เซรามิกและแก้ว
เซรามิกและแก้วเป็นของแข็งอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะ ซึ่งประกอบด้วยเซรามิกที่เป็นผลึกและแก้วอสัณฐาน การยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไอออนิกและโคเวเลนต์ที่แข็งแรงทำให้มีความแข็งสูง มีเสถียรภาพทางความร้อนและเคมี และมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทัศนศาสตร์ที่หลากหลาย
Definition
เซรามิกและแก้วเป็นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะ ซึ่งอาจเป็นผลึก (เซรามิก) หรืออสัณฐาน (แก้ว) ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงไอออนิกและโคเวเลนต์ และมีลักษณะเฉพาะคือความแข็ง เสถียรภาพทางความร้อน การเป็นฉนวนไฟฟ้าหรือมีฟังก์ชันที่ควบคุมได้ และความเปราะโดยธรรมชาติ
Scope
ขอบเขตนี้ครอบคลุมเคมีของวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะ: โครงสร้างและการก่อตัวของแก้วผ่านกระบวนการเปลี่ยนเป็นเนื้อแก้ว (vitrification) ของของเหลวเย็นยวดยิ่ง; โครงสร้างผลึกและเซรามิกเชิงหน้าที่ ซึ่งรวมถึงออกไซด์ คาร์ไบด์ และไนไตรด์ ที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางกล ความร้อน ไฟฟ้า และทัศนศาสตร์; และกระบวนการแปรรูปผงและการเผาผนึก (sintering) ซึ่งทำให้ส่วนประกอบเซรามิกถูกรวมเข้าเป็นเนื้อเดียวกันเป็นชิ้นงานที่หนาแน่น ขอบเขตนี้เชื่อมโยงการยึดเหนี่ยวและโครงสร้างจุลภาคเข้ากับความเปราะ ความทนไฟ และการตอบสนองเชิงหน้าที่ของวัสดุเหล่านี้
Sub-topics
Core questions
- อะไรคือสิ่งที่แยกแยะแก้วออกจากเซรามิกที่เป็นผลึก?
- พันธะมีส่วนทำให้เซรามิกมีความแข็ง ความทนไฟ และความเปราะได้อย่างไร?
- เซรามิกเชิงหน้าที่ถูกปรับแต่งให้มีบทบาททางไฟฟ้าและทัศนศาสตร์ได้อย่างไร?
- ผงเซรามิกถูกรวมเข้าเป็นส่วนประกอบที่หนาแน่นได้อย่างไร?
Key concepts
- การเปลี่ยนสถานะเป็นแก้ว
- สารก่อโครงข่ายและสารปรับปรุงโครงข่าย
- เซรามิกออกไซด์ คาร์ไบด์ และไนไตรด์
- ความเปราะและการแตกหัก
- การเผาผนึกและการทำให้หนาแน่น
- เซรามิกเชิงหน้าที่
Key theories
- การก่อตัวของแก้วโดยการเปลี่ยนเป็นเนื้อแก้ว
- เมื่อของเหลวหลอมเหลวถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วพอที่จะหลีกเลี่ยงการตกผลึก มันจะกลายเป็นของเหลวเย็นยวดยิ่งที่มีความหนืดเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งจะแข็งตัวเป็นของแข็งอสัณฐานที่อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้ว; ออกไซด์ที่ก่อโครงข่ายจะสร้างโครงข่ายสามมิติแบบสุ่มซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของแก้ว
- การยึดเหนี่ยว โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติของเซรามิก
- พันธะไอออนิก-โคเวเลนต์ที่แข็งแรงและมีทิศทางทำให้เซรามิกมีความแข็ง แข็งแกร่ง และมีเสถียรภาพทางความร้อนและเคมี แต่ก็เปราะด้วย เนื่องจากมีกลไกการเปลี่ยนรูปน้อยมากที่จะไม่ทำให้พันธะแตกหัก; โครงสร้างจุลภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งความพรุนและขนาดเกรน จึงควบคุมความแข็งแรงและหน้าที่
Clinical relevance
เซรามิกและแก้วมีความสำคัญอย่างยิ่งในเทคโนโลยี: เซรามิกโครงสร้างให้ส่วนประกอบที่ทนทานต่อการสึกหรอและความร้อน, เซรามิกเชิงหน้าที่ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุ เซ็นเซอร์ และอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง, แก้วทัศนศาสตร์ใช้ทำเลนส์และเส้นใย, และชีวเซรามิกใช้ในการปลูกถ่าย — การประยุกต์ใช้ทั้งหมดนี้มีรากฐานมาจากการยึดเหนี่ยวและโครงสร้างจุลภาคที่อธิบายไว้ในที่นี้
History
เซรามิกและแก้วเป็นหนึ่งในวัสดุที่เก่าแก่ที่สุดที่มนุษย์สร้างขึ้น แต่ความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์เพิ่งเกิดขึ้นไม่นาน: ทฤษฎีเครือข่ายสุ่มของ Zachariasen ในปี 1932 อธิบายโครงสร้างของแก้ว และงานของ Kingery ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ได้วางรากฐานวิทยาศาสตร์เซรามิกโดยเชื่อมโยงกระบวนการผลิต โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติ ทำให้งานฝีมือเชิงประจักษ์กลายเป็นสาขาวิชาวัสดุเชิงปริมาณ
Key figures
- W. David Kingery
- William Houlder Zachariasen
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kingery1976
- shelby2005
Frequently asked questions
- แก้วเป็นของแข็งหรือของเหลว?
- แก้วเป็นของแข็ง เป็นอสัณฐาน ขาดระเบียบผลึกระยะยาวของของแข็งส่วนใหญ่ และเกิดจากการแข็งตัวของของเหลวเย็นยวดยิ่งที่อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้ว ข้ออ้างเก่าที่ว่าแก้วไหลไปตามกาลเวลาเป็นความเข้าใจผิด; ที่อุณหภูมิห้อง ความหนืดของมันสูงเกินไปที่จะเกิดการไหลที่วัดได้
- ทำไมเซรามิกถึงแข็งแรงแต่เปราะ?
- พันธะไอออนิกและโคเวเลนต์ที่แข็งแรงและมีทิศทางเดียวกันซึ่งทำให้เซรามิกมีความแข็งและเสถียร ยังทำให้มีกลไกสำหรับการเปลี่ยนรูปพลาสติกน้อยมาก หากไม่มีการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันที่ง่าย ความเค้นที่กระทำจะไปรวมตัวกันที่ข้อบกพร่องและทำให้เกิดการแพร่กระจายของรอยร้าว ดังนั้นเซรามิกจึงแตกหักแบบเปราะมากกว่าการโค้งงอ