スピネルの硬度が高い理由
スピネルの結晶構造は正方晶系で、各スピネルセルには 8 つの立方晶酸化物と 1 つの八面体酸化物が含まれています。 八面体酸化物は立方晶酸化物よりも直径が大きいため、他の結晶よりもセル体積が大きくなります。
セルの体積が増加すると、スピネルの原子の間隔が広がり、化学結合がより緩和され、スピネルの硬度が高くなります。
同時に、スピネルは格子点において高度の対称性を示し、結晶構造は非常に安定しており、歪みや反りを起こしにくく、これがスピネルの硬度にも寄与しています。
結合構造
スピネルは非常に強い結合力を持ち、その結合構造は四面体配位と八面体配位の混合構造であり、四面体の一辺の長さは0.5nm、八面体の直径は1nmです。
八面体酸化物は四面体酸化物に比べて直径が大きいため、周囲の酸素原子とより強い配位結合を形成し、結合力が増幅されます。
さらに、スピネルの結合力は、電子雲が重なり合って強い相互作用を形成する化学結合とイオン結合の二重作用によっても影響を受け、一方、イオン結合は、電子雲が千鳥状に配置されることにより、より安定した結晶構造を形成することができます。同じイオンです。
化学組成
スピネルの硬度は化学組成にも影響されます。一般に、ほとんどのスピネルにはアルミニウムが含まれており、鉄がスピネルの硬度を低下させ、その結果脆性が増加します。
さらに、スピネルには銅、亜鉛、マグネシウムなどの他の金属元素が含まれており、それらの添加によりハイブリッドが形成され、スピネルの安定性と硬度が向上します。
もちろん、化学組成の違いもスピネルの色、屈折率、その他の特性に影響しますが、ここでは繰り返しません。
結晶欠陥は、スピネルセル内の原子を完全に満たすことができないという事実によって引き起こされます。 これらの欠陥は結晶表面またはフォノン系で活性化され、その原子構造が歪み、反り、転位などの影響を受ける可能性があり、結果としてスピネルの結晶構造がより複雑になり、硬度が増加します。
好気的空孔、鉄干渉、酸素マトリックス欠陥、非平衡損傷などのスピネルの一般的な結晶欠陥は、スピネルの硬度の増加に一定の影響を及ぼします。
ストレス状態
応力状態とは、材料の機械的特性に対する応力状態、強度、および方向の影響を指します。
素材の表面や接触面に圧力がかかると、スピネルの結晶構造の強度や方向が変化し、表面が硬くなり、スピネルの硬度が高まります。
さらに、機械加工または化学エッチングのプロセスでは、スピネル結晶の表面の応力状態も変化し、その結果、表面がより緻密になり、スピネルの硬度が増加します。