材料科学与工程基础教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

材料科学与工程基础材料科学与工程基础The Fundamentals(Elements,Principles)of Materials Science&Engineering An Introduction to Materials Science第1页绪论Introduction材料(Materials)是国民经济物质基础。广义材料包含人们思想意识之外全部物质(substance)第2页材料无处不在，无处不有第3页材料发展过程第4页我国材料历史进程(Historical perspective)漫长而又波折历程漫长而又波折历程：石斧第5页第6页湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑第7页中国古代铁器金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄第8页古代科技名著：古代科技名著：“考工记考工记”（先秦）、（先秦）、“梦溪笔谈梦溪笔谈”（宋代沈（宋代沈 括）、括）、“天工开物天工开物”（明代宋应星）（明代宋应星）明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料发展明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料发展 停滞状态停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为当代技术三大支柱之一。解放后：材料科学受到重视和发展，被列为当代技术三大支柱之一。一整套材料体系一整套材料体系 门类全齐门类全齐 数量数量 质量质量 钢铁突破钢铁突破2 2亿吨大关亿吨大关 世界第一世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭原子弹、氢弹、人造卫星、火箭长征三号运载火箭在发射架上图片长征三号运载火箭在发射架上图片宝钢高炉宝钢高炉第9页材料分类(Classification of Materials)第10页 材料科学与工程基础是研究材料成份、组材料科学与工程基础是研究材料成份、组织结构与性能之间关系织结构与性能之间关系第11页学习方法：培养能力为主，学习知识为辅 要掌握正确思维方式，不要死记硬背 认真记好笔记，课后短时复习 抓住根本条，不钻牛角尖 考试前及早复习，不要临阵磨枪 主动参加答疑，不要闭门复习第12页第一章 材料结构Structure of Materialv材料性能取决于材料成份、加工工艺和结构。材料性能取决于材料成份、加工工艺和结构。v材料结构学是材料科学体系中最主要学科之一。材料结构学是材料科学体系中最主要学科之一。第13页第一节 结合键Binding Bond一、结协力与结合能双原子模型：d0dcAB结协力排斥力吸引力原子间距d排斥力FF吸引力d0dcAB结合能排斥能吸引能原子间距d排斥能吸引能EAB（a）（b）图11双原子作用模型第14页二、结合键离子键氯钠NaCl晶体结构Si形成四面体109金属离子金属键模型电子气共价键金属键分子键和氢键第15页三、材料键性 金属材料 金属材料结合键主要是金属键。金属特征：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好延展 性；金属光泽等。陶瓷村料 陶瓷材料是包含金属和非金属元素化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高稳定性，所以陶瓷材料通常含有极高熔点和硬度，但同时陶瓷材料脆性也很大。高分子材料 高分子材料结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成份子结合键是共价键和氢键，而分子间结合键是范德华键。尽管范德华键较弱，但因为高分子材料分子很大，所以分子间作用力也对应较大，这使得高分子材料含有很好力学性能 第16页第二节 晶体学基础 Fundamentals of crystallogphy一、晶体概念晶体特征 晶体三大特征：原子排列有序；有固定熔点；各向异性。空间点阵和晶胞caXb YZ（a）（b）（c）简单立方晶体（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞第17页二、配位数和致密度配位数 所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离原子数目。致密度若把原子看成刚性球，则原子之间必有空隙存在，可用原子刚球所占体积与晶体体积之比来表示晶体结构排列紧密程度，称为致密度或密集系数。可用下式表示：例：计算简单立方晶体致密度解：简单立方：晶格常数为a，原子半径为一个晶胞内所含原子数；所以：致密度第18页三、晶向指数和晶面指数 在晶体中，由一系列原子所组成平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中空间位向，就需要引入一个统一规则来标志它们，这种统一标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用是密勒（Miller）指数。晶向指数晶向指数确实定步骤以下：（1）以晶胞中某一阵点为原点，以三条棱边为X、Y、Z轴，并以晶胞棱边长度为单位长度；（2）假如所求晶向未经过坐标原点，过原点引一条平行于所求晶向有向直线；（3）在所引直线上取离原点最近那个原子，求出其在X、Y、Z轴上坐标；（4）将三个坐标值按百分比化为最小整数，依次记入方括号 中，即得所求晶向指数。通常以uvw表示晶向指数普遍形式，若其中某数为负值，应将负号标注在该数上方，比如 。110110111100XYZ图17立方晶系中三个主要晶向如图给出了立方晶系中一些主要晶向晶向指数。对于一个晶向指数，表示不是一个详细方向，而是全部相互平行，方向一致晶向。假如两个晶向指数数值大小相等，符号相反，则这两组晶向相互平行不过方向相反。第19页晶向族 在立方晶系中：111、111、111、111、111、111、111、111八个晶向，指是立方体中四个对角线方向。从晶体对称关系来看，这一组晶向在性质上是等同，故总称之为晶向族。原子排列情况相同，但空间位向不一样全部晶向称为晶向族，用表示，上述八个晶向即可用表示。同 理，代 表：100、010、001、100、010、001六个晶向。应该指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指数能够经过改变指数和正负号排列组合方式求出。对于其它晶系并不一定适用。第20页晶面指数 晶面指数普通表示式为（hkl），其确定步骤以下：（1）与确定晶面指数类似建立坐标系，但坐标原点应位于待定晶面之外，以防止出现零截距。（2）以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上截距。若晶面与某轴平行，则认为该晶面在该轴上截距为无穷大，其倒数为零。（3）取截距倒数，将其化为最小整数，置于圆括号内，写成（hkl）形式，即得晶面指数。如图给出了一些立方晶系中一些主要晶面晶面指数。XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中三种主要晶面 与晶向指数类似，假如有截距为负值，应将负号记在对应指数上面。晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平行晶面。当两个晶面指数数字和次序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。第21页晶面族在同一晶体结构中，有些晶面上原子排列和晶面间距完全相同，但含有不一样空间位向，这些晶面均归并为一个晶面族，用表示。比如，在立方晶系中：100包含（100）,（010）,（001）110包含（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011）111包含（111）,（111）,（111）,（111）晶面族不但包含了相互平行一组晶面，而且也包含了位向不一样，但晶面间距相等、原子排列相同若干组平行晶面。在立方晶系中，hkl晶面族所包含晶面可用改变h、k、l正负号及数字排列组合来求得。不过这种方法不适合用于其它晶系。第22页晶面指数几何意义XYZNO晶面指数与晶面位向间关系ABCD即：从立体几何可知，在正交晶系中：所以，只要晶面指数一旦确定，晶面位向即可求得。所以，晶面（hkl）法线矢量为：即晶面（hkl）法线与晶向hkl方向平行，这就是晶面指数几何意义。如图：ON为晶面（hkl）法线，ON与该晶面交于D点；OA、OB、OC分别为（hkl）在X、Y、Z轴上截距；ON与X、Y、Z轴之间夹角分别为、；cos、cos、cos就是法线ON方向余弦。立方点阵中晶胞三个基矢相等，设其为a，则依据晶面指数确实定方法可知：第23页晶带 平行或相交于同一直线一组晶面组成一个晶带。这一组晶面叫做共带面，而该直线（用晶向指数表示）叫做晶带轴。同一晶带中各晶面法线均与晶带轴垂直。在立方晶系中，晶向指数与晶面指数数字和次序相同时，该晶向垂直于该晶面，则有hkl(hkl)，就是说该晶向即为该晶面法线。若晶带轴指数为uvw，由矢量代数能够证实，该晶带轴中任一晶面（hkl）与晶带轴指数间含有以下关系：该式又称为晶带方程。第24页第三节 金属及合金结构特点Structure Characteristic of Metal&Alloy 一、常见纯金属晶格类型 体心立方晶格：记为BCC（a）（b）（c）体心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数属于这种晶格类型金属有-Fe、Cr、W、Mo、V等 致密度：晶格常数为a，原子半径为；所以：致密度 配位数为8第25页面心立方晶格：记为FCC 属于这种晶格类型金属有Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。（a）（b）（c）面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数配位数12；致密度0.74第26页密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体侧面和两个呈六边形底面所组成，如图所表示。属于这种晶格类型金属有Mg、Zn、Be、Cd等。（a）（b）（c）密排六方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）第27页晶胞中间隙 由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量间隙。比如，对于体心立方，致密度k0.68，说明仅有68体积被原子占有，存在32间隙。这些间隙对金属性能，合金相结构，扩散以及相变等都有主要影响。从几何形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)体心立方结构中间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙第28页 面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图所表示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙 金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)面心立方结构中间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙第29页原子堆垛方式 前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格致密度与配位数完全一致，均属于最密排列晶格，不过晶格类型却不一样，为了搞清这个问题，就需要了解原子堆垛方式。面心立方结构原子堆垛方式密排六方原子堆垛方式A层B层C层第30页A层B层C层 面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式第31页二、实际金属晶体结构单晶体与多晶体 晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致晶体，称为单晶体单晶体。在实际应用中金属材料中较少用单晶体金属，工程上使用金属材料，几乎都是多晶体材料。通常使用金属都是由很多小晶体组成，这些小晶体内部晶格位向是均匀一致，而它们之间，晶格位向却彼此不一样，这些外形不规则颗粒状小晶体称为晶粒晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间界面称为晶界晶界。这种由许多晶粒组成晶体称为多晶体多晶体。第32页点缺点 点缺点是指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小（相当于原子尺寸）一个缺点。晶体点缺点主要包含三种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子，如图所表示。晶体中点缺点空位；间隙原子；置换原子第33页线缺点 线缺点是指在三维空间中两维方向尺寸较小，在另一维方向尺寸相对较大缺点，所以又称为一维缺点。晶体中最普通线缺点就是位错。位错是晶格中某处有一列或若干列原子发生了一些有规律错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成，依据局部滑移方式不一样，能够形成不一样类型位错，最简单、最基本类型有刃型位错刃型位错和螺型位错螺型位错两种，由它们组合能够组成混合位错和不全位错等线缺点。第34页刃型位错（a)立体模型 （b）平面图 刃型位错示意图GHEF晶体局部滑移造成刃型位错第35页位错运动示意位错运动示意第36页螺型位错CBAD(b)（a）立体模型；（b）平面图螺型位错示意图ABCD(a)第37页螺型位错示意图第38页螺型位错示意图第39页柏氏矢量 柏氏矢量是描述位错几何特征最主要参数之一。柏氏矢量由柏氏回路确定。bl第40页lb柏氏矢量物理意义：柏氏矢量代表晶体滑移方向。第41页面缺点 晶体中面缺点是指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面状分布缺点。这类缺点主要是晶粒边界和亚晶界。晶界 晶界是两相邻晶粒间过渡界面。因为相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处原子排列与晶内不一样，它们因同时受到相邻两侧晶粒不一样位向综合影响，而做无规则排列或近似于二者取向折衷位置排列，这就形成了晶体中主要面缺点。晶界是晶体中一个主要缺点。因为晶界上原子排列不规则，脱离平衡位置，所以晶界含有较高能量，使其含有一系列不一样于晶粒内部特征。比如，晶界比晶粒轻易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快；在常温下晶界对金属塑性变形起妨碍作用。所以，金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强度愈高。亚晶界 试验表明，在实际金属一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异小晶块（位向差普通不超出2），如图127所表示。这些小晶块称为亚结构，。亚结构之间界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列位错所组成。亚晶界上原子排列也不规则，含有较高能量，与晶界类似特征，故细化亚结构，可显著提升金属强度。第42页晶界示意图亚晶界示意图第43页固溶体 固溶体是指固态下以某一合金组元为溶剂，在其晶格中溶入其它组元原子（溶质）后形成一个合金相，其特点是固溶体含有溶剂组元晶格类型。置换固溶体溶剂原子溶质原子置换固溶体示意图固溶体中溶质原子引发晶格畸变示意图（a）正畸变（b）负畸变(a)(b)第44页 间隙固溶体 当溶质与溶剂原子半径比值rb/ra0.59时，形成间隙固溶体。溶质原子填充到溶剂晶格间隙中形成间隙固溶体，如图所表示。形成间隙固溶体溶质原子通常都是一些原子半径小非金属元素，如氢（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶剂则大多数是过渡族元素。溶剂原子溶质原子间隙固溶体示意图第45页金属间化合物 在合金中，溶质原子浓度超出固溶体固溶极限时，将会形成一个晶格结构，特征完全不一样任一组元新相，因其含有金属性质，称之为金属间化合物。因为它们常处于相图中间位置，所以又被称为中间相。中间相分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种。正常价化合物 正常价化合物就是符合原子价规律，受电负性控制一个金属化合物。如MnS、MgS、Mg2Si 等。正常价化合物熔点，硬度及脆性均较高。电子化合物 电子化合物通常是IB族或过渡族元素与B、A、A和A族元素所组成，它们不恪守化合价规律而是按照一定电子浓度比值形成金属间化合物。电子浓度不一样，晶体结构类型也不一样。第46页 间隙相 间隙相含有比较简单晶体结构，如面心立方、密排六方和简单六方等。金属占据晶格中正常结点位置，而非金属位于晶格间隙之中。间隙化合物 间隙化合物主要是过渡族元素和碳原子所形成碳化物。在合金钢中常见主要是M3C型（如F3C），M7C3型（如Cr7C3）等。间隙化合物晶体结构都很复杂，部分金属元素往往会被另外一个或几个元素所置换，而形成更为复杂化合物，如(Fe、Mn)3C等。V原子C原子 (a)(b)间隙相和间隙化合物晶体结构（a）间隙相VC （b）间隙化合物第47页第四节第四节 高分子材料结构特点高分子材料结构特点 Polymer Structures一、高分子材料概述一、高分子材料概述高分子含义 高分子化合物是经惯用到和见到各种塑料、橡胶、纤维等非金属材料总称。所谓高分子是是指分子量尤其大有机化合物，是由一个或者各种单体，经过聚合反应形成相对分子质量很大化合物，它是相对于低分子而言。普通地说，低分子化合物没有什么强度和弹性，而高分子化合物则含有一定强度和弹性。高分子组成 由一个或几个简单低分子有机化合物结以重复方式连接而成，就像一根链条由众多链环连接在一起一样。大分子链中重复结构单元称之为“链节”。组成大分子链时，链节数目（n）叫做聚合度。聚合度和高分子分子量有以下关系：M=mn M-高分子分子量 n-高分子聚合度 m-链节分子量第48页高分子基本特点 高分子含有和低分子截然不一样结构特征：（1）大分子可分割性：低分子物质分子不能用普通机械方法把它分开。假如把它分开，它就改变性质（即分解）成另外物质。高分子则不然，因为它分子很大。一个分子量很大分子用外力把它拉断或切开，变成两个分子后，高分子化合物性质普通没有显著改变。高分子结构这种特征称为可分割性。（2）含有弹性：高分子化合物在外力作用下轻易发生变形，当外力解除，这种变形就能够恢复到原状。（3）含有可塑性：高分子化合物受热以后先是经过一个较长软化过程，而后才能变为可流动液体。因为高分子化合物是由很长大分子链所组成，当链某一部分受热时，这一部分链运动能量增加，但因为大分子链不易传热，所以，除了这一部分受热外，链其它部分则受热不多，这些部分运动能量就不大。只有经过一个较长时间和温度间隔，分子链受热部分不停扩大，整个大分子链才会变软。总之，高分子化合物不可能一下子到达由固体状态变为液体状态。这是高分子化合物含有可塑性原因。（4）含有绝缘性：高分子化合物对电、热、声含有良好绝缘性能。从结构上看这是因为高分子化合物大都是有机化合物，分子中化学键都是共价键，不能电离，所以不能传递电子，又因为大分子呈蜷曲状态，相互纠缠在一起，在受热，受声作用之后，分子不易振动起来，因而它对热、声也含有绝缘性。第49页二、大分子链分子量及其分布二、大分子链分子量及其分布高聚物分子量多分散性高聚物分子量有两个特点，一是分子量很大，二是分子量多分散性。对于低分子化合物而言，每种分子都有确定分子量，分子大小一样，所以都有固定分子量。而绝大多数高分子聚合物都是分子量不等同系物混合物。比如通常所说分子量10万聚乙烯，可能是由分子量2万20万大小不一样聚乙烯分子组成，这种现象称为分子量多分散性多分散性。高聚物材料是数量众多大分子链聚集体，因为大分子链长短不一样，每根大分子链分子量也不一样。高聚物分子量用“平均平均分子量分子量”表示，高聚物分子量不是一个确定值，而是一个数值范围。依据统计平均方法不一样，其分子量表示也不一样。假如按高聚物中各级分分子数平均叫“数均分子量数均分子量”，以表示；假如按高聚物中各级分重量平均，得到是“重均分子量重均分子量”，用表示。另外还有粘均分子量和Z均分子量等。第50页惯用统计平均分子量表示数均分子量按分子数统计平均，定义为：式中：Mi：第i组分子单分子质量；Ni：第i组分子分子数。重均分子量按重量统计平均，定义为：式中：Wi：第i组分子总质量。第51页分子量分布若要确切地描绘高聚物试样分子量，除了给出分子量统计平均值外，还应给出试样分子量分布，最理想是能知道该试样分子量分布曲线。如图所表示为高聚物分子量分布，它表示该高聚物中含有各种分子量大分子链重量是不一样。高聚物重量W分子量M高聚物分子量分布及重均分子量第52页三、大分子链组成和结构三、大分子链组成和结构组成大分子链元素（1）碳链聚合物 主链由碳原子一个元素组成。其主链结构以下：CCCCCC乙烯基聚合物就是属于碳链聚合物一个。其链节结构以下：其中，R叫做官能团或侧基，官能团不一样，得到聚合物也不一样。如R换为Cl，得到氯乙烯；R换为OH（羟基），得到乙烯醇；R换为CH3，得到丙烯。HHCCHR第53页（2）杂链聚合物 主链除碳外，还有其它元素。如：CCOCCCHCCCSC聚酯就是一个经典杂链聚合物，其特征是在碳主链中嵌入一个酯键：OCO（3）元素有机聚合物 主链由氧和其它元素组成，如：OSiOSiO在大分子链中常见C、H、O、N等元素都是原子量较小轻元素。这就决定了高聚物材料比重较小（普通只有0.92.0），只有钢铁1/41/7。第54页高分子链结构单元键接方式和构型 大分子链形成后，由共价键固定链内原子和原子团几何排列即固定不变。任何大分子链都是由链节按一定方式连接而成。键键接接方方式式：结构单元在链中连接方式和次序决定于单体及合成反应性质。空空间间构构型型：高分子中结构单元由化学键所固定原子在空间几何排列称为分子链构构型型。即使分子链组成相同，但因为取代基位置不一样，也可有不一样立体构型。如乙烯类高分子链普通有以下三种立体构型：1）全同立构取代基R全部处于主链同一侧。2）间同立构取代基R相间地分布在主链两侧。3）无规立构取代基R在主链两侧作不规则分布。第55页高分子链构象及柔顺性（1）高分子链构象 单键内旋转 因为单键内旋转所引发原子在空间占据不一样位置所组成分子链各种形象，称为高分子链构象。（2）高分子链柔顺性由构象改变取得不一样卷曲程度特征，称为高分子链柔顺性。高分子链柔顺性与单键内旋转难易程度相关。C1109o28，C2C3C4碳链CC键内旋转示意图伸展链无规线团链折叠链螺旋链单个大分子链几个构象示意图第56页高分子链几何形状因为聚合反应复杂性，在合成聚合物过程中，能够发生各种各样反应形式，所以高分子链也会展现出各种不一样形态。普通说来，高分子链几何形状有以下三种：（1）线线型型高高分分子子：由许多链节组成长链，通常是卷曲成线团状。这类高聚物特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性高聚物。这类材料加热后软化，冷却后又硬化成型，随温度改变能够重复进行。聚乙烯、聚氯乙烯等烯类聚合物都属于经典热塑性高聚物热塑性高聚物。（2）支链型高分子在主链上带有支链。这类高聚物性能和加工都靠近于线型高分子，也属于热塑性高聚物热塑性高聚物。（3）体型(网状)高分子分子链之间有许多链节相互交联，呈三维网状结构。这类高聚物硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热热固性高聚物固性高聚物。这类材料受热发生化学改变而固化成型，成型后再受热也不会软化变形，如酚醛树脂、环氧树脂等。第57页三、高分子材料聚集态结构三、高分子材料聚集态结构 组成物质分子聚集在一起状态称为物质聚集态。普通物质聚集态可分为气体、液体和固体。高分子聚集态结构，是指高分子材料内部高分子链之间几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构，它是在高分子材料加工成型过程中形成。高分子链之间以范德瓦尔斯键或氢键结合，键虽弱，但因分子链很长，故链间总作用力为各链节作用力与聚合度之积，因而大大超出链内共价键。显然，高分子聚集态结构与高分子材料性能有着直接关系。第58页第五节 无机非金属材料结构特点Structures of Inorganic Nonmetallic Materials(Ceramics)陶瓷是由金属和非金属无机化合物所组成多晶多相固体物质，它实际上是各种无机非金属材料统称。传统上“陶瓷”是陶器与瓷器总称。以后，发展到泛指整个硅酸盐材料，包含玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。第59页一、陶瓷材料结构特点一、陶瓷材料结构特点 陶瓷材料在热和化学环境中比它们组元更稳定，通常比对应金属或聚合物更硬。陶瓷和金属类似，含有晶体结构，但与金属不一样是其结构中并没有大量自由电子。这是因为陶瓷是以离子键或共价键为主离子晶体(如MgO、Al2O3等)或共价晶体(如SiC、Si3N4等)。在室温下，陶瓷材料经典组织是由晶体相、玻璃相和气相组成。二、陶瓷晶体相二、陶瓷晶体相晶体相是组成陶瓷基本相，也称主晶相。它往往决定着陶瓷力学、物理、化学性能。比如由离子键结合氧化铝晶体组成刚玉陶瓷，含有机械强度高、耐高温及抗腐蚀等优良性能。氧化物结构和硅酸盐结构是陶瓷晶体中最主要两类结构。它们共同特点是：结合键主要是离子键，或含有一定百分比共价键；有确定成份，能够用准确分子式表示。第60页氧化物结构 氧化物结构特点是较大氧离子紧密排列成晶体结构，较小正离子填充在它们空隙内。依据正离子所占空隙位置和数量不一样，形成各种不一样结构氧化物，以下表所表示。结构类型晶体结构陶瓷中主要化合物AX型面心立方碱土金属氧化物MgO、BaO等，碱金属卤化物，碱土金属硫化物AX2型面心立方CaF2(萤石)、ThO2、VO2等简单四方TiO2(金红石)、SiO2(高温方石英)等A2X3型菱形晶体-Al2O3(刚玉)ABX3型简单立方CaTiO3(钙钛矿)、BaTiO3等菱形晶系FeTiO3(钛铁矿)、LiNbO3等AB2X4型面心立方MgAl2O4(尖晶石)等100各种第61页硅酸盐结构 硅酸盐材料在自然界中大量存在，约占已知矿物三分之一。许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，其次则是因为它们具有在工程上有用某些独特征能。普通水泥是人们最熟悉硅酸盐，它最明显优势是能将岩石骨料结合成整块材料。（1）硅酸盐四面体单元 O2Si4+硅氧四面体结构第62页（2）硅酸盐结构分类 硅氧四面体四个顶点均分布有O2-，所以它能与周围其它阳离子或另一个硅氧四面体连接起来。当整个硅氧四面体连接时因为O2-排斥作用，使得各顶点只能以共有形式相连接。但一个顶点最多只能两个四面体共有，连接方式不一样，硅酸盐化合物形式也就不一样。硅酸盐含有以下结构特点：结构中Si4+间没有直接键，而它们是经过O2连接起来。结构是以硅氧四面体为基础。每一个O2只能连接2个硅氧四面体。硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面连接。第63页陶瓷晶体相中缺点 陶瓷材料是多晶体，同金属一样，有晶粒、晶界，有亚晶粒、亚晶界。在一个晶粒内，也有线缺点（位错）和点缺点（空位和间隙原子），这些晶体缺点作用亦类同金属晶体中缺点。假如陶瓷晶粒细小，晶界总面积大，则陶瓷材料强度大；空位和间隙原子可加速陶瓷工艺过程中烧结时扩散，而且也影响物理性能。不过，陶瓷晶体中位错，却不像金属中位错对变形和强化起着那样主要作用，因为陶瓷晶体晶格常数比合金晶格常数大得多，而且结构复杂，位错运动极为困难，同时还极难产生新位错。所以陶瓷在常温下几乎没有塑性变形能力，即脆性大。第64页三、玻璃相三、玻璃相 陶瓷制品，在烧结过程中，有些物质，如作为主要原料SiO2已处于熔化状态。但在熔点附近，SiO2粘度很高，原子迁移困难，所以当液态SiO2冷却到熔点以下时，原子不能排列成长为有序（晶体）状态，而形成过冷液体。当过冷液体继续冷却到玻璃化转变温度Tg时，则凝固为非晶态玻璃相。所以，玻璃相就是陶瓷高温烧结时各组成物和杂质产生一系列物理、化学反应后形成一个非晶态物质。它结构是由离子多面体（如硅氧四面体）组成短程有序排列空间网络。玻璃相在陶瓷组织中作用是：粘结分散晶体相，降低烧结温度，抑制晶粒长大和填充气孔使陶瓷致密等。玻璃相熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下轻易产生蠕变，从而降低高温下强度。另外，因为玻璃相结构疏松，空隙中常有金属离子填充，因而降低了陶瓷电绝缘性，增加介电损耗。所以工业陶瓷必须控制玻璃相含量，普通为2040，特殊情况下可达60。第65页四、气相四、气相气相是指陶瓷孔隙中气体即气孔，是在陶瓷生产过程中形成，并被保留下来。陶瓷中气孔有开放气孔和封闭气孔两种。气孔对陶瓷性能有显著影响。假如是表面开口，会使陶瓷质量下降。假如存在于陶瓷内部（闭孔），不易被发觉，这经常是产生裂纹原因，使陶瓷性能大幅下降，如组织致密性下降，应力集中，脆性增加，介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低等等。所以生产上要控制气孔数量、大小及分布。陶瓷材料气孔量用气孔相对体积（气孔率）来表示，它是衡量陶瓷材料质量主要标志。开放气孔和封闭气孔在材料中总相对体积称为真气孔率；开放气孔相对体积称为显气孔率。普通陶瓷气孔率为510，特种陶瓷在5以下，金属陶瓷要求在0.5以下。若要求陶瓷材料密度下，绝缘性好时，则希望有一定量气相存在。第66页