第五章 陶瓷材料

1、第五章第五章 陶瓷材料陶瓷材料 第一节第一节 陶瓷材料简介陶瓷材料简介 第二节第二节 陶瓷材料的结构与性能陶瓷材料的结构与性能 第三节第三节 陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺第一节第一节 陶瓷材料简介陶瓷材料简介 传统上，陶瓷的概念传统上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然矿物为原料，经过粉碎混炼、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。亦称为“普通陶普通陶瓷瓷”。 广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的统称。 一、一、 陶瓷的概念陶瓷的概念 按陶瓷的概念和用途来分类按陶瓷的概念和用途来分类 陶瓷制品分为两大类，即普通陶瓷（传统陶普通陶瓷（传统陶瓷）瓷）和特特

2、 种陶瓷（新型陶瓷）种陶瓷（新型陶瓷）。 普通陶瓷普通陶瓷根据其用途不同又可分为日用陶瓷、日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、化工陶瓷、化学陶瓷、电瓷及建筑卫生陶瓷、化工陶瓷、化学陶瓷、电瓷及其他工业用陶瓷其他工业用陶瓷。 特种陶瓷特种陶瓷又可分为结构陶瓷、工具陶瓷结构陶瓷、工具陶瓷和功功能陶瓷能陶瓷三大类。 二、二、 陶瓷的分类陶瓷的分类1.传统陶瓷传统陶瓷名称 特点 主 要 制 品颜色吸水率（%） 粗陶器带色10日用缸器、砖、瓦精陶器石灰质长石质白色白色1822912 日用器皿、彩陶日用器皿、卫生陶瓷、装饰釉砖面炻器粗炻器细炻器带色白或带色481 缸器、建筑外墙砖、锦砖、地砖日用器皿、化工及电器工业用

3、品、瓷质砖瓷器长石瓷绢云母瓷滑石瓷骨灰瓷白色白色白色白色0.50.50.50.5 日用餐茶具、陈设瓷、高低压电瓷日用餐茶具、美术用品日用餐茶具、美术用品日用餐茶具、美术用品 名称 特点 主 要 制 品颜色吸水率（%） 特种瓷高铝质瓷镁质瓷锆质瓷钛质瓷磁性瓷电子陶瓷金属陶瓷其他 耐高频、高强度、耐高温耐高频、高强度、低介电损失高强度、高介电损失高电容率、铁电性、压电性高电阻率、高磁致伸缩系数有导电性、电光性高强度、高熔点、高韧性、抗氧化 硅线石瓷、刚玉瓷等滑石瓷锆英石瓷钛酸钡瓷、钛酸锶瓷、金红石瓷铁淦氧瓷、镍锌磁性瓷电子元器件等铁、镍、钴金属陶瓷，如火箭喷嘴氧化物、碳化物、硅化物瓷等2.特种陶瓷

4、特种陶瓷（1 1）结构陶瓷）结构陶瓷 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷塞隆陶瓷塞隆陶瓷六方氮化硼陶瓷六方氮化硼陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷1 1）氧化铝陶瓷）氧化铝陶瓷 熔点高、硬度高、化学性能稳定熔点高、硬度高、化学性能稳定 1.1.晶体结构晶体结构 -Al2O3： 属三方晶系，20500C熔化前稳定。 -Al2O3：是一种氧化铝含量高的的铝酸盐矿物。 -Al2O3： 属尖晶石型结构（立方）。 后两种在温度高于后两种在温度高于16000C时全部转化为时全部转化为 -Al2O3类型：类型：高铝瓷、刚玉、高铝瓷、刚玉、95瓷、瓷、99瓷等瓷等。2.2.氧化铝陶瓷的性能、

5、用途氧化铝陶瓷的性能、用途 （1 1）高强度、高温稳定性：）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、装饰瓷，喷嘴、火箭、 导弹的导流罩；导弹的导流罩；95瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴（2 2）高硬度、高耐磨性：）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，切削工具，模具，磨料， 轴承，人造宝石；轴承，人造宝石；蓝宝石（3 3）熔点高、抗腐蚀：）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，耐火材料，坩埚，炉管， 热电偶保护套等；热电偶保护套等；氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚 （4）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。（5）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。（6）

6、低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路 基板，管座。 此外，Al2O3瓷还有透光性，用作钠灯灯管， 红外线窗口；以Al2O3 -CaO为主要成分的Al2O3水泥，硬化快，发热量大，是冬季和赶工期的建筑材料。2）氧化锆陶瓷（1 1）氧化锆陶瓷的晶体结构）氧化锆陶瓷的晶体结构不同温度下氧化锆陶瓷发生相变，在1170以下为单斜相（m-ZrO2）， 在1170 2370 之间时，为四方相（t-ZrO2）, 在2370 2715 之间，为立方相（c-ZrO2）。t-ZrO2c-ZrO2 m-ZrO21170 液相2370 2715 在氧化锆的四方相与单斜相的相变过程中，由79的体积变化，当发生高

7、温t-ZrO2相到低温m-ZrO2相转变时，体积膨胀，导致开裂。 通常加Y2O3，形成室温为t-ZrO2的四方相，或c-ZrO2立方相，不发生相变，消除晶型转变时体积变化。（2 2）氧化锆陶瓷的主要力学性能）氧化锆陶瓷的主要力学性能 1）应力诱发相变增韧 裂纹尖端局部发生四方t-ZrO2相到单斜m-ZrO2相马氏体相变，消耗能量，消除裂纹扩展。 2） 相变诱发微裂纹增韧 裂纹尖端局部发生四方t-ZrO2相到单斜m-ZrO2相马氏体相变时，体积膨胀，产生压应力，使裂纹尖端闭合。 所以，氧化锆陶瓷在室温下具有很高的强度和韧性，但高温时无相变增韧，强度和韧性皆下降。（3）1）热导率小，化学稳定性好、

8、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等：2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。 部分稳定氧化锆的导热率部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞机汽缸内衬、推杆、活塞帽

9、、阀座、凸轮、轴承等帽、阀座、凸轮、轴承等。 部分稳定氧化锆制品氧化锆制品氧化锆制品氧化锆油泵氧化锆柱塞氧化锆拉线轮氧化锆球阀部分稳定氧化锆喷涂层增韧氧化锆导轮芯轴其它氧化锆陶瓷产品其它氧化锆陶瓷产品氧化锆陶瓷垫片氧化锆陶瓷喷咀氧化锆结构件系列氧化锆陶瓷刀具氧化锆结构件系列3 3）氮化硅陶瓷）氮化硅陶瓷晶型晶型 Si3N4的两种晶型分别是- Si3N4针状结晶体；- Si3N4颗粒状结晶体。两者均属于六方晶系。A、将高纯硅在1200-1300下氮化，可得到白色或灰白色的- Si3N4，B、将高纯硅在1450左右氮化时，可得到-Si3N4。三、氮化硅陶瓷的性能v 氮化硅陶瓷强度高，韧性好，是最好

10、的陶瓷材料之一。v 氮化硅陶瓷有高的电阻率，高的介电常数，低的介质损耗， 可用作电路基片，高温绝缘体，电容器，雷达天线等。v 氮化硅有优良的化学稳定性。Si3N4轴承v 氮化硅硬度高，摩擦 系数低。4）赛隆陶瓷）赛隆陶瓷赛隆陶瓷的性能与用途赛隆陶瓷的性能与用途5）六方氮化硼（）六方氮化硼（HBN）陶瓷）陶瓷HBN属六方晶系，具有类似石墨的层状结构，其晶体结构为每一层由B、N原子相间排列成六角环状网络，层间为分子键组合，结合弱，所以层间容易受侧推应力而互相滑动，并且HBN颜色为白色，所以向来有白石墨之称。作铅笔芯作电极向汽车中添加含石墨的润滑油6）碳）碳 化化 硅硅 陶陶 瓷瓷常压烧结碳化硅Si

11、C晶体结构是由SiC四面体组成的，通过键能很高的共价键组合而成，具有金刚石型结构。纯SiC是无色透明的，工业SiC由于含有游离碳、铁、硅等杂质而呈绿色或黑色。 碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。强，仅次于氧化铍陶瓷。 SiC密封件 碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。封圈、拉丝成型模具等。

12、 SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC轴承（2）工具陶瓷）工具陶瓷1、陶瓷刀具（1）材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等 氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧 化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧 结而成。 （2）常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（3）优点：有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高； 具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小， 用该类刀具加工时能提高表面光洁度。 （4）缺点：强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性 大，抗冲击性能很差。（5）适用范围：高速精细加工硬材料。 2、金刚石刀具、金刚石刀具（1）分类：天然

13、金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合 聚晶金刚石刀具。 （2）优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达10000 HV，耐磨性是硬质合金的6080倍；切削刃锋利，能 实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。（3）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。（4）适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属及其合金 和非金属材料。 3、立方氮化硼刀具、立方氮化硼刀具（1）概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料 在高温高压下合成。（2）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高 的导热性和较小的摩擦系数。（3）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/51/2。 （4）

14、适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温 合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适 合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 4

15、0-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比功能材料：在材料应用中，主要利用其非力学性能

16、时，则统称此类材料为功能材料。所谓非力学性能，包括材料的电、磁、光、热、化学、核性能和生物学等方面的性能。功能陶瓷不仅在功能材料中占有十分重要的地位，且功能陶瓷占整个特种陶瓷制品销售量的80%，而电磁功能陶瓷又要占到功能陶瓷的80%以上。功能陶瓷已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛的应用。（3）功能陶瓷）功能陶瓷1) 1) 电容器陶瓷电容器陶瓷 根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，电容器分为温度补偿，温度稳定，高介电常数和半导体系四种类型。 若按制造这些陶瓷电容器的材料性质也可分为四大类。第一类为非铁电电容器陶瓷，其特点是

17、高频损耗小，在使用的温度范围内介电常数随温度变化而呈线性变化。因此又称热补偿电容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷，其特点是介电常数呈非线性且值高。又称强介电常数电容器陶瓷。第三类为反铁电电容器陶瓷。第四类为半导体电容器陶瓷。2 2）压电陶瓷）压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。反之，当在晶体上施加电场引起极化时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。正、逆效应统称为压电效应。陶瓷材料是由粉粒之间的固相反应烧结而获得的微晶不规则集合多晶体，整体上表现不出压电效应。但经过人工极化后，陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将

18、趋向于电场方向，具有近似于单晶的极性，可呈现出明显的压电效应。 由于压电陶瓷在极化后具有压电性，因此，构成陶瓷的晶体必须是铁电体。压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用 目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，但仍可大致分为压电振子和压电换能器两大类。前者主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。后者主要是将一种能量形式转换成另一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。 典型的压电陶瓷有钛酸钡系、钛酸铅等。3 3）敏感陶瓷）敏感陶瓷 敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料之一，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多属半导体陶瓷，是继单晶半导体材料之后，又一类新型多晶半导体电子陶瓷。敏感陶瓷

19、用于制造敏感元件，是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感这一特性，按其相应的特性，可把这些材料分别称作热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。此外，还有具有压电效应的压力、位置、速度、声波敏感陶瓷，具有铁氧体性质的磁敏感陶瓷及具有多种敏感特性的多功能敏感陶瓷等。这些陶瓷已广泛应用于工业检测、控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。敏感陶瓷的结构与性能敏感陶瓷的结构与性能陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过人为掺杂，造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表面产生固溶、偏析及晶格缺陷；在晶界处产生异质相的析

20、出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各种异性等。这种晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电气性能的显著变化（产生敏感特性的机理）。敏感陶瓷的结构与性能敏感陶瓷的结构与性能目前已获得实用的半导体陶瓷可分为：（1）主要利用晶粒本身的性质，（2）主要利用晶界和晶粒间析出的性质，（3）主要利用陶瓷的表面性质等三种类型。有代表性的应用举例如下：（1）主要利用晶体本身的性质：NTC热敏电阻、高温热敏电阻、氧气传感器。（2）主要利用晶界性质的：PTC热敏电阻、ZnO系压敏电阻。（3）主要利用表面性质的：各种气体传感器、温度传感器。3.3 3.3 敏感陶瓷敏感陶瓷敏感陶瓷的半导体化过

21、程敏感陶瓷的半导体化过程 敏感陶瓷绝大部分是由各种氧化物组成的，由于这些氧化物多数具有比较宽的禁带，在常温下它们都是绝缘体，要使它们变为半导体，需要一个半导体化的过程。所谓半导化，就是指在禁带中形成附加能级：施主能级或受主能级。一般来说，这些施主能级多数是靠近导带底的，而受主能级多数是靠近价带顶的。即它们的电离能一般比较小，在室温下就可以受到热激发产生导电载流子，从而形成半导体。形成附加能级主要有两个途径：不含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离来形成；而含杂质的氧化物附加能级的形成还与杂质缺陷有关。3.3 3.3 敏感陶瓷敏感陶瓷热敏陶瓷热敏陶瓷热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的材料，用

22、于制作温度传感器、线路温度补偿及稳频的元件-热敏电阻。其优点是品种繁多，可以满足不同用途的需要；灵敏度高、稳定性好、容易制造、价格便宜。按照热敏陶瓷的阻温特性，可把热敏陶瓷分为负温度系数NTC热敏陶瓷：正温度系数PTC热敏陶瓷；临界温度热敏电阻CTR及线性阻温特性热敏陶瓷陶瓷四大类。气敏陶瓷气敏陶瓷气敏陶瓷可分为半导体式和固体电解质式两大类。其中半导体气敏陶瓷又分为表面效应和体效应两种类型。按制造方法和结构形式可分为烧结型、厚膜型及薄膜型。但通常还是按照使用材料的成分分类，如SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2等系列。湿敏陶瓷湿敏陶瓷湿敏元件通常可以分为三种类型：高湿型，适用于相对湿度大于7

23、0%RH之处；低湿型，适用于相对湿度小于40%RH之处，全湿型，适用于测量0100%RH之湿度。按导电类型分，湿敏元件可分为：质子导电型，电子导电型及质子电子导电型和电子导电综合型。3.3 3.3 敏感陶瓷敏感陶瓷4 4）磁性陶瓷的分类）磁性陶瓷的分类 磁性陶瓷分为含铁的铁氧体陶瓷和不含铁的磁性陶瓷。多属于半导体材料，因此成为现代电子技术中必不可少的一种材料。磁性陶瓷的高频磁导率也较高，这是其他金属磁性材料所不能比拟的。铁氧体陶瓷，它们是以氧化铁和其它铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。按铁氧体的晶体结构可把它们分为三大类：尖晶石型、石榴石型和磁铅石型。按铁氧体的性质及用途又可分为软磁、

24、硬磁、旋磁、矩磁、压磁、磁泡、磁光及热敏等铁氧体等。按其结晶状态可分为单晶和多晶体铁氧体；按其外观形态可分为粉末、薄膜和体材等。5 5） 超导陶瓷超导陶瓷高温超导陶瓷的应用有以下几个方面：电力系统方面的输配电、超导线圈、超导发电机等；交通运输方面的超导磁悬浮列车、超导电磁性推进器和空间推进系统；在选矿和探矿方面；在环保和医药方面；在高能核试验和热核聚变方面。第二节第二节 陶瓷材料的结构和性能陶瓷材料的结构和性能一、陶瓷材料的结构陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷结构中同时存在l晶体相l玻璃相l气相各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。. . 晶相晶相晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶

25、瓷的性能起决定性作用。陶瓷中的晶相的结合键为l离子键l共价键l混合键氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。Si3N4、SiC、BN等以共价键为主，称共价晶体。氧化物结构的主要特点是氧离子紧密排列构成晶格骨架，组成六方或面心立方点阵，而正离子位于骨架的适当间隙之中。如：CaO、MgO、Al2O3、ZrO2(1)鲍林规则 第一规则：正离子周围形成负离子配位多面体。负离子占据多面体的角顶，正离子占据中心，离子间距由半径之和决定，配位数则由r+/r-决定。 第二规则：在稳定的结构中，一个负离子与所有最近邻正离子静电键强度的总和应该等于该负离子的电价数； 第三规则：在稳定的结构中，配位多面体倾向

26、于共角而不是共棱，特别是不会共面，一旦多面体共棱，则缩短了多面体间距（2 2）典型的结构类型）典型的结构类型1）金刚石结构）金刚石结构面心立方结构面心立方结构原子数：原子数：4原子在晶胞中的排列：8个原子位于立方体的8个角顶上，6个原子位于6个面中心上。金刚石结构的结晶学原胞金刚石结构的结晶学原胞金刚石型结构是立方对称的晶胞，可以看作是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了1/4的空间对角线长度套构而成。2）石墨结构）石墨结构六方晶系面心立方，配位比为面心立方，配位比为6 6 ：6 6 阴离子立方密堆积排列，阳离子填充八面体空隙NaCINaCI晶胞中的离子个数晶胞中的离子个数CICI-

27、 - ：8 81/8 + 61/8 + 61/2 =41/2 =4个个NaNa+ + ： 1+121+121/4 = 41/4 = 4个个3 3）NaCINaCI型型确定晶体类型的规则：确定晶体类型的规则： 把晶胞中环境不同的质把晶胞中环境不同的质点分开看，观察它们各自的点分开看，观察它们各自的排列方式排列方式。简单立方简单立方配位比为配位比为8 8 ：8 8CsCICsCI晶胞中的离子数晶胞中的离子数CsCs+ + ： 1 1 个个CICI- - ： 8 81/8=11/8=1个个4 4）CsCICsCI型型阳离子位于顶角，阴离子位于立方体的中心；阴离子或者阳离子各自组成简单立方结构的子晶格

28、；Cs+与Cl-配位数均为8，键强1/8；可看作是由两个简单立方的子晶格彼此沿立方体空间对角线移动1/2的长度而成。5）闪锌矿结构）闪锌矿结构 由两类原子各自组成的面心立方晶由两类原子各自组成的面心立方晶格格,沿空间对角线彼此位移四分之一对沿空间对角线彼此位移四分之一对角线长度套构而成。每个原子被角线长度套构而成。每个原子被4个异个异族原子所包围，角顶上族原子所包围，角顶上8个原子和面心个原子和面心上上6个原子可以认为共有个原子可以认为共有4个原子属于个原子属于某个晶胞。某个晶胞。GaAs双原子复式格子.6）纤锌矿纤锌矿型型结构：结构：比如：比如：ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、Cd

29、S、CdTe与III-V族化合物类似，当共价性化合物晶体中的两种元素的电负性差别较大，离子性结合占优势时，就倾向于构成纤锌矿型结构。纤锌矿型结构与闪锌矿型结构相接近，也是以正四面体结构为基础构成的，但具有六方对称性，而不是立方对称性。由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。 7）萤石结构（CaF2）：Ca2+为8配位，键强1/4，F-为4配位 8）反萤石结构： 正、负离子位置恰好与萤石结构相反，（如Li2O、Na2O）；Na+配位数为4，O2-为8；9）金红石结构： 四方晶系 Ti4+为6配位，键强2/3,O22-配位数为3；10）刚玉结

30、构： 三方晶系 Al3+的配位数为6，键强1/2，O2-的配位数为3； 11）钙钛矿结构： 为大的正离子与负离子一起形成紧密堆积。 （1）CaTiO3中Ca2+与O2-密堆，Ti4+填充八面体空隙； （2）Ca2+的配位数为12，Ti4+的配位数为6，O2-的配位数为6；硅酸盐结构的特点硅酸盐结构的特点 结构中结构中 Si4+间没有直接的键间没有直接的键,它们是通过它们是通过O2-连接起来的连接起来的; 结构是以硅氧四面体为结构基础结构是以硅氧四面体为结构基础; 每一个每一个O2-只能连接只能连接2个硅氧四面体个硅氧四面体; 硅氧四面体只能共顶连接，而不能共棱和共面连接。硅氧四面体只能共顶连接

31、，而不能共棱和共面连接。 硅酸盐是数量极大的一类无硅酸盐是数量极大的一类无机物，约占地壳重量机物，约占地壳重量80。在硅。在硅酸盐中，结构的基本单位是酸盐中，结构的基本单位是SiO4四面体。四面体。SiO4四面体通过共用顶四面体通过共用顶点连接成各种结构型式。点连接成各种结构型式。(3)硅酸盐结构硅酸盐结构硅酸盐化学式表示方法：硅酸盐化学式表示方法：u氧化物表示法：碱金属氧化物氧化物表示法：碱金属氧化物二价氧化物二价氧化物三价氧三价氧化物化物SiO2 H2O，如高岭石：，如高岭石：Al2O32SiO22H2O；u无机络盐表示法：如高岭石：无机络盐表示法：如高岭石：Al4Si4O10(OH)8。

32、硅酸盐晶体的结构类型硅酸盐晶体的结构类型一一. 岛状结构岛状结构硅氧四面体硅氧四面体SiO4和金属氧化物八面体和金属氧化物八面体MO8间隔排列。间隔排列。如：橄榄石、红柱石、蓝晶石、石榴石、莫来石等。如：橄榄石、红柱石、蓝晶石、石榴石、莫来石等。橄榄石橄榄石 红柱石红柱石 蓝晶石蓝晶石 石榴石石榴石 二二. 组群状结构组群状结构以以2、3、4、6个硅氧四面体个硅氧四面体SiO4团通过氧桥连接而成。团通过氧桥连接而成。电气石电气石三三. 链状结构链状结构 单链单链 结构结构 双链结构双链结构角闪石角闪石绿柱石绿柱石硅灰石硅灰石四四. 层状结构层状结构滑石滑石滑石滑石白云母白云母白云母白云母蛇文石

33、蛇文石高岭石晶体结构高岭石晶体结构 四面体层八面体层OSiO + OHAl(OH)单位晶胞12332223高岭石高岭石 石英架状石英架状 长石架状硅氧骨干长石架状硅氧骨干五五. 架状结构架状结构石英多晶转变石英多晶转变 -石英870 C熔体重建型转变位移型转变-方石英-鳞石英-石英-鳞石英-鳞石英-方石英573 C160 C117 C268 C1723 C1470 C结构差别结构差别 SiO SiO4 4 连接连接方式不同：方式不同： - -石英石英 没有对称中心，没有对称中心，键角键角150150 - -鳞石英鳞石英 有对称平面，有对称平面，键角键角180180 - -方石英方石英 有对称中

34、心，有对称中心，键角键角180180 属于这一形态的二氧化硅有石英、鳞石英和白硅石。由属于这一形态的二氧化硅有石英、鳞石英和白硅石。由于所含微量杂质不同，天然石英又有岩晶、紫晶、玫瑰晶、于所含微量杂质不同，天然石英又有岩晶、紫晶、玫瑰晶、烟晶、茶晶及美晶石英等各个变种。烟晶、茶晶及美晶石英等各个变种。 实际陶瓷晶体与金属晶体一样也存在晶体缺陷，这些缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过程，还影响陶瓷性能。 晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（Al2O3）晶粒平均尺寸为200m时，抗弯强度为74MPa，1.8m时抗弯强度可高达570MPa。 陶瓷材料中往往同时存在多种晶相，对陶瓷性能起决定作用的晶相称主晶相，

35、其余为次晶相。 玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。. . 玻璃相玻璃相玻璃相的作用玻璃相的作用将分散的晶相粘结在一起；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大填充气孔。 玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。 故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一 般2040%。玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相。气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为510%，要力求使其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介 电

36、损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达60。. . 气相气相二、陶瓷的性能 1. 1.陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能 （1 1）弹性）弹性 A A）弹性模量大）弹性模量大 是金属材料的是金属材料的2 2倍以上。倍以上。 共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。 晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。 B B）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量）弹性模量呈方向性；压缩模量高于

37、拉伸弹性模量 结构不均匀性；缺陷结构不均匀性；缺陷 C C）气孔率）气孔率，弹性模量，弹性模量 温度温度，弹性模量，弹性模量（2）陶瓷材料强度和硬度 陶瓷的实际强度比其理论值小12个数量级。只有晶须、纤维的实际强度才比较接近理论值抗压强度比抗拉强度高得多，10倍左右。硬度高 （2 2）陶瓷材料强度和硬度）陶瓷材料强度和硬度 陶瓷的实际强度比其理论值小12个数量级。只有晶须、纤维的实际强度才比较接近理论值抗压强度比抗拉强度高得多，10倍左右。硬度高 影响硬度的因素：显微结构、裂纹、杂质等。 陶瓷的实际强度比其理论值小12个数量级。 原因：存在晶界 a.晶界上存在有晶粒间的局部分离或间隙； b.相同电荷离子的靠近产生斥力，可造成裂缝。 因此消除晶界是提高强度的基本途径 其他因素：气孔、致密度、杂质和缺陷等 （3）脆性断裂与增韧 断裂的原因：裂纹扩展 断裂强度取决于裂纹大小-临界尺寸 防止脆断的三点措施： a.作用应力小于临界应力； b.表面造成压应力，提高抗拉强度； c.材料中设置吸收能量的机构。 陶瓷材料的增韧： （1）改善