工程材料网络课程 2.4 无机材料的结构

　　一、陶瓷材料的结构特点

　　陶瓷包括种类繁多的物质，例如玻璃、砖、石头、混凝土、磨料、搪瓷、介电绝缘材料、非金属磁性材料、高温耐火材料和许多其它材料。所有这些材料的共同特征是：它们是金属和非金属的化合物。这些化合物由离子键和共价键结合在一起。

　　按照组织形态陶瓷材料分为三类：

　　无机玻璃：即硅酸盐玻璃，是室温下具有确定形状，但其粒子在空间成不规则排列的非晶结构类陶瓷材料；

　　微晶玻璃：即玻璃陶瓷，是单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料；

　　陶瓷（晶体陶瓷）：如具有单相晶体结构的氧化铝特种陶瓷，但更典型的是具有复杂结构的普通陶瓷等。这类陶瓷材料是最常用的结构材料和工具材料。

　　二、陶瓷的典型组织结构：晶体相(莫来石和石英)、玻璃相和气相。

　　1、晶体相

　　（1）硅酸盐

　　普通陶瓷的主要原料，陶瓷组织中重要的晶体相，结合键为离子键与共价键的混合键。硅酸盐的基本结构单元为 (SiO4)4－ 四面体，如图2-4-1所示。其中，四面体的顶角上有四个O2－，四面体的中间间隙位置上有一个Si4+。将四面体连接在一起的力包含离子键和共价键；因此，四面体的结合很牢固。但是，不论是离子键或共价键机制，每个四面体的氧原子外层只有7个电子而不是8个。

　　图2-4-1硅氧四面体

　　（2）氧化物

　　多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相；离子键结合,也有共价键；最重要的氧化物晶体相：AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4等(A、B表示阳离子)。如图2-4-2。

　　氧化物的结构及特点：氧离子作紧密立方或紧密六方排列；金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中。

　　图2-4-2重要氧化物的相

　　(3)非氧化合物

　　不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物；特种陶瓷特别是金属陶瓷的主要组成和晶体相。

　　金属碳化物：共价键和金属键之间的过渡键, 以共价键为主。结构-间隙相：如TiC、ZrC、HfC、VC、NbC和TaC等；复杂碳化物：如斜方结构的Fe3C、Mn3C、Co3C、Ni3C和Cr3C2, 立方结构的Cr23C6、Mn23C6, 六方结构的WC、MoC和Cr7C3、Mn7C3以及复杂结构的Fe3W3C等。图2-4-3为一些重要的非氧化合物。

　　氮化物：与碳化物相似, 金属性弱些, 有一定的离子键。如六方晶格BN，六方晶系的Si3N4和AlN。

　　硼化物和硅化物：较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构单元。

　　图2-4-3非氧化物相

　　2、玻璃相

　　玻璃是非晶态材料，由熔融的液体凝固获得，其比容随温度的变化与晶体不同。试验表明，由熔融液体转变为晶体时，在结晶温度Tm比容急剧降低，这表明结构发生了质的变化；但当形成非晶态玻璃时，在玻璃转变温度Tg附近比容变化率虽发生了变化，但并不出现比容随温度降低而急剧降低的现象。材料能否形成玻璃或非晶态，与材料凝固点的粘度和冷却速度有关。SiO2等氧化物的粘度很高，所以容易形成玻璃。

　　玻璃相结构特点：硅氧四面体组成不规则的空间网, 形成玻璃的骨架。

　　玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物

　　3、气相

　　气体是烧结的陶瓷坯体中常见的组分。陶瓷中的气孔有开放气孔和封闭气孔两种。陶瓷材料的气孔量用气孔的相对体积（气孔率）来表示，它是衡量陶瓷材料质量的重要标志。开放气孔和封闭气孔在材料中的总相对体积称为真气孔率；开放气孔的相对体积称为显气孔率。气孔使陶瓷的强度降低，电性能变坏。