دلایل سختی بالای اسپینل
ساختار کریستالی اسپینل یک سیستم بلوری مربعی است و هر سلول اسپینل حاوی هشت اکسید مکعبی و یک اکسید هشت وجهی است. اکسید هشت وجهی قطر بزرگتری نسبت به اکسید مکعبی دارد و در نتیجه حجم سلولی بیشتری نسبت به سایر بلورها دارد.
افزایش حجم سلول باعث میشود فاصله اتمهای اسپینل بزرگتر و پیوندهای شیمیایی شلتر شود که باعث میشود اسپینل سختی بیشتری داشته باشد.
در عین حال، اسپینل تقارن بالایی را در نقاط شبکه نشان می دهد و ساختار کریستالی بسیار پایدار است و مستعد اعوجاج یا تاب برداشتن نیست، که همچنین برای سختی اسپینل مفید است.
ساختار پیوندی
اسپینل دارای نیروی پیوند بسیار قوی است و ساختار پیوند آن یک ساختار ترکیبی از هماهنگی چهار وجهی و هشت وجهی است، طول ضلع چهار وجهی 0.5 نانومتر و قطر هشت وجهی 1 نانومتر است.
از آنجایی که اکسید هشت وجهی قطر بزرگتری نسبت به اکسید چهار وجهی دارد، می تواند پیوندهای هماهنگی قوی تری با اتم های اکسیژن اطراف ایجاد کند، بنابراین نیروی پیوند را تقویت می کند.
علاوه بر این، نیروی پیوند در اسپینل نیز تحت تأثیر عمل مضاعف پیوند شیمیایی و پیوند یونی قرار میگیرد، که در آن ابر الکترونی با هم همپوشانی دارند و یک برهمکنش قوی ایجاد میکنند، در حالی که پیوند یونی میتواند ساختار بلوری پایدارتری را از طریق آرایش مبهم تشکیل دهد. همان یون ها
ترکیب شیمیایی
سختی اسپینل نیز تحت تأثیر ترکیب شیمیایی قرار می گیرد، به طور کلی اکثر اسپینل ها حاوی آلومینیوم هستند و آهن باعث کاهش سختی اسپینل و در نتیجه افزایش شکنندگی می شود.
علاوه بر این، عناصر فلزی دیگری مانند مس، روی، منیزیم و غیره در اسپینل وجود دارد که افزودن آنها می تواند ترکیبی ایجاد کند و باعث افزایش پایداری و سختی اسپینل شود.
البته ترکیبات شیمیایی مختلف نیز بر رنگ، ضریب شکست و سایر خواص اسپینل تاثیر می گذارد که در اینجا تکرار نخواهد شد.
نقص کریستالی به دلیل این واقعیت ایجاد می شود که اتم های سلول های اسپینل نمی توانند به طور کامل پر شوند. این عیوب بر روی سطح کریستال یا در سیستم فونون فعال می شوند که می تواند ساختار اتمی آن را تحت تأثیر اعوجاج، تاب برداشتن، دررفتگی و غیره قرار دهد و در نتیجه ساختار بلوری پیچیده تر اسپینل و افزایش سختی را ایجاد کند.
عیوب کریستالی رایج در اسپینل، مانند فضای خالی هوازی، تداخل آهن، نقص ماتریکس اکسیژن و آسیب غیر تعادلی، تأثیر خاصی در افزایش سختی اسپینل دارند.
حالت استرس
حالت تنش به تأثیر حالت تنش، استحکام و جهت بر خواص مکانیکی ماده اشاره دارد.
هنگامی که فشار به سطح یا سطح تماس ماده اعمال می شود، استحکام و جهت ساختار کریستالی اسپینل تغییر می کند و سطح آن را سخت تر می کند و در نتیجه سختی اسپینل را افزایش می دهد.
علاوه بر این، در فرآیند ماشینکاری یا اچ شیمیایی، وضعیت تنش سطح کریستال اسپینل نیز تغییر می کند و در نتیجه سطح را متراکم تر می کند و سختی اسپینل را افزایش می دهد.