Mokslas, technologijos

Keramika yra kristalinė medžiaga, suformuota iš neorganinių nemetalų. Prie kerami­kos priskiriama dalis seniausių konstrukcinių medžiagų – granitas, akmuo ir porce­lianas. Visumoje sukepintą keramiką sudaro kristalinė fazė, kristalus jungianti stiklo fazė ir poros. Šiandienė keramika gali būti apibūdinama arba pagal pagrindinį ryšio mechanizmą (joninis arba kovalentinis), arba suskirstyta į tris dideles grupes pagal panaudojimą (natūrali, namų apyvokos ir inžinerinė).

Stiklai yra amorfiniai kietieji kūnai, kuriems būdinga tik artimoji tvarka (taisy­klingos grupuotės yra kristalitai, kurių matmuo < 1 mikro m), bet ji neišsilaiko didesniu atstumu. Stiklai gaunami greitai šaldant skysčius. Savybės primena skysčius, nes neturi aiškios lydymosi temperatūros, šildomi skystėja laipsniškai (silikatinio stiklo skystėjimo intervalas -200 K). Prie stiklų priskiriami organinis stiklas ir plastinės masės bei dervos.

Ryšys. Joninė keramika paprastai susideda iš metalo ir nemetalo. Aliuminio oksi­das (A1₂O₃), cirkonio oksidas (ZrO₂) ir natrio chloridas (NaCl) yra joninės keramikos pavyzdžiai. Atomai, kurie gali lengvai prisijungti elektroną ir tapti neigiamais anijo­nais, vadinami elektroneigiamais. O atomai, kurie gali lengvai disocijuoti į teigiamą katijoną ir elektroną, vadinami elektroteigiamais. Medžiagų graviravimas. Joninis ryšys yra formuojamas dėl elektrostatinės elektroneigiamų ir elektroteigiamų atomų traukos. Apytikslė joninio ryšio vertė yra 3 x 10¹⁹ J atomui. Atiduodant ar prisijungiant elektronus formuojamos dalyvaujančių joniniame ryšyje atomų visiškai užpildytos išorinės orbitalės. Joninis ryšys yra nekryptingas.

Kovalentinė keramika yra gryni elementai (deimantas ar silicis) arba dviejų ne­metalų junginys, pavyzdžiui, silicio ir deguonies, kurie formuoja kvarcinį stiklą SiO₂. Kovalentinis ryšys yra formuojamas, kai du ar daugiau atomų dalijasi savo elektronais, kad pasiektų stabilią užpildytų orbitalių būseną. Kovalentinis ryšys yra stipriai kryptingas, nes bendri elektronai užima fiksuotą tūrį tarp gretimų atomų. Kovalentinis ryšys yra formuojamas tarp atomų, kurie turi panašią elektroneigiamumo reikšmę.

Atomų išsidėstymas. Keramikos gardelės struktūra priklauso nuo dviejų veiksnių: kiekvieno elemento atomų skaičiaus, reikalingo elektriniam neutralumui išlaikyti, bei santykinio jonų dydžio (jonų spindulio). Jei katijono ir anijono spindulių santykis yra tarp 0,155 ir 0,225, tai gretimų jonų skaičius arba koordinacinis skaičius lygus trims yra labiausiai tikėtinas, kai išsidėstymas toks, kad anijonai yra trikampio, apibrėžto apie katijoną, kampuose. Esant santykiui tarp 0,225 ir 0,414 koordinacinis skaičius yra keturi ir anijonų tetraedras formuojamas apie katijoną. Atitinkamai, kai santykis tarp 0,414 ir 0,732, koordinacinis skaičius yra šeši, o didesnis už 0,732 atitinkamai aš­tuoni. Todėl aliuminio okside tai atitinka heksagonalinę struktūrą su O²~ jonų tankiu, išsidėstymu apie Al³⁺ joną taip, kad jį supa šeši deguonies jonai.

Silikatiniame stikle kristalitą sudaro (SiO₄Y tetraedras su silicio (Si) atomu centre ir keturiais O atomais kampuose.