struktury Ceramiczne (ciąg dalszy)

Szkło ceramiczne
Ceramika o całkowicie szklistej strukturze ma pewne właściwości, które są zupełnie inne niż właściwości metali. Przypomnijmy, że gdy metal w stanie ciekłym jest chłodzony, krystaliczne ciało stałe wytrąca się po osiągnięciu temperatury zamarzania topnienia. Jednak w przypadku materiału szklistego, gdy ciecz jest chłodzona, staje się coraz bardziej lepka. Nie ma ostrej temperatury topnienia lub zamarzania. Przechodzi z cieczy do miękkiego plastiku stałego i w końcu staje się twardy i kruchy. Ze względu na tę wyjątkową właściwość można ją wdmuchiwać w kształty, a także odlewać, walcować, ciągnić i w inny sposób przetwarzać jak metal.

zachowanie szkliste jest związane ze strukturą atomową materiału. Jeśli czysta krzemionka (SiO2) jest połączona ze sobą, podczas chłodzenia powstaje szkło zwane krzemionką szklistą. Podstawową strukturą jednostkową tego szkła jest czworościan krzemionki, który składa się z pojedynczego atomu krzemu otoczonego czterema równie odległymi atomami tlenu. Atomy krzemu zajmują otwory (śródstopia) między atomami tlenu i dzielą cztery elektrony walencyjne z atomami tlenu poprzez wiązanie kowalencyjne. Atom krzemionki ma cztery elektrony walencyjne, a każdy z atomów tlenu ma dwa elektrony walencyjne, więc czworościan krzemionki ma cztery dodatkowe elektrony walencyjne, aby dzielić się z sąsiednim czworościanem. Struktury krzemianowe mogą łączyć się ze sobą dzieląc Atomy w dwóch rogach czworościanów SiO2, tworząc struktury łańcuchowe lub pierścieniowe. Sieć łańcuchów czworościennych krzemionki tworzy się, a w wysokich temperaturach łańcuchy te łatwo przesuwają się między sobą. Gdy Stop się ochładza, energia drgań cieplnych maleje, a łańcuchy nie mogą się tak łatwo poruszać, więc struktura staje się bardziej sztywna. Krzemionka jest najważniejszym składnikiem szkła, ale inne tlenki są dodawane w celu zmiany pewnych właściwości fizycznych lub obniżenia temperatury topnienia.

ceramiczny materiał krystaliczny lub częściowo krystaliczny
Większość ceramiki zwykle zawiera zarówno elementy metaliczne, jak i niemetaliczne z wiązaniami jonowymi lub kowalencyjnymi. W związku z tym należy wziąć pod uwagę strukturę atomów metalicznych, strukturę atomów niemetalicznych i równowagę ładunków wytwarzanych przez elektrony walencyjne. Podobnie jak w przypadku metali, komórka jednostkowa jest używana do opisywania struktury atomowej ceramiki. Sześcienne i sześciokątne komórki są najczęściej. Dodatkowo, różnica w promieniach między jonami metalicznymi i niemetalicznymi odgrywa ważną rolę w ułożeniu komórki jednostkowej.

w metalach regularne ułożenie atomów w gęsto upakowane płaszczyzny prowadziło do występowania poślizgu pod wpływem naprężeń, co nadaje metalom ich charakterystyczną ciągliwość. W ceramice kruche pękanie zamiast poślizgu jest powszechne, ponieważ zarówno układ atomów, jak i rodzaj wiązania są różne. Płaszczyzny pękania lub rozszczepiania ceramiki są wynikiem płaszczyzn regularnie ułożonych atomów.

kryteria budowy struktury krystalicznej to:

• zachowaj neutralność
• równowaga ładunku dyktuje wzór chemiczny
• osiągnięcie najbliższego pakowania

poniżej opisano kilka różnych rodzajów materiałów ceramicznych spoza rodziny szkła.

Ceramika silikatowa
jak wspomniano wcześniej, struktura krzemionki jest podstawową strukturą dla wielu ceramiki, a także szkła. Ma wewnętrzny układ składający się z jednostek piramidowych (czworobocznych lub czworobocznych). Cztery duże atomy tlenu (0) otaczają każdy mniejszy atom krzemu (Si). Gdy czworościany krzemionki dzielą trzy atomy narożne, wytwarzają warstwowe krzemiany (Talk, glina kaolinit, Mika). Glina jest podstawowym surowcem dla wielu produktów budowlanych, takich jak cegła i płytki. Gdy czworościany krzemionki dzielą cztery atomy comera, wytwarzają krzemiany szkieletowe (kwarc, tridymit). Kwarc powstaje, gdy czworościan w tym materiale są ułożone w regularny, uporządkowany sposób. Jeśli krzemionka w stanie stopionym jest bardzo powoli chłodzona, krystalizuje w punkcie zamarzania. Ale jeśli stopiona krzemionka jest chłodzona szybciej, powstałe ciało stałe jest nieuporządkowanym układem, który jest szkłem.

Cement
Cement (Cement portlandzki) jest jednym z głównych składników betonu. Istnieje wiele różnych gatunków cementu, ale typowy Cement portlandzki będzie zawierał 19 do 25% SiO2, 5 do 9% Al2O3,60 do 64% CaO i 2 do 4% FeO. Cementy są przygotowywane przez mielenie gliny i wapienia w odpowiedniej proporcji, wypalanie w piecu i przeszlifowanie. Gdy dodaje się wodę, minerały albo rozkładają się lub łączą z wodą, a nowa faza rośnie w całej masie. Reakcją jest roztwór, rekrystalizacja i wytrącanie struktury krzemianowej. Zwykle ważne jest kontrolowanie ilości wody, aby zapobiec nadmiarowi, który nie byłby częścią struktury i osłabiłby ją. Ciepło hydratacji (ciepło reakcji w adsorpcji wody) podczas osadzania cementu może być duże i może powodować uszkodzenia w dużych strukturach.

Ceramika Azotkowa
azotki łączą doskonałą twardość ceramiki z wysoką stabilnością termiczną i mechaniczną, dzięki czemu nadają się do zastosowań jako narzędzia skrawające, części odporne na zużycie i elementy konstrukcyjne w wysokich temperaturach. Cyna ma strukturę sześcienną, która jest prawdopodobnie najprostszą i najbardziej znaną z typów konstrukcji. Kationy i aniony leżą w węzłach oddzielnych sieci fcc. Struktura pozostaje niezmieniona, jeśli Atomy Ti I n (sieci) są wymienne.

Ceramika Ferroelektryczna
w zależności od struktury krystalicznej, w niektórych kratach krystalicznych centra ładunków dodatnich i ujemnych nie pokrywają się nawet bez zastosowania zewnętrznego pola elektrycznego. W tym przypadku mówi się, że istnieje spontaniczna polaryzacja w krysztale. Gdy polaryzacja dielektryka może być zmieniona przez pole elektryczne, nazywa się to ferroelektrykiem. Typowym ceramicznym ferroelektrykiem jest tytanian baru, BaTiO3. Materiały ferroelektryczne, zwłaszcza ceramika polikrystaliczna, są bardzo obiecujące dla odmian zastosowań, takich jak przetworniki piezoelektryczne/elektrostrykcyjne i elektrooptyczne.

Diagram fazowy
diagram fazowy jest ważny w zrozumieniu tworzenia i kontroli mikrostruktury mikrostruktury polifazowej ceramiki, podobnie jak w przypadku polifazowych materiałów metalicznych. Ponadto, struktury nonquilibrium są jeszcze bardziej rozpowszechnione w ceramice, ponieważ bardziej złożone struktury krystaliczne są trudniejsze do zarodkowania i rosną z stopu.

niedoskonałości w ceramice
niedoskonałości w kryształach ceramicznych obejmują wady punktowe i zanieczyszczenia, takie jak w metalach. Jednak w ceramice powstawanie defektów silnie wpływa na warunek neutralności ładunku, ponieważ tworzenie obszarów niezrównoważonych ładunków wymaga wydatku dużej ilości energii. W kryształach jonowych neutralność ładunku często skutkuje defektami, które występują w postaci par jonów o przeciwstawnym ładunku lub kilku pobliskich defektów punktowych, w których suma wszystkich ładunków wynosi zero. Defekty Charge neutral obejmują defekty Frenkela i Schottky ’ ego. Defekt Frenkela występuje, gdy atom gospodarza przesuwa się w pobliską pozycję śródmiąższową, tworząc parę kationów Pustkowo-śródmiąższową. Wada Schottky ’ ego to para pobliskich kationów i anionów. Defekt Schottky ’ ego występuje, gdy ATOM gospodarza opuszcza swoją pozycję i przesuwa się na powierzchnię, tworząc parę wakat-wakat.

czasami skład może się nieznacznie zmienić, aby uzyskać bardziej zrównoważony ładunek atomowy. Ciała stałe, takie jak SiO2, które mają dobrze zdefiniowany wzór chemiczny, nazywane są związkami stechiometrycznymi. Gdy skład ciała stałego odbiega od standardowego wzoru chemicznego, mówi się, że powstałe ciało stałe jest niestoichiometryczne. Nonstoichiometria i występowanie wad punktowych w ciele stałym są często ściśle ze sobą powiązane. Brak anionów jest źródłem nonstoichiometrii w SiO2-x,

wprowadzenie atomów nieczystości do sieci jest prawdopodobne w warunkach, w których ładunek jest utrzymywany. Tak jest w przypadku zanieczyszczeń elektroujemnych, które zastępują anion sieciowy lub zanieczyszczenia elektropojemne substytucyjne. Jest to bardziej prawdopodobne w przypadku podobnych promieni jonowych, ponieważ minimalizuje to energię potrzebną do zniekształceń sieci. Wady pojawią się, jeśli ładunek zanieczyszczeń nie jest zrównoważony.