6. 세라믹

소성(firing)이라는 고온 열처리 과정을 거쳐서 재질의 특성을 얻은 것
(주로 이온 결합 화합물)

(양이온) 배위수	$r_{Cation}/r_{Anion}$	(양이온) 배위수	$r_{Cation}/r_{Anion}$
2	< 0.155	6 (ex. NaCl 팔면체)	0.414 ~ 0.732
3	0.1555 ~ 0.225	8 (ex. CsCl 육면체)	0.732 ~ 1.0
4 (ex. ZnS 사면체)	0.225 ~ 0.414

위 표를 통해 이온 반지름 비로 배위수를 예측할 수 있고
다음 표를 통해 결정 구조까지 파악할 수 있다.

결정구조	구조 형태	음이온 충진 구조	양이온 배위수	음이온 배위수	예
암염	AX	FCC	6	6	NaCl, MgO, FeO
염화세슘	AX	단순입방	8	8	CsCl
삼아연광	AX	FCC	4	4	ZnS, SiC
형석	AX2	단순입방	8	4	CaF2, UO2, ThO2
페로브스카이트	ABX3	FCC	12(A) / 6(B)	6	BaTiO3
스피넬	AB2X4	FCC	4(A) / 6(B)	4	MgAl2O4

세라믹의 이론적 밀도는 $\rho = \frac{n(\sum A_{C} + \sum A_{A})}{V_{C}N_{A}}$로 구할 수 있다.
일반적으로 밀도는 금속 > 세라믹 > 고분자 의 관계를 가진다.
이론적 밀도를 통해 격자 내 원자수를 구할 수 있고
이를 이용하여 원자 충진율을 구할 수 있다.

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규산염

지각에 가장 많이 존재하는 산소와 규소의 화합물이다.
일반적으로 SiO₄^4-의 사면체 배열을 기본으로 한다.

가장 단순한 규산염 재료는 실리카(SiO₂)이다.
석영, 크리스토발라이트, 트리디마이트의 3가지 동질이상의 결정형이 존재한다.
이들은 밀도가 낮고 강한 Si-O 결합으로 녹는점이 높다.
이 동질이상들은 온도에 따라 결정된다.

Silicon과 산소가 길게 연결된 것을 Silicates(규산염)라 부른다.
이들은 사면체 구조를 형성하려 하며, 양이온들과 함께 섞여 중성을 맞춘다.
Silicon과 탄소, 산소가 결합해 합성 고분자를 형성한 것을 Silicone이라 부른다.

Silica gel은 비결정질 SiO₂ 구조이며, 표면적이 넓다.
반응성이 낮아서 촉매지지체로 사용된다.

Silica glass는 Silica melt가 빠르게 냉각되어 생기는 밀도 높은 비결정질 SiO₂ 구조이다.
일반적으로 특정한 녹는점이 존재하지 않고 높은 점성의 액체를 형성한다.
다른 산화물도 이처럼 네트워크 형성체를 형성하여 유리 구조를 가질 수 있다.
이들은 망상구조 중간중간에 들어가서 녹는점과 점성을 낮추는 역할을 한다.
특히 B³⁺가 첨가되면 안정성이 높아지고 덜 깨지기 쉬워진다.


층상 규산염은 각 사면체의 3개의 산소 이온이 공유될 때 발생한다.
(Si2O5)2- 구조에서 결합되지 못한 산소 원자 하나에 의해 음전하가 발생한다.
이 음전하 원자가 다른 화합물의 양전하를 띠는 원자와 중간층을 형성하여 층상 구조를 만드는 것이다.

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결함

공공, 치환 등의 점 결함이 존재한다.
치환의 경우 크기가 작은 양이온에 대해서 일어난다.

Frenkel Defect는 양이온 공공과 양이온 침입형이 함께 일어난 것으로
양이온이 자리를 옮겨 다른 양이온과 붙은 것으로 해석할 수 있다.

Schottky Defect는 AX 재료에서 양이온과 음이온이 짝으로 공공인 상황이다.
한 쌍을 결정 내부에서 재료의 표면으로 이동시켜 얻은 결함으로 생각할 수 있다.
이러한 경우는 전기적 중성이 유지된다.

전기적 중성을 위해서 공공의 경우 불순물이 있을 경우 더 잘 일어난다.
불순물의 전하가 다른 경우 자리를 비울 수 있기 때문이다.


세라믹은 소성변형 없이 재료가 파괴되므로 금속에 비해 잘 부서진다.
내부에 쉽게 균열이 생기기 때문이다.