陶瓷的某些特性可以通過其結構來解釋。例如，（a）無機玻璃材料的透光性起因與其結構非晶性；(b) 陶土的水塑性（即水的加入量與塑性變化）與水分子和陶土結構的相互作用相聯絡；(c) 一些陶瓷材料的永磁性和鐵磁行為可用其晶體結構來解釋。
認真學習了本章內容後，你能夠解答下列問題：
1． 用圖或文字描述氯化鈉、氯化銫、閃鋅礦、金剛石、氟石和鈣鈦礦晶體的結構基元。同樣地用圖或文字描述石墨和石英玻璃的原子結構的相似性。
2． 已知陶瓷複合材料的化學式，以及構成組元的離子半徑，確定其晶體結構。
3． 指出並描述在陶瓷複合材料中發現的八種不同的離子點缺陷。
4． 簡短解釋為什麼在完全相同的陶瓷材料試樣中，斷裂強度可以存在很大差異。
5． 計算三點載入彎曲至斷裂的陶瓷棒的抗彎強度。
6． 利用滑移的基本概念解釋為什麼晶體陶瓷材料通常很脆。
在本書第一章，我們曾對陶瓷材料進行了簡單的討論。指出：陶瓷材料是無機非金屬材料。
絕大多數陶瓷是金屬元素和非金屬元素組成的化合物，其原子間的鍵合或者完全是離子鍵，或者主要是離子鍵，同時具有一定共價鍵特徵。陶瓷(ceramic)**於希臘詞(keramikos)，它的原意是「燒結材料」，說明這類材料的理想特性通常是通過高溫熱處理或者叫高溫燒結得到。
直到最近五十年左右，我們才對陶瓷材料中最重要的一類材料命名為「傳統陶瓷材料」，其主要原材料是陶土。這類傳統陶瓷材料有陶器，瓷器，磚瓦，瓷磚以及玻璃和高溫陶瓷。此後，在對於這類材料的基本特徵的理解以及與其獨特特性相關的現象的理解方面取得了很大的進展，開始了陶瓷材料新的時代，陶瓷這一術語有了更為廣泛的含義。
不論從那一方面來說，這類材料對我們的生活有著巨大的影響；電子、計算機、通訊、宇航以及其它許多任務業都有賴於這類材料的應用。
這一章主要討論陶瓷材料的晶體結構型別、原子點缺陷型別、和力學特性。下一章將討論這類材料的應用和加工技術。
陶瓷通常由兩種或者兩種以上的元素合成，因此其結構與金屬相比一般要複雜的多，其原子鍵合可以從完全離子鍵到完全共價鍵。許多陶瓷同時表現出兩種鍵合型別，離子鍵特徵的程度依賴於原子的電負性。表12.
1列出了幾種普通陶瓷材料的離子特徵的百分比，這一百分比是通過公式2.10和表2.7的電負性計算出來的。
對於鍵合主要是離子鍵的陶瓷材料，其晶體結構可以看作是由帶電的離子而非原子構成的。金屬離子或陽離子帶正電，因為它們將價電子貢獻給了帶負電荷的非金屬離子或陰離子。
表12.1 幾種陶瓷材料原子鍵合中，離子特徵所佔百分比
在晶體陶瓷材料中組元離子的兩種特徵會影響晶體結構：一是組元離子所帶電荷的多少；二是陽離子和陰離子的相對尺寸大小。針對第一種特徵，晶體必須是電中性。
也就是說，全部陽離子帶的正電荷一定要由陰離子帶的等量負電荷進行平衡。化合物的化學式就表明了陽離子和陰離子的比例，或者說達到電荷平衡時化合物的組分。例如，在氟化鈣中，每乙個鈣離子有兩個正電荷(ca+2)，每乙個氟離子有乙個負電荷（f-），因此每乙個鈣離子必須與兩個氟離子相結合，反映在化學式上就是caf2。
第二種特徵涉及到陽離子和陰離子的大小或者說離子半徑rc和ra。因為金屬原子離子化以後失去電子，因此陽離子通常比陰離子小，比值小於1 。每個陽離子希望有盡可能多的最近鄰陰離子，陰離子也希望有盡可能多的最近鄰陽離子。
當陽離子與所有的最近鄰陰離子都保持接觸時，如圖12.1所示，陶瓷晶體結構達到穩定狀態。相關數（即與陽離子最近鄰的陰離子數）與陽離子和陰離子的半徑比相關。
對某個特定的相關數，為了保證陽離子和陰離子相互接觸，陽離子與陰離子的半徑比有乙個臨界最小值（如圖12.1）這一最小比值由純幾何學決定（見例題12.1）。
穩定穩定不穩定
表12.2列出了各種比值下的相關數和最近鄰幾何關係。當比值小在0.
155到0.225之間，陽離子的相關數為3，小於0.155時，非常小的陽離子只能以直線排列方式與兩個陰離子鍵合在一起。
如果的比值這意味著每乙個陽離子由三個成平面等邊三角形的陰離子包圍，陽離子位於三角形中心。的比值在0.225到0.
414之間，陽離子相關數為4，陽離子位於四面體中心，陰離子佔據四個角位。的比值在0.414到0.
732之間，陽離子可以被認為佔據八面體體心位，周圍有六個佔據角位的陰離子，如表12.2所示。的比值在0.
732到1.0之間，相關數為8，陰
離子佔據立方體的八個角位，陽離子佔據體心位置。如果的比值大於1，相關數是12。陶瓷材料中最常見的相關數是4，6，和8。
表12.3給出了陶瓷材料中最常見的幾種陽離子和陰離子的離子半徑。
表12.3 幾種陽離子和陰離子的離子半徑（相關數為6）
證明：當相關數為3時，陽離子與陰離子半徑比值最小為0.155。
解答：對這一相關數，當陽離子半徑很小時，三個陰離子形成等邊三角形，如左圖，三角形abc，四個離子的中心在同乙個平面上。因此問題簡化為相對比較簡單的三角幾何問題。
由直角三角形apo可以很清楚看到，此三角形的邊長與陽離子和陰離子半徑rc和 ra有關。
邊長比值是角的函式，
由於ao平分60角bac，所以的大小為30，因此我們有，
求解上述等式，可以得到陽離子-陰離子半徑比為，
一些常見的陶瓷材料具有相同數目的陽離子和陰離子，我們把這類材料稱為ax型化合物，其中a代表陽離子，x代表陰離子。ax型化合物可以有幾種不同的晶體結構，每一種結構的名稱**於具有這種特定結構的一種常見材料。
岩鹽結構
在ax型化合物中可能最常見的晶體結構就是氯化鈉或岩鹽型結構了。在這種結構中陽離子和陰離子的相關數都是6，因此陽離子和陰離子的半徑比大約在0.414到0.
732之間。這種晶體結構的基元（見圖12.2）由fcc方式排列的陰離子，加上佔據在體心位和和十二個立方邊中心位的陽離子構成。
麵心排列的陽離子構成另乙個等價的晶體結構。因此岩鹽結構被認為是兩個fcc結構相互貫通而成，乙個由陽離子形成，乙個由陰離子形成。具有這種晶體結構的陶瓷材料有nacl、mgo、mns、lif和feo。
氯化銫結構
圖12.3是氯化銫晶體的結構基元示意圖。對陽離子和陰離子而言，相關數都是8，陰離子佔據立方體的角位，陽離子佔據體心位。
陽離子和陰離子相互交換得到相同的晶體結構。這種晶體結構不是體心立方（bcc）結構，因為結構基元中包含了兩種不同的離子。
閃鋅礦結構
第三種ax型結構，離子相關數為4，所有的離子都是四面體相連，被稱為閃鋅礦(zinc blende or sphalerite) 結構---硫化鋅的礦物學名稱。圖12.4是其結構基元示意圖。
在立方結構中，所有的角位和麵心位都由s原子佔據，zn原子填充內部四面體位置。將s和zn 交換位置得到等價結構。因此每個zn原子與四個s原子成鍵，同時每個s原子與四個zn原子成鍵。
具有這種晶體結構的化合物通常原子間鍵合是高度共價鍵。這類化合物有zns、znte和sic。
如果陽離子和陰離子所帶電荷不相同，化合物具有amxp形式化學式，這裡m和p≠1。例如ax2，一類在氟化物中最常見的晶體結構。caf2的離子半徑比大約是0.
8，根據表12.2，相關數為8。鈣離子佔據立方體的體心位，氟離子佔據立方體的角位。
化學式表明，鈣離子的數目是氟離子的半數，也就是說氟化鈣的結構與氯化銫結構相似，但是只有半數的體心位被鈣離子佔據，基元由八個立方體組成，如圖12.5所示。具有這種晶體結構的其他化合物還有：
uo2、puo2和tho2。
陶瓷化合物也可以具有一種以上陽離子，對於具有兩種陽離子的化合物，陽離子標為a和b，其化學式可以寫為ambnxp。鈦酸鋇（batio3）具有ba2+和ti4+兩種陽離子，屬於這一類化合物。這類材料具有鈣鈦礦晶體結構，其電力學特性十分有趣（這將在以後討論）。
當溫度高於120c（248f）時，晶體結構為立方體，基元組織見圖12.6；ba2+離子佔據立方體的八個角位，單個ti4+離子佔據體心位，o-2離子佔據六個麵心位置。
表12.4用陰陽離子比和相關數的形式總結了岩鹽結構、氯化銫結構、閃鋅礦結構、氟化物結構和鈣鈦礦結構，而且對每一種結構給出了乙個例子。當然陶瓷也可能具有其他許多態別晶體結構。
表12.4 陶瓷的基本晶體結構小結
在3.12我們曾經討論過，對金屬而言，密排原子面的相互堆疊構成了fcc和hcp晶體結構。類似的，某些陶瓷晶體結構也可以被認為是密堆離子面以及基元的堆疊。
通常，密排面由尺寸較大的陰離子構成。當這些密排面相互堆疊時，它們中間就產生了可以被陽離子佔據的小的間隙位置。
這些間隙位置以兩種形式存在，如圖12.7所示。一種間隙位置由四個原子（三個原子屬於同乙個晶面，另乙個原子在相鄰晶面）包圍構成，在圖中標為t，稱為四面體位置，因為四個包圍原子的球心的聯線構成四面體；另一種型別在圖12.
7中標為o，包含六個離子球，每三個在乙個平面，因為這六個離子球心的聯線構成八面體，所以這一間隙位置被稱為八面體位置。所以，填充四面體和八面體位置的陽離子的相關數分別為4和6。而且，對每乙個陰離子而言，存在乙個八面體、兩個四面體位置。
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