Gốm sứ và Thủy tinh
Gốm sứ và thủy tinh là các chất rắn vô cơ, phi kim loại — gốm sứ kết tinh và thủy tinh vô định hình — có liên kết ion và cộng hóa trị mạnh mẽ, mang lại độ cứng cao, ổn định nhiệt và hóa học, cùng với nhiều đặc tính điện và quang học đa dạng.
Definition
Gốm sứ và thủy tinh là vật liệu vô cơ, phi kim loại, có thể ở dạng kết tinh (gốm sứ) hoặc vô định hình (thủy tinh), được liên kết bằng lực ion và cộng hóa trị, và được đặc trưng bởi độ cứng, ổn định nhiệt, cách điện hoặc chức năng được kiểm soát, và tính giòn nội tại.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm hóa học của vật liệu vô cơ phi kim loại: cấu trúc và sự hình thành thủy tinh thông qua quá trình thủy tinh hóa của chất lỏng siêu lạnh; gốm sứ cấu trúc và chức năng kết tinh, bao gồm oxit, cacbua và nitrua, được sử dụng vì các đặc tính cơ học, nhiệt, điện và quang học của chúng; và quá trình xử lý bột và thiêu kết để các thành phần gốm được củng cố thành các vật thể đặc. Nó liên kết liên kết và cấu trúc vi mô với tính giòn, khả năng chịu nhiệt và phản ứng chức năng của các vật liệu này.
Sub-topics
Core questions
- Điều gì phân biệt thủy tinh với gốm sứ kết tinh?
- Liên kết mang lại cho gốm sứ độ cứng, khả năng chịu nhiệt và tính giòn như thế nào?
- Gốm sứ chức năng được điều chỉnh cho các vai trò điện và quang học như thế nào?
- Bột gốm được củng cố thành các thành phần đặc như thế nào?
Key concepts
- Chuyển tiếp thủy tinh
- Chất tạo mạng và chất biến đổi mạng
- Gốm oxit, cacbua và nitrua
- Tính giòn và gãy vỡ
- Thiêu kết và làm đặc
- Gốm chức năng
Key theories
- Sự hình thành thủy tinh bằng quá trình thủy tinh hóa
- Khi một chất nóng chảy được làm nguội đủ nhanh để bỏ qua quá trình kết tinh, nó trở thành một chất lỏng siêu lạnh ngày càng nhớt, đông đặc thành chất rắn vô định hình tại điểm chuyển tiếp thủy tinh; các oxit tạo mạng xây dựng mạng ba chiều ngẫu nhiên đặc trưng của thủy tinh.
- Liên kết, cấu trúc vi mô và tính chất của gốm sứ
- Các liên kết ion-cộng hóa trị mạnh, có định hướng làm cho gốm sứ cứng, chắc và ổn định về nhiệt và hóa học nhưng cũng giòn, vì có ít cách để biến dạng mà không phá vỡ liên kết; cấu trúc vi mô, đặc biệt là độ xốp và kích thước hạt, sau đó kiểm soát độ bền và chức năng.
Clinical relevance
Gốm sứ và thủy tinh rất cần thiết trong công nghệ: gốm sứ cấu trúc cung cấp các thành phần chịu mài mòn và chịu nhiệt, gốm sứ chức năng đóng vai trò là tụ điện, cảm biến và chất điện phân rắn, thủy tinh quang học tạo thành thấu kính và sợi quang, và gốm sinh học được sử dụng trong cấy ghép — tất cả các ứng dụng này đều bắt nguồn từ liên kết và cấu trúc vi mô được mô tả ở đây.
History
Gốm sứ và thủy tinh là một trong những vật liệu kỹ thuật lâu đời nhất, nhưng sự hiểu biết khoa học về chúng lại tương đối gần đây: lý thuyết mạng ngẫu nhiên năm 1932 của Zachariasen đã giải thích cấu trúc thủy tinh, và công trình của Kingery vào giữa thế kỷ XX đã thiết lập khoa học gốm sứ bằng cách liên kết quá trình xử lý, cấu trúc vi mô và tính chất, biến một nghề thủ công dựa trên kinh nghiệm thành một ngành vật liệu định lượng.
Key figures
- W. David Kingery
- William Houlder Zachariasen
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kingery1976
- shelby2005
Frequently asked questions
- Thủy tinh là chất rắn hay chất lỏng?
- Thủy tinh là một chất rắn. Nó là vô định hình, thiếu trật tự tinh thể tầm xa của hầu hết các chất rắn, và nó hình thành bằng cách làm đông cứng một chất lỏng siêu lạnh tại điểm chuyển tiếp thủy tinh. Quan niệm cũ cho rằng thủy tinh chảy theo thời gian hàng thế kỷ là một sự hiểu lầm; ở nhiệt độ phòng, độ nhớt của nó quá cao để có thể đo lường được sự chảy.
- Tại sao gốm sứ vừa bền vừa giòn?
- Các liên kết ion và cộng hóa trị mạnh, có định hướng tương tự làm cho gốm sứ cứng và ổn định cũng để lại ít cơ chế biến dạng dẻo. Nếu không có sự dịch chuyển dễ dàng của các lệch, ứng suất tác dụng sẽ tập trung tại các khuyết tật và làm lan truyền các vết nứt, do đó gốm sứ bị hỏng do gãy giòn chứ không phải do uốn cong.