|
Материалы

Химическая и физическая природа керамических материалов


 

Одним из первых твердых материалов (если не самым первым),

которым человек научился пользоваться, был керамический материал — природный камень. Его при­менение весьма разнообразно благодаря характерным для всех керамических материалов свойствам: твердости, прочности, сопротивляемости тепловому воздействию и химическим средам, а также хрупкости, которая позволя­ет сравнительно легко обрабатывать камень, придавая ему ту или иную форму путем постепенного обтесывания. Этот природный керамический материал снабдил челове­ка орудиями длительного пользования, сосудами и даже крышей над головой (в пещерах).

Сегодня керамические материалы — это широ­кий спектр твердых тел начиная от тусклой глины и кончая блестящим рубином, а и промышленности этот перечень простирается от огнеупорной футеровки стале­плавильных печей до тончайших деталей электронных приборов. В наши дни понимание химической и физиче­ской природы керамических материалов позволяет нам определить свойства, присущие этому классу веществ, которые особенно сильно зависят от их микроструктуры.

Что же такое керамика? Обычно на этот вопрос отвечают так: это комбинация одного или более атомов металла с атомами неметалла (обычно с кислородом).

Относительно большие атомы кислорода образуют мат­рицу, в которой маленькие атомы металлов (или «полу­металлов», подобных кремнию) помещаются в промежут­ках между ними (рис. 1). Основная особен­ность структуры керамических кристаллов состоит в том, что атомы в них объединяются частично ионными, а ча­стично (и в достаточной степени) ковалентными связями. Эти связи сравнительно сильные, и именно они определя­ют стабильность и прочность керамических материалов.

 

 

 

Рис.1. Структура керамического кирпича, используемого в печи для выплав­ки меди. Х 720 раз. Кирпич состоит из оксида магния, шпинели, оксида меди и чистой меди.

 

Рис.2. Атомы кислорода и металла (или такого полуметалла, как кремний) являются основой многих керамик.

 

В простейших керамических мате­риалах (рис.2) равное число атомов кислорода (белые шарики) и металла (темные шарики) упакованы в структуру, которая в большой мере зависит от относительных размеров ионизированных атомов. В оксиде бериллия (слева) «координатное число» равно четырем: каждый атом бериллия окружен четырьмя атомами кислорода (и каждый атом кислорода — четырьмя атомами бериллия, хотя на рисунке показан только один атом). В оксиде магния (справа) каждый атом имеет шесть ближайших соседей. Межатомные связи в керамических материалах главным образом ионные: атом металла отдает два электрона атому кислорода. Как всякий высокоокисленный состав, керамические материалы сопротивляются воздействию почти всех хими­ческих реагентов. Они необходимы там, где материал должен работать при очень высоких температурах, при которых взаимодейст­вие с кислородом сводит на нет прочность металла.

1 2 3
Общее время работы: 9.3960762023926 мс
Использование памяти: 659 КБ