陶瓷的结构

10.2.3　陶瓷的结构

陶瓷的晶体结构比金属复杂得多，它们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，完全由一种键组成的陶瓷不多，大多数是二者的混合键。如离子键结合的MgO，离子键结合比例占84%，16%是共价键结合。而以共价键为主的SiC，仍有18%的离子结合。陶瓷的显微组织由晶相、玻璃相和气相组成。各组成像的结构、数量、大小、形状和分布形态对陶瓷的性能有显著的影响。

1．晶相

晶相是陶瓷的主要组成相，主要由离子键和共价键结合而成，所以晶相大多数是离子键晶体（如CaO、MgO、Al₂O₃和ZrO₂等），也有共价键晶体（如Si₃N₄、SiC、BN等）。陶瓷晶相的晶体结构一般有两类：一类是氧化物，特点是由尺寸较大的氧负离子（O^2－）紧密堆集形成密排六方、面心立方等，而尺寸较小的金属正离子（如Al³⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等）填充在空隙内；另一类是含氧酸盐，如硅酸盐，它的基本结构单元都是硅氧四面体[SiO₄]。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10-3所示。按照硅氧四面体在结构中的连接方式不同，所形成硅酸盐的结构也不同，有岛状、链状、层状和网状等。

图10-3　硅酸盐结构

陶瓷的性能特别是力学性能主要决定于主晶相的结构和它们的分布形态。晶相中晶粒细化和亚结构的出现，都可使陶瓷的强度提高。

在硅酸盐陶瓷的主要原料中都有SiO₂，例如长石（Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂）、高岭土（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）、滑石（3MgO·4SiO₂·2H₂O）等，而且它们在加热和冷却时有同素异构转变。这必然引起晶体的密度和体积的变化，会产生很大的内应力，从而导致陶瓷材料的开裂。因此，在生产中常利用这个特性来粉碎石英岩石。具有同素异构转变的陶瓷晶体还有Al₂O₃、TiO₂和ZrO等。

2．玻璃相

玻璃相是陶瓷原料中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，它是陶瓷材料中不可缺少的组成相，其作用是黏结分散的晶相，降低烧结温度，抑制晶相的晶粒长大和填充气孔空隙等。但玻璃相的熔点低，热稳定性差，在较低温度下即开始软化，导致陶瓷在高温下产生蠕变，而且其机械强度也低于晶相，因此工业陶瓷中玻璃相必须控制在一定范围内，一般陶瓷玻璃相为20%~40%。能成为玻璃相的无机物还有Se、S元素和B₂O₃、P₂O₅、GeO₂等氧化物、硫化物、氯化物、硒化物和卤化物等。

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。它使陶瓷密度减小，并能吸收振动能量。但它容易产生应力集中和形成裂纹源，使陶瓷强度降低，电击穿能力下降，绝缘性能降低，因此要控制工业陶瓷中的气相。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。但在轻质和保温陶瓷中要求密度小和绝热性好，则需要增加气孔量，有时气孔率高达60%。