background image

Chapter 12 -  1 

Chapter 12: Structures & Properties of 

Ceramics 

ISSUES TO ADDRESS... 

•  How do the crystal structures of ceramic materials  
     differ from those for metals? 
•  How do point defects in ceramics differ from those  
     defects found in metals? 
•  How are impurities accommodated in the ceramic lattice? 

•  How are the mechanical properties of ceramics  
     measured, and how do they differ from those for metals? 

•  In what ways are ceramic phase diagrams different from  
     phase diagrams for metals? 


background image

Chapter 12 -  2 

•  Bonding: 

    

-- Can be ionic and/or covalent in character. 

    

-- % ionic character increases with difference in  

       electronegativity of atoms. 

Adapted from Fig. 2.7, Callister & Rethwisch 8e.  (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.) 

•  Degree of ionic character may be large or small: 

Atomic Bonding in Ceramics 

SiC: small 

CaF

2

: large 


background image

Chapter 12 -  3 

Ceramic Crystal Structures 

Oxide structures 

– oxygen anions larger than metal cations 
– close packed oxygen in a lattice (usually FCC) 
– cations fit into interstitial sites among oxygen ions 


background image

Chapter 12 -  4 

Factors that Determine Crystal Structure 

1.

 

Relative sizes of ions

 

– Formation of stable structures: 

    --maximize the # of oppositely charged ion neighbors. 

Adapted from Fig. 12.1, 
Callister & Rethwisch 8e. 

unstable 

stable 

stable 

2.

 

Maintenance of  

    Charge Neutrality

 : 

    --Net charge in ceramic  
         should be zero. 
    --Reflected in chemical  
         formula: 

CaF 2 : 

Ca

 

2+

 

cation

 

F

 

-

 

F

 

-

 

anions

 

A

 

m

 

X

 

p

 

m, p values to achieve charge neutrality 


background image

Chapter 12 -  5 

•  Coordination # increases with 

Coordination # and Ionic Radii 

Adapted from Table 12.2, 
Callister & Rethwisch 8e. 

2  

cation 

anion 

Coord  

< 0.155  

0.155 - 0.225  

0.225 - 0.414

 

0.414 - 0.732 

 

0.732 - 1.0

 

3  

linear 

triangular 

tetrahedral 

octahedral 

cubic 

Adapted from Fig. 12.2, 
Callister & Rethwisch 8e. 

Adapted from Fig. 12.3, 
Callister & Rethwisch 8e. 

Adapted from Fig. 12.4, 
Callister & Rethwisch 8e. 

ZnS 

 

(zinc blende)

 

NaCl

 

(sodium 

 

chloride)

 

CsCl

 

(cesium 

 

chloride)

 

r

 

cation

 

r

 

anion

 

To form a stable structure, how many anions can 
       surround around a cation? 


background image

Chapter 12 -  6 

Computation of Minimum Cation-Anion 

Radius Ratio 

• Determine minimum r

cation

/r

anion

 for an octahedral site 

 

 

 

 

 

 

(C.N. = 6) 

a 

=

 2r

anion

 

  

  



2r

anion

2r

cation

=

2 2r

anion

  

  



r

anion

r

cation

=

2r

anion

  

  



r

cation

=

( 2

1)r

anion

a

r

r

2

2

2

cation

anion

=

414

.

0

1

2

anion

cation

=

=

r

r


background image

Chapter 12 -  7 

Bond Hybridization 

Bond Hybridization

 is possible when there is significant 

covalent bonding 

hybrid electron orbitals form 

For example for SiC 

X

Si

 = 1.8  and   X

C

 = 2.5 

 

  

  



% ionic character 

=

 100 {1- exp[-0.25(X

Si

X

C

)

2

]}

=

11.5%

•   ~ 89% covalent bonding 
•   Both Si and C prefer sp

3

 hybridization 

•   Therefore, for SiC, Si atoms occupy tetrahedral sites 


background image

Chapter 12 -  8 

•  On the basis of ionic radii, what crystal structure 
    would you predict for FeO?  

•  Answer: 

550

0

140

0

077

0

anion

cation

.

.

.

r

r

=

=

based on this ratio, 
-- coord # = 6 because 

 

   0.414 < 0.550 < 0.732 

 

-- crystal structure is NaCl 

Data from Table 12.3, 
Callister & Rethwisch 8e. 

Example Problem:

  

Predicting the Crystal 

Structure of FeO 

Ionic radius (nm) 

0.053

 

0.077

 

0.069

 

0.100

 

0.140

 

0.181

 

0.133

 

Cation

 

Anion 

 

Al

 

3+

 

Fe

 

2

 

+

 

Fe

 

3+

 

Ca

 

2+

 

O

 

2-

 

Cl

 

-

 

F

 

-

 


background image

Chapter 12 -  9 

Rock Salt Structure 

Same concepts can be applied to ionic solids in general.  
Example:  NaCl (rock salt) structure 

r

Na

 = 0.102 nm 

r

Na

/r

Cl

 = 0.564 

 

  cations (Na

+

) prefer octahedral

 

sites 

Adapted from Fig. 12.2, 
Callister & Rethwisch 8e. 

r

Cl

 = 0.181 nm 


background image

Chapter 12 - 10 

MgO and FeO 

O

2- 

r

O

 = 0.140 nm

 

Mg

2+ 

 

r

Mg

 = 0.072 nm 

r

Mg

/r

O

 = 0.514 

 

  cations prefer octahedral sites 

So each Mg

2+

 (or Fe

2+

) has 6 neighbor oxygen atoms 

Adapted from Fig. 12.2, 
Callister & Rethwisch 8e. 

MgO and FeO also have the NaCl structure 


background image

Chapter 12 - 11 

AX Crystal Structures 

939

.

0

181

.

0

170

.

0

Cl

Cs

=

=

r

r

Adapted from Fig. 12.3, 
Callister & Rethwisch 8e. 

Cesium Chloride

 structure:

 

  Since 0.732 < 0.939 < 1.0,    

     cubic

 

sites preferred 

So each Cs

+

 has 8 neighbor Cl

AX

–Type Crystal Structures include NaCl, CsCl, and zinc blende 


background image

Chapter 12 - 12 

AX

2

 Crystal Structures 

•  Calcium Fluorite (CaF

2

•  Cations in cubic sites 

 

•  UO

2,

 ThO

2

, ZrO

2

, CeO

 

•  Antifluorite structure –     
    positions of cations and    
    anions reversed 

Adapted from Fig. 12.5, 
Callister & Rethwisch 8e. 

Fluorite

 structure 


background image

Chapter 12 - 13 

ABX

3

 Crystal Structures 

Adapted from Fig. 12.6, 
Callister & Rethwisch 8e. 

• Perovskite 

structure

 

 

Ex:  complex oxide  

        BaTiO


background image

Chapter 12 - 14 

Density Computations for Ceramics 

A

A

C

)

(

N

V

A

A

n

C

=

Number of formula units/unit cell 

Volume of unit cell 

Avogadro’s number 

= sum of atomic weights of all anions in formula unit 

  

  



A

A

  

  



A

C

= sum of atomic weights of all cations in formula unit 


background image

Chapter 12 - 15 

Silicate Ceramics 

Most common elements on earth are Si & O 

 

 

 

 

 

 

 

• SiO

(silica) 

polymorphic

 forms are quartz, 

crystobalite, & tridymite 

• The strong Si-O bonds lead to a high melting 

temperature (1710

ºC) for this material  

Si

4+

 

O

2-

 

Adapted from Figs. 
12.9-10, Callister & 
Rethwisch 8e 

crystobalite 


background image

Chapter 12 - 16 

Bonding of adjacent  SiO

4

4-

 accomplished by the 

sharing of common corners, edges, or faces 

Silicates 

Mg

2

SiO

4

 

Ca

2

MgSi

2

O

Adapted from Fig. 
12.12, Callister & 
Rethwisch 8e. 

Presence of cations such as Ca

2+

, Mg

2+

, & Al

3+

  

     1.  maintain charge neutrality, and 
     2.  ionically bond SiO

4

4-

 to one another  


background image

Chapter 12 - 17 

•  Quartz is 

crystalline 

    SiO

2

:  

•  Basic Unit:  

Glass is noncrystalline (

amorphous)

 

•  Fused silica is SiO

2

 to which no  

    impurities have been added

  

•  Other common glasses contain  
    impurity ions such as Na

+

, Ca

2+

,  

    Al

3+

, and B

3+

  

(soda glass) 

Adapted from Fig. 12.11, 
Callister & Rethwisch 8e

Glass Structure 

Si0 4  tetrahedron 

4- 

Si

 

4+

 

O

 

2

 

-

 

Si

 

4+

 

Na

 

+

 

O

 

2

 

-

 


background image

Chapter 12 - 18 

Layered Silicates 

• Layered silicates (e.g., clays, mica, talc) 

– SiO

tetrahedra connected  

together to form 2-D plane 

 
• A net negative charge is associated 

with each (Si

2

O

5

)

2-

 unit 

• Negative charge balanced by  

adjacent plane rich in positively 
charged cations  

Adapted from Fig. 
12.13, Callister & 
Rethwisch 8e. 


background image

Chapter 12 - 19 

• Kaolinite clay alternates (Si

2

O

5

)

2-

 layer with Al

2

(OH)

4

2+

 

layer 

Layered Silicates (cont.) 

Note:  Adjacent sheets of this type are loosely bound to 

one another by van der Waal’s forces.

  

Adapted from Fig. 12.14, 
Callister & Rethwisch 8e. 


background image

Chapter 12 - 20 

Polymorphic Forms of Carbon 

    Diamond 

– tetrahedral bonding of 

carbon 

• hardest material known 
• very high thermal 

conductivity

  

– large single crystals – 

gem stones 

– small crystals – used to 

grind/cut other materials  

– diamond thin films 

• hard surface coatings – 

used for cutting tools, 
medical devices, etc. 

Adapted from Fig. 12.15, 
Callister & Rethwisch 8e. 


background image

Chapter 12 - 21 

Polymorphic Forms of Carbon (cont) 

    

Graphite 

– layered structure – parallel hexagonal arrays of 

carbon atoms  
 
 
 
 
 
 
 
 

– weak van der Waal’s forces between layers 
– planes slide easily over one another -- good 

lubricant  

Adapted from Fig. 
12.17, Callister & 
Rethwisch 8e. 


background image

Chapter 12 - 22 

Polymorphic Forms of Carbon (cont)

  

Fullerenes and Nanotubes 

• Fullerenes

 

– spherical cluster of 60 carbon atoms, C

60 

– Like a soccer ball  

• Carbon nanotubes

 

– sheet of graphite rolled into a tube 

– Ends capped with fullerene hemispheres 

Adapted from Figs. 
12.18 & 12.19, Callister 
& Rethwisch 8e. 


background image

Chapter 12 - 23 

•  

Vacancies 

    -- 

vacancies exist in ceramics for both cations and anions

  

• 

Interstitials

 

    -- 

interstitials exist for cations 

    

-- interstitials are not normally observed for anions because anions  

        are large relative to the interstitial sites 

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.) 

Point Defects in Ceramics (i) 

Cation 

 

Interstitial

 

Cation 

 

Vacancy

 

Anion 

 

Vacancy

 


background image

Chapter 12 - 24 

•  

Frenkel Defect

 

    -- 

a cation vacancy-cation interstitial pair

•  

Shottky Defect

 

    -- 

a paired set of cation and anion vacancies. 

•  

Equilibrium concentration of defects  

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.) 

Point Defects in Ceramics (ii) 

Shottky 

 

Defect:

 

Frenkel 

 

Defect

 

/kT

Q

D

e


background image

Chapter 12 - 25 

•  

Electroneutrality (

charge balance

) must be maintained  

   when impurities are present 

•  

Ex:  NaCl 

Imperfections in Ceramics 

Na

 

+

 

Cl

 

-

 

•  

Substitutional cation impurity 

without impurity 

Ca 2+  impurity 

       with impurity 

Ca

 

2+

 

Na

 

+

 

Na

 

+

 

Ca

 

2+

 

cation  
vacancy 

•  

Substitutional anion impurity 

without impurity 

 O 2-  impurity 

O

 

2-

 

Cl

 

-

 

an ion vacancy 

Cl

 

-

 

      with impurity 


background image

Chapter 12 - 26 

Mechanical Properties 

Ceramic materials are more brittle than metals.   

Why is this so? 

• Consider mechanism of deformation 

– In crystalline, by dislocation motion 
– In highly ionic solids, dislocation motion is difficult 

• few slip systems 
• resistance to motion of ions of like charge (e.g., anions) 

past one another

  


background image

Chapter 12 - 27 

•  

Room T behavior is usually elastic, with brittle failure. 

•  

3-Point Bend Testing

 often used. 

    -- tensile tests are difficult for brittle materials. 

Adapted from Fig. 12.32, 
Callister & Rethwisch 8e. 

Flexural Tests 

– Measurement of Elastic 

Modulus 

L/2 

L/2 

d

 = midpoint  

deflection 

cross section

 

rect. 

circ. 

•  

Determine elastic modulus according to: 

x

 

linear-elastic behavior 

d

 

d

 

slope = 

3

3

4b d

L

F

E

d

=

(rect. cross section) 

4

3

12 R

L

F

E

d

=

(circ. cross section) 


background image

Chapter 12 - 28 

•  

3-point bend test to measure room-T flexural strength. 

Adapted from Fig. 12.32, 
Callister & Rethwisch 8e. 

Flexural Tests 

– Measurement of Flexural 

Strength 

L/2 

L/2 

d

 = midpoint  

deflection 

cross section

 

rect. 

circ. 

location of max tension 

•  

Flexural strength: 

•  

Typical values: 

Data from Table 12.5, Callister & Rethwisch 8e. 

Si nitride 
Si carbide 
Al oxide 
glass (soda-lime) 

250-1000 

100-820 
275-700 

69 

304 
345 
393 

69 

Material       

s

 fs (MPa)  E(GPa) 

2

2

3

b d

L

F

f

fs

=

s

(rect. cross section) 

(circ. cross section) 

3

R

L

F

f

fs

=

s


background image

Chapter 12 - 29 

SUMMARY 

•  Interatomic bonding in ceramics is ionic and/or covalent. 

 

•  Ceramic crystal structures are based on: 

     -- maintaining 

charge neutrality

 

     -- cation-anion radii ratios. 

 

•  Imperfections 
     -- Atomic point:  vacancy, interstitial (cation), Frenkel, Schottky 
     -- Impurities:  substitutional, interstitial 
     -- Maintenance of charge neutrality 

 

•  Room-temperature mechanical behavior – flexural tests 
     -- linear-elastic;  measurement of elastic modulus 
     -- brittle fracture;  measurement of flexural modulus 




رفعت المحاضرة من قبل: abdalla Alhamdany
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 93 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل