structuri ceramice (continuare)

Sticlă Ceramică
ceramica cu o structură în întregime sticloasă are anumite proprietăți care sunt destul de diferite de cele ale metalelor. Amintiți-vă că atunci când metalul în stare lichidă este răcit, un solid cristalin precipită atunci când se atinge punctul de îngheț de topire. Cu toate acestea, cu un material sticlos, pe măsură ce lichidul este răcit, devine din ce în ce mai vâscos. Nu există un punct ascuțit de topire sau îngheț. Trece de la lichid la un solid din plastic moale și în cele din urmă devine dur și fragil. Datorită acestei proprietăți unice, poate fi suflată în forme, pe lângă faptul că este turnată, laminată, desenată și prelucrată altfel ca un metal.

comportamentul sticlos este legat de structura atomică a materialului. Dacă silica pură (SiO2) este topită împreună, la răcire se formează un pahar numit silice vitroasă. Structura unității de bază a acestui pahar este tetraedrul de silice, care este compus dintr-un singur atom de siliciu înconjurat de patru atomi de oxigen echidistanți. Atomii de siliciu ocupă deschiderile (interstițiale) dintre atomii de oxigen și împărtășesc patru electroni de valență cu atomii de oxigen prin legătură covalentă. Atomul de silice are patru electroni de valență și fiecare dintre atomii de oxigen are doi electroni de valență, astfel încât tetraedrul de silice are patru electroni de valență suplimentari pentru a partaja cu tetraedrul adiacent. Structurile silicate se pot lega împreună prin împărțirea atomilor în două colțuri ale tetraedrelor SiO2, formând structuri de lanț sau inel. Se formează o rețea de lanțuri tetraedrice de silice, iar la temperaturi ridicate aceste lanțuri alunecă ușor unul peste celălalt. Pe măsură ce topitura se răcește, energia vibrațională termică scade și lanțurile nu se pot mișca la fel de ușor, astfel încât structura devine mai rigidă. Silica este cel mai important constituent al sticlei, dar se adaugă alți oxizi pentru a schimba anumite caracteristici fizice sau pentru a reduce punctul de topire.

Material Ceramic cristalin sau parțial cristalin
majoritatea ceramicii conțin de obicei atât elemente metalice, cât și nemetalice cu legături ionice sau covalente. Prin urmare, structura atomii metalici, structura atomilor nemetalici și echilibrul sarcinilor produse de electronii de valență trebuie luate în considerare. Ca și în cazul metalelor, celula unitară este utilizată în descrierea structurii atomice a ceramicii. Celulele cubice și hexagonale sunt cele mai frecvente. În plus, diferența de raze dintre ionii metalici și nemetalici joacă un rol important în aranjarea celulei unitare.

în metale, aranjamentul regulat al atomilor în planuri dens ambalate a dus la apariția alunecării sub stres, ceea ce conferă metalului ductilitatea lor caracteristică. În ceramică, fractura fragilă mai degrabă decât alunecarea este obișnuită, deoarece atât aranjamentul atomilor, cât și tipul de legătură sunt diferite. Planurile de fractură sau scindare ale ceramicii sunt rezultatul planurilor atomilor aranjați în mod regulat.

criteriile de construcție pentru structura cristalină sunt:

• mențineți neutralitatea
• echilibrul de încărcare dictează formula chimică
• obțineți cel mai apropiat ambalaj

câteva dintre diferitele tipuri de materiale ceramice din afara familiei de sticlă sunt descrise mai jos.

ceramica silicată
așa cum am menționat anterior, structura de silice este structura de bază pentru multe ceramică, precum și pentru sticlă. Are un aranjament intern format din unități piramidale (tetraedrice sau cu patru fețe). Patru atomi mari de oxigen (0) înconjoară fiecare atom de siliciu (Si) mai mic. Când tetraedrele de silice împărtășesc trei atomi de colț, ele produc silicați stratificați (talc, argilă caolinită, mica). Argila este materia primă de bază pentru multe produse de construcție, cum ar fi cărămida și faianța. Când tetraedrele de silice împărtășesc patru atomi comer, ele produc silicați cadru (cuarț, tridimit). Cuarțul se formează atunci când tetraedra din acest material este aranjată într-un mod regulat, ordonat. Dacă siliciul în stare topită este răcit foarte lent, acesta cristalizează la punctul de îngheț. Dar dacă siliciul topit este răcit mai rapid, solidul rezultat este un aranjament dezordonat care este sticlă.

ciment
Ciment (Ciment Portland) este unul dintre ingredientele principale ale betonului. Există o serie de grade diferite de ciment , dar un ciment tipic Portland va conține 19 până la 25% SiO2, 5 până la 9% Al2O3, 60 până la 64% CaO și 2 până la 4% FeO. Cimenturile sunt preparate prin măcinarea argilelor și calcarului în proporție adecvată, arderea într-un cuptor și regrindarea. Când se adaugă apă, mineralele se descompun sau se combină cu apa, iar o nouă fază crește pe toată masa. Reacția este soluția, recristalizarea și precipitarea unei structuri de silicat. De obicei, este important să controlați cantitatea de apă pentru a preveni un exces care nu ar face parte din structură și l-ar slăbi. Căldura de hidratare (căldura de reacție în adsorbția apei) în setarea cimentului poate fi mare și poate provoca daune în structurile mari.

ceramica nitrură
Nitrurile combină duritatea superioară a ceramicii cu o stabilitate termică și mecanică ridicată, făcându-le potrivite pentru aplicații ca unelte de tăiere, piese rezistente la uzură și componente structurale la temperaturi ridicate. Staniul are o structură cubică, care este probabil cea mai simplă și mai cunoscută dintre tipurile de structuri. Cationii și anionii se află la nodurile laturilor fcc separate. Structura este neschimbată dacă atomii Ti și N (laturi) sunt schimbați.

ceramica Feroelectrică
în funcție de structura cristalină, în unele laturi de cristal, centrele sarcinilor pozitive și negative nu coincid chiar și fără aplicarea câmpului electric extern. În acest caz, se spune că există polarizare spontană în Cristal. Când polarizarea dielectricului poate fi modificată de un câmp electric, se numește feroelectric. Un feroelectric ceramic tipic este titanatul de bariu, BaTiO3. Materialele feroelectrice, în special ceramica policristalină, sunt foarte promițătoare pentru varietăți de domenii de aplicare, cum ar fi Traductoare piezoelectrice/electrostrictive și electrooptice.

diagrama de fază
diagrama de fază este importantă în înțelegerea formării și controlului microstructurii microstructurii ceramicii polifazice, la fel cum este cu materialele metalice polifazice. De asemenea, structurile de neechilibru sunt și mai răspândite în ceramică, deoarece structurile cristaline mai complexe sunt mai dificil de nucleat și de crescut din topire.

imperfecțiunile din ceramică
imperfecțiunile din cristalele ceramice includ defecte punctuale și impurități ca în metale. Cu toate acestea, în formarea defectelor ceramice este puternic afectată de starea de neutralitate a încărcăturii, deoarece crearea de zone de taxe dezechilibrate necesită o cheltuială de o cantitate mare de energie. În cristalele ionice, neutralitatea sarcinii duce adesea la defecte care vin ca perechi de ioni cu sarcină opusă sau mai multe defecte punctuale din apropiere în care suma tuturor sarcinilor este zero. Defectele neutre de încărcare includ defectele Frenkel și Schottky. Un defect Frenkel apare atunci când un atom gazdă se deplasează într-o poziție interstițială din apropiere pentru a crea o pereche de cationi vacant-interstițial. Un defect Schottky este o pereche de posturi vacante de cationi și anioni din apropiere. Defectul Schottky apare atunci când un atom gazdă își părăsește poziția și se deplasează la suprafață creând o pereche vacant-vacant.uneori, compoziția se poate modifica ușor pentru a ajunge la o sarcină atomică mai echilibrată. Solidele precum SiO2, care au o formulă chimică bine definită, se numesc compuși stoichiometrici. Când compoziția unui solid se abate de la formula chimică standard, se spune că solidul rezultat este nonstoichiometric. Nonstoichiometria și existența defectelor punctuale într-un solid sunt adesea strâns legate. Posturile vacante de anioni sunt sursa nonstoichiometriei în SiO2-x,

introducerea atomilor de impuritate în rețea este probabilă în condițiile în care sarcina este menținută. Acesta este cazul impurităților electronegative care înlocuiesc un anion de rețea sau impurități substituționale electropozitive. Acest lucru este mai probabil pentru raze ionice similare, deoarece acest lucru minimizează energia necesară pentru distorsiunea rețelei. Defectele vor apărea dacă încărcarea impurităților nu este echilibrată.