Керамика и стекло
Керамика и стекло — это неорганические, неметаллические твердые тела (кристаллическая керамика и аморфное стекло), чьи прочные ионные и ковалентные связи обеспечивают высокую твердость, термическую и химическую стабильность, а также широкий спектр электрических и оптических свойств.
Definition
Керамика и стекло — это неорганические, неметаллические материалы, либо кристаллические (керамика), либо аморфные (стекло), связанные ионными и ковалентными силами, и характеризующиеся твердостью, термической стабильностью, электрической изоляцией или контролируемой функцией, а также присущей им хрупкостью.
Scope
Эта область охватывает химию неорганических неметаллических материалов: структуру и образование стекол посредством витрификации переохлажденной жидкости; кристаллическую структурную и функциональную керамику, включая оксиды, карбиды и нитриды, используемые из-за их механических, термических, электрических и оптических свойств; а также порошковую обработку и спекание, посредством которых керамические компоненты консолидируются в плотные тела. Она связывает связи и микроструктуру с хрупкостью, огнеупорностью и функциональным откликом этих материалов.
Sub-topics
Core questions
- Что отличает стекло от кристаллической керамики?
- Как связи придают керамике твердость, огнеупорность и хрупкость?
- Как функциональная керамика адаптируется для электрических и оптических задач?
- Как керамические порошки консолидируются в плотные компоненты?
Key concepts
- Стеклование
- Сеткообразователи и модификаторы
- Оксидная, карбидная и нитридная керамика
- Хрупкость и разрушение
- Спекание и уплотнение
- Функциональная керамика
Key theories
- Образование стекла путем витрификации
- Когда расплав охлаждается достаточно быстро, чтобы избежать кристаллизации, он становится все более вязкой переохлажденной жидкостью, которая застывает в аморфное твердое тело при стеклообразовании; сеткообразующие оксиды формируют случайную трехмерную сетку, характерную для стекла.
- Связи, микроструктура и свойства керамики
- Прочные, направленные ионно-ковалентные связи делают керамику твердой, жесткой, термически и химически стабильной, но также хрупкой, поскольку существует мало способов деформации без разрыва связей; микроструктура, особенно пористость и размер зерна, затем контролирует прочность и функцию.
Clinical relevance
Керамика и стекло незаменимы в технологиях: конструкционная керамика обеспечивает износостойкие и термостойкие компоненты, функциональная керамика служит конденсаторами, датчиками и твердыми электролитами, оптическое стекло формирует линзы и волокна, а биокерамика используется в имплантатах — все эти применения основаны на связях и микроструктуре, описанных здесь.
History
Керамика и стекло относятся к старейшим искусственным материалам, но их научное понимание относительно недавнее: теория случайной сетки Захариасена 1932 года объяснила структуру стекла, а работы Кингери в середине двадцатого века заложили основы керамической науки, связав обработку, микроструктуру и свойства, превратив эмпирическое ремесло в количественную материаловедческую дисциплину.
Key figures
- W. David Kingery
- William Houlder Zachariasen
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kingery1976
- shelby2005
Frequently asked questions
- Стекло — это твердое тело или жидкость?
- Стекло — это твердое тело. Оно аморфно, ему не хватает дальнего кристаллического порядка большинства твердых тел, и оно образуется путем застывания переохлажденной жидкости при стеклообразовании. Старое утверждение о том, что стекло течет на протяжении веков, является заблуждением; при комнатной температуре его вязкость слишком высока для измеримого течения.
- Почему керамика прочная, но хрупкая?
- Те же самые прочные, направленные ионные и ковалентные связи, которые делают керамику твердой и стабильной, также оставляют мало механизмов для пластической деформации. Без легкого движения дислокаций приложенное напряжение концентрируется в дефектах и распространяет трещины, поэтому керамика разрушается путем хрупкого излома, а не изгиба.