Diferite tipuri de materialeceramice

Ceramici naturale: roci

Obsidian

Calcar, CaCO3 Gresie, SiO2

Marmora, CaCO3 Granit, alumino-silicati

Moldavit

Fulgurit

CaCO3 calcit, aragonit(cochilii, carapace)

Cristale de calcit inurechea interna

Coccosfere, diametrul de 2-3 microni

Coccoliti de calcit

Diferite tipuri de ceramici sintetice

Ceramici sintetice:

PortelanFaianta

Produse de olarie Caramida

Conducatoare de fire din alumina Al2O3

Acoperire de Al2O3

Elemente de etansare din alumina

Zirconie (ZrO2) sinterizata

Al2O3

SiC/Al2O3-AlSiCw-Al2O3

Ceramica

Compozitie:

Solide anorganice nemetalice

Material ceramic-natura chimica (compozitie)/cristalina sau amorfa-tratamentul termic

-elemente chimice: Si, C

-compusi chimici oxidici: Al2O3, SiO2, ZrO2, MgO-compusi chimici neoxidici (carburi, nitruri, siliciuri, boruri): SiC, Si3N4, MoSi2, TiB2

Tratament termic:-calcinare/ sinterizare (densificare)-topire

Caracteristici

• au o structură complexă,• prezintă legături chimice cu caracter intermediar

ionic/covalent, respectiv covalent/metalic şi nu posedăelectroni liberi,

• au temperaturi de topire ridicate,• au temperaturi de topire ridicate,• sunt dure şi rezistente la atacul chimic,• nu sunt deformabile plastic, sunt deci casante,• sunt în cea mai mare parte izolatori, existând însă şi

semiconductori, conductori şi supraconductori ceramici,• prezintă conductibilităţi termice mai mici decât metalele,• sunt adesea translucide, cel puţin în strat subţire.

Clasificarea materialelor ceramice

după compoziţia chimică

după microstructură

Microstructura monocristalinapolicristalina mono-, poli-, multifazica

natura, conţinutul şi distribuţia fazelor (cristaline sau amorfe) precum şi la forma, dimensiunea particulelor şi a porilor.

după utilizări: artistic, menaj, sanitar, constructii, tehnic (refractare, abrazivi, magnetice, nuclear, electric) medical

policristalina mono-, poli-, multifazica

Al2O3 Si3N4

Ceramica clasica vs ceramica avansata

Legăturile chimice în materialele ceramice

-caracter intermediar între legătura ionică şi cea covalentă(puternica)

-legăturile chimice în materialele ceramice sunt foarte stabile

-legăturile chimice sunt orientate, direcţionalitate

Structura cristalina si legaturile chimice determina

proprietatile materialelor ceramice

Ex.

MgO 75% caracter ionic SiC 90% caracter covalent

Caracter intermediar între legătura ionică şi cea covalentă (puternica)

majoritatea materialelor ceramice sunt izolatoare

-semiconductoare: oxizi ai metalelor tranziţionale: NiO, CoO, TiO2, SnO2

-conductoare: TiO, CrO2, MnO2, ReO3, NbO (conductie electroica)

β-Al2O3 (conductie ionica)

-supraconductoare: YBa2Cu3O7-x

majoritatea materialelor ceramice sunt izolatoare

Legătura chimică în materialele ceramiceeste foarte stabilă

⇒⇒⇒⇒ puncte de topire ridicate si rezistente la atac chimic

Legăturile sunt orientate, direcţionalitate

Procesul ceramic

Sticlele, ceramici amorfe, se obţin prin topire, conform succesiunii:

Pulbere →→→→Topire →→→→ Fasonare →→→→ Produs solid

Pentru ceramicile policristaline poli- şi multifazice (majoritateaceramicilor tehnice), soluţia adaosurilor se pretează doar înceramicilor tehnice), soluţia adaosurilor se pretează doar însituaţii foarte rare, astfel încât trebuie folosite alte procedee,cum sunt:

Pulbere(+aditiv)→ Preparare masă → Fasonare →Uscare →

Produs crud

→Tratament termic (ardere) → Produs solid

Procesul ceramic are la bază un proces de sinterizare prin care lacreşterea temperaturii, granulele individuale ce alcătuiesc pulbereainiţială suferă un proces de coalescenţă, se compactizeazătermic (se densifică) într-un solid cu proprietăţi asemănătoare cuale fazei solide continue.

Sinterizarea este un proces complex de tranformări fizice şi chimicesuccesive şi/sau suprapuse, care poate avea loc în absenţa fazeisuccesive şi/sau suprapuse, care poate avea loc în absenţa fazeilichide-topitură (sinterizarea oxizilor puri) sau în prezenţa fazei lichidetopitură (ceramica silicatică), cu sau fără formarea unui compus nou.Faza lichidă (topitura) se solidifică la răcire sub formă de sticlă, carese regăseşte în microstructura materialului ceramic. Este însă posibilca din topitură să se separe o anumită fază cristalină printr-un procesde recristalizare (cristalizare secundară).

Structuri ceramice

-oferă o reprezentare simplă asupra modului în care atomii sunt legaţi înreţea

-prezintă baza pentru înţelegerea modului în care atomii se pot substituiîntr-o structură cristalină formând soluţii solide care modificăcomportarea unui material (explică proprietăţile electrice, magnetice,comportarea unui material (explică proprietăţile electrice, magnetice,optice, termice, mecanice ale materialelor ceramice)

-explică felul în care pot apare structuri cu defecte, distorsiuni sau felulîn care se pot produce în mod voit defecte

-explică de ce materialele ceramice se comportă în mod diferit între eleşi faţă de metale sau polimeri.

In studiul structurilor se opereaza cu:

-rază ionică (asociată cu număr de coordinare, stare de oxidare),-neutralitate electrică-gradul de direcţionalitate/orientare a legăturii chimice.

Raza O2- =1,4 ÅRaza Me = 0,5-0,8 Å

⇒⇒⇒⇒ ionii de oxigen au în majoritateacazurilor o împachetare compactă, cuionii metalici mai mici aşezaţi îninterstiţiile tetraedrice sau octaedrice

Număr de coordinare (N.C.)

Împachetarea anionilor Raportul razelor ionice

3 Trigonală 0,155-0,225

4 Tetraedrică 0,225-0,414

6 Octaedrică 0,414-0,732

8 Cubică 0,732-1,000

Ce structură cristalină se poate prevedea pentru FeO pe bazarazelor ionice rFe2+ = 0,077 nm, rO2- = 0,140 nm?

rcation/ranion = 0, 077/0,140 = 0,550

N.C. = 6, coodinare octaedrica ⇒⇒⇒⇒ structura tip NaCl (saregema)

Exemplu

Structurile cristaline ale oxizilor simpli

A:X = 1:1, N.C. = 6 NaCl (6:6)

Exemple:

MgO, CaO, SrO, BaO, TiC, FeO, CoO, NiO,TiO, VO, NbO, HfC, HfN

NiO cristalizează într-o structură cubică simetrică la temperaturi înalte şimai puţin simetrică la temperaturi joase, asociată cu nestoechiometria. Peaceastă particularitate structurală se bazează comportarea sasemiconductoare utilizată la confecţionarea termistorilor, rezistori sensibilila temperatură, cu coeficienţi de temperatură negativi (NTC, NegativeTemperature Coefficient) la care rezistenţa electrică scade cu creştereatemperaturii.

TiO, VO, NbO au o structură de tip NaCl cu defecte, iar Fe1-xO secaracterizează prin nestoechiometrie la cation.

HfC, HfN, TiN, ZrN, UN. Caracterul parţial metalic al legăturiicovalente imprimă acestor compuşi o comportare specifică.

A:X=1:1, N.C. = 4

-structură de tip wurtzit αααα-ZnS hexagonal compactă (hc), ZnO

-structură de tip zinc-blendă β-ZnS (cfc), cubică cu feţe centrate, BeO

ZnO este un semiconductor a cărui rezistivitate depinde de tensiunea aplicată

undek = constantă care depinde de compoziţia materialului şi de geometria

dispozitivuluiαααα = este coeficientul de neliniaritate care caracterizează materialele cu

comportare neohmică.

I=kUα

Conductivitatea ceramicii pe bază de ZnO este determinată de abatereaConductivitatea ceramicii pe bază de ZnO este determinată de abatereade la stoechiometrie prin lipsă de oxigen ZnO1-δ sau de prezenţa înreţea a unor cationi cu valenţă diferită de doi. Studiul ceramicii din ZnOcu diverse adaosuri a evidenţia importanţa microstructurii. Comportareaelectrică neliniară rezultă din fenomenele care au loc la interfaţagranule-fază intergranulară, materialul ceramic fiind, de fapt, un sistemmicrocompozit constituit din insule de ZnO semiconductor separate defaze izolatoare de ZnO nestoechiometric. Conducţia electricăreprezintă, în acest caz, o combinaţie între mecanismul de transportelectric prin salt în interiorul granulei şi străpungerea, prin efect detunel, în stratul electroizolator de fază intergranulară.

A:X=2:3, N.C.=6, au o structură de corindon αααα-Al2O3 (6:4). Anioniiau o structură hexagonal compactă (hc), iar cationii ocupă 2/3 dininterstiţiile octaedrice formate, asigurând o distribuţie uniformă aacestora.

Exemple: Fe2O3, Cr2O3, Ti2O3, V2O3, Rh2O3, Ln2O3

Formele α şi β sunt asociate cu tipuride structuri bine definite, în timp ceforma β Al2O3 are formulaNa2O·11Al2O3, fiind în realitate osoluţie solidă, cu punct de topire mai

Al2O3 prezintă un polimorfism complex: α, β şi γ.

soluţie solidă, cu punct de topire maiscăzut decât α-Al2O3 şi cu densitatemai mică decât α-Al2O3 datorateîncorporării sodiului

Împachetarea densă a ionilor de aluminiu şi oxigen şi caracterulparţial covalent al legăturii Al-O determină caracteristici fizice şitermofizice superioare: punct de topire ridicat (1960ºC), duritate 9 pescara Mohs, densitate 4, etc.

Alumina pură sinterizată este dură, rezistentă la coroziune, electricizolatoare, conductoare termic, rezistentă la temperatură şitranslucidă.

Datorită acestor caracteristici unice alumina este folosită ca şiDatorită acestor caracteristici unice alumina este folosită ca şisubstrat pentru circuitele integrate, tuburi de descărcare în lămpile cusodiu, rulmenţi, creuzete, scule de aşchiere, corpuri de măcinare şimateriale abrazive, material bioceramic, bijuterii.

γ-Al2O3 este poroasă fiind utilizată ca şi suport de catalizator,absorbant.

A:X=1:2, N.C.=8, CaF2 (8:4) fluorina

Exemple: ZrO2, ThO2, CeO2, UO2.

A:X =2:1, a-CaF2 (4:8) anti-fluorinăExemple: Li2O, Na2O, Rb2O

A:X =1:2, N.C.=6, TiO2 (6:3) rutil

Exemple: SnO2, VO2, MnO2, RuO2,OsO2, IrO2, GeO2, PbO2, NbO2, TaO2

A:X=1:2, N.C. =4, SiO2.

Cuart

-distorsional-reconstructiv

Cuart

Structurile cristaline ale oxizilor complecsi

Compuşi oxidici de tip AB2X4. Structura spinelică

Ferite: MFe2O4, undeM este un metal bivalent (Co, Cu, Mg, Mn, Ni, Zn)

Compuşi oxidici de tip ABX3. Structura perovskiticaCompuşi oxidici de tip ABX3. Structura perovskitica

BaTiO3CaTiO3PbTiO3Zr TiO3

Structuri silicatice

caolinit

zeoliti

feldspat