陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础

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1、一、陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的显微组织由晶体相（1）、玻璃相（2）和气相（3）组成，而且各相的相对量变化很大，分布也不够均匀。(一)、陶瓷晶体晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。由于陶瓷材料中原子的键合方式主要是离子键，故多数陶瓷的晶体结构可以看成是由带电的离子而不是由原子组成。由于陶瓷至少由两种元素组成,所以陶瓷的晶体结构通常要比纯金属的晶体结构复杂。１、陶瓷晶体中正、负离子的堆积方式：在离子（陶瓷）晶体中正、负离子的堆积方式取决于以下两个因素：①正负离子的电荷大小：晶体必须保持电中性,（所有正离子的正电荷应等于所有负离子的负电荷）②正负离子的相对大小：由

2、于正负离子的外层电子形成封闭的壳层，因此可将离子简化为具有一定半径的刚性球体。在离子晶体中，一些原子失去最外层电子而变成正离子，另一些原子则得到最外层电子而成为负离子。因此，在离子晶体中，通常正离子小于负离子，即：rc/rA<1rc和rA分别代表正负离子的半径。一些正负离子的半径,如表3-1所示为了降低晶体的总能量，正、负离子趋于形成尽可能紧密的堆积.即：一个正离子趋于有尽可能多的负离子为邻。一个正离子周围的最近邻负离子数称为配位数。因此，一个最稳定的结构应当有尽可能大的配位数，而这个配位数又取决于正、负离子的半径之比。图３－１由图可知只有当rc/rA等于或大于某一（最小）临界值后，某一给定

3、的配位数结构才是稳定的。这个临界值就是当正离子与它周围的负离子相切，而且这些负离子也彼此相切时，正、负离子直径的半径比。表３－２以上关于临界离子半径比值的概念完全是从几何角度考虑的，对于许多离子晶体很有效。但也有例外情况，即配位数有时可大于离子半径比值所允许的数值。这是由于以上中把离子看成刚性球体。而实际上正离子周围的负离子可以通过变形使配位数增大，另外，化合物中具有方向性的共价键也会起类似的作用。（举例说明书）CsCl晶胞图：Cl-离子按简单立方结构排列，正离子Cs+位于立方体的间隙。由于正负离子数相等，所以立方体的间隙都是填满的。致密度和晶格常数的计算：配位数：8所有立方体间隙都是添满的

4、不是体心立方，是简单立方的Cl-Cs+陶瓷材料的成分是多种多样的，从简单的化合物到由多种复杂的化合物构成的混合物。陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等。2、常见陶瓷晶体类型AX型陶瓷晶体（1）CsCl型（2）NaCl型（3）ZnS闪锌矿型结构（4）纤维锌矿型结构AmXp型陶瓷晶体（1）萤石（CaF2）型结构与逆萤石型结构（2）刚玉（Al2O3）结构（以下分别介绍）AX型陶瓷晶体AX型陶瓷晶体是最简单的陶瓷化合物，它们具有数量相等的金属原子和非金属原子。它们可以是离子型化合物，如MgO，其中两个电子从金属原子转移到非金属原子，而形成阳离子（Mg2+）和阴离子（O2－）。AX化合

5、物也可以是共价型，价电子在很大程度上是共用的。硫化锌（ZnS）是这类化合物的一个例子。AX化合物的特征是：A和X原子或离子是高度有序的，属于这类结构的有：（1）CsCl型（2）NaCl型（3）ZnS闪锌矿型（4）纤维锌矿型（以下分别介绍）（1）CsCl型这种化合物的结构见图3-2。A原子（或离子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子）也处于8个A原子的中心。但应该注意的是，这种结构并不是体心立方的。确切的说，它是简单立方的，它相当于把简单立方的A原子和X原子晶格相对平移a/2，到达彼此的中心位置而形成。（2）NaCl型NaCl型的结构是：负离子Cl-为面心立方点阵；而正离子Na+位于其晶胞和

6、棱边的中心(八面体间隙位置)。其原子排列情况所示。每个Na+周围有六个Cl-，即配位数为6。空心圆为Na+，实心圆为Cl-（3）闪锌矿型结构：这类结构原子排列属于面心立方空间点阵。一种原子占据点阵结点，另一种原子占据四面体间隙的一半。该晶体结构基本上为共价键，Zn、S原子的配位数都为4。形成的陶瓷材料很硬很脆。许多半导体化合物属于此类结构。属于闪锌矿型结构的陶瓷材料有ZnS、高温下的BeO等；（4）纤维锌矿型结构：属于简单六方空间点阵。一种原子占据点阵结点，另一种原子占据四面体间隙的一半。Zn、S原子的配位数都为4。属于这类结构的陶瓷材料有BeO、ZnO等。AmXp型陶瓷晶体（1）萤石（Ca

7、F2）型结构与逆萤石型结构：萤石（CaF2）型结构：钙离子（Ca２+）位于点阵的结点位置，氟离子（Ｆ－）填满所有四面体的间隙（八面体全空）如UO2可做核燃料，而核裂变的产物可留在这些空间处。逆萤石型结构：如果负离子位于点阵的结点位置，正离子填满所有四面体的间隙（八面体全空），这样结构中正、负离子的配置与正常的CaF2结构刚好相反，因此，称为反CaF2结构（逆萤石型结构）。具有这种结构的氧化物有：Li2O，Na