السيراميك والزجاج
السيراميك والزجاج مواد صلبة غير عضوية وغير معدنية — السيراميك بلوري والزجاج غير متبلور — تمنحها روابطها الأيونية والتساهمية القوية صلابة عالية، واستقرارًا حراريًا وكيميائيًا، ومجموعة واسعة من السلوكيات الكهربائية والبصرية.
Definition
السيراميك والزجاج مواد غير عضوية وغير معدنية، إما بلورية (السيراميك) أو غير متبلورة (الزجاج)، ترتبط بقوى أيونية وتساهمية، وتتميز بالصلابة، والاستقرار الحراري، والعزل الكهربائي أو الوظيفة المتحكم بها، والهشاشة المتأصلة.
Scope
يغطي هذا المجال كيمياء المواد غير العضوية غير المعدنية: بنية وتكوين الزجاج من خلال التزجيج (vitrification) لسائل مفرط التبريد؛ السيراميك الهيكلي والوظيفي البلوري، بما في ذلك الأكاسيد والكربيدات والنتريدات، المستخدمة لخصائصها الميكانيكية والحرارية والكهربائية والبصرية؛ ومعالجة المساحيق والتلبيد (sintering) الذي يتم من خلاله دمج مكونات السيراميك في أجسام كثيفة. ويربط هذا المجال الترابط والتركيب المجهري بالهشاشة ومقاومة الحرارة والاستجابة الوظيفية لهذه المواد.
Sub-topics
Core questions
- ما الذي يميز الزجاج عن السيراميك البلوري؟
- كيف يمنح الترابط السيراميك صلابته ومقاومته للحرارة وهشاشته؟
- كيف يتم تصميم السيراميك الوظيفي لأدواره الكهربائية والبصرية؟
- كيف يتم دمج مساحيق السيراميك في مكونات كثيفة؟
Key concepts
- الانتقال الزجاجي
- مكونات ومعدلات الشبكة
- سيراميك الأكاسيد والكربيدات والنتريدات
- التقصف والكسر
- التلبيد والتكثيف
- السيراميك الوظيفي
Key theories
- تكوين الزجاج عن طريق التزجيج
- عندما يتم تبريد المصهور بسرعة كافية لتجاوز التبلور، يصبح سائلًا مفرط التبريد لزجًا بشكل متزايد يتجمد إلى مادة صلبة غير متبلورة عند الانتقال الزجاجي؛ تبني أكاسيد تشكيل الشبكة الشبكة ثلاثية الأبعاد العشوائية المميزة للزجاج.
- الترابط، التركيب المجهري، وخصائص السيراميك
- تؤدي الروابط الأيونية-التساهمية القوية والموجهة إلى جعل السيراميك صلبًا ومتينًا ومستقرًا حراريًا وكيميائيًا، ولكنه أيضًا هش، لأنه لا توجد سوى طرق قليلة للتشوه دون كسر الروابط؛ ثم يتحكم التركيب المجهري، وخاصة المسامية وحجم الحبيبات، في القوة والوظيفة.
Clinical relevance
يعد السيراميك والزجاج ضروريين في جميع مجالات التكنولوجيا: يوفر السيراميك الهيكلي مكونات مقاومة للتآكل والحرارة، ويعمل السيراميك الوظيفي كمكثفات وأجهزة استشعار وإلكتروليتات صلبة، وتشكل الزجاجيات البصرية العدسات والألياف، وتستخدم السيراميك الحيوي في الغرسات — وهي تطبيقات متجذرة جميعها في الترابط والتركيب المجهري الموصوف هنا.
History
يعد السيراميك والزجاج من أقدم المواد الهندسية، لكن فهمهما العلمي حديث: فقد أوضحت نظرية الشبكة العشوائية لزاكارياسن عام 1932 بنية الزجاج، وأرسى عمل كينجيري في منتصف القرن العشرين علم السيراميك من خلال ربط المعالجة والتركيب المجهري والخصائص، محولًا الحرفة التجريبية إلى تخصص مواد كمي.
Key figures
- W. David Kingery
- William Houlder Zachariasen
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kingery1976
- shelby2005
Frequently asked questions
- هل الزجاج مادة صلبة أم سائلة؟
- الزجاج مادة صلبة. إنه غير متبلور، يفتقر إلى الترتيب البلوري طويل المدى لمعظم المواد الصلبة، ويتكون عن طريق تجميد سائل مفرط التبريد عند الانتقال الزجاجي. الادعاء القديم بأن الزجاج يتدفق على مر القرون هو مفهوم خاطئ؛ ففي درجة حرارة الغرفة، تكون لزوجته عالية جدًا بحيث لا يمكن قياس أي تدفق.
- لماذا السيراميك قوي ولكنه هش؟
- إن نفس الروابط الأيونية والتساهمية القوية والموجهة التي تجعل السيراميك صلبًا ومستقرًا تترك أيضًا آليات قليلة للتشوه اللدن. بدون حركة سهلة للانخلاعات، يتركز الإجهاد المطبق عند العيوب وينشر الشقوق، لذلك يفشل السيراميك بالكسر الهش بدلاً من الانثناء.