陶瓷成分及性能

陶瓷组成及性能陶瓷的原子和分子性质材料及其在工业应用中的特性和性能。

工业陶瓷通常被理解为所有工业上使用的无机非金属固体材料。通常都是金属氧化物(即，化合物由金属元素和氧组成)，但许多陶瓷(特别是高级陶瓷)是金属元素和碳、氮或硫的化合物。在原子结构上，它们通常是结晶的，尽管它们也可能包含玻璃相和结晶相的组合。这些结构和化学成分虽然各不相同，但却形成了公认的具有持久用途的类似陶瓷的特性，包括:尽管易碎，但仍有很强的机械强度;抗氧、水、酸、碱、盐和有机溶剂恶化影响的化学耐久性;硬度，有助于抵抗磨损;热导率和导电性明显低于金属;还有一种装饰的能力。

本文论述了陶瓷的性能与其化学性质和结构性质之间的关系。然而，在尝试进行这样的描述之前，必须指出，上面概述的几个定义性特征也有例外。在化学作文例如，金刚石和石墨是两种不同形式的碳，它们被认为是陶瓷，尽管它们不是由无机化合物组成的。对于陶瓷的固有特性，也有例外。回到钻石的例子，这种材料虽然被认为是陶瓷，但导热系数比铜高——这是珠宝商使用的特性区分介于真钻石和仿品之间，如立方氧化锆(一种单晶形式的二氧化锆)。事实上，许多陶瓷都具有很强的导电性。例如，一种多晶(多粒)氧化锆由于其离子导电性而被用作汽车发动机中的氧传感器。此外，氧化铜基陶瓷已被证明具有超导性能。即使是众所周知的陶瓷脆性也有其例外。例如，含有干扰裂纹的晶须、纤维或微粒的某些复合陶瓷传播显示出与金属相媲美的容错性和韧性。

然而，尽管有这些例外，陶瓷通常表现出硬度、耐火度(高熔点)、低导电性和脆性的特性。这些特性与材料中发现的某些类型的化学键和晶体结构密切相关。化学成键和晶体结构依次解决下面。

化学键

在陶瓷中发现的许多特性的基础是将原子连接在一起并形成陶瓷材料的牢固的初级化学键。这些化学键有两种类型离子从性质上讲，是指从正电原子转移成键电子的过程(阳离子)到电负性原子(阴离子)，或者它们在性质上是共价的，涉及到轨道共用电子之间组成原子或离子。共价键在本质上是高度定向的，通常规定了可能的晶体结构类型。另一方面，离子键是完全无方向性的。这种无方向性的性质允许硬球排列的离子进入各种晶体结构，有两个限制。第一个限制涉及到阴离子和阳离子的相对大小。阴离子通常较大且紧密排列，如在金属中发现的面心立方(fcc)或六边形紧密排列(hcp)晶体结构。(这些金属晶体结构在图1)。另一方面，阳离子通常更小，在阴离子之间的晶格中占据间隙或空间。

第二个限制离子结合原子所能采用的晶体结构类型是基于一个物理定律——晶体必须保持电中性。这电中性定律结果形成非常特定的化学计量，即，特定的正离子和阴离子的比例，保持正电荷和负电荷之间的净平衡。事实上，阴离子围绕着阳离子，阳离子围绕着阴离子，以消除局部电荷不平衡。这种现象被称为协调．

在陶瓷材料中发现的大多数主要化学键实际上是离子键和共价键的混合物。阴离子和正离子之间的电负性差越大(即接受或捐赠电子的电位差越大)，成键越接近离子(即电子越容易转移，形成带正电的阳离子和带负电的阴离子)。相反在美国，电负性的微小差异会导致电子共享，就像共价键中发现的那样。

二级键在某些陶瓷中也很重要。例如，在单晶形式的碳金刚石中，所有的键都是初级的，但在石墨中，一种多晶形式的碳，在晶粒薄片中有初级键和次级键在床单之间．相对较弱的次级键使石墨薄片能够相互滑动，从而使石墨具有众所周知的润滑性。正是陶瓷中的主要键使它们成为已知的最坚固、最坚硬和最耐火的材料之一。

晶体结构

水晶结构也决定了陶瓷的许多性能。在图2A到2D的代表性晶体结构显示，说明了许多独特的陶瓷材料的特点。离子的每一个集合显示在一个整体框，描述单胞这个结构。通过将单元细胞向任何方向反复移动，并在每个新位置反复沉积离子模式，就可以形成任何尺寸的晶体。在第一个结构中(图2一个)所示材料是镁(MgO)，虽然结构本身被称为岩盐因为共同的食盐(氯化钠，NaCl)具有相同的结构。在岩盐结构各离子被六个电荷相反的近邻所包围(例如，中心的Mg^{2 +}阳离子，被O包围²⁻阴离子)。这种非常有效的封装允许局部中和电荷，并使稳定的结合。在这种结构中结晶的氧化物往往具有相对较高的熔点。(例如，镁是耐火陶瓷的常见成分。)

第二种结构(图2 b)称为萤石之后，矿物质氟化钙(CaF₂)，具有这种结构——尽管图中显示的物质是天王星(二氧化铀, UO₂)．在这种结构中，氧阴离子只与四个阳离子成键。具有这种结构的氧化物以容易形成氧空位而闻名。在氧化锆(二氧化锆，ZrO₂)，亦具有此结构，因而可形成大量空位兴奋剂，或者小心地将不同元素的离子插入组合物中。这些空位在高温下变得可移动，赋予材料氧离子导电性，使其在某些电气应用中有用。萤石结构也显示出相当大的开放空间，特别是在单位胞的中心。在铀中，用作燃料元素核反应堆据信，这种开放性有助于容纳裂变产物，减少不必要的膨胀。

第三种结构(图2 c)称为钙钛矿．在大多数情况下，钙钛矿的结构是立方的，也就是说，单位细胞的所有面都是相同的。然而,在钛酸钡(BaTiO_3.)，如图所示，即中央Ti^{4 +}阳离子可以是诱导偏离中心移动，导致非立方对称和电偶极子或者正负电荷朝向结构的两端排列。这个偶极子是钛酸钡铁电特性的原因，其中邻近偶极子的畴在同一方向上排列。钙钛矿材料的巨大介电常数是许多陶瓷电容器器件的基础。

钙钛矿陶瓷中发现的非立方变化引入了的概念各向异性即:这是一种在各个方向上都不相同的离子排列。在严重各向异性的材料中，其性质可能有很大的变化。这些案例由氧化钇钡铜(氧;化学公式YBa₂铜_3.O₇)，见图2 d．YBCO是一种超导陶瓷;也就是说，它失去了对电流在极低温度下。它的结构由三个立方体组成，钇或钡在中心，铜在四角，氧在每个边缘的中间——除了中间的立方体，它的外缘有氧空位。该结构的关键特征是存在两层铜氧离子，位于氧空位的上方和下方，沿其发生超导体。垂直于这些薄片的电子输运是不利的，使得YBCO结构严重各向异性。(制造能够通过大电流的晶体YBCO陶瓷的挑战之一是使所有的晶粒以这样一种方式排列，使它们的铜-氧薄片排列整齐。)