陶瓷成分和性质

陶瓷成分和性质陶瓷、原子和分子的性质材料及其导致的工业应用的特点和性能。

工业陶瓷通常被理解为所有工业用无机材料,非金属固体。通常他们是金属氧化物(即化合物金属元素和氧),但许多陶瓷(特别是先进陶瓷)是金属元素的化合物,碳,氮、硫。在原子结构最常见的结晶,尽管他们也可能包含玻璃和水晶阶段的组合。这些结构和化学成分,虽然不同,导致公认ceramic-like持久的实用程序的性质,包括:机械强度的脆性;化学耐久性的恶化影响氧气、水、酸、碱、盐和有机溶剂;硬度,有助于抵抗磨损;温度和电导率大大低于金属;和一个能力饰面。

在这篇文章中陶瓷的性质之间的关系和它们的化学和结构性质。但这种描述是尝试之前,它必须指出,有上述特征的几个例外。在化学作文例如,钻石和石墨,这是两种不同形式的碳,即使他们并不被认为是陶瓷组成的无机化合物。也有例外情况的性质归结为陶瓷。回到钻石的例子,这种材料,虽然被认为是一个陶瓷,有一个热导率高于铜财产珠宝商使用区分真正的钻石和模拟的之间,如立方氧化锆(一种单晶二氧化锆)。事实上,许多陶瓷导电电。例如,多晶氧化锆(many-grained)版本是用作氧传感器在汽车发动机由于其离子电导率。同时,铜氧化物陶瓷已被证明有超导特性。即使是著名的陶瓷脆性有其例外。例如,某些复合陶瓷包含胡须、纤维或颗粒干扰裂纹传播显示缺陷与抵抗那金属的宽容和韧性。

然而,尽管有这样的例外,陶瓷一般显示硬度的特性,耐火度(高熔点),电导率较低,脆性。这些属性密切相关的特定类型的化学成键和晶体结构中发现的材料。化学成键下面依次解决和晶体结构。

化学键

潜在的许多属性中发现陶瓷是强劲的主要债券,持有的原子聚集在一起形成了陶瓷材料。这些化学键有两种类型:他们要么离子的性格,包括原子的成键电子转移阳性(阳离子)到原子的电负性(阴离子),或者他们是共价的性格,涉及轨道之间共享的电子组成原子或离子。共价键在本质上是高度定向的,通常规定类型的晶体结构。离子键,另一方面,完全是没有方向的。这没有方向的离子的性质允许硬球包装安排成各种晶体结构,有两个局限性。第一个限制是阴离子和阳离子的相对大小。负离子通常大,装得满满的,在面心立方(fcc)里或六角装得满满的(hcp)的晶体结构中发现的金属。(这些金属晶体结构图1)。阳离子,另一方面,通常较小,占领间隙,或空间,阴离子之间的晶格。

第二个限制晶体结构的类型,可以采用具有离子结合原子是基于物理学定律晶体必须保持电中性。这法律的电中性结果的形成非常具体stoichiometries-that,特定比率的阳离子,阴离子保持净正负电荷之间的平衡。事实上,阴离子是包在阳离子,阴离子和阳离子,为了消除局部电荷不平衡。这种现象被称为协调。

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大部分的主要化学键中发现陶瓷材料实际上是离子的混合物和共价类型。电负性越大阴离子和阳离子的区别(也就是说,差异越大潜在接受或捐赠电子),越接近离子结合(也就是说,越有可能是电子转移,形成带正电的阳离子和带负电荷的阴离子)。相反、小电负性的差异导致共享电子,共价键的发现。

次级债券在某些陶瓷也很重要。例如,在钻石,一种单晶的碳,所有债券都是主要的,但在石墨,碳的多晶形式,有初级债券表内水晶谷物和次级债券床第之间。相对较弱的次级债券允许床单滑过去,给石墨众所周知的润滑性。在陶瓷的主要债券,让他们中最强的,最严重的,最耐火材料。

晶体结构

水晶结构还负责许多陶瓷的性质。通过2 d代表晶体结构在图2所示,说明很多独特的陶瓷材料的特性。每个集合离子的一个整体框描述所示单胞的结构。反复翻译单位细胞一个盒子在任何方向,通过不断沉积,细胞内离子的模式在每个新职位,可以建立任何大小的晶体。在第一个结构(图2一个)所示的材料镁(分别),尽管结构本身被称为岩盐因为共同的食盐(氯化钠、氯化钠)有相同的结构。在岩盐结构离子周围是6的直接邻居相反的电荷(例如,中央毫克^{2 +}阳离子,周围是O²⁻阴离子)。这非常有效的包装允许当地中和的电荷,使稳定的结合。氧化物结晶的结构往往有相对较高的熔点。(例如,镁耐火陶瓷是一种常见的成分)。

第二结构(图2 b)萤石后,矿物氟化钙(CaF₂),它具有这种结构所示的材料二氧化铀(二氧化铀,UO₂)。这种结构的氧负离子只连着四个阳离子。氧化物与这个结构是众所周知的氧气空位就可以形成。在氧化锆(二氧化锆,ZrO₂),也具有这种结构,可以形成大量的空缺兴奋剂,或者小心翼翼地将不同元素的离子插入到组合。这些空缺成为移动在高温下,传授氧离子导电性的材料,使其在某些电气应用程序有用。萤石结构也表现出非常大的开放空间,特别是在细胞单元的中心。在二氧化铀作为燃料元件核反应堆,人们认为这种开放是帮助容纳裂变产物和减少不必要的肿胀。

第三个结构(图2 c)钙钛矿。在大多数情况下,钙钛矿结构cubic-that,各方的单位细胞都是相同的。然而,在钛酸钡(BaTiO₃),图中所示,中央Ti^{4 +}阳离子可以诱导偏离中心的移动,导致noncubic对称和一个电偶极子,或者向两端对齐的正负电荷的结构。这个偶极子负责钛酸钡铁电性质,邻近的偶极子域的方向相同。巨大的介电常数与钙钛矿材料可以实现许多陶瓷电容器设备的基础。

钙钛矿陶瓷中的noncubic变化引入的概念各向异性即:离子的安排,都是不相同的,在所有的方向。在严重的各向异性材料可以有属性的变化。这些情况都说明了氧化钇钡铜(氧;化学公式YBa₂铜₃O₇所示),图2 d。氧是一种超导陶瓷;也就是说,它失去了所有的抵抗电流在极低的温度下。其结构包括三个方块,钇或中心,钡铜角,和氧气在每个边缘和中间除了中间的立方体,氧空位的外缘。这个结构中的关键特性是两张copper-oxygen的存在离子位于上方和下方的氧气空缺,以及超导性发生。电子垂直于这些表的运输并不青睐,使氧结构严重的各向异性。(在编造的一个挑战水晶氧陶瓷能够通过大电流,使所有的谷物以这样一种方式,他们copper-oxygen表排队。)

Nonconductivity

通常,陶瓷是电的不良导体,因此成为优秀的绝缘体。Nonconductivity源自缺乏“自由”电子中发现金属等。在具有离子结合成键电子,陶瓷是接受的电负性元素,如氧,和捐赠的阳性元素,通常是一个金属。结果是,所有的电子都紧密地绑定到的离子结构,离开没有自由电子导电。在共价键,之间类似的局部定向轨道成键电子原子,和没有自由电子导电。

有两种方法,可以使导电陶瓷。在足够高的温度下点缺陷如氧空位,可能出现导致离子电导率。(这是在氧化锆为例,指出以上。)此外,引入某些过渡金属元素(如铁、铜、锰、钴),lanthanoid元素(如铈),或锕系元素元素(如铀)可以产生特殊的电子态移动电子或电子空穴的出现。铜线圈超导体是一个很好的例子导电过渡金属氧化物陶瓷在这种情况下,电导率在极低的温度下发生。

脆性

不像大多数金属在室温下,几乎所有的陶瓷脆性;即。,当被张力他们突然失败,很少或根本没有在断裂前塑性变形。金属,另一方面,韧性(也就是说,他们变形和弯曲时受到的压力),他们拥有这个非常有用的属性由于缺陷混乱在其晶体晶格。有许多种类的混乱。在一种,被称为一个刃型位错,一个额外的飞机可以生成原子在晶体结构中,紧张的断裂点,将原子聚集在一起。如果压力是应用于该结构,它可能剪切沿着飞机债券是最弱的地方,和位错滑到下一个原子位置,债券将重新建立。这种下滑到一个新的位置是塑性变形的核心。金属通常韧性因为混乱很常见,通常容易移动。

然而,在陶瓷、混乱并不常见(虽然他们并不是不存在的),他们很难搬到一个新的位置。原因在于债券持有晶体结构的性质在一起。具有离子保税陶瓷类飞机作为所谓的(111)面显示切斜穿过岩盐结构图3中,前只都包含一种离子,因此不平衡分布的指控。试图插入这样的半平面陶瓷不会支持一个稳定债券,除非半平面电荷相反的离子也被插入。甚至在飞机charge-balanced-for实例,创建的(100)面垂直切片中间的岩盐晶体结构,如图3所示,沿着中间bottom-slip诱导将相同离子接近。相同的指控会互相排斥,会阻碍位错运动。相反,这种材料会断裂的方式通常与脆性相关联。

为了多晶材料韧性,他们必须具备超过最低数量的独立的滑动系统,飞机或方向会发生滑移。滑系统的存在使得晶体变形的转移从一个粮食。金属通常所需数量的滑动系统,甚至在室温下。陶瓷,然而,不,结果他们是出了名的脆弱。

眼镜完全缺乏长程周期性晶体结构,更容易比陶瓷的脆性断裂。因为他们相似的物理属性(包括脆性)和类似的化学成分(例如,氧化物),无机眼镜被认为是陶瓷在世界上的许多国家。事实上,部分熔融许多陶瓷的处理结果中一个重要的玻璃在最后的许多陶瓷机构的组成部分(例如,瓷器),这部分是负责许多可取的属性(例如,液体不渗透性)。然而,因为他们独特的处理和应用,眼镜在本文分别对待工业玻璃。

粉处理

与金属和眼镜,可以融化,随后滚,重铸,或压成形状,必须由陶瓷粉末。正如上面指出的,陶瓷很少变形,特别是在室温下,通过冷作显微结构的修改和再结晶与大多数陶瓷金属是不可能的。相反,陶瓷通常是由粉末,合并和强化烧结。烧结是一个过程,粒子债券和合并的影响下热量,导致收缩和减少孔隙度。类似的过程称为粉末冶金金属制造。

粉处理是用来制造产品,通常确认为传统ceramics-namely,白色器皿如瓷器和中国,结构性粘土等产品砖和瓷砖,为绝缘耐火材料和衬里冶金炉和玻璃坦克、研磨剂、水泥。它还用于生产先进陶瓷,包括对电子陶瓷、磁性、光学、核、和生物应用。传统陶瓷涉及大量的产品和相对低附加值的制造业。先进陶瓷,另一方面,往往涉及到小卷的产品和高附加值的制造业。