第九章陶瓷与高分子材料陶瓷材料的基本知识陶瓷材料的结构与组织陶瓷材料性能工业陶瓷材料一、陶瓷材料陶瓷是以天然或人工合成的无机非金属物质为原料，经过成型或高温烧结而成的固体材料和制品。由于具有高硬度、高耐磨性、耐蚀性和绝缘性能及特殊的电性能而得到广泛的应用。陶瓷材料、金属材料和高分子材料统称为三大固体材料。普通陶瓷（天然硅酸盐材料）功能陶瓷（人工合成材料）按原料分类按原料分类功能陶瓷也称为现代陶瓷或新型陶瓷。第一节陶瓷材料的基本知识传统陶瓷泥→揉泥→成型→修坯→晾坯→施釉→装窑烧制传统陶瓷的制备新型陶瓷新型陶瓷制成的人造骨等陶瓷零件氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）金属陶瓷（TiB2、ZrB2等）按成分按成分分类分类陶瓷材料的结合键：陶瓷材料中，离子键与共价键是主要的结合键。但通常为二者的混合键，不同的化合物中离子键和共价键的比例不同。普通陶瓷的瓷化过程----烧成：1250-1450℃；功能陶瓷的瓷化过程----烧结：组份熔点的2/3-4/5。第二节陶瓷材料的结构与组织各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷结构中同时存在:一、晶体相晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。陶瓷中的晶相的结合键为：离子键、共价键、混合键氧化物晶体相（Al2O3、TiO2等）非氧化物晶体相（SiC、TiN、WC等）含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）晶体相晶体相氧化物结构的主要特点是氧离子紧密排列构成晶格骨架，常占据晶格结点和面心位置，而直径较小的金属离子填充于晶格间隙之中。一般，金属离子能填充的间隙有两种，一种为八面体间隙，另一种为四面体间隙。晶体结构有许多种，这里介绍常见几种。1、氧化物晶体相氧化物晶体相是以离子键结合为主的离子晶体，也有一定成份的共价键。是功能陶瓷的主要组成部分。MgO、NiO、FeO等直径较小的金属离子全部占据八面体间隙位置，正负离子配位数都是6，八面体共棱连接，则氧离子与金属离子的比例为1:1，形成NaCl型结构氧化物。NaCl型结构一个晶胞中各有正负离子几个？如果直径较小的金属离子全部占据四面体间隙位置，则氧离子与金属离子的比例为1:2，形成CaF2型结构氧化物。立方ZrO2、VO2等萤石矿结构正负离子的配位数？晶胞中正负离子数量？ABO钙钛矿是以CaTiO3为主要成分的天然矿物，理想情况下其结构属于立方晶系。通用化学式：ABO3Ca2+和O2-离子一起构成FCC堆积，Ca2+位于顶角，O2-位于面心，Ti4+位于体心。Ca2+、Ti4+和O2-的配位数分别为12、6和6。[TiO6]八面体共顶连接形成三维结构。钙钛矿（Perovskite，CaTiO3）型结构2、非氧化物晶体相非氧化物晶体相是以共价键结合为主并含有一定成分的金属键和离子键的晶体。它是功能陶瓷尤其是金属陶瓷中的晶体相。它们的晶体结构通常都比较复杂。3、硅酸盐晶体相结构很复杂，但基本结构单元为[SiO4]四面体，结合键为离子键、共价键的混合键；每个氧原子最多只有被两个[SiO4]所共有；[SiO4]既可孤立存在，亦可通过共用顶点连接，从而形成岛状、链状、层状或骨架状等结构，进而得到不同类型的硅酸盐，它有无机高聚物之称。4、晶体相中的同素异构转变α-石英870℃α-鳞石英1470℃α-方石英1713℃熔融SiO2573℃β-石英163℃β-鳞石英117℃γ-鳞石英180~270℃β－方石英急冷加热石英玻璃SiO2的同素异构转变5、晶体相的缺陷实际陶瓷晶体也存在晶体缺陷，如晶界、位错、点缺陷等。陶瓷中的位错不像金属中的位错对变形和强化起着重要作用，因为陶瓷的晶格常数比金属的大得多且结构复杂，位错运动非常困难，也很难产生新的位错。但点缺陷的存在对其电性能及烧结、扩散等有较大影响。晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（Al2O3）晶粒平均尺寸为193.7μm时，抗弯强度为75.2MPa，1.8μm时抗弯强度可高达581MPa。玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。一般是SiO2。二、玻璃相玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离...
