赵品《材料科学基础教程》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解 第12章 陶瓷材料【圣才出品】

第12章陶瓷材料

12.1复习笔记

一、陶瓷概述

（1）陶瓷

①定义

传统上“陶瓷”是陶器与瓷器的总称。后来，发展到泛指整个硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。

②分类

陶瓷一般归纳为：工程陶瓷和功能陶瓷。

（2）新型无机材料

新型无机材料是指在传统硅酸盐材料的基础上，用无机非金属物质为原料，经粉碎、配制、成型和高温烧结制得的无机材料，如功能陶瓷，特种玻璃，特种涂层等。

（3）新型无机材料与传统硅酸盐材料的比较

①从组成上看

新型无机材料的组成远远超过硅酸盐的范围，除氧化物和含氧酸盐之外，还有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他盐类和单质。

②从性能上看

a．新型无机材料不仅具有熔点高，硬度高，化学稳定性好，耐高温，耐磨损等优点；

b．一些特殊陶瓷还具有一些特殊性能，如介电性、压电性、铁电性、半导性、软磁性、硬磁性等。

二、陶瓷材料的典型结构

陶瓷是指由金属（类金属）和非金属元素之间形成的化合物。这些化合物的结合键主要是离子键或共价键。

1．离子晶体陶瓷结构

（1）分类

①NaCl型结构：MgO、NiO、FeO等；

②CaF2型结构：等；

③刚玉型结构：等；

④钙钛矿型结构：。

（2）刚玉型结构（如图12-1-1所示）

图12-1-1Al2O3晶体结构

刚玉型结构中每晶胞有6个氧离子、4个铝离子。其中：

①氧离子占密排六方结点位置，铝离子配置在氧离子组成的八面体间隙中，但只填2/3如图12-1-1（b）所示；

②铝离子的排列要满足铝离子之间的间距最大，因此每三个相邻的八面体间隙，就有一个是有规律地空着，如图12-1-1（a）所示。

（3）钙钛矿型结构（如图12-1-2所示）

图12-1-2钙钛矿结构

钙钛矿型结构中每个晶胞中有1个钛离子、1个钙离子、3个氧离子。其中：

①原子半径较大的钙离子与氧离子作立方最密堆积；

②半径较小的钛离子位于氧八面体间隙中，构成钛氧八面体[TiO6]。钛离子只占全部八面体间隙的1/4。

2．共价晶体陶瓷结构

共价晶体陶瓷多属金刚石结构。

（1）SiC结构

SiC结构与金刚石结构类似，只是将位于四面体间隙的碳原子全换成了硅原子，如图12-1-3所示，属面心立方点阵，每个单胞拥有硅、碳原子各4个。

图12-1-3SiC结构

（2）SiO2结构

图12-1-4SiO2结构

如图12-1-4所示，SiO2也属面心立方点阵，每个单胞共有24原子，其中8个为硅原

子，16个为氧原子，其中：

①每个硅原子被4个氧原子包围，形成[SiO4]四面体，四面体之间又都以共有顶点的氧原子互相连结。如图12-1-5（b）所示；

②若四面体，如图12-1-5（a），长程有序连接，则形成晶态SiO2，纯SiO2高温时具有这种晶体结构。

图12-1-5SiO2空间网络结构

3．非晶型陶瓷结构

硅酸盐的基本结构[SiO4]四面体中的原子结合既有离子键又有共价键，结合力很强。如图12-1-6所示。四面体中的氧原子的外层电子是7个。氧原子为克服电子的不足，从金属那里获得电子（即SiO4－）和金属结合，或每个氧原子再和另一个硅原子共用一对电子对，形成多面体群。其中：

（1）如果四面体长程有序排列即为晶态SiO2。

（2）如果四面体短程有序排列即为玻璃结构。

图12-1-6玻璃的网形结构

三、陶瓷的显微结构

陶瓷的显微结构主要包括：不同的晶相和玻璃相；晶粒的大小及形状，气孔的尺寸及数量，微裂纹的存在形式及分布。

1．晶粒

（1）陶瓷的主要组成

陶瓷主要由取向各异的晶粒构成，晶相的性能往往能表征材料的特性。

（2）晶粒对材料性能的影响

①晶粒的大小

晶粒越细，材料强度越高。晶粒越大，晶界应力越大，对于大晶粒甚至可出现贯穿裂纹。

②晶粒的形状

对材料的性能影响很大。例如α-Si3N4陶瓷的晶粒呈针状，β-Si3N4晶粒呈颗粒状或短