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陶瓷结构、组成及性能的关系

高永升

材科062

2000604068

摘要:本文引用了哲学上的某些概念,综合论述了尺度的含义和陶瓷结构、组成、性能的

含义及三者的关系,并指出了三者关系的研究对于陶瓷材料研究方法论上的意义,提出了不

同层次的结构和组成对陶瓷性能的决定和影响程度是不一样的观点。

关键词:陶瓷;尺度;结构;组成;性能

前言:

曾经有人预言:二十一世纪将是陶瓷材料时代。虽然说法有些夸张,但多少反映了在

新世纪陶瓷的重要地位与作用。尽管陶瓷的种类、工艺、应用等层出不穷,归其一点,可以

发现,我们研究陶瓷都是围绕陶瓷的结构、组成、性能及三者之间的关系而展开的。深入探

究及理解三者之间的关系是陶瓷研究得以进行的重要课题。本文引用了哲学上的某些概念,

对三者的关系进行了一些分析,做了综述。

正文:

一、尺度一物质系统的存在范围

要弄清楚陶瓷结构、组成、性能及三者关系,首先就要搞清什么是尺度。尺度(又称尺

寸)简单的可认为是大小,或者说研究对象——物质系统有多大。陶瓷材料的研究对象既包

括肉眼看不见的原子、离子、分子等等,又包括宏观物体,相应的尺度大小也从几埃变化到

毫米、米。我们的研究对象总是处于某一尺度范围之间,对结构和组成的研究也处于同一范

围,在某种程度上认为,性能也是这个范围的表现。目前,我们的研究尺寸已从过去的毫米、

微米,进入到了纳米,到了将来,原子级别的尺寸(从几埃到几十埃)就会成为我们的主要研

究范围。

二、结构一物质系统的空间存在形式

结构,从字面意义上可理解为结合、构成。从中我们可以引出两个问题:其一,什么东

西结合?其二,怎样构成?由于我们研究对象的尺寸范围不同,相应的结构也不同。按尺寸范

围,可以将陶瓷结构分为原子尺寸结构、微观结构、介观结构、宏观结构4个层次。原子尺

寸结构的物质系统是结构的最基本单元,包括原子、离子、分子这些最小的物质单元,还包

括少数相同或不同的原子(离子、分子)所组成的化合物。在纳米尺寸范围(一般指1~100nm),

我们的研究对象就成为原子、分子或原子团、分子团的排列组合,构成的具有纳米尺度的

物质系统或结构。对于宏观系统,无论其外观形态如何,都是由数以千万计的原子、分

子构成。不管采取哪种成形方法如压制法、注浆法、Sol-gel法、热分解法等等,都是为了

获得某种宏观结构。重点谈一下陶瓷的微观结构。我们研究的微观结构的大概范围是几微米

到几十微米,通过电子显微镜、STM、AFM,可以“看到”陶瓷主要是由形态和分布各异、大

小和数量不同的晶体、玻璃体、气孔构成。其中常见晶型有体心立方(BBC)、面心立方(FCC)、

密排六方(HCP),共有7大晶系,14种布拉菲格子。界面(一种面缺陷)也是陶瓷微观结构的重

要构成,包括表面、相界和晶界。在这个结构层次上还包括晶体的点缺陷(杂质原子、空位、

间隙原子)、线缺陷(刃型位错、螺型位错)、体缺陷(镶嵌块、沉淀相、空洞、层错)。在陶

瓷结构中,原子或离子的相互作用是通过这两种最基本的键型而产生的化合物(晶体)。如

Al2O3晶体,就是由铝原子和氧原子构成,既含有共价键,又含有离子键,只是比例不同。

即使在缺陷处,如原子排列比较混乱的相界、晶界,这两种键型也起着最根本的作用。总而

言之,共价键和离子键是决定陶瓷结构各层次最基本的因素。同时,原子半径、负电性、价

电子浓度也是影响陶瓷结构的因素。对陶瓷结构的检测,采用的方法有X光、电子和中子衍

射方法,其基本原理在于一定的晶体结构对应着一定的衍射图象和衍射线(或斑点)强度,通

过对衍射图象和强度的分析,可以推知晶体结构。

三、组成一不同尺度上的物质系统

对于组成,也同样涉及到尺度的概念,即组成由研究对象的大小范围所决定。组成是不

同尺度上的物质系统,构成或描述了研究的对象。陶瓷属于无机非金属材料,组成不同于金

属材料和高分子材料。在原子尺度上,我们可以说陶瓷由铝原子、氧原子,还有其他金属氧

化物的原子所组成。在微观尺度,我们又可说陶瓷由金属氧化物或非金属氧化物晶体、玻璃

体、气孔、晶界、相界,还有各种缺陷组成等等。

四、性能一物质系统相互作用的外在表现

研究陶瓷材料,最根本的目的是利用或设计其性能为人类服务。虽然陶瓷在不同的尺度

上具有不同的性能

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