陶瓷的晶体结构

12
主要原料：
粘土（它是以高岭土结构Al2O3· 2SiO2· 2H2O为基础的矿物，是 多种含水的铝硅酸盐的混合体）、 石英（无水SiO2或硅酸盐）、 长石（助熔剂原料，是碱金属或碱土金属的无水铝硅酸盐矿物， 如钾长石K2O· Al2O3· 6SiO2、钠长石Na2O· Al2O3· 6SiO2）
对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小
10
玻璃相的主要作用
• 玻璃相是一种非晶态低熔物
• 在瓷坯体中起粘结作用，即把分散的结晶 相粘结在一起 • 降低烧成温度，抑制晶体长大，阻止多晶 转变 • 填充气孔空隙，促使坯体致密化。
11
气相（气孔）
• 气孔分为开口气孔和闭口气孔，在坯料烧成前大部分是开 口气孔，在烧成过程中开口气孔消失或转变为闭口气孔， 气孔率下降。 • 还使陶瓷材料导热率下降、介电损耗增大、抗电击穿强度 降低 • 是应力集中的地方，并且有可能直接成为裂纹，这将使材 料强度大大降低 • 气相还可使光线散射而降低陶瓷透明度
立方ZnS
六方ZnS
30
• （2）AB2型结构
• 萤石结构，CaF2,结构属于立方晶系，阳离子位于 立方面心的节点位置上，阴离子则位于立方体内8 个小立方体的中心。阳离子的配位数位8，而阴离 子的的配位数为4。
31
• （3）A2B3型结构 刚玉型结构，属于三方晶系。阴离子按六方紧
密堆积排列，而阳离子填充于 2/3 的八面体空隙，因 此阳离子的分布必须有一定的规律，其原则就是在同 一层和层与层之间，阳离子之间的距离应保持最远， 这是符合于鲍林规则的。
45
玻璃的结构
• 1.晶子学说 玻璃是由无数晶子组成，晶子是带有晶格 变形的有序排列小区域，他们分散在无定形中， 并且从晶子到无定形的过渡是逐步完成的。 意义：玻璃结构的微观不均匀性和近程有序现 象。
46
• 1.无规则网络学说 玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形 成连续的三维空间网络结构。但玻璃的网络与晶 体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期 性。 意义：解释玻璃的各向同性、内部性质的均匀性、 成分变化是其性能变化的连续性等现象
7
3.3 先进结构陶瓷
• 碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、 浇注金属的喉管、热电偶套管、 炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵 的密封圈、拉丝成型模具等。
SiC陶瓷件
SiC陶瓷件
SiC轴承
8
功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功能等陶 瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。
电子绝缘件
氧化锆陶瓷光学导管
28
• 1）AB型结构
• NaCl型结构，其化学式为NaCl，晶体结构为立方晶系。氯 化钠是一种立方面心格子。其中阴离子按立方最紧密方式 堆积，阳离子填充于全部的八面体空隙中，阴、阳离子的 配位数都为6。
29
闪锌矿型结构，如立方ZnS，为立方晶系,ZnS是面 心立方格子，阴离子位于立方面心格子的节点位置， 而阳离子交错分布于立方体内的1/8小立方体的中 心。阳离子的配位数是4，阴离子的配位数也是4。
配位数小的那些阳离子特别倾向于共角连接。 例：岛状镁橄榄石（Mg2SiO4）
25
5、鲍林第五规则 —— 节约规则 在一个晶体结构中，本质不同的结构组元 的种类倾向于最少数目。 不同尺寸的离子和多面体很难有效地堆积 在一起
26
2.3.2.3 几种典型的晶体结构
(1) CsCl型 (2) NaCl型 (3) 立方ZNS(闪锌矿)型： (4) 六方ZNS(纤锌矿)型： (1) CaF2(萤石型) (2) TiO2(金红石)型 (3)β－SiO2(方晶石.方石英)型 (1)赤铜矿结构 (2)反萤石结构（K2O）
32
2.3.3
硅酸盐的晶体结构
• 硅酸盐的结构组成：都是由硅氧四面体作为骨 架组成。 硅酸盐晶体的结构特点： (1)构成的基本结构单元是由Si和O组成的[SiO4]4 -四面体。 (2)每个O最多只能为两个[SiO4]4-四面体所 (3)[SiO4]四面体可以独立地在结构中存在，也可 以通过[SiO4]4-共用四面体顶点连接 (4)[SiO4]4-中Si－O－Si结合键不是一条直线,呈 145º 夹角。
35
组群状结构
36
37
38
39
2.3.4 同质多晶现象（掌握）
1、概念 同质多晶：化学组成相同的物质，在不同的热 力学条件下，结晶成为两种以上结构不同的晶体的 现象。
由此而产生的化学组成相同、结构不同的晶体
称为变体。 类质同晶：化学组成相似的不同化合物，具有 相同晶体结构的现象。
40
例如：
16
3.配位数：最邻近的异号离子数 • 配位多面体：晶体中最邻近的配位原子所组成的 多面体。
氧离子
硅离子
铝离子
硅氧四面体和铝氧八面体
17
4.离子堆积
• 离子晶体通常由负离子堆积成骨架，正离子按 其自身大小居于相应负离子空隙（负离子配位多 面体）。 • 其堆积方式主要有立方最密堆积、六方最密堆积、 立方体心密堆积和四面体堆积等
47
玻璃的生成条件及性质（了解）
• 玻璃的生成条件 • 黏度：表征流体中两流体层相对位移时，内摩擦 力大小的性能参数 黏度——重要条件 冷却条件——外部因素
48
玻璃的种类
• 无机玻璃 P94表2－37 结构玻璃 功能玻璃 玻璃陶瓷：由玻璃相基体和大量弥散的微小晶体 金属玻璃：金属元素，原子无规则排列成玻璃态
黏土矿物－高岭石
钾长石
13
石英
陶瓷材料的制备工艺
原料配置
→
坯料成型 → 烧结 → 成品
成型的目的是将坯料加工成一定形状和尺寸 的半成品，使坯料具有必要的强度和致密度，具 体成型方法有可塑成型、注浆成型和压制成型三 种； 干燥后的坯料进行高温烧结的目的是通过一系 列的物理化学变化，使坯件瓷化并获得所要求的 性能。
石墨
金刚石
41
2、多晶转变 根据多晶转变前后晶体结构变化和转变速度 的情况不同，分为：
位移性转变：质点间位移、键长、键角的调整，
转变 速度快（高低温型转变）。
在金属材料中，位移型相变称为马氏体相变。这种相变是 非扩散型的，只要通过母相结构的剪切就可以得到新相
42
重建型转变：旧键的破坏，新键的形成，转变速 度慢。
材料科学基础
2.3
陶 瓷 的 晶 体 结 构
主讲 徐敏虹
什么是陶？什么是瓷？
• 陶器是用粘土（陶土）成型晾干后，用火烧出来 的，是泥与火的结晶。早期陶器的烧制温度较低， 《 一般在600—800℃左右。
彩 陶 旋 涡 纹 瓮（ 》马
家 窑 文 化 ）
《彩陶鱼纹盆》
2
什么是陶？什么是瓷？
• 瓷器是用瓷土烧制的器皿，是中国古代的一项伟大发明， 烧结温度提高到1200℃以上。
9
Байду номын сангаас
陶瓷的组成
1.结晶相：主要组成相，由离 子键或共价键结合而成，决定 陶瓷的性能：高熔点、高耐热 性、高化学稳定性、高绝缘性、 高脆性。
2 玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结 在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶 粒长大和填充气孔。 3 气相：气孔（5％－10％）。
对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降 低，绝缘性能降低。
正离子电荷数 Z 静电键强度S＝ ＝ 正离子配位数 n
负离子电荷数 Z＝ Si
i
22
3、鲍林第三规则 —— 多面体共顶、共棱、共面规则 在配位结构中，两个阴离子多面体以共棱， 特别是共面方式存在时，结构的稳定性便降低。
23
24
4、鲍林第四规则 —— 不同配位多面体连接规则
在一个含有不同阳离子的晶体中，电价高而
14
涂彩釉
15
2.3.2 离子的晶体结构
离子晶体有关概念 • 1.离子晶体：由正、负离子通过离子键按一定方 式堆积起来而形成的。陶瓷大多数属于离子晶体。 • 2.离子半径：从原子核中心到其最外层电子的平 衡距离。对离子晶体，通常认为晶体中相邻的正 负离子中心之间的距离作为正负离子半径之和， 即R0=R++R－ 。 离子半径大小的一般规律P70。
20
1、鲍林第一规则 —— 配位多面体规则 在离子晶体中，围绕每一阳离子，形成一个 阴离子配位多面体，阴阳离子的间距决定于它们
的半径之和，阳离子的配位数则取决于它们的半
径之比。 如：NaCl6，氯八面体
21
2、鲍林第二规则 —— 静电价规则
在一个稳定的离子晶体结构中，每一个负离子的电
价等于或近似等于相邻正离子分配给他的静电键强度的 总和。
在金属材料中，位移型相变称为马氏体相变。这种相变是 非扩散型的，只要通过母相结构的剪切就可以得到新相
43
44
2.3.5 晶态与玻璃结构
与晶体在三维空间有序的排列不同，非晶是长 程无序的。即在较大距离上结构无周期性，但近 程(几个Å内)结构是有序的。 无机非晶态：无机玻璃、凝胶、非晶态半导体、 无定形碳以及合金玻璃。 玻璃：具有玻璃转换点的非晶态固体。 短程有序，长程无序
质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料
Si3N4轴承
不同形状的特种结构陶瓷件
6
3.3 先进结构陶瓷
单相Al2O3陶瓷组织
• ⑴ 氧化铝陶瓷
• 氧 化 铝 陶 瓷 以 Al2O3 为 主 要
成分 , 含有少量 SiO2 的陶瓷，
又称高铝陶瓷。
Al2O3密封、气动 陶瓷配件 Al2O3化工、耐磨陶 瓷配件
34
4.层状硅酸盐：由[SiO4]4-四面体某个面在平面 内以共用顶点的方式连接成六角对称的二维结 构,多为二节单层。当活性氧与其它负离子一起 与金属正离子组成八面体层,就与四面体构成双 层结构。 滑石，白云母 5.骨架状硅酸盐：由[SiO4]4-四面体连成无限六 元环状,层中未饱合和交替指向上或向下,把这 样的层叠置起来使两个为一个公共氧所代替。 石英