6 工程结构陶瓷的强度与断裂

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1、第六章工程结构陶瓷的强度与断裂陶瓷材料具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀以及重量轻、弹性模量大等优良性能，因此能在多种苛刻的服役条件下工作，近年来已成为一种非常有发展前途的工程结构材料，与金属材料、聚合物材料一起，成为工程材料的三大支柱。但是陶瓷材料也存在塑性变形能力差、易脆性破坏及加工成型困难等缺点，要作为工程上广泛应用的结构材料，尚需大量的研究工作。6.1陶瓷材料的结构与组织6.1.1陶瓷材料的结合键工程材料结合键有四种类型，即金属键、离子键、共价键与分子键。键的性质不同，材料的基本性

2、能就有很大差异。在陶瓷固体中，以离子键（CaO、MgO、Al2O3、ZrO2等）和共价键（如金刚玉SiN4、SiC等）为主要结合键。这两种结合键具有很强的键合力，因此陶瓷材料有很高的硬度，并且理论上强度也很高。由陶瓷材料强固的结合键性质，便不难理解陶瓷材料为什么具有熔点高、硬度高、弹性模量大、塑性差的性质。实际陶瓷材料为单一结合键的很少，一般为两种或两种以上不同结合键的混合形式。表6-1列出了几种陶瓷结合键的混合比。表6-1一些陶瓷材料离子键与共价键的混合比化合物LiFMgOAl2O3SiO2Si

3、4N3SiCSi负电性差3.02.32.01.71.20.70离子键(%)8973635130110共价键(%)1127374970891006.1.2陶瓷材料的晶体结构陶瓷中最主要的晶体结构有两类，即氧化物结构和硅酸盐结构1、氧化物结构在氧化物结构中，正、负离子的分布特征是以较大的离子构成密排形式的骨架，较小的离子填充其间隙，形成强固的离子键。在密排结构中，一般有两种类型的间隙，即八面体间隙（图6-1中ABCDEFG离子所包围）和四面体间隙（图6-1中ABCD离子所包围）。一般来说，获得电子的负

4、氧离子尺寸比失去电子的金属阳离子大，故大的负氧离子呈密排结构，占据面心立方中顶点和面心位置。按金属离子占据间隙的方式，可将氧化物结构分成下列几种类型，如图6-2所示：图6-1面心立方晶体中的间隙(a)NaCl型结构(b)闪锌矿（ZnS）结构(c)萤石结构(d)刚玉结构图6-2陶瓷氧化物结构的四种典型类型（a）NaCl型结构：在这种结构中，较小的金属离子占据全部八面体间隙，形成由数量相等的氧离子和金属离子组成的结构最简单的氧化物。属于此类结构的氧化物有MgO、CaO、SrO、MnO、FeO、CoO、

5、NiO等。除氧化物外，NaCl、KCl、LiF等离子化合物也属此类。（b）闪锌矿结构：如果氧离子呈密排立方结构，而金属离子仅填充四面体间隙的一半，则形成所谓闪锌矿结构。ZnS、BeO、SiC等即属此类。（c）萤石型结构：在此类结构中，金属原子量大，离子半径大于氧离子半径，所以金属离子呈密排立方结构，而氧离子填充四面体间隙。属于此类的氧化物有ThO2、CeO2、PrO2、UO2、ZrO2等。如果与上述结构正相反，金属离比氧离子，由氧离子构成密排结构，而小的金属离子填充全部四面体间隙，则构成所谓的“逆

6、萤石结构”，如Li2O、Na2O、K2O等。（d）刚玉结构：其氧离子呈密排六方结构，金属阳离子占据八面体间隙的2/3。在一个密排六方晶胞中，占有6个氧离子，其中4个八面体间隙中填充金属离子，形成刚玉结构。属于此类的有Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、Ca2O3等。除了上述四种典型结构外，还有多种其它类型，这里不一一列举。2、硅酸盐结构地球表面上最多的元素是氧，其次是硅，因此形成了以这两种元素为主要成分的数百种硅酸盐矿物。在硅酸盐化合物中，最基本的结构单元是硅氧四面体（SiO

7、4）4-，如图6-3所示。四面体顶角上有4个氧离子，四面体中间空隙有一个硅离子。四面体四个顶点上的氧离子能与周围其它氧离子或另一个硅氧四面体连接起来。当数个硅氧四面体连接时，由于氧离子的排斥作用，各顶点只能取共有形式连接，但一个顶点只能为2个四面体共有。按照四面体在结构中排列方式，其晶体结构可分成以下几种类型：图6-3硅氧四面体①岛状结构：（SiO4）4-相互独立不连接。由于单元体具有4个负电荷，若有足够的氧离子（如Mg2+、Ca2+、Fe2+等）就可使化合价饱合，产生此种独立互不连接的结构，如镁

8、橄榄石（Mg2SiO4）和锆石英（ZrSiO4）。图6-4孤立的有限硅氧四面体群的各种形式图6-5链状结构的硅氧骨干图6-6层状结构的硅氧骨干图6-7架状结构的硅氧骨干②组群状结构：由2个、3个、4个或6个硅氧四面体通过共氧连接在一起，如图6-4所示。具有这种结构的有镁方柱石（CaMgSi2O7）、绿柱石（Be3Al2Si6O18）等。③链状结构：硅氧四面体通过共氧连接成连续的链，如图6-5所示。单链结构的有顽辉石（Ca2Mg2Si2O6）和透辉石（CaMgSi2O6）；双链结构的