de la céramique.

Le tableau ci-dessous résume les principales propriétés de la céramique et du verre. Ce sont des propriétés typiques. En fait, les propriétés de la céramique et du verre peuvent être adaptées à des applications spécifiques en modifiant la composition, y compris la création de matériaux composites avec des métaux et des polymères, et en modifiant les paramètres de traitement.