1.3 陶瓷材料的结构与性能

1.3.1 陶瓷材料的结构

陶瓷是由金属元素和非金属元素的化合物组成。它们的主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等。一般是以天然硅酸盐（如黏土、长石和石英等）或人工合成化合物（如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等）为原料，经粉碎—配制—制坯—成型—烧结而制成。陶瓷的晶体结构比金属复杂得多，陶瓷材料的典型组织由晶体相、玻璃相和气相组成。各组成相的结构、数量、大小、形状和分布形态对陶瓷材料的性能有显著影响。

1.晶体相

晶体相是陶瓷的主要组成相，其结构、数量、形态和分布决定陶瓷的主要性能和应用。它可以是以离子键为主的离子晶体，也可以是以共价键为主的共价键晶体。陶瓷材料中的晶体相主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物三种。

硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，同时也是陶瓷组织中的重要组成相。硅酸盐的结合键为离子键与共价键的混合键。构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体[SiO4]4-。其特点是不论何种硅酸盐，硅总是存在于四个氧离子组成的四面体的中心，如图1-25所示。按照硅氧四面体在结构中的连接方式不同，所形成的硅酸盐具体结构也不同，如有岛状、链状、层状和网状结构等。

氧化物大多数是陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相。结合键类型主要是离子键和共价键，晶格结构主要有面心立方、密排立方和密排六方。

非氧化物是指不含氧的金属碳化物、氮化物和硅化物等，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，也有一定成分的金属键和离子键。非氧化物的晶体结构主要有密排立方、密排六方和复杂的晶体结构。

陶瓷的性能（特别是力学性能）主要取决于晶体相的结构及其分布形态。

2.玻璃相

玻璃相是陶瓷原料中的SiO2在烧结处于熔化状态后冷却时原子无规则形成的非晶态相，能成为玻璃相的无机物还有Se、S元素和B2O3、GeO2等氧化物、硫化物、硒化物和卤化物等。玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相，其作用如下：

① 将晶体相黏连起来，填充晶体相之间空隙，提高材料的致密度；

② 降低烧成温度，加快烧结过程；

③ 阻止晶体转变，抑制晶体长大；

④ 获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。

玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热与耐火性能等是不利的，所以，不能成为陶瓷的主导相，一般含量为20%～40%。

3.气相

气相是陶瓷孔隙中的气体所形成的气孔，常以孤立状态分布在玻璃相中，或以细小气孔分布在晶界和晶内。它是在陶瓷生产工艺过程中不可避免地形成而保留下来的。气相容易产生应力集中或者形成裂纹源，使陶瓷强度降低，电击穿能力下降，绝缘性能降低。因此，结构陶瓷中一般希望尽量降低陶瓷中气孔率，通常普通陶瓷气孔率为5%～10%，特种陶瓷的气孔率在5%以下，并力求气孔呈球形，而且分布均匀。

1.3.2 陶瓷材料的性能

1.陶瓷材料的工艺性能

陶瓷材料的工艺路线并不复杂，依次是选料→混配→成型→烧结→修整→成品。其中，成型是陶瓷制品的主要工序。成型工艺主要包括粉浆成型、压制成型、挤压成型和可塑成型等。

2.陶瓷材料的力学性能

陶瓷材料的力学性能可归纳为“硬而脆”。

陶瓷材料的硬度是各类材料中最高的，这也是陶瓷材料的最大特点。其硬度多为1000～5000HV，而淬火钢也仅为500～800HV。

陶瓷材料的刚度（用弹性模量来衡量）也是各类材料中最高的，如氧化铝的弹性模量为4.0×105MPa，而钢的弹性模量则约为2.07×105MPa。

陶瓷材料属于脆性材料，室温下几乎没有塑性，其冲击韧度和断裂韧度都很低，其断裂韧度约为金属的1/100～1/60。

按理论计算，陶瓷材料的强度应该很高，但实际上由于其组织中气孔等缺陷较多，且多存在于晶界上，容易产生裂纹，因此，其实际强度较低。

3.陶瓷材料的物理和化学性能

陶瓷材料具有优良的耐高温性能。多数金属在1000℃以上就会丧失强度，而陶瓷材料由于有很高的熔点（大多数在2000℃以上），在常见的高温（800～1000℃）下，基本保持在室温下的强度，即陶瓷材料具有优于金属的高温强度。

陶瓷材料有比金属材料低得多的热稳定性，在承受急剧的温度变化时容易炸裂，这是陶瓷材料的一个主要缺点。

由于陶瓷材料结构稳定，抗高温氧化能力很强，对酸、盐有良好的抗腐蚀能力，与许多金属熔体也不发生反应，但抗碱蚀能力一般。总之，陶瓷材料有较好的化学稳定性。

大多数陶瓷是由于没有自由电子，其电阻率很高，所以，具有良好的电绝缘性。但不少陶瓷材料既是离子导体，又有一定的电子导电性，使其成为良好的半导体材料。