keramische constructies (vervolg)

Keramiek Glas
keramiek met een volledig glasachtige structuur heeft bepaalde eigenschappen die sterk verschillen van die van metalen. Bedenk dat wanneer metaal in vloeibare toestand wordt gekoeld, een kristallijne vaste stof neerslaat wanneer het smeltvriespunt wordt bereikt. Echter, met een glasachtig materiaal, als de vloeistof wordt afgekoeld wordt het meer en meer viskeus. Er is geen scherp smelt-of vriespunt. Het gaat van vloeibaar naar een zachte plastic vaste stof en wordt uiteindelijk hard en broos. Vanwege deze unieke eigenschap, kan het worden geblazen in vormen, naast wordt gegoten, gewalst, getrokken en anders verwerkt als een metaal.

glazig gedrag is gerelateerd aan de atomaire structuur van het materiaal. Als zuivere silica (SiO2) met elkaar is gesmolten, wordt een glas genaamd glasachtig silica gevormd bij het koelen. De basis-eenheidsstructuur van dit glas is de silica tetraëder, die bestaat uit een enkel siliciumatoom omgeven door vier zuurstofatomen op gelijke afstand. De siliciumatomen bezetten de openingen (interstitialen) tussen de zuurstofatomen en delen vier valentie-elektronen met de zuurstofatomen door covalente binding. Het silica-atoom heeft vier valentie-elektronen en elk van de zuurstofatomen heeft twee valentie-elektronen, zodat het silica-tetraëder vier extra valentie-elektronen heeft om te delen met aangrenzende tetraëder. De silicaatstructuren kunnen met elkaar verbinden door de atomen in twee hoeken van de SiO2-tetraëders te delen, die ketting-of ringstructuren vormen. Een netwerk van silica tetraëdrische kettingen vormen zich, en bij hoge temperaturen glijden deze kettingen gemakkelijk langs elkaar. Naarmate de smelt afkoelt, neemt de thermische trillingsenergie af en kunnen de kettingen niet zo gemakkelijk bewegen, zodat de structuur steviger wordt. Silica is het belangrijkste bestanddeel van glas, maar andere oxiden worden toegevoegd om bepaalde fysische eigenschappen te veranderen of om het smeltpunt te verlagen.

keramisch kristallijn of gedeeltelijk kristallijn materiaal
De meeste Keramiek bevatten gewoonlijk zowel metallische als niet-metallische elementen met ionische of covalente bindingen. Daarom moet de structuur van de metallische atomen, de structuur van de niet-metallische atomen, en de balans van ladingen geproduceerd door de valentie-elektronen worden beschouwd. Net als bij metalen, wordt de eenheidscel gebruikt in het beschrijven van de atomaire structuur van keramiek. De kubieke en de zeshoekige cellen komen het meest voor. Bovendien speelt het verschil in radii tussen de metallische en niet-metallische ionen een belangrijke rol in de opstelling van de eenheidscel.

in metalen leidde de regelmatige opstelling van atomen in dicht opeengepakte vlakken tot het optreden van slip onder stress, waardoor metaal hun karakteristieke rekbaarheid krijgt. In keramiek, broze breuk in plaats van slip is gebruikelijk omdat zowel de opstelling van de atomen en het type binding is verschillend. De breuk-of splitsingsvlakken van keramiek zijn het resultaat van vlakken van regelmatig gerangschikte atomen.

De bouwcriteria voor de kristalstructuur zijn:

• neutraliteit handhaven
• laadbalans dicteert chemische formule
• bereiken dichtstbijzijnde verpakking

enkele van de verschillende soorten keramische materialen buiten de glasfamilie worden hieronder beschreven.

Silicaatkeramiek
zoals eerder vermeld, is de silica-structuur de basisstructuur voor veel Keramiek en glas. Het heeft een interne regeling die bestaat uit piramide (tetraëdrische of vierzijdige) eenheden. Vier grote zuurstof (0) atomen omringen elk kleiner silicium (Si) atoom. Wanneer silica-tetraëders drie hoekatomen delen, produceren ze gelaagde silicaten (Talk, kaolinietklei, mica). Klei is de basisgrondstof voor veel bouwproducten zoals baksteen en tegels. Wanneer silica-tetraëders vier comer-atomen delen, produceren ze kadersilicaten (kwarts, tridymiet). Kwarts wordt gevormd wanneer de tetrahedra in dit materiaal op een regelmatige, ordelijke manier worden gerangschikt. Als kiezelzuur in gesmolten toestand zeer langzaam wordt gekoeld kristalliseert het op het vriespunt. Maar als gesmolten silica sneller wordt gekoeld, de resulterende vaste stof is een wanordelijke regeling die glas. Cement (Portlandcement) is een van de belangrijkste ingrediënten van beton. Er zijn een aantal verschillende soorten cement, maar een typische Portland cement zal 19 tot 25% SiO2 , 5 tot 9% Al2O3, 60 tot 64% CaO en 2 tot 4% FeO bevatten. Cement wordt bereid door de klei en kalksteen in de juiste verhouding te malen, in een oven te bakken en opnieuw te persen. Wanneer water wordt toegevoegd, ontleden de mineralen of combineren ze met water, en een nieuwe fase groeit door de massa. De reactie is oplossing, herkristallisatie en precipitatie van een silicaatstructuur. Het is meestal belangrijk om de hoeveelheid water te controleren om een overmaat te voorkomen die geen deel zou uitmaken van de structuur en zou verzwakken. De warmte van hydratatie (warmte van reactie in de adsorptie van water) bij het plaatsen van het cement kan groot zijn en kan schade veroorzaken in grote structuren.

Nitride-Keramiek
nitriden combineren de superieure hardheid van keramiek met een hoge thermische en mechanische stabiliteit, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen als snijgereedschap, slijtvaste onderdelen en structurele componenten bij hoge temperaturen. TiN heeft een kubieke structuur die misschien wel de eenvoudigste en meest bekende structuurtypes is. Kationen en anionen liggen beide op de knooppunten van afzonderlijke FCC-roosters. De structuur is onveranderd als de ti en N atomen (roosters) worden uitgewisseld.

ferro-elektrische keramiek
afhankelijk van de kristalstructuur vallen in sommige kristalroosters de centra van de positieve en negatieve ladingen niet samen, zelfs niet zonder toepassing van extern elektrisch veld. In dit geval wordt gezegd dat er spontane polarisatie in het kristal bestaat. Wanneer de polarisatie van het diëlektrisch kan worden veranderd door een elektrisch veld, wordt het ferro-elektrisch genoemd. Een typische keramische ferro-elektrische is bariumtitanaat, BaTiO3. Ferro-elektrische materialen, vooral polykristallijne keramiek, zijn veelbelovend voor verschillende toepassingsgebieden zoals piëzo-elektrische/elektrostrictieve transducers en elektrooptisch.

fasediagram
Het fasediagram is belangrijk voor het begrijpen van de vorming en controle van de microstructuur van de microstructuur van polyfase Keramiek, net als bij polyfase metalen materialen. Ook zijn niet-evenwichtsstructuren nog vaker voor in keramiek omdat de complexere kristalstructuren moeilijker zijn om te nucleeren en te groeien uit de smelt.

onvolkomenheden in keramiek
onvolkomenheden in keramische kristallen omvatten puntdefecten en onzuiverheden zoals in metalen. Echter, in keramiek defect vorming wordt sterk beïnvloed door de voorwaarde van heffing neutraliteit, omdat het creëren van gebieden van onevenwichtige lasten vereist een uitgave van een grote hoeveelheid energie. In Ionische kristallen, ladingsneutraliteit resulteert vaak in defecten die komen als paren van ionen met tegengestelde lading of meerdere nabijgelegen puntdefecten waarbij de som van alle ladingen is nul. Charge neutrale defecten omvatten de Frenkel en Schottky defecten. Een Frenkel-defect treedt op wanneer een gastatoom zich verplaatst naar een nabijgelegen interstitiële positie om een leeg-interstitiële paar kationen te creëren. Een Schottky-defect is een paar nabijgelegen kation en anion vacatures. Schottky defect treedt op wanneer een gastheer atoom verlaat zijn positie en verhuist naar de oppervlakte het creëren van een vacature-vacature paar.

soms kan de samenstelling iets veranderen om tot een meer evenwichtige atoomlading te komen. Vaste stoffen zoals SiO2, die een goed gedefinieerde chemische formule hebben, worden stoichiometrische verbindingen genoemd. Wanneer de samenstelling van een vaste stof afwijkt van de standaard chemische formule, wordt gezegd dat de resulterende vaste stof niet-stoichiometrisch is. Nonstoichiometrie en het bestaan van puntdefecten in een vaste stof zijn vaak nauw verwant. Anionen zijn de bron van de niet-stoichiometrie in SiO2-x,

introductie van onzuiverheidsatomen in het rooster is waarschijnlijk onder omstandigheden waarin de lading wordt gehandhaafd. Dit is het geval van elektronegatieve onzuiverheden die een rooster anion of elektropositieve substitutie onzuiverheden vervangen. Dit is waarschijnlijker voor gelijkaardige Ionische stralen aangezien dit de energie minimaliseert die voor roostervervorming wordt vereist. Defecten zullen verschijnen als de lading van de onzuiverheden niet in evenwicht is.