Jelaskan hubungan antara sifat yang terbentuk dengan ikatan yang dimiliki oleh keramik

Komposisi dan sifat keramik , sifat atom dan molekuler keramikmaterial dan karakteristik serta kinerja yang dihasilkannya dalam aplikasi industri.

Keramik industri umumnya dipahami sebagai semua bahan yang digunakan dalam industri yang merupakan padatan anorganik, bukan logam. Biasanya mereka adalah oksida logam (yaitu senyawadari unsur logam dan oksigen), tetapi banyak keramik (terutama keramik tingkat lanjut) adalah senyawa unsur logam dan karbon, nitrogen, atau belerang. Dalam struktur atom mereka paling sering berbentuk kristal, meskipun mungkin juga mengandung kombinasi fase seperti kaca dan kristal. Struktur dan bahan kimia ini, meskipun beragam, menghasilkan sifat seperti keramik yang diakui secara universal dengan kegunaan abadi, termasuk yang berikut ini: kekuatan mekanis meskipun kerapuhan; ketahanan kimiawi terhadap efek memburuknya oksigen, air, asam, basa, garam, dan pelarut organik; kekerasan, berkontribusi terhadap ketahanan terhadap keausan; konduktivitas termal dan listrik jauh lebih rendah daripada logam; dan kemampuan untuk menyelesaikan dekorasi.

Dalam artikel ini, hubungan antara sifat-sifat keramik dan sifat kimiawi dan strukturalnya dijelaskan. Namun, sebelum penggambaran seperti itu dicoba, harus ditunjukkan bahwa ada pengecualian untuk beberapa karakteristik penentu yang diuraikan di atas. Dalam komposisi kimiawi , misalnya intan dan grafit, yang merupakan dua bentuk karbon yang berbeda, dianggap keramik meskipun tidak tersusun dari senyawa anorganik. Ada juga pengecualian pada sifat stereotip yang dianggap berasal dari keramik. Kembali ke contoh berlian, bahan ini, meskipun dianggap keramik, memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada tembaga — sifat yang digunakan oleh pembuat perhiasan untuk membedakannyaantara berlian sejati dan simulan seperti zirkonia kubik (bentuk kristal tunggal zirkonium dioksida). Memang, banyak keramik yang cukup konduktif secara elektrik. Misalnya, versi zirkonia polikristalin (berbutir banyak) digunakan sebagai sensor oksigen dalam mesin mobil karena konduktivitas ioniknya. Juga, keramik berbasis tembaga oksida telah terbukti memiliki sifat superkonduktor. Bahkan kerapuhan keramik yang terkenal memiliki pengecualian. Misalnya, keramik komposit tertentu yang mengandung kumis, serat, atau partikulat yang mengganggu perambatan retak menunjukkan toleransi cacat dan ketangguhan yang menyaingi logam.

Namun demikian, terlepas dari pengecualian tersebut, keramik umumnya menampilkan sifat kekerasan, tahan api (titik leleh tinggi), konduktivitas rendah, dan kerapuhan. Sifat-sifat ini terkait erat dengan jenis ikatan kimia tertentu dan struktur kristal yang ditemukan dalam material.Ikatan kimiawi dan struktur kristal dibahas secara bergantian di bawah ini.

Banyak sifat yang mendasari keramik adalah ikatan primer yang kuat yang menahan atom bersama-sama dan membentuk bahan keramik. Ikatan kimia ini ada dua jenis: keduanyabersifat ionik , melibatkan transfer elektron ikatan dari atom elektropositif (kation ) menjadi atom elektronegatif (anion ), atau sifatnya kovalen, yang melibatkan pembagian orbital elektron antara atom atau ion penyusun .Ikatan kovalen bersifat sangat terarah, seringkali menentukan jenis struktur kristal yang mungkin. Ikatan ionik, di sisi lain, sepenuhnya tidak terarah. Sifat nondirectional ini memungkinkan pengaturan pengemasan ion hard-sphere ke dalam berbagai struktur kristal, dengan dua batasan. Batasan pertama menyangkut ukuran relatif dari anion dan kation. Anion biasanya lebih besar dan padat, seperti pada struktur kristal kubik berpusat muka (fcc) atau heksagonal tumpukan tertutup (hcp) yang ditemukan pada logam. (Struktur kristal logam ini diilustrasikan pada Gambar 1. ) Kation, di sisi lain, biasanya lebih kecil, menempati celah, atau ruang, dalam kisi kristal antara anion.

Gambar 1: Tiga struktur kristal logam yang umum.

Batasan kedua tentang jenis struktur kristal yang dapat diadopsi oleh atom yang terikat secara ionik didasarkan pada hukum fisika — bahwa kristal harus tetap netral secara elektrik. IniHukum elektroneutralitas menghasilkan pembentukan stoikiometri yang sangat spesifik — yaitu, rasio kation spesifik terhadap anion yang menjaga keseimbangan bersih antara muatan positif dan negatif. Faktanya, anion diketahui berkerumun di sekitar kation, dan kation di sekitar anion, untuk menghilangkan ketidakseimbangan muatan lokal. Fenomena ini disebut sebagaikoordinasi .

Sebagian besar ikatan kimia utama yang ditemukan pada bahan keramik sebenarnya merupakan campuran jenis ionik dan kovalen. Semakin besar perbedaan elektronegativitas antara anion dan kation (yaitu, semakin besar perbedaan potensial untuk menerima atau mendonasikan elektron), semakin mendekati ionik ikatannya (artinya, semakin besar kemungkinan elektron ditransfer, membentuk kation bermuatan positif dan anion bermuatan negatif). Sebaliknya, perbedaan kecil dalam elektronegativitas mengarah pada pembagian elektron, seperti yang ditemukan dalam ikatan kovalen.

Ikatan sekunder juga penting pada keramik tertentu. Misalnya, dalam berlian, karbon bentuk kristal tunggal, semua ikatan bersifat primer, tetapi dalam grafit, bentuk karbon polikristalin, ada ikatan primer dalam lembaran butiran kristal dan ikatan sekunder di antara lembaran . Ikatan sekunder yang relatif lemah memungkinkan lembaran bergeser melewati satu sama lain, memberikan pelumasan grafit yang terkenal. Ini adalah ikatan utama dalam keramik yang menjadikannya salah satu bahan terkuat, terkeras, dan paling tahan api yang dikenal.

Struktur kristal juga bertanggung jawab atas banyak sifat keramik. Pada Gambar 2A hingga struktur kristal representatif 2D ditampilkan yang menggambarkan banyak fitur unik dari bahan keramik. Setiap kumpulan ion ditampilkan dalam kotak keseluruhan yang menjelaskansel unit dari struktur itu. Dengan berulang kali menerjemahkan sel satuan satu kotak ke segala arah dan dengan berulang kali mendepositkan pola ion di dalam sel itu di setiap posisi baru, kristal ukuran apa pun dapat dibangun. Pada struktur pertama ( Gambar 2A ) bahan yang ditampilkan adalahmagnesia (MgO), meskipun strukturnya sendiri disebut sebagai garam batu karena garam meja biasa (natrium klorida, NaCl) memiliki struktur yang sama. Dalam struktur garam batuan, setiap ion dikelilingi oleh enam tetangga terdekat dari muatan berlawanan (misalnya, pusat kation Mg 2+ , yang dikelilingi oleh anion O 2− ). Pengemasan yang sangat efisien ini memungkinkan netralisasi muatan lokal dan membuat ikatan stabil. Oksida yang mengkristal dalam struktur ini cenderung memiliki titik leleh yang relatif tinggi. (Magnesia, misalnya, adalah konstituen umum dalam keramik tahan api.)

Gambar 2A: Susunan ion magnesium dan oksigen dalam magnesia (MgO); contoh struktur kristal garam batu.

Struktur kedua ( Gambar 2B ) disebutfluorit , setelah mineral kalsium fluorida (CaF 2 ), yang memiliki struktur ini — meskipun bahan yang ditampilkan adalah urania (uranium dioksida , UO 2 ). Dalam struktur ini anion oksigen terikat hanya pada empat kation. Oksida dengan struktur ini terkenal karena kemudahannya untuk membentuk kekosongan oksigen. Dizirkonia (zirkonium dioksida, ZrO 2 ), yang juga memiliki struktur ini, sejumlah besar kekosongan dapat dibentuk dengan doping, atau dengan hati-hati memasukkan ion dari unsur yang berbeda ke dalam komposisi. Kekosongan ini menjadi bergerak pada suhu tinggi, memberikan konduktivitas ion oksigen ke material dan membuatnya berguna dalam aplikasi kelistrikan tertentu. Struktur fluorit juga menunjukkan ruang terbuka yang cukup luas, terutama di tengah sel satuan. Di urania, yang digunakan sebagai elemen bahan bakar diReaktor nuklir , keterbukaan ini dipercaya membantu menampung produk fisi dan mengurangi pembengkakan yang tidak diinginkan.

Gambar 2B: Susunan ion uranium dan oksigen dalam urania (UO 2 ); contoh struktur kristal fluorit.

Struktur ketiga ( Gambar 2C ) disebutperovskit . Dalam kebanyakan kasus, struktur perovskit berbentuk kubik — artinya, semua sisi sel satuan adalah sama. Namun, dalambarium titanate (BaTiO 3 ), ditunjukkan pada gambar, kation Ti 4+ pusat dapat diinduksi untuk bergerak keluar dari pusat, mengarah ke simetri nonkubik dan kedipol elektrostatis , atau kesejajaran muatan positif dan negatif menuju ujung berlawanan dari struktur. Dipol ini bertanggung jawab atas sifat feroelektrik barium titanat, di mana domain dipol tetangga berbaris ke arah yang sama. Konstanta dielektrik yang sangat besar yang dapat dicapai dengan bahan perovskit adalah dasar dari banyak perangkat kapasitor keramik.

Gambar 2C: Susunan ion titanium, barium, dan oksigen dalam barium titanat (BaTiO 3 ); contoh struktur kristal perovskit.

Variasi nonkubik yang ditemukan pada keramik perovskit memperkenalkan konsep anisotropi — yaitu, susunan ionik yang tidak identik di semua arah. Pada bahan anisotropik berat terdapat variasi sifat yang sangat besar. Kasus-kasus ini diilustrasikan olehyttrium barium copper oxide (YBCO; rumus kimia YBa 2 Cu 3 O 7 ), ditunjukkan pada Gambar 2D . YBCO adalah keramik superkonduktor; artinya, ia kehilangan semua hambatan terhadap arus listrikpada suhu yang sangat rendah. Strukturnya terdiri dari tiga kubus, dengan yttrium atau barium di tengah, tembaga di sudut, dan oksigen di tengah setiap sisi — dengan pengecualian kubus tengah, yang memiliki lubang oksigen di tepi luar. Fitur penting dalam struktur ini adalah adanya dua lembar ion tembaga-oksigen, yang terletak di atas dan di bawah kekosongan oksigen, di mana superkonduksi terjadi. Pengangkutan elektron yang tegak lurus terhadap lembaran ini tidak disukai, membuat struktur YBCO sangat anisotropik. (Salah satu tantangan dalam pembuatan keramik kristal YBCO yang mampu melewati arus besar adalah menyelaraskan semua butiran sedemikian rupa sehingga lembaran tembaga-oksigennya sejajar.)

Gambar 2D: Susunan ion tembaga, yttrium, oksigen, dan barium dalam oksida tembaga yttrium barium (YBa 2 Cu 3 O 7 ); contoh struktur kristal keramik superkonduktor.