keramiska strukturer (fortsättning)

keramiskt glas
keramik med en helt glasig struktur har vissa egenskaper som skiljer sig helt från metallernas. Minns att när metall i flytande tillstånd kyls, faller ett kristallint fast ämne ut när smältfrysningspunkten uppnås. Men med ett glasartat material, när vätskan kyls blir den mer och mer viskös. Det finns ingen skarp smält-eller fryspunkt. Det går från vätska till en mjuk plastfast och blir slutligen hård och spröd. På grund av denna unika egenskap kan den blåsas i former, förutom att den gjuts, rullas, dras och på annat sätt bearbetas som en metall.

glasartat beteende är relaterat till materialets atomstruktur. Om ren kiseldioxid (SiO2) smälts samman bildas ett glas som kallas glaskropp kiseldioxid vid kylning. Den grundläggande enhetsstrukturen för detta glas är kiseldioxidtetraeder, som består av en enda kiselatom omgiven av fyra ekvidistanta syreatomer. Kiselatomerna upptar öppningarna (interstitialerna) mellan syreatomerna och delar fyra valenselektroner med syreatomerna genom kovalent bindning. Kiseldioxidatomen har fyra valenselektroner och var och en av syreatomerna har två valenselektroner så kiseldioxidtetrahedronen har fyra extra valenselektroner att dela med intilliggande tetraedriska. Silikatstrukturerna kan kopplas samman genom att dela atomerna i två hörn av SiO2-tetraederna och bilda kedja eller ringstrukturer. Ett nätverk av kiseldioxidtetraedrala kedjor bildas, och vid höga temperaturer glider dessa kedjor lätt förbi varandra. När smältan svalnar minskar termisk vibrationsenergi och kedjorna kan inte röra sig lika lätt så att strukturen blir styvare. Kiseldioxid är den viktigaste beståndsdelen i glas, men andra oxider tillsätts för att ändra vissa fysiska egenskaper eller för att sänka smältpunkten.

keramiskt kristallint eller delvis kristallint Material
de flesta keramik innehåller vanligtvis både metalliska och icke-metalliska element med joniska eller kovalenta bindningar. Därför måste strukturen metallatomerna, strukturen hos de icke-metalliska atomerna och balansen av laddningar som produceras av valenselektronerna beaktas. Som med metaller används enhetscellen för att beskriva keramikens atomstruktur. De kubiska och sexkantiga cellerna är vanligast. Dessutom spelar skillnaden i radier mellan metalliska och icke-metalliska joner en viktig roll i arrangemanget av enhetscellen.

i metaller ledde det vanliga arrangemanget av atomer i tätt packade plan till förekomsten av glidning under stress, vilket ger metall deras karakteristiska duktilitet. I keramik är sprött fraktur snarare än glidning vanligt eftersom både arrangemanget av atomerna och typen av bindning är annorlunda. Fraktur-eller klyvningsplanen av keramik är resultatet av plan av regelbundet arrangerade atomer.

byggkriterierna för kristallstrukturen är:

• behåll neutralitet
• laddningsbalans dikterar kemisk formel
• uppnå närmaste förpackning

några av de olika typerna av keramiska material utanför glasfamiljen beskrivs nedan.

silikat keramik
som tidigare nämnts är kiseldioxidstrukturen grundstrukturen för många keramik såväl som glas. Den har ett internt arrangemang bestående av pyramid (tetraedriska eller fyrsidiga) enheter. Fyra stora syre (0) atomer omger varje mindre kisel (Si) atom. När kiseldioxidtetraeder delar tre hörnatomer producerar de skiktade silikater (talk, kaolinitlera, glimmer). Lera är det grundläggande råmaterialet för många byggprodukter som tegel och kakel. När kiseldioxidtetraeder delar fyra komeratomer producerar de ramsilikater (kvarts, tridymit). Kvarts bildas när tetraedern i detta material är ordnade på ett regelbundet, ordnat sätt. Om kiseldioxid i smält tillstånd kyls mycket långsamt kristalliseras det vid fryspunkten. Men om smält kiseldioxid kyls snabbare är det resulterande fasta ämnet ett oordnat arrangemang som är glas.

Cement
Cement (Portlandcement) är en av huvudingredienserna i betong. Det finns ett antal olika kvaliteter av cement men en typisk Portlandcement kommer att innehålla 19 till 25% SiO2 , 5 till 9% Al2O3, 60 till 64% CaO och 2 till 4% FeO. Cement framställs genom slipning av leror och kalksten i rätt proportion, bränning i en ugn, och omslipning. När vatten tillsätts sönderdelas mineralerna antingen eller kombineras med vatten, och en ny fas växer genom massan. Reaktionen är lösning, omkristallisation och utfällning av en silikatstruktur. Det är vanligtvis viktigt att kontrollera mängden vatten för att förhindra ett överskott som inte skulle ingå i strukturen och skulle försvaga det. Hydratiseringsvärmen (reaktionsvärme vid adsorption av vatten) vid cementens inställning kan vara stor och kan orsaka skador i stora strukturer.

Nitridkeramik
nitrider kombinerar keramikens överlägsna hårdhet med hög termisk och mekanisk stabilitet, vilket gör dem lämpliga för applikationer som skärverktyg, slitstarka delar och strukturella komponenter vid höga temperaturer. Tenn har en kubisk struktur som kanske är den enklaste och mest kända av strukturtyper. Katjoner och anjoner ligger båda vid noderna i separata FCC-gitter. Strukturen är oförändrad om Ti-och N-atomerna (gitter) byts ut.

ferroelektrisk keramik
beroende på kristallstrukturen, i vissa kristallgitter, sammanfaller centren för de positiva och negativa laddningarna inte ens utan applicering av externt elektriskt fält. I detta fall sägs det att det finns spontan polarisering i kristallen. När polariseringen av det dielektriska kan ändras av ett elektriskt fält kallas det ferroelektriskt. En typisk keramisk ferroelektrisk är bariumtitanat, BaTiO3. Ferroelektriska material, särskilt polykristallin keramik, är mycket lovande för sorter av applikationsfält som piezoelektriska/elektrostriktiva givare och elektrooptiska.

fasdiagram
fasdiagrammet är viktigt för att förstå bildandet och kontrollen av mikrostrukturen hos mikrostrukturen hos polyfaskeramik, precis som det är med polyfasmetalliska material. Dessutom är icke-jämviktsstrukturer ännu vanligare i keramik eftersom de mer komplexa kristallstrukturerna är svårare att kärnbilda och växa från smältan.

brister i keramik
brister i keramiska kristaller inkluderar punktdefekter och föroreningar som i metaller. Men i keramik defektbildning påverkas starkt av tillståndet för laddningsneutralitet eftersom skapandet av områden med obalanserade avgifter kräver en utgift av en stor mängd energi. I joniska kristaller resulterar laddningsneutralitet ofta i defekter som kommer som par joner med motsatt laddning eller flera närliggande punktfel där summan av alla laddningar är noll. Laddningsneutrala defekter inkluderar Frenkel-och Schottky-defekterna. En Frenkel-defekt uppstår när en värdatom flyttar in i en närliggande interstitiell position för att skapa ett ledigt interstitiellt par katjoner. En Schottky-defekt är ett par närliggande katjon-och anjonvakanser. Schottky defekt uppstår när en värd atom lämnar sin position och flyttar till ytan skapar en ledig-vakans par.

Ibland kan kompositionen förändras något för att komma fram till en mer balanserad atomladdning. Fasta ämnen som SiO2, som har en väldefinierad kemisk formel, kallas stökiometriska föreningar. När sammansättningen av ett fast ämne avviker från standardkemisk formel sägs det resulterande fasta ämnet vara nonstoichiometriskt. Nonstoichiometry och förekomsten av punktfel i ett fast ämne är ofta nära besläktade. Anjon lediga platser är källan till nonstoichiometry i SiO2-x,

introduktion av orenhetsatomer i gallret är sannolikt under förhållanden där laddningen upprätthålls. Detta är fallet med elektronegativa föroreningar som ersätter en gitteranjon eller elektropositiva substitutionella föroreningar. Detta är mer sannolikt för liknande Joniska radier eftersom detta minimerar den energi som krävs för gitterförvrängning. Fel kommer att uppstå om laddningen av föroreningarna inte är balanserad.