陶瓷结构、组成及性能的关系

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，但最终是通过宏观上表现出来。

陶瓷具有明显不同与金属和聚合物的优异性能：高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨性、耐化学腐蚀、耐热性。

这些优异性能使得陶瓷能应用于航空、航天、机械、石油化工、冶金、矿山等特殊要求的部位，也可用于食品、医疗等服务于大众生活的领域。

然而，不可否认的是，陶瓷也有其致命弱点：韧性差、塑性差、脆性大、可加工性差、抗热震性差及使用的不可靠性，这些都大大的限制了陶瓷的使用范围。

因此，如何充分利用陶瓷的优点，克服其弱点，是陶瓷研究的核心问题。

五、结构、组成、性能的相互关系
弄清了三者的含义，就可以说说他们的关系。

陶瓷的性能从根本上说，是由其内部结构和组成决定的，而性能又反映了结构和组成。

三者的关系如图l所示。

不同层次的结构和组成对陶瓷性能的决定和影响程度也是不一样的，或者说陶瓷性能在不同层次结构和组成上有不同的表现。

原子或离子的类型、键型及结合方式都会影响到陶瓷的化学、光学、热学、电学、磁学等性能。

微观结构也能影响这些性能，但主要是影响陶瓷的机械性能。

又如，在纳米层次上，产生了“纳米效应”：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面或界面效应、宏观量子隧道效应，这些效应使陶瓷出现了新的性能。

不同结构和组成的陶瓷的物理性能可能会相差很大，如表1所示
从表1可以看出，氧化锆陶瓷密度大、硬度较高、熔点高、热导率低，常用作耐磨体、高温金属熔体抗蚀、高温发射体等等。

碳化硼和碳化硅陶瓷由于密度小、硬度高、导热性良好，常用于航空部件、耐磨器具如刀具、轴承等，还有电阻发射体、变阻器等等。

莫来石陶瓷最显著的特点是热膨胀系数较低，常被用于抗热震性要求较高的地方，如过滤高温金属熔体的多孔陶瓷。

众所周知，陶瓷的致命弱点是易脆、韧性差。

从原子层次的角度可认为，由于陶瓷的原子或离子问的结合主要靠共价键和离子键，两种键型的方向性较强，决定了陶瓷的易脆、韧性差的特性。

离子的半径大小、化合价、键强、配位数等都能影响陶瓷的韧性。

从微观层次角度，陶瓷是由多组分构成的多晶体，多数晶体结构复杂，平均原子间距大，晶
体表面能小，在室温下，晶体几乎无滑移或位错运动，难以产生塑性变形。

晶体被玻璃体包围，还存在气孔，晶体之间存在晶界，其内部和外部存在各种缺陷，所有的这些引起陶瓷内部微裂纹尖端的应力集中，而产生沿晶断裂和扩展，成为大裂纹，造成脆性破坏。

同样的道理，陶瓷的其他机械性能、电学性能、磁学性能、化学性能等也应该从不同层次的结构和组成上寻求原因。

如果改变或设计陶瓷的组成和结构，我们就可以获得想要得到的性能。

比如，改变或设计陶瓷的晶体(种类、大小、形状)、晶界，减少缺陷和气孔等等，就可获得较高强度和韧性的陶瓷。

对于陶瓷的易脆、韧性差的缺点，人们采取了氧化锆相变增韧、显微裂纹韧化、残余应力韧化等自增韧方法和颗粒弥散增韧、晶须增韧、纤维增韧等外增韧方法。

近年来，超塑性纳米增韧成为人们研究的热点。

如果在微观层次，甚至宏观层次上，能够研制出理想化的、没有缺陷、符合我们预想设计的陶瓷单晶体，那么可能就会出现意想不到的性能。

据载，中科院上海硅酸盐研究所为丁肇中研究组的L3探测仪研制了大尺寸(30em长)的单晶材料，其用于高分辨电磁量能器中，具有异常优异的电磁性能，很好的运用于宇宙中反粒子的探测中。

界面的性质和状态是影响陶瓷的机械性能(强度、韧性、塑性、高温蠕变)、电学性能(电导率、介电损耗)、化学性能的重要因素。

工程应用对陶瓷材料性能要求日益苛刻，单相材料越来越难满足使用要求，故常需要通过陶瓷材料复合化，取长补短，制备综合性能更加优良的双相或多相陶瓷复合材料，其综合了每种组分材料的优异性能。

人们现在开展了陶瓷／陶瓷、陶瓷／金属、陶瓷／聚合物等各种复合材料的研究。

不同材料界面的结构、组成和状态决定了复合体的性能。

因此，对界面的研究必然是复合材料研究的关键。

陶瓷的结构和组成总是通过一定的机理对性能产生作用的。

机理说明了物质系统如何在某种层次结构和组成上相互作用的。

弄清三者的关系，始终离不开对机理的研究。

反之，对机理的研究又能够进一步探究三者的关系。

六、三者关系对于陶瓷研究方法论上的意义
首先，从理论上讲，三者关系对于陶瓷研究的思路和方向具有指导性的作用。

现有的物理学理论(如量子力学和固体物理)，虽然还不能对宏观系统、微观系统，甚至介观系统作出完整的、准确的解释，但通过对固体材料结构和组成的研究可最直接、有效的确定物质系统如何相互作用，从而能够应用或产生新的理论，建立数学模型，最终对陶瓷性能作出符合实际的解释。

其次，在实际工作中，根据对三者关系的研究，我们可有效的控制或设计出新的工艺过程，改变研究对象在某一层次上的结构和组成，达到我们所预期的结果，对于提高新型陶瓷材料的性能和进一步发现其新功能是十分重要的。

比如，某种晶型会使陶瓷变得更坚硬，或者添加某种化学成分，改变了晶型或晶界的结构和组成，从而提高了陶瓷的性能，等等。

再者，对于陶瓷材料研究者，从某种意义上说，理解三者关系，能指导其要达到的目的和水平。

中科院院士严冬升在对高温结构陶瓷材料的研究中，就十分重视材料的结构－组成－性能关系的研究，并开展了一系列相关的研究，取得了丰硕的成果。

结语：
总之，随着陶瓷应用的不断广泛和对陶瓷结构、组成及性能三者关系研究的不断深入，最终一定会开展、研究及设计出超强性能的新型陶瓷材料，从而为人类的生产、生活作出更的更重要的贡献。