علم سرامیک

is well known to producers of tiles and bricks who modify the atmospheres – oxidizing or reducing – of the kilns; – by considering now the raw materials, we can find a ternary composition, because the three components of silicate ceramics are: i) clays, ii) sand and iii) fluxes – i.e. compounds contributing to the firing thanks to the development of phases with low melting points. As kaolinite clay can be written: Al2O3-2SiO2- 2H2O, quartz sand: SiO2, and potassic feldspar, which is frequently used as a flux: K2O-Al2O3-6SiO2, we again find the ternary SiO2-Al2O3-MxOy (if MxOy = K2O). Figure 1.1 shows the equilibrium diagram Al2O3-SiO2-MgO and locates some of the main compounds that come under it [KEI 52, KIN 76]. Magnesia MgO is useful for refractory materials in iron metallurgy; mullite 3Al2O3-2SiO2, a unique compound defined in the binary diagram Al2O3-SiO2, is a crystallized phase present in many ceramics; cordierite 2MgO-2Al2O3-5SiO2 is characterized by very poor thermal expansion: it is used for example as catalyst support in exhaust pipes, etc. Hydroxyls OH- are present in many hydrated raw materials and water H2O allows the plasticity of clays, but because the ions and the corresponding molecules are eliminated in the heat treatments (this is called ignition loss), they are not taken into account in the composition of ceramics after firing. It is important to distinguish between impregnated water (which occurs as a mixture with rock particles and whose reversible departure is caused by simple drying, with possibility of rehydration in a wet environment) and combined water (which corresponds to the hydroxyls of the hydrated phases, for example to the four OH- in the formula of kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4). The departure of this “water” is accompanied by the disturbance of the crystallographic structure, hence the irreversible transformation at the end of firing beyond approximately 500°C. Silicate ceramics make the most of the versatility of silica (see section 1.5.2), which can exist in crystallized form (particularly quartz) or in amorphous form (silica glass) and, as a result, contain both crystallized phases and vitreous phases. The interatomic bonds brought into play in silicate ceramics are typically iono- covalent (SiO2 exhibiting a fine compromise, because its bonds are regarded as 50% ionic and 50% covalent), therefore these ceramics are almost always electrical insulators. The accentuation of the ionic nature yields hydrolysable compounds: halides can be regarded as ceramic compounds, but the salt-marsh workers are not classified among the producers of ceramic powders! 14 Ceramic Materials Alumina 1,925 2,050 Corundum 2,030 1,713 Silicia Two liquids Magnesia 2,800 Magnesia refractory materials 1,810 2,135 Figure 1.1. Main compounds in the diagram Al2O3-SiO2-MgO [KIN 76] 1.4. Non-silicate ceramics To classify any material, the user can consider two main categories: i) structural materials, whose operating performances are essentially mechanical, even thermal, in nature, and ii) functional materials, whose operating performances are primarily electrical, magnetic, optical, etc. We have said “primarily”, because we must underline, especially in a book of this nature, that no application can be exempt from mechanical properties. For example, the glasses in our spectacles are functional materials, designed in such a manner that their optical characteristics correct the defects in our vision, but their impact resistance or their scratch resistance are variables that are more difficult to improve than the optical properties. In addition to their functionalities, functional materials must in general exhibit a sufficient level of mechanical properties. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 15 1.4.1. Structural ceramics The uses of these ceramics vary according to their characteristics: – for ceramics with high mechanical performances, the established markets include abrasives, cutting tools and tribological applications: wear resistance and friction resistance (see Chapters 6, 7, 8 and 9); – for ceramics used at high temperatures, the established markets include refractory materials, essential for equipments of iron and steel, glass, cement or incineration industries (see Chapter 10); – for ceramics that must combine high mechanical performances and high temperatures the markets are more recent, but are growing rapidly. Only these ceramics are sometimes referred to as structural ceramics, but it is better to call them thermomechanical ceramics [CHE 89] (see Chapter 7). Thermostructural composites form the vanguard of thermomechanical ceramics: we will not discuss these composites here. The first two subdivisions that we have classified here among structural ceramics (abrasives, cutting tools and wear parts on the one hand, industrial refractory materials on the other) are often classified outside the field of ceramics. This is logical for abrasives, because if abrasive grains are ceramic compounds (primarily alumina Al2O3 or silicon carbide SiC), abrasives are themselves multi-material systems, for example, grinding stones whose matrix can be a glass or a ceramic, but frequently also a polymeric resin or a metal, or fabrics and papers (sandpaper) whose base is organic. The most widely used cutting tools and wear parts are made of tungsten carbide (WC) grains bonded together by a metal matrix, typically of cobalt. These cemented carbides fall under the category of cermets (for “ceramic- metal”), which are materials prepared by powder metallurgy, and this explains why they are claimed by ceramists and metallurgists. Our choice has been to include cermets among structural ceramics and to cover them in Chapter 9. Finally, as regards industrial refractory materials, their importance sometimes justifies their being regarded as a distinct category when we speak of “ceramics and refractory materials”. Here again, our choice has been to include refractory materials among ceramics (see Chapter 10), which is currently the commonly accepted view, but this does not however imply that refractory materials are always classified among structural ceramics. These remarks are essential to decipher economic data: spread across the three categories that we are considering here, structural ceramics represent a larger market than that of functional ceramics about which we will speak later on, but if reduced to thermomechanical ceramics and thermostructural composites, they represent only a small market in comparison with functional ceramics. 16 Ceramic Materials 1.4.2. Functional ceramics Functional ceramics are characterized by their: – electrical properties: insulators (very often), semiconductors (often), conductors (less frequently) and superconductors (a scientifically exciting field, but whose industrial applications are yet to be explored at the time of writing); – magnetic properties: hard magnets (permanent magnets) or soft magnets (winding cores); the field of magnetic recording is among one of the most spectacular scientific and technical advances with enormous industrial stakes; – optical properties; – chemical properties: catalysis, sensors; – “nuclear” properties: fuels, moderators; – biological properties: biomaterials and prostheses; – monocrystals for varied uses, for example for ionizing radiation detectors. Unlike silicate ceramics, raw materials used for the preparation of non-silicate ceramics are generally synthetic powders and not mixtures of crushed rocks. But these synthetic powders can result from natural products, which the English terminology makes easy to understand by distinguishing between “starting materials” (for example, alumina powders) and “raw materials” (bauxite rocks, in this case, whose treatment by the Bayer process yields the alumina powders) [CAS 90]. Ceramic compositions offer in general a simple chemistry, but microstructural parameters are complex. 1.4.2.1. Oxide ceramics Alumina Al2O3 is by far the foremost basic compound for “technical ceramics”, because alumina exhibits exceptional versatility: abrasion, cut, friction and wear, refractory uses, electricity and electronics, optics, biomedical, jewelry and the list can go on and on [CAS 90]. Silica SiO2 is also a basic compound both for ceramists and glassmakers; the alumina-silica diagram has for ceramists the same importance as the iron-carbon diagram has for metallurgists. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 17 Magnesia (MgO) and spinel (MgAl2O4) are primarily used as refractory materials in the iron and steel industry. Zirconia ZrO2 (not to be confused with zirconium silicate, called zircon, ZrSiO4) is used in the ceramic colors, but also for ionic conduction, mechanical purposes or in jewelry. Uranium oxide UO2 is the basic constituent of nuclear fuels, if necessary, as a mixture with a little plutonium oxide PuO2 (the mixture gives MOXs, or “mixed oxide nuclear fuels”). Barium titanate BaTiO3 is dielectric or a semiconductor, depending on its doping and its stoichiometry. It is the basic material in the industry of ceramic capacitors and it is also used for the manufacture of various types of probes and sensors. Soft ferrites and hard ferrites or hexaferrites are important materials for magnetic uses. “Soft” ferrites are crystals with a spinel structure whose reference is magnetite Fe3O4; “hard” hexaferrites are crystals with a hexagonal structure, whose type is BaFe12O19. Almost all metallic oxides have uses in ceramics, for example yttrium oxide Y2O3, beryllium oxide BeO, zinc oxide ZnO, tin oxide SnO2, superconductive cuprates like YBa2Cu3O7, and others. Most ceramic oxides are electrical insulators, whose electronic conduction is very weak (major exception: superconductors), but whose ionic conduction can be remarkable (for example, zirconia); those oxides that are semiconductors are frequently extrinsic semiconductors, whose performances vary considerably with the nature of the doping agents and their concentration. 1.4.2.2. Non-oxide ceramics Carbides form the main category of non-oxides [MCC 83], the most important of which are silicon carbide SiC, which is a semiconductor, but whose chemical is essentially covalent, and tungsten carbides, whose name comes from a typically metallic band structure, which therefore exhibits high electronic conductivity: tungsten carbide WC is the main industrial material in this class, which includes many other compounds, for instance, titanium carbide TiC. Nitrides primarily include silicon nitride Si3N4 and aluminum and silicon oxynitrides, also called sialons, aluminum nitride AlN, and various metallic nitrides, including TiN. 18 Ceramic Materials Some borides have industrial applications, for example titanium diboride TiB2 or lanthanum hexaboride LaB6, and some boron compounds are conventionally classified among borides, including boron carbide B4C and boron nitride BN, a material which has three polymorphs, including two isostructural carbon polymorphs: graphite and diamond. Silicides are numerous, but only one of them presents great industrial interest: molybdenum disilicide MoSi2 (not to be confused with molybdenum disulphide MoS2), which is used for the manufacture of the heating elements of very high temperature electric ovens (1,750°C), in air. Halides, finally, are more model materials in the chemistry of solids than usable ceramics, even if some of them are used for their optical properties; some chalcogenides could also enter the field of ceramics. This list omits a class of materials that has not yet been mentioned, in spite of its importance: carbonaceous materials – diamond, graphite, and more or less crystallized carbons that are obtained by heat treatments of tar and pitch, not to mention carbon fullerenes and nanotubes, which have not yet actually reached the stage of industrial products. Although some carbonaceous materials are prepared from organic raw materials, the trend is to classify the materials themselves under inorganic products: we endorse the term black ceramics [LEN 92]. Whereas oxides are mainly electrical insulators, non-oxides equally include insulators (for example, Si3N4 and AlN), semiconductors (for example, SiC) and conductors (for example, “metallic” carbides and borides and carbon products other than diamond, of which graphite is the most important). 1.5. Ceramic structures and microstructures 1.5.1. Ceramic structures This discussion on the crystalline structure of ceramics presupposes that the reader is familiar with the basics of crystallography [BUR 90, GIA 85, HAH 89]. Most oxides and silicates have crystalline structures obeying Pauling’s rules for ionic crystals, where the ions of small size (generally cations) enter the interstices of big ions (generally anions). The three main rules relate to the coordination number of cations, the coordination number of anions and the coordination number of polyhedra. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 19 The cation coordination number (Nc): the geometry of the polyhedron of anions around a cation depends on the ratio R = rcation/ranion. The cation must be in contact with the anions. The ionic radius varies, for a given element, with the charge of the ion and its coordination number. The anion coordination number (Na): the geometry of the polyhedron of cations around an anion is such that the sum of the electrostatic attractions resulting in the anion is equal to the charge (p) of this anion. For Mq+ X p-: s = electrostatic attraction of the link = q/Na Σs = p The force of the link is obtained by dividing the charge of the cation by its coordination number: EXAMPLE 1.– NaCl: NaVIClVI: each Na+ at the center of an octahedron of 6 Cl- contributes + 1/VI = 1/6, therefore Na(Cl-) = 6. EXAMPLE 2.– SiO2: SiIVOII 2: each Si4+ at the center of a tetrahedron of 4 O2- contributes + 4/IV = 1, therefore Na (O2-) = 2. The linking of polyhedra: the stability of the crystal decreases if the cations are too close, it decreases; therefore a linking of the coordination polyhedra at the corners is more favorable than at their edges and, even more so than at their faces. Many ceramic compounds have structures that bring into play an appreciably compact stacking of anions with cations in tetrahedral (four neighbors) or octahedral (six neighbors) coordination (see Table 1.1). 20 Ceramic Materials Formula Cation: anion coordination Type and number of interstices occupied Compact cubic stacking Compact hexagonal stacking MX 6:6 4:4 All the octa. Half the tetra. NaCl, FeO, MnS, TiC ZnS blende, CuCl, AgI-γ NiAs, FeS, NiS ZnS würtzite, AgI-β MX2 8:4 6:3 All the tetra. Half the octa. Alternating layers with all the occupied sites CaF2 fluorine, ThO2, ZrO2, UO2 CdCl2 – CdI2, TiS2 MX3 6:2 1/3 of the octa. Alternating pairs of layers with 2/3 of the octa. occupied BiI3, FeCl3, TiCl3, VCl3 M2X3 6:4 2/3 of the octa. Al2O3 corundum, Fe2O3, V2O3, Ti2O3, Cr2O3 ABO3 2/3 of the octa. FeTiO3 ilmenite AB2O4 1/8 of the tetra. and 1/2 of the octa. MgAl2O4 spinel, MgFe2O4 inverse spinel Mg2SiO4 olivine Table 1.1. Coordination and stacking in a few typical structures The structures are varied and we will mention only five of the most important ones (MgO, ZrO2, BaTiO3, Al2O3 and diamond), before discussing the rudiments of the structure of silicates: – MgO is the example of oxides with NaCl structure (space group Fm 3m) with Mg in site 4a (0, 0, 0) and O in 4b (1/2, 1/2, 1/2); Ceramic Compounds: Ceramic Materials 21 – CaF2 (fluorine) and K2O (antifluorine) also crystallize in the space group Fm 3m, with Ca in 4a and F in 8c ± (1/4, 1/4, 1/4); zirconia ZrO2 and urania UO2 adopt this type of structure; – BaTiO3 adopts a perovskite structure, with the oxygen octahedra at the center of which are titaniums, linked at their corners and surrounding a perovskite cage occupied by the large barium. A “beads on rods” representation of this structure places titanium at the eight corners of the cube, oxygen at the twelve centers of the edges and barium at the center of the cube (or barium at the eight corners of the cube, oxygen at the six centers of the faces and titanium at the center of the cube). Cuprate superconductors frequently have structures based on the perovskite structure; – alumina defines the corundum structure where oxygens form a compact stacking with the hexagonal aluminum ions placed in two-thirds of the octahedral sites, which decreases the overall symmetry towards the rhombohedric space group R 3 c; – if it is true that most ceramics have iono-covalent bonds which lead to structures that reasonably obey Pauling’s rules, others are markedly covalent. This is the case with silicon carbide, whose structure is similar to that of diamond (or silicon). We can think of a giant covalent molecule, extended to the scale of a crystal: the network is cubic, face centered and the pattern is composed of two carbon atoms, one located at 0, 0, 0 and the other located at 1/4, 1/4, 1/4; – as regards the various silicates, the description of the structure depends on the manner in which the Si-O bond is modeled. The ionic model predicts a compact stacking of O2-, with Si4+ and the other cations that occur in the various interstices. However, most silicates do not have a compact stacking of O2- and the coordination numbers observed often violate the rules deduced from the rcation/ranion ratio: the ionic model is imperfect. The covalent model describes the Si-O bonds by bonding orbitals, which explains the tetrahedral coordination of silicon and the angles between the bonds are close to the theoretical value of 109.5°. But the covalent model stumbles on some hurdles and explains less well than the ionic model the chemical formulas of most silicates and the substitution of silicon by aluminum, which correspond to formal charges: Si4+, Al3+, O2-, etc. In fact, the Si-O bond is 50% ionic and 50% covalent, the structure of silicates having been described based on tetrahedra [SiO4]4- linked such that: i) the tetrahedra are linked at the corners, ii) a bridging oxygen is common only to two tetrahedra and iii) the formal charges of the ions are Si4+ and O2-. The sequencing of the tetrahedra makes it possible to classify the various silicates under six categories, based on an increasing degree of polymerization [PUT 92]: 1) tetrahedra isolated from one another, without bridging oxygens, Si/O ratio = 1/4, (for example, olivine Mg2SiO4); 22 Ceramic Materials 2) two tetrahedra forming a dimer, with oxygens bridging two tetrahedra, each tetrahedron having one bridging and three non-bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3.5; charge of the dimer: [Si2O7]6-, (for example, rankinite Ca3Si2O7); 3) single chain silicates, each tetrahedron having two bridging and two non- bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3; a chain with N links has a charge [SiO3]n 2n- (for example, enstatite MgSiO3); 4) double chain silicates, half of the tetrahedra with two bridging and two non- bridging oxygens (Si/O = 1/3) and other half three bridging and one non-bridging (Si/O = 1/(2.5): in total Si/O = 2/5.5 and the charge is [Si4O11]n 6n- (for example, anthophyllite Mg7Si8O22(OH)2, the OHs being independent of the tetrahedra); 5) silicates forming two dimensional layers, each tetrahedron with three bridging and one non-bridging oxygens: Si/O = 1/(2.5); charge of a layer [Si2O5]n 2n- (for example, minerals of clays and micas or talc: Mg6Si8O20 (OH)4, the OHs being here again independent of the tetrahedra); 6) lastly, silicates where the tetrahedra are linked at all their corners: four bridging oxygens per tetrahedron, Si/O = 1/2 (for example, quartz SiO2). Quartz is part, like diamond, of a covalent description where the molecule extends to the scale of the entire crystal, regularly in the three-dimensional space. In addition to this classification, we can observe that: – when Al substitutes Si in the tetrahedron, we must consider the (Al+Si)/O ratio: for example, plagioclase feldspars, which range from albite NaAlSi3O8 to anorthite CaAl2Si2O8, the (Al+Si)/O ratio always being 1/2; – Al is generally in a tetrahedral site, instead of Si, but can be in an octahedral

Ceramic Materials 1.1. Ceramics Defining what the term “ceramic” means is not simple, as there is no single definition on which everyone agrees; there are in fact various definitions depending on the point of view adopted. We can thus consider the points of view of a historian, a scientist (physicist, chemist, etc.), an engineer or a manufacturer. 1.1.1. Ceramics and terra cotta The concept of ceramics is historically related to the concept of terra cotta and pottery, from which the Greek term κεραμοσ derives. This vision refers to the soils, the crushed rocks, that is, the geological materials and it also highlights firing: ceramic art is the art of fire, even if the ceramist has his feet in clay… The potter chooses suitable soils, primarily clay soils, which in the wet state offer the plasticity required to model them in the desired form: cup, vase or statuette. Then the piece is dried and water loss makes it lose its plasticity, but rehydration would restore the clay’s initial properties. In fact, dried clay is not yet a ceramic, although it is utilized in the production of rudimentary bricks used in very dry countries – like Saharan Africa. It is in fact the firing that causes the irreversible Chapter written by Philippe BOCH and Jean-François BAUMARD. 4 Ceramic Materials physicochemical transformations resulting in a material that has lost its plasticity and is no longer capable of rehydration: ceramic. Terra cotta bricks or flower pots are examples of these products, whose visual appearance is not very different from dried clays, but whose mechanical resistance is much higher and, for which water- insensitivity constitutes an essential property. The identification between “ceramic” and “terra cotta” gathers together the basic concepts that we will continue to encounter throughout this book: powdery mineral raw materials [RIN 96], the shaping which is made possible by the plasticity of wet clay, the heat treatments which start by drying (reversible dehydration) and continue with firing (irreversible dehydration and permanent physicochemical modifications). We have not yet mentioned in the description a major characteristic that conditions the preparation techniques as well as the uses of ceramics: brittleness. The flower pot is hard (it can scratch a metal sheet) but is vulnerable to impact. This brittleness is a hydra with many heads, as it implies: i) lack of ductility and plasticity; ii) low toughness and therefore great sensitivity to the notch effect; iii) poor mechanical impact resistance, i.e. poor resilience; iv) vulnerability to differential expansions, therefore vulnerability to thermal shocks; v) mechanical tensile strength significantly lower than compression strength; vi) significant dispersion of the mechanical strengths in samples believed to be identical. But the hydra can be tamed and these drawbacks come with a set of qualities that make ceramics irreplaceable for innumerable applications. We must also point out that artists, historians or museologists often use the term “ceramic” as a noun rather than as an adjective: “a Greek ceramic…” meaning “a Greek ceramic vase…”. 1.1.2. Ceramics: physics, chemistry, science and materials engineering The definitions depend on the point of view adopted: – solid state physicists are particularly interested in the electronic structure of solids and their conduction properties [KIT 98]. It is therefore natural for them to classify solids – as they seldom speak about materials – in a ternary division: i) insulators ii) semiconductors and iii) conductors and superconductors. The term ceramic is rarely used, but when it is, it refers to oxides, whether they are insulators Ceramic Compounds: Ceramic Materials 5 or conductors, even superconductors like cuprates, which earned Bednorz and Müller the Nobel Prize [BED 86]; – solid state chemists attach particular importance to the nature of the bonding forces, by distinguishing three types of strong bonds (metallic bond, ionic bond and covalent bond) and various variants of weak bonds (like the Van der Waals bond) [JAF 88, WEL 84, WES 90]. Ceramics are therefore solids with essential bonds. However, solid state chemists usually reserve the term ceramics for polycrystalline materials, as opposed to crystals (monocrystalline) and glasses. Thus, a crystallized polycrystalline silica (SiO2) – for example, in the form of quartz – obtained by sintering (we will explain the meaning of this term a little further on) [GER 86] is regarded as a ceramic, but not the corresponding monocrystal (it is a crystal), or quartz glass – whose amorphous structure makes it unworthy of being qualified as a ceramic; – materials science adopts a ternary classification that distinguishes i) organic materials, ii) inorganic and metallic materials and iii) inorganic and non-metallic materials. The concept of ceramic compounds is extremely broad here, as it is synonymous with the third category of inorganic and non-metallic materials. Therefore, ceramic compounds include most minerals and rocks, i.e. almost the entire crust of our planet. It should be noted that this definition of ceramics shifts the problem to other definitions, including the exact meaning that must be given to the term metallic. Tungsten carbide (WC), for example, can be classified among ceramics, but it is an electronic conductor that physicists classify within the group of metallic solids; – materials engineering is an engineers’ science, and thus considers not only the chemical composition, structure and properties of solids, but also their method of preparation. It is therefore appropriate to split in two each of the three categories put forward by materials science and separate natural materials from synthetic materials. Organic materials are then differentiated into natural products (like wood) and synthetic products (like most polymers) – but under what can we classify plywood? Metallic materials distinguish the rare native metals (gold, sometimes copper) from all metals and alloys that are derived from industrial processes. Finally, inorganic and non-metallic materials, classify on one side minerals and on the other rocks and ceramics or, more exactly, the triplet: ceramics + glasses + hydraulic binders (cement and plaster are examples of hydraulic binders). All these definitions are useful and they are not mutually exclusive. It is advantageous, depending on the subject treated, to adopt a particular point of view – the vision of the physicist being undoubtedly preferable when we consider the electronic conduction properties of ceramics and the vision of the materials engineers being undoubtedly more relevant when we have industrial concerns. Now we will discuss the most widely used manufacturing techniques, as they help us to locate and define what we will mean by ceramics in this book. 6 Ceramic Materials 1.1.3. Powders; sintering We have said that brittleness is a predominant feature of ceramics – at least at normal temperatures, because at very high temperatures (typically above 1,000°C), a certain plasticity can be observed. Brittleness causes limitations in the uses of ceramics (it is advisable to avoid bulls in a china shop…), but it also induces restrictions in the production techniques applicable to ceramics. This opposition is most evident between metals and ceramics: – a metallic object is typically obtained in two stages: production of the material in the form of a semi-finished product (bars, sheets, wires, etc.), and then production of the object (body of a car or a bolt, etc.). The processing methods take advantage of the fact that most metals are sufficiently ductile and malleable to laminate them, to deform them plastically, to stretch them, etc. and that they are sufficiently soft to cut them, turn them, mill them, bore them, etc.; – the production of a ceramic object is not dissociated from the processing of the material: the potter does not cut his vase in an already consolidated ceramic preform! The firing of the wet clay rough shape solidifies the object in its final form while simultaneously allowing physicochemical reactions transforming the raw materials into ceramic phases. In most cases, the ceramist creates the object whilst working on the material that constitutes it. It is true that some metal parts are produced by foundry, a process where the processing of the material and preparation of the object are concomitant. But foundry is seldom applied to ceramics because of the high temperatures that would be required – as the melting points of ceramics are generally higher than those of common metals – and also because of its brittleness, which makes it necessary to avoid thermal shocks and differential expansions. All these limitations on the possible manufacturing processes explain why the basic technique for the preparation of ceramic parts is sintering, i.e. the transformation, using the mechanisms of atomic diffusion, of a powdery substance – a non-cohesive granular medium made up of loosely agglomerated particles, therefore without any marked mechanical properties – into a consolidated substance – a cohesive granular medium whose grains are strongly linked to one another, hence with strong mechanical properties of a solid and not the poor performance of a powder. We can give the example of a snowball, a non-cohesive material that we can throw at someone’s face without any risk of hurting that person, but which can be transformed into a block of ice, a cohesive material, which can hurt when thrown like a stone. The movements of matter (atomic diffusion) that allow sintering are activated thermally and it is only when the temperature is sufficiently high (typically 0.5 Tf to 0.8 Tf, where Tf is the melting point expressed in Kelvin) that sintering occurs at a usable speed. Snow is transformed easily into ice because, even in very cold areas, temperatures remain high in relation to melting, at 273 K. But for ceramics, where Tf generally exceeds Ceramic Compounds: Ceramic Materials 7 1,300 K and can exceed 2,500 K, sintering requires high temperature firing: that is why ceramics is an art of fire. We may note that sintering is the basic process for the preparation of ceramic parts, but it is also increasingly used for the manufacture of metallic objects (powder metallurgy). What is true for ceramics can be transposed, partly, to glasses and hydraulic binders: these three types of materials are interrelated and we can say that all three bring into play ceramic compounds. But if we consider that a ceramic object is made of ceramic compounds processed by ceramic techniques, we can differentiate these materials by the order in which the three fundamental steps of the process take place: powders (P), forming of the object (F) and heat treatments of drying and sintering (HT): – P→F→HT: the manufacture of a ceramic component starts from a powdery medium (P), continues with its forming (F), and then ends with the heat treatments (HT). The consolidation of the material is done during sintering, therefore during the high temperature treatment; – P→HT→F: the manufacture of a glass component also starts with the powdery medium (P), but this is followed by heat treatments (HT), which must result in melting, whereas the consolidation occurs at the end of the process, at the time of the solidification of the magma on cooling, therefore at the same time as the forming of the object (F); – HT→P→F: the use of hydraulic binders starts with heat treatments (HT) – for example the firing, at about 1,450°C, of a mixture of limestone and clay for the preparation of cement clinker – then the reactive powders (P) thus produced are formed (F) and consolidated at normal temperatures, due to chemical reactions. This differentiation of ceramics, glasses and hydraulic binders based on the order of operations P/F/HT is rather simplistic, as it refers only to the most common cases. In fact, some ceramics are prepared by other sequences than the P→F→HT trio, some glasses are fashioned by sintering, and there are other exceptions, some of which will be discussed in detail in this book. However, the classification suggested is sufficiently relevant to be retained here, which implies that this volume on ceramics does not consider either glasses [ZAR 82] or hydraulic binders [BAR 96, TAY 97], these materials being studied in separate books. A logic emphasizing “the scientific aspects” rather than “the technical and industrial aspects” could have, on the other hand, justified combining the three categories of materials. The distinction made here between industrial ceramics and glasses lies in the method of preparation, not in the difference between crystalline solids and amorphous solids. In fact, some ceramics are mainly made up of vitreous (amorphous) phases, whereas vitroceramics are obtained by crystallizing a glass (devitrification). 8 Ceramic Materials 1.1.4. A few definitions In the reference work on ceramics [KIN 76], the authors place “the art and the science of ceramics in the production and use of objects formed of solids, whose essential components are inorganic and non-metallic materials”. This definition includes not only potteries, porcelains, refractory materials, terra cotta products, abrasives, sheet enamels, cements and glasses, but also magnetic non-metallic materials, ferroelectric materials, synthetic monocrystals and vitroceramics, not to mention “a variety of other products that did not exist a few years ago and the many others that do not yet exist…”. Kingery et al. stress that this definition largely exceeds terra cotta products consolidated by firing, to which the Greek term κεραμοσ refers, just as it exceeds the definitions given by most dictionaries – but our Petit Larousse is apt, defining the adjective “ceramic” as “relating to the manufacture of potteries and other terra cotta objects (including earthenware, stoneware, porcelain)” but also “ceramic material or ceramic: manufactured material that is neither a metal nor an organic material”. Kingery et al. adopt a scientific approach, which considers compounds rather than materials and thus includes glasses and cements among ceramics, but they do not make the jump to natural materials, since they mention only synthetic monocrystals, and yet the quartz that man has synthesized to cut out small piezoelectric resonators that form the heart of modern watches is a twin of the natural rock crystal. In the Dictionary of Ceramic Science and Engineering [OBA 84], we find a rather restrictive definition of ceramics: “Any inorganic and non-metallic product prepared by treatment at temperatures higher than 540°C (1,000°F) or used under conditions implying these temperatures, which includes metallic oxides and borides, carbides, nitrides and mixtures of these compounds”. We will see that kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4 – which is the main mineral of clays, hence the name kaolin given to some clays rich in kaolinite – undergoes irreversible reactions that transform it into metakaolinite when it is fired above approximately 500°C, which could justify the temperature of 540°C selected in the definition used to make the distinction between dried earth and terra cotta. In the Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials [BRO 91], which presents the common viewpoint held in Europe, we can distinguish materials and processes: – ceramic materials are based on inorganic non-metallic compounds, primarily oxides, but also nitrides, carbides, silicides; they must contain at least 30% of crystallized phases in volume; they exhibit a fragile behavior, with a stress-strain curve that obeys Hooke’s law of linear elasticity; Ceramic Compounds: Ceramic Materials 9 – ceramic processes bring sintering primarily into play, at temperatures higher than 800°C. We will now pause the study on the definitions of the word “ceramic”, which was necessary to bring to light some of the keywords that we will find throughout this book (non-metallic inorganic compounds, mineral powders, heat treatments and sintering, brittleness, etc.) and also to justify the differences that arise from the variety of possible points of view. If we propose our own definition, it could be the following: ceramic materials are synthetic materials, mainly composed of ionocovalent inorganic phases, not fully amorphous, and generally consolidated by the sintering at high temperatures of a powdery “compact” formed into the shape of the desired object, the starting powders being frequently prepared from crushed rocks. We do not think it necessary to define a threshold for the sintering temperature; it is important, with the development of composites, to suggest that besides inorganic phases, minority organic phases can occur; the existence of interesting ceramic materials with electronic conduction means that the reference to the iono-covalent character of the bonds does not exclude a partially metallic nature; lastly, it is necessary to insist on the closeness between the world of ceramics and that of minerals and rocks. If we were to expand this idea, we could affirm that “ceramics are synthetic rocks”. 1.2. Ceramic compounds Defining a ceramic compound as a non-metallic inorganic compound is a paradoxical choice, because it supposes that the concept of metal is sufficiently unambiguous to serve as basis for clarifying its antonym. However, confusions are frequent here, and are aggravated by the fact that ceramic compounds are metallic- non-metallic compounds, which we shall now study in detail. 1.2.1. Chemistry of ceramics Metallic elements form a majority among the elements of the periodic table. We know that these elements are located on the left of this table, and are therefore electropositive elements – which tend to lose electrons to yield positively charged cations. Non-metallic elements, sometimes denoted by their old name metalloids, are located on the right of the table: they are electronegative and tend to capture electrons. The ionic bond is illustrated by the attractions that develop between a metal, sodium, and a non-metal, chlorine, to create sodium chloride NaCl – also written as Na+Cl-. 10 Ceramic Materials Oxygen, a non-metal, is the most abundant element in the 45 km-thick Earth’s crust (approximately 47% in mass) [EMS 95]; then comes an element at the border between metals and non-metals, silicon (≈ 28%), and then metallic elements, particularly aluminum (≈ 8%) and iron (≈ 4%). Aluminum and iron are the most widespread metals – if we reason in terms of elements, but in a world rich in oxygen, almost all metals tend to oxidize, so that only noble metals remain in the native state, more stable than their oxides: we can find in the soil a few gold nuggets and a little native copper, but never blocks of aluminum or iron; in other words, we do not find in an isolated state materials whose constitutive elements are so abundant. Let us remind ourselves that we left the Stone Age only a few thousand years ago to reach the Bronze Age and then the Iron Age; that it was only in 1824 that Berzelius isolated silicon and in 1825 that Oersted isolated aluminum. In short, it is obvious that the reduction towards the constitutive metal of very stable metallic oxides – their enthalpies of formation are several hundred kilojoules per mole – is a difficult process. The essentially iono-covalent, non-metallic compounds that constitute ceramics are compounds formed between metals and non-metals. The opposition – the word is not too strong – between a metallic material and a metallic oxide can be illustrated by the comparison between a metal, aluminum, and its oxide, Al2O3 (alumina in English, where oxides are named by adding the ending “a” to the name of the metal: aluminum/alumina, silicon/silica, magnesium/magnesia, uranium/urania, etc.): – aluminum melts at low temperatures (660°C); it is an excellent conductor of electricity and heat, opaque to visible light, soft and very ductile, its modulus of elasticity is low (one-third that of steel) and it is vulnerable to the aggressions of multiple chemical reactants; – alumina melts at high temperatures (2,050°C); it is one of best known electrical insulators and a poor heat conductor; it is transparent to visible light, very hard but brittle, its modulus of elasticity is high (double that of steel) and it resists most aggressions of chemical reactant: in particular, it is perfectly stable in an oxidizing medium, as it “is already oxidized”. This comparison brings to light the fact that metals and metallic oxides exhibit different, even opposite, characteristics. Regarded as compounds formed between metals and non-metals, ceramics can therefore be classified with reference to the non-metal that is involved in the bond. The abundance of oxygen is such that the largest share belongs to oxides, while within these oxides, the abundance of silicon privileges silicates – which combine oxygen and silicon. Besides oxides, we find carbides and nitrides (the non-metals being respectively carbon and nitrogen), as well as borides, silicides (not to be Ceramic Compounds: Ceramic Materials 11 confused with silicates), even halides (chlorides, fluorides, iodides, etc.), sulphides, etc. However, another separation distinguishes silicate ceramics and non-silicate ceramics [CER 99]. 1.2.2. Silicate ceramics and non-silicate ceramics The abundance of oxygen, silicon and aluminum implies that the Earth’s crust consists predominantly (more than 97%) of silicate minerals, particularly aluminosilicates. Granite, for example, is a rock made up of quartz (the usual crystallized form of silica SiO2), feldspars (for example potassic feldspar KAlSi3O8) and various micas-aluminosilicates containing iron, magnesium or sodium; clay is a rock that always contains a high proportion of the mineral kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4, etc. We can mention here a practice of ceramists that can lead to confusion: they write chemical formulas of oxide compounds as if they were elementary mixtures of oxides and not compounds: KAlSi3O8 is written as K2O-Al2O3-6SiO2 and Al2(Si2O5)(OH)4 is written as Al2O3-2SiO2-2H2O. This does not obviously mean that potassic feldspar is an agglomerate of the oxide of potassium, aluminum and silicon, and that kaolinite is a mixture of alumina, silica and water. A common error is therefore to think that the high proportion of aluminum in the soil, which is the reason behind the frequent occurrence of “alumina” in the writing of the constitution of minerals, makes this alumina a common mineral: this is not the case, as can be testified by the fortunate but rare owners of the main gem whose chemical composition is Al2O3: sapphire! Since the Earth’s crust is primarily made up of silicates, we can understand why all ceramics that come close, by near or by far, to terra cotta are silicate materials. Silicate ceramics form, in tonnage, the majority of the world of ceramics. They are often described as traditional ceramics, a term which we do not endorse because it may be understood as opposed to progress and technical improvements – whereas many silicate ceramics are sophisticated materials – but which is justified by history: it was only at the end of the 19th century that non-silicate ceramics came to the scene, with specific uses that explain their other name, technical ceramics. Our choice here is to use “silicate ceramics” and “non-silicate ceramics”, rather than opposing tradition and advanced technology. We may note that almost all industrial glasses and cements are also silicate compounds. 12 Ceramic Materials 1.3. Silicate ceramics If we consider industrial products, and forget for the moment glasses and cements, the world of silicate ceramics (see Chapter 4) consists of the usual products: – terra cotta products, the most important of these being bricks and tiles, sometimes known as red products because of the color that they owe to the iron oxides they contain; – ceramic tiles; – sanitary ceramics; – tableware: colored, opaque and waterproof sandstone, often colored, opaque and porous earthenware, but generally covered with a waterproofing enamel – sometimes well, sometimes badly when it is cracked, but the esthetic quality is then enhanced – white, translucent and waterproof porcelain; white, opaque and waterproof vitreous objects; – technical ceramics, for example porcelains for electric insulation or porcelains for resistance to chemical attacks; – bioceramics (dental prostheses, etc.); – certain refractory materials, which serve as protection or insulation elements within devices that must function at high temperatures (lining of chimney hearths, etc.); – enamel sheets, to cover and protect steel sheets that are part of our refrigerators and washing machines. These enamel sheets are too often forgotten in works dealing with ceramics and glasses – but as these enamels are primarily amorphous and prepared by melting, it is better to classify them among glasses than among ceramics; – silica products – but it is common practice to classify them among technical ceramics, therefore paradoxically, to exclude them from silicate ceramics. Though non-exhaustive, this list shows the variety of the products involved. As regards the composition on the one hand, and the raw materials brought into play on the other, a silicate ceramics can be located primarily in a ternary diagram: – by adopting the conventional writing in the form of “mixtures” of elementary oxides, the composition of most silicate ceramics is in the pseudo-ternary diagram SiO2-Al2O3-MxOy, where MxOy is an oxide like Fe2O3, K2O, Na2O, MgO, TiO2, etc. The natural abundance of the element iron explains, as we have seen, the red, brown and yellow coloring of a number of silicate ceramics, where the degree of oxidation of iron (Fe3+: ferric-iron or Fe2+: ferrous

“exhaustiveness” coverage of the world of ceramic materials, if only because this subject covers such a wide area that only one book would not be able to do it justice – even if it is supplemented by a book dedicated to ceramic composites and by several volumes devoted to the cousins of ceramics, namely glasses, cements and concretes, and geomaterials. However, we believe that this problem can also be an advantage, because it resulted in the production of a concise work that provides the essence of the subject. In fact, initially this book was written for non-ceramists – students and engineers – interested in an introduction to the knowledge of this vast family of materials, in other words, for readers whose interests are not limited only to ceramics but for those who are aware that ceramics can act as a support (often) or as a rival (sometimes) to other materials. The necessity of concision has led to some restrictions. We have eliminated recapitulations, for example, thermodynamics or crystallography; we have not discussed materials that seemed far from the interests of our potential readers, such as monocrystals (jewelry and technical uses), ceramics for chemistry (catalysis and filtration), or superconductive oxides; finally, we have not dealt with “black ceramics” (graphite and carbons) or with deposits of diamond or hard carbon. As regards the division of this book into two parts, our choice was to devote the first part to the fundamentals of materials and processes and to devote the second to properties and applications. An essential difference between metals and ceramics lies in the fact that, for the former, there is generally a separation between the industry that produces the material (for example, in the form of sheets) and the industry that manufactures the part (for example, the car body structure), while, for the latter, it is the same ceramist who is in charge of manufacturing, almost simultaneously, both the material and the part. xvi Ceramic Materials This explains why, in Part 1, we have given an important place to production processes: raw materials, processing of powders, forming and, finally, sintering (Chapters 1, 3 and 5). Being materials older than metals and materials that had experienced unequalled aesthetic and technical successes before metals (the porcelains of China), ceramics become more interesting, even in their latest forms, when observed from a viewpoint that does not exclude history. We have therefore presented ancient ceramics (Chapter 2), as well as silicate ceramics – ceramics that are wrongly described as “traditional”, a term which could conceal the permanent innovations that they undergo (Chapter 4). “Technical ceramics” (to use another commonly used term) are mainly oxides (Chapter 6), but non-oxides (chapter 7) have recently experienced a number of developments. The presentation of the main compounds – oxides and non-oxides – throws light on the characteristics and therefore the potential uses of the corresponding materials, which opens the way to the second part devoted to properties and applications. In Part 2, Chapter 8 describes the mechanical properties of ceramics by emphasizing the specificities of these materials. The fields of abrasion, cutting and tribology highlight the importance of mechanical properties, cermets (Chapter 9) here bridging the gap between the world of CERamics and the world of METals. Refractories (Chapter 10) widen the requirements by combining mechanical stresses, the effects of high temperature and severe chemical aggressions. It is not just structural materials which require satisfactory mechanical properties; functional materials are also demanding: broken spectacles no longer correct vision and henceforth manufacturers of spectacles work mainly to obtain better resistances to scratches rather than fine-tuning optical performances! We have therefore given functional ceramics their due, and particularly ceramics for electronics (Chapter 11) which represent the bulk of “technical ceramics”. Bioceramics (Chapter 12) also illustrate the complementary nature of structural performances and functional performances: high mechanical properties are required but these should not enter into conflict with biocompatibility. If necessary, these must even disappear from the pedestal of bone reconstruction; this richness and complexity in behavior could not be ignored. France is one of the largest electronuclear countries and the nuclear world is the perfect example for the interlacing of questions and answers that a ceramist could encounter: this forms the subject matter of Chapter 13. Preface xvii Lastly, chemistry forms a basic discipline for ceramists, particularly when it requires making materials as demanding as materials in optical applications: Chapter 14 describes the contribution of “soft chemistry” with the help of sol-gel methods. Ceramics show that diversity and unity are not contradictory. The compounds are multiple, the applications are varied, the properties brought into play are different, even contradictory – ceramic oxides range from superconductors to the best electrical insulators. However, the chemistry of the systems brought into play, the nature of the interatomic bonds and, from the engineer’s view point, the production processes serve as the connecting point. Naysayers could suggest that there is another common point (and which, worse, is a weak point): brittleness. It is true (except at high temperatures where it is creep that poses problem), but I believe our readers are informed enough to understand that the term “brittle” (in the meaning of “non-ductile”) is a bad quality only for those who do not understand its profound significance. As Chapter 8 shows, brittleness is a hydra that can be controlled and, moreover, it is the price to be paid for high modulii of elasticity and high hardness. The horizontal vision (materials science and materials engineering) of the Anglo-Saxons offers the advantage of including within a single vast landscape metals, polymers and ceramics – a term then understood in its broadest meaning of “non-metallic inorganic solids”. In this vision, the varied characteristics of materials are less seen as “strong points” or “weak points” than as givens, admittedly often exclusive of each other, but the comparison of usage specifications makes it possible to select them as effectively as possible. Having begun my scientific career with the study of metals and continuing to cooperate with metallurgists, surrounded by polymerist colleagues, then having become a ceramist and now particularly interested in cementing materials, filled with wonder for minerals – they are beautiful and efficient and show all that we can achieve if we had enough time and if we could work more easily under high pressures – I am persuaded that it is by comparing materials with one another that we can best understand them. I hope that this book on ceramics becomes the tree that does not hide the forest. Philippe Boch At the time where the French version of this work would have to become the English version, Philippe had to leave us on the bad side of the forest. I became in charge of the tree. Philippe, the English version of your book on ceramics is now ready; I hope it is faithful to that you wished and that the tree is now on the right side of the forest. Jean-Claude Niepce

پرس تک محوری پودر های رسی و غیر رسی به صورت قرص وسایل آزمایش : پودر بدنه رسی آماده شده در آزمایش قبل , پودر غیر رسی (مانند آلومینا ) , قالب فولادی , دستگاه پرس هیدرولیک , هاون , ترازو با دقت 0.01 , کولیس , الک , روغن بزرک , آب , الک روند آزمایش : ابتدا قطعه ساخته شده در ازمایش قبل را در هاون کوبیده و از الک 50 مش عبور می دهیم. حدود 30 گرم خاک احتیاج داریم. سپس باید به این خاک 7% آب اضافه کنیم . برای 30 گرم خاک با یک تناسب می فهمیم که باید 2.1 گرم آب اضافه کنیم. هنگامی که آب را اضافه کردیم دوباره آنرا در هاون ریخته و می کوبیم تا آب در همه ی قسمت های خاک پخش شود و مرطوب گردد. حال دوباره از الک 50 مش عبور می دهیم تا دانه بندی ها ی آن یکنواخت شود. در این حالت گرانول هایی داریم که ذرات کنگره دار به صورت ذرات کروی در این گرانول ها در آمده اند. قالبی داریم که از 3 قطعه تشکیل شده است.یک استوانه تو خالی و 2 پانچ دارد.یکی پانچ بالا و دیگری پانچ پایین. ابتدا همه ی قسمت های داخلی قالب را توسط روغن بزرک چرب می کنیم. حال پانچ پایین را قرار داده و استوانه تو خالی را روی آن قرار می دهیم. و گرانول ها را داخل قالب می ریزیم. و پانچ بالایی را روی آن قرار می دهیم. حال باید قالب را در مرکز دستگاه پرس قرار دهیم و پرس را در 2 مرحله انجام دهیم.برای جلوگیری از حبس هوا ابتدا نیمی از فشار را به مدت 5 ثانیه وارد کرده و پس از آزاد سازی فشار نهایی را اعمال می کنیم.پس از خارج کردن قطعه ارتفاع آنرا از 4 نقطه اندازه می گیریم.و همین طور قطر آنرا نیز توسط کولیس اندازه گیری می کنیم . حال باید قطعه را وزن کنیم . وزن قطعه = 29.29 29.29 / x = 32.1 / 30 طبق محاسبات بالا 27.4 گرم پودر به صورت خالص داشتیم ( با کسر وزن آب) همچنین فشاری که به قطعه هنگام پرس وارد می شود باید محاسبه گردد . چون فشاری که داریم روی قطعه ابتدا به قطعه ای با قطر بزرگ تر وارد می شود و سپس به قطعه منتقل می گردد. F1 = P1¬ . A1 P2 = F1 / A2 = P1 . A1 / A2 = P1 ( d1¬ / d2 )¬¬¬¬ 2 ¬¬¬¬¬¬¬¬ Log ρ = ρ0 + K log p نمودار بالا 3 قسمت دارد: قسمت اول که ابتدای نمودار است قسمتی است که گرانول ها فقط کمی لغزش پیدا کرده و کمی تغییر شکل می دهند. قسمت دوم که دارای شیب زیادی است ناحیه ای است که فشار بیشتر شده و گرانول ها می شکنند. و تخلخل بین گرانوله ای پر می شود. قسمت سوم خود دانه های داخل گرانول روی هم می لغزند و تغییر فرم می دهند. قسمت دوم مهم ترین قسمت است و بیشترین تراکم رخ می دهد. فشار وارده در این قسمت حدود 50 الی 100 پاسگال است. محاسبات: P = 5 . 106 .( 75 / 51 )2 شعاع بزرگ = 75 = d1 d 2 = 51 p = 0.1081 . 106 log p = 7.03 log ρ = 3.28 با توجه به نمودار بالا : K = 0.4055 3.33 – 0.4055 . 7.03 = 0.5142 = ρ0 نتایج سایر گروه ها : دانسیته قطعه خشک وزن قطعه مرطوب ارتفاع نمونه قطر قالب فشار روی نمونه فشار گروه 51.42 28.84 7.8 50.8 6.54 30 1 47.9 29.29 6.7 51 10.81 50 2 44.1 28.61 7 51 11.16 60 3 40.4 31.5 7 51 17.3 80 4 34.4 28.4 7 50.9 19.54 90 5

اندازه گیری PH خاکها به وسیله کاغذ PH و PH متر وسایل آزمایش: 30 گرم خاک _ 50 الی 60 سی سی آب مقطر _ شیشه مربا _ قاشق _ دستمال_ کاغذ PH _ PH متر خاک مورد آزمایش : آلومینا تئوری آزمایش : Soil PH : the soil PH measures active soil acidity or alkalinity. A PH of 7 is neutral. Values lower than 7.00 are acid. Values higher than 7.00 are alkaline. Usualy the most desirable PH range for mineral soils is 6.00 to 7.00 & for organic soil 5.00 to 5.50 . Factors affecting the measurement of soil PH: Because the soil PH measure varies widely with the method of preparation of given soil , the details of the preparation procedure must be carefully specified with any soil PH data. In the preparation of the soil system , the principal variables that affect the PH measurement are the soil water content used , drying of the soil sample in the preparation , the content of soluble salts , the content of co2 as influenced by season or drying , the amount of grinding given the soil < and the field variation from core to core. ( which is the best handled by composite sampling ) _ measurement of the PH samples direchy in the field moist condition maybe considered the most valil in the existing soil biological environment. _ measurement of air-dried soil samples is the most convenient & generally used, & perhaps could be considered the standard procedure. There is reason to believe that certain soil chemical reaction are hastened by the drying process & that dried samples are therefore more nearly at equilibrium . wether dried or field moist samples were employed for the soil PH . Determination should be stated with the tabulated data. Effect of soil water content : In general , the more dilute the soil suspension , the higher soil PH value found , whether the soil is acid or alkaline. The rise in soil PH with dilution , from the sticky points to a soil : water ratio of 1:10 is usually of the order of 0.2 to 0.5 PH unit , but maybe 1 or 2 PH units incertain neutral & alkaline soils. Since the soil is near field condition , use of such moisture contents sometimes been advocated. روند آزمایش: 30 گرم خاک را در شیشه مربا ریخته و حدود 50 الی 60 سی سی آب مقطر به آن اضافه می کنیم و با قاشق هم می زنیم تا دوغاب یکنواختی حاصل شود. _ می توان به خاک بنتونیت و خاکهایی که پلاستیسیته بالای دارند و در نتیجه جذب آب بالایی دارند مقدار آب بیشتری اضافه کرد. _ آب مقطر به این دلیل که در آب شهری ممکن است املاح موجب شود که PH آب دقیقا برابر 7 نباشد و آب اسید باشد. و این موضوع باعث این می شود که PH خاک دقیق محاسبه نشود. _ خاکهای غیر رسی ته نشین می شوند در نتیجه باید تا زمانی که می خواهیم PH را اندازه گیری کنیم به هم زدن ادامه دهیم. اندازه گیری PH با کاغذ PH : کاغذ PH را داخل دوغاب کرده و بیرون می آوریم و مدتی صبر می کنیم تا کاغذ PH تغییر رنگ دهد. حالا 4 رنگ حاصل شده که هر کدام را با نمودار روی جعبه کاغذ PH تطبیق دهیم به ما PH را می گوید. 4 رنگ برای دقت بیشتر است. اندازه گیری PH با PH متر: دستگاه PH متر یک روش دقیق برای اندازه گیری PH است. برای استفاده از دستگاه ابتدا باید دستگاه را به طریق زیر کالیبره (تنظیم) کرد تا خطای اندازه گیری دستگاه به صفرمیل کند. ابتدا دستگاه را روی دما گذاشته و دمای آزمایشگاه که توسط دماسنج آزمایشگاه اندازه گیری شده را برای دستگاه تعیین می کنیم. حال دستگاه را روی PH قرار می دهیم. 3 محلول استاندارد که از قبل تهیه شده را داریم. سنسور دستگاه که سر شیشه ای آن می باشد را داخل محلول استاندارد قرار می دهیم و دکمه کالیبر را طبق PH محلول استاندارد تنظیم می کنیم. بار دیگر سنسور را داخل محلول استاندارد با PH دیگری قرار داده و این بار با دکمه slop طبق PH محلول دستگاه را تنظیم می کنیم. البته این نکته باید ذکر شود که هر بار که سنسور را از محلولی بیرون می آوریم باید آنرا با آب مقطر بشوییم و با دستمال کامل خشک کنیم. مهم ترین قسمت دستگاه PH متر سنسور شیشه ای آن است که برای محافظت آنرا در داخل محلول KCL نگه می داریم. بحث و نتیجه گیری : گروه خاک PH با کاغذ PH PH با PH متر 1 2 3 آلومینا 10 9.89 4 PH در مواقعی کاربرد دارد که با دستگاه هایی کار می کنیم که بدنه های آنها حساس است و باید PH خاکهای مورد استفاده را بدانیم. مثلا یک سری خاکها اسیدی هستند و اگر بدنه دستگاه از فلز حلال در اسید باشد نمی توان از این نوع خاک در این دستگاه استفاده کرد. و همچنین برای ظروفی که در داخل آن دوغاب درست می کنیم نیز این نکته می تواند حائز اهمیت باشد. خطا های آزمایش : خطای چشم در تعیین رنگ کاغذ PH خطای ایجاد شده توسط آب در صورتی که آب مقطر نباشد یا PH آب خنثی نباشد. خطای دستگاه PH متر مخصوصا در صورتی که خوب کالیبره نشده باشد. خطای دوغاب در مواقعی که ته نشین می شود . در این حالت ممکن است قسمت های مختلف PH های مختلف داشته باشد. ( اگر دوغاب را خوب هم نزنیم و همگن نشود و یا خاک و آب از هم جدا شوند.) منابع : www.ebook.ir www.wikipedia.com www.google.com

مواد لازم جهت ازمایش: خشک کن-انبر-شیشه مربا-خاک(کربنات کلسیم)-ترازو با دقت یک صدم گرم-دسیکاتور. دسیکاتور: هدف ازمایش: در این ازمایش باید بتوانیم میزان خاکی را که برای دسترسی به میزان مشخصی خاک خشک مورد نیاز با توجه به درصد رطوبت خاک تعیین کرده و از صرف زمان و هزینه اضافی بکاهیم. "اندازه گیری رطوبت خاک" در اندازه گيري رطوبت توسط دستگاه نوترون متر لازم است ابتدا دستگاه را واسنجي نمود . البته دستگاهها در كارخانه سازنده واسنجي مي شوند ولي بهتر آن خواهد بود كه با توجه به نوع خاك منطقه دستگاه را تنظيم نموده و رابطه بين درصد رطوبت و تعداد نبضهاي اندازه گيري شده در هر دقيقه را به صورت منحني يا معادله به دست آورد . براي اين منظور در هر اندازه گيري ابتدا تعداد تپ هاي الكتريكي قرائت شده و سپس از منطقه كره تاثير نمونه خاك را برداشت كرده و به روش جرمي رطوبت آن سنجيده مي شود . پس از چندين اندازه گيري در رطوبت هاي مختلف امكان به دست آوردن معادله يا منحني واسنجي وجود خواهد داشت . منحني واسنجي دستگاه نوترون متر غالبا به شكل خط مستقيم مي باشد كه معادله آن به صورت زير است . معمولا قرائت استاندارد در همان محل اندازه گيري و در وضعيتي كه ميله نوترون متر هنوز از داخل محفظه خود خارج نشده است به دست مي آيد . بدين ترتيب كه با روشن كردن دستگاه و انجام شمارش در همان دوره زماني استاندارد يك دقيقه صورت گرفته و عدد به دست آمده به عنوان شمارش استاندارد در نظر گرفته مي شود . توصيه مي شود قرائت استاندارد ، يك بار قبل از آزمايش و بار ديگر پس از آزمايش تعيين و ميانگين آنها در محاسبات لحاظ شود . پس از به دست آوردن قرائت استاندارد ميله از داخل دستگاه بيرون آورده شده و در داخل خاك در موقعيت مورد نظر ، شمارش نوتروني صورت مي گيرد ... با توجه به آنچه گفته شد ملاحظه مي شود كه دستگاه نوترون متر از نظر سرعت كار بر ساير روشها ارجحيت دارد ولي نبايد از نظر دور داشت كه گران بودن دستگاه خطرات احتمالي ناشي از نشت تابشهاي راديواكتيو از معايبي است كه بر اين روش گرفته مي شود . از نظر حفاظتي ميله دستگاه كه چشمه راديواكتيو در آن قرار دارد در وضعيت معمولي در داخل محفظه پر از پارافين قرار مي گيرد و لذا خطرات نشت تابش از آن بسيار اندك است . البته اين امر خود باعث سنگيني دستگاه مي شود كه يكي ديگر از معايب آن به شمار مي رود . دستگاه تابش گاما : يكي ديگر از روشهاي تابشي براي تعيين رطوبت خاك استفاده از دستگاههايي است كه تابش گاما را به داخل خاك گسيل مي دهد . اگر نمونه اي از خاك را انتخاب و از يك طرف تابش گاما وارد آن كنيم ، خاك باعث مي شود كه از شدت تابش كاسته شود . اگر در طرف ديگر نمونه شدت تابش را اندازه گيري كنيم ملاحظه خواهد شد كه از مقدار آن كاسته شده است . كاهش شدت تابش بستگي به دانسيته و رطوبت خاك و فاصله اي دارد كه تابش در خاك طي مي كند دارد و اگر دانسيته خاك ثابت باقي بماند مي توان گفت كه تغييرات شدت تابش بستگي به رطوبت خاك دارد . از مزاياي روش رطوبت سنجي با تابش گاما اين است كه بر خلاف روش نوتروني كه در آن متوسط رطوبت خاك در حجم كره اي به شعاع تقريبي 20 سانتي متر اندازه گيري مي شد ، با اين روش مي توان رطوبت را در هر مقطعي از خاك تعيين كرد . البته اين روش بيشتر در كارهاي تحقيقاتي استفاده شده و كاربرد آن در كارهاي صحرايي كم است. در روش رطوبت سنجي گاما معمولا از يك چشمه راديواكتيو 25 ميلي كوري سزيوم 137 استفاده مي شود كه انرژي آن كم و در حدود 661/0 ميليون الكترون ولت است . چشمه راديواكتيو در داخل محفظه سربي قرار گرفته است تا در حالت عادي خطرات ناشي از آن به حداقل برسد . پس از آنكه تابشهاي توليد شده توسط چشمه از داخل خاك عبور كرد در طرف ديگر به وسيله حساس تابشهاي مستهلك شده را دريافت و ثبت مي نمايد . بلوك گچي - يكي ديگر از روشهاي ساده براي اندازه گيري رطوبت خاك: بلوك گچي : يكي ديگر از روشهاي ساده براي اندازه گيري رطوبت خاك استفاده از قالب يا بلوكهاي گچي است كه به نام بلوكهاي مقاومت نيز معروفند . براي ساختن بلوك گچي قالب مكعبي شكل به ابعاد 5/1*3*4 سانتي متر را تهيه كنيد ، سپس دو قطعه تور سيمي از فولاد ضد زنگ به ابعاد 2*1 سانتي متر انتخاب كرده و به هر كدام يك سيم را لحيم كنيد . اين صفحات را كه الكترود مي ناميم به فاصله كمي از هم به طور موازي در داخل قالب قرار دهيد و با قاب يا بست پلاستيك آنها را محكم كنيد . پس از آماده شدن قالب و الكترودها گچ دندان پزشكي را به نسبت 1 به 1 با آب مقطر مخلوط كرده و خوب به هم زده و آن را يك دفعه اما به آرامي داخل قالب بريزد . با ضربه زدن به قالب سعي كنيد هواي محبوس شده را خارج كنيد . پس از آن گچ به اندازه كافي سفت شده و مي توان آن را از قالب خارج كرد . بلوكها را حداقل به مدت يك شبانه روز در سايه خشك كنيد آنگاه آنها را داخل آب قرار دهيد تا به مدت 5/0 ساعت اشباع شوند و در همين وضعيت مقاومت دو سر الكترود را با دستگاه مقاومت سنج اندازه گيري كنيد ، اگر عدد قرائت شده در بعضي از بلوكها از 5 درصد متوسط قرائت ها تجاوز كرد از آنها استفاده نكنيد . بلوكهاي آماده شده را داخل خاك گلدان قرار داده و پس از آبياري مقاومت را در زمانهاي مختلف اندازه گيري كرده و همزمان با برداشت نمونه رطوبت خاك را به دست آوريد . با رسم منحني تغييرات مقاومت بلوك و درصد رطوبت خاك بلوكها واسنجي مي شوند . حال اگر اين بلوكها را در خاك نصب كنيم كافي است فقط مقاومت را اندازه گيري كرده و از روي اين منحني ها مي توان درصد رطوبت خاك را به دست آورد . در هنگام آزمايش بلوكهاي گچي پس از آنكه آنها را داخل آب قرار داديد تفاوت قرائت بلوكها نبايد از 50 اهم بيشتر باشد . در اينصورت بلوكها يكنواخت نخواهد بود . اگر قرائت بلوكها در داخل آب همگي صفر باشند ايده آل است اما اگر قرائت ها اعدادي تا حدود 400 اهم را نشان دهند باز هم مي توان با اعمال ضريب اصلاحي از آنها استفاده كرد ولي اگر قرائت بلوك در آب بسيار زياد بود حتما توصيه مي شود كه از آن استفاده نشود . در حد ظرفيت زراعي بايد قرائت بلوك حدود 500 تا 600 و در حد پژمردگي 50000 تا 75000 اهم باشد . البته بلوك گچي بايد قادر باشد تا مقاومت 1000000 و 200000 اهم را هم اندازه گيري كند . براي جلوگيري از پلاريزه شدن الكترودها و امكان بروز اشتباه در اندازه گيري رطوبت توصيه مي شود از مقاومت سنجهايي استفاده شود كه در آنها جريان برق مستقيم باطري به جريان متناوب تبديل مي شود . براي اين منظور معمولا مقاومت سنج هاي 1000 سيكلي به كار برده مي شود ، زيرا با انجام اين كار از عمل قطبي شدن جلوگيري شده و در اندازه گيريها كمتر اشتباه بروز مي كند . مهمترين مزيت بلوكهاي گچي علاوه بر سرعت اندازه گيري درجه دقت آنها در رطوبت هاي كم است . علاوه بر اين بلوكها ارزان بوده و مي توان تعداد زيادي از آنها را با هزينه كم در داخل خاك نصب كرد . بزرگترين مشكل در بلوكهاي گچي حساسيت آنها به شوري محلول خاك است . وجود نمك در آب باعث مي شود كه هدايت الكتريكي بلوك افزايش يافته و اين امر باعث اشتباه در تخمين رطوبت گردد . زيرا اساس اندازه گيري رطوبت با بلوك گچي اين است كه وقتي يك بلوك خشك در خاك قرار مي گيرد به دليل خشك بودن بلوك هدايت الكتريكي بين دو سر الكترود صفر يا بسيار اندك است . اما چون بلوك از گچ با دانه هاي ريز درست شده است بلافاصله به لحاظ پتانسيلي با خاك تبادل رطوبت كرده و از اين نظر با آن متعادل مي شود . جذب آب توسط بلوك باعث افزايش هدايت الكتريكي مي شود . حال اگر خاك شور باشد آبي كه جذب بلوك مي شود حاوي نمك بوده و لذا هدايت الكتريكي بيشتر افزايش مي يابد . به طوريكه در دو خاك مشابه با رطوبت يكسان ، اگر يكي شور بود و ديگري شور نباشد ، عدد قرائت شده با بلوك يكسان نخواهد بود . با توجه به نياز تعادل پتانسيلي بين بلوك و خاك لازم است كه پس از نصب بلوك به مدت چندين ساعت صبر كرد تا اين تعادل برقرار شود . براي اين منظور بلوكها قبل از آبياري در خاك قرار داده مي شوند و معمولا در تمام فصل رشد در خاك باقي مانده و فقط سيمهاي متصل شده به الكترودها از خاك خارج مي باشد كه در موقع اندازه گيري به دو سر مقاومت سنج وصل شوند . گرچه در خاكهاي معمولي بلوك مي تواند تا 5 سال مورد استفاده واقع شود ولي در خاكهاي شور يا آلي و خاكهاي مرطوب بيش از يك سال عمر نخواهند كرد . در استفاده از بلوكهاي گچي توصيه مي شود فاصله آنها از يكديگر در خاك كمتر از 30 سانتي متر نباشد بلوكها نسبت به درجه حرارت حساس بوده و در هنگام واسنجي آنها بايد مساله در نظر گرفته شود . پيزومتر : براي اندازه گيري پتانسيل فشاري در خاك معمولا از لوله هاي پيزومتر استفاده مي شود . پيزومتر يك لوله ساده است كه دو سر آن باز مي باشد . اگر يك سر لوله را در خاك و نقطه مورد نظر قرار دهيم در صورت وجود پتانسيل فشاري آب در لوله بالا خواهد آمد . ارتفاعي كه آب در لوله بالا مي آيد برابر پتانسيل فشاري در آن نقطه است روند ازمایش : ابتدا شیشه مربایی را کامل می شوییم و خشک کرده سپس داخل خشک کن گذاشته بعد از انکه کامل خشک شد با انبر (به دلیل عدم انتقال رطوبت )از خشک کن خارج کرده با ترازو ان را وزن میکنیم.(وزن شیشه15/204) بعد از وزن کردن شیشه ان را داخل دسیکاتور قرار داده تا رطوبت جذب شده در این فاصله توسط دسیکاتور گرفته شود. 50 گرم خاک مورد نظر را در شیشه ریخته (21/50) وان را به مدت حداقل 24 ساعت در دمای 90 الی 110 درجه حرارت میدهیم. (برای نمونه ما زمان حدود 24 ساعت ودما 110 درجه بود) بعد از طی این مدت دوباره شیشه و خاک محتوی ان را وزن میکنیم. (35/254) حال با استفاده از رابطه زیر درصد رطوبت خاک را محاسبه میکنیم: W3 – W2 درصد رطوبت بر مبنای خشک: ____________ * 100 W3-W1 MD% = 0/0199 W3 – W2 درصد رطوبت بر مبنای تر : ____________ * 100 W2- W1 Mw% = 0/0199 اشتباهات معمول: بر اساس Rolling and Rollings (1996): اشتباهات معمول آزمايشگاهي در مورد آزمايش درصد رطوبت بشرح زير است: 1- استفاده از ترازوي كاليبره نشده يا بد كاليبره شده. 2- از دست رفتن خاك بين وزن کردن اوليه و ثانويه. 3- از دست رفتن رطوبت نمونه قبل از وزن کردن اوليه. 4- اضافه شدن رطوبت به نمونه پس از خشك كردن و قبل از وزن کردن ثانويه. 5- دماي نامناسب ظرف، نمونه خيلي كوچك يا وزن غلط ظرف. 6- خارج نمودن نمونه ازظرف قبل از دستيابي به وزن خشك ثابت. 7- وزن کردن نمونه هنگاميكه هنوز داغ است (براي ترازوهاي حساس به دما). اشتباه معمول ديگر لبريز كردن ظرف با نمونه‌ خاك است. در چنين شرايطي جريان هوا محدود شده و احتمال اينكه نمونه‌بطور كامل خشك نشوند وجود دارد بحث ونتیجه گیری : نتایج به دست امده از سایر گروه ها به شرح زیر است: نام خاک MD Mw گروه 1 بنتونیت 3/33% 3/22% گروه2 کائولن تاکستان 0/5% 0/5% گروه3 کربنات کلسیم 0/02% 0/02% گروه4 دولومیت 1/7% 1/7% مقدار درصد رطوبت خاك غالباً‌ بر حسب نزديكترين 1/0 يا 1 درصد بيان مي‏شود. درصد رطوبت خاك مي‌تواند بين 0 تا 1200 درصد متغير باشد. درصد رطوبت صفر بيانگر يك خاك خشك است. نمونه‌اي از يك خاك خشك، شن يا ماسه تميز در شرايط آب و هوايي بسيار گرم است. خاكهاي آلي بيشترين درصد رطوبت را دارند. بر اساس دسته بندی خاک ها از نظر پلاستیک و غیر پلاستیک بودن میتوان نتیجه گرفت که: خاکهای پلاستیک مانند بنتونیت درصد رطوبت بالاتری دارند و جذب رطوبت انها بالا ست. اثرات دما چنانكه قبلاً ذكرگردید، دمای استاندارد جهت خشك نمودن خاك 110 درجه سانتیگراد می‌باشد . جامدات محلول بسیاری از خاكها حاوی جامدات محلول می‌باشند. برای مثال در مورد خاكهای واقع در كف اقیانوس، آب بین ذرات جامد خاك احتمالاً‌ دارای همان غلظت نمك آب دریا خواهد بود. مثال دیگر وجود كاتیونهای متمایل به سطوح ذرات رسی می‌باشد. بهنگام خشك كردن خاك، این كانیها و یونهای محلول، جزیی از جرم جامدات می‌شوند. درمورد اغلب خاكها این اثر، حداقل تغییرات را در درصد رطوبت ایجاد می‏كند. منابع و ماخذ: 1. كاربرد روش چهار الكترودي براي اندازه گيري غير مستقيم رطوبت خاك, /نويسنده : ميكائيل يوسف زاده فرد، سعيد اسلامي. 2. دانشگاه تبريز، دانشكده فني، مجله, دوره : -، شماره : 21، پاييز و زمستان 1377، ص. 89 تـا 97 3.گروه علمی تحقیقاتی ارکیده توسط سمانه شیرین منش.

اندازه گیری پرت حرارتی خاک به منظور به دست اوردن میزان ناخالصی های خاک از جمله مواد فرار اسیدها سوختن مواد الی همراه ان ودگرگونی ساختار کریستالی. وسایل مورد نیاز: خاک خشک شده در دمای 100 تا 110 (دولومیت) – بوته چینی - کوره با حرارت 1050-گچ نسوز – انبر – دسیکاتور . در این دما از بوته های دیر گداز. چینی ویا شامورتی میتوان استفاده کرد. روند ازمایش: ابتدا بوته چینی را با مقداری گچ نسوزنشانه گذاری میکنیم وبعد بوته را با ترازو یک صدم گرم وزن می کنیم (14/91). بعد خاک خشک شده را به مقدار (03/10)گرم به بوته اضافه می کنیم وانرا داخل دسیکاتور می گذاریم. سپس انرا به مدت یک ساعت در کوره با دمای 1050 قرار داده و بعد انرا مجدد وزن می کنیم.( 69/96 ) از رابطه زیر پرن حرارتی را حساب می کنیم: W2 –w3 100 * ______________ = L.O.I W2 – W1 101/17 - 96/69 1 ____________ * 100 = 44/67 101/17-91/14 نتایج ازمایش گروه های مختلف: شماره گروه نام خاک %پرت حرارتی L.O.I 1 کائولن تاکستان 8/3 2 کربنات کلسیم 10/41 3 دولومیت 67/44 4 بنتونیت 8/29 بحث و نتیجه گیری : در نتایج به دست امده از گروه هامشخص میشود که خاک دولومیت نسبت به دیگر خاک ها در ساختارش دارای مقدار بیشتری از موادی است که با حرارت دادن از بین میروند و کائولن ها دارای مقدار کمی مواد الی وکربنات و .... در ساختار خود می باشد بنابراین پرت حرارتی انها کم تر است. در مجموع خاک هایی که در ساختار خود مواد الی .سولفات. .کربنات و اب ساختاری و....بیشتری دارد پرت حرارتی بالاتری نیز دارد.

اندازه گیری استحکام خمشی و انقباض در دو حالت خشک شده و پخته شده. وسایل آزمایش: 500 گرم خاک _ 180 گرم آب _ الک _ هاون _ قاشق _ لگن _ استوانه مدرج _ ترازو _ کاردک _ قالب های نمونه های استحکام و انقباض _ کمی روغن _ کولیس _ دستگاه وارد کننده نیرو _ کوره _ خشک کن خاک مورد آزمایش : کائولن سوپر زنور تئوری آزمایش : استحکام خشک : منظور از استحکام خشک , استحکام مواد بعد از شکل گیری و خشک شدن و قبل از پخت می باشد. اهمیت استحکام خشک بدنه های خام هنگامی مشخص می شود که به مراحل بعدی تولید ( پس از خشک شدن فرآورده ها) توجه شود. بدنه های خام پس از خشک شدن و یا در خلال آن باید پرداخت شده , احتمالا به یکدیگر چسبانده شده ( به عنوان مثال دسته و بدنه فنجان) و به نقاط دیگر حمل گردند. تمامی این اقدامات به معنی اعمال تنش به بدنه خام است. بنا بر این بدیهی است که بدنه خام باید دارای استحکام کافی جهت تحمل تنش های وارده باشد. استحکام خشک مانند پلاستیسیته بستگی عمیقی به وجود خصوصیات ذرات کلوئیدی دارد. بنا بر این عوامل موثر در استحکام همان عوامل موثر در پلاستیسیته است که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد: هنگامی که اندازه ذرات کانی های رسی موجود در یک نمونه, بسیار ریز و در عین حال حدودا یکسان باشد بدیهی است که به علت ابعاد بسیار ریز ذرات, مقدار پلاستیسیته و همچنین استحکام بسیار زیاد خواهد بود.مایع جذب شده در سطح رس و نوع آن نیز یکی دیگر از عوامل ایجاد کننده و موثر در پلاستیسیته می باشد.مولکولهای مایعات قطبی در سطح ذرات رس جذب گردیده و بدین وسیله باعث لغزش و ایجاد سهولت در حرکت صفحات رس می گردد. پس اختلاط با مایعات قطبی باعث ایجاد پلاستیسیته در خمیر می گردد. در حالی که مایعات غیر قطبی مانند بنزن هیچ نوع پلاستیسیته ای به وجود نخواهند آورد. به هر حال پلاستیسیته حاصل از هیچ مایعی قابل مقایسه با پلاستیسیته حاصل از آب نیست. از مسائل مهم دیگر تاثیر فشار در میزان آب پلاستیسیته است.با افزایش فشار می توان پلاستیسیته یکسانی با مقدار آب کمتر به دست آورد.در صنعت سرامیک از این قانون به طور وسیع استفاده می شود. از دیگر عوامل موثر در پلاستیسیته شکل ذرات است.مثلا ذرات رس به طور کلی دارای شکل پهنی بوده و اصطلاحا بشقابی هستند و این شکل خاص باعث ایجاد سهولت در لغزش ذرات بر روی یکدیگر و ایجاد پلاستیسیته بالا می گردد. دسته ای از مواد آلی ایجاد کننده پلاستیسیته, ژلهای کلوئیدی ناشی از عمل باکتری ها هستند. این مورد یکی از دلایل افزایش پلاستیسیته و در نتیجه انبار کردن خمیر است. در این شرایط خمیر بدنه بر اثر فعالیت های باکتری ها اصطلاحا ترش شده و ژل های کلوئیدی به و جود می آیند. این توضیحات به طور خلاصه این قانون کلی را بیان می کند که پلاستیسیه بیشتر به معنی استحکام خشک بیشتر است. ضمنا باید توجه داشت که جایگزینی H+ به وسیله Na+ باعث افزایش قابل ملاحظه استحکام خشک می گردد و این نکته ای است که در بسیاری موارد می تواند باعث ایجاد خطا در اندازه گیری پلاستیسیته گردد.در این مورد افزایش استحکام خشک به دلیل تغییر در بافت ذرات رس و نتیجتا افزایش تراکم بدنه خام است. جدول زیر تاثیر یون های مختلف را بر تخلخل نمونه و نتیجتا استحکام خشک نشان می دهد. dried transverse strength( Ib/in2 ) Porosity after drying ( % ) Drying shrinkage(%) Forming water ( % ) 1275 26.1 14.0 21.2 Raw clay 1150 28.2 15.5 22.3 H_ clay 1250 26.3 12.4 19.7 Ca _ clay 1410 24.6 11.0 18.6 Na _ clay قبل از اینکه در مورد اندازه گیری استحکام خشک بحث شود باید اشاراه گردد که جهت حد اقل استحکام مورد نیاز یک بدنه خام , مقدار مشخصی نمی تواند ارائه گردد.چرا که این مورد بستگی زیاد به شکل و ضخامت قطعه و نیز چگونگی حمل و نقل آن دارد.از جمله اخیر می توان این نتیجه گیری را نیز نمود که کلیه ترک ها و شکست های بدنه خام را نمی توان ناشی از کمبود استحکام خشک دانست , بلکه طراحی بد و نتیجتا شکل نا متناسب قطعه نیز می تواند باعث ایجاد تنش (در خلال خشک شدن ) و نهایتا ایجاد ترک ( در هنگام خشک شدن و یا بعد از آن ) گردد.خشک نمودن سریع نیز می تواند باعث ایجاد ترک حتی در هنگام حمل و نقل گردد. بدیهی است که هیچ یک از این ترک ها را نمی توان به کمبود استحکام خشک نسبت داد. انقباض تر به خشک : در تولید فر آورده های سرامیک مهم ترین وظیفه آب در بدنه ایجاد ماده ای مناسب ( پودر, خمیر , یا دوغاب) جهت شکل دادن است.بعد از شکل یافتن فرآورده ها آب وظیفه خود را انجان داده و باید از فرآورده یا بدنه خام خارج شود.عمل خشک شدن عبارت است از خروج آب به وسیله تبخیر از بدنه خام. بدیهی است که خروج آب به معنی کاهش حجم و یا ابعاد فر آورده خام می باشد . اصطلاحا به کاهش ابعاد فرآورده های سرامیکی در این مرحله از تولید انقباض تر به خشک می گویند. انقباض همواره عامل ایجاد تنش و در نتیجه احتمال تغییر شکل و وقوع ترک در بدنه می باشد.از طرف دیگر انقباض زیاد باعث ایجاد تغییراتی در ابعاد قطعه گردیده و بنا براین در مواردی که ابعاد بسیار دقیقی برای قطعه مورد نیاز است انقباض تا حد امکان باید کاهش یابد.احتمال بروز چنین خطراتی باعث شده که مرحله خشک شدن در صنعت سرامیک به عنوان یکی از خطر ناکترین مراحل تولید معرفی گردد. ولی با این همه اگر چه مقدار زیاد انقباض تر به خشک مسئله ساز است ولی مقدار کم آن همیشه مورد نیاز و مطلوب بوده چرا که باعث سهولت در خروج فرآورده شکل یافته از قالب می گردد. بدیهی است که انقباض تر به خشک بستگی عمیقی به آب موجود در فرآورده های خام دارد ولی باید توجه داشت که آب های موجود در بدنه های خام به علت نقش و وظایف متفاوت انها در ساختمان بدنه رفتار یکسانی را در هنگام خشک شدن بروز نداده و تاثیرات آنها در انقباض تر به خشک متفاوت است. در هنگام خشک شدن فر آورده ها اگر چه آبهای خلل و فرج نیز خارج می گردند ولی در عمل همواره مقادیری از آنها در لا به لای ذرات رس باقی می مانند مگر اینکه بدنه خام در درجه حرارتی بیش از 0C120 خشک گردد.در مقیاس صنعتی معمولا بدنه های در درجه حرارتی پایین تر از 120 درجه خشک می گردند. بنا بر این همواره مقادیری از آب خلل و فرج در بدنه باقی مانده و این موضوع بدین معنی است که در حقیقت خشک شدن نهایی فرآورده ها در اولین مراحل پخت انجام می پذیرد. اصطلاح خشک شدن کامل به مرحله ای از روند خشک شدن اطلاق می گردد که آب خلل و فرج کاملا از بین رفته است.هنگامی که یک بدنه خام به طور کامل خشک گردیده بعد از خروج از خشک کن می تواند مجددا مقادیری آب موجود در هوا را که اصطلاحا به آن مقدار رطوبت تعادلی گفته می شود در خلل و فرج خود جذب کند.به طوری که تغییرات در مقدار آب خلل و فرج با انبساط و انقباض زیادی همراه نیست و بنا بر این این جذب رطوبت از هوا به وسیله بدنه کاملا خشک شده (اگر مقدار زیادی رس موجود باشد ) به طور معمول خطر ناک نیست. ولی با توجه به اینکه بعضی از بدنه های خام دارای مقادیر زیاد رس نیستند این عمل در فصول خاصی (معمولا پاییز و زمستان) و به خصوص در نواحی مرطوب می تواند باعث ایجاد تنش کششی و در نتیجه انبساط خشک به تر و نهایتا وقوع ترک در بدنه های خام, بعد از خروج از خشک کن گردد. در بسیاری موارد این ترک ها تا مرحله نهای تولید قابل تشخیص نبوده و فقط روی فرآورده های تولید شده لعابدار مشاهده می شوند. در چنین شرایطی افزایش استحکام تر به وسیله افزایش مقدار رس در بدنه های خام ( در صورت امکان ) و با تغییر در روند خشک شدن این مشکل را حل نمود. آب پلاستیسیته بر عکس آب خلل و فرج به سادگی در درجه حرارت های کمتر از 100 درجه تبخیر شده و این عمل با انقباض بسیار زیادی همراه است. بدنه هایی که داراری پلاستیسیته زیادی هستند مقدار آب پلاستیسیته نیز در آنها بیشتر است. بنا براین در هنگام خشک شدن نیز مقدار انقباض تر به خشک آنها بسیار زیاد بوده و این مورد نیز به عنوان یک قانون کلی وسیله دیگری جهت تعیین پلاستیسیته خمیرهاست.. خروج آب پلاستیسیته مهم ترین عامل در ایجاد انقباض تر به خشک و یا به طور کلی تنها عامل ایجاد انقباض تر به خشک است. روند آزمایش : پیش آزمایش : ساخت نمونه های استحکام و انقباض ابتدا 500 گرم از خاک که قبلا از طریق آزمایش پلاستیسیته عدد درصد آبکار پذیری آن را بدست آوردیم را در هاون می کوبیم و از الک رد می کنیم. سپس با ترازو توزین کرده و دقیقا 500 گرم را بر می داریم.با استفاده از درصد آبکار پذیری که از آزمایش پلاستیسیته برای خاکمان بدست آوردیم میزان آبی که باید به 500 گرم خاک اضافه کنیم تا یک گل مناسب از نظر شکل پذیری را به ما بدهد را بدست می آوریم. برای خاک کائولن سوپر زنور عدد درصد آبکار پذیری ففرکورن 36% بود. این به این معنی است که در هر 100 گرم خاک باید 36 گرم آب بریزیم تا حاصل گل شکل پذیر و خوب درآید . حال که ما 500 گرم خاک داریم باید 36 را در 5 ضرب کرده یعنی 180 گرم آب به آن اضافه کنیم و از آنجایی که چگالی آب یک است می توان با استفاده از استوانه مدرج 180 میلی لیتر آب را برداشت. حال گل را خوب ورز می دهیم تا کاملا یکدست شود و درون آن حباب باقی نماند.2 تا قالب نمونه داریم. یکی برای تست استحکام و یکی برای تست انقباض.قالب نمونه تست استحکام در داخل ذوذنقه ای شکل است. و قالب نمونه انقباض مربع شکل است. برای نمونه استحکام گل را از طرفی که عرض بیشتری دارد وارد می کنیم و خوب فشار می دهیم تا جای خالی در داخل نماند و باعث تضعیف استحکام نشود. تا آنجایی که می توانیم باید نمونه سالم و صافی را بدست بیاوریم. برای نمونه انقباض هم گل را داخل قالب کرده و برای بیرون آوردن قالب را از دو طوف می کشیم تا نمونه بیرون آید. حال قطر های مربع را با کاردک علامت زده و دهانه کولیس را به اندازه 4 سانتی متر باز می کنیم و روی قطر های مربع علامت می زنیم. برای تست استحکام 4 نمونه و برای تست انقباض 1 یا 2 نمونه درست می کنیم. انقباض: برای انقباض یک نمونه درست کردیم. بعد از اینکه داخل خشک کن قرار دادیم و کاملا خشک شد با کولیس فاصله بین دو علامت را که قبلا زدیم را اندازه گیری می کنیم. در این جا Ld یعنی طول خشک حاصل می شود. این نمونه را در کوره قرار داده تا پخت نیز انجام گیرد. بعد از پخت نیز فاصله ی علامت های روی دو فطر را اندازه گیری کرده و میانگین 2 عدد به ما Lf را که همان طول پخت است می دهد. حال با استفاده از روابط زیر انقباض را بدست می آوریم: Lw – Ld / L d=40 -39.15/39.15=2.2% = درصد انقباض خشک به تر Ld–Lf /Lf=39.15 – 38.56/38.56=1.5%=درصد انقباض پخت به خشک Lw–Lf/Lf=40-38.56/38.56=3.7%=درصد انقباض پخت به تر(درصد انقباض کلی) Lw = طول تر Ld = طول خشک Lf = طول پخت اندازه گیری استحکام به روش 3 نقطه: نمونه هایی که داریم 2 تا به صورت خشک و 2 تا به صورت پخته شده است . حال 3 نقطه را روی هر نمونه تعیین کرده و عرض بالایی و عرض پایینی و ارتفاع آن را با کولیس اندازه می گیریم. میانگین 3 تا عدد عرض بالایی و 3 تا عرض پایینی را گرفته و میانگین عرض بالایی و عرض پایینی به ما عرض کل را می دهد. میانگین 3 ارتفاع را نیز برای هر نمونه محاسبه می کنیم. حال با استفاده از دستگاه ابتدا یک فاصله تکیه گاه مثلا 100 میلی متر را تنظیم می کنیم و بعد نیرو را وارد کرده زمانی که نمونه ما شکست نیرو را به ما می دهد. حال با استفاده از روابط زیر استحکام خمشی را اندازه گیری می کنیم: 3 pL / 2 bh2 (N/mm2) = استحکام خمشی P = نیرو بر حسب نیوتون L = فاصله تکیه گاه mm b = عرض mm h = ارتفاع mm 3x106.75x100/2x22.45x(16.1)2=2.75=استحکام خمشی نمونه پخته1 3x79.99x100/ 2x21.95x(16.2)2=2.08=استحکام خمشی نمونه پخته 2 3x29.68x100/2x 22.6x(16.4)2=0.73=استحکام خمشی نمونه خشک 3 3x42.06x100/2x22.5x(16.7)2=1.01 =استحکام خمشی نمونه خشک 4 میانگین اعداد به دست آمده: 0.87 = استحکام خام 2.415 = استحکام پخت بحث و نتیجه گیری : گروه نام خاک درصدانقباض خشک درصد انقباض تر درصدانقباض کلی استحکام خام استحکام پخت 1 بالکی 0.25 4.01 4.25 0.135 0.225 2 کائولن زنوز 8 7.28 14.25 1.41 0.23 3 کائولن سوپرزنوز 2.2 1.5 3.7 0.87 2.415 4 بالکی 3.75 3.11 6.75 0.095 0.155 5 کائولن زدلیتس 2.75 1.54 4.29 0.96 2.21 با توجه به اعداد بالا و همچنین با توجه به تئوری آزمایش و اعداد آزمایش پلاستیسیته معلوم می شود که هر چه پلاستیسیته خاک بیشتر باشد استحکام آن نیز بیشتر است. همانطور که در تئوری ذکر شد عوامل موثر در استحکام شامل عوامل موثر در پلاستیسیه نیز می شود. در مورد انقباض نیز هرچه درصد آبکار پذیری بیشتر باشد در هنگام خشک و پخت نیز آب بیشتری خارج شده و انقباض بیشتر می شود. خطاها: خطاهای ساخت نمونه: اول از همه خطا هنگامی که آب پلاستیسیته را از آزمایش قبل به دست آوردیم اگر عدد پلاستیسیته دارای خطا باشد گل خوبی به ما نمی دهد و نمی توان نمونه خوبی ساخت. هنگام ساخت نمونه اگر با دقت نمونه را نسازیم و نمونه دارای حفره یا ترک باشد یا صاف نباشد و حالت خمیده به خود بگیرد همه ی اینها باعث ایجاد خطا می شود. خطاهای آزمایش: اگر قطر را با کولیس دقیق اندازه نگیریم و همین طور خطای خود کولیس. اگر هنگام اندازه گیری قطر بخشی از خاک خراشیده شود اندازه ها دارای خطا می شود. همین طور در اندازه گیری ارتفاع و عرض نمونه های استحکام ممکن است خطا ایجاد شود. خطای دستگاه اندازه گیری استحکام. کتاب تکنولوژی سرامیک های ظریف ( افسون رحیمی – مهران متین )

: اندازه گیری استحکام خمشی و انقباض در دو حالت خشک شده و پخته شده. وسایل آزمایش: 500 گرم خاک _ 180 گرم آب _ الک _ هاون _ قاشق _ لگن _ استوانه مدرج _ ترازو _ کاردک _ قالب های نمونه های استحکام و انقباض _ کمی روغن _ کولیس _ دستگاه وارد کننده نیرو _ کوره _ خشک کن خاک مورد آزمایش : کائولن سوپر زنور تئوری آزمایش : استحکام خشک : منظور از استحکام خشک , استحکام مواد بعد از شکل گیری و خشک شدن و قبل از پخت می باشد. اهمیت استحکام خشک بدنه های خام هنگامی مشخص می شود که به مراحل بعدی تولید ( پس از خشک شدن فرآورده ها) توجه شود. بدنه های خام پس از خشک شدن و یا در خلال آن باید پرداخت شده , احتمالا به یکدیگر چسبانده شده ( به عنوان مثال دسته و بدنه فنجان) و به نقاط دیگر حمل گردند. تمامی این اقدامات به معنی اعمال تنش به بدنه خام است. بنا بر این بدیهی است که بدنه خام باید دارای استحکام کافی جهت تحمل تنش های وارده باشد. استحکام خشک مانند پلاستیسیته بستگی عمیقی به وجود خصوصیات ذرات کلوئیدی دارد. بنا بر این عوامل موثر در استحکام همان عوامل موثر در پلاستیسیته است که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد: هنگامی که اندازه ذرات کانی های رسی موجود در یک نمونه, بسیار ریز و در عین حال حدودا یکسان باشد بدیهی است که به علت ابعاد بسیار ریز ذرات, مقدار پلاستیسیته و همچنین استحکام بسیار زیاد خواهد بود.مایع جذب شده در سطح رس و نوع آن نیز یکی دیگر از عوامل ایجاد کننده و موثر در پلاستیسیته می باشد.مولکولهای مایعات قطبی در سطح ذرات رس جذب گردیده و بدین وسیله باعث لغزش و ایجاد سهولت در حرکت صفحات رس می گردد. پس اختلاط با مایعات قطبی باعث ایجاد پلاستیسیته در خمیر می گردد. در حالی که مایعات غیر قطبی مانند بنزن هیچ نوع پلاستیسیته ای به وجود نخواهند آورد. به هر حال پلاستیسیته حاصل از هیچ مایعی قابل مقایسه با پلاستیسیته حاصل از آب نیست. از مسائل مهم دیگر تاثیر فشار در میزان آب پلاستیسیته است.با افزایش فشار می توان پلاستیسیته یکسانی با مقدار آب کمتر به دست آورد.در صنعت سرامیک از این قانون به طور وسیع استفاده می شود. از دیگر عوامل موثر در پلاستیسیته شکل ذرات است.مثلا ذرات رس به طور کلی دارای شکل پهنی بوده و اصطلاحا بشقابی هستند و این شکل خاص باعث ایجاد سهولت در لغزش ذرات بر روی یکدیگر و ایجاد پلاستیسیته بالا می گردد. دسته ای از مواد آلی ایجاد کننده پلاستیسیته, ژلهای کلوئیدی ناشی از عمل باکتری ها هستند. این مورد یکی از دلایل افزایش پلاستیسیته و در نتیجه انبار کردن خمیر است. در این شرایط خمیر بدنه بر اثر فعالیت های باکتری ها اصطلاحا ترش شده و ژل های کلوئیدی به و جود می آیند. این توضیحات به طور خلاصه این قانون کلی را بیان می کند که پلاستیسیه بیشتر به معنی استحکام خشک بیشتر است. ضمنا باید توجه داشت که جایگزینی H+ به وسیله Na+ باعث افزایش قابل ملاحظه استحکام خشک می گردد و این نکته ای است که در بسیاری موارد می تواند باعث ایجاد خطا در اندازه گیری پلاستیسیته گردد.در این مورد افزایش استحکام خشک به دلیل تغییر در بافت ذرات رس و نتیجتا افزایش تراکم بدنه خام است. جدول زیر تاثیر یون های مختلف را بر تخلخل نمونه و نتیجتا استحکام خشک نشان می دهد. dried transverse strength( Ib/in2 ) Porosity after drying ( % ) Drying shrinkage(%) Forming water ( % ) 1275 26.1 14.0 21.2 Raw clay 1150 28.2 15.5 22.3 H_ clay 1250 26.3 12.4 19.7 Ca _ clay 1410 24.6 11.0 18.6 Na _ clay قبل از اینکه در مورد اندازه گیری استحکام خشک بحث شود باید اشاراه گردد که جهت حد اقل استحکام مورد نیاز یک بدنه خام , مقدار مشخصی نمی تواند ارائه گردد.چرا که این مورد بستگی زیاد به شکل و ضخامت قطعه و نیز چگونگی حمل و نقل آن دارد.از جمله اخیر می توان این نتیجه گیری را نیز نمود که کلیه ترک ها و شکست های بدنه خام را نمی توان ناشی از کمبود استحکام خشک دانست , بلکه طراحی بد و نتیجتا شکل نا متناسب قطعه نیز می تواند باعث ایجاد تنش (در خلال خشک شدن ) و نهایتا ایجاد ترک ( در هنگام خشک شدن و یا بعد از آن ) گردد.خشک نمودن سریع نیز می تواند باعث ایجاد ترک حتی در هنگام حمل و نقل گردد. بدیهی است که هیچ یک از این ترک ها را نمی توان به کمبود استحکام خشک نسبت داد. انقباض تر به خشک : در تولید فر آورده های سرامیک مهم ترین وظیفه آب در بدنه ایجاد ماده ای مناسب ( پودر, خمیر , یا دوغاب) جهت شکل دادن است.بعد از شکل یافتن فرآورده ها آب وظیفه خود را انجان داده و باید از فرآورده یا بدنه خام خارج شود.عمل خشک شدن عبارت است از خروج آب به وسیله تبخیر از بدنه خام. بدیهی است که خروج آب به معنی کاهش حجم و یا ابعاد فر آورده خام می باشد . اصطلاحا به کاهش ابعاد فرآورده های سرامیکی در این مرحله از تولید انقباض تر به خشک می گویند. انقباض همواره عامل ایجاد تنش و در نتیجه احتمال تغییر شکل و وقوع ترک در بدنه می باشد.از طرف دیگر انقباض زیاد باعث ایجاد تغییراتی در ابعاد قطعه گردیده و بنا براین در مواردی که ابعاد بسیار دقیقی برای قطعه مورد نیاز است انقباض تا حد امکان باید کاهش یابد.احتمال بروز چنین خطراتی باعث شده که مرحله خشک شدن در صنعت سرامیک به عنوان یکی از خطر ناکترین مراحل تولید معرفی گردد. ولی با این همه اگر چه مقدار زیاد انقباض تر به خشک مسئله ساز است ولی مقدار کم آن همیشه مورد نیاز و مطلوب بوده چرا که باعث سهولت در خروج فرآورده شکل یافته از قالب می گردد. بدیهی است که انقباض تر به خشک بستگی عمیقی به آب موجود در فرآورده های خام دارد ولی باید توجه داشت که آب های موجود در بدنه های خام به علت نقش و وظایف متفاوت انها در ساختمان بدنه رفتار یکسانی را در هنگام خشک شدن بروز نداده و تاثیرات آنها در انقباض تر به خشک متفاوت است. در هنگام خشک شدن فر آورده ها اگر چه آبهای خلل و فرج نیز خارج می گردند ولی در عمل همواره مقادیری از آنها در لا به لای ذرات رس باقی می مانند مگر اینکه بدنه خام در درجه حرارتی بیش از 0C120 خشک گردد.در مقیاس صنعتی معمولا بدنه های در درجه حرارتی پایین تر از 120 درجه خشک می گردند. بنا بر این همواره مقادیری از آب خلل و فرج در بدنه باقی مانده و این موضوع بدین معنی است که در حقیقت خشک شدن نهایی فرآورده ها در اولین مراحل پخت انجام می پذیرد. اصطلاح خشک شدن کامل به مرحله ای از روند خشک شدن اطلاق می گردد که آب خلل و فرج کاملا از بین رفته است.هنگامی که یک بدنه خام به طور کامل خشک گردیده بعد از خروج از خشک کن می تواند مجددا مقادیری آب موجود در هوا را که اصطلاحا به آن مقدار رطوبت تعادلی گفته می شود در خلل و فرج خود جذب کند.به طوری که تغییرات در مقدار آب خلل و فرج با انبساط و انقباض زیادی همراه نیست و بنا بر این این جذب رطوبت از هوا به وسیله بدنه کاملا خشک شده (اگر مقدار زیادی رس موجود باشد ) به طور معمول خطر ناک نیست. ولی با توجه به اینکه بعضی از بدنه های خام دارای مقادیر زیاد رس نیستند این عمل در فصول خاصی (معمولا پاییز و زمستان) و به خصوص در نواحی مرطوب می تواند باعث ایجاد تنش کششی و در نتیجه انبساط خشک به تر و نهایتا وقوع ترک در بدنه های خام, بعد از خروج از خشک کن گردد. در بسیاری موارد این ترک ها تا مرحله نهای تولید قابل تشخیص نبوده و فقط روی فرآورده های تولید شده لعابدار مشاهده می شوند. در چنین شرایطی افزایش استحکام تر به وسیله افزایش مقدار رس در بدنه های خام ( در صورت امکان ) و با تغییر در روند خشک شدن این مشکل را حل نمود. آب پلاستیسیته بر عکس آب خلل و فرج به سادگی در درجه حرارت های کمتر از 100 درجه تبخیر شده و این عمل با انقباض بسیار زیادی همراه است. بدنه هایی که داراری پلاستیسیته زیادی هستند مقدار آب پلاستیسیته نیز در آنها بیشتر است. بنا براین در هنگام خشک شدن نیز مقدار انقباض تر به خشک آنها بسیار زیاد بوده و این مورد نیز به عنوان یک قانون کلی وسیله دیگری جهت تعیین پلاستیسیته خمیرهاست.. خروج آب پلاستیسیته مهم ترین عامل در ایجاد انقباض تر به خشک و یا به طور کلی تنها عامل ایجاد انقباض تر به خشک است. روند آزمایش : پیش آزمایش : ساخت نمونه های استحکام و انقباض ابتدا 500 گرم از خاک که قبلا از طریق آزمایش پلاستیسیته عدد درصد آبکار پذیری آن را بدست آوردیم را در هاون می کوبیم و از الک رد می کنیم. سپس با ترازو توزین کرده و دقیقا 500 گرم را بر می داریم.با استفاده از درصد آبکار پذیری که از آزمایش پلاستیسیته برای خاکمان بدست آوردیم میزان آبی که باید به 500 گرم خاک اضافه کنیم تا یک گل مناسب از نظر شکل پذیری را به ما بدهد را بدست می آوریم. برای خاک کائولن سوپر زنور عدد درصد آبکار پذیری ففرکورن 36% بود. این به این معنی است که در هر 100 گرم خاک باید 36 گرم آب بریزیم تا حاصل گل شکل پذیر و خوب درآید . حال که ما 500 گرم خاک داریم باید 36 را در 5 ضرب کرده یعنی 180 گرم آب به آن اضافه کنیم و از آنجایی که چگالی آب یک است می توان با استفاده از استوانه مدرج 180 میلی لیتر آب را برداشت. حال گل را خوب ورز می دهیم تا کاملا یکدست شود و درون آن حباب باقی نماند.2 تا قالب نمونه داریم. یکی برای تست استحکام و یکی برای تست انقباض.قالب نمونه تست استحکام در داخل ذوذنقه ای شکل است. و قالب نمونه انقباض مربع شکل است. برای نمونه استحکام گل را از طرفی که عرض بیشتری دارد وارد می کنیم و خوب فشار می دهیم تا جای خالی در داخل نماند و باعث تضعیف استحکام نشود. تا آنجایی که می توانیم باید نمونه سالم و صافی را بدست بیاوریم. برای نمونه انقباض هم گل را داخل قالب کرده و برای بیرون آوردن قالب را از دو طوف می کشیم تا نمونه بیرون آید. حال قطر های مربع را با کاردک علامت زده و دهانه کولیس را به اندازه 4 سانتی متر باز می کنیم و روی قطر های مربع علامت می زنیم. برای تست استحکام 4 نمونه و برای تست انقباض 1 یا 2 نمونه درست می کنیم. انقباض: برای انقباض یک نمونه درست کردیم. بعد از اینکه داخل خشک کن قرار دادیم و کاملا خشک شد با کولیس فاصله بین دو علامت را که قبلا زدیم را اندازه گیری می کنیم. در این جا Ld یعنی طول خشک حاصل می شود. این نمونه را در کوره قرار داده تا پخت نیز انجام گیرد. بعد از پخت نیز فاصله ی علامت های روی دو فطر را اندازه گیری کرده و میانگین 2 عدد به ما Lf را که همان طول پخت است می دهد. حال با استفاده از روابط زیر انقباض را بدست می آوریم: Lw – Ld / L d=40 -39.15/39.15=2.2% = درصد انقباض خشک به تر Ld–Lf /Lf=39.15 – 38.56/38.56=1.5%=درصد انقباض پخت به خشک Lw–Lf/Lf=40-38.56/38.56=3.7%=درصد انقباض پخت به تر(درصد انقباض کلی) Lw = طول تر Ld = طول خشک Lf = طول پخت اندازه گیری استحکام به روش 3 نقطه: نمونه هایی که داریم 2 تا به صورت خشک و 2 تا به صورت پخته شده است . حال 3 نقطه را روی هر نمونه تعیین کرده و عرض بالایی و عرض پایینی و ارتفاع آن را با کولیس اندازه می گیریم. میانگین 3 تا عدد عرض بالایی و 3 تا عرض پایینی را گرفته و میانگین عرض بالایی و عرض پایینی به ما عرض کل را می دهد. میانگین 3 ارتفاع را نیز برای هر نمونه محاسبه می کنیم. حال با استفاده از دستگاه ابتدا یک فاصله تکیه گاه مثلا 100 میلی متر را تنظیم می کنیم و بعد نیرو را وارد کرده زمانی که نمونه ما شکست نیرو را به ما می دهد. حال با استفاده از روابط زیر استحکام خمشی را اندازه گیری می کنیم: 3 pL / 2 bh2 (N/mm2) = استحکام خمشی P = نیرو بر حسب نیوتون L = فاصله تکیه گاه mm b = عرض mm h = ارتفاع mm 3x106.75x100/2x22.45x(16.1)2=2.75=استحکام خمشی نمونه پخته1 3x79.99x100/ 2x21.95x(16.2)2=2.08=استحکام خمشی نمونه پخته 2 3x29.68x100/2x 22.6x(16.4)2=0.73=استحکام خمشی نمونه خشک 3 3x42.06x100/2x22.5x(16.7)2=1.01 =استحکام خمشی نمونه خشک 4 میانگین اعداد به دست آمده: 0.87 = استحکام خام 2.415 = استحکام پخت بحث و نتیجه گیری : گروه نام خاک درصدانقباض خشک درصد انقباض تر درصدانقباض کلی استحکام خام استحکام پخت 1 بالکی 0.25 4.01 4.25 0.135 0.225 2 کائولن زنوز 8 7.28 14.25 1.41 0.23 3 کائولن سوپرزنوز 2.2 1.5 3.7 0.87 2.415 4 بالکی 3.75 3.11 6.75 0.095 0.155 5 کائولن زدلیتس 2.75 1.54 4.29 0.96 2.21 با توجه به اعداد بالا و همچنین با توجه به تئوری آزمایش و اعداد آزمایش پلاستیسیته معلوم می شود که هر چه پلاستیسیته خاک بیشتر باشد استحکام آن نیز بیشتر است. همانطور که در تئوری ذکر شد عوامل موثر در استحکام شامل عوامل موثر در پلاستیسیه نیز می شود. در مورد انقباض نیز هرچه درصد آبکار پذیری بیشتر باشد در هنگام خشک و پخت نیز آب بیشتری خارج شده و انقباض بیشتر می شود. خطاها: خطاهای ساخت نمونه: اول از همه خطا هنگامی که آب پلاستیسیته را از آزمایش قبل به دست آوردیم اگر عدد پلاستیسیته دارای خطا باشد گل خوبی به ما نمی دهد و نمی توان نمونه خوبی ساخت. هنگام ساخت نمونه اگر با دقت نمونه را نسازیم و نمونه دارای حفره یا ترک باشد یا صاف نباشد و حالت خمیده به خود بگیرد همه ی اینها باعث ایجاد خطا می شود. خطاهای آزمایش: اگر قطر را با کولیس دقیق اندازه نگیریم و همین طور خطای خود کولیس. اگر هنگام اندازه گیری قطر بخشی از خاک خراشیده شود اندازه ها دارای خطا می شود. همین طور در اندازه گیری ارتفاع و عرض نمونه های استحکام ممکن است خطا ایجاد شود. خطای دستگاه اندازه گیری استحکام. کتاب تکنولوژی سرامیک های ظریف ( افسون رحیمی – مهران متین )

هدف آزماش: اندازه گیری بهینه آب برای شکل پذیری وسایل آزمایش: 300 گرم خاک _ 300 سی سی آب _ الک 50 _ لگن _ لوح گچی _ قاشق _ ففر کورن _ کولیس _ ترازو _ خشک کن _ قالب نمونه _ کاردک _ هاون_استوانه مدرج خاک مورد آزمایش : کائولن سوپر زنور خشک کن لگن الک ترازو قاشق بشقاب کاردک ففرکورن هاون خاک کولیس آب و استوانه مدرج تئوری آزماش: پلاستیسیته عبارت است از خاصیتی که ماده را قادر می سازد تا به هنگام اعمال تنش بدون آنکه دچار گسیختگی شود تغییر فرم دهد و با برداشتن تنش, تغییر فرم در نمونه باقی بماند. تغییر فوق یک تعریف کاملا کیفی برای این ویژگی ماده است و در این رابطه تعریف کمی کاملی ارائه نشده است. یک نمونه رس یا یک بدنه در شرایط کار پذیری معمولی پلاستیک تر از همان رس یا بدنه در حالت خیلی صلب یا خیلی نرم است. لیکن هنگامی که گفته می شود یک بدنه پلاستیک تر از دیگری است, منظور هنگامی است که هر یک از بدنه ها دارای اپتیم رطوبت مخصوص به خود باشد.در چنین حالتی ما با پلاستیسیته ذاتی بدنه سر و کار داریم که به آن پلاستیسیته بالقوه نیز گفته می شود.به ویژه این ابهام در معنی پلاستیسیته هنگامی مهم است که با اندازه گیری های عدد پلاستیسیته روبرو هستیم. در چنین مواردی همواره مهم است که در نظر داشت آیا این عدد به درصد رطوبت بستگی دارد یا نه , و اگر بستگی ندارد چگونه وابستگی رطوبت حذف شده است. پلاستیسیته صنعتی سرامیک ها در هنگام کار با سرامیک ها مرسوم است که هر عیبی که قبل از مرحله پخت ایجاد شود را به عدم پلاستیسیته کافی رس یا بدنه ارتباط دهند. از این لحاظ پلاستیسیته یا قابلیت کار پذیری یک ویژگی جامع است که چندین عامل را در بر دارد و در نتیجه با یک عدد قابل توصیف نیست.عوامل دخیل در پلاستیسیته را نمی توان به سهولت در قالب مفاهیم علمی قرار داد , اما برخی ایده ها در مورد پلاستیسیته تکنیکی را می توان از مطالب زیر به دست آورد: 1- در قطعات ساخته شده توسط دستگاه علت اصلی عیوب موجود در قطعه پلاستیسیته کم است. این عیوب شامل ترک ها ( که ممکن است خود را پس از شکل دادن و یا پس از خشک کردن نشان دهند) و بافت ضعیف در سطح یا داخل قطعه ( مانند ترک های گوشی یا s شکل در یک ستون اکسترود شده یا عدم صافی سطح قطعه جیگر شده) است. 2- از نظر افراد ماهر نشانه اصلی پلاستیسیته ضعیف سرعت کم تولید است, زیرا فرد باید زحمت بیشتری بکشد تا یک قطعه سالم تهیه نماید. 3- رس ها و یا بدنه هایی که خواص رئولوژیکی آنها حساسیت شدیدی به میزان رطوبت دارند در هنگام کار مشکل آفرین هستند. از این نگاه موادی مطلوب هستند که در آنها رطوبت لازم برای کار پذیری مطلوب دارای رنج نسبتا بازی باشد. 4- سطوح یک رس یا بدنه دارای خواص کار پذیری خوب باید بتوانند خوب به هم ملحق شوند بدون آنکه سبب محبوس شدن هوا شده و یا سطوح داخلی ضعیفی را پدید آورند. 5- برای قطعاتی که بر روی قالب های گچی قرار می گیرند چسبیدن نا کافی بدنه به قالب گچی و یا جذب بیش از حد آب بدنه توسط قالب مطلوب نیست. 6- در روش هایی نظیر جیگرینگ که در حین شکل دادن آب بر روی قطعه پاشیده می شود رس نباید بسیار چسبناک باشد یا به صورت دوغاب در آید. 7- بدنه نباید خاصیت باز یابی الاستیک را بعد از برداشتن تنش از خود نشان بدهد. در غیر این صورت شکل آن در نهایت از ادوات شکل دهنده تبعیت نمی نماید. 8- حضور خاصیت دیلاتانسی به ویژه برای پلاستیسیته مضر است. دیلاتانسی که معرف مقاومت زیاد در برابر سیلان تحت تنش های زیاد و مقاومت کم تحت تنش های کم است در جهت مخالف پلاستیسیته عمل می کندو به نظر می رسد پدیده ای که توسط Macey به پس زنی تعبیه شده است و در اثر آن برخی بدنه ها تحت تنش های متناوب شل می شوند, ارتباط نزدیکی به دیلاتانسی داشته باشد. برخی عوامل موثر در پلاستیسیته: هنگامی که اندازه ذرات کانی های رسی موجود در یک نمونه, بسیار ریز و در عین حال حدودا یکسان باشد بدیهی است که به علت ابعاد بسیار ریز ذرات, مقدار پلاستیسیته بسیار زیاد خواهد بود.مایع جذب شده در سطح رس و نوع آن نیز یکی دیگر از عوامل ایجاد کننده و موثر در پلاستیسیته باشد.مولکولهای مایعات قطبی در سطح ذرات رس جذب گردیده و بدین وسیله باعث لغزش و ایجاد سهولت در حرکت صفحات رس می گردد. پس اختلاط با مایعات قطبی باعث ایجاد پلاستیسیته در خمیر می گردد. در حالی که مایعات غیر قطبی مانند بنزن هیچ نوع پلاستیسیته ای به وجود نخواهند آورد. به هر حال پلاستیسیته حاصل از هیچ مایعی قابل مقایسه با پلاستیسیته حاصل از آب نیست. از مسائل مهم دیگر تاثیر فشار در میزان آب پلاستیسیته است.با افزایش فشار می توان پلاستیسیته یکسانی با مقدار آب کمتر به دست آورد.در صنعت سرامیک از این قانون به طور وسیع استفاده می شود. از دیگر عوامل موثر در پلاستیسیته شکل ذرات است.مثلا ذرات رس به طور کلی دارای شکل پهنی بوده و اصطلاحا بشقابی هستند و این شکل خاص باعث ایجاد سهولت در لغزش ذرات بر روی یکدیگر و ایجاد پلاستیسیته بالا می گردد. دسته ای از مواد آلی ایجاد کننده پلاستیسیته, ژلهای کلوئیدی ناشی از عمل باکتری ها هستند. این مورد یکی از دلایل افزایش پلاستیسیته و در نتیجه انبار کردن خمیر است. در این شرایط خمیر بدنه بر اثر فعالیت های باکتری ها اصطلاحا ترش شده و ژل های کلوئیدی به و جود می آیند. آزمون های غیر مستقیم ارزیابی پلاستیسیته بر اساس رطوبت: پلاستیسیته یک بدنه سرامیکی با افزایش میزان رس بدنه و با کوچک تر شدن دانه های رس افزایش می یابد.(البته این دو عامل در موارد حاد منجر به چسبناکی بدنه می شوند). این شرایط منجر به آزمون های غیر مستقیم زیادی برای به دست آوردن پلاستسیته شده است که در این روش ها به جای پلاستیسیته خواصی که به طور تقریبی با پلاستیسیته ارتباط دارند, اندازه گیری می شوند. گروهی از این آزمون ها بر اساس اندازه گیری مقدار رطوبت لازم برای رسیدن به یک غلظت دلخواه استوار شده اند. چون افزایش مقدار رس و یا ریز دانه شدن آن منجر به افزایش سطح ویژه ذرات و بنا بر این بالا رفتن مقدار برای رسیدن به یک غلظت خاص می شود, منطقی است که رطوبت بالا را به پلاستیسیته و بالعکس نسبت دهند. شاید معروف ترین این روش ها ففر کورن باشد که در روند آزمایش توضیح داده می شود. در سنجش پاستیسیته به روش آتربرگ که در سطح بین المللی توسط دانشمندان خاک شناس به کار برده می شود, درصد رطوبت در دو حد پلاستیک و حد روانی اندازه گیری می شود. حد پلاستیک عبارت است از درصد رطوبتی که در زیر آن ماده دیگر رفتار پلاستیک نداشته باشد و شکننده شود.این حد هنگامی به دست می آید که پس از آن دیگر نتوان رس را به صورت رشته ای سالم با قطر یک هشتم اینچ لوله کرد. حد روانی رطوبتی است که ماده در بالای آن به صورت یک سیال و در زیر آن به صورت یک جامد پلاستیک رفتار می کند. (البته در واقع یک ماده در بالای حد روانی هنوز خواص پلاستیک از خود بروز می دهد.)این حد با ساختن خمیری از ماده, قرار دادن آن بر روی یک ظرف برنجی با طرح استاندارد و یافتن تعداد ضربات استاندارد لازم برای بستن شکافی بر روی گل درون ظرف به دست می آید. این آزمون در رطوبت های مختلف تکرار می شود و حد روانی ( با اکستراپوله کردن ) به عنوان در صد رطوبتی که در آن 25 ضربه نیاز است تعیین می شود. آنگاه شاخص پلاستیسیته آتربرگ از اختلاف حد پلاستیک و حد روانی به دست می آید.از آنجایی که این شاخص محدوده رطوبتی را که در بالای آن ماده پلاستیک است را اندازه گیری می کند, وسیله ای برای اندازه گیری یکی از ویژگی های خاص پلاستیسیته یعنی عدم حساسیت ماده به تغییر رطوبت است. یک شاخص تقریبا مشابه که آن هم بر اساس اختلاف بین دو درصد رطوبت معین است عدد ریکه نام دارد. این شاخص از اختلاف درصد رطوبت در حالت کار پذیری معمولی ( مثلا حاصل از آزمایش ففرکورن ) و حد پلاستیک ( مثلا حاصل از آزمون آتر برگ) به دست می آید. برخی معتقدند این شاخص بهترین شاخص کار پذیری پلاستیسیته است. روش های دیگری نیز برای توصیف غلظت مورد استفاده قرار گرفته است که در آن ها مقدار عددی رطوبت به صورت شاخص پلاستیسیته بیان می شود. در زیر به چند روش اشاره می شود. در روش Cohn مقدار رطوبتی که به وسیله آن یک میله با وزن استاندارد در مدت زمان معین تا ارتفاع مشخص در تکه ای از گل فرو می رود شاخص پلاستیسیته است. در روش Russell و Hunk مقدار رطوبتی که در آن ماده تحت آزمایش تنش فشاری, تنش تسلیمی برابر پنج پوند بر اینچ مربع داشته باشد شاخص پلاستیسیته است. در روش Thiemecke مقدار رطوبتی که نشانگر تغییر خواص از حالت پلاستیک به الاستیک باشد شاخص پلاستیسیته است. در روش Enslin رطوبت جذب شده توسط ماده بسیار ریز دانه در هنگامی که از طریق یک فیلتر شیشه ای متخلخل در تماس با آب قرار گرفته است شاخص پلاستیسیته است. روند آزمایش: ابتدا خاک را با هاون می کوبیم تا ذرات آن ریز شده و از الک 50 مش عبور کند.(بعضی خاکها به صورت گرانول است و باید خیلی کوبیده شود اما بعضی مثل بالکلی نیازی به کوبیدن ندارد) _تعداد سوراخ ها در یک سانتی متر مربع را مش گویند. پس از الک کردن آنرا در لگن ریخته و داخل آن 300 سی سی آب اضافه کرده و با قاشق هم می زنیم تا دوغاب یکنواختی حاصل شود.. حال دوغاب را با قاشق به آرامی روی لوح گچی پهن کرده تا آب آن گرفته شود و خمیر حاصل شود.در این قسمت می توان از روی تغییر رنگ فهمید که خشک شده یا نه. بعد از خشک شدن, گل را با کاردک از روی لوح گچی بر می داریم. گل را در دست خوب ورز داده تا کاملا یکنواخت شود و از ایجاد خطا تا حد ممکن جلوگیری شود. حال گل را داخل نمونه ففرکورن فرو کرده و خوب فشار می دهیم تا فضای خالی داخل نمونه باقی نماند و یکدست شود. گل را با سمبه از نمونه در می آوریم و درست در وسط صفحه دستگاه ففر کورن قرار می دهیم. دستگاه ففر کورن شامل یک وزنه 1 کیلو گرمی است که از ارتفاع 185 میلی متری آنرا رها می کنیم. نمونه ففر کورن یک استوانه به ارتفاع 4 سانتی متر و قطر 2.8 سانتی متر می باشد. بعد از رها کردن وزنه روی نمونه ار تفاع ثانویه را با کولیس اندازه گیری می کنیم.( اندازه گیری از طریق فرو کردن ته کولیس در گل راحت تر است) حال وزن نمونه تر را اندازه گیری می کنیم. 4 نمونه درست کرده که ارتفاع های ثانویه آنها یکی کمتر از 12 میلی متر و دو تای آنها بین 12 و 16 میلی متر و یکی نیز بیشتر از 16 میلی متر باشد. حال نمونه ها را داخل خشک کن به مدت 5 الی 20 ساعت قرار می دهیم تا کاملا خشک شود. حال وزن خشک نمونه ها را نیز اندازه گیری می کنیم. سپس درصد رطوبت نمونه ها را بر مبنای خشک به دست می آوریم. سپس روی کاغذ میلی متری نمودار ارتفاع ثانویه بر حسب در صد رطوبت را رسم می کنیم.. 4 نقطه حاصل از 4 نمونه را روی نمودار تعیین می کنیم و نزدیک ترین خط را که شامل بیشترین نقطه ها باشد رسم می کنیم. و از روی نمودار موارد زیر را به دست می آوریم. ** عدد پلاستیسیته ففر کورن = در صد رطوبت در ارتفاع 12 میلی متر ** درصد آبکار پذیری ففرکورن = درصد رطوبت در ارتفاع 16 میلی متر (بهینه آب برای بهترین حالت شکل پذیری عدد درصد آبکار پذیری ففرکورن است.) ** فاکتور پلاستیسیته ففرکورن = R(R_r) R درصد رطوبت در ارتفاع ثانویه صفر میلی متر است. r درصد رطوبت در ارتفاع ثانویه 40 میلی متر است. نتایج آزمایش مربوط به خاک کائولن سوپر زنور: ارتفاع اولیه ارتفاع ثانویه وزن تر وزن خشک %Md نمونه 1 40mm 14.1 49.7 36.1 37.8 نمونه 2 40mm 24.1 54.49 40.85 34.1 نمونه 3 40mm 14.2 52.93 38.51 37.4 نمونه 4 40mm 9 51.59 36.82 40.1 بحث و نتیجه گیری: گروه خاک درصد آبکارپذیری 1 بالکلی 21 2 کائولن زنور 39 3 کائولن سوپر زنور 36 4 بالکلی 26 5 کائولن زدلیر کائولن ها و بالکلی ها اغلب خاک های پلاستیک هستند.بنا بر این می توان از آنها برای مصارفی که نیاز به شکل پذیری زیاد است استفاده کرد.. خاک کائولن زنور چون دارای بیشترین درصد آبکار پذیری است پس از پخت به دلیل تبخیر آب دارای ترک بیشتری نسیت به دیگر خاک ها است. نتایج به دست آمده در بالا می تواند در مورد یک خاک مشخص مثلا بالکلی در شرایط متفاوت فرق کند.مثلا اگر به جای الک 50 مش از الک 200 مش استفاده می کردیم عدد های بیشتری حاصل می شد زیرا با ریز تر شدن دانه ها پلاستیسیته افزایش می یابد. یک سری خاک ها مثل فلد اسپار چغایی_ سیلیس همدان _ دولومیت ( که در بالا اعداد فاکتور آبکار پذیری آنها ذکر نشده) خاک های غیر پلاستیک هستند و دارای درصد آبکار پذیری کمی می باشند. در واقع در صد آبکار پذیری فاکتوری برای تعیین میزان پلاستیسیته یک خاک است. خطاهای آزمایش: خطای ایجاد شده هنگامی که گل را از روی لوح گچی بر می داریم. که ممکن است روی آن خشک تر از زیر آن باشد و اگر خوب ورز ندهیم باعث ایجاد خطا می شود. خطای ایجاد شده هنگامی که گل را در قالب نمونه فرو می کنیم که اگر خوب همه جای قالب را پر نکند باعث ایجاد خطا می شود. خطا هنگامی که نمونه دقیقا در وسط دستگاه قرار نگیرد و قسمت های مختلف گل پس از رها کردن وزنه دارای ارتفاعات متفاوت باشد. خطای چشم در خواندن عدد از روی کولیس. خطاهای دستگاه های آزمایش مانند ترازو , کولیس , .......... خطا های محاسباتی هنگامی که عدد ها را از روی نمودار به دست می آوریم. زیرا هر چه قدر هم که نمودار دقیق باشد به دلیل خطا های قبلی نمودار حالت تقریبی دارد. خطا هنگامی که نمونه را از خشک کن در می آوریم . ممکن است از اطراف رطوبت جذب کند. و یا گرد و غبار باعث ایجاد خطا شود. کتاب تکنولوژی سرامیک های ظریف ( تالیف:افسون رحیمی , مهران متین ) کتاب مبانی شکل دادن سرامیک ها _ جلد اول _ رئولوژی سیستم ها ی سرامیکی (نوشته : اف . مور)

هدف ازمایش: به دست اوردن درصد مانده روی الک و رسم نمودار ان و نوع توزیع ذرات در خاک مورد نظر . وسایل مورد نیاز: الک با شماره مش های 20 -30-40-50-70 .ترازو خاک(کاربید سدیم). روند ازمایش: ابتدا 400 گرم از خاک مورد نظر را وزن میکنیم وان را روی الک با سوراخ های بزرگ تر میریزیم تا زمانی الک میکنیم که دیگر خاکی از الک عبور نکند .(حدود 5-3 دقیقه) قسمتی که روی الک مانده را وزن میکنیم وعدد مربوط به ان را یادداشت میکنیم سپس با قسمت خاک زیر الک ادامه ازمایش را با الک های ریزتر انجام میدهیم. E M = _____% G %M . در صد مانده روی الک E . وزن مانده روی الک G. وزن کل خاک اعداد به دست امده از ازمایش: شماره الک وزن مانده روی الک درصد مانده روی الک 20 88/16 %22/4 30 89/61 %47/15 40 19/300 %04/75 50 89/13 %47/3 70 73/3 %93/0 وزن زیر الک اخر =85/1 در صد = %46/0 نتیجه گیری: دانه بندی تر برای خاک های غیر پلاستیک و دانه ریز مناسب است ولی دانه بندی خشک برای تمام خاک ها کاربرد دارد . به طور کلی دانه بندی با تخلخل رابطه عکس دارد یعنی هر چه تخلخل بیشتر باشد دانه بندی ریز تر خواهد بود. بر اساس نتایج بدست امده وبه طور مشخص در نمودار رسم شده بیشترین رنج دانه بندی در مش 40 و30 بوده و کمترین ان در رنج 70 است . خطاهای ازمایش: 1.خطای ترازو 2.مقداری از خاک در سوراخ های الک ها گیر میکند و عملآ در محاسبه حذف میشود. 3.ممکن است زودتر از اینکه تمام خاکی که میتواند از الک عبور کند مرحله بعد را شروع کنیم. 4.در مرحله وزن کردن ممکن است مقداری خاک به اطراف ترازو بریزد و باعث ایجاد خطا گردد.

is well known to producers of tiles and bricks who modify the atmospheres – oxidizing or reducing – of the kilns; – by considering now the raw materials, we can find a ternary composition, because the three components of silicate ceramics are: i) clays, ii) sand and iii) fluxes – i.e. compounds contributing to the firing thanks to the development of phases with low melting points. As kaolinite clay can be written: Al2O3-2SiO2- 2H2O, quartz sand: SiO2, and potassic feldspar, which is frequently used as a flux: K2O-Al2O3-6SiO2, we again find the ternary SiO2-Al2O3-MxOy (if MxOy = K2O). Figure 1.1 shows the equilibrium diagram Al2O3-SiO2-MgO and locates some of the main compounds that come under it [KEI 52, KIN 76]. Magnesia MgO is useful for refractory materials in iron metallurgy; mullite 3Al2O3-2SiO2, a unique compound defined in the binary diagram Al2O3-SiO2, is a crystallized phase present in many ceramics; cordierite 2MgO-2Al2O3-5SiO2 is characterized by very poor thermal expansion: it is used for example as catalyst support in exhaust pipes, etc. Hydroxyls OH- are present in many hydrated raw materials and water H2O allows the plasticity of clays, but because the ions and the corresponding molecules are eliminated in the heat treatments (this is called ignition loss), they are not taken into account in the composition of ceramics after firing. It is important to distinguish between impregnated water (which occurs as a mixture with rock particles and whose reversible departure is caused by simple drying, with possibility of rehydration in a wet environment) and combined water (which corresponds to the hydroxyls of the hydrated phases, for example to the four OH- in the formula of kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4). The departure of this “water” is accompanied by the disturbance of the crystallographic structure, hence the irreversible transformation at the end of firing beyond approximately 500°C. Silicate ceramics make the most of the versatility of silica (see section 1.5.2), which can exist in crystallized form (particularly quartz) or in amorphous form (silica glass) and, as a result, contain both crystallized phases and vitreous phases. The interatomic bonds brought into play in silicate ceramics are typically iono- covalent (SiO2 exhibiting a fine compromise, because its bonds are regarded as 50% ionic and 50% covalent), therefore these ceramics are almost always electrical insulators. The accentuation of the ionic nature yields hydrolysable compounds: halides can be regarded as ceramic compounds, but the salt-marsh workers are not classified among the producers of ceramic powders! 14 Ceramic Materials Alumina 1,925 2,050 Corundum 2,030 1,713 Silicia Two liquids Magnesia 2,800 Magnesia refractory materials 1,810 2,135 Figure 1.1. Main compounds in the diagram Al2O3-SiO2-MgO [KIN 76] 1.4. Non-silicate ceramics To classify any material, the user can consider two main categories: i) structural materials, whose operating performances are essentially mechanical, even thermal, in nature, and ii) functional materials, whose operating performances are primarily electrical, magnetic, optical, etc. We have said “primarily”, because we must underline, especially in a book of this nature, that no application can be exempt from mechanical properties. For example, the glasses in our spectacles are functional materials, designed in such a manner that their optical characteristics correct the defects in our vision, but their impact resistance or their scratch resistance are variables that are more difficult to improve than the optical properties. In addition to their functionalities, functional materials must in general exhibit a sufficient level of mechanical properties. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 15 1.4.1. Structural ceramics The uses of these ceramics vary according to their characteristics: – for ceramics with high mechanical performances, the established markets include abrasives, cutting tools and tribological applications: wear resistance and friction resistance (see Chapters 6, 7, 8 and 9); – for ceramics used at high temperatures, the established markets include refractory materials, essential for equipments of iron and steel, glass, cement or incineration industries (see Chapter 10); – for ceramics that must combine high mechanical performances and high temperatures the markets are more recent, but are growing rapidly. Only these ceramics are sometimes referred to as structural ceramics, but it is better to call them thermomechanical ceramics [CHE 89] (see Chapter 7). Thermostructural composites form the vanguard of thermomechanical ceramics: we will not discuss these composites here. The first two subdivisions that we have classified here among structural ceramics (abrasives, cutting tools and wear parts on the one hand, industrial refractory materials on the other) are often classified outside the field of ceramics. This is logical for abrasives, because if abrasive grains are ceramic compounds (primarily alumina Al2O3 or silicon carbide SiC), abrasives are themselves multi-material systems, for example, grinding stones whose matrix can be a glass or a ceramic, but frequently also a polymeric resin or a metal, or fabrics and papers (sandpaper) whose base is organic. The most widely used cutting tools and wear parts are made of tungsten carbide (WC) grains bonded together by a metal matrix, typically of cobalt. These cemented carbides fall under the category of cermets (for “ceramic- metal”), which are materials prepared by powder metallurgy, and this explains why they are claimed by ceramists and metallurgists. Our choice has been to include cermets among structural ceramics and to cover them in Chapter 9. Finally, as regards industrial refractory materials, their importance sometimes justifies their being regarded as a distinct category when we speak of “ceramics and refractory materials”. Here again, our choice has been to include refractory materials among ceramics (see Chapter 10), which is currently the commonly accepted view, but this does not however imply that refractory materials are always classified among structural ceramics. These remarks are essential to decipher economic data: spread across the three categories that we are considering here, structural ceramics represent a larger market than that of functional ceramics about which we will speak later on, but if reduced to thermomechanical ceramics and thermostructural composites, they represent only a small market in comparison with functional ceramics. 16 Ceramic Materials 1.4.2. Functional ceramics Functional ceramics are characterized by their: – electrical properties: insulators (very often), semiconductors (often), conductors (less frequently) and superconductors (a scientifically exciting field, but whose industrial applications are yet to be explored at the time of writing); – magnetic properties: hard magnets (permanent magnets) or soft magnets (winding cores); the field of magnetic recording is among one of the most spectacular scientific and technical advances with enormous industrial stakes; – optical properties; – chemical properties: catalysis, sensors; – “nuclear” properties: fuels, moderators; – biological properties: biomaterials and prostheses; – monocrystals for varied uses, for example for ionizing radiation detectors. Unlike silicate ceramics, raw materials used for the preparation of non-silicate ceramics are generally synthetic powders and not mixtures of crushed rocks. But these synthetic powders can result from natural products, which the English terminology makes easy to understand by distinguishing between “starting materials” (for example, alumina powders) and “raw materials” (bauxite rocks, in this case, whose treatment by the Bayer process yields the alumina powders) [CAS 90]. Ceramic compositions offer in general a simple chemistry, but microstructural parameters are complex. 1.4.2.1. Oxide ceramics Alumina Al2O3 is by far the foremost basic compound for “technical ceramics”, because alumina exhibits exceptional versatility: abrasion, cut, friction and wear, refractory uses, electricity and electronics, optics, biomedical, jewelry and the list can go on and on [CAS 90]. Silica SiO2 is also a basic compound both for ceramists and glassmakers; the alumina-silica diagram has for ceramists the same importance as the iron-carbon diagram has for metallurgists. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 17 Magnesia (MgO) and spinel (MgAl2O4) are primarily used as refractory materials in the iron and steel industry. Zirconia ZrO2 (not to be confused with zirconium silicate, called zircon, ZrSiO4) is used in the ceramic colors, but also for ionic conduction, mechanical purposes or in jewelry. Uranium oxide UO2 is the basic constituent of nuclear fuels, if necessary, as a mixture with a little plutonium oxide PuO2 (the mixture gives MOXs, or “mixed oxide nuclear fuels”). Barium titanate BaTiO3 is dielectric or a semiconductor, depending on its doping and its stoichiometry. It is the basic material in the industry of ceramic capacitors and it is also used for the manufacture of various types of probes and sensors. Soft ferrites and hard ferrites or hexaferrites are important materials for magnetic uses. “Soft” ferrites are crystals with a spinel structure whose reference is magnetite Fe3O4; “hard” hexaferrites are crystals with a hexagonal structure, whose type is BaFe12O19. Almost all metallic oxides have uses in ceramics, for example yttrium oxide Y2O3, beryllium oxide BeO, zinc oxide ZnO, tin oxide SnO2, superconductive cuprates like YBa2Cu3O7, and others. Most ceramic oxides are electrical insulators, whose electronic conduction is very weak (major exception: superconductors), but whose ionic conduction can be remarkable (for example, zirconia); those oxides that are semiconductors are frequently extrinsic semiconductors, whose performances vary considerably with the nature of the doping agents and their concentration. 1.4.2.2. Non-oxide ceramics Carbides form the main category of non-oxides [MCC 83], the most important of which are silicon carbide SiC, which is a semiconductor, but whose chemical is essentially covalent, and tungsten carbides, whose name comes from a typically metallic band structure, which therefore exhibits high electronic conductivity: tungsten carbide WC is the main industrial material in this class, which includes many other compounds, for instance, titanium carbide TiC. Nitrides primarily include silicon nitride Si3N4 and aluminum and silicon oxynitrides, also called sialons, aluminum nitride AlN, and various metallic nitrides, including TiN. 18 Ceramic Materials Some borides have industrial applications, for example titanium diboride TiB2 or lanthanum hexaboride LaB6, and some boron compounds are conventionally classified among borides, including boron carbide B4C and boron nitride BN, a material which has three polymorphs, including two isostructural carbon polymorphs: graphite and diamond. Silicides are numerous, but only one of them presents great industrial interest: molybdenum disilicide MoSi2 (not to be confused with molybdenum disulphide MoS2), which is used for the manufacture of the heating elements of very high temperature electric ovens (1,750°C), in air. Halides, finally, are more model materials in the chemistry of solids than usable ceramics, even if some of them are used for their optical properties; some chalcogenides could also enter the field of ceramics. This list omits a class of materials that has not yet been mentioned, in spite of its importance: carbonaceous materials – diamond, graphite, and more or less crystallized carbons that are obtained by heat treatments of tar and pitch, not to mention carbon fullerenes and nanotubes, which have not yet actually reached the stage of industrial products. Although some carbonaceous materials are prepared from organic raw materials, the trend is to classify the materials themselves under inorganic products: we endorse the term black ceramics [LEN 92]. Whereas oxides are mainly electrical insulators, non-oxides equally include insulators (for example, Si3N4 and AlN), semiconductors (for example, SiC) and conductors (for example, “metallic” carbides and borides and carbon products other than diamond, of which graphite is the most important). 1.5. Ceramic structures and microstructures 1.5.1. Ceramic structures This discussion on the crystalline structure of ceramics presupposes that the reader is familiar with the basics of crystallography [BUR 90, GIA 85, HAH 89]. Most oxides and silicates have crystalline structures obeying Pauling’s rules for ionic crystals, where the ions of small size (generally cations) enter the interstices of big ions (generally anions). The three main rules relate to the coordination number of cations, the coordination number of anions and the coordination number of polyhedra. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 19 The cation coordination number (Nc): the geometry of the polyhedron of anions around a cation depends on the ratio R = rcation/ranion. The cation must be in contact with the anions. The ionic radius varies, for a given element, with the charge of the ion and its coordination number. The anion coordination number (Na): the geometry of the polyhedron of cations around an anion is such that the sum of the electrostatic attractions resulting in the anion is equal to the charge (p) of this anion. For Mq+ X p-: s = electrostatic attraction of the link = q/Na Σs = p The force of the link is obtained by dividing the charge of the cation by its coordination number: EXAMPLE 1.– NaCl: NaVIClVI: each Na+ at the center of an octahedron of 6 Cl- contributes + 1/VI = 1/6, therefore Na(Cl-) = 6. EXAMPLE 2.– SiO2: SiIVOII 2: each Si4+ at the center of a tetrahedron of 4 O2- contributes + 4/IV = 1, therefore Na (O2-) = 2. The linking of polyhedra: the stability of the crystal decreases if the cations are too close, it decreases; therefore a linking of the coordination polyhedra at the corners is more favorable than at their edges and, even more so than at their faces. Many ceramic compounds have structures that bring into play an appreciably compact stacking of anions with cations in tetrahedral (four neighbors) or octahedral (six neighbors) coordination (see Table 1.1). 20 Ceramic Materials Formula Cation: anion coordination Type and number of interstices occupied Compact cubic stacking Compact hexagonal stacking MX 6:6 4:4 All the octa. Half the tetra. NaCl, FeO, MnS, TiC ZnS blende, CuCl, AgI-γ NiAs, FeS, NiS ZnS würtzite, AgI-β MX2 8:4 6:3 All the tetra. Half the octa. Alternating layers with all the occupied sites CaF2 fluorine, ThO2, ZrO2, UO2 CdCl2 – CdI2, TiS2 MX3 6:2 1/3 of the octa. Alternating pairs of layers with 2/3 of the octa. occupied BiI3, FeCl3, TiCl3, VCl3 M2X3 6:4 2/3 of the octa. Al2O3 corundum, Fe2O3, V2O3, Ti2O3, Cr2O3 ABO3 2/3 of the octa. FeTiO3 ilmenite AB2O4 1/8 of the tetra. and 1/2 of the octa. MgAl2O4 spinel, MgFe2O4 inverse spinel Mg2SiO4 olivine Table 1.1. Coordination and stacking in a few typical structures The structures are varied and we will mention only five of the most important ones (MgO, ZrO2, BaTiO3, Al2O3 and diamond), before discussing the rudiments of the structure of silicates: – MgO is the example of oxides with NaCl structure (space group Fm 3m) with Mg in site 4a (0, 0, 0) and O in 4b (1/2, 1/2, 1/2); Ceramic Compounds: Ceramic Materials 21 – CaF2 (fluorine) and K2O (antifluorine) also crystallize in the space group Fm 3m, with Ca in 4a and F in 8c ± (1/4, 1/4, 1/4); zirconia ZrO2 and urania UO2 adopt this type of structure; – BaTiO3 adopts a perovskite structure, with the oxygen octahedra at the center of which are titaniums, linked at their corners and surrounding a perovskite cage occupied by the large barium. A “beads on rods” representation of this structure places titanium at the eight corners of the cube, oxygen at the twelve centers of the edges and barium at the center of the cube (or barium at the eight corners of the cube, oxygen at the six centers of the faces and titanium at the center of the cube). Cuprate superconductors frequently have structures based on the perovskite structure; – alumina defines the corundum structure where oxygens form a compact stacking with the hexagonal aluminum ions placed in two-thirds of the octahedral sites, which decreases the overall symmetry towards the rhombohedric space group R 3 c; – if it is true that most ceramics have iono-covalent bonds which lead to structures that reasonably obey Pauling’s rules, others are markedly covalent. This is the case with silicon carbide, whose structure is similar to that of diamond (or silicon). We can think of a giant covalent molecule, extended to the scale of a crystal: the network is cubic, face centered and the pattern is composed of two carbon atoms, one located at 0, 0, 0 and the other located at 1/4, 1/4, 1/4; – as regards the various silicates, the description of the structure depends on the manner in which the Si-O bond is modeled. The ionic model predicts a compact stacking of O2-, with Si4+ and the other cations that occur in the various interstices. However, most silicates do not have a compact stacking of O2- and the coordination numbers observed often violate the rules deduced from the rcation/ranion ratio: the ionic model is imperfect. The covalent model describes the Si-O bonds by bonding orbitals, which explains the tetrahedral coordination of silicon and the angles between the bonds are close to the theoretical value of 109.5°. But the covalent model stumbles on some hurdles and explains less well than the ionic model the chemical formulas of most silicates and the substitution of silicon by aluminum, which correspond to formal charges: Si4+, Al3+, O2-, etc. In fact, the Si-O bond is 50% ionic and 50% covalent, the structure of silicates having been described based on tetrahedra [SiO4]4- linked such that: i) the tetrahedra are linked at the corners, ii) a bridging oxygen is common only to two tetrahedra and iii) the formal charges of the ions are Si4+ and O2-. The sequencing of the tetrahedra makes it possible to classify the various silicates under six categories, based on an increasing degree of polymerization [PUT 92]: 1) tetrahedra isolated from one another, without bridging oxygens, Si/O ratio = 1/4, (for example, olivine Mg2SiO4); 22 Ceramic Materials 2) two tetrahedra forming a dimer, with oxygens bridging two tetrahedra, each tetrahedron having one bridging and three non-bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3.5; charge of the dimer: [Si2O7]6-, (for example, rankinite Ca3Si2O7); 3) single chain silicates, each tetrahedron having two bridging and two non- bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3; a chain with N links has a charge [SiO3]n 2n- (for example, enstatite MgSiO3); 4) double chain silicates, half of the tetrahedra with two bridging and two non- bridging oxygens (Si/O = 1/3) and other half three bridging and one non-bridging (Si/O = 1/(2.5): in total Si/O = 2/5.5 and the charge is [Si4O11]n 6n- (for example, anthophyllite Mg7Si8O22(OH)2, the OHs being independent of the tetrahedra); 5) silicates forming two dimensional layers, each tetrahedron with three bridging and one non-bridging oxygens: Si/O = 1/(2.5); charge of a layer [Si2O5]n 2n- (for example, minerals of clays and micas or talc: Mg6Si8O20 (OH)4, the OHs being here again independent of the tetrahedra); 6) lastly, silicates where the tetrahedra are linked at all their corners: four bridging oxygens per tetrahedron, Si/O = 1/2 (for example, quartz SiO2). Quartz is part, like diamond, of a covalent description where the molecule extends to the scale of the entire crystal, regularly in the three-dimensional space. In addition to this classification, we can observe that: – when Al substitutes Si in the tetrahedron, we must consider the (Al+Si)/O ratio: for example, plagioclase feldspars, which range from albite NaAlSi3O8 to anorthite CaAl2Si2O8, the (Al+Si)/O ratio always being 1/2; – Al is generally in a tetrahedral site, instead of Si, but can be in an octahedral

is well known to producers of tiles and bricks who modify the atmospheres – oxidizing or reducing – of the kilns; – by considering now the raw materials, we can find a ternary composition, because the three components of silicate ceramics are: i) clays, ii) sand and iii) fluxes – i.e. compounds contributing to the firing thanks to the development of phases with low melting points. As kaolinite clay can be written: Al2O3-2SiO2- 2H2O, quartz sand: SiO2, and potassic feldspar, which is frequently used as a flux: K2O-Al2O3-6SiO2, we again find the ternary SiO2-Al2O3-MxOy (if MxOy = K2O). Figure 1.1 shows the equilibrium diagram Al2O3-SiO2-MgO and locates some of the main compounds that come under it [KEI 52, KIN 76]. Magnesia MgO is useful for refractory materials in iron metallurgy; mullite 3Al2O3-2SiO2, a unique compound defined in the binary diagram Al2O3-SiO2, is a crystallized phase present in many ceramics; cordierite 2MgO-2Al2O3-5SiO2 is characterized by very poor thermal expansion: it is used for example as catalyst support in exhaust pipes, etc. Hydroxyls OH- are present in many hydrated raw materials and water H2O allows the plasticity of clays, but because the ions and the corresponding molecules are eliminated in the heat treatments (this is called ignition loss), they are not taken into account in the composition of ceramics after firing. It is important to distinguish between impregnated water (which occurs as a mixture with rock particles and whose reversible departure is caused by simple drying, with possibility of rehydration in a wet environment) and combined water (which corresponds to the hydroxyls of the hydrated phases, for example to the four OH- in the formula of kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4). The departure of this “water” is accompanied by the disturbance of the crystallographic structure, hence the irreversible transformation at the end of firing beyond approximately 500°C. Silicate ceramics make the most of the versatility of silica (see section 1.5.2), which can exist in crystallized form (particularly quartz) or in amorphous form (silica glass) and, as a result, contain both crystallized phases and vitreous phases. The interatomic bonds brought into play in silicate ceramics are typically iono- covalent (SiO2 exhibiting a fine compromise, because its bonds are regarded as 50% ionic and 50% covalent), therefore these ceramics are almost always electrical insulators. The accentuation of the ionic nature yields hydrolysable compounds: halides can be regarded as ceramic compounds, but the salt-marsh workers are not classified among the producers of ceramic powders! 14 Ceramic Materials Alumina 1,925 2,050 Corundum 2,030 1,713 Silicia Two liquids Magnesia 2,800 Magnesia refractory materials 1,810 2,135 Figure 1.1. Main compounds in the diagram Al2O3-SiO2-MgO [KIN 76] 1.4. Non-silicate ceramics To classify any material, the user can consider two main categories: i) structural materials, whose operating performances are essentially mechanical, even thermal, in nature, and ii) functional materials, whose operating performances are primarily electrical, magnetic, optical, etc. We have said “primarily”, because we must underline, especially in a book of this nature, that no application can be exempt from mechanical properties. For example, the glasses in our spectacles are functional materials, designed in such a manner that their optical characteristics correct the defects in our vision, but their impact resistance or their scratch resistance are variables that are more difficult to improve than the optical properties. In addition to their functionalities, functional materials must in general exhibit a sufficient level of mechanical properties. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 15 1.4.1. Structural ceramics The uses of these ceramics vary according to their characteristics: – for ceramics with high mechanical performances, the established markets include abrasives, cutting tools and tribological applications: wear resistance and friction resistance (see Chapters 6, 7, 8 and 9); – for ceramics used at high temperatures, the established markets include refractory materials, essential for equipments of iron and steel, glass, cement or incineration industries (see Chapter 10); – for ceramics that must combine high mechanical performances and high temperatures the markets are more recent, but are growing rapidly. Only these ceramics are sometimes referred to as structural ceramics, but it is better to call them thermomechanical ceramics [CHE 89] (see Chapter 7). Thermostructural composites form the vanguard of thermomechanical ceramics: we will not discuss these composites here. The first two subdivisions that we have classified here among structural ceramics (abrasives, cutting tools and wear parts on the one hand, industrial refractory materials on the other) are often classified outside the field of ceramics. This is logical for abrasives, because if abrasive grains are ceramic compounds (primarily alumina Al2O3 or silicon carbide SiC), abrasives are themselves multi-material systems, for example, grinding stones whose matrix can be a glass or a ceramic, but frequently also a polymeric resin or a metal, or fabrics and papers (sandpaper) whose base is organic. The most widely used cutting tools and wear parts are made of tungsten carbide (WC) grains bonded together by a metal matrix, typically of cobalt. These cemented carbides fall under the category of cermets (for “ceramic- metal”), which are materials prepared by powder metallurgy, and this explains why they are claimed by ceramists and metallurgists. Our choice has been to include cermets among structural ceramics and to cover them in Chapter 9. Finally, as regards industrial refractory materials, their importance sometimes justifies their being regarded as a distinct category when we speak of “ceramics and refractory materials”. Here again, our choice has been to include refractory materials among ceramics (see Chapter 10), which is currently the commonly accepted view, but this does not however imply that refractory materials are always classified among structural ceramics. These remarks are essential to decipher economic data: spread across the three categories that we are considering here, structural ceramics represent a larger market than that of functional ceramics about which we will speak later on, but if reduced to thermomechanical ceramics and thermostructural composites, they represent only a small market in comparison with functional ceramics. 16 Ceramic Materials 1.4.2. Functional ceramics Functional ceramics are characterized by their: – electrical properties: insulators (very often), semiconductors (often), conductors (less frequently) and superconductors (a scientifically exciting field, but whose industrial applications are yet to be explored at the time of writing); – magnetic properties: hard magnets (permanent magnets) or soft magnets (winding cores); the field of magnetic recording is among one of the most spectacular scientific and technical advances with enormous industrial stakes; – optical properties; – chemical properties: catalysis, sensors; – “nuclear” properties: fuels, moderators; – biological properties: biomaterials and prostheses; – monocrystals for varied uses, for example for ionizing radiation detectors. Unlike silicate ceramics, raw materials used for the preparation of non-silicate ceramics are generally synthetic powders and not mixtures of crushed rocks. But these synthetic powders can result from natural products, which the English terminology makes easy to understand by distinguishing between “starting materials” (for example, alumina powders) and “raw materials” (bauxite rocks, in this case, whose treatment by the Bayer process yields the alumina powders) [CAS 90]. Ceramic compositions offer in general a simple chemistry, but microstructural parameters are complex. 1.4.2.1. Oxide ceramics Alumina Al2O3 is by far the foremost basic compound for “technical ceramics”, because alumina exhibits exceptional versatility: abrasion, cut, friction and wear, refractory uses, electricity and electronics, optics, biomedical, jewelry and the list can go on and on [CAS 90]. Silica SiO2 is also a basic compound both for ceramists and glassmakers; the alumina-silica diagram has for ceramists the same importance as the iron-carbon diagram has for metallurgists. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 17 Magnesia (MgO) and spinel (MgAl2O4) are primarily used as refractory materials in the iron and steel industry. Zirconia ZrO2 (not to be confused with zirconium silicate, called zircon, ZrSiO4) is used in the ceramic colors, but also for ionic conduction, mechanical purposes or in jewelry. Uranium oxide UO2 is the basic constituent of nuclear fuels, if necessary, as a mixture with a little plutonium oxide PuO2 (the mixture gives MOXs, or “mixed oxide nuclear fuels”). Barium titanate BaTiO3 is dielectric or a semiconductor, depending on its doping and its stoichiometry. It is the basic material in the industry of ceramic capacitors and it is also used for the manufacture of various types of probes and sensors. Soft ferrites and hard ferrites or hexaferrites are important materials for magnetic uses. “Soft” ferrites are crystals with a spinel structure whose reference is magnetite Fe3O4; “hard” hexaferrites are crystals with a hexagonal structure, whose type is BaFe12O19. Almost all metallic oxides have uses in ceramics, for example yttrium oxide Y2O3, beryllium oxide BeO, zinc oxide ZnO, tin oxide SnO2, superconductive cuprates like YBa2Cu3O7, and others. Most ceramic oxides are electrical insulators, whose electronic conduction is very weak (major exception: superconductors), but whose ionic conduction can be remarkable (for example, zirconia); those oxides that are semiconductors are frequently extrinsic semiconductors, whose performances vary considerably with the nature of the doping agents and their concentration. 1.4.2.2. Non-oxide ceramics Carbides form the main category of non-oxides [MCC 83], the most important of which are silicon carbide SiC, which is a semiconductor, but whose chemical is essentially covalent, and tungsten carbides, whose name comes from a typically metallic band structure, which therefore exhibits high electronic conductivity: tungsten carbide WC is the main industrial material in this class, which includes many other compounds, for instance, titanium carbide TiC. Nitrides primarily include silicon nitride Si3N4 and aluminum and silicon oxynitrides, also called sialons, aluminum nitride AlN, and various metallic nitrides, including TiN. 18 Ceramic Materials Some borides have industrial applications, for example titanium diboride TiB2 or lanthanum hexaboride LaB6, and some boron compounds are conventionally classified among borides, including boron carbide B4C and boron nitride BN, a material which has three polymorphs, including two isostructural carbon polymorphs: graphite and diamond. Silicides are numerous, but only one of them presents great industrial interest: molybdenum disilicide MoSi2 (not to be confused with molybdenum disulphide MoS2), which is used for the manufacture of the heating elements of very high temperature electric ovens (1,750°C), in air. Halides, finally, are more model materials in the chemistry of solids than usable ceramics, even if some of them are used for their optical properties; some chalcogenides could also enter the field of ceramics. This list omits a class of materials that has not yet been mentioned, in spite of its importance: carbonaceous materials – diamond, graphite, and more or less crystallized carbons that are obtained by heat treatments of tar and pitch, not to mention carbon fullerenes and nanotubes, which have not yet actually reached the stage of industrial products. Although some carbonaceous materials are prepared from organic raw materials, the trend is to classify the materials themselves under inorganic products: we endorse the term black ceramics [LEN 92]. Whereas oxides are mainly electrical insulators, non-oxides equally include insulators (for example, Si3N4 and AlN), semiconductors (for example, SiC) and conductors (for example, “metallic” carbides and borides and carbon products other than diamond, of which graphite is the most important). 1.5. Ceramic structures and microstructures 1.5.1. Ceramic structures This discussion on the crystalline structure of ceramics presupposes that the reader is familiar with the basics of crystallography [BUR 90, GIA 85, HAH 89]. Most oxides and silicates have crystalline structures obeying Pauling’s rules for ionic crystals, where the ions of small size (generally cations) enter the interstices of big ions (generally anions). The three main rules relate to the coordination number of cations, the coordination number of anions and the coordination number of polyhedra. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 19 The cation coordination number (Nc): the geometry of the polyhedron of anions around a cation depends on the ratio R = rcation/ranion. The cation must be in contact with the anions. The ionic radius varies, for a given element, with the charge of the ion and its coordination number. The anion coordination number (Na): the geometry of the polyhedron of cations around an anion is such that the sum of the electrostatic attractions resulting in the anion is equal to the charge (p) of this anion. For Mq+ X p-: s = electrostatic attraction of the link = q/Na Σs = p The force of the link is obtained by dividing the charge of the cation by its coordination number: EXAMPLE 1.– NaCl: NaVIClVI: each Na+ at the center of an octahedron of 6 Cl- contributes + 1/VI = 1/6, therefore Na(Cl-) = 6. EXAMPLE 2.– SiO2: SiIVOII 2: each Si4+ at the center of a tetrahedron of 4 O2- contributes + 4/IV = 1, therefore Na (O2-) = 2. The linking of polyhedra: the stability of the crystal decreases if the cations are too close, it decreases; therefore a linking of the coordination polyhedra at the corners is more favorable than at their edges and, even more so than at their faces. Many ceramic compounds have structures that bring into play an appreciably compact stacking of anions with cations in tetrahedral (four neighbors) or octahedral (six neighbors) coordination (see Table 1.1). 20 Ceramic Materials Formula Cation: anion coordination Type and number of interstices occupied Compact cubic stacking Compact hexagonal stacking MX 6:6 4:4 All the octa. Half the tetra. NaCl, FeO, MnS, TiC ZnS blende, CuCl, AgI-γ NiAs, FeS, NiS ZnS würtzite, AgI-β MX2 8:4 6:3 All the tetra. Half the octa. Alternating layers with all the occupied sites CaF2 fluorine, ThO2, ZrO2, UO2 CdCl2 – CdI2, TiS2 MX3 6:2 1/3 of the octa. Alternating pairs of layers with 2/3 of the octa. occupied BiI3, FeCl3, TiCl3, VCl3 M2X3 6:4 2/3 of the octa. Al2O3 corundum, Fe2O3, V2O3, Ti2O3, Cr2O3 ABO3 2/3 of the octa. FeTiO3 ilmenite AB2O4 1/8 of the tetra. and 1/2 of the octa. MgAl2O4 spinel, MgFe2O4 inverse spinel Mg2SiO4 olivine Table 1.1. Coordination and stacking in a few typical structures The structures are varied and we will mention only five of the most important ones (MgO, ZrO2, BaTiO3, Al2O3 and diamond), before discussing the rudiments of the structure of silicates: – MgO is the example of oxides with NaCl structure (space group Fm 3m) with Mg in site 4a (0, 0, 0) and O in 4b (1/2, 1/2, 1/2); Ceramic Compounds: Ceramic Materials 21 – CaF2 (fluorine) and K2O (antifluorine) also crystallize in the space group Fm 3m, with Ca in 4a and F in 8c ± (1/4, 1/4, 1/4); zirconia ZrO2 and urania UO2 adopt this type of structure; – BaTiO3 adopts a perovskite structure, with the oxygen octahedra at the center of which are titaniums, linked at their corners and surrounding a perovskite cage occupied by the large barium. A “beads on rods” representation of this structure places titanium at the eight corners of the cube, oxygen at the twelve centers of the edges and barium at the center of the cube (or barium at the eight corners of the cube, oxygen at the six centers of the faces and titanium at the center of the cube). Cuprate superconductors frequently have structures based on the perovskite structure; – alumina defines the corundum structure where oxygens form a compact stacking with the hexagonal aluminum ions placed in two-thirds of the octahedral sites, which decreases the overall symmetry towards the rhombohedric space group R 3 c; – if it is true that most ceramics have iono-covalent bonds which lead to structures that reasonably obey Pauling’s rules, others are markedly covalent. This is the case with silicon carbide, whose structure is similar to that of diamond (or silicon). We can think of a giant covalent molecule, extended to the scale of a crystal: the network is cubic, face centered and the pattern is composed of two carbon atoms, one located at 0, 0, 0 and the other located at 1/4, 1/4, 1/4; – as regards the various silicates, the description of the structure depends on the manner in which the Si-O bond is modeled. The ionic model predicts a compact stacking of O2-, with Si4+ and the other cations that occur in the various interstices. However, most silicates do not have a compact stacking of O2- and the coordination numbers observed often violate the rules deduced from the rcation/ranion ratio: the ionic model is imperfect. The covalent model describes the Si-O bonds by bonding orbitals, which explains the tetrahedral coordination of silicon and the angles between the bonds are close to the theoretical value of 109.5°. But the covalent model stumbles on some hurdles and explains less well than the ionic model the chemical formulas of most silicates and the substitution of silicon by aluminum, which correspond to formal charges: Si4+, Al3+, O2-, etc. In fact, the Si-O bond is 50% ionic and 50% covalent, the structure of silicates having been described based on tetrahedra [SiO4]4- linked such that: i) the tetrahedra are linked at the corners, ii) a bridging oxygen is common only to two tetrahedra and iii) the formal charges of the ions are Si4+ and O2-. The sequencing of the tetrahedra makes it possible to classify the various silicates under six categories, based on an increasing degree of polymerization [PUT 92]: 1) tetrahedra isolated from one another, without bridging oxygens, Si/O ratio = 1/4, (for example, olivine Mg2SiO4); 22 Ceramic Materials 2) two tetrahedra forming a dimer, with oxygens bridging two tetrahedra, each tetrahedron having one bridging and three non-bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3.5; charge of the dimer: [Si2O7]6-, (for example, rankinite Ca3Si2O7); 3) single chain silicates, each tetrahedron having two bridging and two non- bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3; a chain with N links has a charge [SiO3]n 2n- (for example, enstatite MgSiO3); 4) double chain silicates, half of the tetrahedra with two bridging and two non- bridging oxygens (Si/O = 1/3) and other half three bridging and one non-bridging (Si/O = 1/(2.5): in total Si/O = 2/5.5 and the charge is [Si4O11]n 6n- (for example, anthophyllite Mg7Si8O22(OH)2, the OHs being independent of the tetrahedra); 5) silicates forming two dimensional layers, each tetrahedron with three bridging and one non-bridging oxygens: Si/O = 1/(2.5); charge of a layer [Si2O5]n 2n- (for example, minerals of clays and micas or talc: Mg6Si8O20 (OH)4, the OHs being here again independent of the tetrahedra); 6) lastly, silicates where the tetrahedra are linked at all their corners: four bridging oxygens per tetrahedron, Si/O = 1/2 (for example, quartz SiO2). Quartz is part, like diamond, of a covalent description where the molecule extends to the scale of the entire crystal, regularly in the three-dimensional space. In addition to this classification, we can observe that: – when Al substitutes Si in the tetrahedron, we must consider the (Al+Si)/O ratio: for example, plagioclase feldspars, which range from albite NaAlSi3O8 to anorthite CaAl2Si2O8, the (Al+Si)/O ratio always being 1/2; – Al is generally in a tetrahedral site, instead of Si, but can be in an octahedral

Ceramic Materials 1.1. Ceramics Defining what the term “ceramic” means is not simple, as there is no single definition on which everyone agrees; there are in fact various definitions depending on the point of view adopted. We can thus consider the points of view of a historian, a scientist (physicist, chemist, etc.), an engineer or a manufacturer. 1.1.1. Ceramics and terra cotta The concept of ceramics is historically related to the concept of terra cotta and pottery, from which the Greek term κεραμοσ derives. This vision refers to the soils, the crushed rocks, that is, the geological materials and it also highlights firing: ceramic art is the art of fire, even if the ceramist has his feet in clay… The potter chooses suitable soils, primarily clay soils, which in the wet state offer the plasticity required to model them in the desired form: cup, vase or statuette. Then the piece is dried and water loss makes it lose its plasticity, but rehydration would restore the clay’s initial properties. In fact, dried clay is not yet a ceramic, although it is utilized in the production of rudimentary bricks used in very dry countries – like Saharan Africa. It is in fact the firing that causes the irreversible Chapter written by Philippe BOCH and Jean-François BAUMARD. 4 Ceramic Materials physicochemical transformations resulting in a material that has lost its plasticity and is no longer capable of rehydration: ceramic. Terra cotta bricks or flower pots are examples of these products, whose visual appearance is not very different from dried clays, but whose mechanical resistance is much higher and, for which water- insensitivity constitutes an essential property. The identification between “ceramic” and “terra cotta” gathers together the basic concepts that we will continue to encounter throughout this book: powdery mineral raw materials [RIN 96], the shaping which is made possible by the plasticity of wet clay, the heat treatments which start by drying (reversible dehydration) and continue with firing (irreversible dehydration and permanent physicochemical modifications). We have not yet mentioned in the description a major characteristic that conditions the preparation techniques as well as the uses of ceramics: brittleness. The flower pot is hard (it can scratch a metal sheet) but is vulnerable to impact. This brittleness is a hydra with many heads, as it implies: i) lack of ductility and plasticity; ii) low toughness and therefore great sensitivity to the notch effect; iii) poor mechanical impact resistance, i.e. poor resilience; iv) vulnerability to differential expansions, therefore vulnerability to thermal shocks; v) mechanical tensile strength significantly lower than compression strength; vi) significant dispersion of the mechanical strengths in samples believed to be identical. But the hydra can be tamed and these drawbacks come with a set of qualities that make ceramics irreplaceable for innumerable applications. We must also point out that artists, historians or museologists often use the term “ceramic” as a noun rather than as an adjective: “a Greek ceramic…” meaning “a Greek ceramic vase…”. 1.1.2. Ceramics: physics, chemistry, science and materials engineering The definitions depend on the point of view adopted: – solid state physicists are particularly interested in the electronic structure of solids and their conduction properties [KIT 98]. It is therefore natural for them to classify solids – as they seldom speak about materials – in a ternary division: i) insulators ii) semiconductors and iii) conductors and superconductors. The term ceramic is rarely used, but when it is, it refers to oxides, whether they are insulators Ceramic Compounds: Ceramic Materials 5 or conductors, even superconductors like cuprates, which earned Bednorz and Müller the Nobel Prize [BED 86]; – solid state chemists attach particular importance to the nature of the bonding forces, by distinguishing three types of strong bonds (metallic bond, ionic bond and covalent bond) and various variants of weak bonds (like the Van der Waals bond) [JAF 88, WEL 84, WES 90]. Ceramics are therefore solids with essential bonds. However, solid state chemists usually reserve the term ceramics for polycrystalline materials, as opposed to crystals (monocrystalline) and glasses. Thus, a crystallized polycrystalline silica (SiO2) – for example, in the form of quartz – obtained by sintering (we will explain the meaning of this term a little further on) [GER 86] is regarded as a ceramic, but not the corresponding monocrystal (it is a crystal), or quartz glass – whose amorphous structure makes it unworthy of being qualified as a ceramic; – materials science adopts a ternary classification that distinguishes i) organic materials, ii) inorganic and metallic materials and iii) inorganic and non-metallic materials. The concept of ceramic compounds is extremely broad here, as it is synonymous with the third category of inorganic and non-metallic materials. Therefore, ceramic compounds include most minerals and rocks, i.e. almost the entire crust of our planet. It should be noted that this definition of ceramics shifts the problem to other definitions, including the exact meaning that must be given to the term metallic. Tungsten carbide (WC), for example, can be classified among ceramics, but it is an electronic conductor that physicists classify within the group of metallic solids; – materials engineering is an engineers’ science, and thus considers not only the chemical composition, structure and properties of solids, but also their method of preparation. It is therefore appropriate to split in two each of the three categories put forward by materials science and separate natural materials from synthetic materials. Organic materials are then differentiated into natural products (like wood) and synthetic products (like most polymers) – but under what can we classify plywood? Metallic materials distinguish the rare native metals (gold, sometimes copper) from all metals and alloys that are derived from industrial processes. Finally, inorganic and non-metallic materials, classify on one side minerals and on the other rocks and ceramics or, more exactly, the triplet: ceramics + glasses + hydraulic binders (cement and plaster are examples of hydraulic binders). All these definitions are useful and they are not mutually exclusive. It is advantageous, depending on the subject treated, to adopt a particular point of view – the vision of the physicist being undoubtedly preferable when we consider the electronic conduction properties of ceramics and the vision of the materials engineers being undoubtedly more relevant when we have industrial concerns. Now we will discuss the most widely used manufacturing techniques, as they help us to locate and define what we will mean by ceramics in this book. 6 Ceramic Materials 1.1.3. Powders; sintering We have said that brittleness is a predominant feature of ceramics – at least at normal temperatures, because at very high temperatures (typically above 1,000°C), a certain plasticity can be observed. Brittleness causes limitations in the uses of ceramics (it is advisable to avoid bulls in a china shop…), but it also induces restrictions in the production techniques applicable to ceramics. This opposition is most evident between metals and ceramics: – a metallic object is typically obtained in two stages: production of the material in the form of a semi-finished product (bars, sheets, wires, etc.), and then production of the object (body of a car or a bolt, etc.). The processing methods take advantage of the fact that most metals are sufficiently ductile and malleable to laminate them, to deform them plastically, to stretch them, etc. and that they are sufficiently soft to cut them, turn them, mill them, bore them, etc.; – the production of a ceramic object is not dissociated from the processing of the material: the potter does not cut his vase in an already consolidated ceramic preform! The firing of the wet clay rough shape solidifies the object in its final form while simultaneously allowing physicochemical reactions transforming the raw materials into ceramic phases. In most cases, the ceramist creates the object whilst working on the material that constitutes it. It is true that some metal parts are produced by foundry, a process where the processing of the material and preparation of the object are concomitant. But foundry is seldom applied to ceramics because of the high temperatures that would be required – as the melting points of ceramics are generally higher than those of common metals – and also because of its brittleness, which makes it necessary to avoid thermal shocks and differential expansions. All these limitations on the possible manufacturing processes explain why the basic technique for the preparation of ceramic parts is sintering, i.e. the transformation, using the mechanisms of atomic diffusion, of a powdery substance – a non-cohesive granular medium made up of loosely agglomerated particles, therefore without any marked mechanical properties – into a consolidated substance – a cohesive granular medium whose grains are strongly linked to one another, hence with strong mechanical properties of a solid and not the poor performance of a powder. We can give the example of a snowball, a non-cohesive material that we can throw at someone’s face without any risk of hurting that person, but which can be transformed into a block of ice, a cohesive material, which can hurt when thrown like a stone. The movements of matter (atomic diffusion) that allow sintering are activated thermally and it is only when the temperature is sufficiently high (typically 0.5 Tf to 0.8 Tf, where Tf is the melting point expressed in Kelvin) that sintering occurs at a usable speed. Snow is transformed easily into ice because, even in very cold areas, temperatures remain high in relation to melting, at 273 K. But for ceramics, where Tf generally exceeds Ceramic Compounds: Ceramic Materials 7 1,300 K and can exceed 2,500 K, sintering requires high temperature firing: that is why ceramics is an art of fire. We may note that sintering is the basic process for the preparation of ceramic parts, but it is also increasingly used for the manufacture of metallic objects (powder metallurgy). What is true for ceramics can be transposed, partly, to glasses and hydraulic binders: these three types of materials are interrelated and we can say that all three bring into play ceramic compounds. But if we consider that a ceramic object is made of ceramic compounds processed by ceramic techniques, we can differentiate these materials by the order in which the three fundamental steps of the process take place: powders (P), forming of the object (F) and heat treatments of drying and sintering (HT): – P→F→HT: the manufacture of a ceramic component starts from a powdery medium (P), continues with its forming (F), and then ends with the heat treatments (HT). The consolidation of the material is done during sintering, therefore during the high temperature treatment; – P→HT→F: the manufacture of a glass component also starts with the powdery medium (P), but this is followed by heat treatments (HT), which must result in melting, whereas the consolidation occurs at the end of the process, at the time of the solidification of the magma on cooling, therefore at the same time as the forming of the object (F); – HT→P→F: the use of hydraulic binders starts with heat treatments (HT) – for example the firing, at about 1,450°C, of a mixture of limestone and clay for the preparation of cement clinker – then the reactive powders (P) thus produced are formed (F) and consolidated at normal temperatures, due to chemical reactions. This differentiation of ceramics, glasses and hydraulic binders based on the order of operations P/F/HT is rather simplistic, as it refers only to the most common cases. In fact, some ceramics are prepared by other sequences than the P→F→HT trio, some glasses are fashioned by sintering, and there are other exceptions, some of which will be discussed in detail in this book. However, the classification suggested is sufficiently relevant to be retained here, which implies that this volume on ceramics does not consider either glasses [ZAR 82] or hydraulic binders [BAR 96, TAY 97], these materials being studied in separate books. A logic emphasizing “the scientific aspects” rather than “the technical and industrial aspects” could have, on the other hand, justified combining the three categories of materials. The distinction made here between industrial ceramics and glasses lies in the method of preparation, not in the difference between crystalline solids and amorphous solids. In fact, some ceramics are mainly made up of vitreous (amorphous) phases, whereas vitroceramics are obtained by crystallizing a glass (devitrification). 8 Ceramic Materials 1.1.4. A few definitions In the reference work on ceramics [KIN 76], the authors place “the art and the science of ceramics in the production and use of objects formed of solids, whose essential components are inorganic and non-metallic materials”. This definition includes not only potteries, porcelains, refractory materials, terra cotta products, abrasives, sheet enamels, cements and glasses, but also magnetic non-metallic materials, ferroelectric materials, synthetic monocrystals and vitroceramics, not to mention “a variety of other products that did not exist a few years ago and the many others that do not yet exist…”. Kingery et al. stress that this definition largely exceeds terra cotta products consolidated by firing, to which the Greek term κεραμοσ refers, just as it exceeds the definitions given by most dictionaries – but our Petit Larousse is apt, defining the adjective “ceramic” as “relating to the manufacture of potteries and other terra cotta objects (including earthenware, stoneware, porcelain)” but also “ceramic material or ceramic: manufactured material that is neither a metal nor an organic material”. Kingery et al. adopt a scientific approach, which considers compounds rather than materials and thus includes glasses and cements among ceramics, but they do not make the jump to natural materials, since they mention only synthetic monocrystals, and yet the quartz that man has synthesized to cut out small piezoelectric resonators that form the heart of modern watches is a twin of the natural rock crystal. In the Dictionary of Ceramic Science and Engineering [OBA 84], we find a rather restrictive definition of ceramics: “Any inorganic and non-metallic product prepared by treatment at temperatures higher than 540°C (1,000°F) or used under conditions implying these temperatures, which includes metallic oxides and borides, carbides, nitrides and mixtures of these compounds”. We will see that kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4 – which is the main mineral of clays, hence the name kaolin given to some clays rich in kaolinite – undergoes irreversible reactions that transform it into metakaolinite when it is fired above approximately 500°C, which could justify the temperature of 540°C selected in the definition used to make the distinction between dried earth and terra cotta. In the Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials [BRO 91], which presents the common viewpoint held in Europe, we can distinguish materials and processes: – ceramic materials are based on inorganic non-metallic compounds, primarily oxides, but also nitrides, carbides, silicides; they must contain at least 30% of crystallized phases in volume; they exhibit a fragile behavior, with a stress-strain curve that obeys Hooke’s law of linear elasticity; Ceramic Compounds: Ceramic Materials 9 – ceramic processes bring sintering primarily into play, at temperatures higher than 800°C. We will now pause the study on the definitions of the word “ceramic”, which was necessary to bring to light some of the keywords that we will find throughout this book (non-metallic inorganic compounds, mineral powders, heat treatments and sintering, brittleness, etc.) and also to justify the differences that arise from the variety of possible points of view. If we propose our own definition, it could be the following: ceramic materials are synthetic materials, mainly composed of ionocovalent inorganic phases, not fully amorphous, and generally consolidated by the sintering at high temperatures of a powdery “compact” formed into the shape of the desired object, the starting powders being frequently prepared from crushed rocks. We do not think it necessary to define a threshold for the sintering temperature; it is important, with the development of composites, to suggest that besides inorganic phases, minority organic phases can occur; the existence of interesting ceramic materials with electronic conduction means that the reference to the iono-covalent character of the bonds does not exclude a partially metallic nature; lastly, it is necessary to insist on the closeness between the world of ceramics and that of minerals and rocks. If we were to expand this idea, we could affirm that “ceramics are synthetic rocks”. 1.2. Ceramic compounds Defining a ceramic compound as a non-metallic inorganic compound is a paradoxical choice, because it supposes that the concept of metal is sufficiently unambiguous to serve as basis for clarifying its antonym. However, confusions are frequent here, and are aggravated by the fact that ceramic compounds are metallic- non-metallic compounds, which we shall now study in detail. 1.2.1. Chemistry of ceramics Metallic elements form a majority among the elements of the periodic table. We know that these elements are located on the left of this table, and are therefore electropositive elements – which tend to lose electrons to yield positively charged cations. Non-metallic elements, sometimes denoted by their old name metalloids, are located on the right of the table: they are electronegative and tend to capture electrons. The ionic bond is illustrated by the attractions that develop between a metal, sodium, and a non-metal, chlorine, to create sodium chloride NaCl – also written as Na+Cl-. 10 Ceramic Materials Oxygen, a non-metal, is the most abundant element in the 45 km-thick Earth’s crust (approximately 47% in mass) [EMS 95]; then comes an element at the border between metals and non-metals, silicon (≈ 28%), and then metallic elements, particularly aluminum (≈ 8%) and iron (≈ 4%). Aluminum and iron are the most widespread metals – if we reason in terms of elements, but in a world rich in oxygen, almost all metals tend to oxidize, so that only noble metals remain in the native state, more stable than their oxides: we can find in the soil a few gold nuggets and a little native copper, but never blocks of aluminum or iron; in other words, we do not find in an isolated state materials whose constitutive elements are so abundant. Let us remind ourselves that we left the Stone Age only a few thousand years ago to reach the Bronze Age and then the Iron Age; that it was only in 1824 that Berzelius isolated silicon and in 1825 that Oersted isolated aluminum. In short, it is obvious that the reduction towards the constitutive metal of very stable metallic oxides – their enthalpies of formation are several hundred kilojoules per mole – is a difficult process. The essentially iono-covalent, non-metallic compounds that constitute ceramics are compounds formed between metals and non-metals. The opposition – the word is not too strong – between a metallic material and a metallic oxide can be illustrated by the comparison between a metal, aluminum, and its oxide, Al2O3 (alumina in English, where oxides are named by adding the ending “a” to the name of the metal: aluminum/alumina, silicon/silica, magnesium/magnesia, uranium/urania, etc.): – aluminum melts at low temperatures (660°C); it is an excellent conductor of electricity and heat, opaque to visible light, soft and very ductile, its modulus of elasticity is low (one-third that of steel) and it is vulnerable to the aggressions of multiple chemical reactants; – alumina melts at high temperatures (2,050°C); it is one of best known electrical insulators and a poor heat conductor; it is transparent to visible light, very hard but brittle, its modulus of elasticity is high (double that of steel) and it resists most aggressions of chemical reactant: in particular, it is perfectly stable in an oxidizing medium, as it “is already oxidized”. This comparison brings to light the fact that metals and metallic oxides exhibit different, even opposite, characteristics. Regarded as compounds formed between metals and non-metals, ceramics can therefore be classified with reference to the non-metal that is involved in the bond. The abundance of oxygen is such that the largest share belongs to oxides, while within these oxides, the abundance of silicon privileges silicates – which combine oxygen and silicon. Besides oxides, we find carbides and nitrides (the non-metals being respectively carbon and nitrogen), as well as borides, silicides (not to be Ceramic Compounds: Ceramic Materials 11 confused with silicates), even halides (chlorides, fluorides, iodides, etc.), sulphides, etc. However, another separation distinguishes silicate ceramics and non-silicate ceramics [CER 99]. 1.2.2. Silicate ceramics and non-silicate ceramics The abundance of oxygen, silicon and aluminum implies that the Earth’s crust consists predominantly (more than 97%) of silicate minerals, particularly aluminosilicates. Granite, for example, is a rock made up of quartz (the usual crystallized form of silica SiO2), feldspars (for example potassic feldspar KAlSi3O8) and various micas-aluminosilicates containing iron, magnesium or sodium; clay is a rock that always contains a high proportion of the mineral kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4, etc. We can mention here a practice of ceramists that can lead to confusion: they write chemical formulas of oxide compounds as if they were elementary mixtures of oxides and not compounds: KAlSi3O8 is written as K2O-Al2O3-6SiO2 and Al2(Si2O5)(OH)4 is written as Al2O3-2SiO2-2H2O. This does not obviously mean that potassic feldspar is an agglomerate of the oxide of potassium, aluminum and silicon, and that kaolinite is a mixture of alumina, silica and water. A common error is therefore to think that the high proportion of aluminum in the soil, which is the reason behind the frequent occurrence of “alumina” in the writing of the constitution of minerals, makes this alumina a common mineral: this is not the case, as can be testified by the fortunate but rare owners of the main gem whose chemical composition is Al2O3: sapphire! Since the Earth’s crust is primarily made up of silicates, we can understand why all ceramics that come close, by near or by far, to terra cotta are silicate materials. Silicate ceramics form, in tonnage, the majority of the world of ceramics. They are often described as traditional ceramics, a term which we do not endorse because it may be understood as opposed to progress and technical improvements – whereas many silicate ceramics are sophisticated materials – but which is justified by history: it was only at the end of the 19th century that non-silicate ceramics came to the scene, with specific uses that explain their other name, technical ceramics. Our choice here is to use “silicate ceramics” and “non-silicate ceramics”, rather than opposing tradition and advanced technology. We may note that almost all industrial glasses and cements are also silicate compounds. 12 Ceramic Materials 1.3. Silicate ceramics If we consider industrial products, and forget for the moment glasses and cements, the world of silicate ceramics (see Chapter 4) consists of the usual products: – terra cotta products, the most important of these being bricks and tiles, sometimes known as red products because of the color that they owe to the iron oxides they contain; – ceramic tiles; – sanitary ceramics; – tableware: colored, opaque and waterproof sandstone, often colored, opaque and porous earthenware, but generally covered with a waterproofing enamel – sometimes well, sometimes badly when it is cracked, but the esthetic quality is then enhanced – white, translucent and waterproof porcelain; white, opaque and waterproof vitreous objects; – technical ceramics, for example porcelains for electric insulation or porcelains for resistance to chemical attacks; – bioceramics (dental prostheses, etc.); – certain refractory materials, which serve as protection or insulation elements within devices that must function at high temperatures (lining of chimney hearths, etc.); – enamel sheets, to cover and protect steel sheets that are part of our refrigerators and washing machines. These enamel sheets are too often forgotten in works dealing with ceramics and glasses – but as these enamels are primarily amorphous and prepared by melting, it is better to classify them among glasses than among ceramics; – silica products – but it is common practice to classify them among technical ceramics, therefore paradoxically, to exclude them from silicate ceramics. Though non-exhaustive, this list shows the variety of the products involved. As regards the composition on the one hand, and the raw materials brought into play on the other, a silicate ceramics can be located primarily in a ternary diagram: – by adopting the conventional writing in the form of “mixtures” of elementary oxides, the composition of most silicate ceramics is in the pseudo-ternary diagram SiO2-Al2O3-MxOy, where MxOy is an oxide like Fe2O3, K2O, Na2O, MgO, TiO2, etc. The natural abundance of the element iron explains, as we have seen, the red, brown and yellow coloring of a number of silicate ceramics, where the degree of oxidation of iron (Fe3+: ferric-iron or Fe2+: ferrous

“exhaustiveness” coverage of the world of ceramic materials, if only because this subject covers such a wide area that only one book would not be able to do it justice – even if it is supplemented by a book dedicated to ceramic composites and by several volumes devoted to the cousins of ceramics, namely glasses, cements and concretes, and geomaterials. However, we believe that this problem can also be an advantage, because it resulted in the production of a concise work that provides the essence of the subject. In fact, initially this book was written for non-ceramists – students and engineers – interested in an introduction to the knowledge of this vast family of materials, in other words, for readers whose interests are not limited only to ceramics but for those who are aware that ceramics can act as a support (often) or as a rival (sometimes) to other materials. The necessity of concision has led to some restrictions. We have eliminated recapitulations, for example, thermodynamics or crystallography; we have not discussed materials that seemed far from the interests of our potential readers, such as monocrystals (jewelry and technical uses), ceramics for chemistry (catalysis and filtration), or superconductive oxides; finally, we have not dealt with “black ceramics” (graphite and carbons) or with deposits of diamond or hard carbon. As regards the division of this book into two parts, our choice was to devote the first part to the fundamentals of materials and processes and to devote the second to properties and applications. An essential difference between metals and ceramics lies in the fact that, for the former, there is generally a separation between the industry that produces the material (for example, in the form of sheets) and the industry that manufactures the part (for example, the car body structure), while, for the latter, it is the same ceramist who is in charge of manufacturing, almost simultaneously, both the material and the part. xvi Ceramic Materials This explains why, in Part 1, we have given an important place to production processes: raw materials, processing of powders, forming and, finally, sintering (Chapters 1, 3 and 5). Being materials older than metals and materials that had experienced unequalled aesthetic and technical successes before metals (the porcelains of China), ceramics become more interesting, even in their latest forms, when observed from a viewpoint that does not exclude history. We have therefore presented ancient ceramics (Chapter 2), as well as silicate ceramics – ceramics that are wrongly described as “traditional”, a term which could conceal the permanent innovations that they undergo (Chapter 4). “Technical ceramics” (to use another commonly used term) are mainly oxides (Chapter 6), but non-oxides (chapter 7) have recently experienced a number of developments. The presentation of the main compounds – oxides and non-oxides – throws light on the characteristics and therefore the potential uses of the corresponding materials, which opens the way to the second part devoted to properties and applications. In Part 2, Chapter 8 describes the mechanical properties of ceramics by emphasizing the specificities of these materials. The fields of abrasion, cutting and tribology highlight the importance of mechanical properties, cermets (Chapter 9) here bridging the gap between the world of CERamics and the world of METals. Refractories (Chapter 10) widen the requirements by combining mechanical stresses, the effects of high temperature and severe chemical aggressions. It is not just structural materials which require satisfactory mechanical properties; functional materials are also demanding: broken spectacles no longer correct vision and henceforth manufacturers of spectacles work mainly to obtain better resistances to scratches rather than fine-tuning optical performances! We have therefore given functional ceramics their due, and particularly ceramics for electronics (Chapter 11) which represent the bulk of “technical ceramics”. Bioceramics (Chapter 12) also illustrate the complementary nature of structural performances and functional performances: high mechanical properties are required but these should not enter into conflict with biocompatibility. If necessary, these must even disappear from the pedestal of bone reconstruction; this richness and complexity in behavior could not be ignored. France is one of the largest electronuclear countries and the nuclear world is the perfect example for the interlacing of questions and answers that a ceramist could encounter: this forms the subject matter of Chapter 13. Preface xvii Lastly, chemistry forms a basic discipline for ceramists, particularly when it requires making materials as demanding as materials in optical applications: Chapter 14 describes the contribution of “soft chemistry” with the help of sol-gel methods. Ceramics show that diversity and unity are not contradictory. The compounds are multiple, the applications are varied, the properties brought into play are different, even contradictory – ceramic oxides range from superconductors to the best electrical insulators. However, the chemistry of the systems brought into play, the nature of the interatomic bonds and, from the engineer’s view point, the production processes serve as the connecting point. Naysayers could suggest that there is another common point (and which, worse, is a weak point): brittleness. It is true (except at high temperatures where it is creep that poses problem), but I believe our readers are informed enough to understand that the term “brittle” (in the meaning of “non-ductile”) is a bad quality only for those who do not understand its profound significance. As Chapter 8 shows, brittleness is a hydra that can be controlled and, moreover, it is the price to be paid for high modulii of elasticity and high hardness. The horizontal vision (materials science and materials engineering) of the Anglo-Saxons offers the advantage of including within a single vast landscape metals, polymers and ceramics – a term then understood in its broadest meaning of “non-metallic inorganic solids”. In this vision, the varied characteristics of materials are less seen as “strong points” or “weak points” than as givens, admittedly often exclusive of each other, but the comparison of usage specifications makes it possible to select them as effectively as possible. Having begun my scientific career with the study of metals and continuing to cooperate with metallurgists, surrounded by polymerist colleagues, then having become a ceramist and now particularly interested in cementing materials, filled with wonder for minerals – they are beautiful and efficient and show all that we can achieve if we had enough time and if we could work more easily under high pressures – I am persuaded that it is by comparing materials with one another that we can best understand them. I hope that this book on ceramics becomes the tree that does not hide the forest. Philippe Boch At the time where the French version of this work would have to become the English version, Philippe had to leave us on the bad side of the forest. I became in charge of the tree. Philippe, the English version of your book on ceramics is now ready; I hope it is faithful to that you wished and that the tree is now on the right side of the forest. Jean-Claude Niepce

اندازه گیری PH خاکها به وسیله کاغذ PH و PH متر وسایل آزمایش: 30 گرم خاک _ 50 الی 60 سی سی آب مقطر _ شیشه مربا _ قاشق _ دستمال_ کاغذ PH _ PH متر خاک مورد آزمایش : آلومینا تئوری آزمایش : Soil PH : the soil PH measures active soil acidity or alkalinity. A PH of 7 is neutral. Values lower than 7.00 are acid. Values higher than 7.00 are alkaline. Usualy the most desirable PH range for mineral soils is 6.00 to 7.00 & for organic soil 5.00 to 5.50 . Factors affecting the measurement of soil PH: Because the soil PH measure varies widely with the method of preparation of given soil , the details of the preparation procedure must be carefully specified with any soil PH data. In the preparation of the soil system , the principal variables that affect the PH measurement are the soil water content used , drying of the soil sample in the preparation , the content of soluble salts , the content of co2 as influenced by season or drying , the amount of grinding given the soil < and the field variation from core to core. ( which is the best handled by composite sampling ) _ measurement of the PH samples direchy in the field moist condition maybe considered the most valil in the existing soil biological environment. _ measurement of air-dried soil samples is the most convenient & generally used, & perhaps could be considered the standard procedure. There is reason to believe that certain soil chemical reaction are hastened by the drying process & that dried samples are therefore more nearly at equilibrium . wether dried or field moist samples were employed for the soil PH . Determination should be stated with the tabulated data. Effect of soil water content : In general , the more dilute the soil suspension , the higher soil PH value found , whether the soil is acid or alkaline. The rise in soil PH with dilution , from the sticky points to a soil : water ratio of 1:10 is usually of the order of 0.2 to 0.5 PH unit , but maybe 1 or 2 PH units incertain neutral & alkaline soils. Since the soil is near field condition , use of such moisture contents sometimes been advocated. روند آزمایش: 30 گرم خاک را در شیشه مربا ریخته و حدود 50 الی 60 سی سی آب مقطر به آن اضافه می کنیم و با قاشق هم می زنیم تا دوغاب یکنواختی حاصل شود. _ می توان به خاک بنتونیت و خاکهایی که پلاستیسیته بالای دارند و در نتیجه جذب آب بالایی دارند مقدار آب بیشتری اضافه کرد. _ آب مقطر به این دلیل که در آب شهری ممکن است املاح موجب شود که PH آب دقیقا برابر 7 نباشد و آب اسید باشد. و این موضوع باعث این می شود که PH خاک دقیق محاسبه نشود. _ خاکهای غیر رسی ته نشین می شوند در نتیجه باید تا زمانی که می خواهیم PH را اندازه گیری کنیم به هم زدن ادامه دهیم. اندازه گیری PH با کاغذ PH : کاغذ PH را داخل دوغاب کرده و بیرون می آوریم و مدتی صبر می کنیم تا کاغذ PH تغییر رنگ دهد. حالا 4 رنگ حاصل شده که هر کدام را با نمودار روی جعبه کاغذ PH تطبیق دهیم به ما PH را می گوید. 4 رنگ برای دقت بیشتر است. اندازه گیری PH با PH متر: دستگاه PH متر یک روش دقیق برای اندازه گیری PH است. برای استفاده از دستگاه ابتدا باید دستگاه را به طریق زیر کالیبره (تنظیم) کرد تا خطای اندازه گیری دستگاه به صفرمیل کند. ابتدا دستگاه را روی دما گذاشته و دمای آزمایشگاه که توسط دماسنج آزمایشگاه اندازه گیری شده را برای دستگاه تعیین می کنیم. حال دستگاه را روی PH قرار می دهیم. 3 محلول استاندارد که از قبل تهیه شده را داریم. سنسور دستگاه که سر شیشه ای آن می باشد را داخل محلول استاندارد قرار می دهیم و دکمه کالیبر را طبق PH محلول استاندارد تنظیم می کنیم. بار دیگر سنسور را داخل محلول استاندارد با PH دیگری قرار داده و این بار با دکمه slop طبق PH محلول دستگاه را تنظیم می کنیم. البته این نکته باید ذکر شود که هر بار که سنسور را از محلولی بیرون می آوریم باید آنرا با آب مقطر بشوییم و با دستمال کامل خشک کنیم. مهم ترین قسمت دستگاه PH متر سنسور شیشه ای آن است که برای محافظت آنرا در داخل محلول KCL نگه می داریم. بحث و نتیجه گیری : گروه خاک PH با کاغذ PH PH با PH متر 1 2 3 آلومینا 10 9.89 4 PH در مواقعی کاربرد دارد که با دستگاه هایی کار می کنیم که بدنه های آنها حساس است و باید PH خاکهای مورد استفاده را بدانیم. مثلا یک سری خاکها اسیدی هستند و اگر بدنه دستگاه از فلز حلال در اسید باشد نمی توان از این نوع خاک در این دستگاه استفاده کرد. و همچنین برای ظروفی که در داخل آن دوغاب درست می کنیم نیز این نکته می تواند حائز اهمیت باشد. خطا های آزمایش : خطای چشم در تعیین رنگ کاغذ PH خطای ایجاد شده توسط آب در صورتی که آب مقطر نباشد یا PH آب خنثی نباشد. خطای دستگاه PH متر مخصوصا در صورتی که خوب کالیبره نشده باشد. خطای دوغاب در مواقعی که ته نشین می شود . در این حالت ممکن است قسمت های مختلف PH های مختلف داشته باشد. ( اگر دوغاب را خوب هم نزنیم و همگن نشود و یا خاک و آب از هم جدا شوند.) منابع : www.ebook.ir www.wikipedia.com www.google.com

پرس تک محوری پودر های رسی و غیر رسی به صورت قرص وسایل آزمایش : پودر بدنه رسی آماده شده در آزمایش قبل , پودر غیر رسی (مانند آلومینا ) , قالب فولادی , دستگاه پرس هیدرولیک , هاون , ترازو با دقت 0.01 , کولیس , الک , روغن بزرک , آب , الک روند آزمایش : ابتدا قطعه ساخته شده در ازمایش قبل را در هاون کوبیده و از الک 50 مش عبور می دهیم. حدود 30 گرم خاک احتیاج داریم. سپس باید به این خاک 7% آب اضافه کنیم . برای 30 گرم خاک با یک تناسب می فهمیم که باید 2.1 گرم آب اضافه کنیم. هنگامی که آب را اضافه کردیم دوباره آنرا در هاون ریخته و می کوبیم تا آب در همه ی قسمت های خاک پخش شود و مرطوب گردد. حال دوباره از الک 50 مش عبور می دهیم تا دانه بندی ها ی آن یکنواخت شود. در این حالت گرانول هایی داریم که ذرات کنگره دار به صورت ذرات کروی در این گرانول ها در آمده اند. قالبی داریم که از 3 قطعه تشکیل شده است.یک استوانه تو خالی و 2 پانچ دارد.یکی پانچ بالا و دیگری پانچ پایین. ابتدا همه ی قسمت های داخلی قالب را توسط روغن بزرک چرب می کنیم. حال پانچ پایین را قرار داده و استوانه تو خالی را روی آن قرار می دهیم. و گرانول ها را داخل قالب می ریزیم. و پانچ بالایی را روی آن قرار می دهیم. حال باید قالب را در مرکز دستگاه پرس قرار دهیم و پرس را در 2 مرحله انجام دهیم.برای جلوگیری از حبس هوا ابتدا نیمی از فشار را به مدت 5 ثانیه وارد کرده و پس از آزاد سازی فشار نهایی را اعمال می کنیم.پس از خارج کردن قطعه ارتفاع آنرا از 4 نقطه اندازه می گیریم.و همین طور قطر آنرا نیز توسط کولیس اندازه گیری می کنیم . حال باید قطعه را وزن کنیم . وزن قطعه = 29.29 29.29 / x = 32.1 / 30 طبق محاسبات بالا 27.4 گرم پودر به صورت خالص داشتیم ( با کسر وزن آب) همچنین فشاری که به قطعه هنگام پرس وارد می شود باید محاسبه گردد . چون فشاری که داریم روی قطعه ابتدا به قطعه ای با قطر بزرگ تر وارد می شود و سپس به قطعه منتقل می گردد. F1 = P1¬ . A1 P2 = F1 / A2 = P1 . A1 / A2 = P1 ( d1¬ / d2 )¬¬¬¬ 2 ¬¬¬¬¬¬¬¬ Log ρ = ρ0 + K log p نمودار بالا 3 قسمت دارد: قسمت اول که ابتدای نمودار است قسمتی است که گرانول ها فقط کمی لغزش پیدا کرده و کمی تغییر شکل می دهند. قسمت دوم که دارای شیب زیادی است ناحیه ای است که فشار بیشتر شده و گرانول ها می شکنند. و تخلخل بین گرانوله ای پر می شود. قسمت سوم خود دانه های داخل گرانول روی هم می لغزند و تغییر فرم می دهند. قسمت دوم مهم ترین قسمت است و بیشترین تراکم رخ می دهد. فشار وارده در این قسمت حدود 50 الی 100 پاسگال است. محاسبات: P = 5 . 106 .( 75 / 51 )2 شعاع بزرگ = 75 = d1 d 2 = 51 p = 0.1081 . 106 log p = 7.03 log ρ = 3.28 با توجه به نمودار بالا : K = 0.4055 3.33 – 0.4055 . 7.03 = 0.5142 = ρ0 نتایج سایر گروه ها : دانسیته قطعه خشک وزن قطعه مرطوب ارتفاع نمونه قطر قالب فشار روی نمونه فشار گروه 51.42 28.84 7.8 50.8 6.54 30 1 47.9 29.29 6.7 51 10.81 50 2 44.1 28.61 7 51 11.16 60 3 40.4 31.5 7 51 17.3 80 4 34.4 28.4 7 50.9 19.54 90 5

مواد لازم جهت ازمایش: خشک کن-انبر-شیشه مربا-خاک(کربنات کلسیم)-ترازو با دقت یک صدم گرم-دسیکاتور. دسیکاتور: هدف ازمایش: در این ازمایش باید بتوانیم میزان خاکی را که برای دسترسی به میزان مشخصی خاک خشک مورد نیاز با توجه به درصد رطوبت خاک تعیین کرده و از صرف زمان و هزینه اضافی بکاهیم. "اندازه گیری رطوبت خاک" در اندازه گيري رطوبت توسط دستگاه نوترون متر لازم است ابتدا دستگاه را واسنجي نمود . البته دستگاهها در كارخانه سازنده واسنجي مي شوند ولي بهتر آن خواهد بود كه با توجه به نوع خاك منطقه دستگاه را تنظيم نموده و رابطه بين درصد رطوبت و تعداد نبضهاي اندازه گيري شده در هر دقيقه را به صورت منحني يا معادله به دست آورد . براي اين منظور در هر اندازه گيري ابتدا تعداد تپ هاي الكتريكي قرائت شده و سپس از منطقه كره تاثير نمونه خاك را برداشت كرده و به روش جرمي رطوبت آن سنجيده مي شود . پس از چندين اندازه گيري در رطوبت هاي مختلف امكان به دست آوردن معادله يا منحني واسنجي وجود خواهد داشت . منحني واسنجي دستگاه نوترون متر غالبا به شكل خط مستقيم مي باشد كه معادله آن به صورت زير است . معمولا قرائت استاندارد در همان محل اندازه گيري و در وضعيتي كه ميله نوترون متر هنوز از داخل محفظه خود خارج نشده است به دست مي آيد . بدين ترتيب كه با روشن كردن دستگاه و انجام شمارش در همان دوره زماني استاندارد يك دقيقه صورت گرفته و عدد به دست آمده به عنوان شمارش استاندارد در نظر گرفته مي شود . توصيه مي شود قرائت استاندارد ، يك بار قبل از آزمايش و بار ديگر پس از آزمايش تعيين و ميانگين آنها در محاسبات لحاظ شود . پس از به دست آوردن قرائت استاندارد ميله از داخل دستگاه بيرون آورده شده و در داخل خاك در موقعيت مورد نظر ، شمارش نوتروني صورت مي گيرد ... با توجه به آنچه گفته شد ملاحظه مي شود كه دستگاه نوترون متر از نظر سرعت كار بر ساير روشها ارجحيت دارد ولي نبايد از نظر دور داشت كه گران بودن دستگاه خطرات احتمالي ناشي از نشت تابشهاي راديواكتيو از معايبي است كه بر اين روش گرفته مي شود . از نظر حفاظتي ميله دستگاه كه چشمه راديواكتيو در آن قرار دارد در وضعيت معمولي در داخل محفظه پر از پارافين قرار مي گيرد و لذا خطرات نشت تابش از آن بسيار اندك است . البته اين امر خود باعث سنگيني دستگاه مي شود كه يكي ديگر از معايب آن به شمار مي رود . دستگاه تابش گاما : يكي ديگر از روشهاي تابشي براي تعيين رطوبت خاك استفاده از دستگاههايي است كه تابش گاما را به داخل خاك گسيل مي دهد . اگر نمونه اي از خاك را انتخاب و از يك طرف تابش گاما وارد آن كنيم ، خاك باعث مي شود كه از شدت تابش كاسته شود . اگر در طرف ديگر نمونه شدت تابش را اندازه گيري كنيم ملاحظه خواهد شد كه از مقدار آن كاسته شده است . كاهش شدت تابش بستگي به دانسيته و رطوبت خاك و فاصله اي دارد كه تابش در خاك طي مي كند دارد و اگر دانسيته خاك ثابت باقي بماند مي توان گفت كه تغييرات شدت تابش بستگي به رطوبت خاك دارد . از مزاياي روش رطوبت سنجي با تابش گاما اين است كه بر خلاف روش نوتروني كه در آن متوسط رطوبت خاك در حجم كره اي به شعاع تقريبي 20 سانتي متر اندازه گيري مي شد ، با اين روش مي توان رطوبت را در هر مقطعي از خاك تعيين كرد . البته اين روش بيشتر در كارهاي تحقيقاتي استفاده شده و كاربرد آن در كارهاي صحرايي كم است. در روش رطوبت سنجي گاما معمولا از يك چشمه راديواكتيو 25 ميلي كوري سزيوم 137 استفاده مي شود كه انرژي آن كم و در حدود 661/0 ميليون الكترون ولت است . چشمه راديواكتيو در داخل محفظه سربي قرار گرفته است تا در حالت عادي خطرات ناشي از آن به حداقل برسد . پس از آنكه تابشهاي توليد شده توسط چشمه از داخل خاك عبور كرد در طرف ديگر به وسيله حساس تابشهاي مستهلك شده را دريافت و ثبت مي نمايد . بلوك گچي - يكي ديگر از روشهاي ساده براي اندازه گيري رطوبت خاك: بلوك گچي : يكي ديگر از روشهاي ساده براي اندازه گيري رطوبت خاك استفاده از قالب يا بلوكهاي گچي است كه به نام بلوكهاي مقاومت نيز معروفند . براي ساختن بلوك گچي قالب مكعبي شكل به ابعاد 5/1*3*4 سانتي متر را تهيه كنيد ، سپس دو قطعه تور سيمي از فولاد ضد زنگ به ابعاد 2*1 سانتي متر انتخاب كرده و به هر كدام يك سيم را لحيم كنيد . اين صفحات را كه الكترود مي ناميم به فاصله كمي از هم به طور موازي در داخل قالب قرار دهيد و با قاب يا بست پلاستيك آنها را محكم كنيد . پس از آماده شدن قالب و الكترودها گچ دندان پزشكي را به نسبت 1 به 1 با آب مقطر مخلوط كرده و خوب به هم زده و آن را يك دفعه اما به آرامي داخل قالب بريزد . با ضربه زدن به قالب سعي كنيد هواي محبوس شده را خارج كنيد . پس از آن گچ به اندازه كافي سفت شده و مي توان آن را از قالب خارج كرد . بلوكها را حداقل به مدت يك شبانه روز در سايه خشك كنيد آنگاه آنها را داخل آب قرار دهيد تا به مدت 5/0 ساعت اشباع شوند و در همين وضعيت مقاومت دو سر الكترود را با دستگاه مقاومت سنج اندازه گيري كنيد ، اگر عدد قرائت شده در بعضي از بلوكها از 5 درصد متوسط قرائت ها تجاوز كرد از آنها استفاده نكنيد . بلوكهاي آماده شده را داخل خاك گلدان قرار داده و پس از آبياري مقاومت را در زمانهاي مختلف اندازه گيري كرده و همزمان با برداشت نمونه رطوبت خاك را به دست آوريد . با رسم منحني تغييرات مقاومت بلوك و درصد رطوبت خاك بلوكها واسنجي مي شوند . حال اگر اين بلوكها را در خاك نصب كنيم كافي است فقط مقاومت را اندازه گيري كرده و از روي اين منحني ها مي توان درصد رطوبت خاك را به دست آورد . در هنگام آزمايش بلوكهاي گچي پس از آنكه آنها را داخل آب قرار داديد تفاوت قرائت بلوكها نبايد از 50 اهم بيشتر باشد . در اينصورت بلوكها يكنواخت نخواهد بود . اگر قرائت بلوكها در داخل آب همگي صفر باشند ايده آل است اما اگر قرائت ها اعدادي تا حدود 400 اهم را نشان دهند باز هم مي توان با اعمال ضريب اصلاحي از آنها استفاده كرد ولي اگر قرائت بلوك در آب بسيار زياد بود حتما توصيه مي شود كه از آن استفاده نشود . در حد ظرفيت زراعي بايد قرائت بلوك حدود 500 تا 600 و در حد پژمردگي 50000 تا 75000 اهم باشد . البته بلوك گچي بايد قادر باشد تا مقاومت 1000000 و 200000 اهم را هم اندازه گيري كند . براي جلوگيري از پلاريزه شدن الكترودها و امكان بروز اشتباه در اندازه گيري رطوبت توصيه مي شود از مقاومت سنجهايي استفاده شود كه در آنها جريان برق مستقيم باطري به جريان متناوب تبديل مي شود . براي اين منظور معمولا مقاومت سنج هاي 1000 سيكلي به كار برده مي شود ، زيرا با انجام اين كار از عمل قطبي شدن جلوگيري شده و در اندازه گيريها كمتر اشتباه بروز مي كند . مهمترين مزيت بلوكهاي گچي علاوه بر سرعت اندازه گيري درجه دقت آنها در رطوبت هاي كم است . علاوه بر اين بلوكها ارزان بوده و مي توان تعداد زيادي از آنها را با هزينه كم در داخل خاك نصب كرد . بزرگترين مشكل در بلوكهاي گچي حساسيت آنها به شوري محلول خاك است . وجود نمك در آب باعث مي شود كه هدايت الكتريكي بلوك افزايش يافته و اين امر باعث اشتباه در تخمين رطوبت گردد . زيرا اساس اندازه گيري رطوبت با بلوك گچي اين است كه وقتي يك بلوك خشك در خاك قرار مي گيرد به دليل خشك بودن بلوك هدايت الكتريكي بين دو سر الكترود صفر يا بسيار اندك است . اما چون بلوك از گچ با دانه هاي ريز درست شده است بلافاصله به لحاظ پتانسيلي با خاك تبادل رطوبت كرده و از اين نظر با آن متعادل مي شود . جذب آب توسط بلوك باعث افزايش هدايت الكتريكي مي شود . حال اگر خاك شور باشد آبي كه جذب بلوك مي شود حاوي نمك بوده و لذا هدايت الكتريكي بيشتر افزايش مي يابد . به طوريكه در دو خاك مشابه با رطوبت يكسان ، اگر يكي شور بود و ديگري شور نباشد ، عدد قرائت شده با بلوك يكسان نخواهد بود . با توجه به نياز تعادل پتانسيلي بين بلوك و خاك لازم است كه پس از نصب بلوك به مدت چندين ساعت صبر كرد تا اين تعادل برقرار شود . براي اين منظور بلوكها قبل از آبياري در خاك قرار داده مي شوند و معمولا در تمام فصل رشد در خاك باقي مانده و فقط سيمهاي متصل شده به الكترودها از خاك خارج مي باشد كه در موقع اندازه گيري به دو سر مقاومت سنج وصل شوند . گرچه در خاكهاي معمولي بلوك مي تواند تا 5 سال مورد استفاده واقع شود ولي در خاكهاي شور يا آلي و خاكهاي مرطوب بيش از يك سال عمر نخواهند كرد . در استفاده از بلوكهاي گچي توصيه مي شود فاصله آنها از يكديگر در خاك كمتر از 30 سانتي متر نباشد بلوكها نسبت به درجه حرارت حساس بوده و در هنگام واسنجي آنها بايد مساله در نظر گرفته شود . پيزومتر : براي اندازه گيري پتانسيل فشاري در خاك معمولا از لوله هاي پيزومتر استفاده مي شود . پيزومتر يك لوله ساده است كه دو سر آن باز مي باشد . اگر يك سر لوله را در خاك و نقطه مورد نظر قرار دهيم در صورت وجود پتانسيل فشاري آب در لوله بالا خواهد آمد . ارتفاعي كه آب در لوله بالا مي آيد برابر پتانسيل فشاري در آن نقطه است روند ازمایش : ابتدا شیشه مربایی را کامل می شوییم و خشک کرده سپس داخل خشک کن گذاشته بعد از انکه کامل خشک شد با انبر (به دلیل عدم انتقال رطوبت )از خشک کن خارج کرده با ترازو ان را وزن میکنیم.(وزن شیشه15/204) بعد از وزن کردن شیشه ان را داخل دسیکاتور قرار داده تا رطوبت جذب شده در این فاصله توسط دسیکاتور گرفته شود. 50 گرم خاک مورد نظر را در شیشه ریخته (21/50) وان را به مدت حداقل 24 ساعت در دمای 90 الی 110 درجه حرارت میدهیم. (برای نمونه ما زمان حدود 24 ساعت ودما 110 درجه بود) بعد از طی این مدت دوباره شیشه و خاک محتوی ان را وزن میکنیم. (35/254) حال با استفاده از رابطه زیر درصد رطوبت خاک را محاسبه میکنیم: W3 – W2 درصد رطوبت بر مبنای خشک: ____________ * 100 W3-W1 MD% = 0/0199 W3 – W2 درصد رطوبت بر مبنای تر : ____________ * 100 W2- W1 Mw% = 0/0199 اشتباهات معمول: بر اساس Rolling and Rollings (1996): اشتباهات معمول آزمايشگاهي در مورد آزمايش درصد رطوبت بشرح زير است: 1- استفاده از ترازوي كاليبره نشده يا بد كاليبره شده. 2- از دست رفتن خاك بين وزن کردن اوليه و ثانويه. 3- از دست رفتن رطوبت نمونه قبل از وزن کردن اوليه. 4- اضافه شدن رطوبت به نمونه پس از خشك كردن و قبل از وزن کردن ثانويه. 5- دماي نامناسب ظرف، نمونه خيلي كوچك يا وزن غلط ظرف. 6- خارج نمودن نمونه ازظرف قبل از دستيابي به وزن خشك ثابت. 7- وزن کردن نمونه هنگاميكه هنوز داغ است (براي ترازوهاي حساس به دما). اشتباه معمول ديگر لبريز كردن ظرف با نمونه‌ خاك است. در چنين شرايطي جريان هوا محدود شده و احتمال اينكه نمونه‌بطور كامل خشك نشوند وجود دارد بحث ونتیجه گیری : نتایج به دست امده از سایر گروه ها به شرح زیر است: نام خاک MD Mw گروه 1 بنتونیت 3/33% 3/22% گروه2 کائولن تاکستان 0/5% 0/5% گروه3 کربنات کلسیم 0/02% 0/02% گروه4 دولومیت 1/7% 1/7% مقدار درصد رطوبت خاك غالباً‌ بر حسب نزديكترين 1/0 يا 1 درصد بيان مي‏شود. درصد رطوبت خاك مي‌تواند بين 0 تا 1200 درصد متغير باشد. درصد رطوبت صفر بيانگر يك خاك خشك است. نمونه‌اي از يك خاك خشك، شن يا ماسه تميز در شرايط آب و هوايي بسيار گرم است. خاكهاي آلي بيشترين درصد رطوبت را دارند. بر اساس دسته بندی خاک ها از نظر پلاستیک و غیر پلاستیک بودن میتوان نتیجه گرفت که: خاکهای پلاستیک مانند بنتونیت درصد رطوبت بالاتری دارند و جذب رطوبت انها بالا ست. اثرات دما چنانكه قبلاً ذكرگردید، دمای استاندارد جهت خشك نمودن خاك 110 درجه سانتیگراد می‌باشد . جامدات محلول بسیاری از خاكها حاوی جامدات محلول می‌باشند. برای مثال در مورد خاكهای واقع در كف اقیانوس، آب بین ذرات جامد خاك احتمالاً‌ دارای همان غلظت نمك آب دریا خواهد بود. مثال دیگر وجود كاتیونهای متمایل به سطوح ذرات رسی می‌باشد. بهنگام خشك كردن خاك، این كانیها و یونهای محلول، جزیی از جرم جامدات می‌شوند. درمورد اغلب خاكها این اثر، حداقل تغییرات را در درصد رطوبت ایجاد می‏كند. منابع و ماخذ: 1. كاربرد روش چهار الكترودي براي اندازه گيري غير مستقيم رطوبت خاك, /نويسنده : ميكائيل يوسف زاده فرد، سعيد اسلامي. 2. دانشگاه تبريز، دانشكده فني، مجله, دوره : -، شماره : 21، پاييز و زمستان 1377، ص. 89 تـا 97 3.گروه علمی تحقیقاتی ارکیده توسط سمانه شیرین منش.

اندازه گیری استحکام خمشی و انقباض در دو حالت خشک شده و پخته شده. وسایل آزمایش: 500 گرم خاک _ 180 گرم آب _ الک _ هاون _ قاشق _ لگن _ استوانه مدرج _ ترازو _ کاردک _ قالب های نمونه های استحکام و انقباض _ کمی روغن _ کولیس _ دستگاه وارد کننده نیرو _ کوره _ خشک کن خاک مورد آزمایش : کائولن سوپر زنور تئوری آزمایش : استحکام خشک : منظور از استحکام خشک , استحکام مواد بعد از شکل گیری و خشک شدن و قبل از پخت می باشد. اهمیت استحکام خشک بدنه های خام هنگامی مشخص می شود که به مراحل بعدی تولید ( پس از خشک شدن فرآورده ها) توجه شود. بدنه های خام پس از خشک شدن و یا در خلال آن باید پرداخت شده , احتمالا به یکدیگر چسبانده شده ( به عنوان مثال دسته و بدنه فنجان) و به نقاط دیگر حمل گردند. تمامی این اقدامات به معنی اعمال تنش به بدنه خام است. بنا بر این بدیهی است که بدنه خام باید دارای استحکام کافی جهت تحمل تنش های وارده باشد. استحکام خشک مانند پلاستیسیته بستگی عمیقی به وجود خصوصیات ذرات کلوئیدی دارد. بنا بر این عوامل موثر در استحکام همان عوامل موثر در پلاستیسیته است که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد: هنگامی که اندازه ذرات کانی های رسی موجود در یک نمونه, بسیار ریز و در عین حال حدودا یکسان باشد بدیهی است که به علت ابعاد بسیار ریز ذرات, مقدار پلاستیسیته و همچنین استحکام بسیار زیاد خواهد بود.مایع جذب شده در سطح رس و نوع آن نیز یکی دیگر از عوامل ایجاد کننده و موثر در پلاستیسیته می باشد.مولکولهای مایعات قطبی در سطح ذرات رس جذب گردیده و بدین وسیله باعث لغزش و ایجاد سهولت در حرکت صفحات رس می گردد. پس اختلاط با مایعات قطبی باعث ایجاد پلاستیسیته در خمیر می گردد. در حالی که مایعات غیر قطبی مانند بنزن هیچ نوع پلاستیسیته ای به وجود نخواهند آورد. به هر حال پلاستیسیته حاصل از هیچ مایعی قابل مقایسه با پلاستیسیته حاصل از آب نیست. از مسائل مهم دیگر تاثیر فشار در میزان آب پلاستیسیته است.با افزایش فشار می توان پلاستیسیته یکسانی با مقدار آب کمتر به دست آورد.در صنعت سرامیک از این قانون به طور وسیع استفاده می شود. از دیگر عوامل موثر در پلاستیسیته شکل ذرات است.مثلا ذرات رس به طور کلی دارای شکل پهنی بوده و اصطلاحا بشقابی هستند و این شکل خاص باعث ایجاد سهولت در لغزش ذرات بر روی یکدیگر و ایجاد پلاستیسیته بالا می گردد. دسته ای از مواد آلی ایجاد کننده پلاستیسیته, ژلهای کلوئیدی ناشی از عمل باکتری ها هستند. این مورد یکی از دلایل افزایش پلاستیسیته و در نتیجه انبار کردن خمیر است. در این شرایط خمیر بدنه بر اثر فعالیت های باکتری ها اصطلاحا ترش شده و ژل های کلوئیدی به و جود می آیند. این توضیحات به طور خلاصه این قانون کلی را بیان می کند که پلاستیسیه بیشتر به معنی استحکام خشک بیشتر است. ضمنا باید توجه داشت که جایگزینی H+ به وسیله Na+ باعث افزایش قابل ملاحظه استحکام خشک می گردد و این نکته ای است که در بسیاری موارد می تواند باعث ایجاد خطا در اندازه گیری پلاستیسیته گردد.در این مورد افزایش استحکام خشک به دلیل تغییر در بافت ذرات رس و نتیجتا افزایش تراکم بدنه خام است. جدول زیر تاثیر یون های مختلف را بر تخلخل نمونه و نتیجتا استحکام خشک نشان می دهد. dried transverse strength( Ib/in2 ) Porosity after drying ( % ) Drying shrinkage(%) Forming water ( % ) 1275 26.1 14.0 21.2 Raw clay 1150 28.2 15.5 22.3 H_ clay 1250 26.3 12.4 19.7 Ca _ clay 1410 24.6 11.0 18.6 Na _ clay قبل از اینکه در مورد اندازه گیری استحکام خشک بحث شود باید اشاراه گردد که جهت حد اقل استحکام مورد نیاز یک بدنه خام , مقدار مشخصی نمی تواند ارائه گردد.چرا که این مورد بستگی زیاد به شکل و ضخامت قطعه و نیز چگونگی حمل و نقل آن دارد.از جمله اخیر می توان این نتیجه گیری را نیز نمود که کلیه ترک ها و شکست های بدنه خام را نمی توان ناشی از کمبود استحکام خشک دانست , بلکه طراحی بد و نتیجتا شکل نا متناسب قطعه نیز می تواند باعث ایجاد تنش (در خلال خشک شدن ) و نهایتا ایجاد ترک ( در هنگام خشک شدن و یا بعد از آن ) گردد.خشک نمودن سریع نیز می تواند باعث ایجاد ترک حتی در هنگام حمل و نقل گردد. بدیهی است که هیچ یک از این ترک ها را نمی توان به کمبود استحکام خشک نسبت داد. انقباض تر به خشک : در تولید فر آورده های سرامیک مهم ترین وظیفه آب در بدنه ایجاد ماده ای مناسب ( پودر, خمیر , یا دوغاب) جهت شکل دادن است.بعد از شکل یافتن فرآورده ها آب وظیفه خود را انجان داده و باید از فرآورده یا بدنه خام خارج شود.عمل خشک شدن عبارت است از خروج آب به وسیله تبخیر از بدنه خام. بدیهی است که خروج آب به معنی کاهش حجم و یا ابعاد فر آورده خام می باشد . اصطلاحا به کاهش ابعاد فرآورده های سرامیکی در این مرحله از تولید انقباض تر به خشک می گویند. انقباض همواره عامل ایجاد تنش و در نتیجه احتمال تغییر شکل و وقوع ترک در بدنه می باشد.از طرف دیگر انقباض زیاد باعث ایجاد تغییراتی در ابعاد قطعه گردیده و بنا براین در مواردی که ابعاد بسیار دقیقی برای قطعه مورد نیاز است انقباض تا حد امکان باید کاهش یابد.احتمال بروز چنین خطراتی باعث شده که مرحله خشک شدن در صنعت سرامیک به عنوان یکی از خطر ناکترین مراحل تولید معرفی گردد. ولی با این همه اگر چه مقدار زیاد انقباض تر به خشک مسئله ساز است ولی مقدار کم آن همیشه مورد نیاز و مطلوب بوده چرا که باعث سهولت در خروج فرآورده شکل یافته از قالب می گردد. بدیهی است که انقباض تر به خشک بستگی عمیقی به آب موجود در فرآورده های خام دارد ولی باید توجه داشت که آب های موجود در بدنه های خام به علت نقش و وظایف متفاوت انها در ساختمان بدنه رفتار یکسانی را در هنگام خشک شدن بروز نداده و تاثیرات آنها در انقباض تر به خشک متفاوت است. در هنگام خشک شدن فر آورده ها اگر چه آبهای خلل و فرج نیز خارج می گردند ولی در عمل همواره مقادیری از آنها در لا به لای ذرات رس باقی می مانند مگر اینکه بدنه خام در درجه حرارتی بیش از 0C120 خشک گردد.در مقیاس صنعتی معمولا بدنه های در درجه حرارتی پایین تر از 120 درجه خشک می گردند. بنا بر این همواره مقادیری از آب خلل و فرج در بدنه باقی مانده و این موضوع بدین معنی است که در حقیقت خشک شدن نهایی فرآورده ها در اولین مراحل پخت انجام می پذیرد. اصطلاح خشک شدن کامل به مرحله ای از روند خشک شدن اطلاق می گردد که آب خلل و فرج کاملا از بین رفته است.هنگامی که یک بدنه خام به طور کامل خشک گردیده بعد از خروج از خشک کن می تواند مجددا مقادیری آب موجود در هوا را که اصطلاحا به آن مقدار رطوبت تعادلی گفته می شود در خلل و فرج خود جذب کند.به طوری که تغییرات در مقدار آب خلل و فرج با انبساط و انقباض زیادی همراه نیست و بنا بر این این جذب رطوبت از هوا به وسیله بدنه کاملا خشک شده (اگر مقدار زیادی رس موجود باشد ) به طور معمول خطر ناک نیست. ولی با توجه به اینکه بعضی از بدنه های خام دارای مقادیر زیاد رس نیستند این عمل در فصول خاصی (معمولا پاییز و زمستان) و به خصوص در نواحی مرطوب می تواند باعث ایجاد تنش کششی و در نتیجه انبساط خشک به تر و نهایتا وقوع ترک در بدنه های خام, بعد از خروج از خشک کن گردد. در بسیاری موارد این ترک ها تا مرحله نهای تولید قابل تشخیص نبوده و فقط روی فرآورده های تولید شده لعابدار مشاهده می شوند. در چنین شرایطی افزایش استحکام تر به وسیله افزایش مقدار رس در بدنه های خام ( در صورت امکان ) و با تغییر در روند خشک شدن این مشکل را حل نمود. آب پلاستیسیته بر عکس آب خلل و فرج به سادگی در درجه حرارت های کمتر از 100 درجه تبخیر شده و این عمل با انقباض بسیار زیادی همراه است. بدنه هایی که داراری پلاستیسیته زیادی هستند مقدار آب پلاستیسیته نیز در آنها بیشتر است. بنا براین در هنگام خشک شدن نیز مقدار انقباض تر به خشک آنها بسیار زیاد بوده و این مورد نیز به عنوان یک قانون کلی وسیله دیگری جهت تعیین پلاستیسیته خمیرهاست.. خروج آب پلاستیسیته مهم ترین عامل در ایجاد انقباض تر به خشک و یا به طور کلی تنها عامل ایجاد انقباض تر به خشک است. روند آزمایش : پیش آزمایش : ساخت نمونه های استحکام و انقباض ابتدا 500 گرم از خاک که قبلا از طریق آزمایش پلاستیسیته عدد درصد آبکار پذیری آن را بدست آوردیم را در هاون می کوبیم و از الک رد می کنیم. سپس با ترازو توزین کرده و دقیقا 500 گرم را بر می داریم.با استفاده از درصد آبکار پذیری که از آزمایش پلاستیسیته برای خاکمان بدست آوردیم میزان آبی که باید به 500 گرم خاک اضافه کنیم تا یک گل مناسب از نظر شکل پذیری را به ما بدهد را بدست می آوریم. برای خاک کائولن سوپر زنور عدد درصد آبکار پذیری ففرکورن 36% بود. این به این معنی است که در هر 100 گرم خاک باید 36 گرم آب بریزیم تا حاصل گل شکل پذیر و خوب درآید . حال که ما 500 گرم خاک داریم باید 36 را در 5 ضرب کرده یعنی 180 گرم آب به آن اضافه کنیم و از آنجایی که چگالی آب یک است می توان با استفاده از استوانه مدرج 180 میلی لیتر آب را برداشت. حال گل را خوب ورز می دهیم تا کاملا یکدست شود و درون آن حباب باقی نماند.2 تا قالب نمونه داریم. یکی برای تست استحکام و یکی برای تست انقباض.قالب نمونه تست استحکام در داخل ذوذنقه ای شکل است. و قالب نمونه انقباض مربع شکل است. برای نمونه استحکام گل را از طرفی که عرض بیشتری دارد وارد می کنیم و خوب فشار می دهیم تا جای خالی در داخل نماند و باعث تضعیف استحکام نشود. تا آنجایی که می توانیم باید نمونه سالم و صافی را بدست بیاوریم. برای نمونه انقباض هم گل را داخل قالب کرده و برای بیرون آوردن قالب را از دو طوف می کشیم تا نمونه بیرون آید. حال قطر های مربع را با کاردک علامت زده و دهانه کولیس را به اندازه 4 سانتی متر باز می کنیم و روی قطر های مربع علامت می زنیم. برای تست استحکام 4 نمونه و برای تست انقباض 1 یا 2 نمونه درست می کنیم. انقباض: برای انقباض یک نمونه درست کردیم. بعد از اینکه داخل خشک کن قرار دادیم و کاملا خشک شد با کولیس فاصله بین دو علامت را که قبلا زدیم را اندازه گیری می کنیم. در این جا Ld یعنی طول خشک حاصل می شود. این نمونه را در کوره قرار داده تا پخت نیز انجام گیرد. بعد از پخت نیز فاصله ی علامت های روی دو فطر را اندازه گیری کرده و میانگین 2 عدد به ما Lf را که همان طول پخت است می دهد. حال با استفاده از روابط زیر انقباض را بدست می آوریم: Lw – Ld / L d=40 -39.15/39.15=2.2% = درصد انقباض خشک به تر Ld–Lf /Lf=39.15 – 38.56/38.56=1.5%=درصد انقباض پخت به خشک Lw–Lf/Lf=40-38.56/38.56=3.7%=درصد انقباض پخت به تر(درصد انقباض کلی) Lw = طول تر Ld = طول خشک Lf = طول پخت اندازه گیری استحکام به روش 3 نقطه: نمونه هایی که داریم 2 تا به صورت خشک و 2 تا به صورت پخته شده است . حال 3 نقطه را روی هر نمونه تعیین کرده و عرض بالایی و عرض پایینی و ارتفاع آن را با کولیس اندازه می گیریم. میانگین 3 تا عدد عرض بالایی و 3 تا عرض پایینی را گرفته و میانگین عرض بالایی و عرض پایینی به ما عرض کل را می دهد. میانگین 3 ارتفاع را نیز برای هر نمونه محاسبه می کنیم. حال با استفاده از دستگاه ابتدا یک فاصله تکیه گاه مثلا 100 میلی متر را تنظیم می کنیم و بعد نیرو را وارد کرده زمانی که نمونه ما شکست نیرو را به ما می دهد. حال با استفاده از روابط زیر استحکام خمشی را اندازه گیری می کنیم: 3 pL / 2 bh2 (N/mm2) = استحکام خمشی P = نیرو بر حسب نیوتون L = فاصله تکیه گاه mm b = عرض mm h = ارتفاع mm 3x106.75x100/2x22.45x(16.1)2=2.75=استحکام خمشی نمونه پخته1 3x79.99x100/ 2x21.95x(16.2)2=2.08=استحکام خمشی نمونه پخته 2 3x29.68x100/2x 22.6x(16.4)2=0.73=استحکام خمشی نمونه خشک 3 3x42.06x100/2x22.5x(16.7)2=1.01 =استحکام خمشی نمونه خشک 4 میانگین اعداد به دست آمده: 0.87 = استحکام خام 2.415 = استحکام پخت بحث و نتیجه گیری : گروه نام خاک درصدانقباض خشک درصد انقباض تر درصدانقباض کلی استحکام خام استحکام پخت 1 بالکی 0.25 4.01 4.25 0.135 0.225 2 کائولن زنوز 8 7.28 14.25 1.41 0.23 3 کائولن سوپرزنوز 2.2 1.5 3.7 0.87 2.415 4 بالکی 3.75 3.11 6.75 0.095 0.155 5 کائولن زدلیتس 2.75 1.54 4.29 0.96 2.21 با توجه به اعداد بالا و همچنین با توجه به تئوری آزمایش و اعداد آزمایش پلاستیسیته معلوم می شود که هر چه پلاستیسیته خاک بیشتر باشد استحکام آن نیز بیشتر است. همانطور که در تئوری ذکر شد عوامل موثر در استحکام شامل عوامل موثر در پلاستیسیه نیز می شود. در مورد انقباض نیز هرچه درصد آبکار پذیری بیشتر باشد در هنگام خشک و پخت نیز آب بیشتری خارج شده و انقباض بیشتر می شود. خطاها: خطاهای ساخت نمونه: اول از همه خطا هنگامی که آب پلاستیسیته را از آزمایش قبل به دست آوردیم اگر عدد پلاستیسیته دارای خطا باشد گل خوبی به ما نمی دهد و نمی توان نمونه خوبی ساخت. هنگام ساخت نمونه اگر با دقت نمونه را نسازیم و نمونه دارای حفره یا ترک باشد یا صاف نباشد و حالت خمیده به خود بگیرد همه ی اینها باعث ایجاد خطا می شود. خطاهای آزمایش: اگر قطر را با کولیس دقیق اندازه نگیریم و همین طور خطای خود کولیس. اگر هنگام اندازه گیری قطر بخشی از خاک خراشیده شود اندازه ها دارای خطا می شود. همین طور در اندازه گیری ارتفاع و عرض نمونه های استحکام ممکن است خطا ایجاد شود. خطای دستگاه اندازه گیری استحکام. کتاب تکنولوژی سرامیک های ظریف ( افسون رحیمی – مهران متین )

اندازه گیری پرت حرارتی خاک به منظور به دست اوردن میزان ناخالصی های خاک از جمله مواد فرار اسیدها سوختن مواد الی همراه ان ودگرگونی ساختار کریستالی. وسایل مورد نیاز: خاک خشک شده در دمای 100 تا 110 (دولومیت) – بوته چینی - کوره با حرارت 1050-گچ نسوز – انبر – دسیکاتور . در این دما از بوته های دیر گداز. چینی ویا شامورتی میتوان استفاده کرد. روند ازمایش: ابتدا بوته چینی را با مقداری گچ نسوزنشانه گذاری میکنیم وبعد بوته را با ترازو یک صدم گرم وزن می کنیم (14/91). بعد خاک خشک شده را به مقدار (03/10)گرم به بوته اضافه می کنیم وانرا داخل دسیکاتور می گذاریم. سپس انرا به مدت یک ساعت در کوره با دمای 1050 قرار داده و بعد انرا مجدد وزن می کنیم.( 69/96 ) از رابطه زیر پرن حرارتی را حساب می کنیم: W2 –w3 100 * ______________ = L.O.I W2 – W1 101/17 - 96/69 1 ____________ * 100 = 44/67 101/17-91/14 نتایج ازمایش گروه های مختلف: شماره گروه نام خاک %پرت حرارتی L.O.I 1 کائولن تاکستان 8/3 2 کربنات کلسیم 10/41 3 دولومیت 67/44 4 بنتونیت 8/29 بحث و نتیجه گیری : در نتایج به دست امده از گروه هامشخص میشود که خاک دولومیت نسبت به دیگر خاک ها در ساختارش دارای مقدار بیشتری از موادی است که با حرارت دادن از بین میروند و کائولن ها دارای مقدار کمی مواد الی وکربنات و .... در ساختار خود می باشد بنابراین پرت حرارتی انها کم تر است. در مجموع خاک هایی که در ساختار خود مواد الی .سولفات. .کربنات و اب ساختاری و....بیشتری دارد پرت حرارتی بالاتری نیز دارد.

هدف آزماش: اندازه گیری بهینه آب برای شکل پذیری وسایل آزمایش: 300 گرم خاک _ 300 سی سی آب _ الک 50 _ لگن _ لوح گچی _ قاشق _ ففر کورن _ کولیس _ ترازو _ خشک کن _ قالب نمونه _ کاردک _ هاون_استوانه مدرج خاک مورد آزمایش : کائولن سوپر زنور خشک کن لگن الک ترازو قاشق بشقاب کاردک ففرکورن هاون خاک کولیس آب و استوانه مدرج تئوری آزماش: پلاستیسیته عبارت است از خاصیتی که ماده را قادر می سازد تا به هنگام اعمال تنش بدون آنکه دچار گسیختگی شود تغییر فرم دهد و با برداشتن تنش, تغییر فرم در نمونه باقی بماند. تغییر فوق یک تعریف کاملا کیفی برای این ویژگی ماده است و در این رابطه تعریف کمی کاملی ارائه نشده است. یک نمونه رس یا یک بدنه در شرایط کار پذیری معمولی پلاستیک تر از همان رس یا بدنه در حالت خیلی صلب یا خیلی نرم است. لیکن هنگامی که گفته می شود یک بدنه پلاستیک تر از دیگری است, منظور هنگامی است که هر یک از بدنه ها دارای اپتیم رطوبت مخصوص به خود باشد.در چنین حالتی ما با پلاستیسیته ذاتی بدنه سر و کار داریم که به آن پلاستیسیته بالقوه نیز گفته می شود.به ویژه این ابهام در معنی پلاستیسیته هنگامی مهم است که با اندازه گیری های عدد پلاستیسیته روبرو هستیم. در چنین مواردی همواره مهم است که در نظر داشت آیا این عدد به درصد رطوبت بستگی دارد یا نه , و اگر بستگی ندارد چگونه وابستگی رطوبت حذف شده است. پلاستیسیته صنعتی سرامیک ها در هنگام کار با سرامیک ها مرسوم است که هر عیبی که قبل از مرحله پخت ایجاد شود را به عدم پلاستیسیته کافی رس یا بدنه ارتباط دهند. از این لحاظ پلاستیسیته یا قابلیت کار پذیری یک ویژگی جامع است که چندین عامل را در بر دارد و در نتیجه با یک عدد قابل توصیف نیست.عوامل دخیل در پلاستیسیته را نمی توان به سهولت در قالب مفاهیم علمی قرار داد , اما برخی ایده ها در مورد پلاستیسیته تکنیکی را می توان از مطالب زیر به دست آورد: 1- در قطعات ساخته شده توسط دستگاه علت اصلی عیوب موجود در قطعه پلاستیسیته کم است. این عیوب شامل ترک ها ( که ممکن است خود را پس از شکل دادن و یا پس از خشک کردن نشان دهند) و بافت ضعیف در سطح یا داخل قطعه ( مانند ترک های گوشی یا s شکل در یک ستون اکسترود شده یا عدم صافی سطح قطعه جیگر شده) است. 2- از نظر افراد ماهر نشانه اصلی پلاستیسیته ضعیف سرعت کم تولید است, زیرا فرد باید زحمت بیشتری بکشد تا یک قطعه سالم تهیه نماید. 3- رس ها و یا بدنه هایی که خواص رئولوژیکی آنها حساسیت شدیدی به میزان رطوبت دارند در هنگام کار مشکل آفرین هستند. از این نگاه موادی مطلوب هستند که در آنها رطوبت لازم برای کار پذیری مطلوب دارای رنج نسبتا بازی باشد. 4- سطوح یک رس یا بدنه دارای خواص کار پذیری خوب باید بتوانند خوب به هم ملحق شوند بدون آنکه سبب محبوس شدن هوا شده و یا سطوح داخلی ضعیفی را پدید آورند. 5- برای قطعاتی که بر روی قالب های گچی قرار می گیرند چسبیدن نا کافی بدنه به قالب گچی و یا جذب بیش از حد آب بدنه توسط قالب مطلوب نیست. 6- در روش هایی نظیر جیگرینگ که در حین شکل دادن آب بر روی قطعه پاشیده می شود رس نباید بسیار چسبناک باشد یا به صورت دوغاب در آید. 7- بدنه نباید خاصیت باز یابی الاستیک را بعد از برداشتن تنش از خود نشان بدهد. در غیر این صورت شکل آن در نهایت از ادوات شکل دهنده تبعیت نمی نماید. 8- حضور خاصیت دیلاتانسی به ویژه برای پلاستیسیته مضر است. دیلاتانسی که معرف مقاومت زیاد در برابر سیلان تحت تنش های زیاد و مقاومت کم تحت تنش های کم است در جهت مخالف پلاستیسیته عمل می کندو به نظر می رسد پدیده ای که توسط Macey به پس زنی تعبیه شده است و در اثر آن برخی بدنه ها تحت تنش های متناوب شل می شوند, ارتباط نزدیکی به دیلاتانسی داشته باشد. برخی عوامل موثر در پلاستیسیته: هنگامی که اندازه ذرات کانی های رسی موجود در یک نمونه, بسیار ریز و در عین حال حدودا یکسان باشد بدیهی است که به علت ابعاد بسیار ریز ذرات, مقدار پلاستیسیته بسیار زیاد خواهد بود.مایع جذب شده در سطح رس و نوع آن نیز یکی دیگر از عوامل ایجاد کننده و موثر در پلاستیسیته باشد.مولکولهای مایعات قطبی در سطح ذرات رس جذب گردیده و بدین وسیله باعث لغزش و ایجاد سهولت در حرکت صفحات رس می گردد. پس اختلاط با مایعات قطبی باعث ایجاد پلاستیسیته در خمیر می گردد. در حالی که مایعات غیر قطبی مانند بنزن هیچ نوع پلاستیسیته ای به وجود نخواهند آورد. به هر حال پلاستیسیته حاصل از هیچ مایعی قابل مقایسه با پلاستیسیته حاصل از آب نیست. از مسائل مهم دیگر تاثیر فشار در میزان آب پلاستیسیته است.با افزایش فشار می توان پلاستیسیته یکسانی با مقدار آب کمتر به دست آورد.در صنعت سرامیک از این قانون به طور وسیع استفاده می شود. از دیگر عوامل موثر در پلاستیسیته شکل ذرات است.مثلا ذرات رس به طور کلی دارای شکل پهنی بوده و اصطلاحا بشقابی هستند و این شکل خاص باعث ایجاد سهولت در لغزش ذرات بر روی یکدیگر و ایجاد پلاستیسیته بالا می گردد. دسته ای از مواد آلی ایجاد کننده پلاستیسیته, ژلهای کلوئیدی ناشی از عمل باکتری ها هستند. این مورد یکی از دلایل افزایش پلاستیسیته و در نتیجه انبار کردن خمیر است. در این شرایط خمیر بدنه بر اثر فعالیت های باکتری ها اصطلاحا ترش شده و ژل های کلوئیدی به و جود می آیند. آزمون های غیر مستقیم ارزیابی پلاستیسیته بر اساس رطوبت: پلاستیسیته یک بدنه سرامیکی با افزایش میزان رس بدنه و با کوچک تر شدن دانه های رس افزایش می یابد.(البته این دو عامل در موارد حاد منجر به چسبناکی بدنه می شوند). این شرایط منجر به آزمون های غیر مستقیم زیادی برای به دست آوردن پلاستسیته شده است که در این روش ها به جای پلاستیسیته خواصی که به طور تقریبی با پلاستیسیته ارتباط دارند, اندازه گیری می شوند. گروهی از این آزمون ها بر اساس اندازه گیری مقدار رطوبت لازم برای رسیدن به یک غلظت دلخواه استوار شده اند. چون افزایش مقدار رس و یا ریز دانه شدن آن منجر به افزایش سطح ویژه ذرات و بنا بر این بالا رفتن مقدار برای رسیدن به یک غلظت خاص می شود, منطقی است که رطوبت بالا را به پلاستیسیته و بالعکس نسبت دهند. شاید معروف ترین این روش ها ففر کورن باشد که در روند آزمایش توضیح داده می شود. در سنجش پاستیسیته به روش آتربرگ که در سطح بین المللی توسط دانشمندان خاک شناس به کار برده می شود, درصد رطوبت در دو حد پلاستیک و حد روانی اندازه گیری می شود. حد پلاستیک عبارت است از درصد رطوبتی که در زیر آن ماده دیگر رفتار پلاستیک نداشته باشد و شکننده شود.این حد هنگامی به دست می آید که پس از آن دیگر نتوان رس را به صورت رشته ای سالم با قطر یک هشتم اینچ لوله کرد. حد روانی رطوبتی است که ماده در بالای آن به صورت یک سیال و در زیر آن به صورت یک جامد پلاستیک رفتار می کند. (البته در واقع یک ماده در بالای حد روانی هنوز خواص پلاستیک از خود بروز می دهد.)این حد با ساختن خمیری از ماده, قرار دادن آن بر روی یک ظرف برنجی با طرح استاندارد و یافتن تعداد ضربات استاندارد لازم برای بستن شکافی بر روی گل درون ظرف به دست می آید. این آزمون در رطوبت های مختلف تکرار می شود و حد روانی ( با اکستراپوله کردن ) به عنوان در صد رطوبتی که در آن 25 ضربه نیاز است تعیین می شود. آنگاه شاخص پلاستیسیته آتربرگ از اختلاف حد پلاستیک و حد روانی به دست می آید.از آنجایی که این شاخص محدوده رطوبتی را که در بالای آن ماده پلاستیک است را اندازه گیری می کند, وسیله ای برای اندازه گیری یکی از ویژگی های خاص پلاستیسیته یعنی عدم حساسیت ماده به تغییر رطوبت است. یک شاخص تقریبا مشابه که آن هم بر اساس اختلاف بین دو درصد رطوبت معین است عدد ریکه نام دارد. این شاخص از اختلاف درصد رطوبت در حالت کار پذیری معمولی ( مثلا حاصل از آزمایش ففرکورن ) و حد پلاستیک ( مثلا حاصل از آزمون آتر برگ) به دست می آید. برخی معتقدند این شاخص بهترین شاخص کار پذیری پلاستیسیته است. روش های دیگری نیز برای توصیف غلظت مورد استفاده قرار گرفته است که در آن ها مقدار عددی رطوبت به صورت شاخص پلاستیسیته بیان می شود. در زیر به چند روش اشاره می شود. در روش Cohn مقدار رطوبتی که به وسیله آن یک میله با وزن استاندارد در مدت زمان معین تا ارتفاع مشخص در تکه ای از گل فرو می رود شاخص پلاستیسیته است. در روش Russell و Hunk مقدار رطوبتی که در آن ماده تحت آزمایش تنش فشاری, تنش تسلیمی برابر پنج پوند بر اینچ مربع داشته باشد شاخص پلاستیسیته است. در روش Thiemecke مقدار رطوبتی که نشانگر تغییر خواص از حالت پلاستیک به الاستیک باشد شاخص پلاستیسیته است. در روش Enslin رطوبت جذب شده توسط ماده بسیار ریز دانه در هنگامی که از طریق یک فیلتر شیشه ای متخلخل در تماس با آب قرار گرفته است شاخص پلاستیسیته است. روند آزمایش: ابتدا خاک را با هاون می کوبیم تا ذرات آن ریز شده و از الک 50 مش عبور کند.(بعضی خاکها به صورت گرانول است و باید خیلی کوبیده شود اما بعضی مثل بالکلی نیازی به کوبیدن ندارد) _تعداد سوراخ ها در یک سانتی متر مربع را مش گویند. پس از الک کردن آنرا در لگن ریخته و داخل آن 300 سی سی آب اضافه کرده و با قاشق هم می زنیم تا دوغاب یکنواختی حاصل شود.. حال دوغاب را با قاشق به آرامی روی لوح گچی پهن کرده تا آب آن گرفته شود و خمیر حاصل شود.در این قسمت می توان از روی تغییر رنگ فهمید که خشک شده یا نه. بعد از خشک شدن, گل را با کاردک از روی لوح گچی بر می داریم. گل را در دست خوب ورز داده تا کاملا یکنواخت شود و از ایجاد خطا تا حد ممکن جلوگیری شود. حال گل را داخل نمونه ففرکورن فرو کرده و خوب فشار می دهیم تا فضای خالی داخل نمونه باقی نماند و یکدست شود. گل را با سمبه از نمونه در می آوریم و درست در وسط صفحه دستگاه ففر کورن قرار می دهیم. دستگاه ففر کورن شامل یک وزنه 1 کیلو گرمی است که از ارتفاع 185 میلی متری آنرا رها می کنیم. نمونه ففر کورن یک استوانه به ارتفاع 4 سانتی متر و قطر 2.8 سانتی متر می باشد. بعد از رها کردن وزنه روی نمونه ار تفاع ثانویه را با کولیس اندازه گیری می کنیم.( اندازه گیری از طریق فرو کردن ته کولیس در گل راحت تر است) حال وزن نمونه تر را اندازه گیری می کنیم. 4 نمونه درست کرده که ارتفاع های ثانویه آنها یکی کمتر از 12 میلی متر و دو تای آنها بین 12 و 16 میلی متر و یکی نیز بیشتر از 16 میلی متر باشد. حال نمونه ها را داخل خشک کن به مدت 5 الی 20 ساعت قرار می دهیم تا کاملا خشک شود. حال وزن خشک نمونه ها را نیز اندازه گیری می کنیم. سپس درصد رطوبت نمونه ها را بر مبنای خشک به دست می آوریم. سپس روی کاغذ میلی متری نمودار ارتفاع ثانویه بر حسب در صد رطوبت را رسم می کنیم.. 4 نقطه حاصل از 4 نمونه را روی نمودار تعیین می کنیم و نزدیک ترین خط را که شامل بیشترین نقطه ها باشد رسم می کنیم. و از روی نمودار موارد زیر را به دست می آوریم. ** عدد پلاستیسیته ففر کورن = در صد رطوبت در ارتفاع 12 میلی متر ** درصد آبکار پذیری ففرکورن = درصد رطوبت در ارتفاع 16 میلی متر (بهینه آب برای بهترین حالت شکل پذیری عدد درصد آبکار پذیری ففرکورن است.) ** فاکتور پلاستیسیته ففرکورن = R(R_r) R درصد رطوبت در ارتفاع ثانویه صفر میلی متر است. r درصد رطوبت در ارتفاع ثانویه 40 میلی متر است. نتایج آزمایش مربوط به خاک کائولن سوپر زنور: ارتفاع اولیه ارتفاع ثانویه وزن تر وزن خشک %Md نمونه 1 40mm 14.1 49.7 36.1 37.8 نمونه 2 40mm 24.1 54.49 40.85 34.1 نمونه 3 40mm 14.2 52.93 38.51 37.4 نمونه 4 40mm 9 51.59 36.82 40.1 بحث و نتیجه گیری: گروه خاک درصد آبکارپذیری 1 بالکلی 21 2 کائولن زنور 39 3 کائولن سوپر زنور 36 4 بالکلی 26 5 کائولن زدلیر کائولن ها و بالکلی ها اغلب خاک های پلاستیک هستند.بنا بر این می توان از آنها برای مصارفی که نیاز به شکل پذیری زیاد است استفاده کرد.. خاک کائولن زنور چون دارای بیشترین درصد آبکار پذیری است پس از پخت به دلیل تبخیر آب دارای ترک بیشتری نسیت به دیگر خاک ها است. نتایج به دست آمده در بالا می تواند در مورد یک خاک مشخص مثلا بالکلی در شرایط متفاوت فرق کند.مثلا اگر به جای الک 50 مش از الک 200 مش استفاده می کردیم عدد های بیشتری حاصل می شد زیرا با ریز تر شدن دانه ها پلاستیسیته افزایش می یابد. یک سری خاک ها مثل فلد اسپار چغایی_ سیلیس همدان _ دولومیت ( که در بالا اعداد فاکتور آبکار پذیری آنها ذکر نشده) خاک های غیر پلاستیک هستند و دارای درصد آبکار پذیری کمی می باشند. در واقع در صد آبکار پذیری فاکتوری برای تعیین میزان پلاستیسیته یک خاک است. خطاهای آزمایش: خطای ایجاد شده هنگامی که گل را از روی لوح گچی بر می داریم. که ممکن است روی آن خشک تر از زیر آن باشد و اگر خوب ورز ندهیم باعث ایجاد خطا می شود. خطای ایجاد شده هنگامی که گل را در قالب نمونه فرو می کنیم که اگر خوب همه جای قالب را پر نکند باعث ایجاد خطا می شود. خطا هنگامی که نمونه دقیقا در وسط دستگاه قرار نگیرد و قسمت های مختلف گل پس از رها کردن وزنه دارای ارتفاعات متفاوت باشد. خطای چشم در خواندن عدد از روی کولیس. خطاهای دستگاه های آزمایش مانند ترازو , کولیس , .......... خطا های محاسباتی هنگامی که عدد ها را از روی نمودار به دست می آوریم. زیرا هر چه قدر هم که نمودار دقیق باشد به دلیل خطا های قبلی نمودار حالت تقریبی دارد. خطا هنگامی که نمونه را از خشک کن در می آوریم . ممکن است از اطراف رطوبت جذب کند. و یا گرد و غبار باعث ایجاد خطا شود. کتاب تکنولوژی سرامیک های ظریف ( تالیف:افسون رحیمی , مهران متین ) کتاب مبانی شکل دادن سرامیک ها _ جلد اول _ رئولوژی سیستم ها ی سرامیکی (نوشته : اف . مور)

: اندازه گیری استحکام خمشی و انقباض در دو حالت خشک شده و پخته شده. وسایل آزمایش: 500 گرم خاک _ 180 گرم آب _ الک _ هاون _ قاشق _ لگن _ استوانه مدرج _ ترازو _ کاردک _ قالب های نمونه های استحکام و انقباض _ کمی روغن _ کولیس _ دستگاه وارد کننده نیرو _ کوره _ خشک کن خاک مورد آزمایش : کائولن سوپر زنور تئوری آزمایش : استحکام خشک : منظور از استحکام خشک , استحکام مواد بعد از شکل گیری و خشک شدن و قبل از پخت می باشد. اهمیت استحکام خشک بدنه های خام هنگامی مشخص می شود که به مراحل بعدی تولید ( پس از خشک شدن فرآورده ها) توجه شود. بدنه های خام پس از خشک شدن و یا در خلال آن باید پرداخت شده , احتمالا به یکدیگر چسبانده شده ( به عنوان مثال دسته و بدنه فنجان) و به نقاط دیگر حمل گردند. تمامی این اقدامات به معنی اعمال تنش به بدنه خام است. بنا بر این بدیهی است که بدنه خام باید دارای استحکام کافی جهت تحمل تنش های وارده باشد. استحکام خشک مانند پلاستیسیته بستگی عمیقی به وجود خصوصیات ذرات کلوئیدی دارد. بنا بر این عوامل موثر در استحکام همان عوامل موثر در پلاستیسیته است که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد: هنگامی که اندازه ذرات کانی های رسی موجود در یک نمونه, بسیار ریز و در عین حال حدودا یکسان باشد بدیهی است که به علت ابعاد بسیار ریز ذرات, مقدار پلاستیسیته و همچنین استحکام بسیار زیاد خواهد بود.مایع جذب شده در سطح رس و نوع آن نیز یکی دیگر از عوامل ایجاد کننده و موثر در پلاستیسیته می باشد.مولکولهای مایعات قطبی در سطح ذرات رس جذب گردیده و بدین وسیله باعث لغزش و ایجاد سهولت در حرکت صفحات رس می گردد. پس اختلاط با مایعات قطبی باعث ایجاد پلاستیسیته در خمیر می گردد. در حالی که مایعات غیر قطبی مانند بنزن هیچ نوع پلاستیسیته ای به وجود نخواهند آورد. به هر حال پلاستیسیته حاصل از هیچ مایعی قابل مقایسه با پلاستیسیته حاصل از آب نیست. از مسائل مهم دیگر تاثیر فشار در میزان آب پلاستیسیته است.با افزایش فشار می توان پلاستیسیته یکسانی با مقدار آب کمتر به دست آورد.در صنعت سرامیک از این قانون به طور وسیع استفاده می شود. از دیگر عوامل موثر در پلاستیسیته شکل ذرات است.مثلا ذرات رس به طور کلی دارای شکل پهنی بوده و اصطلاحا بشقابی هستند و این شکل خاص باعث ایجاد سهولت در لغزش ذرات بر روی یکدیگر و ایجاد پلاستیسیته بالا می گردد. دسته ای از مواد آلی ایجاد کننده پلاستیسیته, ژلهای کلوئیدی ناشی از عمل باکتری ها هستند. این مورد یکی از دلایل افزایش پلاستیسیته و در نتیجه انبار کردن خمیر است. در این شرایط خمیر بدنه بر اثر فعالیت های باکتری ها اصطلاحا ترش شده و ژل های کلوئیدی به و جود می آیند. این توضیحات به طور خلاصه این قانون کلی را بیان می کند که پلاستیسیه بیشتر به معنی استحکام خشک بیشتر است. ضمنا باید توجه داشت که جایگزینی H+ به وسیله Na+ باعث افزایش قابل ملاحظه استحکام خشک می گردد و این نکته ای است که در بسیاری موارد می تواند باعث ایجاد خطا در اندازه گیری پلاستیسیته گردد.در این مورد افزایش استحکام خشک به دلیل تغییر در بافت ذرات رس و نتیجتا افزایش تراکم بدنه خام است. جدول زیر تاثیر یون های مختلف را بر تخلخل نمونه و نتیجتا استحکام خشک نشان می دهد. dried transverse strength( Ib/in2 ) Porosity after drying ( % ) Drying shrinkage(%) Forming water ( % ) 1275 26.1 14.0 21.2 Raw clay 1150 28.2 15.5 22.3 H_ clay 1250 26.3 12.4 19.7 Ca _ clay 1410 24.6 11.0 18.6 Na _ clay قبل از اینکه در مورد اندازه گیری استحکام خشک بحث شود باید اشاراه گردد که جهت حد اقل استحکام مورد نیاز یک بدنه خام , مقدار مشخصی نمی تواند ارائه گردد.چرا که این مورد بستگی زیاد به شکل و ضخامت قطعه و نیز چگونگی حمل و نقل آن دارد.از جمله اخیر می توان این نتیجه گیری را نیز نمود که کلیه ترک ها و شکست های بدنه خام را نمی توان ناشی از کمبود استحکام خشک دانست , بلکه طراحی بد و نتیجتا شکل نا متناسب قطعه نیز می تواند باعث ایجاد تنش (در خلال خشک شدن ) و نهایتا ایجاد ترک ( در هنگام خشک شدن و یا بعد از آن ) گردد.خشک نمودن سریع نیز می تواند باعث ایجاد ترک حتی در هنگام حمل و نقل گردد. بدیهی است که هیچ یک از این ترک ها را نمی توان به کمبود استحکام خشک نسبت داد. انقباض تر به خشک : در تولید فر آورده های سرامیک مهم ترین وظیفه آب در بدنه ایجاد ماده ای مناسب ( پودر, خمیر , یا دوغاب) جهت شکل دادن است.بعد از شکل یافتن فرآورده ها آب وظیفه خود را انجان داده و باید از فرآورده یا بدنه خام خارج شود.عمل خشک شدن عبارت است از خروج آب به وسیله تبخیر از بدنه خام. بدیهی است که خروج آب به معنی کاهش حجم و یا ابعاد فر آورده خام می باشد . اصطلاحا به کاهش ابعاد فرآورده های سرامیکی در این مرحله از تولید انقباض تر به خشک می گویند. انقباض همواره عامل ایجاد تنش و در نتیجه احتمال تغییر شکل و وقوع ترک در بدنه می باشد.از طرف دیگر انقباض زیاد باعث ایجاد تغییراتی در ابعاد قطعه گردیده و بنا براین در مواردی که ابعاد بسیار دقیقی برای قطعه مورد نیاز است انقباض تا حد امکان باید کاهش یابد.احتمال بروز چنین خطراتی باعث شده که مرحله خشک شدن در صنعت سرامیک به عنوان یکی از خطر ناکترین مراحل تولید معرفی گردد. ولی با این همه اگر چه مقدار زیاد انقباض تر به خشک مسئله ساز است ولی مقدار کم آن همیشه مورد نیاز و مطلوب بوده چرا که باعث سهولت در خروج فرآورده شکل یافته از قالب می گردد. بدیهی است که انقباض تر به خشک بستگی عمیقی به آب موجود در فرآورده های خام دارد ولی باید توجه داشت که آب های موجود در بدنه های خام به علت نقش و وظایف متفاوت انها در ساختمان بدنه رفتار یکسانی را در هنگام خشک شدن بروز نداده و تاثیرات آنها در انقباض تر به خشک متفاوت است. در هنگام خشک شدن فر آورده ها اگر چه آبهای خلل و فرج نیز خارج می گردند ولی در عمل همواره مقادیری از آنها در لا به لای ذرات رس باقی می مانند مگر اینکه بدنه خام در درجه حرارتی بیش از 0C120 خشک گردد.در مقیاس صنعتی معمولا بدنه های در درجه حرارتی پایین تر از 120 درجه خشک می گردند. بنا بر این همواره مقادیری از آب خلل و فرج در بدنه باقی مانده و این موضوع بدین معنی است که در حقیقت خشک شدن نهایی فرآورده ها در اولین مراحل پخت انجام می پذیرد. اصطلاح خشک شدن کامل به مرحله ای از روند خشک شدن اطلاق می گردد که آب خلل و فرج کاملا از بین رفته است.هنگامی که یک بدنه خام به طور کامل خشک گردیده بعد از خروج از خشک کن می تواند مجددا مقادیری آب موجود در هوا را که اصطلاحا به آن مقدار رطوبت تعادلی گفته می شود در خلل و فرج خود جذب کند.به طوری که تغییرات در مقدار آب خلل و فرج با انبساط و انقباض زیادی همراه نیست و بنا بر این این جذب رطوبت از هوا به وسیله بدنه کاملا خشک شده (اگر مقدار زیادی رس موجود باشد ) به طور معمول خطر ناک نیست. ولی با توجه به اینکه بعضی از بدنه های خام دارای مقادیر زیاد رس نیستند این عمل در فصول خاصی (معمولا پاییز و زمستان) و به خصوص در نواحی مرطوب می تواند باعث ایجاد تنش کششی و در نتیجه انبساط خشک به تر و نهایتا وقوع ترک در بدنه های خام, بعد از خروج از خشک کن گردد. در بسیاری موارد این ترک ها تا مرحله نهای تولید قابل تشخیص نبوده و فقط روی فرآورده های تولید شده لعابدار مشاهده می شوند. در چنین شرایطی افزایش استحکام تر به وسیله افزایش مقدار رس در بدنه های خام ( در صورت امکان ) و با تغییر در روند خشک شدن این مشکل را حل نمود. آب پلاستیسیته بر عکس آب خلل و فرج به سادگی در درجه حرارت های کمتر از 100 درجه تبخیر شده و این عمل با انقباض بسیار زیادی همراه است. بدنه هایی که داراری پلاستیسیته زیادی هستند مقدار آب پلاستیسیته نیز در آنها بیشتر است. بنا براین در هنگام خشک شدن نیز مقدار انقباض تر به خشک آنها بسیار زیاد بوده و این مورد نیز به عنوان یک قانون کلی وسیله دیگری جهت تعیین پلاستیسیته خمیرهاست.. خروج آب پلاستیسیته مهم ترین عامل در ایجاد انقباض تر به خشک و یا به طور کلی تنها عامل ایجاد انقباض تر به خشک است. روند آزمایش : پیش آزمایش : ساخت نمونه های استحکام و انقباض ابتدا 500 گرم از خاک که قبلا از طریق آزمایش پلاستیسیته عدد درصد آبکار پذیری آن را بدست آوردیم را در هاون می کوبیم و از الک رد می کنیم. سپس با ترازو توزین کرده و دقیقا 500 گرم را بر می داریم.با استفاده از درصد آبکار پذیری که از آزمایش پلاستیسیته برای خاکمان بدست آوردیم میزان آبی که باید به 500 گرم خاک اضافه کنیم تا یک گل مناسب از نظر شکل پذیری را به ما بدهد را بدست می آوریم. برای خاک کائولن سوپر زنور عدد درصد آبکار پذیری ففرکورن 36% بود. این به این معنی است که در هر 100 گرم خاک باید 36 گرم آب بریزیم تا حاصل گل شکل پذیر و خوب درآید . حال که ما 500 گرم خاک داریم باید 36 را در 5 ضرب کرده یعنی 180 گرم آب به آن اضافه کنیم و از آنجایی که چگالی آب یک است می توان با استفاده از استوانه مدرج 180 میلی لیتر آب را برداشت. حال گل را خوب ورز می دهیم تا کاملا یکدست شود و درون آن حباب باقی نماند.2 تا قالب نمونه داریم. یکی برای تست استحکام و یکی برای تست انقباض.قالب نمونه تست استحکام در داخل ذوذنقه ای شکل است. و قالب نمونه انقباض مربع شکل است. برای نمونه استحکام گل را از طرفی که عرض بیشتری دارد وارد می کنیم و خوب فشار می دهیم تا جای خالی در داخل نماند و باعث تضعیف استحکام نشود. تا آنجایی که می توانیم باید نمونه سالم و صافی را بدست بیاوریم. برای نمونه انقباض هم گل را داخل قالب کرده و برای بیرون آوردن قالب را از دو طوف می کشیم تا نمونه بیرون آید. حال قطر های مربع را با کاردک علامت زده و دهانه کولیس را به اندازه 4 سانتی متر باز می کنیم و روی قطر های مربع علامت می زنیم. برای تست استحکام 4 نمونه و برای تست انقباض 1 یا 2 نمونه درست می کنیم. انقباض: برای انقباض یک نمونه درست کردیم. بعد از اینکه داخل خشک کن قرار دادیم و کاملا خشک شد با کولیس فاصله بین دو علامت را که قبلا زدیم را اندازه گیری می کنیم. در این جا Ld یعنی طول خشک حاصل می شود. این نمونه را در کوره قرار داده تا پخت نیز انجام گیرد. بعد از پخت نیز فاصله ی علامت های روی دو فطر را اندازه گیری کرده و میانگین 2 عدد به ما Lf را که همان طول پخت است می دهد. حال با استفاده از روابط زیر انقباض را بدست می آوریم: Lw – Ld / L d=40 -39.15/39.15=2.2% = درصد انقباض خشک به تر Ld–Lf /Lf=39.15 – 38.56/38.56=1.5%=درصد انقباض پخت به خشک Lw–Lf/Lf=40-38.56/38.56=3.7%=درصد انقباض پخت به تر(درصد انقباض کلی) Lw = طول تر Ld = طول خشک Lf = طول پخت اندازه گیری استحکام به روش 3 نقطه: نمونه هایی که داریم 2 تا به صورت خشک و 2 تا به صورت پخته شده است . حال 3 نقطه را روی هر نمونه تعیین کرده و عرض بالایی و عرض پایینی و ارتفاع آن را با کولیس اندازه می گیریم. میانگین 3 تا عدد عرض بالایی و 3 تا عرض پایینی را گرفته و میانگین عرض بالایی و عرض پایینی به ما عرض کل را می دهد. میانگین 3 ارتفاع را نیز برای هر نمونه محاسبه می کنیم. حال با استفاده از دستگاه ابتدا یک فاصله تکیه گاه مثلا 100 میلی متر را تنظیم می کنیم و بعد نیرو را وارد کرده زمانی که نمونه ما شکست نیرو را به ما می دهد. حال با استفاده از روابط زیر استحکام خمشی را اندازه گیری می کنیم: 3 pL / 2 bh2 (N/mm2) = استحکام خمشی P = نیرو بر حسب نیوتون L = فاصله تکیه گاه mm b = عرض mm h = ارتفاع mm 3x106.75x100/2x22.45x(16.1)2=2.75=استحکام خمشی نمونه پخته1 3x79.99x100/ 2x21.95x(16.2)2=2.08=استحکام خمشی نمونه پخته 2 3x29.68x100/2x 22.6x(16.4)2=0.73=استحکام خمشی نمونه خشک 3 3x42.06x100/2x22.5x(16.7)2=1.01 =استحکام خمشی نمونه خشک 4 میانگین اعداد به دست آمده: 0.87 = استحکام خام 2.415 = استحکام پخت بحث و نتیجه گیری : گروه نام خاک درصدانقباض خشک درصد انقباض تر درصدانقباض کلی استحکام خام استحکام پخت 1 بالکی 0.25 4.01 4.25 0.135 0.225 2 کائولن زنوز 8 7.28 14.25 1.41 0.23 3 کائولن سوپرزنوز 2.2 1.5 3.7 0.87 2.415 4 بالکی 3.75 3.11 6.75 0.095 0.155 5 کائولن زدلیتس 2.75 1.54 4.29 0.96 2.21 با توجه به اعداد بالا و همچنین با توجه به تئوری آزمایش و اعداد آزمایش پلاستیسیته معلوم می شود که هر چه پلاستیسیته خاک بیشتر باشد استحکام آن نیز بیشتر است. همانطور که در تئوری ذکر شد عوامل موثر در استحکام شامل عوامل موثر در پلاستیسیه نیز می شود. در مورد انقباض نیز هرچه درصد آبکار پذیری بیشتر باشد در هنگام خشک و پخت نیز آب بیشتری خارج شده و انقباض بیشتر می شود. خطاها: خطاهای ساخت نمونه: اول از همه خطا هنگامی که آب پلاستیسیته را از آزمایش قبل به دست آوردیم اگر عدد پلاستیسیته دارای خطا باشد گل خوبی به ما نمی دهد و نمی توان نمونه خوبی ساخت. هنگام ساخت نمونه اگر با دقت نمونه را نسازیم و نمونه دارای حفره یا ترک باشد یا صاف نباشد و حالت خمیده به خود بگیرد همه ی اینها باعث ایجاد خطا می شود. خطاهای آزمایش: اگر قطر را با کولیس دقیق اندازه نگیریم و همین طور خطای خود کولیس. اگر هنگام اندازه گیری قطر بخشی از خاک خراشیده شود اندازه ها دارای خطا می شود. همین طور در اندازه گیری ارتفاع و عرض نمونه های استحکام ممکن است خطا ایجاد شود. خطای دستگاه اندازه گیری استحکام. کتاب تکنولوژی سرامیک های ظریف ( افسون رحیمی – مهران متین )

هدف ازمایش: به دست اوردن درصد مانده روی الک و رسم نمودار ان و نوع توزیع ذرات در خاک مورد نظر . وسایل مورد نیاز: الک با شماره مش های 20 -30-40-50-70 .ترازو خاک(کاربید سدیم). روند ازمایش: ابتدا 400 گرم از خاک مورد نظر را وزن میکنیم وان را روی الک با سوراخ های بزرگ تر میریزیم تا زمانی الک میکنیم که دیگر خاکی از الک عبور نکند .(حدود 5-3 دقیقه) قسمتی که روی الک مانده را وزن میکنیم وعدد مربوط به ان را یادداشت میکنیم سپس با قسمت خاک زیر الک ادامه ازمایش را با الک های ریزتر انجام میدهیم. E M = _____% G %M . در صد مانده روی الک E . وزن مانده روی الک G. وزن کل خاک اعداد به دست امده از ازمایش: شماره الک وزن مانده روی الک درصد مانده روی الک 20 88/16 %22/4 30 89/61 %47/15 40 19/300 %04/75 50 89/13 %47/3 70 73/3 %93/0 وزن زیر الک اخر =85/1 در صد = %46/0 نتیجه گیری: دانه بندی تر برای خاک های غیر پلاستیک و دانه ریز مناسب است ولی دانه بندی خشک برای تمام خاک ها کاربرد دارد . به طور کلی دانه بندی با تخلخل رابطه عکس دارد یعنی هر چه تخلخل بیشتر باشد دانه بندی ریز تر خواهد بود. بر اساس نتایج بدست امده وبه طور مشخص در نمودار رسم شده بیشترین رنج دانه بندی در مش 40 و30 بوده و کمترین ان در رنج 70 است . خطاهای ازمایش: 1.خطای ترازو 2.مقداری از خاک در سوراخ های الک ها گیر میکند و عملآ در محاسبه حذف میشود. 3.ممکن است زودتر از اینکه تمام خاکی که میتواند از الک عبور کند مرحله بعد را شروع کنیم. 4.در مرحله وزن کردن ممکن است مقداری خاک به اطراف ترازو بریزد و باعث ایجاد خطا گردد.

is well known to producers of tiles and bricks who modify the atmospheres – oxidizing or reducing – of the kilns; – by considering now the raw materials, we can find a ternary composition, because the three components of silicate ceramics are: i) clays, ii) sand and iii) fluxes – i.e. compounds contributing to the firing thanks to the development of phases with low melting points. As kaolinite clay can be written: Al2O3-2SiO2- 2H2O, quartz sand: SiO2, and potassic feldspar, which is frequently used as a flux: K2O-Al2O3-6SiO2, we again find the ternary SiO2-Al2O3-MxOy (if MxOy = K2O). Figure 1.1 shows the equilibrium diagram Al2O3-SiO2-MgO and locates some of the main compounds that come under it [KEI 52, KIN 76]. Magnesia MgO is useful for refractory materials in iron metallurgy; mullite 3Al2O3-2SiO2, a unique compound defined in the binary diagram Al2O3-SiO2, is a crystallized phase present in many ceramics; cordierite 2MgO-2Al2O3-5SiO2 is characterized by very poor thermal expansion: it is used for example as catalyst support in exhaust pipes, etc. Hydroxyls OH- are present in many hydrated raw materials and water H2O allows the plasticity of clays, but because the ions and the corresponding molecules are eliminated in the heat treatments (this is called ignition loss), they are not taken into account in the composition of ceramics after firing. It is important to distinguish between impregnated water (which occurs as a mixture with rock particles and whose reversible departure is caused by simple drying, with possibility of rehydration in a wet environment) and combined water (which corresponds to the hydroxyls of the hydrated phases, for example to the four OH- in the formula of kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4). The departure of this “water” is accompanied by the disturbance of the crystallographic structure, hence the irreversible transformation at the end of firing beyond approximately 500°C. Silicate ceramics make the most of the versatility of silica (see section 1.5.2), which can exist in crystallized form (particularly quartz) or in amorphous form (silica glass) and, as a result, contain both crystallized phases and vitreous phases. The interatomic bonds brought into play in silicate ceramics are typically iono- covalent (SiO2 exhibiting a fine compromise, because its bonds are regarded as 50% ionic and 50% covalent), therefore these ceramics are almost always electrical insulators. The accentuation of the ionic nature yields hydrolysable compounds: halides can be regarded as ceramic compounds, but the salt-marsh workers are not classified among the producers of ceramic powders! 14 Ceramic Materials Alumina 1,925 2,050 Corundum 2,030 1,713 Silicia Two liquids Magnesia 2,800 Magnesia refractory materials 1,810 2,135 Figure 1.1. Main compounds in the diagram Al2O3-SiO2-MgO [KIN 76] 1.4. Non-silicate ceramics To classify any material, the user can consider two main categories: i) structural materials, whose operating performances are essentially mechanical, even thermal, in nature, and ii) functional materials, whose operating performances are primarily electrical, magnetic, optical, etc. We have said “primarily”, because we must underline, especially in a book of this nature, that no application can be exempt from mechanical properties. For example, the glasses in our spectacles are functional materials, designed in such a manner that their optical characteristics correct the defects in our vision, but their impact resistance or their scratch resistance are variables that are more difficult to improve than the optical properties. In addition to their functionalities, functional materials must in general exhibit a sufficient level of mechanical properties. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 15 1.4.1. Structural ceramics The uses of these ceramics vary according to their characteristics: – for ceramics with high mechanical performances, the established markets include abrasives, cutting tools and tribological applications: wear resistance and friction resistance (see Chapters 6, 7, 8 and 9); – for ceramics used at high temperatures, the established markets include refractory materials, essential for equipments of iron and steel, glass, cement or incineration industries (see Chapter 10); – for ceramics that must combine high mechanical performances and high temperatures the markets are more recent, but are growing rapidly. Only these ceramics are sometimes referred to as structural ceramics, but it is better to call them thermomechanical ceramics [CHE 89] (see Chapter 7). Thermostructural composites form the vanguard of thermomechanical ceramics: we will not discuss these composites here. The first two subdivisions that we have classified here among structural ceramics (abrasives, cutting tools and wear parts on the one hand, industrial refractory materials on the other) are often classified outside the field of ceramics. This is logical for abrasives, because if abrasive grains are ceramic compounds (primarily alumina Al2O3 or silicon carbide SiC), abrasives are themselves multi-material systems, for example, grinding stones whose matrix can be a glass or a ceramic, but frequently also a polymeric resin or a metal, or fabrics and papers (sandpaper) whose base is organic. The most widely used cutting tools and wear parts are made of tungsten carbide (WC) grains bonded together by a metal matrix, typically of cobalt. These cemented carbides fall under the category of cermets (for “ceramic- metal”), which are materials prepared by powder metallurgy, and this explains why they are claimed by ceramists and metallurgists. Our choice has been to include cermets among structural ceramics and to cover them in Chapter 9. Finally, as regards industrial refractory materials, their importance sometimes justifies their being regarded as a distinct category when we speak of “ceramics and refractory materials”. Here again, our choice has been to include refractory materials among ceramics (see Chapter 10), which is currently the commonly accepted view, but this does not however imply that refractory materials are always classified among structural ceramics. These remarks are essential to decipher economic data: spread across the three categories that we are considering here, structural ceramics represent a larger market than that of functional ceramics about which we will speak later on, but if reduced to thermomechanical ceramics and thermostructural composites, they represent only a small market in comparison with functional ceramics. 16 Ceramic Materials 1.4.2. Functional ceramics Functional ceramics are characterized by their: – electrical properties: insulators (very often), semiconductors (often), conductors (less frequently) and superconductors (a scientifically exciting field, but whose industrial applications are yet to be explored at the time of writing); – magnetic properties: hard magnets (permanent magnets) or soft magnets (winding cores); the field of magnetic recording is among one of the most spectacular scientific and technical advances with enormous industrial stakes; – optical properties; – chemical properties: catalysis, sensors; – “nuclear” properties: fuels, moderators; – biological properties: biomaterials and prostheses; – monocrystals for varied uses, for example for ionizing radiation detectors. Unlike silicate ceramics, raw materials used for the preparation of non-silicate ceramics are generally synthetic powders and not mixtures of crushed rocks. But these synthetic powders can result from natural products, which the English terminology makes easy to understand by distinguishing between “starting materials” (for example, alumina powders) and “raw materials” (bauxite rocks, in this case, whose treatment by the Bayer process yields the alumina powders) [CAS 90]. Ceramic compositions offer in general a simple chemistry, but microstructural parameters are complex. 1.4.2.1. Oxide ceramics Alumina Al2O3 is by far the foremost basic compound for “technical ceramics”, because alumina exhibits exceptional versatility: abrasion, cut, friction and wear, refractory uses, electricity and electronics, optics, biomedical, jewelry and the list can go on and on [CAS 90]. Silica SiO2 is also a basic compound both for ceramists and glassmakers; the alumina-silica diagram has for ceramists the same importance as the iron-carbon diagram has for metallurgists. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 17 Magnesia (MgO) and spinel (MgAl2O4) are primarily used as refractory materials in the iron and steel industry. Zirconia ZrO2 (not to be confused with zirconium silicate, called zircon, ZrSiO4) is used in the ceramic colors, but also for ionic conduction, mechanical purposes or in jewelry. Uranium oxide UO2 is the basic constituent of nuclear fuels, if necessary, as a mixture with a little plutonium oxide PuO2 (the mixture gives MOXs, or “mixed oxide nuclear fuels”). Barium titanate BaTiO3 is dielectric or a semiconductor, depending on its doping and its stoichiometry. It is the basic material in the industry of ceramic capacitors and it is also used for the manufacture of various types of probes and sensors. Soft ferrites and hard ferrites or hexaferrites are important materials for magnetic uses. “Soft” ferrites are crystals with a spinel structure whose reference is magnetite Fe3O4; “hard” hexaferrites are crystals with a hexagonal structure, whose type is BaFe12O19. Almost all metallic oxides have uses in ceramics, for example yttrium oxide Y2O3, beryllium oxide BeO, zinc oxide ZnO, tin oxide SnO2, superconductive cuprates like YBa2Cu3O7, and others. Most ceramic oxides are electrical insulators, whose electronic conduction is very weak (major exception: superconductors), but whose ionic conduction can be remarkable (for example, zirconia); those oxides that are semiconductors are frequently extrinsic semiconductors, whose performances vary considerably with the nature of the doping agents and their concentration. 1.4.2.2. Non-oxide ceramics Carbides form the main category of non-oxides [MCC 83], the most important of which are silicon carbide SiC, which is a semiconductor, but whose chemical is essentially covalent, and tungsten carbides, whose name comes from a typically metallic band structure, which therefore exhibits high electronic conductivity: tungsten carbide WC is the main industrial material in this class, which includes many other compounds, for instance, titanium carbide TiC. Nitrides primarily include silicon nitride Si3N4 and aluminum and silicon oxynitrides, also called sialons, aluminum nitride AlN, and various metallic nitrides, including TiN. 18 Ceramic Materials Some borides have industrial applications, for example titanium diboride TiB2 or lanthanum hexaboride LaB6, and some boron compounds are conventionally classified among borides, including boron carbide B4C and boron nitride BN, a material which has three polymorphs, including two isostructural carbon polymorphs: graphite and diamond. Silicides are numerous, but only one of them presents great industrial interest: molybdenum disilicide MoSi2 (not to be confused with molybdenum disulphide MoS2), which is used for the manufacture of the heating elements of very high temperature electric ovens (1,750°C), in air. Halides, finally, are more model materials in the chemistry of solids than usable ceramics, even if some of them are used for their optical properties; some chalcogenides could also enter the field of ceramics. This list omits a class of materials that has not yet been mentioned, in spite of its importance: carbonaceous materials – diamond, graphite, and more or less crystallized carbons that are obtained by heat treatments of tar and pitch, not to mention carbon fullerenes and nanotubes, which have not yet actually reached the stage of industrial products. Although some carbonaceous materials are prepared from organic raw materials, the trend is to classify the materials themselves under inorganic products: we endorse the term black ceramics [LEN 92]. Whereas oxides are mainly electrical insulators, non-oxides equally include insulators (for example, Si3N4 and AlN), semiconductors (for example, SiC) and conductors (for example, “metallic” carbides and borides and carbon products other than diamond, of which graphite is the most important). 1.5. Ceramic structures and microstructures 1.5.1. Ceramic structures This discussion on the crystalline structure of ceramics presupposes that the reader is familiar with the basics of crystallography [BUR 90, GIA 85, HAH 89]. Most oxides and silicates have crystalline structures obeying Pauling’s rules for ionic crystals, where the ions of small size (generally cations) enter the interstices of big ions (generally anions). The three main rules relate to the coordination number of cations, the coordination number of anions and the coordination number of polyhedra. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 19 The cation coordination number (Nc): the geometry of the polyhedron of anions around a cation depends on the ratio R = rcation/ranion. The cation must be in contact with the anions. The ionic radius varies, for a given element, with the charge of the ion and its coordination number. The anion coordination number (Na): the geometry of the polyhedron of cations around an anion is such that the sum of the electrostatic attractions resulting in the anion is equal to the charge (p) of this anion. For Mq+ X p-: s = electrostatic attraction of the link = q/Na Σs = p The force of the link is obtained by dividing the charge of the cation by its coordination number: EXAMPLE 1.– NaCl: NaVIClVI: each Na+ at the center of an octahedron of 6 Cl- contributes + 1/VI = 1/6, therefore Na(Cl-) = 6. EXAMPLE 2.– SiO2: SiIVOII 2: each Si4+ at the center of a tetrahedron of 4 O2- contributes + 4/IV = 1, therefore Na (O2-) = 2. The linking of polyhedra: the stability of the crystal decreases if the cations are too close, it decreases; therefore a linking of the coordination polyhedra at the corners is more favorable than at their edges and, even more so than at their faces. Many ceramic compounds have structures that bring into play an appreciably compact stacking of anions with cations in tetrahedral (four neighbors) or octahedral (six neighbors) coordination (see Table 1.1). 20 Ceramic Materials Formula Cation: anion coordination Type and number of interstices occupied Compact cubic stacking Compact hexagonal stacking MX 6:6 4:4 All the octa. Half the tetra. NaCl, FeO, MnS, TiC ZnS blende, CuCl, AgI-γ NiAs, FeS, NiS ZnS würtzite, AgI-β MX2 8:4 6:3 All the tetra. Half the octa. Alternating layers with all the occupied sites CaF2 fluorine, ThO2, ZrO2, UO2 CdCl2 – CdI2, TiS2 MX3 6:2 1/3 of the octa. Alternating pairs of layers with 2/3 of the octa. occupied BiI3, FeCl3, TiCl3, VCl3 M2X3 6:4 2/3 of the octa. Al2O3 corundum, Fe2O3, V2O3, Ti2O3, Cr2O3 ABO3 2/3 of the octa. FeTiO3 ilmenite AB2O4 1/8 of the tetra. and 1/2 of the octa. MgAl2O4 spinel, MgFe2O4 inverse spinel Mg2SiO4 olivine Table 1.1. Coordination and stacking in a few typical structures The structures are varied and we will mention only five of the most important ones (MgO, ZrO2, BaTiO3, Al2O3 and diamond), before discussing the rudiments of the structure of silicates: – MgO is the example of oxides with NaCl structure (space group Fm 3m) with Mg in site 4a (0, 0, 0) and O in 4b (1/2, 1/2, 1/2); Ceramic Compounds: Ceramic Materials 21 – CaF2 (fluorine) and K2O (antifluorine) also crystallize in the space group Fm 3m, with Ca in 4a and F in 8c ± (1/4, 1/4, 1/4); zirconia ZrO2 and urania UO2 adopt this type of structure; – BaTiO3 adopts a perovskite structure, with the oxygen octahedra at the center of which are titaniums, linked at their corners and surrounding a perovskite cage occupied by the large barium. A “beads on rods” representation of this structure places titanium at the eight corners of the cube, oxygen at the twelve centers of the edges and barium at the center of the cube (or barium at the eight corners of the cube, oxygen at the six centers of the faces and titanium at the center of the cube). Cuprate superconductors frequently have structures based on the perovskite structure; – alumina defines the corundum structure where oxygens form a compact stacking with the hexagonal aluminum ions placed in two-thirds of the octahedral sites, which decreases the overall symmetry towards the rhombohedric space group R 3 c; – if it is true that most ceramics have iono-covalent bonds which lead to structures that reasonably obey Pauling’s rules, others are markedly covalent. This is the case with silicon carbide, whose structure is similar to that of diamond (or silicon). We can think of a giant covalent molecule, extended to the scale of a crystal: the network is cubic, face centered and the pattern is composed of two carbon atoms, one located at 0, 0, 0 and the other located at 1/4, 1/4, 1/4; – as regards the various silicates, the description of the structure depends on the manner in which the Si-O bond is modeled. The ionic model predicts a compact stacking of O2-, with Si4+ and the other cations that occur in the various interstices. However, most silicates do not have a compact stacking of O2- and the coordination numbers observed often violate the rules deduced from the rcation/ranion ratio: the ionic model is imperfect. The covalent model describes the Si-O bonds by bonding orbitals, which explains the tetrahedral coordination of silicon and the angles between the bonds are close to the theoretical value of 109.5°. But the covalent model stumbles on some hurdles and explains less well than the ionic model the chemical formulas of most silicates and the substitution of silicon by aluminum, which correspond to formal charges: Si4+, Al3+, O2-, etc. In fact, the Si-O bond is 50% ionic and 50% covalent, the structure of silicates having been described based on tetrahedra [SiO4]4- linked such that: i) the tetrahedra are linked at the corners, ii) a bridging oxygen is common only to two tetrahedra and iii) the formal charges of the ions are Si4+ and O2-. The sequencing of the tetrahedra makes it possible to classify the various silicates under six categories, based on an increasing degree of polymerization [PUT 92]: 1) tetrahedra isolated from one another, without bridging oxygens, Si/O ratio = 1/4, (for example, olivine Mg2SiO4); 22 Ceramic Materials 2) two tetrahedra forming a dimer, with oxygens bridging two tetrahedra, each tetrahedron having one bridging and three non-bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3.5; charge of the dimer: [Si2O7]6-, (for example, rankinite Ca3Si2O7); 3) single chain silicates, each tetrahedron having two bridging and two non- bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3; a chain with N links has a charge [SiO3]n 2n- (for example, enstatite MgSiO3); 4) double chain silicates, half of the tetrahedra with two bridging and two non- bridging oxygens (Si/O = 1/3) and other half three bridging and one non-bridging (Si/O = 1/(2.5): in total Si/O = 2/5.5 and the charge is [Si4O11]n 6n- (for example, anthophyllite Mg7Si8O22(OH)2, the OHs being independent of the tetrahedra); 5) silicates forming two dimensional layers, each tetrahedron with three bridging and one non-bridging oxygens: Si/O = 1/(2.5); charge of a layer [Si2O5]n 2n- (for example, minerals of clays and micas or talc: Mg6Si8O20 (OH)4, the OHs being here again independent of the tetrahedra); 6) lastly, silicates where the tetrahedra are linked at all their corners: four bridging oxygens per tetrahedron, Si/O = 1/2 (for example, quartz SiO2). Quartz is part, like diamond, of a covalent description where the molecule extends to the scale of the entire crystal, regularly in the three-dimensional space. In addition to this classification, we can observe that: – when Al substitutes Si in the tetrahedron, we must consider the (Al+Si)/O ratio: for example, plagioclase feldspars, which range from albite NaAlSi3O8 to anorthite CaAl2Si2O8, the (Al+Si)/O ratio always being 1/2; – Al is generally in a tetrahedral site, instead of Si, but can be in an octahedral

هدف ازمایش: به دست اوردن درصد مانده روی الک و رسم نمودار ان و نوع توزیع ذرات در خاک مورد نظر . وسایل مورد نیاز: الک با شماره مش های 20 -30-40-50-70 .ترازو خاک(کاربید سدیم). روند ازمایش: ابتدا 400 گرم از خاک مورد نظر را وزن میکنیم وان را روی الک با سوراخ های بزرگ تر میریزیم تا زمانی الک میکنیم که دیگر خاکی از الک عبور نکند .(حدود 5-3 دقیقه) قسمتی که روی الک مانده را وزن میکنیم وعدد مربوط به ان را یادداشت میکنیم سپس با قسمت خاک زیر الک ادامه ازمایش را با الک های ریزتر انجام میدهیم. E M = _____% G %M . در صد مانده روی الک E . وزن مانده روی الک G. وزن کل خاک اعداد به دست امده از ازمایش: شماره الک وزن مانده روی الک درصد مانده روی الک 20 88/16 %22/4 30 89/61 %47/15 40 19/300 %04/75 50 89/13 %47/3 70 73/3 %93/0 وزن زیر الک اخر =85/1 در صد = %46/0 نتیجه گیری: دانه بندی تر برای خاک های غیر پلاستیک و دانه ریز مناسب است ولی دانه بندی خشک برای تمام خاک ها کاربرد دارد . به طور کلی دانه بندی با تخلخل رابطه عکس دارد یعنی هر چه تخلخل بیشتر باشد دانه بندی ریز تر خواهد بود. بر اساس نتایج بدست امده وبه طور مشخص در نمودار رسم شده بیشترین رنج دانه بندی در مش 40 و30 بوده و کمترین ان در رنج 70 است . خطاهای ازمایش: 1.خطای ترازو 2.مقداری از خاک در سوراخ های الک ها گیر میکند و عملآ در محاسبه حذف میشود. 3.ممکن است زودتر از اینکه تمام خاکی که میتواند از الک عبور کند مرحله بعد را شروع کنیم. 4.در مرحله وزن کردن ممکن است مقداری خاک به اطراف ترازو بریزد و باعث ایجاد خطا گردد.

is well known to producers of tiles and bricks who modify the atmospheres – oxidizing or reducing – of the kilns; – by considering now the raw materials, we can find a ternary composition, because the three components of silicate ceramics are: i) clays, ii) sand and iii) fluxes – i.e. compounds contributing to the firing thanks to the development of phases with low melting points. As kaolinite clay can be written: Al2O3-2SiO2- 2H2O, quartz sand: SiO2, and potassic feldspar, which is frequently used as a flux: K2O-Al2O3-6SiO2, we again find the ternary SiO2-Al2O3-MxOy (if MxOy = K2O). Figure 1.1 shows the equilibrium diagram Al2O3-SiO2-MgO and locates some of the main compounds that come under it [KEI 52, KIN 76]. Magnesia MgO is useful for refractory materials in iron metallurgy; mullite 3Al2O3-2SiO2, a unique compound defined in the binary diagram Al2O3-SiO2, is a crystallized phase present in many ceramics; cordierite 2MgO-2Al2O3-5SiO2 is characterized by very poor thermal expansion: it is used for example as catalyst support in exhaust pipes, etc. Hydroxyls OH- are present in many hydrated raw materials and water H2O allows the plasticity of clays, but because the ions and the corresponding molecules are eliminated in the heat treatments (this is called ignition loss), they are not taken into account in the composition of ceramics after firing. It is important to distinguish between impregnated water (which occurs as a mixture with rock particles and whose reversible departure is caused by simple drying, with possibility of rehydration in a wet environment) and combined water (which corresponds to the hydroxyls of the hydrated phases, for example to the four OH- in the formula of kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4). The departure of this “water” is accompanied by the disturbance of the crystallographic structure, hence the irreversible transformation at the end of firing beyond approximately 500°C. Silicate ceramics make the most of the versatility of silica (see section 1.5.2), which can exist in crystallized form (particularly quartz) or in amorphous form (silica glass) and, as a result, contain both crystallized phases and vitreous phases. The interatomic bonds brought into play in silicate ceramics are typically iono- covalent (SiO2 exhibiting a fine compromise, because its bonds are regarded as 50% ionic and 50% covalent), therefore these ceramics are almost always electrical insulators. The accentuation of the ionic nature yields hydrolysable compounds: halides can be regarded as ceramic compounds, but the salt-marsh workers are not classified among the producers of ceramic powders! 14 Ceramic Materials Alumina 1,925 2,050 Corundum 2,030 1,713 Silicia Two liquids Magnesia 2,800 Magnesia refractory materials 1,810 2,135 Figure 1.1. Main compounds in the diagram Al2O3-SiO2-MgO [KIN 76] 1.4. Non-silicate ceramics To classify any material, the user can consider two main categories: i) structural materials, whose operating performances are essentially mechanical, even thermal, in nature, and ii) functional materials, whose operating performances are primarily electrical, magnetic, optical, etc. We have said “primarily”, because we must underline, especially in a book of this nature, that no application can be exempt from mechanical properties. For example, the glasses in our spectacles are functional materials, designed in such a manner that their optical characteristics correct the defects in our vision, but their impact resistance or their scratch resistance are variables that are more difficult to improve than the optical properties. In addition to their functionalities, functional materials must in general exhibit a sufficient level of mechanical properties. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 15 1.4.1. Structural ceramics The uses of these ceramics vary according to their characteristics: – for ceramics with high mechanical performances, the established markets include abrasives, cutting tools and tribological applications: wear resistance and friction resistance (see Chapters 6, 7, 8 and 9); – for ceramics used at high temperatures, the established markets include refractory materials, essential for equipments of iron and steel, glass, cement or incineration industries (see Chapter 10); – for ceramics that must combine high mechanical performances and high temperatures the markets are more recent, but are growing rapidly. Only these ceramics are sometimes referred to as structural ceramics, but it is better to call them thermomechanical ceramics [CHE 89] (see Chapter 7). Thermostructural composites form the vanguard of thermomechanical ceramics: we will not discuss these composites here. The first two subdivisions that we have classified here among structural ceramics (abrasives, cutting tools and wear parts on the one hand, industrial refractory materials on the other) are often classified outside the field of ceramics. This is logical for abrasives, because if abrasive grains are ceramic compounds (primarily alumina Al2O3 or silicon carbide SiC), abrasives are themselves multi-material systems, for example, grinding stones whose matrix can be a glass or a ceramic, but frequently also a polymeric resin or a metal, or fabrics and papers (sandpaper) whose base is organic. The most widely used cutting tools and wear parts are made of tungsten carbide (WC) grains bonded together by a metal matrix, typically of cobalt. These cemented carbides fall under the category of cermets (for “ceramic- metal”), which are materials prepared by powder metallurgy, and this explains why they are claimed by ceramists and metallurgists. Our choice has been to include cermets among structural ceramics and to cover them in Chapter 9. Finally, as regards industrial refractory materials, their importance sometimes justifies their being regarded as a distinct category when we speak of “ceramics and refractory materials”. Here again, our choice has been to include refractory materials among ceramics (see Chapter 10), which is currently the commonly accepted view, but this does not however imply that refractory materials are always classified among structural ceramics. These remarks are essential to decipher economic data: spread across the three categories that we are considering here, structural ceramics represent a larger market than that of functional ceramics about which we will speak later on, but if reduced to thermomechanical ceramics and thermostructural composites, they represent only a small market in comparison with functional ceramics. 16 Ceramic Materials 1.4.2. Functional ceramics Functional ceramics are characterized by their: – electrical properties: insulators (very often), semiconductors (often), conductors (less frequently) and superconductors (a scientifically exciting field, but whose industrial applications are yet to be explored at the time of writing); – magnetic properties: hard magnets (permanent magnets) or soft magnets (winding cores); the field of magnetic recording is among one of the most spectacular scientific and technical advances with enormous industrial stakes; – optical properties; – chemical properties: catalysis, sensors; – “nuclear” properties: fuels, moderators; – biological properties: biomaterials and prostheses; – monocrystals for varied uses, for example for ionizing radiation detectors. Unlike silicate ceramics, raw materials used for the preparation of non-silicate ceramics are generally synthetic powders and not mixtures of crushed rocks. But these synthetic powders can result from natural products, which the English terminology makes easy to understand by distinguishing between “starting materials” (for example, alumina powders) and “raw materials” (bauxite rocks, in this case, whose treatment by the Bayer process yields the alumina powders) [CAS 90]. Ceramic compositions offer in general a simple chemistry, but microstructural parameters are complex. 1.4.2.1. Oxide ceramics Alumina Al2O3 is by far the foremost basic compound for “technical ceramics”, because alumina exhibits exceptional versatility: abrasion, cut, friction and wear, refractory uses, electricity and electronics, optics, biomedical, jewelry and the list can go on and on [CAS 90]. Silica SiO2 is also a basic compound both for ceramists and glassmakers; the alumina-silica diagram has for ceramists the same importance as the iron-carbon diagram has for metallurgists. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 17 Magnesia (MgO) and spinel (MgAl2O4) are primarily used as refractory materials in the iron and steel industry. Zirconia ZrO2 (not to be confused with zirconium silicate, called zircon, ZrSiO4) is used in the ceramic colors, but also for ionic conduction, mechanical purposes or in jewelry. Uranium oxide UO2 is the basic constituent of nuclear fuels, if necessary, as a mixture with a little plutonium oxide PuO2 (the mixture gives MOXs, or “mixed oxide nuclear fuels”). Barium titanate BaTiO3 is dielectric or a semiconductor, depending on its doping and its stoichiometry. It is the basic material in the industry of ceramic capacitors and it is also used for the manufacture of various types of probes and sensors. Soft ferrites and hard ferrites or hexaferrites are important materials for magnetic uses. “Soft” ferrites are crystals with a spinel structure whose reference is magnetite Fe3O4; “hard” hexaferrites are crystals with a hexagonal structure, whose type is BaFe12O19. Almost all metallic oxides have uses in ceramics, for example yttrium oxide Y2O3, beryllium oxide BeO, zinc oxide ZnO, tin oxide SnO2, superconductive cuprates like YBa2Cu3O7, and others. Most ceramic oxides are electrical insulators, whose electronic conduction is very weak (major exception: superconductors), but whose ionic conduction can be remarkable (for example, zirconia); those oxides that are semiconductors are frequently extrinsic semiconductors, whose performances vary considerably with the nature of the doping agents and their concentration. 1.4.2.2. Non-oxide ceramics Carbides form the main category of non-oxides [MCC 83], the most important of which are silicon carbide SiC, which is a semiconductor, but whose chemical is essentially covalent, and tungsten carbides, whose name comes from a typically metallic band structure, which therefore exhibits high electronic conductivity: tungsten carbide WC is the main industrial material in this class, which includes many other compounds, for instance, titanium carbide TiC. Nitrides primarily include silicon nitride Si3N4 and aluminum and silicon oxynitrides, also called sialons, aluminum nitride AlN, and various metallic nitrides, including TiN. 18 Ceramic Materials Some borides have industrial applications, for example titanium diboride TiB2 or lanthanum hexaboride LaB6, and some boron compounds are conventionally classified among borides, including boron carbide B4C and boron nitride BN, a material which has three polymorphs, including two isostructural carbon polymorphs: graphite and diamond. Silicides are numerous, but only one of them presents great industrial interest: molybdenum disilicide MoSi2 (not to be confused with molybdenum disulphide MoS2), which is used for the manufacture of the heating elements of very high temperature electric ovens (1,750°C), in air. Halides, finally, are more model materials in the chemistry of solids than usable ceramics, even if some of them are used for their optical properties; some chalcogenides could also enter the field of ceramics. This list omits a class of materials that has not yet been mentioned, in spite of its importance: carbonaceous materials – diamond, graphite, and more or less crystallized carbons that are obtained by heat treatments of tar and pitch, not to mention carbon fullerenes and nanotubes, which have not yet actually reached the stage of industrial products. Although some carbonaceous materials are prepared from organic raw materials, the trend is to classify the materials themselves under inorganic products: we endorse the term black ceramics [LEN 92]. Whereas oxides are mainly electrical insulators, non-oxides equally include insulators (for example, Si3N4 and AlN), semiconductors (for example, SiC) and conductors (for example, “metallic” carbides and borides and carbon products other than diamond, of which graphite is the most important). 1.5. Ceramic structures and microstructures 1.5.1. Ceramic structures This discussion on the crystalline structure of ceramics presupposes that the reader is familiar with the basics of crystallography [BUR 90, GIA 85, HAH 89]. Most oxides and silicates have crystalline structures obeying Pauling’s rules for ionic crystals, where the ions of small size (generally cations) enter the interstices of big ions (generally anions). The three main rules relate to the coordination number of cations, the coordination number of anions and the coordination number of polyhedra. Ceramic Compounds: Ceramic Materials 19 The cation coordination number (Nc): the geometry of the polyhedron of anions around a cation depends on the ratio R = rcation/ranion. The cation must be in contact with the anions. The ionic radius varies, for a given element, with the charge of the ion and its coordination number. The anion coordination number (Na): the geometry of the polyhedron of cations around an anion is such that the sum of the electrostatic attractions resulting in the anion is equal to the charge (p) of this anion. For Mq+ X p-: s = electrostatic attraction of the link = q/Na Σs = p The force of the link is obtained by dividing the charge of the cation by its coordination number: EXAMPLE 1.– NaCl: NaVIClVI: each Na+ at the center of an octahedron of 6 Cl- contributes + 1/VI = 1/6, therefore Na(Cl-) = 6. EXAMPLE 2.– SiO2: SiIVOII 2: each Si4+ at the center of a tetrahedron of 4 O2- contributes + 4/IV = 1, therefore Na (O2-) = 2. The linking of polyhedra: the stability of the crystal decreases if the cations are too close, it decreases; therefore a linking of the coordination polyhedra at the corners is more favorable than at their edges and, even more so than at their faces. Many ceramic compounds have structures that bring into play an appreciably compact stacking of anions with cations in tetrahedral (four neighbors) or octahedral (six neighbors) coordination (see Table 1.1). 20 Ceramic Materials Formula Cation: anion coordination Type and number of interstices occupied Compact cubic stacking Compact hexagonal stacking MX 6:6 4:4 All the octa. Half the tetra. NaCl, FeO, MnS, TiC ZnS blende, CuCl, AgI-γ NiAs, FeS, NiS ZnS würtzite, AgI-β MX2 8:4 6:3 All the tetra. Half the octa. Alternating layers with all the occupied sites CaF2 fluorine, ThO2, ZrO2, UO2 CdCl2 – CdI2, TiS2 MX3 6:2 1/3 of the octa. Alternating pairs of layers with 2/3 of the octa. occupied BiI3, FeCl3, TiCl3, VCl3 M2X3 6:4 2/3 of the octa. Al2O3 corundum, Fe2O3, V2O3, Ti2O3, Cr2O3 ABO3 2/3 of the octa. FeTiO3 ilmenite AB2O4 1/8 of the tetra. and 1/2 of the octa. MgAl2O4 spinel, MgFe2O4 inverse spinel Mg2SiO4 olivine Table 1.1. Coordination and stacking in a few typical structures The structures are varied and we will mention only five of the most important ones (MgO, ZrO2, BaTiO3, Al2O3 and diamond), before discussing the rudiments of the structure of silicates: – MgO is the example of oxides with NaCl structure (space group Fm 3m) with Mg in site 4a (0, 0, 0) and O in 4b (1/2, 1/2, 1/2); Ceramic Compounds: Ceramic Materials 21 – CaF2 (fluorine) and K2O (antifluorine) also crystallize in the space group Fm 3m, with Ca in 4a and F in 8c ± (1/4, 1/4, 1/4); zirconia ZrO2 and urania UO2 adopt this type of structure; – BaTiO3 adopts a perovskite structure, with the oxygen octahedra at the center of which are titaniums, linked at their corners and surrounding a perovskite cage occupied by the large barium. A “beads on rods” representation of this structure places titanium at the eight corners of the cube, oxygen at the twelve centers of the edges and barium at the center of the cube (or barium at the eight corners of the cube, oxygen at the six centers of the faces and titanium at the center of the cube). Cuprate superconductors frequently have structures based on the perovskite structure; – alumina defines the corundum structure where oxygens form a compact stacking with the hexagonal aluminum ions placed in two-thirds of the octahedral sites, which decreases the overall symmetry towards the rhombohedric space group R 3 c; – if it is true that most ceramics have iono-covalent bonds which lead to structures that reasonably obey Pauling’s rules, others are markedly covalent. This is the case with silicon carbide, whose structure is similar to that of diamond (or silicon). We can think of a giant covalent molecule, extended to the scale of a crystal: the network is cubic, face centered and the pattern is composed of two carbon atoms, one located at 0, 0, 0 and the other located at 1/4, 1/4, 1/4; – as regards the various silicates, the description of the structure depends on the manner in which the Si-O bond is modeled. The ionic model predicts a compact stacking of O2-, with Si4+ and the other cations that occur in the various interstices. However, most silicates do not have a compact stacking of O2- and the coordination numbers observed often violate the rules deduced from the rcation/ranion ratio: the ionic model is imperfect. The covalent model describes the Si-O bonds by bonding orbitals, which explains the tetrahedral coordination of silicon and the angles between the bonds are close to the theoretical value of 109.5°. But the covalent model stumbles on some hurdles and explains less well than the ionic model the chemical formulas of most silicates and the substitution of silicon by aluminum, which correspond to formal charges: Si4+, Al3+, O2-, etc. In fact, the Si-O bond is 50% ionic and 50% covalent, the structure of silicates having been described based on tetrahedra [SiO4]4- linked such that: i) the tetrahedra are linked at the corners, ii) a bridging oxygen is common only to two tetrahedra and iii) the formal charges of the ions are Si4+ and O2-. The sequencing of the tetrahedra makes it possible to classify the various silicates under six categories, based on an increasing degree of polymerization [PUT 92]: 1) tetrahedra isolated from one another, without bridging oxygens, Si/O ratio = 1/4, (for example, olivine Mg2SiO4); 22 Ceramic Materials 2) two tetrahedra forming a dimer, with oxygens bridging two tetrahedra, each tetrahedron having one bridging and three non-bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3.5; charge of the dimer: [Si2O7]6-, (for example, rankinite Ca3Si2O7); 3) single chain silicates, each tetrahedron having two bridging and two non- bridging oxygens: Si/O ratio = 1/3; a chain with N links has a charge [SiO3]n 2n- (for example, enstatite MgSiO3); 4) double chain silicates, half of the tetrahedra with two bridging and two non- bridging oxygens (Si/O = 1/3) and other half three bridging and one non-bridging (Si/O = 1/(2.5): in total Si/O = 2/5.5 and the charge is [Si4O11]n 6n- (for example, anthophyllite Mg7Si8O22(OH)2, the OHs being independent of the tetrahedra); 5) silicates forming two dimensional layers, each tetrahedron with three bridging and one non-bridging oxygens: Si/O = 1/(2.5); charge of a layer [Si2O5]n 2n- (for example, minerals of clays and micas or talc: Mg6Si8O20 (OH)4, the OHs being here again independent of the tetrahedra); 6) lastly, silicates where the tetrahedra are linked at all their corners: four bridging oxygens per tetrahedron, Si/O = 1/2 (for example, quartz SiO2). Quartz is part, like diamond, of a covalent description where the molecule extends to the scale of the entire crystal, regularly in the three-dimensional space. In addition to this classification, we can observe that: – when Al substitutes Si in the tetrahedron, we must consider the (Al+Si)/O ratio: for example, plagioclase feldspars, which range from albite NaAlSi3O8 to anorthite CaAl2Si2O8, the (Al+Si)/O ratio always being 1/2; – Al is generally in a tetrahedral site, instead of Si, but can be in an octahedral

Ceramic Materials 1.1. Ceramics Defining what the term “ceramic” means is not simple, as there is no single definition on which everyone agrees; there are in fact various definitions depending on the point of view adopted. We can thus consider the points of view of a historian, a scientist (physicist, chemist, etc.), an engineer or a manufacturer. 1.1.1. Ceramics and terra cotta The concept of ceramics is historically related to the concept of terra cotta and pottery, from which the Greek term κεραμοσ derives. This vision refers to the soils, the crushed rocks, that is, the geological materials and it also highlights firing: ceramic art is the art of fire, even if the ceramist has his feet in clay… The potter chooses suitable soils, primarily clay soils, which in the wet state offer the plasticity required to model them in the desired form: cup, vase or statuette. Then the piece is dried and water loss makes it lose its plasticity, but rehydration would restore the clay’s initial properties. In fact, dried clay is not yet a ceramic, although it is utilized in the production of rudimentary bricks used in very dry countries – like Saharan Africa. It is in fact the firing that causes the irreversible Chapter written by Philippe BOCH and Jean-François BAUMARD. 4 Ceramic Materials physicochemical transformations resulting in a material that has lost its plasticity and is no longer capable of rehydration: ceramic. Terra cotta bricks or flower pots are examples of these products, whose visual appearance is not very different from dried clays, but whose mechanical resistance is much higher and, for which water- insensitivity constitutes an essential property. The identification between “ceramic” and “terra cotta” gathers together the basic concepts that we will continue to encounter throughout this book: powdery mineral raw materials [RIN 96], the shaping which is made possible by the plasticity of wet clay, the heat treatments which start by drying (reversible dehydration) and continue with firing (irreversible dehydration and permanent physicochemical modifications). We have not yet mentioned in the description a major characteristic that conditions the preparation techniques as well as the uses of ceramics: brittleness. The flower pot is hard (it can scratch a metal sheet) but is vulnerable to impact. This brittleness is a hydra with many heads, as it implies: i) lack of ductility and plasticity; ii) low toughness and therefore great sensitivity to the notch effect; iii) poor mechanical impact resistance, i.e. poor resilience; iv) vulnerability to differential expansions, therefore vulnerability to thermal shocks; v) mechanical tensile strength significantly lower than compression strength; vi) significant dispersion of the mechanical strengths in samples believed to be identical. But the hydra can be tamed and these drawbacks come with a set of qualities that make ceramics irreplaceable for innumerable applications. We must also point out that artists, historians or museologists often use the term “ceramic” as a noun rather than as an adjective: “a Greek ceramic…” meaning “a Greek ceramic vase…”. 1.1.2. Ceramics: physics, chemistry, science and materials engineering The definitions depend on the point of view adopted: – solid state physicists are particularly interested in the electronic structure of solids and their conduction properties [KIT 98]. It is therefore natural for them to classify solids – as they seldom speak about materials – in a ternary division: i) insulators ii) semiconductors and iii) conductors and superconductors. The term ceramic is rarely used, but when it is, it refers to oxides, whether they are insulators Ceramic Compounds: Ceramic Materials 5 or conductors, even superconductors like cuprates, which earned Bednorz and Müller the Nobel Prize [BED 86]; – solid state chemists attach particular importance to the nature of the bonding forces, by distinguishing three types of strong bonds (metallic bond, ionic bond and covalent bond) and various variants of weak bonds (like the Van der Waals bond) [JAF 88, WEL 84, WES 90]. Ceramics are therefore solids with essential bonds. However, solid state chemists usually reserve the term ceramics for polycrystalline materials, as opposed to crystals (monocrystalline) and glasses. Thus, a crystallized polycrystalline silica (SiO2) – for example, in the form of quartz – obtained by sintering (we will explain the meaning of this term a little further on) [GER 86] is regarded as a ceramic, but not the corresponding monocrystal (it is a crystal), or quartz glass – whose amorphous structure makes it unworthy of being qualified as a ceramic; – materials science adopts a ternary classification that distinguishes i) organic materials, ii) inorganic and metallic materials and iii) inorganic and non-metallic materials. The concept of ceramic compounds is extremely broad here, as it is synonymous with the third category of inorganic and non-metallic materials. Therefore, ceramic compounds include most minerals and rocks, i.e. almost the entire crust of our planet. It should be noted that this definition of ceramics shifts the problem to other definitions, including the exact meaning that must be given to the term metallic. Tungsten carbide (WC), for example, can be classified among ceramics, but it is an electronic conductor that physicists classify within the group of metallic solids; – materials engineering is an engineers’ science, and thus considers not only the chemical composition, structure and properties of solids, but also their method of preparation. It is therefore appropriate to split in two each of the three categories put forward by materials science and separate natural materials from synthetic materials. Organic materials are then differentiated into natural products (like wood) and synthetic products (like most polymers) – but under what can we classify plywood? Metallic materials distinguish the rare native metals (gold, sometimes copper) from all metals and alloys that are derived from industrial processes. Finally, inorganic and non-metallic materials, classify on one side minerals and on the other rocks and ceramics or, more exactly, the triplet: ceramics + glasses + hydraulic binders (cement and plaster are examples of hydraulic binders). All these definitions are useful and they are not mutually exclusive. It is advantageous, depending on the subject treated, to adopt a particular point of view – the vision of the physicist being undoubtedly preferable when we consider the electronic conduction properties of ceramics and the vision of the materials engineers being undoubtedly more relevant when we have industrial concerns. Now we will discuss the most widely used manufacturing techniques, as they help us to locate and define what we will mean by ceramics in this book. 6 Ceramic Materials 1.1.3. Powders; sintering We have said that brittleness is a predominant feature of ceramics – at least at normal temperatures, because at very high temperatures (typically above 1,000°C), a certain plasticity can be observed. Brittleness causes limitations in the uses of ceramics (it is advisable to avoid bulls in a china shop…), but it also induces restrictions in the production techniques applicable to ceramics. This opposition is most evident between metals and ceramics: – a metallic object is typically obtained in two stages: production of the material in the form of a semi-finished product (bars, sheets, wires, etc.), and then production of the object (body of a car or a bolt, etc.). The processing methods take advantage of the fact that most metals are sufficiently ductile and malleable to laminate them, to deform them plastically, to stretch them, etc. and that they are sufficiently soft to cut them, turn them, mill them, bore them, etc.; – the production of a ceramic object is not dissociated from the processing of the material: the potter does not cut his vase in an already consolidated ceramic preform! The firing of the wet clay rough shape solidifies the object in its final form while simultaneously allowing physicochemical reactions transforming the raw materials into ceramic phases. In most cases, the ceramist creates the object whilst working on the material that constitutes it. It is true that some metal parts are produced by foundry, a process where the processing of the material and preparation of the object are concomitant. But foundry is seldom applied to ceramics because of the high temperatures that would be required – as the melting points of ceramics are generally higher than those of common metals – and also because of its brittleness, which makes it necessary to avoid thermal shocks and differential expansions. All these limitations on the possible manufacturing processes explain why the basic technique for the preparation of ceramic parts is sintering, i.e. the transformation, using the mechanisms of atomic diffusion, of a powdery substance – a non-cohesive granular medium made up of loosely agglomerated particles, therefore without any marked mechanical properties – into a consolidated substance – a cohesive granular medium whose grains are strongly linked to one another, hence with strong mechanical properties of a solid and not the poor performance of a powder. We can give the example of a snowball, a non-cohesive material that we can throw at someone’s face without any risk of hurting that person, but which can be transformed into a block of ice, a cohesive material, which can hurt when thrown like a stone. The movements of matter (atomic diffusion) that allow sintering are activated thermally and it is only when the temperature is sufficiently high (typically 0.5 Tf to 0.8 Tf, where Tf is the melting point expressed in Kelvin) that sintering occurs at a usable speed. Snow is transformed easily into ice because, even in very cold areas, temperatures remain high in relation to melting, at 273 K. But for ceramics, where Tf generally exceeds Ceramic Compounds: Ceramic Materials 7 1,300 K and can exceed 2,500 K, sintering requires high temperature firing: that is why ceramics is an art of fire. We may note that sintering is the basic process for the preparation of ceramic parts, but it is also increasingly used for the manufacture of metallic objects (powder metallurgy). What is true for ceramics can be transposed, partly, to glasses and hydraulic binders: these three types of materials are interrelated and we can say that all three bring into play ceramic compounds. But if we consider that a ceramic object is made of ceramic compounds processed by ceramic techniques, we can differentiate these materials by the order in which the three fundamental steps of the process take place: powders (P), forming of the object (F) and heat treatments of drying and sintering (HT): – P→F→HT: the manufacture of a ceramic component starts from a powdery medium (P), continues with its forming (F), and then ends with the heat treatments (HT). The consolidation of the material is done during sintering, therefore during the high temperature treatment; – P→HT→F: the manufacture of a glass component also starts with the powdery medium (P), but this is followed by heat treatments (HT), which must result in melting, whereas the consolidation occurs at the end of the process, at the time of the solidification of the magma on cooling, therefore at the same time as the forming of the object (F); – HT→P→F: the use of hydraulic binders starts with heat treatments (HT) – for example the firing, at about 1,450°C, of a mixture of limestone and clay for the preparation of cement clinker – then the reactive powders (P) thus produced are formed (F) and consolidated at normal temperatures, due to chemical reactions. This differentiation of ceramics, glasses and hydraulic binders based on the order of operations P/F/HT is rather simplistic, as it refers only to the most common cases. In fact, some ceramics are prepared by other sequences than the P→F→HT trio, some glasses are fashioned by sintering, and there are other exceptions, some of which will be discussed in detail in this book. However, the classification suggested is sufficiently relevant to be retained here, which implies that this volume on ceramics does not consider either glasses [ZAR 82] or hydraulic binders [BAR 96, TAY 97], these materials being studied in separate books. A logic emphasizing “the scientific aspects” rather than “the technical and industrial aspects” could have, on the other hand, justified combining the three categories of materials. The distinction made here between industrial ceramics and glasses lies in the method of preparation, not in the difference between crystalline solids and amorphous solids. In fact, some ceramics are mainly made up of vitreous (amorphous) phases, whereas vitroceramics are obtained by crystallizing a glass (devitrification). 8 Ceramic Materials 1.1.4. A few definitions In the reference work on ceramics [KIN 76], the authors place “the art and the science of ceramics in the production and use of objects formed of solids, whose essential components are inorganic and non-metallic materials”. This definition includes not only potteries, porcelains, refractory materials, terra cotta products, abrasives, sheet enamels, cements and glasses, but also magnetic non-metallic materials, ferroelectric materials, synthetic monocrystals and vitroceramics, not to mention “a variety of other products that did not exist a few years ago and the many others that do not yet exist…”. Kingery et al. stress that this definition largely exceeds terra cotta products consolidated by firing, to which the Greek term κεραμοσ refers, just as it exceeds the definitions given by most dictionaries – but our Petit Larousse is apt, defining the adjective “ceramic” as “relating to the manufacture of potteries and other terra cotta objects (including earthenware, stoneware, porcelain)” but also “ceramic material or ceramic: manufactured material that is neither a metal nor an organic material”. Kingery et al. adopt a scientific approach, which considers compounds rather than materials and thus includes glasses and cements among ceramics, but they do not make the jump to natural materials, since they mention only synthetic monocrystals, and yet the quartz that man has synthesized to cut out small piezoelectric resonators that form the heart of modern watches is a twin of the natural rock crystal. In the Dictionary of Ceramic Science and Engineering [OBA 84], we find a rather restrictive definition of ceramics: “Any inorganic and non-metallic product prepared by treatment at temperatures higher than 540°C (1,000°F) or used under conditions implying these temperatures, which includes metallic oxides and borides, carbides, nitrides and mixtures of these compounds”. We will see that kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4 – which is the main mineral of clays, hence the name kaolin given to some clays rich in kaolinite – undergoes irreversible reactions that transform it into metakaolinite when it is fired above approximately 500°C, which could justify the temperature of 540°C selected in the definition used to make the distinction between dried earth and terra cotta. In the Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials [BRO 91], which presents the common viewpoint held in Europe, we can distinguish materials and processes: – ceramic materials are based on inorganic non-metallic compounds, primarily oxides, but also nitrides, carbides, silicides; they must contain at least 30% of crystallized phases in volume; they exhibit a fragile behavior, with a stress-strain curve that obeys Hooke’s law of linear elasticity; Ceramic Compounds: Ceramic Materials 9 – ceramic processes bring sintering primarily into play, at temperatures higher than 800°C. We will now pause the study on the definitions of the word “ceramic”, which was necessary to bring to light some of the keywords that we will find throughout this book (non-metallic inorganic compounds, mineral powders, heat treatments and sintering, brittleness, etc.) and also to justify the differences that arise from the variety of possible points of view. If we propose our own definition, it could be the following: ceramic materials are synthetic materials, mainly composed of ionocovalent inorganic phases, not fully amorphous, and generally consolidated by the sintering at high temperatures of a powdery “compact” formed into the shape of the desired object, the starting powders being frequently prepared from crushed rocks. We do not think it necessary to define a threshold for the sintering temperature; it is important, with the development of composites, to suggest that besides inorganic phases, minority organic phases can occur; the existence of interesting ceramic materials with electronic conduction means that the reference to the iono-covalent character of the bonds does not exclude a partially metallic nature; lastly, it is necessary to insist on the closeness between the world of ceramics and that of minerals and rocks. If we were to expand this idea, we could affirm that “ceramics are synthetic rocks”. 1.2. Ceramic compounds Defining a ceramic compound as a non-metallic inorganic compound is a paradoxical choice, because it supposes that the concept of metal is sufficiently unambiguous to serve as basis for clarifying its antonym. However, confusions are frequent here, and are aggravated by the fact that ceramic compounds are metallic- non-metallic compounds, which we shall now study in detail. 1.2.1. Chemistry of ceramics Metallic elements form a majority among the elements of the periodic table. We know that these elements are located on the left of this table, and are therefore electropositive elements – which tend to lose electrons to yield positively charged cations. Non-metallic elements, sometimes denoted by their old name metalloids, are located on the right of the table: they are electronegative and tend to capture electrons. The ionic bond is illustrated by the attractions that develop between a metal, sodium, and a non-metal, chlorine, to create sodium chloride NaCl – also written as Na+Cl-. 10 Ceramic Materials Oxygen, a non-metal, is the most abundant element in the 45 km-thick Earth’s crust (approximately 47% in mass) [EMS 95]; then comes an element at the border between metals and non-metals, silicon (≈ 28%), and then metallic elements, particularly aluminum (≈ 8%) and iron (≈ 4%). Aluminum and iron are the most widespread metals – if we reason in terms of elements, but in a world rich in oxygen, almost all metals tend to oxidize, so that only noble metals remain in the native state, more stable than their oxides: we can find in the soil a few gold nuggets and a little native copper, but never blocks of aluminum or iron; in other words, we do not find in an isolated state materials whose constitutive elements are so abundant. Let us remind ourselves that we left the Stone Age only a few thousand years ago to reach the Bronze Age and then the Iron Age; that it was only in 1824 that Berzelius isolated silicon and in 1825 that Oersted isolated aluminum. In short, it is obvious that the reduction towards the constitutive metal of very stable metallic oxides – their enthalpies of formation are several hundred kilojoules per mole – is a difficult process. The essentially iono-covalent, non-metallic compounds that constitute ceramics are compounds formed between metals and non-metals. The opposition – the word is not too strong – between a metallic material and a metallic oxide can be illustrated by the comparison between a metal, aluminum, and its oxide, Al2O3 (alumina in English, where oxides are named by adding the ending “a” to the name of the metal: aluminum/alumina, silicon/silica, magnesium/magnesia, uranium/urania, etc.): – aluminum melts at low temperatures (660°C); it is an excellent conductor of electricity and heat, opaque to visible light, soft and very ductile, its modulus of elasticity is low (one-third that of steel) and it is vulnerable to the aggressions of multiple chemical reactants; – alumina melts at high temperatures (2,050°C); it is one of best known electrical insulators and a poor heat conductor; it is transparent to visible light, very hard but brittle, its modulus of elasticity is high (double that of steel) and it resists most aggressions of chemical reactant: in particular, it is perfectly stable in an oxidizing medium, as it “is already oxidized”. This comparison brings to light the fact that metals and metallic oxides exhibit different, even opposite, characteristics. Regarded as compounds formed between metals and non-metals, ceramics can therefore be classified with reference to the non-metal that is involved in the bond. The abundance of oxygen is such that the largest share belongs to oxides, while within these oxides, the abundance of silicon privileges silicates – which combine oxygen and silicon. Besides oxides, we find carbides and nitrides (the non-metals being respectively carbon and nitrogen), as well as borides, silicides (not to be Ceramic Compounds: Ceramic Materials 11 confused with silicates), even halides (chlorides, fluorides, iodides, etc.), sulphides, etc. However, another separation distinguishes silicate ceramics and non-silicate ceramics [CER 99]. 1.2.2. Silicate ceramics and non-silicate ceramics The abundance of oxygen, silicon and aluminum implies that the Earth’s crust consists predominantly (more than 97%) of silicate minerals, particularly aluminosilicates. Granite, for example, is a rock made up of quartz (the usual crystallized form of silica SiO2), feldspars (for example potassic feldspar KAlSi3O8) and various micas-aluminosilicates containing iron, magnesium or sodium; clay is a rock that always contains a high proportion of the mineral kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4, etc. We can mention here a practice of ceramists that can lead to confusion: they write chemical formulas of oxide compounds as if they were elementary mixtures of oxides and not compounds: KAlSi3O8 is written as K2O-Al2O3-6SiO2 and Al2(Si2O5)(OH)4 is written as Al2O3-2SiO2-2H2O. This does not obviously mean that potassic feldspar is an agglomerate of the oxide of potassium, aluminum and silicon, and that kaolinite is a mixture of alumina, silica and water. A common error is therefore to think that the high proportion of aluminum in the soil, which is the reason behind the frequent occurrence of “alumina” in the writing of the constitution of minerals, makes this alumina a common mineral: this is not the case, as can be testified by the fortunate but rare owners of the main gem whose chemical composition is Al2O3: sapphire! Since the Earth’s crust is primarily made up of silicates, we can understand why all ceramics that come close, by near or by far, to terra cotta are silicate materials. Silicate ceramics form, in tonnage, the majority of the world of ceramics. They are often described as traditional ceramics, a term which we do not endorse because it may be understood as opposed to progress and technical improvements – whereas many silicate ceramics are sophisticated materials – but which is justified by history: it was only at the end of the 19th century that non-silicate ceramics came to the scene, with specific uses that explain their other name, technical ceramics. Our choice here is to use “silicate ceramics” and “non-silicate ceramics”, rather than opposing tradition and advanced technology. We may note that almost all industrial glasses and cements are also silicate compounds. 12 Ceramic Materials 1.3. Silicate ceramics If we consider industrial products, and forget for the moment glasses and cements, the world of silicate ceramics (see Chapter 4) consists of the usual products: – terra cotta products, the most important of these being bricks and tiles, sometimes known as red products because of the color that they owe to the iron oxides they contain; – ceramic tiles; – sanitary ceramics; – tableware: colored, opaque and waterproof sandstone, often colored, opaque and porous earthenware, but generally covered with a waterproofing enamel – sometimes well, sometimes badly when it is cracked, but the esthetic quality is then enhanced – white, translucent and waterproof porcelain; white, opaque and waterproof vitreous objects; – technical ceramics, for example porcelains for electric insulation or porcelains for resistance to chemical attacks; – bioceramics (dental prostheses, etc.); – certain refractory materials, which serve as protection or insulation elements within devices that must function at high temperatures (lining of chimney hearths, etc.); – enamel sheets, to cover and protect steel sheets that are part of our refrigerators and washing machines. These enamel sheets are too often forgotten in works dealing with ceramics and glasses – but as these enamels are primarily amorphous and prepared by melting, it is better to classify them among glasses than among ceramics; – silica products – but it is common practice to classify them among technical ceramics, therefore paradoxically, to exclude them from silicate ceramics. Though non-exhaustive, this list shows the variety of the products involved. As regards the composition on the one hand, and the raw materials brought into play on the other, a silicate ceramics can be located primarily in a ternary diagram: – by adopting the conventional writing in the form of “mixtures” of elementary oxides, the composition of most silicate ceramics is in the pseudo-ternary diagram SiO2-Al2O3-MxOy, where MxOy is an oxide like Fe2O3, K2O, Na2O, MgO, TiO2, etc. The natural abundance of the element iron explains, as we have seen, the red, brown and yellow coloring of a number of silicate ceramics, where the degree of oxidation of iron (Fe3+: ferric-iron or Fe2+: ferrous

“exhaustiveness” coverage of the world of ceramic materials, if only because this subject covers such a wide area that only one book would not be able to do it justice – even if it is supplemented by a book dedicated to ceramic composites and by several volumes devoted to the cousins of ceramics, namely glasses, cements and concretes, and geomaterials. However, we believe that this problem can also be an advantage, because it resulted in the production of a concise work that provides the essence of the subject. In fact, initially this book was written for non-ceramists – students and engineers – interested in an introduction to the knowledge of this vast family of materials, in other words, for readers whose interests are not limited only to ceramics but for those who are aware that ceramics can act as a support (often) or as a rival (sometimes) to other materials. The necessity of concision has led to some restrictions. We have eliminated recapitulations, for example, thermodynamics or crystallography; we have not discussed materials that seemed far from the interests of our potential readers, such as monocrystals (jewelry and technical uses), ceramics for chemistry (catalysis and filtration), or superconductive oxides; finally, we have not dealt with “black ceramics” (graphite and carbons) or with deposits of diamond or hard carbon. As regards the division of this book into two parts, our choice was to devote the first part to the fundamentals of materials and processes and to devote the second to properties and applications. An essential difference between metals and ceramics lies in the fact that, for the former, there is generally a separation between the industry that produces the material (for example, in the form of sheets) and the industry that manufactures the part (for example, the car body structure), while, for the latter, it is the same ceramist who is in charge of manufacturing, almost simultaneously, both the material and the part. xvi Ceramic Materials This explains why, in Part 1, we have given an important place to production processes: raw materials, processing of powders, forming and, finally, sintering (Chapters 1, 3 and 5). Being materials older than metals and materials that had experienced unequalled aesthetic and technical successes before metals (the porcelains of China), ceramics become more interesting, even in their latest forms, when observed from a viewpoint that does not exclude history. We have therefore presented ancient ceramics (Chapter 2), as well as silicate ceramics – ceramics that are wrongly described as “traditional”, a term which could conceal the permanent innovations that they undergo (Chapter 4). “Technical ceramics” (to use another commonly used term) are mainly oxides (Chapter 6), but non-oxides (chapter 7) have recently experienced a number of developments. The presentation of the main compounds – oxides and non-oxides – throws light on the characteristics and therefore the potential uses of the corresponding materials, which opens the way to the second part devoted to properties and applications. In Part 2, Chapter 8 describes the mechanical properties of ceramics by emphasizing the specificities of these materials. The fields of abrasion, cutting and tribology highlight the importance of mechanical properties, cermets (Chapter 9) here bridging the gap between the world of CERamics and the world of METals. Refractories (Chapter 10) widen the requirements by combining mechanical stresses, the effects of high temperature and severe chemical aggressions. It is not just structural materials which require satisfactory mechanical properties; functional materials are also demanding: broken spectacles no longer correct vision and henceforth manufacturers of spectacles work mainly to obtain better resistances to scratches rather than fine-tuning optical performances! We have therefore given functional ceramics their due, and particularly ceramics for electronics (Chapter 11) which represent the bulk of “technical ceramics”. Bioceramics (Chapter 12) also illustrate the complementary nature of structural performances and functional performances: high mechanical properties are required but these should not enter into conflict with biocompatibility. If necessary, these must even disappear from the pedestal of bone reconstruction; this richness and complexity in behavior could not be ignored. France is one of the largest electronuclear countries and the nuclear world is the perfect example for the interlacing of questions and answers that a ceramist could encounter: this forms the subject matter of Chapter 13. Preface xvii Lastly, chemistry forms a basic discipline for ceramists, particularly when it requires making materials as demanding as materials in optical applications: Chapter 14 describes the contribution of “soft chemistry” with the help of sol-gel methods. Ceramics show that diversity and unity are not contradictory. The compounds are multiple, the applications are varied, the properties brought into play are different, even contradictory – ceramic oxides range from superconductors to the best electrical insulators. However, the chemistry of the systems brought into play, the nature of the interatomic bonds and, from the engineer’s view point, the production processes serve as the connecting point. Naysayers could suggest that there is another common point (and which, worse, is a weak point): brittleness. It is true (except at high temperatures where it is creep that poses problem), but I believe our readers are informed enough to understand that the term “brittle” (in the meaning of “non-ductile”) is a bad quality only for those who do not understand its profound significance. As Chapter 8 shows, brittleness is a hydra that can be controlled and, moreover, it is the price to be paid for high modulii of elasticity and high hardness. The horizontal vision (materials science and materials engineering) of the Anglo-Saxons offers the advantage of including within a single vast landscape metals, polymers and ceramics – a term then understood in its broadest meaning of “non-metallic inorganic solids”. In this vision, the varied characteristics of materials are less seen as “strong points” or “weak points” than as givens, admittedly often exclusive of each other, but the comparison of usage specifications makes it possible to select them as effectively as possible. Having begun my scientific career with the study of metals and continuing to cooperate with metallurgists, surrounded by polymerist colleagues, then having become a ceramist and now particularly interested in cementing materials, filled with wonder for minerals – they are beautiful and efficient and show all that we can achieve if we had enough time and if we could work more easily under high pressures – I am persuaded that it is by comparing materials with one another that we can best understand them. I hope that this book on ceramics becomes the tree that does not hide the forest. Philippe Boch At the time where the French version of this work would have to become the English version, Philippe had to leave us on the bad side of the forest. I became in charge of the tree. Philippe, the English version of your book on ceramics is now ready; I hope it is faithful to that you wished and that the tree is now on the right side of the forest. Jean-Claude Niepce

پرس تک محوری پودر های رسی و غیر رسی به صورت قرص وسایل آزمایش : پودر بدنه رسی آماده شده در آزمایش قبل , پودر غیر رسی (مانند آلومینا ) , قالب فولادی , دستگاه پرس هیدرولیک , هاون , ترازو با دقت 0.01 , کولیس , الک , روغن بزرک , آب , الک روند آزمایش : ابتدا قطعه ساخته شده در ازمایش قبل را در هاون کوبیده و از الک 50 مش عبور می دهیم. حدود 30 گرم خاک احتیاج داریم. سپس باید به این خاک 7% آب اضافه کنیم . برای 30 گرم خاک با یک تناسب می فهمیم که باید 2.1 گرم آب اضافه کنیم. هنگامی که آب را اضافه کردیم دوباره آنرا در هاون ریخته و می کوبیم تا آب در همه ی قسمت های خاک پخش شود و مرطوب گردد. حال دوباره از الک 50 مش عبور می دهیم تا دانه بندی ها ی آن یکنواخت شود. در این حالت گرانول هایی داریم که ذرات کنگره دار به صورت ذرات کروی در این گرانول ها در آمده اند. قالبی داریم که از 3 قطعه تشکیل شده است.یک استوانه تو خالی و 2 پانچ دارد.یکی پانچ بالا و دیگری پانچ پایین. ابتدا همه ی قسمت های داخلی قالب را توسط روغن بزرک چرب می کنیم. حال پانچ پایین را قرار داده و استوانه تو خالی را روی آن قرار می دهیم. و گرانول ها را داخل قالب می ریزیم. و پانچ بالایی را روی آن قرار می دهیم. حال باید قالب را در مرکز دستگاه پرس قرار دهیم و پرس را در 2 مرحله انجام دهیم.برای جلوگیری از حبس هوا ابتدا نیمی از فشار را به مدت 5 ثانیه وارد کرده و پس از آزاد سازی فشار نهایی را اعمال می کنیم.پس از خارج کردن قطعه ارتفاع آنرا از 4 نقطه اندازه می گیریم.و همین طور قطر آنرا نیز توسط کولیس اندازه گیری می کنیم . حال باید قطعه را وزن کنیم . وزن قطعه = 29.29 29.29 / x = 32.1 / 30 طبق محاسبات بالا 27.4 گرم پودر به صورت خالص داشتیم ( با کسر وزن آب) همچنین فشاری که به قطعه هنگام پرس وارد می شود باید محاسبه گردد . چون فشاری که داریم روی قطعه ابتدا به قطعه ای با قطر بزرگ تر وارد می شود و سپس به قطعه منتقل می گردد. F1 = P1¬ . A1 P2 = F1 / A2 = P1 . A1 / A2 = P1 ( d1¬ / d2 )¬¬¬¬ 2 ¬¬¬¬¬¬¬¬ Log ρ = ρ0 + K log p نمودار بالا 3 قسمت دارد: قسمت اول که ابتدای نمودار است قسمتی است که گرانول ها فقط کمی لغزش پیدا کرده و کمی تغییر شکل می دهند. قسمت دوم که دارای شیب زیادی است ناحیه ای است که فشار بیشتر شده و گرانول ها می شکنند. و تخلخل بین گرانوله ای پر می شود. قسمت سوم خود دانه های داخل گرانول روی هم می لغزند و تغییر فرم می دهند. قسمت دوم مهم ترین قسمت است و بیشترین تراکم رخ می دهد. فشار وارده در این قسمت حدود 50 الی 100 پاسگال است. محاسبات: P = 5 . 106 .( 75 / 51 )2 شعاع بزرگ = 75 = d1 d 2 = 51 p = 0.1081 . 106 log p = 7.03 log ρ = 3.28 با توجه به نمودار بالا : K = 0.4055 3.33 – 0.4055 . 7.03 = 0.5142 = ρ0 نتایج سایر گروه ها : دانسیته قطعه خشک وزن قطعه مرطوب ارتفاع نمونه قطر قالب فشار روی نمونه فشار گروه 51.42 28.84 7.8 50.8 6.54 30 1 47.9 29.29 6.7 51 10.81 50 2 44.1 28.61 7 51 11.16 60 3 40.4 31.5 7 51 17.3 80 4 34.4 28.4 7 50.9 19.54 90 5

اندازه گیری PH خاکها به وسیله کاغذ PH و PH متر وسایل آزمایش: 30 گرم خاک _ 50 الی 60 سی سی آب مقطر _ شیشه مربا _ قاشق _ دستمال_ کاغذ PH _ PH متر خاک مورد آزمایش : آلومینا تئوری آزمایش : Soil PH : the soil PH measures active soil acidity or alkalinity. A PH of 7 is neutral. Values lower than 7.00 are acid. Values higher than 7.00 are alkaline. Usualy the most desirable PH range for mineral soils is 6.00 to 7.00 & for organic soil 5.00 to 5.50 . Factors affecting the measurement of soil PH: Because the soil PH measure varies widely with the method of preparation of given soil , the details of the preparation procedure must be carefully specified with any soil PH data. In the preparation of the soil system , the principal variables that affect the PH measurement are the soil water content used , drying of the soil sample in the preparation , the content of soluble salts , the content of co2 as influenced by season or drying , the amount of grinding given the soil < and the field variation from core to core. ( which is the best handled by composite sampling ) _ measurement of the PH samples direchy in the field moist condition maybe considered the most valil in the existing soil biological environment. _ measurement of air-dried soil samples is the most convenient & generally used, & perhaps could be considered the standard procedure. There is reason to believe that certain soil chemical reaction are hastened by the drying process & that dried samples are therefore more nearly at equilibrium . wether dried or field moist samples were employed for the soil PH . Determination should be stated with the tabulated data. Effect of soil water content : In general , the more dilute the soil suspension , the higher soil PH value found , whether the soil is acid or alkaline. The rise in soil PH with dilution , from the sticky points to a soil : water ratio of 1:10 is usually of the order of 0.2 to 0.5 PH unit , but maybe 1 or 2 PH units incertain neutral & alkaline soils. Since the soil is near field condition , use of such moisture contents sometimes been advocated. روند آزمایش: 30 گرم خاک را در شیشه مربا ریخته و حدود 50 الی 60 سی سی آب مقطر به آن اضافه می کنیم و با قاشق هم می زنیم تا دوغاب یکنواختی حاصل شود. _ می توان به خاک بنتونیت و خاکهایی که پلاستیسیته بالای دارند و در نتیجه جذب آب بالایی دارند مقدار آب بیشتری اضافه کرد. _ آب مقطر به این دلیل که در آب شهری ممکن است املاح موجب شود که PH آب دقیقا برابر 7 نباشد و آب اسید باشد. و این موضوع باعث این می شود که PH خاک دقیق محاسبه نشود. _ خاکهای غیر رسی ته نشین می شوند در نتیجه باید تا زمانی که می خواهیم PH را اندازه گیری کنیم به هم زدن ادامه دهیم. اندازه گیری PH با کاغذ PH : کاغذ PH را داخل دوغاب کرده و بیرون می آوریم و مدتی صبر می کنیم تا کاغذ PH تغییر رنگ دهد. حالا 4 رنگ حاصل شده که هر کدام را با نمودار روی جعبه کاغذ PH تطبیق دهیم به ما PH را می گوید. 4 رنگ برای دقت بیشتر است. اندازه گیری PH با PH متر: دستگاه PH متر یک روش دقیق برای اندازه گیری PH است. برای استفاده از دستگاه ابتدا باید دستگاه را به طریق زیر کالیبره (تنظیم) کرد تا خطای اندازه گیری دستگاه به صفرمیل کند. ابتدا دستگاه را روی دما گذاشته و دمای آزمایشگاه که توسط دماسنج آزمایشگاه اندازه گیری شده را برای دستگاه تعیین می کنیم. حال دستگاه را روی PH قرار می دهیم. 3 محلول استاندارد که از قبل تهیه شده را داریم. سنسور دستگاه که سر شیشه ای آن می باشد را داخل محلول استاندارد قرار می دهیم و دکمه کالیبر را طبق PH محلول استاندارد تنظیم می کنیم. بار دیگر سنسور را داخل محلول استاندارد با PH دیگری قرار داده و این بار با دکمه slop طبق PH محلول دستگاه را تنظیم می کنیم. البته این نکته باید ذکر شود که هر بار که سنسور را از محلولی بیرون می آوریم باید آنرا با آب مقطر بشوییم و با دستمال کامل خشک کنیم. مهم ترین قسمت دستگاه PH متر سنسور شیشه ای آن است که برای محافظت آنرا در داخل محلول KCL نگه می داریم. بحث و نتیجه گیری : گروه خاک PH با کاغذ PH PH با PH متر 1 2 3 آلومینا 10 9.89 4 PH در مواقعی کاربرد دارد که با دستگاه هایی کار می کنیم که بدنه های آنها حساس است و باید PH خاکهای مورد استفاده را بدانیم. مثلا یک سری خاکها اسیدی هستند و اگر بدنه دستگاه از فلز حلال در اسید باشد نمی توان از این نوع خاک در این دستگاه استفاده کرد. و همچنین برای ظروفی که در داخل آن دوغاب درست می کنیم نیز این نکته می تواند حائز اهمیت باشد. خطا های آزمایش : خطای چشم در تعیین رنگ کاغذ PH خطای ایجاد شده توسط آب در صورتی که آب مقطر نباشد یا PH آب خنثی نباشد. خطای دستگاه PH متر مخصوصا در صورتی که خوب کالیبره نشده باشد. خطای دوغاب در مواقعی که ته نشین می شود . در این حالت ممکن است قسمت های مختلف PH های مختلف داشته باشد. ( اگر دوغاب را خوب هم نزنیم و همگن نشود و یا خاک و آب از هم جدا شوند.) منابع : www.ebook.ir www.wikipedia.com www.google.com