دانشمندان تحقیقات مواد سرامیکی را برای کاربردهای آینده ارتقا می دهند

از چینی باستانی تا سپر حرارتی فضاپیماهای مدرن، مواد سرامیکی به دلیل خواص منحصر به فردشان نقش حیاتی در تمدن بشری ایفا کرده‌اند. اما دقیقاً چه چیزی به سرامیک‌ها این ویژگی‌های استثنایی را می‌دهد؟ این مقاله به بررسی مبانی ساختاری، خواص کلیدی و اصول علمی پشت مواد سرامیکی می‌پردازد.

عملکرد سرامیک‌ها ناشی از ساختار اتمی ذاتی آن‌ها است. مانند تمام مواد، خواص سرامیک‌ها توسط ترکیب اتمی، انواع پیوند و آرایش اتمی آن‌ها تعیین می‌شود.

سرامیک‌ها عمدتاً دارای دو نوع پیوند اتمی هستند: یونی و کووالانسی. پیوندهای یونی معمولاً بین فلزات و نافلزات - عناصری با تفاوت‌های قابل توجه در الکترونگاتیوی (توانایی یک اتم برای جذب و حفظ الکترون‌ها) - تشکیل می‌شوند. در پیوند یونی، اتم‌های فلزی الکترون از دست می‌دهند و به کاتیون‌های بار مثبت تبدیل می‌شوند، در حالی که اتم‌های نافلزی الکترون به دست می‌آورند و به آنیون‌های بار منفی تبدیل می‌شوند. جاذبه الکترواستاتیکی حاصل، پیوندهای یونی قوی ایجاد می‌کند.

پیوندهای کووالانسی بین عناصر نافلزی با الکترونگاتیوی مشابه رخ می‌دهد، جایی که اتم‌ها جفت الکترون‌ها را به اشتراک می‌گذارند. در حالی که سرامیک‌ها ممکن است حاوی هر دو نوع پیوند باشند، پیوند یونی در بیشتر موارد غالب است، به ویژه در سرامیک‌های اکسیدی.

انواع پیوندهای دیگر شامل پیوندهای فلزی (موجود در فلزات، با الکترون‌های آزاد در اطراف کاتیون‌ها) و نیروهای واندروالس (برهمکنش‌های الکترواستاتیکی ضعیف بین اتم‌های قطبی شده) هستند. پیوندهای فلزی شکل‌پذیری و رسانایی را فراهم می‌کنند، در حالی که نیروهای واندروالس (مانند پیوندهای هیدروژنی در آب) اتصالات ضعیف‌تری را در پلیمرها ایجاد می‌کنند.

پیوندهای یونی و کووالانسی در سرامیک‌ها خواص متمایزی از جمله سختی بالا، نقاط ذوب بالا، پایداری شیمیایی و انبساط حرارتی کم ایجاد می‌کنند. با این حال، همین پیوندها به شکنندگی سرامیک‌ها نیز کمک می‌کنند. محققان اغلب از روش‌های تقویت برای بهبود چقرمگی سرامیک‌ها استفاده می‌کنند.

عملکرد سرامیک‌ها نه تنها به پیوند اتمی بلکه به ریزساختار نیز بستگی دارد. اکثر سرامیک‌ها مواد پلی کریستالی هستند که از چندین دانه متصل به مرزهای دانه تشکیل شده‌اند. مواد تک کریستالی مانند الماس و یاقوت کبود از نظر ساختار و خواص با سرامیک‌های پلی کریستالی تفاوت قابل توجهی دارند.

اندازه و شکل دانه به طور بحرانی بر ویژگی‌های سرامیکی تأثیر می‌گذارد. خواصی مانند چگالی، سختی، استحکام مکانیکی و عملکرد نوری همگی با ریزساختار مواد زینتر شده مرتبط هستند. کنترل دقیق پارامترهای دانه امکان سفارشی‌سازی برای کاربردهای خاص را فراهم می‌کند.

برخلاف سرامیک‌های کریستالی، شیشه دارای ساختار اتمی آمورف است که فاقد نظم دوربرد است. سرامیک-شیشه‌ها نشان‌دهنده یک ماده هیبریدی هستند که حاوی دانه‌های کریستالی کوچک احاطه شده توسط فازهای شیشه‌ای است و مزایای هر دو نوع ماده را ترکیب می‌کند.

توجه داشته باشید که اینها نشان دهنده خواص معمولی هستند. عملکرد واقعی مواد را می‌توان از طریق تنظیمات ترکیب، مواد کامپوزیت و اصلاحات پردازش برای پاسخگویی به الزامات کاربردی خاص سفارشی کرد.