Научное исследование керамических материалов на­чалось с химического анализа входящих в их состав ком­понентов. Химики обнаружили, что в природных глинах основными элементами являются кислород, кремний и алюминий, которые образуют соединения, получившие название алюмосиликатов.

Секрет особенных свойств керамики кроется в ее внутренней структуре, строении ее кристаллов, ее хими­ческом составе. Блестящий рубин и грубый кирпич име­ют одну и ту же основу — оксид алюминия, но как раз­личны их вид и свойства! Столь разительное различие объясняется тем, что рубин представляет собой один большой кристалл, атомы которого образуют строго пе­риодическую картину в пространстве, в то время как кир­пич состоит из набора многих мелких кристалликов, со­единенных вместе.

В керамических материа­лах большую роль играет тип упаковки атомов. Если рост кристалла строго контролируется, то образуются плотноупакованные слои атомов кислорода, а в порах между ними помещаются маленькие металлические ионы. Следующий плотноупакованный слой атомов (вернее, ионов) кислорода выстраивается над первым, и процесс роста продолжается. Подобным путем строятся высоко­стабильные структуры. Простейшая структура, образуе­мая при росте кристалла, состоит из равного числа ато­мов кислорода и металла. Если количество атомов ме­талла меньше числа атомов кислорода, как у оксида алю­миния (Аl₂Оз), то не все поры между большими атомами кислорода заполнены; в этом частном случае атомы алюминия занимают только две трети пригодного для них объема.

Наиболее интересные и важные структуры образуют­ся кремнеземом (SiO₂). Атом кремния, подобно атому углерода, имеет четыре валентных электрона, поэтому атомы углерода образуют с атомами кислорода тетраэдрические группы: четыре атома кислорода окружают каждый атом кремния. Эти группы могут соединяться друг с другом различным образом, как показано на рисунке 3.

Рис.3. Силикатная ячейка.

Силикатная ячейка — основной строительный блок многих керамиче­ских материалов. Она состоит из атома кремния, окруженного четырьмя атомами кислорода. Это такое же тетраэдрическое расположение ато­мов, как и в оксиде бериллия (рис.2). Так как атом кремния имеет четыре валентных электрона, то каждый из окружаю­щих его атомов кислорода получает один электрон, при этом на внешней оболочке не хватает одного электрона. Это означает, что электрон другого атома кремния может связать две такие ячейки (слева). Таким образом получается цепочка силикатных ячеек (справа).