Pembuatan Soda Ash

Pembuatan SodaAshApril 1, 2011 Leave a comment

Sodium carbonat (Na2CO3) adalah bahan lunak yang larut dalam air dingin dan kelarutan dalam air kira-kira 30% berat larutan, dalam industri kimia di kenal dengan soda ash. Di negara eropa dan beberapa kota distrik di USA istilah soda mengacu pada decahidrat (Na2CO310H2O) dan monohidrat (Na2CO3H2O) yang digunakan untuk kebutuhan rumah tangga, tapi komoditi decahidrat (Na2CO310H2O) dan monohidrat (Na2CO3H2O) jumlahnya relatif kecil di bandingkan dengan bentuk anhidrat.

SIFAT FISIS DAN KIMIA SODIUM CARBONAT - Berat molekul : 106 g/mol

- Bentuk : Kristal dan bersifat higroskopis

- Warna : Putih

- Titik lebur, 0oC : 7,1 g/100 g H2O

- Densitas, 20oC : 2,533 g/ml

- Kapasitas panas, 85oC : 26,41 cal/ gmol oC

KEGUNAAN SODIUM KARBONATSodium karbonat dalam industri kegunaanya sangat luas. Sodium karbonat dalam industri di gunakan sebagai bahan baku industri kimia, industri-industri yang menggunakan sodium karbonat untuk bahan baku antara lain :

1. industri sabun

2. industri gula

3. industri gelas

4. industri obat

5. industri kertas

6. industri tekstil

7. industri metalurgi

8. industri keramik

9. Dll

Sodium karbonat (soda abu) dalam perdagangan lebih dikenal dengan istilah alkali. Kandungan soda ash di alam ini jumlahnya terbatas. Pasir dan clay pada tempat tertentu di gurun pasir biasanya menunjukan adanya kandungan sodium karbonat. Kebutuhan akan sodium karbonat baik untuk industri dan rumah tangga semakin meningkat. Untuk memenuhi akan kebutuhan sodium karbonat selain proses alam bisa juga dilakukan dengan proses sintetik di antaranya :

1. Proses Leblanc

2. Proses Soda Ammonia (solvay)

2.1. Proses LeblancProses Leblanc adalah proses pembuatan soda Ash sintetik yang pertama di lakukan pada tahun 1775. Perusahaan pertama yang memproduksi soda ash dengan proses Leblanc di bangun di Inggris pada tahun 1823. Proses Leblanc pada umumnya adalah proses pengolahan garam dengan asam sulfat untuk membuat sodium sulfat dan asam hydro chloric :

NaCl(l) + H2SO4(l) NaHSO4(l) + HCl(l)NaCl(l) + NaHSO4(l) Na 2SO4(S) + HCl(l)Sodium sulfat di panaskan dengan batu kapur dan batu bara (kokas) untuk memproduksi black ash yang mengandung sodium karbonat, Kalsium sulfida dan beberapa batu bara yang tidak bereaksi.

Na2SO4(l) + 2 C(s) Na2S(s) + 2 CO2(g)Na2S(s) + CaCO3(s) Na2CO3(s) + CaS(s)Sodium karbonat dapat di pisahkan dengan air dari black ash dan di Kaustisasi dengan kapur mentah, cara ini digunakan untuk mengembalikan sulfur dari kalsium sulfida.

Proses Leblanc masih di gunakan di Inggris dan benua Eropa selama perang dunia pertama, tetapi jumlahnya terus berkurang selama perang dunia kedua. Pada saat ini proses Leblanc sudah tidak dilakukan lagi karena beberapa kelemahan diantaranya :

1. konsumsi energi yang sangat besar pada saat pelelehan.

2. membutuhkan tenaga kerja yang intensif karena prosesnya merupakan proses batch yang memerlukan banyak tahap.

3. menimbulkan dampak lingkungan.

Karena alasan-alasan di atas tersebut maka pada tahun 1880 proses ini tergeser oleh proses yang lebih bersih dan lebih efisien yaitu proses soda ammonia (proses solvay).

2.2. Proses Soda Ammonia (Proses Solvay)Ernest solvay pada tahun 1861 mulai mengembangkan proses soda ammonia. Pada mulanya proses ini mengalami kesulitan besar dalam bersaing dengan proses Leblanc yang lebih tua dan lebih mapan, namun dalam beberapa tahun saja proses solvay berhasil menurunkan harga soda ash sebanyak sepertiganya. Pada tahun 1915 proses soda ammonia akhirnya berhasil menggantikan proses Leblanc.

Proses solvay pertama kali di perkenalkan di Eropa pada tahun 1866 di Couillt di dekat Charleroi Belgia. Pabrik ini telah memproduksi 1,5 ton per hari pada tahun 1866 dan pada tahun 1872 meningkat jadi 10 ton per hari Penggunaan proses solvay di industri semakin berkembang, di Eropa misalnya dibangun pabrik Dombasle di dekat Nancy Perancis dan di Amerika di bangun pabrik stracause di New York.

Bahan baku proses solvay adalah garam, batu gamping, dan kokas atau gas bumi dan menggunakan ammonia sebagai reagen siklus. Keberhasilan proses ini bergantung pada kenyataan bahwa ammonia, karbon dioksida dan air, dalam perbandingan yang tepat bereaksi membentuk natrium bikarbonat. Ammonium bikarbonat bereaksi dengan natrium klorida membentuk natrium bikarbonat yang relativ tidak larut dalam larutan yang digunakan oleh, karena itu dapat di saring keluar dan di panggang menjadi soda abu.

Proses yang digunakan adalah proses solvay, yang mana di bandingkan dengan proses yang lain lebih ekonomis dan efisien. Pertimbangan-pertimbangan dibawah ini dapat mendukung akan terlaksananya pendirian pabrik tersebut, di antaranya yaitu :

- Bahan baku yang digunakan lebih murah yaitu garam dan batu kapur di bandingkan dengan proses Leblanc, dan Energi yang di gunakan lebih kecil.

- Proses yang digunakan lebih efisien karena menggunakan proses kontinue. dan karyawan yang di butuhkan lebih kecil.

- Limbah yang dihasilkan tidak membahayakan bagi lingkungan dan sesuai dengan Dan ketentuan peraturan perundangan.

Kapasitas produksi lebih besar di bandingkan dengan proses Leblanc sehingga dapat di produksi dalam jumlah yang sangat besar.

Deskripsi prosesDasar proses ini adalah pengendapan NaHCO3 bila suatu larutan dari garam ammonia di karbonasi dengan gas CO2. Reaksi totalnya secara stoikiometri adalah :

CaCO3(s) + 2 NaCl(l) Na2CO3(s) + CaCl2(s)Reaksi ini tidak dapat terjadi secara langsung, akan tetapi melalui beberapa tahapan proses.

4.2. Proses reaksi kimiaTahap pertama adalah pembakaran batu gamping (lime stone) beserta kokas di dalam tungku.

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) ....(1)C(g) + O2(g) CO2(g) (2)Kapur hasil pembakaran di keluarkan dari tungku dan di padamkan dengan air sehingga membentuk suspensi kental dari kapur.

CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(l) ..(3)Garam NaCl dalam bentuk larutan jenuh yang telah di serapkan dengan gas ammonia di kontakkan dengan gas CO2 yang dihasilkan dari pembakaran gamping seperti pada reaksi (2) dan (3) di dalam suatu menara absorber, yang akan menghasilkan endapan bicarbonate yang tak larut dalam ammonium chloride

Reaksinya berlangsung sebagai berikut :

NH3(l) + CO2(g) + NaCl(l) NaHCO3(l) + NH4Cl(l) ..(4)Endapan natrium bicarbonate kemudian di filtrasi untuk memisahkan dari larutan NH4Cl dan selanjutnya di kalsinasi pada temperatur 200oC sehingga bicarbonatnya akan terdekomposisi menjadi karbonat.

2NaHCO3(l) Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g) .(5)Gas CO2 yang di hasilkan dari reaksi (5) di atas di pakai lagi untuk membantu backup umpan reaksi (4) Filtrat dari reaksi (4) masih mengandung ammonium chloride, Natrium chloride yang tidak bereaksi dan kelebihan ammonia ataupun CO2 mungkin terdapat dalam bentuk ion bicarbonate . Ammonia yang berlebih harus di pisahkan dari larutan filtrat yang di laksanakan dalam 2 tahap. Tahap pertama adalah pemanasan untuk mengeluarkan ammonia yang berikatan dengan ion bicarbonat dan ion hidroksil. Tahap berikutnya di lakukan dengan penambahan kapur untuk mengambil ammonia dari ammonium chloride-nya. Tahap pertama dapat dinyatakan sebagai berikut :

NH4Cl(l) + NH4HCO3(l) + NH4OH(l) NH4Cl(l) + CO2(g) + 2NH3(l) + 2H2O(l)Larutan yang hanya mengandung NH4Cl dan garam yang tak bereaksi kemudian diolah dengan kapur yang di reaksikan dari reaksi (4),

Ca(OH)2(l) + 2NH4Cl(l) 2H2O(l) + CaCl2(s) + 2NH3(l)4.3. Penjelasan uraian proses :a. Pembakaran Lime stone

Pada proses pembakaran lime stone yang terjadi di dalam lime kiln, batu kapur terdekomposisi pada temperatur 900-1000C menjadi kapur tohor (CaO) dan karbon dioksida (CO2). Reaksi yang terjadi dalam pembakaran tersebut,yaitu :

CaCO3(s) CaO(g) + CO2(g)Pada reaksi ini terjadi penyerapan panas, karena untuk menguraikan 1 gram CaCO3 memerlukan panas 42,5 kkal.

CaO yang terbentuk dimasukan dalam slaker dengan penambahan air bersama-sama membentuk kapur padam Ca(OH)2. Proses ini terjadi pada temperatur 90-100oC, reaksi yang terjadi :

CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(l)Ca(OH)2 yang di hasilkan di alirkan ke dalam kolom kostitasi untuk memisahkan dan mengambil kembali amoniak. Sedangkan gas CO2 yang di hasilkan dari proses kalsinasi lime stone untuk kemudian di alirkan ke kolom karbonatasi.

b. Pemurnian larutan Brine

Garam yang digunakan sebagai bahan baku diambil dari sekitar pantura, sebelum di gunakan dalam proses, garam ini di murnikan terlebih dahulu yang bertujuan untuk mengurangi pengotor-pengotor.

Garam ini dialirkan ke tangki pelarutan, larutan garam di teruskan ke tangki pemurnian yang di lengkapi dengan pengaduk, dalam tangki ini di tambahkan Ca(OH)2 dan Na2CO3 untuk mengikat kotoran. Endapan yang terbentuk dengan gaya gravitasi akan turun mengendap dan di alirkan ke tangki slurry sedangkan larutan garam di teruskan mengalir ke dalam sand filter. Larutan garam di tampung dalam tangki penyimpanan. Larutan garam siap di gunakan sebagai bahan baku.

c. Penyerapan Ammonia

Larutan garam hasil pemurnian dari atas menara absorber. Temperatur garam ini kira-kira 30oC, sedangkan kondisi operasi absorber PA temperatur 50oC, amonia masuk dari bawah menara, sedangkan air garam di masukan dari bagian atas kolom sehingga menghasilkan larutan garam amonia jenuh.

d. Pembentukan Sodium Karbonat

Setelah di dinginkan larutan garam amoniak di pompa ke bagian atas menara karbonatasi yang bertekanan 4 atm, sedangkan CO2 hasil lime stone masuk dari bawah menara, temperatur yang berlangsung di dalam menara 54oC reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis :

NH4OH(l) + NaCl(l) + CO2(g) NaHCO3(l) + NH4Cl(l)Produk yang terbentuk di pompa ke vacum filter untuk dipisahkan dari NH4Cl di bantu dengan penambahan air ke dalam kalsinasi untuk di keringkan sehingga menghasilkan produk yang diinginkan, sedangkan NH4Cl di alirkan ke tangki penyimpanan yang kemudian digunakan untuk merecovery ammonia dalam kolom kostitasi.

Filed under science

PROSES PEMBUATAN STYRENEMONOMERMarch 19, 2011 Leave a comment

Styrene adalah komponen arometic paling sederhana dengan sebuahrantai sisi tidak jenuh. Styrene monomer murni memeliki bau yang enak. Bau yang tajam menusuk disebabkan oleh adanya aldehid yang terbantuk karena kontak dengan udara. Nama lain dari styrene antara lain : Phenil etilene, vinil benzene, styron, styrolene, dan cinnanmene. Styrene ditemui sebagai impurities atau bahan samping pada beberapa proses. Styrene terbentuk dari hasil decomposisi pirogenic komponen organic. Dari pemecahan petroleum, dari pembuatan atau pengolahan gas alam dan ter batubara. Dan dari minyak yang dikondensasi dari carburetted water gas. Bagaimanapun, kemurnian dari beberapa produk itu kecil dan industri modernlebih memilih untuk menghasilkan styrene secara sintesis. Penelitian klasik Berthelot tentang pirolisa telah menjadi cara teknikal yang sangat berarti untuk memproduksi styrene sintesis secara komersil sekarang ini. Dia menunjukan, pada tahun 1851, bahwa hidro karbon tertentu yang dilewatkan melalui tube yang panas menyala memberikan styrene dan indene. Sintesis styrenenya pada tahun 1867 dengan melewatkan campuran benzene dan etilen melalui tube yang panas menyala, dan dehidrogenasi berikutnya dari etibenzenenya pada tahun 1969 dengan pirolisa untuk membentuk styrene sebagai produk penting.

Ethylbenzene adalah larutan organic tidak berwarna dengan rasa yang manis dan bau seperti gasolin. Ethylbenzene paling banyak digunakan untuk membuat styrene ; larutan organic yang digunakan sebagai bahan baku plastik. Ethylbenzene juga digunakan sebagai pelarut untuk pelapis ( cat ), pembuatan karet, plstik pembungkus, dan juga sebagai bahan aditif atau zat tambahan yang penting untuk gasolin

. Proses Oksidasi EthylbenzeneProses oksidasi ethylbenzene menghasilkan dua produk, yaitu styrene dan acetophenone. Pada proses ini pertama pertama ethylbenzene dioksidasi menjadi acetophone pada suhu 115 1450C dan tekanan 50 Psig dengan menggunakan katalis mangan asetat, dimana reaksi yang terjadi adalah:

C6H5 C2H5 + O2 C6H5COCH3 + H2O

Setelah mengalami proses oksidasi, kemudian diikuti dengan reduksi dari acetophone menjadi pheniletil alcohol dengan menmbahkan gas hydrogen serta menggunakan katalis copper-chrome-iron pada temperature 1500C dan tekanan 50 Psig, reaksi yang terjadi:

C6H5COCH3 C6H5CH ( OH ) CH3Proses selanjutnya dengan proses dehidrasi dari alcohol menjadi styrene dengan menggunakan katalis titania pada suhu 2500C, reaksi yang terjadi adalah :

C6H5CH ( OH ) CH3 C6H5CH=CH2 + H2O

2. Proses Dehydrogenasi EthylbenzeneDehidrogenasi ethylbenzene adalah reaksi endotermik, artinya reaksi yang membutuhkan panas agar reaksi dapat terjadi. Reaksi didalam reactor adalah sebagai berikut ;

C6H5 C2H5 C6H5CH=CH2 + H2C6H5 C2H5 + H2 C6H5CH3 + CH4Berhubung reaksi yang terjadi didalam reactor adalah reaksi endotermik maka yang diperlukan sumber panas berupa steam superheated. Proses dehydrogenesi memakai katalis tipe shell 105, yang merupakan campuran dari senyawa :

Fe2O3 Cr2O3 K2CO3

Katalis berbentuk pellet dengan diameter 3/16 in atau 1/8 in. Fe2O3 merupakan katalis untuk reaksi dehydrogenesi ethylbenzene menjadi styrene. K2CO3 merupakan katalis untuk reaksi penghilangan unsure carbon, Tar, cokes dari permukaan katalis. Sedangkan Cr2O3 fungsinya untuk memeperpanjang umur katalis. Proses dehydrogenesi menggunakan suhu antara 800 9500 K, tekanan antara 2,38 3 atm.

Filed under science

Keprofesian danKewirausahaanMarch 14, 2011 Leave a comment

2010-04-10 KEPROFESIAN DAN KEWIRAUSAHAAN03Oleh

Wawan Mulyana, Ssi, SE, MM Filed under general

CeramicsMarch 13, 2011 Leave a comment

Ceramics (keramikos burnt stuff desirable props are achieved by firing)

Traditional Silicate Ceramics Advanced/Engineering CeramicsCombinations of clay, feldspar and silica (cheap)[1] Nearly pure compounds of

oxides, carbides or nitrides (expensive)

Non-silicate oxide ceramics Non-oxide ceramics-Al203 Alumina -Si3N4 Silicon nitride

-ZrO2 Zirconia -SiC Silicon carbide

Structural Clay Products Whitewares-brick more carefully controlled compositions

-tile -pottery

-sewer pipe -porcelain

-cement -sanitary ware

Ceramics

Inorganic nonmetallic materials which consist of electropositive/electronegative compounds that are bonded primarily by ionic bonds, sometimes with covalent character.

Ceramic crystal structures can be relatively simple to very complex.

Ceramics can range from the more traditional & inexpensive to the advanced & highly sophisticated.

The fabrication of ceramics and glasses must be different than for metals because of their high melting temperatures, (hence, difficult to cast) and low ductility, (hence, difficult to form). Most are formed from powders (or particulate collections) and then dried and fired.

Applications: insulators

capacitors

semiconductors

abrasives

refractory

ferroelectrics

piezoelectrics

nuclear fuels Processing Techniques: fusion

slip casting

sintering

hot isostatic pressing(HIP)

sol-gel

biomimetic

SHS (self-propagating high-temp synthesis)

General properties: hard and strong

brittle (low ductility)

low toughness & fracture toughness

low impact resistance

low electrical and thermal conductivity

high melting temperatures

high chemical stability

high compressive and tensile strengths (CS>>>TS by 5-10x)

fatigue life is rare

Ceramics (Keramikos- burnt stuff -desirable props are achieved by firing)

Traditional Silicate Ceramics Advanced/Engineering CeramicsCombinations of clay, feldspar and silica (cheap)[2] Nearly pure compounds of

oxides, carbides or nitrides (expensive)

Non-silicate oxide ceramics Non-oxide ceramics-Al203 Alumina -Si3N4 Silicon nitride

-ZrO2 Zirconia -SiC Silicon carbide

Structural Clay Products Whitewaresbrick more carefully controlled compositions

-tile -pottery

-sewer pipe -porcelain

-cement -sanitary ware

Clays Aluminosilicates (Al2O3 and SiO2 and chemically bound H2O)

Broad range of compositions, structures, impurities

Usually the structure is layered with water between the sheets making it plastic (hydroplasticity)

Can be mixed with water and easily formed and then dried and fired to increase strength

Whitewares and Structural Clay Products Made from clay, flint and feldspar

Flint is finely ground quartz, a filler that is hard and chemically unreactive with a high melting temperature.

Feldspar is an aluminosilicate mineral that contains K+, Na+ and Ca+. It acts as a fluxing agent. (i.e. it spreads out heat and helps things to flow.)

Refractories Materials that are able to withstand high temperatures without melting or decomposing.

They are able to maintain insulative properties at high temperatures.

They remain inert and unreactive at high temperatures.

The four main categories: fireclay, silica (acid), basic and special.

A decrease in the porosity of refractories will

increase strength

increase corrosion resistance

increase load-bearing capacity

decrease insulativeness

resistance to thermal shock

Abrasives Extremely hard materials used for cutting, grinding, and polishing other materials.

Due to high heat generated during the process, these materials also must have some refractory properties.

Examples are diamond, SiC, WC, Corundum, and silica sand.

Cements materials that form a paste when mixed with water and then hardenedby chemical reactions

examples include cement, plaster of paris and lime

Note: Concrete is a composite material made up of cement, large aggregates (gravel), and small aggregates (sand). The cement in concrete is similar to the glassy phase in ceramics. It bonds the other phases together.

Portland cement One of the most commonly used cements.

Made by following process:

1. calcination: grinding and mixing clay and lime-bearing minerals

2. heating to obtain a material called clinker

3. grind this to a powder

4. add gypsum (CaSO4-2H2O) to retard setting process

Principle constituents are tricalcium silicate (3CaO-SiO2) and dicalcium silicate (2CaO-SiO2). There can be many different compositions.

Hardening occurs by complex hydration reactions that form complex gels or crystalline substances. This process is known as curing. If there were no water the reactions could not proceed and drying would occur. Drying is bad. Curing is good.(Portland cement is a hydraulic cement because water is involved in the reactions. Lime is a nonhydraulic cement because other compounds (CO2) are involved in the hardening reactions.)

Ceramic Crystalline StructuresCrystal structures of ionic compounds tend to maximize packing efficiency. (This lowers the overall energy.) The limitations to dense packing are the radius ratio and the need to maintain charge neutrality. The radius ratio can help to predict the CN (and hence the crystal structure.)

If the bonding has some covalent character, then the packing will be less efficient. You can determine the amount of ionic character in a bond by knowing the electronegativities, XA & XB, of the elements in the bond and the following equation: % ionic character = [1 e -1/4(XA-XB)] x 100%

A tetrahedral position is an interstitial site that if occupied, would have 4 neighbors.

An octahedral position is an interstitial site that if occupied, would have 6 neighbors.

Where are the octahedral and tetrahedral sites in the fcc crystal structure?

Where are the octahedral and tetrahedral sites in the hcp crystal structure?

Some relatively simple ceramic structures: Sodium Chloride structure (NaCl)

Cesium Chloride structure (CsCl)

Zinc Blende structure (ZnS and Compound Semiconductors) ?

Fluorite structure (CaF2)

Perovskite structure (CaTiO3)

Diamond Cubic structure (Carbon and Elemental Semiconductors)

Graphite (Carbon)

Fullerenes (Carbon)

Cristobalite structure (SiO2)

Corundum Structure (Al2O3)

Spinel Structure (MgAl2O4)/Inverse Spinel

Silicate Structures

Silica (SiO2) has half ionic and half covalent character. (The percent of ionic character is about 50% as calculated from the above equation.) A CN of 4 is predicted for the radius ratio of 0.29 for ionic compounds. A bond angle of 105o is predicted for covalent bonding. Silica is allotropic with at least five different crystalline forms depending on temperature and pressure conditions. However, each form has every corner of an SiO4 tetrahedra (every oxygen atom) shared. The sharing of oxygen atoms between the tetrahedra give the overall formula of SiO2. The structures are not dense and have high melting temperatures.

Silicates (or silicate ceramics) are Silica (SiO2) based ceramic clays that contain SiO44- tetrahedra in various arrangements. Many naturally occurring minerals such as clays, feldspars and micas are silicates. Many ceramic materials contain silicate structures. They include glass, cement, brick, electrical insulative materials, etc.

The general nature of silicate structures is the connection of the SiO44- tetrahedra. Additional oxides tend to break up the continuity of these tetrahedra. The remaining connectedness may be in the form of islands, chains or sheets:

Network silicate structures these structures connect all 4 corners of the SiO44- tetrahedra to form a network. The Oxygen atoms are shared which accounts for the overall chemical formula of SiO2 not SiO4.

Island silicate structures when positive ions bond with the oxygens of the SiO44- tetrahedra

Chain or ring silicate structures when 2 corners of each SiO44- tetrahedra are bonded with corners of other tetrahedra with unit chemical formula SiO3-2.

Sheet silicate structures when 3 corners in the same plane of a silicate tetrahedron are bonded to the corners of 3 other silicate tetrahedra with chemical unit Si2O5-2.

Electrical Properties of CeramicsCeramics are used in many electrical applications as:

Insulators

Capacitors

Semiconductors

Ferroelectrics

Piezoelectrics

Insulatorsprevents the flow of charge or heat. Ceramics make good insulators because the ionic and covalent bonding restricts electron and ion mobility.

Capacitorsstore electrical energy by virtue of separating oppositely charged plates with an insulator (also called a dielectric) in between. An example of a ceramic material used as the dielectric for a capacitor is Barium Titanate, Ba2TiO3

Some material properties of insulators (also called dielectrics):

Capacitance (actually this is a property of a device, not the material)

Dielectric constant

Dielectric breakdown strength

Dielectric loss factor

Some examples of ceramic insulators are

Electrical Porcelain (50% clay, 25% silica, 25%feldspar)

Steatite (90% talc, 10% clay)

Fosterite (Mg2SiO4)

Alumina (Al2O3 crystals in a glassy matrix of clay, talc, alkaline earth fluxes)

Semiconductors have an intermediate value of electrical conductivity. The most commonly used ceramic semiconducting materials are sintered oxides of Mn, Ni, Fe, Co, and Cu. By varying the amounts of these oxides in the material the desired value of the electrical conductivity can be obtained. These are used for NTC thermistors. A Negative Temperature Coefficient Thermistor is a device that measures temperature by a change in the resistance of the material. As temperature increases, resistance decreases.

Ferroelectricshave behavior similar to a ferromagnetic material. The relationship between the electric dipole moment density (Polarization, P) and the electric field strength (E) looks exactly like the relationship between magnetic dipole moment density (Magnetization, M) and magnetic field strength (H).

Piezoelectricshave the distinct property whereby an applied stress induces an electrical voltage. The reverse piezoelectric effect is the phenomena whereby an applied voltage across the material results in a dimensional change. BaTiO3Mechanical Properties of Ceramic Materials Ceramics are strongHowever, their principle drawback is a disposition to catastrophic fracture in a brittle mode. Hence, the effort in research of these materials is to make them tougher. An example of an advancement in this area is the transformation toughening of partially stabilized Zirconia (PSZ).

Fine grain size ceramics are stronger than coarse grain size ceramicsThe reason is different than for metals: If fracture does not initiate at a crack, flaw, pore or inclusion, it will originate at a flaw in a grain boundary. Finer grain size ceramics will have smaller flaw at the grain boundaries. Hence, the finer grain ceramics will be stronger.

The Flexural Strength is an alternate property to Tensile Strength for ceramicsThe flexural strength (or modulus of rupture, fracture strength, bend strength) is the (calculated) tensile stress at failure of a specimen subjected to a three or four point load. This is an easier test to carry out for brittle materials than the traditional standard Tensile Test.

Ceramics are brittleCeramics have very low toughness values and also fracture toughness values. Recall that brittle fracture consists of formation and propagation of cracks through the cross section in a direction perpendicular to the applied load. Usually the crack growth is transgranular and along specific crystallographic directions.

The reasons that ceramics are so brittle:

1. Ceramic materials inherently have cracks, flaws, pores and inclusions. These act as stress risers and failure initiates at one of these and propagates quickly (because there is no energy absorbing mechanism as there is in metals,) causing brittle fracture.

2. The covalent bond is directional and electrons are shared. Hence, bonds will not reform easily and so brittle fracture will occur.

3. Since the crystal structures tend to be complex, there are limited slip systems and large Burgers vectors. (called complex dislocation structures)

4. Potential slip planes may involve like charges moving over each other which will cause separation and so brittle fracture will occur.

Ceramics are much stronger in compression than in tension.Why?

Some ceramics are subject to Static Fatigue or Delayed FractureThis is when ceramics fail by slow crack propagation under a static load. The mechanism is a stress-corrosion process at a crack tip.

Ceramics rarely have any sort of fatigue failureThis is due to the lack of plasticity in ceramics; however, there have been recent advances in compressive-compressive stress cycling of polycrystalline alumina.

Ceramics have high hardness valuesThis makes them excellent abrasive materials used for cutting, grinding and polishing. Alumnia (aluminum oxide, Al2O3) and silicon carbide, SiC are two of the most commonly used manufactured ceramic abrasives. Improvements on these are made by combining zirconium oxide with aluminum oxide. Another important ceramic abrasive is cubic boron nitride (Bortazon).

Ceramics have high melting temperaturesThis makes them excellent materials to be used for high temperature applications. Materials used at high temperatures are call refractory materials or refractories. However, creep will occur at these temperatures and so one must be aware of the materials creep behavior.

Porosity has an adverse affect on a ceramics properties.The modulus of elasticity and the flexural strength will both decrease with porosity.

There is much scatter in the data measuring the properties of ceramic materialsThe reason is because much of the data depends on flaw density and size. This, in turn, will depend on fabrication technique, processing and size of the specimen. Hence, the scatter.

[1] *clay A hydrated Aluminum silicates with other oxides. Provides workability before firing hardens it. (eg Al2O3 2Si03 2H2O)

feldspar A naturally occurring, industrial important, network silicate with a low melting temperature. It becomes glass upon firing and bonds the refractory components together. Some Si+4 ions are replaced with Al+3 in substitional positions and some Na+, K+, Ca+, Ba+ ions are in interstitial positions. (eg K2O Al203 6Si02)

silica (aka flint or quartz) SiO2 is a polymorphic compound. (quartz, tridymite and cristobalite are some of its forms.) It acts as the refractory component of traditional ceramics.

[2] *clay A hydrated Aluminum silicates with other oxides. Provides workability before firing hardens it. (eg Al2O3 2Si03 2H2O)

feldspar A naturally occurring, industrial important, network silicate with a low melting temperature. It becomes glass upon firing and bonds the refractory components together. Some Si+4 ions are replaced with Al+3 in substitional positions and some Na+, K+, Ca+, Ba+ ions are in interstitial positions. (eg K2O Al203 6Si02)

silica (aka flint or quartz) SiO2 is a polymorphic compound. (quartz, tridymite and cristobalite are some of its forms.) It acts as the refractory component of traditional ceramics.