Kapittel 12: Struktur og egenskaper til keramer
• Struktur hos keramiske materialer:
• Defekter
• Forurensninger
• Mekaniske egenskaper
1
Kjemisk binding i keramer
• Binding
-- ionebinding eller kovalent.
-- % ionebinding øker med differens i elektronegativitet
CaF2: large
SiC: small
2
3
Ionebinding og struktur
1. Størrelse - Stabile strukturer
-maksimer antall nærmeste naboer med annen ladning.
-
+
-
-
-
-
ustabil
• ladningsstabilitet:
-
stabil
-nettoladning i
strukturen må
være null.
-generell form:
+
-
CaF 2 :
-
-
+
-
-
stabil
Ca 2+ +
kation
anion
F-
A m Xp
m, p bestemt av ladningsstabilitet
4
F-
Koordinasjon # og ioneradier
• Koordinasjon # øker med
r kation
r anion
< 0.155
5
r kation
r anion
ZnS
(sinkblende)
Koord.
#
lineær
2
0.155 - 0.225
3 triangulær
0.225 - 0.414
4
TD
0.414 - 0.732
6
OH
0.732 - 1.0
8
kubisk
.
NaCl
(natriumklorid)
CsCl
(cesiumklorid)
Størrelsen av kationets plass
•
Bestem minimum rkation/ranion for OH plass (C.N. = 6)
2ranion + 2rcation = 2a
a = 2ranion
2ranion + 2rcation = 2 2ranion
ranion + rcation = 2ranion
rcation = ( 2 -1)ranion
rcation
= 0.414
ranion
6
Steinsaltstruktur
NaCl-struktur
rNa = 0.102 nm
rCl = 0.181 nm
rNa/rCl = 0.564
 kationer foretrekker OH hull
7
MgO og FeO
NaCl struktur
O2-
rO = 0.140 nm
Mg2+
rMg = 0.072 nm
rMg/rO = 0.514
 kationer foretrekker OH hull
8
Cesiumkloridstruktur
rCs
rCl
=
0.170
= 0.939
0.181
 Kubiske hull foretrukket
Hver Cs+ har 8 Cl- naboer
9
Sinkblendestruktur
rZn2+
rO 2-
=
0.074
= 0.529 Þ OH ??
0.140
• Størrelse indikerer Zn2+
i OH hull,
• Observasjoner viser på Zn2+
i TD hull
• Hvorfor Zn2+ i TD?
– hybridisering av binding –
Zn favoriserer TD hull
Hver Zn2+ har 4 nabo O2Ex: ZnO, ZnS, SiC
10
Fluorittstruktur
• Kalsiumfluoritt (CaF2)
• Kationer i kubiske hull
• UO2, ThO2, ZrO2, CeO2
• Antifluoritt struktur –
kationer og anioner
omvendt
11
Perovskittstruktur
Ex: kompleks oksid
BaTiO3
12
Keramiske krystallstrukturer
Oksidstrukturer
– Oksygen anioner mye større enn metalliske kationer
– Tettpakket oksygen i et gitter (normalt FCC)
– Kationer i hulrom i oksygengitteret
13
Silikatkeramer
Si og O vanligste element på jorden
Oppbygget fra SiO44- -tetraedre
Si4+
O2-
kristobalitt
• Sterk O-binding resulterer i sterke materialer med høy
smeltepunkt
14
Silikatglass
• Amorf struktur
• SiO44- baseenhet
• Nettverksdannere
– B2O3,
• Nettverksmodifiserere
– Na2O, CaO
15
Silikater
– Kombinere SiO44- tetraedre ved å dele hjørner, kanter eller
sider
– Kationer som Ca2+, Mg2+, & Al3+ nøytraliserer og gir
ionebinding
Mg2SiO4
16
Ca2MgSi2O7
Sjiktede silikater
17
•
Sjiktede silikater (leirer)
– SiO4 tetraedre bindet sammen til
2-D sjikt
•
•
(Si2O5)2Trenger kationer for å balansere
ladning
=
Adapted from Fig.
12.13, Callister 7e.
Sjiktede silikater
•
18
Kaolinitt leire vekselvis (Si2O5)2- sjikt med Al2(OH)42+ sjikt
Sjikt bundet sammen av svake van der Waal’s bindinger
Karbon
• Carbon black – amorf –
overflateareal ca. 1000 m2/g
• Diamant
– Tetraedrisk karbon
• hard – ingen gode glidelan
• Sprø
– Store diamanter – smykke
– Små diamanter
• Ofte kunstig laget – bruk I verktøy
for skjæring og polering
– Diamantfilmer
• Hard overflate – verktøy,
medisinske detaljer, etc.
19
Karbon - Grafitt
• Sjiktet struktur – aromatiske sjikt
20
– Svake van der Waal’s bindinger mellom sjikt
– Sjikt glir lett, gode smøremidler
Karbon – fullerener og nanorør
• Fullerener or karbon nanorør
– Bøy grafittsjikt til ball eller rør
– Buckminister fullerener
• Fotball C60 - også C70 + andre
21
Defekter i keramiske strukturer
• Frenkel defekt
-- et kation er ute av plass.
• Shottky defekt
-- ett par av kation- og anionvakanser.
Shottky
defekt:
Frenkel
defekt
• konsentrasjon av defekter ved likevekt
22
~e
-QD / kT
Forurensninger
• Forurensinger må tilfredsstille ladningsnøytralitet
• Ex: NaCl Na +
Cl -
• Substitusjonell kationforurensning
kation
vakans
Ca 2+
Na +
Na +
initial geometri
Ca 2+ forurensning
Ca 2+
resulterende geometri
• Substitusjonell anionforurensning
O2-
23
initial geometri
Cl Cl O2- forurensning
anion vakans
resulterende geometri
Keramiske fasediagrammer
MgO-Al2O3 diagram:

Spinel
24
Mekaniske egenskaper
Keramer sprøere enn metaller.
Mekanisme for deformasjon
– Glidning langs glideplan
• I ionestrukturer er gliding
vanskelig
• Mye energi trengs for å
flytte et anion forbi et annet
anion
Mest sprøbrudd
Bruddseighet
K1C = Ys c p a
25
Mekaniske egenskaper
•
Beror på materialfeil som lokalt forhøyer spenning
– Porer, korngrenser, mikrosprekk ….
•
26
Spekter av egenskaper.
Brudd
•Kimdanning
•Akselerasjon
•Høy hastighet
•Forgrening
27
Elastisitetsmodul
• Oppførsel ved rom-T normalt elastisk, sprøbrudd.
• 3-Punkts bøyetesting normalt.
--Strekktesting vanskelig for sprøe materialer.
F
Tverrsnitt
L/2
d
b
rect.
L/2
R
δ = midtpunkt
nedbøying
circ.
• Bestemning av E-modul:
F
E=
x
L3
F
d 4bd 3
d
rekt.
tverrsnitt
helning=
d
28
F
Lineær - elastisk oppførsel
=
F
L3
d 12 p R4
sirk.
tverrsnitt
Styrke
• 3-punkts bøyetesting.
Tverrsnitt
d
b
rect.
L/2
F
L/2
R
d = midtpunkt
nedbøying
circ.
max spenning
• Typiske verdier:
• Bøyefasthet:
Ff
s fs =
1.5Ff L
F
rekt.
bd 2
x
=
Ff L
pR3
sfs (MPa) E(GPa)
Si-nitrid
250-1000 304
SiC
100-820 345
Al-oksid
275-700 393
glass (soda)
69
69
Material
Data from Table 12.5, Callister 7e.
29
dfs
d
Mekaniske egenskaper
Styrke og modul
høyere for krystallinske
keramer enn for
glass
30