پیوند، ساختار و ویژگی های فیزیکی مواد سرامیکی

در این مقاله سعی داریم تا ویژگی های پیوندی سرامیک ها و نحوه ی پیش بینی خواص فیزیکی آنها مانند نقطه ی ذوب، مدول الاستیک را با استفاده از قوانین فیزیکی بیان کنیم. بخش بزرگی از این مقاله به توصیف ویژگی های یک تعداد از سرامیک های مهم پرداخته است. این ساختارهای نمونه وار بیان کننده ی ساختار کل مواد سرامیکی هستند و برای ورود افراد به دنیای سرامیک، مطالعه ی آنها ضروری است.
استفاده های امروزی از سرامیک ها عبارتند از وسایل تزئینی، دیرگدازها، ساینده ها، سمنت ها، فروالکتریک ها، شیشه- سرامیک ها، آهن رباها و غیره. یک ماده ی سرامیکی اغلبا به عنوان یک اکسید، کاربید، نیترید، سیلیسید و یا براید غیر آلی تعریف می شود که دارای نقطه ی ذوب بالا، داکتیلیته ی پایین، مقاومت به خوردگی بالا و مقاومت به سایش و خراشیدگی بالایی است.
پیوند قوی میان مولکول های مختلف بر اثرات گرمایی موجود در سازماندهی یک آرایه ی منظم اتمی، پیروز شده است و کریستال را تشکیل داده است. برای آگاهی از ویژگی های سرامیک ها، این ضروری است که ساختار آنها را بدانیم. توسعه ی آگاهی در مورد اتم به عنوان هسته ای که بوسیله ی ابر الکترونی پوشیده شده است، نمی تواند خطوط طیفی مشاهده شده، انتشارات فوتوالکترونی و یا حتی وابستگی گرمایی تابش را بر اساس مدل اتمی کلاسیک توضیح دهد. انتشار بسته های کوانتیده ی انرژی به عنوان فوتون بوسیله ی پلانک در سال 1900 بیان گردید. این بیان بوسیله ی تفسیر انیشتین در مورد اثر فوتوالکتریک در سال 1905، کامل شد. از لحاظ مدل اتمی بور، که در آن الکترون ها در مدارهای معین در دور هسته در حال چرخش هستند، می توان خطوط طیف اتمی، عدد کوانتمی اصلی را توضیح داد. همانگونه که در مدل بور نشانداده شد اعداد اتمی اربیتالی( l)، مغناطیسی( m)، اسپینی( s) به طور کامل ساختار اتمی را توصیف می کند. محدودیت اعمال شده بوسیله ی قانون پائولی این است که هیچ دو الکترونی اجازه ندارند دارای اعداد اتمی یکسانی باشند.
در نتیجه دوگانگی ذره ای – موجی نور در سال 1924 بوسیله ی دوبری بیان شد. این دوگانگی طول موجی برابر با را تعریف می کند ( h برابر ثابت پلانک ، m جرم و ν برابر سرعت ذره می باشد). معادله ی موج شرودینگر قیود ایجاد شده بوسیله ی دوبری را ترکیب نمود و حرکت موج را به صورت زیر تعریف نمود:

در اینجا تابع موج تعریف کننده ی الگوی موج، P انرژی پتانسیل و مقدار احتمال پیدا کردن الکترون را نشان می دهد.
میانکنش میان بارهای الکترونی منجر به تشکیل پیوند می شود. این ایجاد پیوند یا بواسطه ی انتقال الکترون بین اتم ها و یا با استفاده از به اشتراک گذاری الکترون بین اتم ها ایجاد می شود.

پیوند اولیه

پیوند در مواد سرامیکی معمولا از نوع پیوند یونی و کوالانسی است. بنابراین پیوند فلزی در این قسمت توضیح داده نمی شود:

پیوند یونی

پیوند یونی به خاطر انتقال الکترون ها از یک اتم به اتم دیگر ایجاد می شود. این نوع از پیوند به شدت در میان گونه هایی از یونی ها متداول است که در آنها یکی از یون ها تمایل به الکترون دهی و گونه ی دیگر تمایل به الکترون گیری دارد. با انتقال الکترون، هر دو اتم به حالت پایدار می رسند. سدیم دارای 11 الکترون است که پیکربندی الکترونی آن به صورت 1 می باشد. در واقع همانطور که مشاهده می شود در لایه ی بیرونی این اتم یک الکترون قرار دارد. با از دست دادن این الکترون سدیم یک بار مثبت گرفته و به ویون تبدیل می شود. سدیم در حالت یونی دارای پایداری بیشتری است زیرا با از دست دادن الکترون به آرایش الکترونی گاز نجیب پیش از خود رسیده است. گونه ی دهنده ی الکترون گونه ی الکتروپازیتیو است زیرا وقتی الکترون از دست می دهد، یک بار منفی ایجاد شده و از این رو به یک یون الکتروپازیتیو تبدیل می شود. توجه کنید که اتم سدیم بعد از، از دست دادن الکترون به یون سدیم با یک بار مثبت تبدیل می شود و پایدارتر می شود.
به طور عکس، کلر دارای 17 الکترون است که آرایش الکترونی آن به صورت 1 می باشد و تعداد الکترون ها در پوسته ی خارجی آن 5 عدد می باشد. این ماده 1 الکترون می خواهد تا با گرفتن به آرایش پایدار گاز نجیب بعد از خود برسد. اتم کلر یک گونه ی پذیرنده ی الکترون است. در واقع این ماده، یک ماده ی الکترونگاتیو است به همین دلیل یک الکترون گرفته و بار منفی پیدا می کند. بنابراین به یون کلر با یک بار مثبت تبدیل می شود.
یونیزه شدن اتم سدیم نیازمند مصرف انرژی و افزودن الکترون به کلر نیز موجب آزادسازی انرژی می شود. علاوه بر این، میانکنش میان یون های مثبت و منفی باعث ایجاد جاذبه ی کولمبی می شود. از آنجایی که نیروهای کولمبی باعث می شود تا یون ها به سمت همدیگر حرکت کنند، حرکت این یون ها و همپوشانی اربیتال های الکترونی موجب ایجاد نیروهای دافعه می شود. از آنجایی که نیروی دافعه با فاصله میان یون ها، رابطه ای به صورت دارد، انرژی کل مورد نیاز برای ایجاد پیوند Na-Cl به صورت زیر محاسبه می شود:
انرژی = انرژی جاذبه + انرژی دافعه + انرژی یونیزاسیون خالص

که در اینجا e بار الکترون، ɛ0 نفوذپذیری در فضای آزاد، A ثابت تجربی و توان n از درجه ی است. اثر ترکیب شده دافعه و جاذبه ی کولمبی موجب می شود تا انرژی برای جفت NaCl حاصل شود.
این مسئله نیز باید مورد توجه قرار گیرد که این تبادل باری در زمانی رخ می دهد که اتم های الکترونگاتیو و الکتروپازیتو در نزدیکی هم وجود داشته باشند. علاوه بر این پیوندهای یونی غیر جهتی اند و از این رو یون الکتروپازیتیو در هر جهتی که بتواند به یون الکترونگاتیو متصل می شود. جاذبه ی کلمبی میان نمونه های اتمی منجر به تشکیل پیوند یونی می شود و NaCl را تشکیل می دهد. نیروی جاذبه میان اتم ها وقتی فاصله ی میان آنها کاهش می یابد، افزایش می یابد( شکل 1)؛ اما نیروی دافعه به طور منفی در میدان الکترون ها و میان هسته های با بار مثبت تشکیل دهنده ی پیوند، زیاد می شود( شکل 1).
طول تعادلی پیوند( ) در زمانی که تعادل بین نیروهای جاذبه و دافعه ایجاد می شود، محاسبه می شود( شکل 2). به همان نسبت، این انرژی برای پیوند حداقل است( یعنی زمانی که F=0 است) و این انرژی با رابطه ی زیر به نیرو ارتباط دارد:

که در اینجا a فاصله ی میان یون هاست. این معادله در علم مواد بسیار مهم است زیرا برای کارهای متراکم سازی( کاهش طول پیوند) یا در مقاومت مواد در برابر تخریب( افزایش طول پیوند باعث شکسته شدن پیوند می شود) باید انرژی وجود داشته باشد. یونیزاسیون اتم ها به طور اتوماتیک شعاع نمونه ها را تغییر می دهد که این مسئله به دلیل کاهش الکترون در نمونه های الکتروپازیتو و افزایش الکترون در نمونه های الکترونگاتیو رخ می دهد.
در این باره، عدد کوئوردیناسیون به میزان الکترونگاتیوی یا والانس نمونه های اتمی، بستگی دارد. عدد کوئوردیناسیون( CN) تعداد اتم های مجاور یا یون های اطراف اتم نمونه یا یون است. عدد کوئوردیناسیون بوسیله ی نسبت میان شعاع ها تعیین می شود( r/R : نسبت شعاع اتم یا یون کوچک تر به اتم یا یون بزرگتر). این نسبت برای تعیین عدد اتمی ضروری است زیرا بر اساس اندازه های اتمی است که می توان عدد کوئوردیناسیون را تعیین نمود. در واقع اتم های بزرگتر باید با اتم های کوچک تر هم پوشانی کنند. وقتی نسبت شعاعی r/R در یک گستره ی معین باشد، مقدار عدد کوئوردیناسیون بر اساس این گستره، تعیین می شود. مقادیر گستره ی مربوط به r/R در زیر آورده شده است:
بین 0 تا کمتر از 0.155، عدد کوئوردیناسیون 2
بین 0.155 تا کمتر از 0.225، عدد کوئوردیناسیون 3
بین 0.225 تا کمتر از 0.414، عدد کوئوردیناسیون 4
بین 0.414 تا کمتر از 0.732، عدد کوئوردیناسیون 6
بین 0.732 تا کمتر از 1.0، عدد کوئوردیناسیون 8
اگر r/R برابر با 1 باشد، عدد کوئوردیناسیون 12 می شود.
این مسئله همچنین بیان شده است که طبیعت خمیدگی نمودار نیرو در برابر فاصله ی میانکنش، برخی ویژگی های ماده را به ما معرفی می کند. برای مثال، سرامیک های اغلبا دارای چاه پتانسیل عمیقی هستند و بنابراین، این مواد دارای نقطه ذوب بالایی هستند که این انعکاس دهنده ی انرژی پیوند بالای این مواد نیز هست. علاوه بر این چاه پتانسیل بسیاری از سرامیک ها در نقطه ی تعادلی( a0) دارای انحنای تیز است و این مسئله باعث می شود تا مدول یانگ( Y) در این مواد بالا باشد:

که در اینجا c ثابت است. در اینجا این مسئله را باید گفت که بسیاری از فلزات بوسیله ی حالت کم عمق چاه پتانسیل شان قابل شناسایی هستند. این مسئله نشان می دهد که چرا نقطه ذوب و مدول یانگ فلزات در مقایسه با سرامیک ها، پایین است.

پیوند کوالانسی

این پیوند، پیوندی که با اشتراک گذاشتن الکترون ها بین اتم ها ایجاد می شود. دانسیته ی الکترونی در میان دو هسته ی اتم بالا می رود و از این رو این پیوند یک پیوند جهت دار است. نمونه های ایجاد کننده ی این پیوند، نه زیاد الکتروپازیتیو هستند و نه زیاد الکترونگاتیوند و هر دو برای ایجاد پایداری نیازمند الکترون هستند. از این رو به دلیل مشابهت میان این اتم ها، به اشتراک گذاری اتم ها رخ می دهد.
مثال مولکول هیدروژن را در نظر بگیرید. در این مولکول، الکترون ها تمایل دارند تا در زمانی که آنها در میان پروتون ها قرار دارند، حداقل انرژی را داشته باشند. همچنین آنها تمایل دارند دو پروتون را در نزدیکی هم نگه دارند. به هر حال نیروی دافعه ی میان پروتون ها با نیروی جاذبه ی میان آنها به تعادل می رسد( مشابه هسته ی یونی در پیوند یونی)( شکل 3).
پیوند کوالانسی درترکیبات آلی بسیار متداول هستند زیرا 4 الکترون والانس در کربن به خودی خود دارای هیبریداسیون هستند و از این رو می توانند پیوند یگانه، دوگانه و سه گانه ایجاد کند. جهت دار بودن پیوند کوالانسی باعث می شود تا یک ویژگی به نام زاویه ی پیوند در این مواد ایجاد گردد.
این مسئله نیز باید تذکر داده شود که طبیعت پیوند می تواند تا یک اندازه یونی و تا اندازه ای کوالانسی باشد( مانند ساختار . این مسئله نیز باید تذکر داده شود که پیوند کوالانسی به رابطه ی نسبت شعاع ها اجازه نمی دهد که بتواند عدد کوئوردیناسیون را تعیین کند. حتی وقتی نسبت r/R برابر با 1 باشد، عدد کوئوردیناسیون ممکن است تنها 4 باشد( ساختار تتراهدرال) نه 12.

قوانین پائولی

قوانین پائولی ساختار کریستالی محتمل و پایدار را پیش بینی می کند. این مدل، از مدل کره های سخت طبعیت می کند و می گوید که شعاع یونی برای حالت والانس خاص ثابت است. همچنین در این مدل نزدیک ترین اتم های همسایه به عنوان عدد کوئوردیناسیون در نظر گرفته می شود. شعاع یونی با کاهش والانس و افزایش نزدیک ترین همسایه ها، افزایش می یابد. این بیان شده است که نسبت شعاع کاتیون به آنیون فاکتوری مشابه با عدد کوئوردیناسیون ایجاد می کند. برای بسیاری از ساختارهای پایدار، انرژی الکترواستاتیک حداقل در زمانی بدست می آید که ربایش های کاتیون- آنیونی ماکزیمم باشد و دافعه ی الکترواستاتیک یون های مشابه مینیمم باشد. قوانین پائولی بر اساس پایداری هندسی چیدمان یون های با اندازه های مختلف پایه گذاری شده است و با استدلال های پایداری الکترواستاتیک ترکیب شده است.

قانون اول:

هر کاتیون به صورت چند وجهی در دور آنیون ها جمع می شوند که در اینجا تعداد یون ها بوسیله ی اندازه های نسبی کاتیون ها( )و آنیون ها( ) تعیین می شود.
وقتی آنیون ها یک چند وجهی منظم را تشکیل می دهند، یک اندازه ی ویژه ی منفرد از کاتیون می تواند حفره ی ایجاد شده داخل این چند وجهی را پرکند. کاتیون های با اندازه ی کوچکتر از این اندازه کل ساختار را ناپایدار می کنند. و این است که تعیین می کند بزرگترین چندوجهی برای کدام کاتیون می تواند به طور کامل این حفره را پر کند. وقتی کمتر از برخی از یک مقدار بحرانی باشد، کوئوردیناسیون کوچکتر بعدی ترجیح داده می شود. این مسئله برای ساختاری درست است که کاتیون کوچک تر از آنیون ها باشد( مثلا NaCl). برای چند وجهی کاتیونی به عنوان واحد ساختاری، استفاده از نسبت آنیون به کاتیون برای پیش بینی عدد کوئوردیناسیون کاتیون های اطراف آنیون ها، ضروری است.
یک استثنا در قانون پائولی این است که یون ها در واقع کره های صلب نیستند و برخی اوقات تغییر فرم در آنها ایجاد می شود.

قانون دوم:

این ساختار باید این اطمینان را حاصل کند که چند وجهی متناسب با عدد کوئوردیناسیون پایه به نحوی آرایش پیدا کرده است که بار محلی به طور کلی خنثایی ساختار را در بر داشته باشد. به عبارت دیگر، برای پیوند A-C-A، استحکام پیوند برابر ظرفیت یون بخش بر عدد کوئوردیناسیون است. برای مثال در MgO که دارای ساختار هشت وجهی است، استحکام پیوند برابر یا است. عدد کوئوردیناسیون کاتیون های قرار گرفته حول آنیون ها مانند عدد کوئوردیناسیون آنیون های قرار گرفته حول کاتیون ها مهم می باشد.

قانون 3:

چند وجهی های ترجیح می دهند تا گوشه های خود را به اشتراک بگذارند نه اضلاع و سطوح شان را. این توجیه عقلی به این دلیل بوجود آمده است که با به اشتراک گذاشتن گوشه های چند وجهی ها، دافعه ی الکترواستاتیک مینیمم می شود.

قانون 4:

قانون 3 زمانی مهم است که عدد کوئوردیناسیون کوچک باشد و ظرفیت کاتیون بالا باشد مانند که در آن به اشتراک گذاشتن گوشه ها ترجیح داده می شود.

قانون 5:

ساختارهای ساده معمولا نسبت به ساختارهای پیچیده ترجیح داده می شوند مخصوصا زمانی که چندین کاتیون با اندازه ی و ظرفیت برابر وجود داشته باشند. آنها نوع یکسانی از اندازه ی شبکه ای را اشغال می کنند اما به صورت تصادفی قرار می گیرند و محلول جامد تولید می کنند. وقتی کاتیون ها به طور زیادی غیر مشابه باشند، تمایل به تشکیل یک آرایش منظم و یا ابر شبکه وجود دارد. بنابراین تعداد اجزای مختلف در ساختار پایدار تمایل دارد حداقل شود.
شعاع کریستالی یونی( در نانومتر) برای عدد کوئوردیناسیون 6 به صورت زیر است:

پیوند ثانویه

منبع اولیه ی استحکام در مواد سرامیکی به دلیل وجود پیوندهای کوالانسی و یونی این مواد، ایجاد می شود. به هر حال پیوند ثانویه ی میان اتم ها نیز می تواند بدون انتقال الکترون ایجاد گردد مانند جذب نمونه های بار بار مخالف( پیوند واندروالسی). این نوع از پیوند به دلیل ایجاد دوقطبی ها تشکیل می شود که تشکیل این دوقطبی ها خود نتیجه ای از آن- ایزوتروپی در کریستال است( خواه آن-ایزوتروپی لحظه ای خواه دائمی). دو قطبی های القا شده می تواند از طریق تغییر میدان الکتریکی یا مغناطیسی اطراف اتم غیر قطبی، ایجاد شود. تغییر در دانسیته ی الکترونی یا تهیج اربیتال های الکترونی می تواند دو قطبی های القایی ایجاد کند. به عبارت دیگر، دوقطبی های دائمی( مانند دوقطبی مولکول آب) منجر به جمع شدن بارهای مثبت( اتم H) در نزدیکی بارهای منفی( اتم O) می شود. این پل زنی هیدروژنی باعث جدایش بارها بوسیله ی افزایش مومنتوم دو قطبی می شود که در نتیجه انرژی پیوند را بوسیله ی واکنش میان نمونه های با بار مخالف، بالا می برد.
عدم حضور پیوند ثانویه و تنها وجود پیوند اولیه باعث حفظ پایداری ساختاری در دمای بالاتر می شود و بنابراین باعث می شود تا دمای ذوب سرامیک ها بسیار بالا باشد.

ساختار

به طور خلاصه باید گفت که ساختار پیوند غالب یونی( که به طور جزئی دارای طبیعت کوالانسی است) بوسیله ی قوانین پائولی تعریف می شود:
نسبت شعاع کاتیون به آنیون، چندوجهی کوئوردیناسیون را تعریف می کند. به طور مشابه، کاتیون باید در تماس با آنیون باشد تا بتوان گفت ساختار پایدار است.
خنثایی الکتریکی بوسیله ی تعادل بارهای آنیونی و کاتیونی مهیا می شود. استحکام بار مربوط به یک کاتیون برابر با بار آن بخش بر عدد کوئوردیناسیون ( مثلا برای 〖Al〗^(3+) با عدد کوئوردیناسیون 6، استحکام پیوند برابر است با 3 بخش بر 6( 0.5) ). از این رو آلومینیوم باید بوسیله ی 6 بار با استحکام 0.5 به تعادل برسد.
ایجاد اتصال در یک گوشه به ایجاد اتصال در ضلع یا سطح ترجیح داده می شود. به اشتراک گذاری لبه ها و سطوح فاصله ی میان کاتیون ها را افزایش می دهد.
در عدد کوئوردیناسیون کم و کاتیون با بار بالا، اتصال در گوشه ها ترجیح داده می شود.
اجزای با اندازه ی مختلف به طور مؤثر فشرده نمی شوند و به صورت یک ساختار تکی ایجاد نمی شوند.
در سرامیک ها، ساختار شبکه بوسیله ی آنیون های بزرگتر تحمیل می شود و کاتیون ها در مکان های بین نشینی قرار می گیرند. ساختارهای سرامیکی مختلفی بر اساس فشرده شدن متراکم سرامیک ها، توضیح داده شده اند.

ساختار سنگ نمک( نوع NaCl)

در ساختار سنگ نمک، آنیون های بزرگ حالت کیوبیک به هم فشرده را تشکیل می دهند و تمام موقعیت های بین نشینی هشت وجهی بوسیله ی کاتیون های کوچک اشغال شده است. چندین اکسید مانند MgO( شکل 4)، CaO، BaO، FeO، NiO، KF، NaCl، LiF، MgS و CaS دارای این ساختار هستند. با توجه به این ساختار، عدد کوئوردیناسیون 6 می باشد. بموجب ای، نسبت r/R نیز کاهش یافته و در گستره ی 0.414 تا 0.732 قرار می گیرد.

ساختار ورتزایت( نوع ZnS)

کوئوردیناسیون چهار وجهی 4 آنیون، استحکام پیوند را ایجاد می کند و نیازمند عدد کوئوردیناسیون 4 می باشد و وجود بار مثبت دو باعث ایجاد استحکام پیوند می شود. از این رو این مسئله نیازمند ایجاد کوئوردیناسیون هگزاگونال ( شکل 5) از آنیون های بزرگ می شود که در این حالت نصفی از جاهای خالی تتراهدرال با کاتیون پر می شود. مثال هایی از این مواد دارای این ساختار عبارتند از SiC، ZnO و ZnS.

ساختار بلند روی( نوع ZnS)

ساختار بلند روی( شکل 6) بر اساس چیدمان کیوبیک( CCP) آنیون ها با کوئوردیناسیون تتراهدرال ساخته می شوند. BeO و SiC ساختاری مشابه با بلند روی دارند.

ساختار کلرید سزیم( CsCl)

عدد کوئوردیناسیون 8 نیازمند یک شبکه ی کیوبیک ساده با استحکام پیوند 1⁄8 برای یون سزیم است که این یون ها با هر یون کلر منفی اشتراک دارند( شکل 7). از این رو، آنیون ها گوشه های شبکه ی کیوبیک ساده را اشغال می کند و کاتیون ها تمام جاهای بین نشینی هشت وجهی را پر می کنند.
ساختار فلوریت( )
اندازه ی بزرگ آنیون ها نیازمند ایجاد یک عدد کوئوردیناسیون 8 می باشد. همچنین ظرفیت 4+( برای Th، Zr، Te، U و ... ) باعث می شود تا استحکام پیوند 1⁄2 ایجاد گردد. از این رو شبکه ی کیوبیک پر شده با آنیون ها اجازه ی پرشدن تنها نیمی از جاهای کاتیونی موجود در مکان های هشت وجهی را می دهد. این مسئله موجب ایجاد ساختار مکعبی با سطوح پر می شود( شکل 8). این چیدمان نیز یک حفره در مرکز سلول واحد ایجاد می کند.

ساختار آنتی فلوریت

در ساختار آنتی فلوریت، ساختار فلوریت حفظ شده است. در این ساختار آنیون ها در آرایش مکعبی فشرده قرار دارند و کاتیون ها در مکان های چهار وجهی قرار دارند. مثال هایی از مواد دارای این ساختار عبارتند از .
ساختار رتایل
در ، عدد کوئوردیناسیون Ti برابر 6 با یک ظرفیت 4+ است. این مسئله موجب می شود تا استحکام پیوندی ایجاد شود و این مسئله موجب می شود تا یون اکسیژن عدد کوئوردیناسیون 3 ایجاد کند. از این رو کاتیون ها نیمی از فضاهای هشت وجهی را مانند شکل 9 اشغال می کند. به هر حال مجاورت نزدیک کاتیون ها منجر به اعوجاج می شود و در نتیجه باعث ایجاد شبکه ی فشرده ی می شود. مثال هایی از موادی که دارای این ساختار هستند عبارتند از

ساختار کوراندوم

در ساختار کوراندوم، آلومینیوم دارای ظرفیت 3+ با عدد کوئوردیناسیون 6 است. که این مسئله موجب می شود تا استحکام پیوند ایجاد شود. این مسئله موجب می شود تا نیاز به 4 یون آلومینیوم در حوالی هر یون تجمع پیدا کنند. و آلومینیوم ها دو سوم مکان های هشت وجهی را اشغال می کند( شکل 10).

ساختار اسپینل

ساختار اسپینل به صورت ( یا که در اینجا A و B فلز هستند) است مانند در این ساختار اکسیژن موقعیت های شبکه ی fcc را پر می کند و این مسئله موجب می شود تا 4 اتم اکسیژن در یک سلول واحد قرار گیرند و باعث ایجاد 4 حفره ی چهاروجهی و 8 حفره ی هشت وجهی شود. دو کاتیون سه ظرفیتی و یک کاتیون دو ظرفیتی وجود دارد. روشی که کاتیون ها، مکان های ایجاد شده را پر می کنند، به شکل زیر است:
اسپینل نرمال: در این ساختار کاتیون دو ظرفیتی مکان های چهار وجهی را پر می کند و دو آنیون سه ظرفیتی نیمی از مکان های هشت وجهی را پر می کنند. شکل 11a این ساختار را که بوسیله موادی همچون
اسپینل معکوس: در این ساختار یک آنیون دو ظرفیتی و یک آنیون سه ظرفیتی مکان های هشت وجهی را اشغال می کنند و یک کاتیون سه ظرفیتی باقیمانده مکان چهاروجهی را به خود اختصاص می دهد(شکل 11b). اسپینل معکوس متداول تر است و ساختار مهم تری به شمار می آید زیرا این ساختار دارای ویژگی های مغناطیسی است. موادی مانند دارای ساختار اسپینل معکوس هستند.

ساختار پروسکایت

کاتیون های بزرگ با اندازه ی مشابه با آنیون ها باعث می شود تا ساختار متراکمی با فرمول ایجاد گردد که به آن ساختار پروسکایت می گویند. یک کاتیون با بار بسیار زیاد مکان هشت وجهی را به خود اختصاص می دهد و کاتیون های بزرگ تر دارای بار کمتر، شبکه را با اکسیژن به اشتراک می گذارند. برای مثال در مکان های موجود در مراکز شبکه را به خود اختصاص داده اند و اطراف آنها را 6 آنیون اکسیژن قرار گرفته است و همچنین12 آنیون اکسیژن در اطراف قرار گرفته اند که در اطراف هر کدام نیز 4 کاتیون و 8 آنیون اکسیژن قرار دارد( شکل 12). موادی چون و موادی دیگر نیز دارای این ساختار هستند.

ساختار ایلمنیت

ساختار ایلمنیت از نوع است. این ساختار دارای لایه های متناوب A و B است که نیمی از مکان های کاتیونی بوسیله ی اتم های A و نیم دیگر بوسیله ی اتم های B اشغال شده اند. این آرایش از لایه های A و B این ساختار را نسبت به ساختارهای آلومینا و پروسکایت متفاوت می کند. مثال هایی از مواد دارای این ساختار عبارتند از

ساختارهای سیلیکاتی

نسبت r/R 0.29 برای سیلیسیم و اکسیژن باعث ایجاد کوئوردیناسیون چهار وجهی می شود( شکل 13a). بنابراین سیلیکات ها دارای استحکام پیوندی برابر با یک هستند و این مسئله منجر می شود تا 4 یون اکسیژن دو بار منفی در اطراف یک یون سیلیسیم چهار بار مثبت قرار گیرند اما تنها دو یون سیلیسیم در اطراف هر یون اکسیژن قرار می گیرند. یک ساختار سیلیکاتی با فاز کریستوبالیت در شکل 13b نشان داده شده است. یک ساختار سیلیکاتی آمورف نیز در شکل 13d نشان داده شده است.
سیلیس دارای سه پلی مورف است. این پلی مورف ها کوارتز( بالاتر از دمایK 846 ، تریدیمیت( بین دماهای 846 تا 1140K) و کریستوبالیت( بین دماهای 1140 تا 1983K) نامیده می شوند. دانسیته ی این پلی مورف ها به ترتیب برابر 2.65، 2.26 و 2.32 است. ساختار سیلیس از زنجیره های به هم متصل تتراهدال های سیلیسی تشکیل شده است. ارتوسیلیکات ها شامل مینرال های اولوین( )، مینرال های گارنت و آلومینوسیلیکات هستند( مانند کیانیت و مولایت). یون های اکسیژن به صورت هگزاگونال چیده شده اند که در آن در مکان های هشت وجهی و مکان های چهار وجهی قرار گرفته اند. این مسئله موجب می شود تا یک یون سیلیسیم و سه یون منیزیم یا دو یون سیلیسیم در اطراف یون اکسیژن قرار گیرند. پیروسیلیکات ها از هندسه ی ( با ساختار یک اکسیژن معمولی را در کوشه به اشتراک می گذارند.متا سیلیکات ها آرایش های زنجیره ای یا متناوب دارند که از واحدهای تشکیل شده اند. آرایش زنجیره ای متا سیلیکات از پیوندهای Si-O تشکیل شده است. مثال هایی از مواد دارای این ساختار عبارتند از پیروکسن( با زنجیره های تکی) مانند و ، آمفی بولز( با زنجیره های تکی) مانند و پنبه ی نسوز. ساختار سیلیکاتی متناوب شامل غیره می باشد. علاوه بر این شبکه ی سه بعدی از خانواده ی سیلیکات ها شامل فلدسپارها هستند که در آن ها یون های جایگزین شده اند و بار اضافی موجود در ساختار بوسیله ی بین نشینی اتم های دیگر به تعادل می رسد( مانند اورتوکلاژ . این مسئله را باید متذکر شویم که یون های مثبت با اندازه ی بزرگ به صورت به صورت درون شبکه ای قرار می گیرند در حالی که کاتیون های کوچکتر به داخل حفرات هشت وجهی ایجاد شده در زنجیره ها یا ساختارهای سیلیکاتی لایه ای وارد می شوند. به عبارت دیگر زئولیت یکی دیگر از خانواده های سیلیکات ها ساختار سه بعدی ایجاد می کند که این ساختار باز تر می باشد( شکل 14). به خاطر این ساختار بازتر، این مواد غربال های مولکولی بهتری هستند. علاوه بر این فلزات قلیایی و قلیایی خاکی موجود در زئولیت ها می توانند در محلول های مایع تبادل یونی انجام دهند و کلرید ها را از آب سخت خارج کنند.

سرامیک های اکسیدی

اکسید آلومینیوم که به آن آلومینا گفته می شود، یک ماده ی سفید و بدون بو است که دارای ساختار هگزاگونال می باشد( شکل 10). در طبیعت، آلومینا سخت ترین ماده ی معدنی بعد از الماس است و سختی آن در حدود 18-20 GPa می باشد. به دلیل سختی بالا و طبیعت دیرگدازی این ماده، از آن به طور گسترده در آسترکاری حرارتی، ایجاد عایق های سد حرارتی، سیستم های عایق کاری دما بالا، بوته های ذوب فلزی، صفحات سرامیکی و پتوها، هیترها و غیره، استفاده می شود. اکسید آلومینیوم دارای چندین پلی مورف است. در میان این پلی مورف ها آلفا آلومینا پایدارترین گروه این ماده از نقطه نظر ترمودینامیکی است. سایر فازهای نیمه پایدار می توانند به صورت زیر طبقه بندی شوند:
ساختار کیوبیک فشرده( fcc): که فازهای γ و η ، فاز مونوکلینیک( θ) و تتراگونال یا ارتورومبیک( δ) دارای این ساختارند.
ساختار فشرده ی هگزاگونال( hcp): فاز رومبوهدرال ( α)، ارتورومبیک( κ) و هگزاگونال( χ) دارای این ساختارند.
سایر فازهای مونوکلینیک نیز به عنوان فازهای ‘θ، “θ و λ^3 نامیده می شوند.
اکسید زیرکونیوم که به آن زیرکونبا نیز گفته می شود دارای ساختار مونوکلینیک در دمای اتاق است که این فاز در دماهای بالا به فازهای تتراگونال و کیوبیک تبدیل می شود( شکل 15). انبساط حجمی رخ داده در حین این تغییر فازها که حدود 3 تا 5 % می باشد موجب ترک خوردن زیرکونیای خالص در حین سرد شدن از دماهای بالا می شود. به هر حال حفظ فاز تتراگونال در دمای پایین موجب می شود تا جذب انرژی وجود داشته باشد و این جذب انرژی از رشد ترک جلوگیری می کند. در طی گسترش ترک، میدان تنشی موجود در نوک ترک می تواند استحاله ی فازی ایجاد کند و فاز تتراگونال را به مونوکلینیک تبدیل کند. بوجود آمدن انبساط حجمی 4-5 درصدی موجب می شود تا گسترش ترک خنثی گشته و در نتیجه ترک جمع تر می شود.
اکسید تیتانیوم در طبیعت بیشتر به صورت فاز روتایل وجود دارد. سایر فازهای این ماده آناتاس، بروکیت و سایر فازهای دما بالا هستند. طبیعت شگفت انگیز اکسید تیتانیوم ویژگی فوتوکاتالیستی آن است که اجازه می دهد این ماده در حضور نور، رادیکال تولید کند. علاوه بر این اکسید تیتانیوم به طور گسترده در ایجاد خطوط بر روی جاده ها، شیشه های خود تمیز شونده و ابر آب دوست، در تولید انرژی و غیره مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین طبیعت خنثای اکسید تیتانیوم باعث شده تا این ماده یک ماده ی زیست سازگار پذیز تلقی گردد که دارای بازده بالایی در ایجاد یکپارچکی استخوانی در میان لایه های خود دارد و از آن به منظور این هدف بر روی امپلنت های تیتانیومی استفاده می شود.
در میان اکسیدهای مختلف یک تعداد از پرکاربردترین آنها بعلاوه ی ویژگی های فیزیکی آن ها در جدول 1 اورده شده است.

سرامیک های غیر اکسیدی

سرامیک های غیر اکسیدی شامل بوریدها، نیتریدها، سیلیسیدها و کاربیدها هستند. مزیت سرامیک های اکسیدی این است که تحت شرایط اکسیدی پایدارند و از این رو تجزیه نمی شوند. مزیت کاربیدها دانسیته ی پایین تر آنها و نقطه ذوب بالاتر آنهاست. به هر حال استحاله های حالت جامد اغلبا غالب هستند و منجر به تکه تکه شدن آنها می شود. برید ها نیز اغلبا دارای دانسیته ی پایینی هستند اما یک لایه ی B_2 O_3 بر روی این ماده تشکیل می شود که یک زود ذوبی در دمای 1500℃ ایجاد می کند و این مسئله استفاده از بوریدها در دماهای بالاتر از 1200℃ را با مشکل مواجه می کند. نیتریدها و سیلیسیدها نیز اغلبا دارای تردی بالایی هستند و همچنین این مواد نیز به همراه اکسیدهایشان تشکیل می شوند. مقایسه ای در زمینه ی ویژگی های فیزیکی یک گروه اندک از سرامیک های غیر اکسیدی در جدول 2 آورده شده است.
ویژگی دیرگدازی استثنایی موجب شده از است تا از این ماده در پوشش های مقاوم به سایش استفاده شود. اما کاربرد آن به دماهای زیر 1500 درجه ی سانتگراد محدود می شود زیرا به خاطر تشکیل لایه ی B_2 O_3 زود ذوبی در این پوشش نیز مشکل ساز می شود. از این رو اغلبا به عنوان یک تقویت کننده ی کامپوزیتی مثلا در زمینه ی سیلیسیم کاربیدی مورد استفاده قرار می گیرد. تیتانیوم دی براید ( ) دارای ساختار کریستالی هگزاگونال است( شکل 16). این ماده دارای مقاومت به سایش عالی است و به عنوان سرامیک های مافوق دما بالا( UHTCs) طبقه بندی می شوند. در اصل در صفحات زرهی بالستیک، پوشش های ضد سایش، ابزارهای برش و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.
دارای سختی استثنایی، دانسیته ی پایین، مقاومت به سایش بالا، رسانایی حرارتی بالا و قابلیت جذب نوترون است. به خاطر این ویژگی ها، از آن در صفحات زره، نازل های بالستیک، اجزای ضد سایش، ابزارهای برش و سایش و ... استفاده می شود. ساختار کاربیدها به گونه ای است که در آن کربن به صورت بین نشین قرار گرفته است و سیلیسیم دارای ساختار فشرده می باشد. طبیعت پیوند بینابین( بین کوالانسی و یونی) اغلب در بین فلزات انتقالی و کربن وجود دارد اما این پیوند در زمانی که عنصری دیگر دارای الکترونگاتیویته ی یکسان است، به طور کامل کوالانسی است( مانند پیوند در SiC)( شکل 17).
ساختار نیتریدها مشابه کاربیدهاست اما این مواد پیوند فلزی کمتری نسبت به کاربیدها از خود نشان می دهند. دارای ویژگی های تریبولوژیک استثنایی است و سختی و مدول الاستیک بالای آن منجر شده تا از آن در کاربردهایی مانند یاتاقان های هیبریدی، توربین های گازی، توربوشارژرها، کار با فلزات گرم و ابزارهای برش، استفاده شود. دارای مقاومت به اکسیداسیون استثنایی، دانسیته ی کم و رسانایی الکتریکی بالایی است و بنابراین در المان های حرارتی مورد استفاده در دماهای زیر 1800کاربرد . ساختار تتراگونال( شکل 19) است که در آن Mo موقعیت های گوشه ای و موقعیت های مرکزی شبکه را به خود اختصاص داده است. ویژگی های فیزیکی انواع مختلفی از سرامیک های غیر اکسیدی در جدول 2 آورده شده است.
علاوه بر این ساختار گرافیتی دارای پیوندهای کوالانسی قوی میان اتم های کربن است( شکل 20). به هر حال در میان لایه های موجود در این ساختار پیوند ضعیف واندروالس وجود دارد و از این رو ساختار گرافیتی دارای ویژگی های آن- ایزوتروپی بالایی است.
پیوند ها، ساختار و ویژگی های فیزیکی اصولی هستند که طبیعت و کارایی اجزای سرامیکی را تعیین می کنند. پیوند بیان کننده ی میزان انرژی مورد نیاز برای جدایش یون ها و اتم هاست درحالی که ساختار روشی را استخراج می کند که بوسیله ی آن یک جدایش ذره ای اتفاق می افتد. علاوه بر این ویژگی های فیزیکی احساسی فیزیکی از سرامیک های ساختاری بیان می کنند. از این رو یک ترکیب از این ویژگی ها به ما کمک می کند تا به طور جزئی در مورد رفتار و کارایی مواد سرامیکی، اطلاعات کسب کنیم.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.