Razlogi za visoko trdoto špinela
Kristalna struktura spinela je kvadratni kristalni sistem in vsaka celica spinela vsebuje osem kubičnih oksidov in en oktaedrični oksid. Oktaedrski oksid ima večji premer kot kubični oksid, kar ima za posledico večjo prostornino celic kot drugi kristali.
S povečanjem volumna celice se povečajo razmiki med atomi spinela in sprostijo kemične vezi, zaradi česar ima spinel večjo trdoto.
Hkrati spinel kaže visoko stopnjo simetrije v točkah rešetke, kristalna struktura pa je zelo stabilna in ni nagnjena k popačenju ali zvijanju, kar prav tako prispeva k trdoti spinela.
Vezana struktura
Spinel ima zelo močno vezno silo, njegova vezna struktura pa je mešana struktura tetraedrske in oktaedrske koordinacije, dolžina stranice tetraedra je 0,5 nm, premer oktaedra pa 1 nm.
Ker ima oktaedrični oksid večji premer od tetraedričnega oksida, lahko tvori močnejše koordinacijske vezi z okoliškimi atomi kisika in tako poveča vezno silo.
Poleg tega na vezno silo v spinelu vpliva tudi dvojno delovanje kemične vezi in ionske vezi, pri kateri se elektronski oblak prekriva in tvori močno interakcijo, medtem ko lahko ionska vez tvori stabilnejšo kristalno strukturo prek zamaknjene razporeditve isti ioni.
Kemična sestava
Na trdoto špinela vpliva tudi kemična sestava, na splošno večina špinela vsebuje aluminij, železo pa zmanjša trdoto spinela, kar povzroči povečanje krhkosti.
Poleg tega so v spinelu še drugi kovinski elementi, kot so baker, cink, magnezij itd., njihov dodatek lahko tvori hibrid, kar poveča stabilnost in trdoto spinela.
Seveda pa različne kemijske sestave vplivajo tudi na barvo, lomni količnik in druge lastnosti špinela, ki jih tukaj ne bomo ponavljali.
Kristalne napake nastanejo zaradi dejstva, da atomov v spinelnih celicah ni mogoče popolnoma zapolniti. Te napake se aktivirajo na kristalni površini ali v fononskem sistemu, zaradi česar lahko njegovo atomsko strukturo prizadenejo popačenje, zvijanje, dislokacija itd., kar ima za posledico bolj zapleteno kristalno strukturo spinela in povečano trdoto.
Pogosti kristalni defekti v spinelu, kot so aerobna praznina, interferenca železa, okvara kisikove matrike in neravnovesna poškodba, imajo določen učinek na povečanje trdote spinela.
Stresno stanje
Napetostno stanje se nanaša na učinek napetostnega stanja, trdnosti in smeri na mehanske lastnosti materiala.
Ko pritisnemo na površino ali kontaktno površino materiala, se spremenita trdnost in smer kristalne strukture spinela, zaradi česar postane njegova površina trša, s čimer se poveča trdota spinela.
Poleg tega se bo v procesu strojne obdelave ali kemičnega jedkanja spremenilo tudi napetostno stanje površine spinelnega kristala, zaradi česar bo površina bolj gosta in povečana trdota spinela.
JIYGO REFRACTORY & ABRASIVE LIMITED