陶瓷材料科学与工程

本书全面介绍了与陶瓷材料科学与工程有关的基础知识与专业知识，主要内容涵盖陶瓷概论、陶瓷结构基础、陶瓷晶体结构、熔体与玻璃体、陶瓷晶体缺陷、陶瓷粉体的悬浮系统、陶瓷相图、固体扩散、陶瓷相变、固相反应、陶瓷烧结，以及陶瓷的力学性能、热学性能、导电性能、磁性能、光学性能、敏感特性等。还系统介绍了结构陶瓷、功能陶瓷和传统陶瓷的组成、结构、性能及其与制备工艺之间的联系，以及它们在各个领域中的诸多应用。
全书突出科学性、前瞻性，同时兼顾实用性。本书可供从事功能陶瓷材料应用与研究、元器件生产开发的科技人员参考，也可作为高等学校先进陶瓷材料、无机非金属材料和新材料等专业的教学参考书或教材。

陶瓷材料是材料领域研究最为活跃、发展最为迅速、应用最为广泛的分支之一，它承载着古老的中华文明，成为国民经济和人民生活中不可缺少的重要组成部分。近年来，计算机、通信、信息、新能源、生物、空间等现代技术的迅速发展对陶瓷材料提出越来越高的要求，出现了如高温陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、超导陶瓷等诸多新型陶瓷材料，并朝着复合化、多功能化、低维化、智能化方向发展。随着新型结构陶瓷和功能陶瓷的迅猛发展，陶瓷材料的研究和应用将进入一个崭新的发展时期，将会有更多的新型陶瓷材料在国防、机械、冶金、化工、建筑、电子、生物等行业或领域获得推广与应用。
自从我国高校专业改革以来，各个学校的材料相关专业几乎都将原有的细分专业进行了整合与拓宽，如在原来金属材料专业的基础上增加无机非金属材料方向课程等。为了有效地让读者和学生全面了解陶瓷材料，在较短的时间内掌握更多的陶瓷知识，本书综合了陶瓷材料科学与工程的基础内容，系统地将陶瓷材料的相关知识点进行了呈现。
全书根据材料科学与工程专业的教学计划和特点，依照科学性、先进性和系统性的原则，综合了国内现有教材和技术书籍的有益内容，吸收了国内外陶瓷材料科学的新技术和新成果，并结合编著者多年来的教学与长期实践经验编写了本书。本书内容主要包括两个方面。一方面是陶瓷的基础理论知识，全面地介绍了陶瓷的晶体结构、晶体缺陷理论、熔体与玻璃体、陶瓷粉体的悬浮系统、陶瓷相图以及扩散、相变、固相反应和烧结等动力学理论。另一方面，以陶瓷的力学、热学、电学、磁学、光学及半导体等性能为主线，系统地介绍了结构陶瓷、功能陶瓷和传统陶瓷的组成、结构、性能及其与制备工艺之间的联系，以及在各个领域中的应用等。
本书在编写时还重点介绍了陶瓷材料领域基础知识与专业知识的应用，同时兼顾了与人们日常生活密切相关的传统陶瓷方面的相关内容，这也是本书的重要特色。本书由多位作者合作完成，分工各有侧重。其中，第1、20、21章由赵敬忠教授编写，第2~11章由任鹏荣教授编写，第12~14章由宫溢超副教授编写，第15~19章由汤玉斐教授编写。任帅博士参与部分前期工作，提出了许多建设性的修改意见。本书由赵敬忠教授进行统稿，汤玉斐教授对全书进行了校对。本书可以作为材料类专业的教材，对于相关专业研究生和工程技术人员而言，也具有重要的参考价值。
由于编著者水平有限，加之陶瓷材料的前沿研究领域日新月异，书中不妥之处在所难免，恳请广大读者和专家批评和指正。

编著者
2024年5月

第1章陶瓷概论 001
1.1陶瓷的概念与分类 001
1.1.1陶瓷的概念 001
1.1.2陶瓷的分类 001
1.2陶瓷的制备工艺概述 003
1.2.1原料与坯料制备 003
1.2.2陶瓷成型 005
1.2.3陶瓷烧结 007

第2章陶瓷结构基础 009
2.1原子结构 009
2.1.1原子的电子结构 009
2.1.2原子半径 010
2.1.3电负性 011
2.2化学键 011
2.2.1离子键 011
2.2.2共价键 012
2.2.3混合键 012
2.3离子晶体的结构与性质 015
2.3.1晶格能 015
2.3.2配位数与配位多面体 017
2.3.3离子的极化 017
2.3.4鲍林规则 019

第3章陶瓷晶体结构 021
3.1二元化合物结构 021
3.1.1MX结构 021
3.1.2MX2与M2X结构 024
3.1.3M2X3结构 026
3.2典型多元化合物结构 027
3.2.1钙钛矿型结构 027
3.2.2尖晶石型结构 028
3.2.3橄榄石型结构 029
3.3硅酸盐结构 030
3.3.1岛状 031
3.3.2组群状 031
3.3.3链状 032
3.3.4层状 033
3.3.5架状 037

第4章熔体与玻璃体 040
4.1非晶体 040
4.2熔体的结构与性质 041
4.2.1熔体的结构 041
4.2.2熔体的性质 042
4.3玻璃的通性与结构 046
4.3.1玻璃的通性 046
4.3.2玻璃的结构 047
4.4玻璃的性质 048
4.4.1光学性质 048
4.4.2力学性质 049
4.4.3热学性质 049
4.4.4电学性质 049

第5章陶瓷晶体缺陷 050
5.1点缺陷 050
5.1.1点缺陷的分类 050
5.1.2点缺陷符号 051
5.1.3点缺陷反应式 052
5.2固溶体 054
5.2.1固溶体的分类 055
5.2.2置换固溶体 055
5.2.3间隙固溶体 056
5.2.4固溶体的性质 057
5.2.5固溶体的研究方法 060
5.3非化学计量化合物 063
5.3.1非化学计量化合物的形成 063
5.3.2非化学计量化合物的分类 063

第6章陶瓷粉体的悬浮系统 066
6.1黏土-水系统胶体化学 066
6.1.1黏土的带电性 067
6.1.2黏土的离子吸附和交换 068
6.1.3黏土胶体的电动性质 069
6.1.4黏土-水系统的胶体性质 071
6.2非黏土分散系统 076
6.2.1非黏土泥浆体的悬浮 076
6.2.2瘠性料的塑化 078

第7章陶瓷相图 080
7.1相平衡与相图 080
7.1.1基本概念 080
7.1.2相平衡 084
7.2单元系统相图 085
7.2.1水的相图 085
7.2.2具有同质多晶转变的单元系统相图 086
7.2.3单元系统相图的应用 087
7.3二元系统相图 090
7.3.1二元系统相图的基本类型 091
7.3.2二元系统相图应用 097
7.4三元系统相图 100
7.4.1三元系统组成表示法 100
7.4.2判断三元系统相图的几条重要规则 100
7.4.3三元系统相图的基本类型 102
7.4.4三元系统相图应用 109

第8章固体扩散 114
8.1固体中质点扩散的特点与唯象理论 114
8.1.1固体中质点扩散的特点 114
8.1.2菲克定律 115
8.2扩散机制和扩散系数 116
8.2.1扩散的微观机制 116
8.2.2扩散系数 117
8.3固体中的扩散 118
8.3.1离子型晶体中的扩散 118
8.3.2共价晶体中的扩散 119
8.3.3非化学计量化合物中的扩散 119
8.4影响扩散的因素 122
8.4.1晶体组成的复杂性 122
8.4.2化学键的影响 122
8.4.3结构缺陷的影响 123
8.4.4温度的影响 123
8.4.5杂质的影响 124
8.4.6过饱和空位及位错的影响 125

第9章陶瓷相变 126
9.1相变的分类 126
9.1.1按热力学分类的陶瓷相变 126
9.1.2按结构变化分类的陶瓷相变 128
9.1.3按质点迁移特征分类的陶瓷相变 129
9.1.4按动力学分类的陶瓷相变 129
9.2固态相变 129
9.2.1固态相变的特点 129
9.2.2陶瓷的马氏体转变 130
9.2.3扩散型固态相变 131
9.3相变过程热力学 132
9.3.1相变过程的不平衡状态及亚稳区 132
9.3.2相变过程推动力 133
9.4相变过程动力学 135
9.4.1晶核形成过程动力学 135
9.4.2晶体生长动力学 137
9.4.3总结晶率 138
9.4.4析晶过程 140
9.4.5影响析晶能力的因素 141

第10章固相反应 142
10.1固相反应的类型 142
10.2固相反应的特点 143
10.3固相反应的机理 143
10.4固相反应动力学 144
10.4.1一般动力学关系 144
10.4.2化学反应控制的反应动力学 146
10.4.3扩散控制的反应动力学 147
10.5影响固相反应的因素 151
10.5.1反应物化学组成与结构 151
10.5.2反应物颗粒尺寸及分布 152
10.5.3反应温度、压力与气氛 153
10.5.4矿化剂及其他影响因素 153

第11章陶瓷烧结 154
11.1烧结推动力及烧结模型 154
11.1.1烧结过程 154
11.1.2烧结推动力 155
11.1.3烧结模型 155
11.2烧结机制 157
11.2.1蒸发-凝聚传质 157
11.2.2溶解-沉淀传质 157
11.2.3流动传质 158
11.2.4扩散传质 159
11.3晶粒生长与二次再结晶 160
11.3.1晶粒生长 160
11.3.2初次再结晶 164
11.3.3二次再结晶 165
11.4影响烧结的因素 167
11.4.1原始粉料的粒度 167
11.4.2物料活性 167
11.4.3外加剂 167
11.4.4其他因素 168

第12章陶瓷的力学性能 171
12.1陶瓷的弹性 171
12.1.1陶瓷的弹性变形与弹性模量 171
12.1.2显微结构对弹性模量的影响 172
12.2陶瓷材料的硬度 173
12.2.1陶瓷的硬度 174
12.2.2高温硬度 174
12.2.3硬度与其他性能之间的关系 175
12.3陶瓷材料的强度 175
12.3.1陶瓷的强度理论 176
12.3.2影响强度的因素 177
12.3.3温度对强度的影响 179
12.4陶瓷材料的塑性变形和蠕变 180
12.4.1陶瓷材料的塑性变形行为 181
12.4.2陶瓷材料的蠕变 183
12.5陶瓷材料的脆性 185
12.6陶瓷材料的疲劳特性 188
12.7陶瓷材料的强韧化 190
12.7.1相变增韧 190
12.7.2微裂纹增韧 191
12.7.3裂纹偏转和桥联增韧 192
12.7.4晶须 纤维增韧 192
12.7.5畴转和孪晶增韧 193
12.7.6自增韧 193

第13章陶瓷的热学性能 194
13.1陶瓷热学性能的一般表征 194
13.1.1比热容 194
13.1.2热膨胀系数 195
13.1.3热导率 198
13.2热应力 201
13.3抗热震性 202
13.3.1热震断裂 202
13.3.2抗热震损伤 203
13.3.3影响陶瓷抗热震性的主要因素 204
13.4耐火陶瓷 205
13.4.1耐热陶瓷 205
13.4.2热交换器和陶瓷发热体 205
13.4.3低热膨胀陶瓷 207

第14章典型结构陶瓷 208
14.1氧化物陶瓷 208
14.1.1氧化铝陶瓷 208
14.1.2氧化锆陶瓷 211
14.1.3氧化镁陶瓷 213
14.2氮化物陶瓷 214
14.2.1氮化硅陶瓷 214
14.2.2氮化铝陶瓷 218
14.2.3氮化硼陶瓷 219
14.3碳化物陶瓷 220
14.3.1碳化硅陶瓷 220
14.3.2碳化硼陶瓷 222

第15章陶瓷的导电性能 224
15.1陶瓷导电概述 224
15.1.1陶瓷导电特点 224
15.1.2陶瓷导电的影响因素 224
15.2离子导电 225
15.2.1离子导电的特点 225
15.2.2离子导体 226
15.3电子导电 226
15.3.1电子导电的特点 226
15.3.2氧分压的影响 227
15.3.3电价控制半导体 227
15.4高温超导氧化物 227
15.4.1超导电现象 227
15.4.2高温超导氧化物的性质 228
15.4.3超导材料的应用 230
15.5表面荷正电氧化物 230
15.5.1氧化物表面荷电特性 230
15.5.2氧空位对表面电性能的影响 231

第16章陶瓷的介电性能 232
16.1电介质陶瓷 232
16.1.1电介质陶瓷的基本性质 232
16.1.2电绝缘陶瓷和电容器陶瓷 233
16.2铁电陶瓷 235
16.2.1钛酸钡晶体结构和性质 235
16.2.2钛酸钡基铁电陶瓷的组成、结构、性质和应用 236
16.2.3反铁电陶瓷 238
16.3压电陶瓷 239
16.3.1压电效应 239
16.3.2压电陶瓷的性能参数 239
16.3.3压电陶瓷的应用 242
16.4热释电陶瓷 243
16.4.1热释电效应 243
16.4.2热释电陶瓷材料 243

第17章陶瓷的磁性能 245
17.1顺磁性和抗磁性 245
17.1.1顺磁性 245
17.1.2抗磁性 247
17.2铁磁性 247
17.2.1铁磁性和磁畴 247
17.2.2磁滞回线 249
17.2.3磁泡畴 251
17.3反铁磁性和亚铁磁性与铁氧体 252
17.3.1反铁磁性 252
17.3.2亚铁磁性 254
17.3.3铁氧体 254
17.4其他磁性能 260
17.4.1磁各向异性 260
17.4.2磁致伸缩 261
17.4.3巨磁阻效应 263
17.4.4磁光效应 264
17.4.5热磁效应 265
17.5应用磁性材料 265
17.5.1磁记录材料 265
17.5.2稀土永磁材料 266

第18章陶瓷的光学性能 268
18.1光在介质中的传播 268
18.1.1折射 268
18.1.2反射和透射 269
18.2光学窗口材料和薄膜光学 270
18.2.1光学窗口材料 270
18.2.2薄膜光学 272
18.2.3透明导电膜 272
18.3陶瓷半导体的光学性质 274
18.3.1本征光吸收 274
18.3.2光电导效应 274
18.3.3光催化效应 275

第19章陶瓷的敏感特性 277
19.1敏感陶瓷概述 277
19.1.1敏感陶瓷分类 277
19.1.2敏感陶瓷的结构与性能 277
19.2热敏陶瓷 279
19.2.1热敏陶瓷的基本性能与参数 279
19.2.2PTC热敏陶瓷 282
19.2.3NTC热敏陶瓷 284
19.2.4CTR热敏陶瓷 285
19.3气敏陶瓷 286
19.3.1气敏陶瓷的特性 286
19.3.2气敏机理 289
19.3.3气敏陶瓷分类 290
19.3.4典型的气敏半导体陶瓷 291
19.4湿敏陶瓷 293
19.4.1湿敏陶瓷的主要特性 293
19.4.2湿敏机理 296
19.4.3湿敏陶瓷材料的应用 297
19.5压敏陶瓷 298
19.5.1压敏陶瓷的电参数 298
19.5.2氧化锌压敏陶瓷 299
19.5.3压敏陶瓷的应用 301
19.6光敏陶瓷 302
19.6.1光敏陶瓷的主要特性 302
19.6.2光敏陶瓷的应用 304
19.6.3太阳能电池 304

第20章传统陶瓷 307
20.1陶器 308
20.1.1陶器的种类和性质 308
20.1.2砖瓦 308
20.1.3精陶 309
20.2炻器 311
20.3瓷器 312
20.3.1瓷器的种类 312
20.3.2长石质瓷 312
20.3.3镁质瓷 314
20.3.4骨质瓷 314
20.4陶瓷釉 315
20.4.1釉的作用及特点 315
20.4.2釉的类型 316
20.4.3釉的性质 317
20.4.4釉的化学性质 322
20.4.5釉的光学性质 322

第21章陶瓷的显微结构 324
21.1陶瓷材料显微结构的组成 324
21.1.1陶瓷材料中的晶体相 325
21.1.2陶瓷材料中的玻璃相 328
21.1.3陶瓷材料中的气孔相 329
21.2陶瓷的显微结构分析 330
21.2.1微观结构分析 330
21.2.2表面和界面分析 332
21.2.3气孔率分析 333

参考文献 336