兰州大学材料学考研第十二章陶瓷结构和特性详解.doc

第十二章 陶瓷的结构和特性 为什么学习陶瓷的结构与特性？ 陶瓷的某些特性可以通过其结构来解释。例如，（a）无机玻璃材料的透光性起因与其结构非晶性；(b) 陶土的水塑性（即水的加入量与塑性变化）与水分子和陶土结构的相互作用相联系；(c) 一些陶瓷材料的永磁性和铁磁行为可用其晶体结构来解释。 学习目的 认真学习了本章内容后，你能够解答下列问题： 用图或文字描述氯化钠、氯化铯、闪锌矿、金刚石、氟石和钙钛矿晶体的结构基元。同样地用图或文字描述石墨和石英玻璃的原子结构的相似性。 已知陶瓷复合材料的化学式，以及构成组元的离子半径，确定其晶体结构。 指出并描述在陶瓷复合材料中发现的八种不同的离子点缺陷。 简短解释为什么在完全相同的陶瓷材料试样中，断裂强度可以存在很大差异。 计算三点加载弯曲至断裂的陶瓷棒的抗弯强度。 利用滑移的基本概念解释为什么晶体陶瓷材料通常很脆。 12.1 前言 在本书第一章，我们曾对陶瓷材料进行了简单的讨论。指出：陶瓷材料是无机非金属材料。绝大多数陶瓷是金属元素和非金属元素组成的化合物，其原子间的键合或者完全是离子键，或者主要是离子键，同时具有一定共价键特征。陶瓷(Ceramic)来源于希腊词(Keramikos)，它的原意是“烧结材料”，说明这类材料的理想特性通常是通过高温热处理或者叫高温烧结得到。 直到最近五十年左右，我们才对陶瓷材料中最重要的一类材料命名为“传统陶瓷材料”，其主要原材料是陶土。这类传统陶瓷材料有陶器，瓷器，砖瓦，瓷砖以及玻璃和高温陶瓷。此后，在对于这类材料的基本特征的理解以及与其独特特性相关的现象的理解方面取得了很大的进展，开始了陶瓷材料新的时代，陶瓷这一术语有了更为广泛的含义。不论从那一方面来说，这类材料对我们的生活有着巨大的影响；电子、计算机、通讯、宇航以及其它许多工业都有赖于这类材料的应用。 这一章主要讨论陶瓷材料的晶体结构类型、原子点缺陷类型、和力学特性。下一章将讨论这类材料的应用和加工技术。 陶瓷结构 陶瓷通常由两种或者两种以上的元素合成，因此其结构与金属相比一般要复杂的多，其原子键合可以从完全离子键到完全共价键。许多陶瓷同时表现出两种键合类型，离子键特征的程度依赖于原子的电负性。表12.1列出了几种普通陶瓷材料的离子特征的百分比，这一百分比是通过公式2.10和表2.7的电负性计算出来的。 12.2晶体结构 对于键合主要是离子键的陶瓷材料，其晶体结构可以看作是由带电的离子而非原子构成的。金属离子或阳离子带正电，因为它们将价电子贡献给了带负电荷的非金属离子或阴离子。 表12.1 几种陶瓷材料原子键合中，离子特征所占百分比 材料 离子键特征百分比 CaF2 89 MgO 73 NaCl 67 Al2O3 63 SiO2 51 Si3N4 30 ZnS 18 SiC 12 在晶体陶瓷材料中组元离子的两种特征会影响晶体结构：一是组元离子所带电荷的多少；二是阳离子和阴离子的相对尺寸大小。针对第一种特征，晶体必须是电中性。也就是说，全部阳离子带的正电荷一定要由阴离子带的等量负电荷进行平衡。化合物的化学式就表明了阳离子和阴离子的比例，或者说达到电荷平衡时化合物的组分。例如，在氟化钙中，每一个钙离子有两个正电荷(Ca+2)，每一个氟离子有一个负电荷（F-），因此每一个钙离子必须与两个氟离子相结合，反映在化学式上就是CaF2。 第二种特征涉及到阳离子和阴离子的大小或者说离子半径rC和rA。因为金属原子离子化以后失去电子，因此阳离子通常比阴离子小，比值小于1 。每个阳离子希望有尽可能多的最近邻阴离子，阴离子也希望有尽可能多的最近邻阳离子。 当阳离子与所有的最近邻阴离子都保持接触时，如图12.1所示，陶瓷晶体结构达到稳定状态。相关数（即与阳离子最近邻的阴离子数）与阳离子和阴离子的半径比相关。对某个特定的相关数，为了保证阳离子和阴离子相互接触，阳离子与阴离子的半径比有一个临界最小值（如图12.1）这一最小比值由纯几何学决定（见例题12.1）。 稳定 稳定 不稳定 表12.2列出了各种比值下的相关数和最近邻几何关系。当比值小在0.155到0.225之间，阳离子的相关数为3，小于0.155时，非常小的阳离子只能以直线排列方式与两个阴离子键合在一起。如果的比值这意味着每一个阳离子由三个成平面等边三角形的阴离子包围，阳离子位于三角形中心。的比值在0.225到0.414之间，阳离子相关数为4，阳离子位于四面体中心，阴离子占据四个角位。的比值在0.414到0.732之间，阳离子可以被认为占据八面体体心位，周围有六个占据角位的阴离子，如表12.2所示。