Document
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
© Copyright 2024