陶瓷和玻璃

陶瓷和玻璃是无机非金属固体——晶体陶瓷和无定形玻璃——其强大的离子键和共价键赋予它们高硬度、热稳定性和化学稳定性，以及广泛的电学和光学行为。

Definition

陶瓷和玻璃是无机非金属材料，可以是晶体（陶瓷）或无定形（玻璃），通过离子键和共价键结合，其特点是硬度高、热稳定性好、电绝缘性或可控功能，以及固有的脆性。

Scope

该领域涵盖无机非金属材料的化学：通过过冷液体玻璃化形成玻璃的结构和过程；用于其机械、热学、电学和光学性能的晶体结构陶瓷和功能陶瓷，包括氧化物、碳化物和氮化物；以及通过粉末加工和烧结将陶瓷部件固结成致密体的方法。它将键合和微观结构与这些材料的脆性、耐火性和功能响应联系起来。

Sub-topics

• 陶瓷加工与烧结
• 玻璃科学与玻璃化
• 结构陶瓷与功能陶瓷

Core questions

• 玻璃与晶体陶瓷有何区别？
• 键合如何赋予陶瓷硬度、耐火性和脆性？
• 功能陶瓷如何针对电学和光学作用进行定制？
• 陶瓷粉末如何固结成致密部件？

Key concepts

• 玻璃化转变
• 网络形成体和改性剂
• 氧化物、碳化物和氮化物陶瓷
• 脆性和断裂
• 烧结和致密化
• 功能陶瓷

Key theories

玻璃通过玻璃化形成

当熔体冷却速度足够快以避开结晶时，它会变成粘度越来越高的过冷液体，并在玻璃化转变时冻结成无定形固体；网络形成氧化物构建了玻璃特有的随机三维网络。

键合、微观结构和陶瓷性能

强而有方向性的离子-共价键使陶瓷坚硬、刚性强、热稳定和化学稳定，但也使其易碎，因为在不破坏键的情况下很少有变形方式；微观结构，特别是孔隙率和晶粒尺寸，随后控制着强度和功能。

Clinical relevance

陶瓷和玻璃在技术领域至关重要：结构陶瓷提供耐磨耐热部件，功能陶瓷用作电容器、传感器和固体电解质，光学玻璃形成透镜和光纤，生物陶瓷用于植入物——所有这些应用都植根于此处描述的键合和微观结构。

History

陶瓷和玻璃是最古老的工程材料之一，但对其科学理解却是近期的：扎卡里亚森（Zachariasen）1932年的随机网络理论解释了玻璃结构，金格里（Kingery）在20世纪中叶的工作通过将加工、微观结构和性能联系起来，确立了陶瓷科学，将一门经验性工艺转变为一门定量的材料学科。

Key figures

• W. David Kingery
• William Houlder Zachariasen

Seminal works

• callister2018
• kingery1976
• shelby2005

Frequently asked questions

玻璃是固体还是液体？

玻璃是固体。它是无定形的，缺乏大多数固体所具有的长程晶体有序性，它通过在玻璃化转变时冻结过冷液体而形成。玻璃在数百年间会流动的旧说法是一种误解；在室温下，其粘度过高，无法产生可测量的流动。

为什么陶瓷坚固但易碎？

使陶瓷坚硬和稳定的相同强而有方向性的离子键和共价键，也使其塑性变形机制很少。在没有容易位错运动的情况下，施加的应力集中在缺陷处并扩展裂纹，因此陶瓷通过脆性断裂而非弯曲而失效。