นักวิทยาศาสตร์พัฒนาการวิจัยวัสดุเซรามิกเพื่อการใช้งานในอนาคต

ตั้งแต่เครื่องลายครามโบราณไปจนถึงแผงป้องกันความร้อนในยานอวกาศสมัยใหม่ วัสดุเซรามิกมีบทบาทสำคัญในอารยธรรมของมนุษย์เนื่องจากมีคุณสมบัติเฉพาะตัว แต่อะไรที่ทำให้เซรามิกมีคุณสมบัติพิเศษเหล่านี้อย่างแท้จริง? บทความนี้จะตรวจสอบรากฐานของโครงสร้าง คุณสมบัติหลัก และหลักการทางวิทยาศาสตร์เบื้องหลังวัสดุเซรามิก

ประสิทธิภาพของเซรามิกเกิดขึ้นจากโครงสร้างอะตอมภายใน เช่นเดียวกับวัสดุอื่นๆ คุณสมบัติของเซรามิกถูกกำหนดโดยองค์ประกอบอะตอม ประเภทพันธะ และการจัดเรียงอะตอม

เซรามิกส์มีพันธะอะตอมสองประเภทเป็นหลัก: ไอออนิกและโควาเลนต์ โดยทั่วไปพันธะไอออนิกจะเกิดขึ้นระหว่างโลหะและอโลหะ ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญทางอิเลคโตรเนกาติวีตี้ (ความสามารถของอะตอมในการดึงดูดและกักเก็บอิเล็กตรอน) ในพันธะไอออนิก อะตอมของโลหะจะสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายเป็นไอออนบวกที่มีประจุบวก ในขณะที่อะตอมที่ไม่ใช่โลหะจะได้รับอิเล็กตรอนจนกลายเป็นแอนไอออนที่มีประจุลบ แรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นจะสร้างพันธะไอออนิกที่แข็งแกร่ง

พันธะโควาเลนต์เกิดขึ้นระหว่างองค์ประกอบอโลหะที่มีอิเลคโตรเนกาติวีตี้คล้ายกัน โดยที่อะตอมใช้คู่อิเล็กตรอนร่วมกัน แม้ว่าเซรามิกอาจมีพันธะทั้งสองประเภท แต่ในกรณีส่วนใหญ่พันธะไอออนิกจะมีอิทธิพลเหนือ โดยเฉพาะในเซรามิกออกไซด์

พันธะประเภทอื่นๆ ได้แก่ พันธะโลหะ (พบในโลหะ โดยมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระล้อมรอบแคตไอออน) และแรงแวนเดอร์วาลส์ (ปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิตอ่อนๆ ระหว่างอะตอมที่มีโพลาไรซ์) พันธะโลหะให้ความเหนียวและการนำไฟฟ้า ในขณะที่แรง van der Waals (เช่น พันธะไฮโดรเจนในน้ำ) สร้างการเชื่อมต่อที่อ่อนแอในโพลีเมอร์

พันธะไอออนิกและโควาเลนต์ในเซรามิกให้คุณสมบัติที่โดดเด่น เช่น ความแข็งสูง จุดหลอมเหลว ความคงตัวทางเคมี และการขยายตัวทางความร้อนต่ำ อย่างไรก็ตาม พันธะเดียวกันนี้มีส่วนทำให้เซรามิกเปราะบาง นักวิจัยมักจะใช้วิธีการเสริมแรงเพื่อปรับปรุงความเหนียวของเซรามิก

ประสิทธิภาพของเซรามิกไม่เพียงขึ้นอยู่กับพันธะอะตอมเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาคด้วย เซรามิกส่วนใหญ่เป็นวัสดุโพลีคริสตัลไลน์ที่ประกอบด้วยเกรนหลายเส้นที่เชื่อมต่อกันด้วยขอบเขตของเกรน วัสดุผลึกเดี่ยว เช่น เพชรและแซฟไฟร์มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากเซรามิกโพลีคริสตัลไลน์ทั้งในด้านโครงสร้างและคุณสมบัติ

ขนาดและรูปร่างของเกรนมีอิทธิพลอย่างยิ่งต่อคุณลักษณะของเซรามิก คุณสมบัติต่างๆ เช่น ความหนาแน่น ความแข็ง ความแข็งแรงทางกล และประสิทธิภาพเชิงแสง ล้วนเกี่ยวข้องกับโครงสร้างจุลภาคของวัสดุเผาผนึก การควบคุมพารามิเตอร์เกรนอย่างระมัดระวังช่วยให้ปรับแต่งสำหรับการใช้งานเฉพาะได้

แก้วมีโครงสร้างอะตอมอสัณฐานซึ่งไม่เหมือนกับเซรามิกแบบผลึกตรงที่ไม่มีลำดับระยะไกล แก้ว-เซรามิกเป็นตัวแทนของวัสดุผสมที่มีเม็ดผลึกขนาดเล็กล้อมรอบด้วยเฟสแก้ว ซึ่งรวมประโยชน์ของวัสดุทั้งสองประเภทเข้าด้วยกัน

โปรดทราบว่าสิ่งเหล่านี้แสดงถึงคุณสมบัติทั่วไป ประสิทธิภาพของวัสดุที่แท้จริงสามารถปรับแต่งได้ผ่านการปรับองค์ประกอบ วัสดุคอมโพสิต และการปรับเปลี่ยนการประมวลผลเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะ