《工程材料与应用》课件-第1章

1.1固体材料的结构1.2金属晶体结构与结晶1.3高分子化合物的组成与结构1.4陶瓷材料的组成与结构

1.1.1晶态结构

1.晶体、晶格和晶胞

绝大多数固体具有晶态结构，即为晶体，其组成粒子在三维空间作有规则的周期性重复排列(见图1-1(a))。规则排列的方式即称晶体结构。为了便于研究晶体结构，假设通过粒子中心划出许多空间直线，这些直线则形成空间格架，称为晶格(见图1-1(b))。晶格的结点为粒子平衡中心位置。晶格的最小几何组成单元称为晶胞(见图1-1(c))，晶胞在空间的重复堆砌便构成了晶格。因此，可以用晶胞来描述晶格。1.1固体材料的结构图1-1简单立方晶格与晶胞的示意图(a)晶体的原子排列模型；(b)晶格；(c)晶胞

2.晶向、晶面

晶体中，由原子组成的任一平面称为晶面；由原子组成的任一列的方向称为晶向。在晶体内，不同晶面和晶向的原子排列情况不同。

3.异构现象

1)同素异晶现象

同素异晶现象是指一种元素具有不同晶体结构的现象，所形成的具有不同结构的晶体称为同素异晶体。在一定条件下，同素异晶体可以相互转变，称为同素异晶转变。在具有同素异晶现象的固体中，最典型的例子是铁，其同素异晶转变过程将在后面介绍。

2)同质多晶现象

成分相同的无机化合物具有不同的晶体结构，称为同质多晶现象，所形成的不同结构的晶体称为变体。如二氧化硅晶体有石英、鳞石英、方石英三种变体，它们在一定温度条件下可以相互转变。

结构不同的晶体，尽管其成分相同，但仍具有不同性能。如金刚石是石墨的同素异晶体，其硬度在各种物质中已达顶峰，而石墨却很软。1.1.2非晶态结构

呈非晶态结构的固体中，组成粒子的排列杂乱无规则，称这种固体为非晶体或无定型体。由于粒子排列状态与液态相似，故也称为“被冻结的液体”，如无机玻璃和许多有机高分子化合物等。1.1.3晶体和非晶体的性能特点

晶体与非晶体结构上的差异，使得它们在性能上具有不同的特点，这主要表现在以下几个方面：

(1)晶体具有固定的熔点和凝固点(如纯铁熔点为1538℃)，粒子规则排列的固态与无规则排列的液态间的转变有明确的分界线。非晶体无固定的熔点和凝固点，粒子无规则排列的液态和固态间的转变是连续的，在整个凝固过程中，仅仅是粒子运动由易变难，以至不能再运动，而粒子无规则排列状态没有显著变化。

(2)晶体中各晶向上的粒子排列情况不同，因此各方向上的性能有差异，即呈各向异性。非晶体却无此现象，即呈各向同性。

(3)晶体永久变形通常以塑性流动方式进行，粒子运动受晶体规则的约束。非晶体的永久变形则以粘性流动方式进行，粒子运动是自由的。

应指出，固体呈晶态还是非晶态并非绝对不变，在特定条件下，一些常规呈晶态的固体可变成非晶态；而一些常规呈非晶态的固体也可部分或全部变为晶态，从而导致性能上发生很大变化。如使液态金属以极快速度冷却，则可形成非晶态金属；而对常规呈非晶态的无机玻璃进行特殊处理，可使其部分或全部成为晶态。1.2.1常见金属晶体的结构

在所有晶体中，金属的晶体结构最简单。在晶格的结点上各分布一金属原子，便构成了金属晶体结构。

在已知的80多种金属元素中，除少数十余种金属具有复杂晶格外，大多数金属，尤其是常用金属的晶格，有体心立方、面心立方及密排六方三种。

1)体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞为立方体，原子分布在立方体各个结点和立方体中心(见图1-2(a))。属于这类晶格的金属有 α -Fe(910℃以下的纯铁)、铬、钼、钒、钨等。这类晶格一般具有较高的熔点、相当大的强度和良好的塑性。1.2金属晶体结构与结晶

2)面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞为立方体，原子分布在立方体的各个结点及六个棱面中心(见图1-2(b))。属于这类晶格的金属有 γ -Fe(1390～910℃时的纯铁)、铜、铝、镍、银、金等。这类晶格金属往往有很好的塑性。

3)密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞为六方柱体，柱体高度与边长不相等。原子除分布在六方柱体的各结点及上下两个正六方底面中心外，在六方柱体纵向中心面上还分布有三个原子，此三原子与分布在上下底面上的原子相切(见图1-2(c))。属于这类晶格的金属有镁、锌、镉、铍等。这类晶格金属具有一定强度，但塑性较差。图1-2常见金属的晶格类型(a)体心立方晶胞示意图；(b)面心立方晶胞示意图；(c)密排六方晶胞示意图1.2.2实际金属的结构

1．单晶体与多晶体

结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”，如图1-3(a)所示。在单晶体中，所有晶胞均呈相同的位向，故单晶体具有各向异性。单晶体除具有各向异性以外，还有较高的强度、抗蚀性、导电性和其他特性，因此日益受到人们的重视。目前在半导体元件、磁性材料、高温合金材料等方面，单晶体材料已得到开发和应用。单晶体金属材料是今后金属材料的发展方向之一。图1-3单晶体和多晶体(a)单晶体；(b)多晶体工业上实际应用的金属材料大部分是采用自然熔炼、自然凝固等传统制取方法得到的一种多晶体结构，如图1-3(b)所示。它是由许多外形不规则且位向各异的晶体颗粒(简称晶粒)所组成的。这些晶粒内仍保持整齐的晶胞堆积，各晶粒之间的界面叫晶界。晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，其直径一般在0.001～1mm之间。在多晶体中，由于各晶粒的位向不同，使其各向异性受到了抵消，造成各向性能接近相同的现象，称为伪各向同性。例如，在多晶体工业纯铁(α-Fe)中，各方向上的弹性模量E的值均为210000MPa。

2．晶体缺陷

金属实际结构与理想结构的不同之处，除了实际金属具有多晶体结构以外，就是存在着晶体缺陷。晶体缺陷对金属的物理、化学和力学性能有显著的影响。

晶体缺陷按其几何形式的特点可分为如下三类。

1)点缺陷

点缺陷是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，且尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等。空位是在正常的格结点上，未被原子所占有而空着的位置(见图1-4(a))。间隙原子是不占有正常的晶格位置，而处在晶格间隙中的多余原子(见图1-4(b))。置换原子是指置换晶格结点上的原子，从而占据正常结点的异类原子(见图1-4(c))。

点缺陷的形成，主要是由于原子在以各自的平衡位置为中心不停地做热振动的结果。各个原子的热振动能量并不相同，而且每个原子的热振动能量在不同的瞬间也是不同的。当某些原子振动的能量高到足以克服周围原子的束缚时，它们便有可能脱离原来的平衡位置，跳到晶界或晶格间隙处，形成间隙原子，并在原来的位置上形成空位。图1-4点缺陷(a)空位；(b)间隙原子；(c)置换原子由图1-4可知，在点缺陷附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，周围的其他原子发生靠拢或撑开的不规则排列，这种变化称之为晶格畸变。晶格畸变使晶体产生强度、硬度和电阻增加等变化。

2)线缺陷

线缺陷是指在三维空间两维方向上尺寸较小，而在另一维方向上尺寸相对较大的缺陷。属于这类缺陷的主要是各种类型的位错。

位错是指晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。位错最基本的形式有刃型位错和螺型位错，如图1-5所示。图1-5刃型位错和螺型位错的示意图(a)刃型位错；(b)螺型位错晶体中的位错线周围都会发生晶格畸变，畸变程度随离位错线的距离增大而逐渐减小直至为零。严重晶格畸变的范围约为几个原子间距。

3)面缺陷

面缺陷是指在三维空间一维方向上尺寸很小，而在另外两维方向上尺寸较大的缺陷。最常见的面缺陷是金属中的晶界和亚晶界。

在多晶体中，由于各晶粒的位向不同，故其原子排列的规律性在相互交界处就不能一致，而是一种原子排列很不规整的结构。在不同位向晶粒之间的过渡层(即晶界层)，晶格畸变程度较大，如图1-6所示。在金属多晶体中，晶粒间的位向差大多在30°～40°左右，晶界层厚度一般在几个原子间距到几百个原子间距内变动。1.2.3金属结晶过程

1.金属的结晶过程

金属从液态转变为固态晶体的过程称为结晶，也就是金属原子从不规则排列过渡到规则排列的过程。金属在结晶时，在液体内先形成固态小质点，每个小质点都具有该金属晶体结构的特征，这个过程称为形核。然后，这些质点起结晶核心(晶核)的作用，附近的其他原子纷纷附着到这些晶核上，形成晶体的生长，这个过程称为长大。最终形成在整个空间由同样的晶胞堆砌而成的晶体。图1-7是纯金属结晶冷却曲线。由图可知，在T0温度以上时，液态金属的温度是均匀下降的。当冷却到低于T0的某一个温度Tn时，液态物质开始结晶，并不断放出结晶潜热，保持系统温度不变，即在曲线上出现“平台”。结晶完毕后，温度继续均匀下降。图1-7纯金属结晶冷却曲线显然，在T0温度以上，物质稳定的状态为液态，而在T0温度以下，物质稳定状态为固态。即只有当结晶的驱动力达到一定值时，结晶过程才能进行。所以，结晶的充分必要条件是具有一定的过冷度。因此，液态物质要结晶，就必须冷却到T0温度以下，即必须冷却到低于T0以下的某个温度Tn才能结晶，这种现象称为过冷。理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度，即。过冷度愈大，液态和固态之间能量状态差就愈大，促使液体结晶的驱动力也愈大。

图1-7中的理论结晶温度T0与“平台”温度Tn的差就是实际的过冷度。一般来说，除了物质本性的影响以外，液态物质的冷却速度愈大，过冷度就愈大，实际结晶温度也愈低。可以预料，在实际结晶过程中，晶核在液体的许多地方独立形成并有随机的位向，然后每个晶核不断生长直到相互交接为止，如图1-8所示。由于相邻晶核中原子的排列位向不同，因此各晶核生长的结果不会产生一个连续的单晶，而形成由许多连续的小晶块组成的多晶体，这些小晶块即为晶粒，而分开各晶粒的界面(即各晶粒间的间断面)就是晶界。形成这种晶粒组织的过程包含形核和生长两个过程。图1-8结晶过程示意图在金属结晶过程中，晶核的形成有两种形式：一种是自发形核(均质形核)，即晶体核心是从液体结构内部自发长出的；另一种为非自发形核(异质形核)，即晶核依附于金属内存在的难熔固体微粒而生成。其中那些在晶体结构上与结晶金属的晶体相近的微粒可以成为自发形核的中心。此外，有些难熔固体微粒虽然其晶格结构与结晶金属结构相差很远，但在这些微粒表面上存在着一些细微的凹孔和裂缝，这些凹孔和裂缝也可能成为非自发形核的中心。

通常自发形核和非自发形核是同时存在的，在实际金属和合金中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优先及主导作用。

2.结晶组织

1)晶粒大小及控制

晶粒是金属的最小组织单元，可以用普通光学显微镜进行观察。在显微镜下观察到的金属中各种晶粒的大小、形态和分布叫“显微组织”，图1-9即为α -Fe的显微组织。

由图1-10可见，金属中晶粒的数目及大小随形核率和长大速度两因素而变。形核率越大，则生成的晶粒越小；长大速度越大，晶粒尺寸就越大。晶粒大小对金属的力学性能影响很大，晶粒越细，其强度、硬度越高，且其塑性也越高。图1-9α-Fe的显微组织图1-10晶体形核率、长大速度与过冷度的关系利用细化晶粒来提高材料力学性能的方法称为细晶强化。细化晶粒常用下列两种方法：

(1)提高液态金属的冷却速度，通常可增大形核率，从而使晶粒细化，如图1-11所示。

(2)在液态金属中加入某些物质，这些物质的质点也可作为结晶时的晶核(称外来晶核)，这相当于增加了晶核数，故使晶粒得到细化。这种处理过程称为变质处理，如在钢中加钒，铸铁中加硅(这又称孕育处理)、铝液中加钠盐等。图1-11缓、急冷后的晶粒大小示意图

2)结晶晶粒形状

金属结晶晶粒的形状主要有等轴状和柱状两种。当液态金属有一定的冷却速度，从而在各处形成大量晶核并向各方向长大时，则形成各方向尺寸相当的等轴晶粒。而液态金属只能沿某一定方向逐步冷却，且冷却速度不大，当难以形核时，只能在原有晶核的基础上沿该方向长大，而形成柱状晶粒。如金属结晶形成单方向柱状晶，其性能便会呈方向性，沿柱状晶的轴向性能较高。这在生产上已获得实际应用，如涡轮机的精密铸造叶片等。

由上述可见，若金属液体各处的结晶条件不完全相同，结晶后各处晶粒大小与形状也会不均匀，如图1-12所示的钢锭组织中便出现了表面细晶粒层、中部柱状晶粒层及心部等轴晶粒层。图1-12钢锭组织的示意图在晶核长大过程中，晶体的各向异性也会反映在长大速度上。沿晶核的某些晶向会优先生长，从而使晶粒长成树枝状，如图1-13所示。图1-13树枝状结晶(a)树枝状结晶示意图；(b)树枝状结晶

3.重结晶(二次结晶)

前已述及，有些金属在固态下随温度改变会发生同素异晶转变，这便导致结晶后形成的组织在继续冷过程中发生变化，这一过程称为重结晶或二次结晶。如纯铁在1534℃时开始结晶出体心立方晶格δ-Fe，结晶完毕并继续冷却到1390℃前，该晶格保持不变；冷却到1390℃时，开始重结晶，转变为面心立方晶格γ-Fe，结晶完毕并在继续冷却到910℃前晶格形式不变；冷却到910℃时，又出现重结晶，转变为体心立方晶格α-Fe，此晶格一直保持到室温(见图1-14)。铁的这一特性使之有可能用热处理方法获得各种各样的性能。

重结晶也是通过形核及长大方式进行的，重结晶后将形成新的晶粒，不仅结构发生了变化，而且晶粒大小也发生了变化。所以，这类金属可通过重结晶细化晶粒。图1-14纯铁的冷却曲线和同素异晶转变1.3.1高分子化合物的组成

高分子材料是以高分子化合物为主要成分的材料。高分子化合物是分子量很大的化合物，分子量常在5000以上。

高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学组成一般并不复杂，均由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成，所以又称为高聚物。1.3高分子化合物的组成与结构

1．单体

由低分子化合物到高分子化合物的转变称为聚合反应，简称聚合。聚合前的低分子化合物称为单体。如聚乙烯是由乙烯(CH2=CH2)单体聚合而成的，合成聚氯乙烯的单体为氯乙烯(CH2=CHCl)。

2.链节、聚合度、平均分子量

高分子化合物是由特定的结构单位多次重复组成的。这种重复单位称为链节，链节的重复个数称为聚合度。如上例

中，链节为—CH2—CH2—，聚合度为n。

聚合度n越大，则高聚物大分子分子量M越大，两者之间存在下列关系：

M=n×m

式中，m为链节分子量。

同一种高聚物中，各个分子所含链节数是不同的，因此，聚合度和分子量是指该聚合物的平均分子量及平均聚合度。大分子链聚合度的大小对形成的聚合物性能影响很大，如聚乙烯的性能与分子量的关系如下：

单个分子(CH2=CH2)：M=28 处于气态

：=1000处于液态

=10000 处于蜡态

=10000～50000 处于固态

3.链段

由若干个链节所组成的具有独立运动能力的最小单元称为链段。链段常包含几个甚至几十个链节。

大分子链内各原子之间由共价键结合，而链与链间则通过分子键结合。大分子往往含有不同的取代基，例如，乙烯类聚合物中的R即为取代基。取代基R的种类及其在分子链中的排列方式，对性能有一定的影响。1.3.2大分子链的组成与结构

大分子链的结构首先取决于其化学组成。组成大分子链的化学元素主要是碳、氢、氧，另有氮、氯、氟、硅、硫等。其中，碳是形成大分子链的主要元素。

高聚物的性能也取决于其组成与结构。高聚物的组织与结构的微观层次可分为两个：一是大分子链内结构；二是大分子链间结构。

1.大分子链的组成

前已述及，高聚物大分子链由重复结构单元“链节”构成。因此，构成大分子链的链节种类是影响其性能的基本因素。而确定链节种类最本质、最重要的是其化学组成，即原子组成。

为研究方便，根据原子在链中的位置特点，把原子分为主链组成原子及侧基组成原子。

目前产量最大的高聚物的分子链主链是碳原子之间通过共价键结合而成的碳链：—C—C—C—C—。

以碳链为主链的高聚物称为碳链高聚物，如各种烯烃类高聚物。

不同种类的侧基可使碳链高聚物的性能发生很大变化。如聚乙烯和聚苯乙烯相比，聚苯乙烯分子链节中用一个苯环取代了氢原子，因此，聚乙烯柔而韧，聚苯乙烯硬而脆。

另一些高聚物的分子主链中，除碳原子外，还含有O、N、S、P等原子，形成杂链：—C—C—O—C—、—C—C—N—C—、—C—C—S—C—。主链中其他原子的存在，可大大改变高聚物的性能。如Ｏ能提高弹性，P能提高耐火、耐热性，S能增大透气性等等。属于杂链高聚物的有聚脂、聚醚和聚砜等。

还有些高聚物的分子主链不一定含有碳原子，而是由 Si、Ti、Al、B、O 等组成的。如—O—Si—O—Si—，其侧基为有机基团。聚硅氧烷、聚钛氧烷、聚有机硅树脂和有机硅橡胶等均为此类高聚物。由于主链中含有较多无机原子，而侧基又为有机基团，故此类高聚物兼具有机高聚物的良好弹、加工性及无机固体的耐热性。

2.大分子几何构型

化学成分相同而组成原子排列不同的分子称为同分异构体。根据这一定义，许多高聚物都是同分异构体，即具有相同化学组成，但有不同几何构型。按取代基R在空间所处的位置及规律不同，可有以下三种立体构型：

(1)全同立构：取代基R全部处于主链一侧，见图1-15(a)。

(2)无规立构：取代基R在主链两侧不规则分布，见图1-15(b)。

(3)间同立构：取代基R相间地分布在主链两侧，见图1-15(c)。图1-15大分子同分异构示意图(a)全同立构；(b)无规立构；(c)间同立构由于同分异构体的几何构型不同，因而使所形成的高聚

物性能有很大差异。如由聚合成的聚丙烯大分子链

中，侧基CH3相对于碳主链可取如图1-16所示的三种不同分布，所形成的聚丙烯性能迥异。CH3无规则分布时，无实用价值；CH3交替分布时，聚丙烯在134℃时才熔化；而CH3全部分布在主链同一侧时，聚丙烯熔点升高到175℃，可制造高强度纤维，称为丙纶。图1-16聚丙烯的空间构形(a)无规立构；(b)间同立构；(c)全同立构

3.大分子链结构

高聚物的链结构形成，按其几何形状，可分为线型结构(或带有支链)和体型结构，如图1-17所示。图1-17高聚物的结构示意图(a)线型结构；(b)带有支链的线型结构；(c)体型结构线型结构的特征是：大分子链内原子以共价键相结合，大分子链之间以弱键结合，通常形成一条很长的、卷曲状态的链(或带支链)。由于此链时而卷曲时而伸长，故呈现出良好的可塑性和高弹性。当遇到热或溶剂作用时，结合力则减弱，故呈现可溶、可熔的特性。聚乙烯、聚丙烯等便属于此类。

体型结构的特点是：大分子链之间以强化学链交联在一起，形成网状或向空间发展而得到体型大分子结构。它们对热和溶剂的作用都比线型高聚物稳定，呈现不溶、不熔的特性。如酚醛树脂和环氧树脂等就具有这类结构。通常，具有体型结构的高聚物在加工时只能一次成型，固化后硬而脆。

4.大分子链的构象及柔顺性

大分子化合物具有大分子链是其与小分子化合物的主要区别，而其另一特点便是单键的内旋转，即分子链在保持共价键键长和键角不变的前提下进行自旋转。图1-18是C—C键内旋转示意图。由图可见，当键a自旋时，键b将沿以C2为顶点的锥面旋转，即C3可在以C2为顶点的圆锥底边的任一位置出现。同样，C4又可在以C3为顶点的圆锥底边任一位置出现。而大分子有成千上万的这种C—C键，所以大分子链的形状有无数种可能性。这种由单键内旋转引起的大分子链产生的各种空间形象称为构象。由于大分子链构象的频繁变化，使得大分子链既可伸长扩张，又可卷曲收缩。大分子这种能由构象变化获得不同卷曲程度的特性称为大分子链的柔顺性。图1-18C—C键内旋转示意图影响大分子链柔顺性的因素主要有主链结构、取代基的性质及交联程度等。

1)主链结构

当主链全部由单键组成时，分子链的柔顺性最好。在常见的三大类主链结构中，以Si—O键最好，C—O键次之，C—C键再次之。

当主链中含有芳杂环时，由于它不能内旋，故柔顺性下降而显示出刚性，能耐高温。

当主链中含有孤立双键时，柔顺性好。例如聚氯丁二烯橡胶，因含有孤立双键而使柔顺性增大。

2)取代基的性质

取代基的极性、体积和分布都影响柔顺性。极性越强，体积越大，分布的对称性越差，则柔顺性越低。

3)交联程序

交联结构的形成，特别是交联度较大(如大于30%)时，将限制单键的内旋转，使大分子链的柔顺性减弱。1.3.3大分子链的聚集态结构

大分子链之间以弱键，即范德瓦尔斯键或氢键结合，键虽弱，但因分子链很长，其链间作用力为链节分子间力与聚合度的乘积，故此力大大超过链内共价键结合力。表现在高聚物受拉时，往往不是先发生分子链间的滑脱，而是先发生断链。分子链越长，分子间力越大，高聚强度越高。图1-19高聚物的晶区示意图

大分子链聚集态结构是指大分子链的几何排列，与其他固体材料一样，也分非晶态和晶态两种。非晶态结构亦称无定型结构，其分子链呈杂乱无规则排列，即呈卷曲且相互缠结状。晶态结构分子链呈规则紧密排列。理论上晶态高聚物的大分子链应完全呈晶态结构，实际上却只能部分结晶，从而形成晶区和非晶区混合物。由于晶区与非晶区的尺寸远较分子链长度小，因此每根分子链往往要贯穿好几个晶区与非晶区。 高聚物的晶区示意图如图1-19所示。

晶态高聚物中晶区所占的重量百分数称为结晶度。聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酰胺(尼龙)等都是典型的晶态高聚物，其结晶度可达50%～80%，甚至更高。结晶度的大小对晶态高聚物的性能影响很大。 结晶度大时，由于晶区分子链规则，排列紧密，分子间力大，链运动困难，因此高聚物的强度、硬度和弹性模量较高，密度较大，熔点较高，耐热性和耐溶剂性较好，而依赖于分子链运动的性能，如弹性、塑性、韧性较低。所以，可通过改变高聚物的结晶度来改变其性能。如高密度聚乙烯结晶度高(分枝少)，质地坚硬，使用温度可达100℃；而低密度聚乙烯结晶度低，质地柔软，使用温度为80℃。图1-19高聚物的晶区示意图影响高聚物结晶度的因素较多，归纳起来有两个方面：一是高聚物的结晶能力，它与分子链结构有关，结构简单、规整度高、对称性好的大分子链(聚乙烯，聚四氟乙烯等)以及分子间力较大的分子链(聚酰胺等)结晶能力强；二是结晶条件，如结晶温度、冷却速度、杂质和应力等都会影响结晶度。

无定型高聚物也并非完全无序，它基本上由非晶区组成，但其间存在一些微细晶区，其晶区分子链的规整性比晶态高聚物中晶区要差得多，如图1-20所示。无定型高聚物的强度远低于晶态高聚物。图1-20高聚物的非晶区示意图陶瓷是无机非金属材料中的一个重要种类，它是由金属(类金属)和非金属形成的化合物，很多材料还是多元化合物。

陶瓷的一般生产工艺为：原料配制→坯料成形→高温烧结→烧结后处理。陶瓷的化学键主要为离子键和共价键，一般为这两种键性的混合形式。这种键合的特点，造成了陶瓷材料中不同元素的原子或离子必须占据特定的配位位置，晶体结构比金属复杂得多。键的性能与材料的结构和性能密切相关，如以离子键为主的无机材料呈结晶态，而以某些共价键为主的无机材料则易形成非晶态结构。1.4陶瓷材料的组成与结构通常陶瓷是一种多晶多相聚集体，典型组织有晶体相(莫来石和石英)、玻璃相和气相。陶瓷的组织如图1-21所示，其中包括点状一次莫来石、针状二次莫来石、块状残留石英、小黑洞气孔和玻璃基体。各相的结构、数量、形状与分布，都对陶瓷的性能有直接影响。图1-21陶瓷的组织(电子显微照片)1.4.1晶体相

晶体相(晶相)是陶瓷的主要组成相，其结构、数量、晶粒大小及形状和分布等决定了陶瓷的主要性能和应用。例如，氧化铝瓷(刚玉瓷)由于Al2O3晶体氧和铝以很强的离子键结合，结构紧密，具有强度高、耐高温和绝缘耐蚀的优良性能，是很好的工具材料和耐火材料；而钛酸钡等则是很好的介电陶瓷。

1.晶体相的种类

陶瓷的晶相通常不止一个，组成陶瓷晶相的晶体一般有氧化物(如氧化铝、氧化钛)、含氧酸盐(如硅酸盐、钛酸盐等)和非氧化合物等。

1)氧化物结构

氧化物是大多数陶瓷尤其是特种陶瓷的主要组成和晶体相，主要由离子键结合，有时也有共价键。氧化物结构的特点是较大的氧离子紧密排列成晶体结构，构成骨架，较小的金属正离子规则地分布在它们的间隙中，依靠强大的离子键，形成稳定的离子晶体。根据正离子所占空隙的位置和数量的不同，形成各种不同结构的氧化物(见表1-1)。表1-1常见陶瓷的各种氧化物晶体结构

2)含氧酸盐结构

含氧酸盐的典型代表是硅酸盐。硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，同时也是陶瓷组织中重要的晶体相，如莫来石和长石等。硅酸盐的结合键主要为离子键与共价键的混合键。图1-22硅氧四面体结构

硅酸盐材料在自然界中大量存在，约占已知矿物的1/3。组成各种硅酸盐结构的基本单元是硅氧四面体[SiO4]，其结构特征是硅总是位于四个氧离子组成的四面体中心，如图1-22所示。在硅氧四面体之间通过共顶点氧离子以不同方式相互连接起来，形成不同的硅酸盐结构，其基本类型有以石棉类矿物为代表的链状硅酸盐，以云母为代表的层状硅酸盐，以电学性能优异的镁橄榄石(2MgO·SiO2)为代表的岛状硅酸盐及以陶瓷中非常重要的石英为代表的骨架状硅酸盐。硅酸盐结构见表1-2。图1-22硅氧四面体结构表1-2硅酸盐结构注：● 代表Si；○ 代表O。

3)非氧化合物结构

非氧化合物是指不含氧的金属碳化物、氮化物及硼化物等。它们是特种陶瓷特别是金属陶瓷的主要组成和晶体相，主要由强大的共价键结合，但也有一定成分的金属键和离

子键。

金属碳化物的结合键主要是共价键和金属键之间的过渡键，以共价键为主。金属碳化物的结