संरचनात्मक और कार्यात्मक सिरेमिक

संरचनात्मक सिरेमिक क्रिस्टलीय अकार्बनिक ठोस होते हैं जिन्हें उनकी कठोरता, शक्ति और गर्मी व घिसाव के प्रतिरोध के लिए चुना जाता है, जबकि कार्यात्मक सिरेमिक को उनके विद्युत, चुंबकीय या ऑप्टिकल प्रतिक्रिया के लिए चुना जाता है, जैसे कि ढांकता हुआ (dielectric), पीजोइलेक्ट्रिक (piezoelectric), या आयनिक व्यवहार।

Definition

संरचनात्मक सिरेमिक क्रिस्टलीय अकार्बनिक गैर-धात्विक पदार्थ होते हैं जिनका उपयोग मुख्य रूप से उनके यांत्रिक और तापीय गुणों के लिए किया जाता है; कार्यात्मक सिरेमिक वे होते हैं जिनका उपयोग उनकी क्रिस्टल संरचना और दोष रसायन विज्ञान से उत्पन्न होने वाले एक विशिष्ट विद्युत, चुंबकीय या ऑप्टिकल कार्य के लिए किया जाता है।

Scope

यह विषय क्रिस्टलीय इंजीनियरिंग सिरेमिक को शामिल करता है, जिन्हें उनके उपयोग किए गए गुण के आधार पर व्यवस्थित किया गया है: संरचनात्मक सिरेमिक जैसे एल्यूमिना, ज़िरकोनिया, सिलिकॉन कार्बाइड और सिलिकॉन नाइट्राइड, जिनका उपयोग यांत्रिक और तापीय प्रदर्शन के लिए किया जाता है; और कार्यात्मक (इलेक्ट्रॉनिक) सिरेमिक जैसे पेरोव्स्काइट टाइटेनेट्स, जिनका उपयोग कैपेसिटर, पीजोइलेक्ट्रिक्स और सेंसर के रूप में किया जाता है, साथ ही फेराइट्स और ठोस-इलेक्ट्रोलाइट ऑक्साइड भी। यह संघटन और सूक्ष्मसंरचना को फ्रैक्चर टफनेस, दुर्दम्यता (refractoriness) और कार्यात्मक प्रतिक्रिया से जोड़ता है।

Core questions

• कौन से सिरेमिक संरचनात्मक भूमिकाएँ निभाते हैं, और उन्हें शक्ति और दुर्दम्यता क्या प्रदान करता है?
• सिरेमिक की आंतरिक भंगुरता को कैसे कम किया जा सकता है?
• कौन सी क्रिस्टल-रासायनिक विशेषताएँ सिरेमिक को ढांकता हुआ, पीजोइलेक्ट्रिक या आयनिक रूप से प्रवाहकीय बनाती हैं?
• संघटन और सूक्ष्मसंरचना सिरेमिक के कार्य को कैसे समायोजित करते हैं?

Key concepts

• एल्यूमिना, ज़िरकोनिया और सिलिकॉन कार्बाइड
• फ्रैक्चर टफनेस और दोष नियंत्रण
• रूपांतरण सुदृढ़ीकरण
• पेरोव्स्काइट डाइइलेक्ट्रिक्स और पीजोइलेक्ट्रिक्स
• फेराइट्स
• ठोस-इलेक्ट्रोलाइट सिरेमिक

Key theories

संरचनात्मक सिरेमिक का सुदृढ़ीकरण

चूंकि सिरेमिक फ्रैक्चर से पहले बहुत कम विकृत होते हैं, उनकी विश्वसनीयता दोषों को नियंत्रित करने और सुदृढ़ीकरण तंत्रों पर निर्भर करती है, जैसे कि ज़िरकोनिया में तनाव-प्रेरित चरण परिवर्तन, जो एक दरार के सिरे पर ऊर्जा को अवशोषित करता है और फ्रैक्चर टफनेस को बढ़ाता है।

कार्यात्मक सिरेमिक का क्रिस्टल रसायन विज्ञान

कार्यात्मक प्रतिक्रिया संरचना से उत्पन्न होती है: पेरोव्स्काइट टाइटेनेट्स एक ध्रुवीय विरूपण से उच्च पारगम्यता (permittivity) और पीजोइलेक्ट्रिसिटी दिखाते हैं, फेराइट्स सुपरएक्सचेंज (superexchange) के माध्यम से चुंबकीय रूप से व्यवस्थित होते हैं, और दोष-डोप किए गए ऑक्साइड रिक्तियों के माध्यम से आयनों का संचालन करते हैं — प्रत्येक को संघटन और सूक्ष्मसंरचना द्वारा समायोजित किया जा सकता है।

Mechanisms

रूपांतरण सुदृढ़ीकरण (transformation toughening) में, एक मेटास्टेबल चरण एक दरार के सिरे के पास एक आयतन परिवर्तन के साथ रूपांतरित होता है जो दरार को बंद कर देता है और ऊर्जा को अवशोषित करता है; कार्यात्मक सिरेमिक में, ध्रुवीय जाली विरूपण आवेश को संग्रहीत करते हैं और तनाव से जुड़ते हैं, जबकि डोपिंग द्वारा उत्पन्न ऑक्सीजन रिक्तियां आयनिक धारा का वहन करती हैं।

Clinical relevance

संरचनात्मक सिरेमिक काटने के उपकरण, इंजन और टरबाइन घटक, और घिसाव-प्रतिरोधी व बायोमेडिकल प्रत्यारोपण प्रदान करते हैं, जबकि कार्यात्मक सिरेमिक मल्टीलेयर कैपेसिटर, पीजोइलेक्ट्रिक एक्चुएटर्स और सेंसर, चुंबकीय फेराइट कोर और सॉलिड-ऑक्साइड ईंधन-सेल इलेक्ट्रोलाइट्स का आधार हैं।

History

बीसवीं सदी के सिरेमिक विज्ञान, जिसकी स्थापना किंगरी ने की थी, ने पारंपरिक मिट्टी के बर्तनों और दुर्दम्य पदार्थों को एक मात्रात्मक क्षेत्र में बदल दिया, जो प्रसंस्करण, सूक्ष्मसंरचना और गुणों को जोड़ता था। 1970 के दशक में ज़िरकोनिया में रूपांतरण सुदृढ़ीकरण की खोज ने सिरेमिक को उपयोगी टफनेस प्रदान की, जबकि टाइटेनेट डाइइलेक्ट्रिक्स और पीजोइलेक्ट्रिक्स पर समानांतर कार्य ने इलेक्ट्रॉनिक-सिरेमिक उद्योग का निर्माण किया।

Key figures

• W. David Kingery
• Ronald Garvie

Seminal works

• kingery1976
• barsoum2003

Frequently asked questions

ज़िरकोनिया को अधिकांश सिरेमिक की तुलना में अधिक टफ क्या बनाता है?

ज़िरकोनिया को इस तरह से संसाधित किया जा सकता है कि कमरे के तापमान पर एक मेटास्टेबल क्रिस्टलीय चरण बना रहे। एक फैलती हुई दरार के पास, तनाव इस चरण को एक हल्के आयतन विस्तार के साथ रूपांतरित होने के लिए प्रेरित करता है जो दरार को बंद कर देता है और ऊर्जा को अवशोषित करता है, जिससे फ्रैक्चर टफनेस में तेजी से वृद्धि होती है।

पेरोव्स्काइट टाइटेनेट्स का इलेक्ट्रॉनिक्स में इतना व्यापक रूप से उपयोग क्यों किया जाता है?

बेरियम टाइटेनेट जैसे टाइटेनेट्स की पेरोव्स्काइट संरचना एक छोटे ध्रुवीय विरूपण का समर्थन करती है जो बहुत उच्च ढांकता हुआ पारगम्यता और पीजोइलेक्ट्रिक युग्मन प्रदान करती है। संघटन और सूक्ष्मसंरचना को समायोजित करके, इन गुणों को कैपेसिटर, सेंसर और एक्चुएटर्स के लिए ट्यून किया जा सकता है।