Ученые продвигают исследования керамических материалов для будущих применений

От древнего фарфора до современных теплозащитных экранов космических кораблей, керамические материалы играют жизненно важную роль в человеческой цивилизации благодаря своим уникальным свойствам. Но что именно придает керамике эти исключительные характеристики? В этой статье рассматриваются структурные основы, ключевые свойства и научные принципы, лежащие в основе керамических материалов.

Характеристики керамики обусловлены ее внутренней атомной структурой. Как и все материалы, свойства керамики определяются ее атомным составом, типами связей и атомным расположением.

Керамика в основном характеризуется двумя типами атомных связей: ионными и ковалентными. Ионные связи обычно образуются между металлами и неметаллами - элементами со значительными различиями в электроотрицательности (способность атома притягивать и удерживать электроны). При ионной связи атомы металла теряют электроны, становясь положительно заряженными катионами, в то время как атомы неметалла приобретают электроны, становясь отрицательно заряженными анионами. Возникающее электростатическое притяжение создает прочные ионные связи.

Ковалентные связи возникают между неметаллическими элементами с похожей электроотрицательностью, где атомы делятся парами электронов. Хотя керамика может содержать оба типа связей, ионная связь преобладает в большинстве случаев, особенно в оксидной керамике.

Другие типы связей включают металлические связи (обнаруженные в металлах, со свободно движущимися электронами, окружающими катионы) и силы Ван-дер-Ваальса (слабые электростатические взаимодействия между поляризованными атомами). Металлические связи обеспечивают пластичность и проводимость, в то время как силы Ван-дер-Ваальса (например, водородные связи в воде) создают более слабые связи в полимерах.

Ионные и ковалентные связи в керамике создают отличительные свойства, включая высокую твердость, температуры плавления, химическую стойкость и низкое тепловое расширение. Однако эти же связи способствуют хрупкости керамики. Исследователи часто используют методы армирования для улучшения прочности керамики.

Характеристики керамики зависят не только от атомной связи, но и от микроструктуры. Большинство керамик - это поликристаллические материалы, состоящие из множества зерен, соединенных границами зерен. Монокристаллические материалы, такие как алмазы и сапфиры, значительно отличаются от поликристаллических керамик как по структуре, так и по свойствам.

Размер и форма зерен критически влияют на характеристики керамики. Такие свойства, как плотность, твердость, механическая прочность и оптические характеристики, связаны с микроструктурой спеченного материала. Тщательный контроль параметров зерен позволяет настраивать их для конкретных применений.

В отличие от кристаллической керамики, стекло имеет аморфную атомную структуру без дальнего порядка. Стеклокерамика представляет собой гибридный материал, содержащий небольшие кристаллические зерна, окруженные стеклянными фазами, сочетая в себе преимущества обоих типов материалов.

Обратите внимание, что это типичные свойства. Фактические характеристики материала могут быть настроены путем корректировки состава, использования композитных материалов и модификации обработки для удовлетворения конкретных требований применения.