Bölüm 12: Seramiklerin Yapıları ve Özellikleri Seramiklerde Atomsal Bağlar Bağlar: -- İyonik ve/yada kovalent karaktere sahip olabilirler. -- iyonik karakter % si atomlar arası elektronegativite arttıkça artar. İyonik karakterin derecesi büyük yada küçük olabilir: CaF 2 : large SiC: small Adapted from Fig. 2.7, (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University.) Chapter 12-1
Kristal Yapıyı Belirleyen Faktörler 1. İyonların boyutu Kararlı yapı oluşumu: - - + - - kararsız 2. Elektiksel yüklerin nötürlüğü: --seramiklerin net yükü sıfır olmalıdır. --kimyasal formülde gösterimi: A m X p - - + - - kararlı - - + - - kararlı CaF 2 : Ca 2+ katyon + Adapted from Fig. 12.1, F - anyon F - m, p değerleri yüklerin nötürlüğünü sağlar Chapter 12-2
Seramiklerde Kristal Yapı Türleri AX tipi Kristal Yapısı: Kaya Tuzu Yapısı Örnek: NaCl (kaya tuzu) yapısı Sezyum Klorür yapısı: r Na = 0.102 nm r Cl = 0.181 nm r Na /r Cl = 0.564 r r Cs Cl 0.170 0.181 0.939 katyonlar (Na + ) oktahedral kısımları tercih eder. katyonlar (Cs + ) 0.732 < 0.939 < 1.0 olduğundan hacimde bulunmayı tercih eder Adapted from Fig. 12.2, Adapted from Fig. 12.3, Chapter 12-3
Seramiklerde Kristal Yapı Türleri A m X p tipi Kristal Y. A m B n X p - tipi Kristal Y. Florit yapısı Perovskit yapısı Ör: kompleks oksit BaTiO 3 Kalsiyum Florit (CaF 2 ) Katyonlar Kübün içindedir. UO 2, ThO 2, ZrO 2, CeO 2 Adapted from Fig. 12.5, Adapted from Fig. 12.6, Chapter 12-4
Silikat Seramikler Yer kabuğunda en çok bulunan elemenlerden oluşur: Si & O Si 4+ O 2- Adapted from Figs. 12.9-10, Callister & Rethwisch 8e kristabolit SiO 2 (silika) polimorfik formları; kuvars, kristabolit, & tridimit. Kuvvetli Si-O bağları yüksek erime noktası sağlar (1710ºC) Chapter 12-5
Basit birim: 4- Si0 4 tetrahedra Si 4+ O 2 - Silika Camları Cam kristal değildir (amorf) Saf silika camı SiO 2 dir ve impürite eklenmemiştir. Diğer cam türlerinde Na +, Ca 2+, Al 3+, ve B 3+ gibi impürite iyonlar vardır. Kuvars kristal yapıda SiO2 dir : Na + Si 4+ O 2 - (sodyum-silika camı) Adapted from Fig. 12.11, Chapter 12-6
Karbonun Polimorfik Formları Elmas Tetrahedra bağlı karbon Bilinen en sert malzeme Çok yüksek termal iletkenlik Dev tek kristal mücehver taşı Küçük kristal diğer malzemeleri kesme/parçalama işinde İnce film Yüzey sertliği arttımak için kesici aletler, tıp cihazları, vb. Adapted from Fig. 12.15, Chapter 12-7
Karbonun Polimorfik Formları Grafit Katmanlı yapı hekzagonal olarak düzenlenmiş karbonlar. Adapted from Fig. 12.17, Callister & Rethwisch 8e. Katmanlar arası zayıf van der Waal kuvvetleri Düzlemler birbirinin üzerinden akar, iyi bir yağlayıcı Chapter 12-8
Karbonun Polimorfik Formları Fulerenler ve Nanotüpler Fuleren 60 tane karbon atomundan oluşan küre, C 60 Futbol topu şeklinde Karbon nanotüpler grafit levhanın kıvrılarak birleştirilmesi ve uçlarıda fuleren yarı küresi ile kapatılmış. Adapted from Figs. 12.18 & 12.19, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 12-9
Seramiklerde Noktasal Kusurlar(i) Boşluklar -- Hem katyon hem anyonlardan oluşan boşluklar Arayer -- sadece katyon rayer iyonu olabilir. Anyon boşluk Katyon arayer Katyon boşluk Adapted from Fig. 12.20, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 12.20 is from W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, Structure, John Wiley and Sons, Inc., p. 78.) Chapter 12-10
Seramiklerde Noktasal Kusurlar(ii) Frenkel Kusuru -- katyon boşluk ve katyon arayer ikilisi Shottky Kusuru -- katyon ve anyon boşluğu. Shottky Kusuru: Frenkel Kusuru Adapted from Fig.12.21, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 12.21 is from W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, Structure, John Wiley and Sons, Inc., p. 78.) Chapter 12-11
Seramiklerde Noktasal Kusurlar(iii) İmpüriteler olsada elektriksel denge (nötrlük) sağlanmalıdır. Ör: NaCl Na + Cl - Yeralan katyon impüritesi katyon boşluk Ca 2+ Na + Na + impüritesiz Ca 2+ Ca 2+ impüritesi impüriteli Yeralan anyon impüritesi O 2- an yon boşluk Cl - Cl - impüritesiz O 2- impüriresi impüriteli Chapter 12-12
Seramil Faz Diyagramları MgO-Al 2 O 3 diyagramı: Adapted from Fig. 12.25, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 12-13
Mekanik Özellikler Seramik malzemeler metallerden daha kırılgandır. Bu neden böyledir? Deformasyon mekanizmasını hatırlayalım kristallerde, dislokasyon hareketi ile Yüksek iyonik yapılarda, dislokasyon hareketi zordur Çok ender kayma sistemi Aynı yüklü iyonların hareketinde zorluk vardır (anyonlar birbirlerinin üstünden atlayamazlar) Chapter 12-14
Eğme Testi Elastik Modülünün Ölçümü Oda T inde genelde elastik davranış gösterirler ve gevrek kırılırlar. 3-Noktalı Eğme testi sıklıkla kullanılır. -- gevrek malzemeye çekme testi uygulamak güçtür. Kesit alan d R b dikdört. daire. F L/2 L/2 Elastik modülüs hesaplanması: F x eğim = F Doğrusal elastik davranış E E F F L 3 4bd L 3 3 12 R 4 Adapted from Fig. 12.32, = orta nokta sapması (dikdörtgen kesit a.) (circ. cross section) Chapter 12-15
Eğme Testi Eğme Dayanımı Ölçümü Oda sıcaklığında 3- noktalı eğme testi ile eğme dayanımı ölçülür. Kesit alan d R b dikdört daire. F L/2 L/2 Maksimum gerilim bölgesi Adapted from Fig. 12.32, = orta noktası sapması Eğme Dayanımı: fs fs 3 F f 2bd F f L 3 R L 2 (dikdörtgen kesit a.) (dairesel kesit a.) Malzeme Tipik değerler: fs (MPa) E(GPa) Si nitrür 250-1000 Si carbür 100-820 Al oksit 275-700 cam (soda-kireç) 69 Data from Table 12.5, 304 345 393 69 Chapter 12-16
ÖZET Seramiklerde atomlararası bağlar iyonik yada/ve kovalentdir. Seramik kristal yapı: -- elektriksel olarak yüksüz -- katyon-anyon yarıçap oranları dikkate alınmalı. Kusurlar -- Atomsal: boşluklar, arayer (catyon), Frenkel, Schottky -- İmpüriteler: yeralan, arayer -- yüklerin nötürlüğü sağlanmalıdır. Oda-sıcaklığında mekanik davranışlar - eğme testi -- lineer-elastik; elastik modülü ölçümü -- gevrek kırılma; eğme dayanımı ölçümü Chapter 12-17