10.2.3　陶瓷的結(jié)構(gòu)

陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)比金屬復(fù)雜得多，它們可以是以離子鍵為主的離子晶體，也可以是以共價鍵為主的共價鍵晶體，完全由一種鍵組成的陶瓷不多，大多數(shù)是二者的混合鍵。如離子鍵結(jié)合的MgO，離子鍵結(jié)合比例占84%，16%是共價鍵結(jié)合。而以共價鍵為主的SiC，仍有18%的離子結(jié)合。陶瓷的顯微組織由晶相、玻璃相和氣相組成。各組成像的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、大小、形狀和分布形態(tài)對陶瓷的性能有顯著的影響。

1．晶相

晶相是陶瓷的主要組成相，主要由離子鍵和共價鍵結(jié)合而成，所以晶相大多數(shù)是離子鍵晶體（如CaO、MgO、Al₂O₃和ZrO₂等），也有共價鍵晶體（如Si₃N₄、SiC、BN等）。陶瓷晶相的晶體結(jié)構(gòu)一般有兩類：一類是氧化物，特點是由尺寸較大的氧負離子（O^2－）緊密堆集形成密排六方、面心立方等，而尺寸較小的金屬正離子（如Al³⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等）填充在空隙內(nèi)；另一類是含氧酸鹽，如硅酸鹽，它的基本結(jié)構(gòu)單元都是硅氧四面體[SiO₄]。其特點是不論何種硅酸鹽，硅總是存在于四個氧離子組成的四面體的中心，如圖10-3所示。按照硅氧四面體在結(jié)構(gòu)中的連接方式不同，所形成硅酸鹽的結(jié)構(gòu)也不同，有島狀、鏈狀、層狀和網(wǎng)狀等。

圖10-3　硅酸鹽結(jié)構(gòu)

陶瓷的性能特別是力學(xué)性能主要決定于主晶相的結(jié)構(gòu)和它們的分布形態(tài)。晶相中晶粒細化和亞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，都可使陶瓷的強度提高。

在硅酸鹽陶瓷的主要原料中都有SiO₂，例如長石（Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂）、高嶺土（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）、滑石（3MgO·4SiO₂·2H₂O）等，而且它們在加熱和冷卻時有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。這必然引起晶體的密度和體積的變化，會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致陶瓷材料的開裂。因此，在生產(chǎn)中常利用這個特性來粉碎石英巖石。具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的陶瓷晶體還有Al₂O₃、TiO₂和ZrO等。

2．玻璃相

玻璃相是陶瓷原料中SiO₂在燒結(jié)處于熔化狀態(tài)后冷卻時原子無規(guī)則形成的非晶態(tài)相，它是陶瓷材料中不可缺少的組成相，其作用是黏結(jié)分散的晶相，降低燒結(jié)溫度，抑制晶相的晶粒長大和填充氣孔空隙等。但玻璃相的熔點低，熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下即開始軟化，導(dǎo)致陶瓷在高溫下產(chǎn)生蠕變，而且其機械強度也低于晶相，因此工業(yè)陶瓷中玻璃相必須控制在一定范圍內(nèi)，一般陶瓷玻璃相為20%~40%。能成為玻璃相的無機物還有Se、S元素和B₂O₃、P₂O₅、GeO₂等氧化物、硫化物、氯化物、硒化物和鹵化物等。

3.氣相

氣相是陶瓷孔隙中的氣體所形成的氣孔，常以孤立狀態(tài)分布在玻璃相中或以細小氣孔分布在晶界和晶內(nèi)。它是在陶瓷生產(chǎn)工藝過程中不可避免地形成而保留下來的。它使陶瓷密度減小，并能吸收振動能量。但它容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和形成裂紋源，使陶瓷強度降低，電擊穿能力下降，絕緣性能降低，因此要控制工業(yè)陶瓷中的氣相。一般希望盡量降低陶瓷中氣孔率，通常普通陶瓷氣孔率為5%~10%，特種陶瓷的氣孔率在5%以下，并力求氣孔呈球形，而且分布均勻。但在輕質(zhì)和保溫陶瓷中要求密度小和絕熱性好，則需要增加氣孔量，有時氣孔率高達60%。