KYP0040 MATERJALITEADUSE ÜLDALUSED - tud.ttu.ee

8. KERAAMILISED MATERJALID
Keraamilised materjalid kuuluvad anorgaaniliste mittemetalliliste materjalide hulka. Suurem osa
keraamilisi materjale on metallide ja mittemetalliliste elementide ühendid, kus keemiline side on
täielikult või osaliselt iooniline.
Väljend „keraamika“ tuleb kreekakeelsest sõnast „keramikas“, mis tähendab põletatud kivi. Sellega
on rõhutatud, et selle materjali olulised omadused tekivad kuumutamisel kõrgel temperatuuril
(põletamisel).
Varem mõisteti keraamiliste materjalide all neid, mille tooraineks oli savi. Keraamika hulka
kuulusid portselan, fajanss, klaas, telliskivid, kahhelkivid, šamott jne.
Viimase 50. aasta jooksul on keraamika mõiste tunduvalt avardunud. Keraamika hulka kuuluvad
paljud elektriisolatsioonimaterjalid, pooljuhtmaterjalid jm.
Vaatleme selles osas keraamiliste materjalide struktuuri, omadusi, detailide valmistamist ja
kasutamist.
8.1 Keraamiliste materjalide kristallstruktuurid
Keraamilised materjalid koosnevad kahest või enamast elemendist, seetõttu on nende
kristallstruktuurid tunduvalt keerulisemad kui metallidel. Keemiline side materjalides võib olla peaaegu
puhtast ioonilisest kuni pea-aegu puhta kovalentseni. Näiteks mõnede materjalide sideme
ioonilisuse %:
CaF 2 89
MgO 73
NaCl 67
Al 2 O 3 63
SiO 2 51
ZnS 18
SiC 12
Kuna side on alati osaliselt iooniline, võime kahest elemendist koosnevaid materjale vaadelda
koosnevana katioonidest ja anioonidest. Kristallstruktuuri tingivad kaks ioonide omadust – laeng ja
mõõtmed.
Materjal tervikuna on neutraalne, seega katioonide laeng peab olema kompenseeritud anioonide
laenguga. Näit Ca ioonid omavad laengut +2, F ioonid laengut -1. Seetõttu peab kaltsiumfluoriidi
kristallis olema iga Ca iooni kohta 2 F iooni ja keemiline valem ongi CaF 2 .
Katioonide moodustumisel annavad nad elektrone ära, seega nende mõõtmed vähenevad. Anioonide
moodustumisel saavad nad elektrone juurde, seega mõõtmed suurenevad. Seetõttu ongi üldjuhul
anioonide mõõtmed suuremad kui katioonidel ja anioonide paiknemine määrab ära kristallvõre tüübi.
Iga katioon püüab end ümbritseda võimalikult paljude anioonidega ja vastupidi. Stabiilne struktuur
moodustub aga ainult siis, kui naaber-katioonid on vahetus kontaktis naaber-anioonidega. See tingib
seose koordinatsiooni arvu ja katioonide ning anioonide raadiuste suhte vahel (joon 8-1).
Koordinatsiooniarvudele 4 ja 6 vastavad tühikud suuremate osakeste vahel (neis tühikuis asuvad
väiksemad osakesed) on vastavalt tetraeedri ja oktaeedri kujulised. Sellised tühikud esinevad
suurima pakketihedusega kristallvõredes (TTK ja SPH).
35