Ceramics – Structures and Properties

Ceramics – Structures and Properties

1 May 2020 Off By Sdbamie

12) Ceramics - Structures and Properties

 

12.1 Introduction

Ceramics are inorganic and non-metallic materials that are commonly electrical and thermal insulators, brittle and composed of more than one element (e.g., two in Al2O3)

Ceramic Structures

12.2 Crystal Structures

Ceramic bonds are mixed, ionic and covalent, with a proportion that depends on the particular ceramics. The ionic character is given by the difference of electronegativity between the cations (+) and anions (-).
Covalent bonds involve sharing of valence electrons. Very ionic crystals usually involve cations which are alkalis or alkaline-earths (first two columns of the periodic table) and oxygen or halogens as anions.
The building criteria for the crystal structure are two:

  • maintain neutrality
  • charge balance dictates chemical formula
  • achieve closest packing

the condition for minimum energy implies maximum attraction and minimum repulsion. This leads to contact, configurations where anions have the highest number of cation neighbors and viceversa.
The parameter that is important in determining contact is the ratio of cation to anion radii, rC/rA. Table 13.2 gives the coordination number and geometry as a function of rC/rA. For example, in the NaCl structure (Fig. 13.2), rC = rNa = 0.102 nm, rA =rCl.= 0.181 nm, so rC/rA.= 0.56. From table 13.2 this implies coordination number = 6, as observed for this rock-salt structure.
Other structures were shown in class, but will not be included in the test.

 

12.3 Silicate Ceramics

Oxygen and Silicon are the most abundant elements in Earth’s crust. Their combination (silicates) occur in rocks, soils, clays and sand. The bond is weekly ionic, with Si4+ as the cation and O2- as the anion. rSi = 0.04 nm, rO.= 0.14 nm, so rC/rA = 0.286. From table 13.2 this implies coordination number = 4, that is tetrahedral coordination (Fig. 13.9).
The tetrahedron is charged: Si4+ + 4O2- Þ (Si O4)4 -Silicates differ on how the tetrahedra are arranged. In silica, (SiO2), every oxygen atom is shared by adjacent tetrahedra. Silica can be crystalline (e.g., quartz) or amorphous, as in glass.
Soda glasses melt at lower temperature than amorphous SiO2 because the addition of Na2O (soda) breaks the tetrahedral network. A lower melting point makes it easy to form glass to make, for instance, bottles.

 

12.4 Carbon

Carbon is not really a ceramic, but an allotropic form, diamond, may be thought as a type of ceramic. Diamond has very interesting and even unusual properties:

  • diamond-cubic structure (like Si, Ge)
  • covalent C-C bonds
  • highest hardness of any material known
  • very high thermal conductivity (unlike ceramics)
  • transparent in the visible and infrared, with high index of refraction
  • semiconductor (can be doped to make electronic devices)
  • metastable (transforms to carbon when heated)

Synthetic diamonds are made by application of high temperatures and pressures or by chemical vapor deposition. Future applications of this latter, cheaper production method include hard coatings for metal tools, ultra-low friction coatings for space applications, and microelectronics.
Graphite has a layered structure with very strong hexagonal bonding within the planar layers (using 3 of the 3 bonding electrons) and weak, van der Waals bonding between layers using the fourth electron. This leads to easy interplanar cleavage and applications as a lubricant and for writing (pencils). Graphite is a good electrical conductor and chemically stable even at high temperatures. Applications include furnaces, rocket nozzles, electrodes in batteries.
A recently (1985) discovered formed of carbon is the C60 molecule, also known as fullerene or bucky-ball (after the architect Buckminster Fuller who designed the geodesic structure that C60 resembles.) Fullerenes and related structures like bucky-onions amd nanotubes are exceptionally strong. Future applications are as a structural material and possibly in microelectronics, due to the unusual properties that result when fullerenes are doped with other atoms.

 

12.5 Imperfections in Ceramics

Imperfections include point defects and impurities. Their formation is strongly affected by the condition of charge neutrality (creation of unbalanced charges requires the expenditure of a large amount of energy.
Non-stoichiometry refers to a change in composition so that the elements in the ceramic are not in the proportion appropriate for the compound (condition known as stoichiometry). To minimize energy, the effect of non-stoichiometry is a redistribution of the atomic charges (Fig. 13.1).
Charge neutral defects include the Frenkel and Schottky defects. A Frenkel-defect is a vacancy- interstitial pair of cations (placing large anions in an interstitial position requires a lot of energy in lattice distortion). A Schottky-defect is the a pair of nearby cation and anion vacancies.
Introduction of impurity atoms in the lattice is likely in conditions where the charge is maintained. This is the case of electronegative impurities that substitute a lattice anions or electropositive substitutional impurities. This is more likely for similar ionic radii since this minimizes the energy required for lattice distortion. Defects will appear if the charge of the impurities is not balanced.

12.6 Ceramic Phase Diagrams (not covered)

12.7 Brittle Fracture of Ceramics

The brittle fracture of ceramics limits applications. It occurs due to the unavoidable presence of microscopic flaws (micro-cracks, internal pores, and atmospheric contaminants) that result during cooling from the melt. The flaws need to crack formation, and crack propagation (perpendicular to the applied stress) is usually transgranular, along cleavage planes. The flaws cannot be closely controlled in manufacturing; this leads to a large variability (scatter) in the fracture strength of ceramic materials.
The compressive strength is typically ten times the tensile strength. This makes ceramics good structural materials under compression (e.g., bricks in houses, stone blocks in the pyramids), but not in conditions of tensile stress, such as under flexure.
Plastic deformation in crystalline ceramics is by slip, which is difficult due to the structure and the strong local (electrostatic) potentials. There is very little plastic deformation before fracture.
Non-crystalline ceramics, like common glass deform by viscous flow (like very high-density liquids).
Viscosity decreases strongly with increases temperature.

12.1 परिचय

चीनी मिट्टी की चीज़ें अकार्बनिक और गैर-धातु सामग्री हैं जो आमतौर पर बिजली और थर्मल इन्सुलेटर हैं, भंगुर और एक से अधिक तत्वों से बना है (जैसे, एल 2 ओ 3 में)

सिरेमिक संरचनाएं

12.2 क्रिस्टल संरचनाएं

सिरेमिक बांड मिश्रित होते हैं, आयनिक और सहसंयोजक, एक अनुपात के साथ जो विशेष सिरेमिक पर निर्भर करता है। आयनिक चरित्र को आयनों (+) और आयनों (-) के बीच वैद्युतीयऋणात्मकता के अंतर द्वारा दिया जाता है।
सहसंयोजक बंधों में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का बंटवारा होता है। बहुत आयनिक क्रिस्टल में आमतौर पर क्षार होते हैं जो क्षारीय या क्षारीय-पृथ्वी (आवर्त सारणी के पहले दो स्तंभ) और आयनों के रूप में ऑक्सीजन या हलोजन होते हैं।
क्रिस्टल संरचना के लिए भवन मानदंड दो हैं:

  • तटस्थता बनाए रखें
  • प्रभारी संतुलन रासायनिक सूत्र निर्धारित करता है
  • निकटतम पैकिंग प्राप्त करें

न्यूनतम ऊर्जा के लिए स्थिति का अर्थ अधिकतम आकर्षण और न्यूनतम प्रतिकर्षण है। यह संपर्क, कॉन्फ़िगरेशन की ओर जाता है जहां आयनों में सबसे अधिक अंकन पड़ोसी और वाइसवर्सा हैं।
संपर्क को निर्धारित करने में जो पैरामीटर महत्वपूर्ण है, वह आयनों त्रिज्या, आरसी / आरए के लिए अनुपात है। तालिका 13.2 आरसी / आरए के एक फ़ंक्शन के रूप में समन्वय संख्या और ज्यामिति देता है। उदाहरण के लिए, NaCl संरचना (चित्र। 13.2) में, rC = rNa = 0.102 एनएम, r = = rCl। = 0.181 एनएम, इसलिए rC / rA = 0.56। तालिका 13.2 से इसका तात्पर्य समन्वय संख्या = 6 से है, जैसा कि इस रॉक-नमक संरचना के लिए देखा गया है।
अन्य संरचनाओं को कक्षा में दिखाया गया था, लेकिन परीक्षण में शामिल नहीं किया जाएगा।

12.3 सिलिकेट सिरेमिक

पृथ्वी की पपड़ी में ऑक्सीजन और सिलिकॉन सबसे प्रचुर तत्व हैं। उनका संयोजन (सिलिकेट्स) चट्टानों, मिट्टी, मिट्टी और रेत में होता है। बंध साप्ताहिक आयनिक है, जिसमें C4 + के रूप में धनायन और O2- आयनों के रूप में है। आरएसआई = 0.04 एनएम, आरओ। = 0.14 एनएम, इसलिए आरसी / आरए = 0.286। तालिका 13.2 से इसका तात्पर्य समन्वय संख्या = 4 से है, जो टेट्राहेड्रल समन्वय (चित्र। 13.9) है।
टेट्राहेड्रॉन का आरोप लगाया गया है: Si4 + + 4O2- O (Si O4) 4 -Silicates इस बात पर भिन्न है कि टेट्राहेड्रा की व्यवस्था कैसे की जाती है। सिलिका, (SiO2) में, प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु आसन्न टेट्राहेड्रा द्वारा साझा किया जाता है। सिलिका क्रिस्टलीय हो सकती है (जैसे, क्वार्ट्ज) या अनाकार, कांच में।
सोडा चश्मा अनाकार SiO2 की तुलना में कम तापमान पर पिघलता है क्योंकि Na2O (सोडा) के अलावा टेट्रिडयार्ड नेटवर्क को तोड़ता है। एक कम गलनांक बनाने के लिए ग्लास बनाना आसान बनाता है, उदाहरण के लिए, बोतलें।

12.4 कार्बन

कार्बन वास्तव में एक सिरेमिक नहीं है, लेकिन एक एलोट्रोपिक रूप, हीरा, एक प्रकार का सिरेमिक माना जा सकता है। हीरा में बहुत रोचक और असामान्य गुण होते हैं:

  • हीरा-घन संरचना (जैसे सी, जीई)
  • सहसंयोजक सीसी बांड
  • किसी भी ज्ञात सामग्री की उच्चतम कठोरता
  • बहुत उच्च तापीय चालकता (सिरेमिक के विपरीत)
  • अपवर्तन के उच्च सूचकांक के साथ दृश्यमान और अवरक्त में पारदर्शी
  • अर्धचालक (इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बनाने के लिए डोप किया जा सकता है)
  • मेटास्टेबल (गर्म होने पर कार्बन में परिवर्तित होता है)

सिंथेटिक हीरे उच्च तापमान और दबाव के आवेदन या रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा बनाए जाते हैं। इस उत्तरार्द्ध के भविष्य के अनुप्रयोगों में, सस्ती उत्पादन पद्धति में धातु के औजारों के लिए कठोर कोटिंग, अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए अल्ट्रा-कम घर्षण कोटिंग्स और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक शामिल हैं।
ग्रेफाइट की परतदार परतों में प्लैनर परतों के भीतर बहुत मजबूत हेक्सागोनल बॉन्डिंग होती है (3 में से 3 बॉन्डिंग इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके) और चौथे इलेक्ट्रॉन का उपयोग करके परतों के बीच कमजोर, वैन डेर वाल्स बॉन्डिंग। यह एक स्नेहक के रूप में और लिखने (पेंसिल) के लिए आसान इंटरप्लानर दरार और अनुप्रयोगों की ओर जाता है। ग्रेफाइट एक अच्छा विद्युत कंडक्टर है और रासायनिक रूप से उच्च तापमान पर भी स्थिर है। अनुप्रयोगों में बैटरी में भट्टियां, रॉकेट नोजल, इलेक्ट्रोड शामिल हैं।
कार्बन का हाल ही में (1985) बनाया गया C60 अणु है, जिसे फुलरीन या बकी-बॉल के रूप में भी जाना जाता है (आर्किटेक्ट बकमिनस्टर फुलर के बाद, जिन्होंने जियोडेसिक संरचना को डिज़ाइन किया था जो C60 से मिलता-जुलता है।) फुलरीन और संबंधित संरचनाएँ जैसे हिरन-प्याज amd नैनोट्यूब असाधारण रूप से हैं। बलवान। भविष्य के अनुप्रयोग एक संरचनात्मक सामग्री के रूप में होते हैं और संभवत: माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में, असामान्य गुणों के कारण जब फुलरीन को अन्य परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है।

मिट्टी के पात्र में 12.5 इंप्रेशन

दोषों में बिंदु दोष और अशुद्धियाँ शामिल हैं। चार्ज न्यूट्रलिटी (असंतुलित शुल्कों के निर्माण) की स्थिति से उनका गठन दृढ़ता से प्रभावित होता है। इसके लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा के व्यय की आवश्यकता होती है।
गैर-स्टोइकोमेट्री रचना में परिवर्तन को संदर्भित करती है ताकि सिरेमिक में तत्व अनुपात के लिए उपयुक्त न हों। यौगिक (स्थिति को स्टोइकोमेट्री के रूप में जाना जाता है)। ऊर्जा को कम करने के लिए, नॉन-स्टोइकोमेट्री का प्रभाव परमाणु प्रभार का एक पुनर्वितरण है (छवि 13.1)।
चार्ज तटस्थ दोषों में फ्रेंकेल और शोटोटे दोष शामिल हैं। एक फ्रेंकेल-दोष एक रिक्ति-बीचवाला है। पिंजरों की जोड़ी (एक अंतरालीय स्थिति में बड़े आयनों को रखने से जाली विरूपण में बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है)। एक Schottky- दोष पास के कटियन और आयनों की रिक्तियों की एक जोड़ी है।
जाली में अशुद्धता परमाणुओं का परिचय उन स्थितियों में होने की संभावना है जहां प्रभार बनाए रखा जाता है। यह इलेक्ट्रोनगेटिव अशुद्धियों का मामला है जो एक जाली आयनों या इलेक्ट्रोपोसिटिव संस्थागत अशुद्धियों को प्रतिस्थापित करता है। यह समान आयनिक रेडी के लिए अधिक संभावना है क्योंकि यह जाली विरूपण के लिए आवश्यक ऊर्जा को कम करता है। दोष दिखाई देंगे यदि अशुद्धियों का आरोप संतुलित नहीं है।

12.6 सिरेमिक चरण आरेख (कवर नहीं)

12.7 मिट्टी के भंगुर भंगुर

सिरेमिक के भंगुर फ्रैक्चर अनुप्रयोगों को सीमित करते हैं। यह सूक्ष्म दोषों (सूक्ष्म दरारों, आंतरिक छिद्रों और वायुमंडलीय संदूकों) की अपरिहार्य उपस्थिति के कारण होता है, जिसके परिणामस्वरूप पिघल से ठंडा होता है। दोषों को दरार बनाने की आवश्यकता होती है, और दरार प्रसार (लागू तनाव के लिए लंबवत) आमतौर पर दरार वाले विमानों के साथ, ट्रांसग्रेनिअल होता है। निर्माण में खामियों को बारीकी से नियंत्रित नहीं किया जा सकता है; यह सिरेमिक सामग्री की फ्रैक्चर ताकत में एक बड़ी परिवर्तनशीलता (बिखराव) की ओर जाता है।
कंप्रेसिव स्ट्रेंथ आमतौर पर टेंसिल स्ट्रेंथ से दस गुना होती है। यह संपीड़न के तहत सिरेमिक को अच्छी संरचनात्मक सामग्री बनाता है (उदाहरण के लिए, घरों में ईंटें, पिरामिड में पत्थर के ब्लॉक), लेकिन तन्य तनाव की स्थितियों में नहीं, जैसे कि flexure के तहत।
क्रिस्टलीय सिरेमिक में प्लास्टिक की विकृति पर्ची द्वारा होती है, जो संरचना और मजबूत स्थानीय (इलेक्ट्रोस्टैटिक) क्षमता के कारण मुश्किल है। फ्रैक्चर से पहले बहुत कम प्लास्टिक विरूपण है।
गैर-क्रिस्टलीय चीनी मिट्टी की चीज़ें, चिपचिपा प्रवाह (जैसे बहुत अधिक घनत्व वाले तरल पदार्थ) द्वारा आम कांच के विकृति की तरह।
तापमान बढ़ने के साथ चिपचिपाहट कम हो जाती है।

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