Chemische bindingen bepalen fysische en mechanische eigenschappen

Vanuit chemisch oogpunt bestaat technische keramiek – in feite net als traditionele keramiek – uit verbindingen tussen metallische en niet-metallische elementen: oxiden zoals aluminiumoxide en zirkoonoxide, nitriden zoals siliciumnitride en titaannitride, en carbiden zoals siliciumcarbide. Technische keramiek is sterk en hard vanwege de sterke chemische bindingen tussen de elementen. Deze bindingen kunnen een ionogeen karakter hebben, zoals tussen positief en negatief geladen ionen die elkaar sterk aantrekken, met magnesiumoxide als voorbeeld. Anderzijds kunnen deze bindingen ook een covalent karakter hebben, zoals in siliciumcarbide, waarbij de niet-metalen silicium en koolstof een gemeenschappelijk elektronenpaar delen en zo een sterke binding vormen. De meeste soorten technische keramiek hebben een mengvorm tussen ionbindingen en covalente bindingen.

Deze sterke bindingen zijn ook de oorzaak van het stijve (dus niet-elastische) gedrag van technische keramiek. Voor kristallijne materialen als keramiek, maar ook voor een materiaal als metaal of glas, is de stijfheid sterk gekoppeld aan de bindingsenergie tussen de atomen waarvan het materiaal is gemaakt. In deze materiaalstructuren zitten de atomen goed op hun plek, en kunnen ze een klein beetje rondom deze ‘evenwichtsplek’ bewegen. Als je aan het materiaal trekt, dan bewegen de atomen een beetje uit elkaar, en als je het materiaal weer loslaat dan gaan de atomen terug naar hun oorspronkelijke positie.

Keramische materialen vormen het summum qua thermische stabiliteit. Het kost veel energie om hun sterke ionogene of covalente bindingen te verbreken, zodat keramiek een hoog smeltpunt heeft. Zo smelt aluminiumoxide pas bij 2054 °C, en titaancarbide zelfs bij 3067 °C. In een omgeving met zuurstof kun je siliciumnitride en siliciumcarbide tot wel 1600 °C gebruiken – boven deze temperatuur beginnen deze materialen te oxideren. Voor keramische oxiden ligt de maximale gebruikstemperatuur een beetje hoger. Deze materialen zijn niet gevoelig voor oxidatie; ze zijn immers al in oxide-vorm. Het verschijnsel ‘kruip’ – vervorming door geringe maar continue belasting bij hoge temperatuur – begint hier wel op te treden. We hebben het hier wel over extreem hoge temperaturen!

Het brosse-breukgedrag van keramiek is ook met deze sterke bindingen te verklaren. Door de sterke, gerichte covalente of ionogene atoombindingen kunnen in het materiaal geen plastische vervormingen optreden zoals dat wel het geval is bij metalen. Dit houdt in dat keramiek direct breekt wanneer de uitgeoefende kracht groter is dan een kritische grenswaarde. Deze grenswaarde hangt af van de al aanwezige defectgrootte: scheurtjes en andere oneffenheden, die zich vooral aan het oppervlak ophouden, geven plaatselijk een grote spanningsconcentratie. Dat kunnen (micro)scheurtjes zijn die al vanaf het begin in het materiaal aanwezig zijn, of die door beschadigingen tijdens gebruik ontstaan.

Verreweg de meeste soorten keramiek zijn niet elektrisch geleidend. En dat komt goed van pas bij het gebruik van bijvoorbeeld porselein of aluminiumoxide als isolatoren in bougies of bij de ophanging van hoogspanningsleidingen. Voor elektrische geleiding zijn immers vrije, stromende elektronen nodig, en deze zitten ‘vast’ in de ionbindingen en de covalente bindingen van het keramiek.