陶瓷材料基礎(chǔ)知識(shí)

陶瓷材料CERAMICSMATERIALSDept.ofMSE,CQU2第一章陶瓷材料基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)代陶瓷材料的基本概念陶瓷材料的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀陶瓷的分類(lèi)陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷的顯微組織陶瓷的相變陶瓷的性能陶瓷的制備工藝Dept.ofMSE,CQU3陶瓷學(xué)定義的演變

陶瓷一詞是由希臘字Keramos演變?yōu)镃eramics，字義上的解釋為T(mén)heartofmakingpotty。

最早的陶瓷學(xué)是研究制造與應(yīng)用加熱黏土生料產(chǎn)生固體顆粒的一門(mén)學(xué)科。隨著近現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新穎的陶瓷材料和新的制備工藝不斷出現(xiàn)，使得陶瓷材料所涉及的領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)的定義明顯太過(guò)狹窄。Keramos——加熱土質(zhì)原料而制成的固體物件1.1

現(xiàn)代陶瓷材料的基本概念Dept.ofMSE,CQU4陶瓷不僅包括陶器、瓷器、耐火材料、構(gòu)筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，而且還包括非金屬磁性材料、鐵電體、人造單晶、玻璃-陶瓷等。現(xiàn)在陶瓷的概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以往人們所認(rèn)識(shí)的陶瓷材料及其制品，它的應(yīng)用范圍也日趨擴(kuò)大，它實(shí)際上已是無(wú)機(jī)非金屬材料的總稱(chēng)。什么是陶瓷(ceramics)?這種由無(wú)機(jī)非金屬材料作為基本組分組成的固體制品統(tǒng)稱(chēng)為陶瓷。Dept.ofMSE,CQU51.2

陶瓷材料的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀陶瓷材料的發(fā)展歷史人類(lèi)最早使用的工具——石器，可以說(shuō)是一種天然陶瓷材料。陶瓷是最古老的一種材料，是人類(lèi)征服自然中獲得的第一種經(jīng)化學(xué)變化而制成的產(chǎn)品。根據(jù)出土文物考證，我國(guó)陶器早在距今8千至1萬(wàn)年左右的新石器時(shí)代便已經(jīng)出現(xiàn)。瓷器在我國(guó)出現(xiàn)于東漢時(shí)期，距今已有1800多年的歷史。近幾十年來(lái)，隨著新技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)理論的建立，陶瓷材料得到了迅速發(fā)展，進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期，相繼出現(xiàn)了高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷為代表的一大批新型陶瓷材料，在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍工和高新技術(shù)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。Dept.ofMSE,CQU6表1-1陶瓷發(fā)展演變史采用原材料 煅燒溫度 年代

砂粒 500oC~700oC

約6000年前粘土、砂粒700oC~1000oC

公元前16-20世紀(jì)炻器陶器瓷器制品名稱(chēng)精細(xì)陶瓷磁石、粘土、高嶺土、長(zhǎng)石高純、人工合成原料1100oC~1400oC公元前1-2世紀(jì)>1400oC20世紀(jì)Dept.ofMSE,CQU7Dept.ofMSE,CQU8陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)復(fù)合化：利用加和及乘積效應(yīng)，開(kāi)發(fā)出單一材料中不存在的新功能獲由于單一材料性能的綜合功能材料。多功能化：將功能性與結(jié)構(gòu)性相結(jié)合，如集低介電常數(shù)、高絕緣、高導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、微型化于一體的基片材料。多功能材料的發(fā)展對(duì)促進(jìn)產(chǎn)品向輕、小、薄的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。低維化：低維材料是低于三位材料的總稱(chēng)。零維的是超微粒子，包括團(tuán)聚體、那你材料和亞微米材料；一維材料包括晶須、纖維、以及納米絲和納米管；二維材料主要為薄膜材料Dept.ofMSE,CQU9設(shè)計(jì)、工藝一體化：計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得材料的結(jié)構(gòu)和性能比較容易通過(guò)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)，使人們可以通過(guò)現(xiàn)有材料的利用和通過(guò)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)得到具有期望特性的材料，從而大大改變了傳統(tǒng)材料“嘗試”式的制備方式Dept.ofMSE,CQU101.3

陶瓷的分類(lèi)

陶瓷的種類(lèi)繁多，根據(jù)陶瓷的化學(xué)組成、性能特點(diǎn)以及用途等不同，可將陶瓷分為傳統(tǒng)陶瓷和先進(jìn)陶瓷兩大類(lèi)。傳統(tǒng)陶瓷的主要原料是石英、長(zhǎng)石和粘土等自然界存在的礦物。傳統(tǒng)陶瓷又稱(chēng)為普通陶瓷。傳統(tǒng)陶瓷先進(jìn)陶瓷先進(jìn)陶瓷的原料一般采用人工合成或提煉處理過(guò)的化工原料。國(guó)內(nèi)外關(guān)于先進(jìn)陶瓷的技術(shù)術(shù)語(yǔ)有很多，如新型陶瓷（newceramics），精細(xì)陶瓷（fineceramics），現(xiàn)代陶瓷（modernceramics），高技術(shù)陶瓷（hightechnologyceramics），特種陶瓷（specialceramics）等.Dept.ofMSE,CQU11土器：在較低溫度下燒成，坯體中的雜質(zhì)較多，而且結(jié)構(gòu)疏松多孔，顏色多樣且不均勻。陶器：在1100oC~1250oC左右燒成，坯體結(jié)構(gòu)比較細(xì)密均勻，但仍含較多氣孔，結(jié)合較牢固，有不同的顏色。分施釉和不施釉?xún)煞N。表面施透明釉的陶器，成為精陶。瓷器：根據(jù)瓷坯的原料配方、燒成溫度及玻璃相含量的不同，瓷器可分為軟質(zhì)瓷和硬質(zhì)瓷。軟質(zhì)瓷配方中長(zhǎng)石含量較高，1250oC~1300oC左右燒成，瓷坯內(nèi)玻璃相含量較多；硬質(zhì)瓷配方中粘土含量較高，在1320oC~1450oC左右燒成，瓷坯內(nèi)玻璃相含量較少，致密度較高。以粘土、長(zhǎng)石和石英為主要原料，添加部分工業(yè)氧化鋁或剛玉粉，并在較高溫度下燒結(jié)而成的，坯體中氣孔率很低，基本沒(méi)有開(kāi)口氣孔，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度及耐電壓性能的瓷器，稱(chēng)為高壓電瓷。傳統(tǒng)陶瓷Dept.ofMSE,CQU12表1-2傳統(tǒng)陶瓷的種類(lèi)Dept.ofMSE,CQU13先進(jìn)陶瓷

根據(jù)先進(jìn)陶瓷的性能特點(diǎn)、可將先進(jìn)陶瓷分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類(lèi)。結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷用于高溫、高壓、抗輻射、抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕等環(huán)境下的陶瓷材料稱(chēng)為結(jié)構(gòu)陶瓷?？煞譃檠趸锾沾伞⑻蓟锾沾?、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷等功能陶瓷是具有某種特殊敏感功能的陶瓷制品，可分為電功能陶瓷、磁功能陶瓷、光功能陶瓷、生物功能陶瓷等Dept.ofMSE,CQU14表1-3先進(jìn)陶瓷的種類(lèi)Dept.ofMSE,CQU15Dept.ofMSE,CQU16

納米陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料

納米陶瓷是晶粒或顆粒尺寸處于納米范圍（1~100nm）的陶瓷，由于晶?；蝾w粒尺寸小到納米數(shù)量級(jí)時(shí)具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)等，因此使納米材料具有常規(guī)材料所不具備的獨(dú)特性能，從而引起人們的注意，并形成納米熱。納米陶瓷主要包括納米陶瓷粉體、納米陶瓷纖維、納米陶瓷薄膜和納米陶瓷塊體。

陶瓷基復(fù)合材料是由陶瓷基體和增強(qiáng)體（纖維、晶須和顆粒）所組成的復(fù)合材料，其性能比單一材料更為優(yōu)越。除具有陶瓷的高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性等特點(diǎn)外，還使陶瓷的韌性大大改善，而且強(qiáng)度及模量也有一定提高。主要有顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)和纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料Dept.ofMSE,CQU17先進(jìn)陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別在原料上：突破了傳統(tǒng)陶瓷以黏土為主要原料的界限，先進(jìn)陶瓷一般以提純的化合物為主要原料。在成分上：傳統(tǒng)陶瓷的組成由黏土的成分決定，所以不同產(chǎn)地和爐窯的陶瓷有不同的質(zhì)地，由于先進(jìn)陶瓷的原料是純化合物，因此成分由人工配比決定，其性質(zhì)的優(yōu)劣由原料的純度和工藝決定。在制備工藝上：突破了傳統(tǒng)陶瓷以爐窯為主要生產(chǎn)手段的界限，廣泛采用真空燒結(jié)、保護(hù)氣氛燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓等手段。近些年來(lái)，還相繼開(kāi)發(fā)了多種“軟化學(xué)”方法來(lái)制備先進(jìn)陶瓷，如溶膠-凝膠（sol-gel）法、水熱法、自組裝法等。Dept.ofMSE,CQU18在性能上：先進(jìn)陶瓷具有不同的特殊性質(zhì)和功能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、導(dǎo)電、絕緣以及在磁、電、光、聲、生物工程各方面具有的特殊功能，從而使其在高溫、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、宇航、醫(yī)學(xué)工程等各方面得到廣泛的應(yīng)用。Dept.ofMSE,CQU191.4

陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)是由晶體、玻璃體和氣孔所組成的，下面分別介紹陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)和玻璃體結(jié)構(gòu)圖1-1陶瓷顯微組織示意圖Dept.ofMSE,CQU201.4.1陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)表1-4不同鍵合對(duì)應(yīng)晶體的基本性質(zhì)陶瓷晶體中的原子是靠化學(xué)鍵結(jié)合的，其化學(xué)鍵主要有共價(jià)鍵和離子鍵。相應(yīng)的晶體為共價(jià)鍵和離子鍵晶體。

陶瓷中的這兩種晶體是化合物不是單質(zhì)，其晶體結(jié)構(gòu)不像金屬那樣簡(jiǎn)單。其晶體結(jié)構(gòu)可分為典型晶體結(jié)構(gòu)和硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)。Dept.ofMSE,CQU21典型的離子晶體結(jié)構(gòu)(1)

AB型化合物結(jié)構(gòu)

(a)CsCl型結(jié)構(gòu)AB型結(jié)構(gòu)中陰離子(B)與陽(yáng)離子(A)的比為n:n。又可分為以下主要四種不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)。圖1-2CsCl結(jié)構(gòu)的立方晶胞屬立方晶系簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣。Cs+和Cl-半徑之比為0.169nm/0.181nm=0.933，Cl-離子構(gòu)成正六面體，Cs+在其中心，Cs+和Cl-的配位數(shù)均為8，多面體共面連接，一個(gè)晶胞內(nèi)含Cs+和Cl-各一個(gè)。屬于這種結(jié)構(gòu)的還有CsBr、CsI。Dept.ofMSE,CQU22(b)NaCl型結(jié)構(gòu)圖1-3NaCl結(jié)構(gòu)的立方晶胞NaCl屬立方晶系，面心立方點(diǎn)陣。Na+和Cl-半徑之比為0.525，Na+位于

Cl-離子形成的八面體間隙中。實(shí)際上，NaCl結(jié)構(gòu)可以看成是兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)，一個(gè)是Na+的，Cl-離子的，相互在棱邊上穿插而成。每個(gè)晶胞的離子數(shù)為8，即4個(gè)Na+和4個(gè)Cl-離子。自然界有幾百種化合物屬于NaCl結(jié)構(gòu)。氧化物MgO,CaO,SrO,BaO,MnO,FeO,NiO等；氮化物TiN,LaN,ZrN等；碳化物TiC,VC等；除CsBr,CsI和CsCl外的所有堿金屬硫化物和鹵化物Dept.ofMSE,CQU23(c)立方ZnS(閃鋅礦)型結(jié)構(gòu)圖1-4立方ZnS型結(jié)構(gòu)屬立方晶系，面心立方點(diǎn)陣。如圖1-4，S2-位于立方晶胞的頂角和面心上，構(gòu)成一套完整的面心立方晶格，而Zn2+也構(gòu)成一套面心立方格子，在體對(duì)角線(xiàn)1/4處互相穿插而成。在閃鋅礦的晶胞中，一種離子(S2-或Zn2+)或占據(jù)面心立方結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位置，另一種離子則占據(jù)四面體間隙的一半。S2-和Zn2+的配位數(shù)均為4，一個(gè)S2-被4個(gè)[ZnS4]四面體共用。屬于這種結(jié)構(gòu)的還有Be、Cd的硫化物、硒化物、碲化物；CuCl也屬于此類(lèi)型結(jié)構(gòu)。Dept.ofMSE,CQU24(d)六方ZnS(纖鋅礦)型結(jié)構(gòu)圖1-5立方ZnS結(jié)構(gòu)纖鋅礦屬六方晶系。每個(gè)晶胞內(nèi)包含兩個(gè)S2-和兩個(gè)Zn2+

。其位置為：

S2-：000；

Zn2+：；這個(gè)結(jié)構(gòu)可以看成較大的負(fù)離子構(gòu)成hcp結(jié)構(gòu)，而Zn2+占據(jù)其中一半的四面體間隙，構(gòu)成[ZnS4]四面體。S2-和Zn2+的配位數(shù)均為4。屬于這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的還有ZnO、AgI、BeO等。Dept.ofMSE,CQU25(e)NiAs型結(jié)構(gòu)6︰6配位，陰離子構(gòu)成hcp結(jié)構(gòu)，陽(yáng)離子位于八面體間隙中。Dept.ofMSE,CQU26(2)

AB2型化合物結(jié)構(gòu)

AB2型結(jié)構(gòu)中陽(yáng)離子與陰離子的配位數(shù)之比為2n:n。主要包括以下三種不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)。(a)β

-方石英型結(jié)構(gòu)β-方石英屬立方晶系。其結(jié)構(gòu)中，Si4+占據(jù)全部面心立方結(jié)點(diǎn)位置和立方體內(nèi)相當(dāng)于8個(gè)小立方體中心的4個(gè)。每個(gè)Si4+同4個(gè)O2-結(jié)合形成[SiO4]四面體，每個(gè)O2-

都連接2個(gè)對(duì)稱(chēng)的[SiO4]四面體。

Si4+和O2-的配位數(shù)分別為4和2。圖1-6β-方石英型結(jié)構(gòu)Dept.ofMSE,CQU27(b)金紅石(TiO2)型結(jié)構(gòu)圖1-7金紅石型結(jié)構(gòu)負(fù)離子多面體圖晶胞圖金紅石屬四方晶系。每個(gè)晶胞有2個(gè)Ti4+，4個(gè)O2-；配位數(shù)為6:3。每個(gè)O2-同時(shí)與3個(gè)Ti4+鏈合，即每3個(gè)[TiO6]八面體共用1個(gè)O2-；Ti4+位于晶胞的頂角和中心。屬于這類(lèi)結(jié)構(gòu)的還有GeO2,PbO2,SnO2,MnO2,VO2及FeF2,MgF2等。Dept.ofMSE,CQU28(c)螢石(CaF2)型結(jié)構(gòu)螢石屬立方晶系，面心立方點(diǎn)陣。Ca2+處于立方體的頂角和各面心位置，形成面心立方結(jié)構(gòu)。F-離子位于立方體內(nèi)8個(gè)小立體的中心位置，即填滿(mǎn)了全部的四面體空隙，構(gòu)成了[FCa4]四面體，F(xiàn)-離子配位數(shù)為4。F-作簡(jiǎn)單立方堆積，Ca2+填于半數(shù)的立方體空隙中，構(gòu)成[CaF8]立方體，故Ca2+的配位數(shù)為8，立方體之間共棱連接。圖1-8螢石型結(jié)構(gòu)(a)晶胞圖；(b)[CaF8]多面體圖；(c)[FCa4]多面體圖Dept.ofMSE,CQU29從空間結(jié)構(gòu)看，Ca2+構(gòu)成一套完整的面心立方結(jié)構(gòu)。F-離子構(gòu)成兩套面心立方格子，它們?cè)隗w對(duì)角線(xiàn)1/4和3/4處互相穿插而成。屬于CaF2型的化合物還有ThO2,CeO2,VO2等。

隨著陽(yáng)離子(A)與陰離子(B)半徑之比的不斷增大，AB2型離子化合物的晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出如下變化趨勢(shì)：

β-方石英型結(jié)構(gòu)→金紅石(TiO2)型結(jié)構(gòu)→螢石(CaF2)型結(jié)構(gòu)Dept.ofMSE,CQU30(3)

A2B型化合物結(jié)構(gòu)

與AB2型結(jié)構(gòu)剛好相反，A2B型結(jié)構(gòu)中陽(yáng)離子與陰離子的配位數(shù)之比為n:2n。主要包括以下幾種結(jié)構(gòu)：赤銅礦(Cu2O)型結(jié)構(gòu)

Cu+和O2-的配位數(shù)分別為2和4；O2-離子構(gòu)成BCC結(jié)構(gòu)，Cu+位于八面體間隙中。反螢石型結(jié)構(gòu)(Na2O)Na+和O2-的配位數(shù)分別為4和8；這種結(jié)構(gòu)中陰陽(yáng)離子的位置與螢石型結(jié)構(gòu)正好相反，陰離子構(gòu)成FCC結(jié)構(gòu)，陽(yáng)離子位于四面體間隙中。Dept.ofMSE,CQU31(4)

A2B3型化合物結(jié)構(gòu)

以α-Al2O3為代表的剛玉型結(jié)構(gòu)，是A2B3型的典型結(jié)構(gòu)。其陽(yáng)離子與陰離子的配位數(shù)之比為3n:2n。圖1-9α-Al2O3的晶格結(jié)構(gòu)

α-Al2O3的結(jié)構(gòu)屬六方晶系。正負(fù)離子的配位數(shù)為6:4，O2-離子作近似密排六方堆積，Al3+位于八面體間隙中，但只填滿(mǎn)這種空隙的2/3。Dept.ofMSE,CQU32

每三個(gè)相鄰的八面體間隙，就有一個(gè)是有規(guī)則地空著，這樣六層構(gòu)成一個(gè)完整周期。每個(gè)晶胞中有4個(gè)Al3+和6個(gè)O2-

。

屬于剛玉型化合物結(jié)構(gòu)的化合物還有Cr2O3,α-Fe2O3,α-Ga2O3等。α-Al2O3結(jié)構(gòu)的密堆積模型Dept.ofMSE,CQU33(5)

ABO3型化合物結(jié)構(gòu)

(a)鈣鈦礦(CaTiO3)型結(jié)構(gòu)圖1-10鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的晶胞結(jié)構(gòu)

理想鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)屬立方晶系。Ca2+和O2-離子構(gòu)成FCC結(jié)構(gòu)，Ca2+在立方體的頂角，O2-在立方體的六個(gè)面心上；而較小的Ti4+填于由6個(gè)O2-構(gòu)成的八面體[TiO6]空隙中，這個(gè)位置恰好為Ca2+構(gòu)成的立方體的中心。Dept.ofMSE,CQU34鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的配位多面體的連接Ti4+只填滿(mǎn)1/4的八面體空隙。[TiO6]八面體群相互以頂點(diǎn)連接，Ca2+則填于[TiO6]八面體群的空隙中，并被12個(gè)O2-所包圍，故Ca2+的配位數(shù)為12，而Ti4+的配位數(shù)為6。屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的還有BaTiO3,SrTiO3,PbTiO3,CaZrO3,PbZrO3,SrZrO3,SrSnO3等。Dept.ofMSE,CQU35(b)方解石(CaCO3)型結(jié)構(gòu)圖1-11方解石型結(jié)構(gòu)

方解石屬菱方晶系。每個(gè)晶胞中有4個(gè)Ca2+和4個(gè)[CO3]2-絡(luò)合離子。每個(gè)Ca2+被6個(gè)[CO3]2-所包圍，Ca2+的配位數(shù)為6；絡(luò)合離子[CO3]2-中3個(gè)O作等邊三角形排列，C在三角形的中間位置，C-O間是共價(jià)鍵結(jié)合；而Ca2+同[CO3]2-是離子鍵結(jié)合。屬于方解石型結(jié)構(gòu)的還有MgCO3(菱鎂礦),CaCO3·MgCO3(白云石)等。Dept.ofMSE,CQU36(6)

AB2O4型化合物結(jié)構(gòu)

尖晶石(MgAl2O4)是典型的AB2O4型化合物。MgAl2O4屬立方晶系，面心立方點(diǎn)陣。其結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜，每個(gè)晶胞內(nèi)有32個(gè)O2-，16個(gè)Al3+和8個(gè)Mg2+離子。O2-呈面心立方結(jié)構(gòu)，Mg2+的配位數(shù)為4，處在氧四面體中心；Al3+的配位數(shù)為6，居于氧八面體空隙中。圖1-12尖晶石的單位晶胞

為了清楚起見(jiàn)，可以把MgAl2O4

的結(jié)構(gòu)看成是由8個(gè)立方亞晶胞所組成。這種亞晶胞可分為甲、乙兩種：Dept.ofMSE,CQU37在甲型立方亞胞中，Mg2+位于單元的中心和4個(gè)頂角上，4個(gè)O2-分別位于各條體對(duì)角線(xiàn)上距臨空的頂角1/4處。在乙型立方亞胞中，Mg2+處在4個(gè)頂角上，4個(gè)O2-位于各條體對(duì)角線(xiàn)上距Mg2+頂角的1/4處。而Al3+位于4條體對(duì)角線(xiàn)上距臨空頂角的1/4處。MgAl2O4結(jié)構(gòu)中的小單元

若把MgAl2O4

晶格看作是O2-立方最密排結(jié)構(gòu)，八面體間隙有一半被Al3+

所填充，而四面體間隙則只有1/8被Mg2+所填充。屬于尖晶石型結(jié)構(gòu)的還有：ZnFe2O4,FeAl2O4,CoAl2O4,NiAl2O4,MnAl2O4,ZnAl2O4等。Dept.ofMSE,CQU38共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)

共價(jià)晶體的共同特點(diǎn)是配位數(shù)服從8-N法則，N為原子的價(jià)電子數(shù)，即每個(gè)原子都有8-N個(gè)最近鄰原子。圖1-13金剛石型結(jié)構(gòu)(a)晶胞；(b)原子在底面上的投影

金剛石型結(jié)構(gòu)Dept.ofMSE,CQU39

實(shí)際上，金剛石晶體結(jié)構(gòu)可視為兩個(gè)面心立方晶胞中的一個(gè)沿著另一個(gè)的體對(duì)角線(xiàn)相對(duì)位移1/4距離穿插而成。

金剛石晶體結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)。碳原子除按通常的FCC排列外，立方體內(nèi)還有4個(gè)原子，他們的坐標(biāo)分別為

,,,,相當(dāng)于晶體內(nèi)其中4個(gè)四面體間隙中心的位置。故晶胞內(nèi)共含有8個(gè)原子。

金剛石中每個(gè)C原子均有4個(gè)等距離的最近鄰原子，全部按共價(jià)鍵結(jié)合，符合8-N規(guī)則。C的配位數(shù)為4。

具有金剛石型結(jié)構(gòu)的還有α-Sn,Si,Ge等。另外，β-SiC晶體也具有金剛石結(jié)構(gòu)，只是在SiC晶體中Si原子取代了金剛石復(fù)雜立方晶體結(jié)構(gòu)中位于四面體間隙中的C原子。Dept.ofMSE,CQU40

菱方結(jié)構(gòu)

第VA族元素As,Sb,Bi的晶體結(jié)構(gòu)屬菱方結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為3，各原子以共價(jià)鍵方式相結(jié)合并形成層狀層狀結(jié)構(gòu)，層間具有金屬鍵性質(zhì)。圖1-14As,Sb,Bi的晶體結(jié)構(gòu)Dept.ofMSE,CQU41

三角晶體結(jié)構(gòu)Se,Te的晶體結(jié)構(gòu)為三角晶體結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為2，各原子以共價(jià)鍵方式相結(jié)合，原子組成呈螺旋形分布的鏈狀結(jié)構(gòu)。圖1-15Se和Te的晶體結(jié)構(gòu)Dept.ofMSE,CQU42硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)

硅酸鹽的成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多種多樣。硅酸鹽的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：

一部分是由Si和O按不同比例組成的各種負(fù)離子團(tuán)，稱(chēng)為硅氧骨干；另外兩部分為硅氧骨干以外的正離子和負(fù)離子。

硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)可歸納如下：

構(gòu)成硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元式Si和O組成的[SiO4]4-四面體。在[SiO4]4-四面體中，4個(gè)氧離子圍繞位于中心的硅離子，每個(gè)陽(yáng)離子有一個(gè)電子可以和其它離子鍵合。[SiO4]4-四面體Dept.ofMSE,CQU43

按電價(jià)規(guī)則，每個(gè)O2-最多只能為兩個(gè)[SiO4]4-四面體所共有。如果結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)Si4+提供給O2-電價(jià)，那么O2-的另一個(gè)未飽和的電價(jià)將有其它正離子提供，這樣就形成了各種不同類(lèi)型的硅酸鹽。按鮑林第三規(guī)則，[SiO4]4-四面體中未飽和的陽(yáng)離子和金屬正離子結(jié)合后，可以相互獨(dú)立地在結(jié)構(gòu)中存在，或者可以通過(guò)共用四面體頂點(diǎn)彼此連接成單鏈、雙鏈或成層狀、網(wǎng)狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但不能共棱和共面連接，否則結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，且同一類(lèi)型硅酸鹽中，[SiO4]4-四面體間的連接方式一般只有一種。Dept.ofMSE,CQU44

根據(jù)[SiO4]4-連接方式的不同。硅酸鹽晶體可以分成以下五種結(jié)構(gòu)：孤島狀、組群狀、鏈狀、層狀和骨架狀。

孤島狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)

所謂孤島狀結(jié)構(gòu)，是指在硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，[SiO4]4-四面體是以孤立狀態(tài)存在，共用氧數(shù)為零，即[SiO4]4-四面體只通過(guò)其它正離子連接，而使化合價(jià)達(dá)到飽和時(shí)，就形成了孤島狀的硅酸鹽結(jié)構(gòu)。

屬于孤島狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)的礦物有鎂橄欖石Mg[SiO4]，鋯英石Zr[SiO4]等。Dept.ofMSE,CQU45

鎂橄欖石Mg[SiO4]屬正交晶系。每個(gè)晶胞中有4個(gè)分子，28個(gè)離子。下圖為鎂橄欖石結(jié)構(gòu)在(100)面投影圖。為了醒目起見(jiàn)，位于四面體中心的Si4+未畫(huà)出。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要如下：鎂橄欖石在(100)面投影圖

各[SiO4]4-四面體是單獨(dú)存在的，其頂角相間地朝上朝下；各[SiO4]4-四面體只通過(guò)O—Mg—O鍵連接在一起；

Mg2+離子周?chē)?個(gè)O2-離子位置幾乎是正八面體的頂角，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)可看成是有四面體和八面體堆積而成的；

O2-離子近似按照六方排列。氧離子成密堆結(jié)構(gòu)式許多硅酸鹽結(jié)構(gòu)的一個(gè)特征。Dept.ofMSE,CQU46

組群狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)

組群狀結(jié)構(gòu)，是指在硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，[SiO4]4-四面體通過(guò)共用1個(gè)或2個(gè)氧(橋氧)相連成的含成對(duì)、3節(jié)、4節(jié)或6節(jié)硅氧團(tuán)組群。這些組群之間再由其它正離子按一定的配位形式構(gòu)成硅酸鹽結(jié)構(gòu)。孤立的有限硅氧四面體群的各種形狀Dept.ofMSE,CQU47

綠柱石Be3Al2[Si6O18]為典型的組群狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽，屬六方晶系。其基本結(jié)構(gòu)單元是6個(gè)硅氧四面體形成的六節(jié)環(huán)。這些六節(jié)環(huán)之間靠Al3+和Be2+連接，Al3+的配位數(shù)為6，與硅氧網(wǎng)絡(luò)的非橋氧形成[AlO6]八面體；Be2+配位數(shù)為4，構(gòu)成[BeO4]四面體。綠柱石Be3Al2[Si6O18]的結(jié)構(gòu)Dept.ofMSE,CQU48

環(huán)與環(huán)相疊，上下兩層錯(cuò)開(kāi)30o。在上下疊置的六節(jié)環(huán)內(nèi)形成了巨大的通道，可儲(chǔ)有K+,Na+,Cs+及H2O分子，使綠柱石結(jié)構(gòu)成為離子導(dǎo)電的載體。

具有優(yōu)良抗熱、抗震性能的堇青石Mg2Al3[AlSi5O18]的結(jié)構(gòu)與綠柱石相似，只是在六節(jié)環(huán)中有一個(gè)[SiO4]四面體中的Si4+被Al3+所取代，環(huán)外的(Be3Al2)被(Mg2Al3)所取代而已。Dept.ofMSE,CQU49

鏈狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)

[SiO4]4-四面體通過(guò)橋氧的連接，在一維方向伸長(zhǎng)成單鏈或雙鏈，而鏈與鏈之間通過(guò)其他正離子按一定的配位關(guān)系連接就構(gòu)成了鏈狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)。鏈狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)(a)

單鏈(b)

雙鏈Dept.ofMSE,CQU50單鏈結(jié)構(gòu)單元的分子式為[SiO3]n2n-。在單鏈狀結(jié)構(gòu)中由于Si-O鍵比Me-O鍵強(qiáng)得多，因此鏈狀硅酸鹽礦物很容易沿鏈間結(jié)合較弱處裂成纖維。

許多陶瓷材料具有這種單鏈結(jié)構(gòu)，如頑輝石Mg[SiO3],透輝石CaMg[Si2O6],鋰輝石LiAl[Si2O6],頑火輝石Mg2[Si2O6]等。雙鏈結(jié)構(gòu)單元的分子式為[Si4O11]n6n-。

透閃石Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2,斜方角閃石(Mg,Fe)7[Si4O11]2(OH)2,硅線(xiàn)石Al[AlSiO5]和莫來(lái)石Al[Al1+x·Si1-xO5-x/2]等都屬于雙鏈結(jié)構(gòu)。Dept.ofMSE,CQU51

層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)

[SiO4]4-四面體的某一個(gè)面(由3個(gè)氧離子組成)在平面內(nèi)以共用頂點(diǎn)的方式連接成六角對(duì)稱(chēng)的二維結(jié)構(gòu)，即為層狀結(jié)構(gòu)。它通常以?xún)蓚€(gè)[SiO4]4-四面體的連接為一個(gè)重復(fù)的周期，且他有1個(gè)氧離子處于自由端，價(jià)態(tài)未飽和，稱(chēng)為活性氧，它將與金屬離子結(jié)合而形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)Dept.ofMSE,CQU52

在六元環(huán)狀單層結(jié)構(gòu)中，Si4-分布在同一高度，單元大小可在六元環(huán)層中取一個(gè)矩形，結(jié)構(gòu)單元內(nèi)氧與硅之比為10︰4，其化學(xué)式可寫(xiě)成[Si4O10]4-。

在層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，層內(nèi)Si-O鍵和Me-O鍵要比層與層之間分子鍵或氫鍵強(qiáng)得多，因此這種結(jié)構(gòu)容易從層間剝離，形成片狀解理。

具有層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽有高嶺土Al4[Si4O10](OH)8,滑石Mg3[Si4O10](OH)2,葉臘石Al2[Si4O10](OH)2等。Dept.ofMSE,CQU53

架狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)

[SiO4]4-四面體連成無(wú)限六元環(huán)狀，層中未飽和氧離子交替指向上或向下，把這樣的層疊起來(lái)，使每?jī)蓚€(gè)活性氧為一個(gè)公共氧所代替，就可以得到架狀硅酸鹽。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是每個(gè)[SiO4]4-四面體中的氧離子全部被共用。

典型的架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽是石英及其各變種，還有長(zhǎng)石(K,Na,Ca)[AlSi3O8],沸石Na[AlSi2O6]·H2O等。Dept.ofMSE,CQU54表1-5硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)Dept.ofMSE,CQU551.4.2陶瓷的玻璃體結(jié)構(gòu)玻璃的結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)晶子學(xué)說(shuō)無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)

陶瓷中的玻璃體是非晶態(tài)的無(wú)定形物質(zhì)。關(guān)于玻璃的結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)目前主要有兩個(gè)：Dept.ofMSE,CQU56晶子學(xué)說(shuō)

晶子學(xué)說(shuō)認(rèn)為玻璃是由無(wú)數(shù)“晶子”組成，所謂“晶子”不同于一般微晶，而是帶有晶格變形的區(qū)域，它們分散在無(wú)定形介質(zhì)中，并從“晶子”部分到無(wú)定形部分是逐步完成的，兩者之間并無(wú)明顯界限。晶子學(xué)說(shuō)揭示了玻璃體的一個(gè)結(jié)構(gòu)特征，即微不均勻性及近程有序性。其主要根據(jù)為X射線(xiàn)衍射中為峰的顯著寬化效應(yīng)。Dept.ofMSE,CQU57石英的XRD圖譜Dept.ofMSE,CQU58無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)

無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)認(rèn)為玻璃態(tài)物質(zhì)與相應(yīng)的晶體一樣，也是由一個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。這種網(wǎng)絡(luò)是由離子多面體構(gòu)筑起來(lái)的，但多面體的重復(fù)沒(méi)有規(guī)律性。Dept.ofMSE,CQU59按無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)的結(jié)構(gòu)模型示意圖(a)

石英晶體結(jié)構(gòu)模型(b)石英玻璃結(jié)構(gòu)模型Dept.ofMSE,CQU60

玻璃中的網(wǎng)絡(luò)是由氧離子的多面體構(gòu)筑起來(lái)的，多面體中心被多電荷離子，即網(wǎng)絡(luò)形成體（Si4+、B3+、P5+離子）所占有。

氧離子有兩種類(lèi)型，凡屬兩個(gè)多面體的稱(chēng)為橋氧離子，凡屬一個(gè)多面體的稱(chēng)為非橋氧離子。網(wǎng)絡(luò)中過(guò)剩的電荷則由網(wǎng)絡(luò)間隙中的網(wǎng)絡(luò)變性體（Na+、K+、Ca2+離子）來(lái)補(bǔ)償。

多面體的結(jié)合程度甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合程度都取決于橋氧離子的百分?jǐn)?shù)，而網(wǎng)絡(luò)變性體離子則均勻而無(wú)序地分布在四面體的間隙中。Dept.ofMSE,CQU61

無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)強(qiáng)調(diào)的是玻璃離子與多面體間相互間排列的均勻性、連續(xù)性及無(wú)序性。這些結(jié)構(gòu)特征可以在玻璃的各向同性、內(nèi)部性質(zhì)的均勻性及隨成分變化時(shí)玻璃性質(zhì)變化的連續(xù)性上得到反映。一般認(rèn)為無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)更切實(shí)際。

Dept.ofMSE,CQU621.5

陶瓷的顯微組織陶瓷顯微組織示意圖

與陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)一樣，陶瓷的顯微組織在很大程度上決定著陶瓷的性能。陶瓷的顯微組織總的來(lái)說(shuō)是有晶向、玻璃相和氣相所組成。Dept.ofMSE,CQU631.5.1陶瓷顯微組織的分類(lèi)晶體結(jié)晶程度

全晶質(zhì)組織全部由結(jié)晶質(zhì)組成

半晶質(zhì)組織晶質(zhì)和非晶質(zhì)各占一半左右

非晶質(zhì)組織全部由非晶質(zhì)組成Dept.ofMSE,CQU64晶形發(fā)育程度

自形晶組織各晶面發(fā)育完整

半自形晶組織部分晶面發(fā)育完整

它形晶組織各晶面發(fā)育不完整Dept.ofMSE,CQU65

等粒組織顆粒大小相近，大小顆粒之比≤3:1

不等粒組織顆粒大小不同，大小顆粒之比≤5:1

斑狀組織顆粒大小懸殊，大小顆粒之比＞5:1晶粒相對(duì)大小Dept.ofMSE,CQU66

定向組織晶體按延長(zhǎng)方向平行排列晶粒分布特征

交織組織有延長(zhǎng)方向的晶體交織成網(wǎng)

環(huán)帶組織晶體沿生長(zhǎng)方向形成與晶面平行的具有不同顏色和雜質(zhì)包裹物的組織

包裹組織晶體內(nèi)包裹其它物質(zhì)形成的組織

間隔組織有延長(zhǎng)方向的晶體交織成三角格架，中間為玻璃相

向粒組織有延長(zhǎng)方向的晶體交織成三角格架，中間為粒狀晶Dept.ofMSE,CQU671.5.2典型陶瓷的顯微組織

普通陶瓷的顯微組織普通陶瓷的顯微組織(610×)高壓電瓷的顯微組織(410×)Dept.ofMSE,CQU68

普通陶瓷的顯微組織中：玻璃相含量40%～60%；主晶相莫來(lái)石10%～30%；為鱗片狀和針狀交織成網(wǎng)；殘留石英10%～20%；顆粒大小不一，呈斑狀。因此普通陶瓷的顯微組織為玻璃基交織斑狀組織。Dept.ofMSE,CQU69

結(jié)構(gòu)陶瓷的顯微組織Al2O3瓷的顯微組織Si3N4瓷的顯微組織Dept.ofMSE,CQU70

氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷（Al2O3、ZrO2等）大部分為單相多晶等軸晶，晶形較規(guī)則完整，晶界結(jié)合致密，為半自形等?；虿坏攘＝M織。

碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷，大部分為粒狀組織和針棒狀組織，這是由于在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生相變而產(chǎn)生點(diǎn)陣重構(gòu)或燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生晶粒擇優(yōu)取向引起的。Dept.ofMSE,CQU71

功能陶瓷的顯微組織金紅石瓷的顯微組織

金紅石為介電陶瓷，其顯微組織為自形或半自形細(xì)均粒組織，晶粒細(xì)?。ㄎ⒚字羴單⒚准?jí)）。Dept.ofMSE,CQU72溶膠凝膠法制備的鈦酸鋇瓷的顯微組織固相反應(yīng)法制備的鈦酸鋇瓷的顯微組織

鈦酸鋇為鐵電、壓電陶瓷，固相燒結(jié)的BaTiO3為半自形粒狀組織，顆粒發(fā)育不完全且很不均勻，晶界結(jié)合處不緊密，氣孔較多；而在溶膠凝膠法制備的陶瓷中，晶粒發(fā)育完全，為四方相，晶界結(jié)合相對(duì)緊密，氣孔較少。Dept.ofMSE,CQU731.5.3陶瓷基復(fù)合材料的顯微組織

顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的顯微組織顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的顯微組織顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的組織具有各向同性，其制備工藝首先要解決顆粒分散問(wèn)題，一般采用超聲波分散及添加表面活性劑等避免顆粒團(tuán)聚，使顆粒均勻分布在陶瓷基本中。顆粒彌散分布組織包括晶內(nèi)、晶間型和混合型組織。Dept.ofMSE,CQU74

晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的顯微組織不同SiC晶須增韌ZrB2復(fù)合材料的顯微組織

分晶須隨機(jī)分布組織和晶須定向分布組織。采用熱壓燒結(jié)工藝制備晶須增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，晶須的排列具有一定的擇優(yōu)取向。Dept.ofMSE,CQU75

纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的顯微組織短纖維Cf/玻璃陶瓷復(fù)合材料的顯微組織長(zhǎng)纖維Cf/Si3N4復(fù)合材料的顯微組織Dept.ofMSE,CQU76單纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的顯微組織與晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的顯微組織相似。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的顯微組織又可分為單相顯微組織、層狀組織和網(wǎng)狀組織。Dept.ofMSE,CQU77Cf/SiC復(fù)合材料拋光面顯微組織Dept.ofMSE,CQU78Cf/SiC復(fù)合材料斷面顯微組織Dept.ofMSE,CQU791.6

陶瓷的相變當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中的相的能量最小時(shí)是穩(wěn)定的；如果能量處在局部小的狀態(tài)，并且與能量最小狀態(tài)之間存在勢(shì)壘的話(huà)，稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)；如果沒(méi)有這種勢(shì)壘，就是不穩(wěn)定態(tài)。當(dāng)外界條件(溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng))發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的能量發(fā)生改變，相的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，即發(fā)生相變。陶瓷的相變大致可分為擴(kuò)散型相變和無(wú)擴(kuò)散型相變。Dept.ofMSE,CQU801.6.1陶瓷中的無(wú)擴(kuò)散相變無(wú)擴(kuò)散相變

重建型轉(zhuǎn)變(Reconstructiontransition)

伴隨有化學(xué)鍵的破壞和新鍵形成，原子重新排列。因此，這種相變需要較大的激活能，相變較難發(fā)生，常常有使高溫相保留到室溫的傾向。但相變中原子移動(dòng)的距離仍然較短。

位移型轉(zhuǎn)變

(Displacivetransition)在不破壞化學(xué)鍵的情況下，構(gòu)成晶體的離子沿一定的鏡面和鏡像整體產(chǎn)生有規(guī)律的相對(duì)位移。因此，位移型相變所需的激活能比重建型要小，比重建型相變?nèi)菀走M(jìn)行。Dept.ofMSE,CQU81

在SiO2同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變中：

α→β→γ間的轉(zhuǎn)變是位移型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變速度很快；石英→

鱗石英→方石英間的轉(zhuǎn)變是重建型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變速度很慢。

陶瓷中無(wú)擴(kuò)散相變主要有馬氏體相變、有序—無(wú)序轉(zhuǎn)變等。Dept.ofMSE,CQU821.6.2陶瓷中的擴(kuò)散型相變

擴(kuò)散性相變中不僅有晶體結(jié)構(gòu)的變化，而且還有化學(xué)成分的變化。例如：過(guò)飽和固溶體的時(shí)效析出、調(diào)幅分解、玻璃分相等。Dept.ofMSE,CQU831.7

陶瓷的性能

陶瓷大部分為共價(jià)鍵和離子鍵，鍵合牢固并有方向性。同金屬相比，它的強(qiáng)度、硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性及耐熱性要更為優(yōu)越；但塑性、韌性、可加工性、抗熱震性及使用可靠性卻不如金屬。Dept.ofMSE,CQU84陶瓷與金屬的拉伸曲線(xiàn)示意圖Dept.ofMSE,CQU851.7.1陶瓷的力學(xué)性能

陶瓷的彈性模量

在正常溫度下，當(dāng)應(yīng)力不大時(shí)，陶瓷的形變是簡(jiǎn)單的彈性形變，符合虎克定律，應(yīng)力與應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系。陶瓷的彈性形變實(shí)際上是在外力作用下，原子間距有平衡位置產(chǎn)生很小位移的結(jié)果。超過(guò)此值，就會(huì)產(chǎn)生鍵的斷裂（室溫）或產(chǎn)生塑性變形（高溫）。彈性模量反映的是原子間距微小變化所需外力的大小。

陶瓷大部分為共價(jià)鍵和離子鍵結(jié)合的晶體，結(jié)合力強(qiáng)，彈性模量都較大。Dept.ofMSE,CQU86表1-6常見(jiàn)陶瓷的彈性模量Dept.ofMSE,CQU87表1-7常見(jiàn)陶瓷的硬度

陶瓷的硬度

硬度是材料抵抗局部壓力而不產(chǎn)生變形的能力。金屬的硬度是測(cè)表面塑性變形程度，所以硬度與強(qiáng)度成正比。陶瓷是脆性材料，在壓頭壓入?yún)^(qū)產(chǎn)生偽塑性變形，所以硬度很難與強(qiáng)度直接對(duì)應(yīng)起來(lái)。Dept.ofMSE,CQU88

陶瓷的強(qiáng)度表1-8常見(jiàn)陶瓷的強(qiáng)度

陶瓷在室溫下幾乎不能產(chǎn)生滑移，很難產(chǎn)生塑性變形，其破壞方式為脆性斷裂，室溫下只能測(cè)得斷裂強(qiáng)度。Dept.ofMSE,CQU89

陶瓷的韌性表1-8常見(jiàn)陶瓷的韌性

陶瓷是脆性材料，對(duì)裂紋敏感性很強(qiáng)，其斷裂行為一般用線(xiàn)彈性力學(xué)來(lái)描述。評(píng)價(jià)陶瓷韌性的參數(shù)是斷裂韌性KIC。由于陶瓷中存在許多裂紋和缺陷，在外力作用下，產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度是，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂，此時(shí)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子稱(chēng)為斷裂韌性。Dept.ofMSE,CQU90

陶瓷的塑性

塑性形變是指外力除去后不能恢復(fù)的形變。材料受這種形變而不破壞的能力稱(chēng)為塑性。

大部分陶瓷在室溫都是脆性材料，主要是因?yàn)椋?/p>

陶瓷多為離子鍵合共價(jià)鍵，具有明顯的方向性，滑移系少；大部分陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滿(mǎn)足滑移的條件困難；陶瓷中位錯(cuò)不易形成，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，難以產(chǎn)生塑性形變。Dept.ofMSE,CQU911.7.2陶瓷的熱學(xué)性能

高熔點(diǎn)；低熱膨脹系數(shù)；低導(dǎo)熱；小熱容。較差的抗熱震性Dept.ofMSE,CQU92各種陶瓷的熔點(diǎn)Dept.ofMSE,CQU93常見(jiàn)陶瓷的線(xiàn)膨脹系數(shù)Dept.ofMSE,CQU94常見(jiàn)陶瓷的熱導(dǎo)率Dept.ofMSE,CQU95

陶瓷的抗熱震性抗熱震斷裂性材料中允許存在的最大溫差ΔTmax為：抗熱震損傷性抗熱應(yīng)力損傷因子：Dept.ofMSE,CQU961.8

陶瓷的制備工藝配料坯料制備成型和干燥施釉燒結(jié)陶瓷制造工藝流程Dept.ofMSE,CQU971.8.1坯料制備

注漿料

含水分28%～35%

可塑料

含水分18%～25%

壓制粉料

含水分8%～15%坯料陶瓷原料經(jīng)配料和加工后，得到的多組分混合物稱(chēng)為坯料。根據(jù)不同成型方法對(duì)坯料要求的不同，可將陶瓷坯料分為三類(lèi)：Dept.ofMSE,CQU981.8.2成型

成型是將坯料加工成一定形狀和尺寸的半成品。成型方法可分為以下三種：注漿成型、可塑成型和壓制粉料成型。Dept.ofMSE,CQU99

石膏模注漿成型

注漿成型適用于制備大型的、形狀復(fù)雜的、薄壁的產(chǎn)品。常見(jiàn)的有石膏模注漿成型、熱壓注漿成型、流延注漿成型等。(1)

注漿成型

石膏模注漿成型的漿料要具有良好的流動(dòng)性、穩(wěn)定性、觸變性、滲透性、脫模性及含水量盡可能少和盡可能不含氣泡。

注漿成型的坯體結(jié)構(gòu)較均勻，適于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。Dept.ofMSE,CQU100石膏模注漿成型過(guò)程示意圖Dept.ofMSE,CQU101注漿成型是基于石膏模（或多孔膜）能吸收水分的特性。一般認(rèn)為注漿過(guò)程基本上可分成三個(gè)階段：

從泥漿注入石膏模吸入開(kāi)始到形成薄泥層為第一階段。此階段的動(dòng)力是石膏模（或多孔膜）的毛細(xì)管力，即在毛細(xì)管力的作用下開(kāi)始吸水。由于水分被吸走，漿中的顆粒相互靠近，靠石膏模對(duì)顆粒、顆粒對(duì)顆粒的范德華吸附力而貼近模壁，形成最初的薄泥層。形成薄泥層后，泥層逐漸增厚，直到形成注件為第二階段。在此階段中，石膏模的毛細(xì)管力繼續(xù)吸水，薄泥層繼續(xù)脫水。此階段的擴(kuò)散動(dòng)力為薄泥層兩側(cè)水分濃度差和壓力差。從雛坯形成后到脫模為收縮脫模階段（坯體鞏固階段）。Dept.ofMSE,CQU102注漿過(guò)程實(shí)質(zhì)上是通過(guò)石膏模的毛細(xì)管吸力從泥漿中吸取水分因而在模壁上形成泥層。提高注漿速率主要取決于以下幾方面：

降低泥層的阻力泥層的阻力取決于其結(jié)構(gòu)，由泥漿的組成、濃度、添加物的種類(lèi)所決定。適當(dāng)減少塑性原料，增粗泥漿顆粒粒子可加快吸漿速度；在泥漿中加入少量絮凝劑，會(huì)使形成的坯體結(jié)構(gòu)疏松，可加快吸漿過(guò)程。提高吸漿過(guò)程的推動(dòng)力吸漿過(guò)程的推動(dòng)力主要是石膏的毛細(xì)管力。在制造石膏時(shí)，可通過(guò)控制合適的水膏比來(lái)改善石膏的毛細(xì)管力。此外，還可采用增大泥漿與模型之間壓力差的方法來(lái)提高推動(dòng)力。Dept.ofMSE,CQU103

由于注漿成型所用坯料含水量大，干燥和燒結(jié)時(shí)收縮較大，易開(kāi)裂。為了提高注漿速度和坯體的質(zhì)量，又發(fā)展了壓力注漿、離心注漿和真空注漿。

壓力注漿采用加大泥漿壓力的方法，來(lái)加速水分?jǐn)U散，從而加快吸漿速度。離心注漿使模型在旋轉(zhuǎn)的情況下注漿，泥漿受離心力的作用緊靠模壁形成致密的坯體，泥漿中的氣泡由于比較輕，在模型旋轉(zhuǎn)時(shí)，多集中在中間，最后破裂排出，因此可提高吸漿速度。

真空注漿真空注漿可增大石膏模的內(nèi)外面壓差，從而縮短坯體形成時(shí)間，提高坯體致密度和強(qiáng)度。Dept.ofMSE,CQU104

熱壓注漿成型

熱壓注漿成型是利用石蠟的熱流動(dòng)性與坯料配合，使用金屬模具在壓力下成型的方法。

合格的蠟漿應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和可注性，且收縮率要小。

熱壓注成型的產(chǎn)品尺寸較精確、光潔度高、結(jié)構(gòu)緊密。適用于形狀較復(fù)雜，精度要求高的中小型產(chǎn)品的生產(chǎn)。該工藝具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，生產(chǎn)效率高，模具磨損小等優(yōu)點(diǎn)，在特種陶瓷生產(chǎn)中經(jīng)常采用。Dept.ofMSE,CQU105

流延法成型

流延法成型也成為帶式澆鑄法。適于制造薄膜厚度0.05mm以下的小體積、大容量的電子器件。流延法成型是將超細(xì)粉末與粘結(jié)劑、塑化劑、分散劑等配合，攪拌均勻得到可以流動(dòng)的粘稠狀漿料，經(jīng)過(guò)流延機(jī)加料嘴不斷地向轉(zhuǎn)動(dòng)的傳送帶上流出。用刮刀控制厚度，經(jīng)紅外線(xiàn)加熱干燥后得到一層薄膜。Dept.ofMSE,CQU106流延法成型示意圖Dept.ofMSE,CQU107(2)

可塑成型

可塑成型是利用泥料具有可塑性的特點(diǎn)，用模具或刀具等工藝裝備運(yùn)動(dòng)所造成的壓力、剪力或擠壓力等外力對(duì)具有可塑性的坯料進(jìn)行加工迫使坯料在外力作用下發(fā)生可塑變形而制作坯體的方法?？伤芊ǔ尚瓦m合于成型具有回轉(zhuǎn)中心的圓形產(chǎn)品，如管、棒和薄片狀制品。主要有擠壓、車(chē)坯、旋坯、滾壓、軋膜等成型方法。相比于注漿成型，擠壓成型所用的結(jié)合劑較少。Dept.ofMSE,CQU108

擠壓成型

擠壓成型是將真空煉制的泥料，放入擠壓機(jī)內(nèi)，通過(guò)擠壓機(jī)的螺旋或活塞的擠壓，經(jīng)機(jī)嘴出來(lái)達(dá)到要求的形狀。適合于擠制棒狀、管狀的坯體。擠壓成型對(duì)泥料要求較高。粉料的；粒度要小，外形圓潤(rùn)；溶劑、增塑劑、粘結(jié)劑等用量要適當(dāng)；泥料要高度均勻。擠壓成型污染小，易于自動(dòng)化，效率高。但機(jī)嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于溶劑和結(jié)合劑加入較多，坯體在干燥和燒結(jié)時(shí)收縮較大，性能受到一定影響。Dept.ofMSE,CQU109立式擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Dept.ofMSE,CQU110

滾壓成型

滾壓成型時(shí)，盛放泥料的模型和滾壓頭分別繞自己的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，滾壓頭一面旋轉(zhuǎn)一面靠近盛放泥料的模型，對(duì)泥料進(jìn)行滾壓而成型。

滾壓成型時(shí)，泥料是均勻展開(kāi)的，形成的坯體結(jié)構(gòu)均勻。由于滾壓頭與泥料接觸面積較大，壓力也較大，受壓時(shí)間較長(zhǎng)，坯體致密，強(qiáng)度較大，不易變形，表面質(zhì)量好。

滾壓成型對(duì)于泥料的要求主要是泥料的可塑性和水分。在保證一定可塑性的前提下，含水量要小些。通常滾壓成型時(shí)的水分控制在19%～24%。

滾壓成型可分為陽(yáng)模滾壓和陰模滾壓。Dept.ofMSE,CQU111陽(yáng)模滾壓陰模滾壓Dept.ofMSE,CQU112

旋壓成型

旋壓成型主要利用作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的石膏模與只能上下運(yùn)動(dòng)的樣板刀來(lái)成型。

旋壓成型的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，可以旋制深凹制品。缺點(diǎn)是旋壓品質(zhì)較差，生產(chǎn)效率低，坯泥加工余量大，占地面積大，而且要求有熟練的操作技術(shù)。Dept.ofMSE,CQU113各種可塑成型方法比較Dept.ofMSE,CQU114Dept.ofMSE,CQU115(3)

壓制粉料成型

壓制成型可分為干壓成型和等靜壓成型。干壓成型含水量一般為3%～7%；等靜壓成型中，粉料含水量可在3%以下。

壓制成型的特點(diǎn)是生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，坯體收縮小，致密度高，產(chǎn)品尺寸精確，且對(duì)坯料的可塑性要求不高。缺點(diǎn)是對(duì)形狀復(fù)雜的制品難以成型，多用來(lái)成型扁平狀制品。隨著等靜壓工藝的發(fā)展，許多復(fù)雜形狀的制品也可以壓制成型。Dept.ofMSE,CQU116

干壓成型

干壓成型是利用壓力機(jī)將干粉坯料加少量結(jié)合劑在金屬模具中壓制成坯體的一種成型方法。由于成型的坯料水分少，壓力大，坯體比較致密，因此能獲得收縮小、形狀準(zhǔn)確、缺陷少的生坯。干壓成型過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)量大，便于機(jī)械化。適于成型形狀簡(jiǎn)單、小型的坯體。

干壓成型要求粉料各組分分布均勻，體積密