Kapittel 12: Struktur og egenskaper til keramer

Transkript

1 Kapittel 12: Struktur og egenskaper til keramer Struktur hos keramiske materialer: Defekter Forurensninger Mekaniske egenskaper 1

2 Kjemisk binding i keramer Binding -- ionebinding eller kovalent. -- % ionebinding øker med differens i elektronegativitet CaF 2 : large SiC: small 2

3 3

4 Ionebinding og struktur 1. Størrelse - Stabile strukturer -maksimer antall nærmeste naboer med annen ladning ustabil ladningsstabilitet: -nettoladning i strukturen må være null. -generell form: AmXp stabil stabil CaF2: Ca 2+ kation + F - anion F - 4 m, p bestemt av ladningsstabilitet

5 Koordinasjon # og ioneradier Koordinasjon # øker med r kation r anion r kation r anion < Koord. # 2 lineær ZnS (sinkblende) triangulær T D. NaCl (natriumklorid) O H kubisk CsCl (cesiumklorid) 5

6 Størrelsen av kationets plass Bestem minimum r kation /r anion for O H plass (C.N. = 6) 2r anion + 2r cation = 2a a = 2r anion 2r anion + 2r cation = 2 2r anion r anion + r cation = 2r anion r cation = ( 2-1)r anion 6 rcation = r anion

7 Steinsaltstruktur NaCl-struktur r Na = nm r Cl = nm r Na /r Cl = kationer foretrekker O H hull 7

8 MgO og FeO NaCl struktur O 2- Mg 2+ r O = nm r Mg = nm r Mg /r O = kationer foretrekker O H hull 8

9 Cesiumkloridstruktur r Cl Cs = = r Kubiske hull foretrukket Hver Cs + har 8 Cl - naboer 9

10 Sinkblendestruktur r Zn r O = = Þ O H?? Størrelse indikerer Zn 2+ i O H hull, Observasjoner viser på Zn 2+ i T D hull Hvorfor Zn 2+ i T D? hybridisering av binding Zn favoriserer T D hull Hver Zn 2+ har 4 nabo O 2-10 Ex: ZnO, ZnS, SiC

11 Fluorittstruktur Kalsiumfluoritt (CaF 2 ) Kationer i kubiske hull UO 2, ThO 2, ZrO 2, CeO 2 Antifluoritt struktur kationer og anioner omvendt 11

12 Perovskittstruktur Ex: kompleks oksid BaTiO 3 12

13 Keramiske krystallstrukturer Oksidstrukturer Oksygen anioner mye større enn metalliske kationer Tettpakket oksygen i et gitter (normalt FCC) Kationer i hulrom i oksygengitteret 13

14 Silikatkeramer Si og O vanligste element på jorden Oppbygget fra SiO tetraedre Si 4+ O 2- kristobalitt Sterk O-binding resulterer i sterke materialer med høy smeltepunkt 14

15 Silikatglass Amorf struktur SiO 4-4 baseenhet Nettverksdannere B 2 O 3, Nettverksmodifiserere Na 2 O, CaO 15

16 Silikater Kombinere SiO 4 4- tetraedre ved å dele hjørner, kanter eller sider Kationer som Ca 2+, Mg 2+, & Al 3+ nøytraliserer og gir ionebinding Mg 2 SiO 4 Ca 2 MgSi 2 O 7 16

17 Sjiktede silikater Sjiktede silikater (leirer) SiO 4 tetraedre bindet sammen til 2-D sjikt (Si 2 O 5 ) 2- Trenger kationer for å balansere ladning = Adapted from Fig , Callister 7e. 17

18 Sjiktede silikater Kaolinitt leire vekselvis (Si 2 O 5 ) 2- sjikt med Al 2 (OH) 4 2+ sjikt 18 Sjikt bundet sammen av svake van der Waal s bindinger

19 Karbon Carbon black amorf overflateareal ca m 2 /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

20 Karbon - Grafitt Sjiktet struktur aromatiske sjikt 20 Svake van der Waal s bindinger mellom sjikt Sjikt glir lett, gode smøremidler

21 Karbon fullerener og nanorør Fullerener or karbon nanorør Bøy grafittsjikt til ball eller rør Buckminister fullerener Fotball C 60 - også C 70 + andre 21

22 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 ~ e - Q D / kt 22

23 Forurensninger Forurensinger må tilfredsstille ladningsnøytralitet Ex: NaCl Na + Cl - Substitusjonell kationforurensning kation vakans Ca 2+ Na + Na + initial geometri Ca 2+ Ca 2+ forurensning resulterende geometri Substitusjonell anionforurensning O 2- anion vakans Cl - Cl - 23 initial geometri O 2- forurensning resulterende geometri

24 Keramiske fasediagrammer MgO-Al 2 O 3 diagram: Spinel 24

25 Mekaniske egenskaper Keramer sprøere enn metaller. Mekanisme for deformasjon Glidning langs glideplan Mest sprøbrudd I ionestrukturer er gliding vanskelig Mye energi trengs for å flytte et anion forbi et annet anion Bruddseighet K 1C = Ys c pa 25

26 Mekaniske egenskaper Beror på materialfeil som lokalt forhøyer spenning Porer, korngrenser, mikrosprekk. Spekter av egenskaper. 26

27 Brudd Kimdanning Akselerasjon Høy hastighet Forgrening 27

28 Elastisitetsmodul 28 Oppførsel ved rom-t normalt elastisk, sprøbrudd. 3-Punkts bøyetesting normalt. --Strekktesting vanskelig for sprøe materialer. Tverrsnitt b rect. d R circ. Bestemning av E-modul: F x F helning= d d Lineær - elastisk oppførsel F L/2 L/2 E = F d L 3 rekt. tverrsnitt 4bd 3 = F d δ = midtpunkt nedbøying L 3 12pR 4 sirk. tverrsnitt

29 Styrke 3-punkts bøyetesting. Tverrsnitt b rect. d R circ. F L/2 L/2 max spenning d = midtpunkt nedbøying 29 Bøyefasthet: F f s fs = F x d fs 1.5F f L = F f L bd 2 pr 3 rekt. d Material Typiske verdier: Si-nitrid SiC Al-oksid glass (soda) Data from Table 12.5, Callister 7e. sfs(mpa) E(GPa)

30 Mekaniske egenskaper Styrke og modul høyere for krystallinske keramer enn for glass 30