结构陶瓷与功能陶瓷

结构陶瓷是晶态无机固体，因其硬度、强度以及耐热性和耐磨性而被选用；而功能陶瓷则因其电学、磁学或光学响应（如介电、压电或离子行为）而被选用。

Definition

结构陶瓷是主要用于其机械和热性能的晶态无机非金属材料；功能陶瓷是因其晶体结构和缺陷化学性质而产生的特定电学、磁学或光学功能而使用的材料。

Scope

本主题涵盖了晶态工程陶瓷，按其所利用的性能进行分类：结构陶瓷，如氧化铝、氧化锆、碳化硅和氮化硅，用于机械和热性能；以及功能（电子）陶瓷，如钙钛矿钛酸盐，用作电容器、压电器件和传感器，以及铁氧体和固体电解质氧化物。它将成分和微观结构与断裂韧性、耐火性和功能响应联系起来。

Core questions

• 哪些陶瓷具有结构作用，是什么赋予它们强度和耐火性？
• 如何缓解陶瓷固有的脆性？
• 哪些晶体化学特征使陶瓷具有介电、压电或离子导电性？
• 成分和微观结构如何调节陶瓷的功能？

Key concepts

• 氧化铝、氧化锆和碳化硅
• 断裂韧性和缺陷控制
• 相变增韧
• 钙钛矿介电体和压电体
• 铁氧体
• 固体电解质陶瓷

Key theories

结构陶瓷的增韧

由于陶瓷在断裂前变形很小，其可靠性取决于对缺陷的控制以及增韧机制，例如氧化锆中应力诱导的相变，它在裂纹尖端吸收能量并提高断裂韧性。

功能陶瓷的晶体化学

功能响应源于结构：钙钛矿钛酸盐通过极性畸变表现出高介电常数和压电性，铁氧体通过超交换作用进行磁有序，而缺陷掺杂氧化物通过空位传导离子——这些都可以通过成分和微观结构进行调节。

Mechanisms

在相变增韧中，亚稳相在裂纹尖端附近发生相变，体积变化会闭合裂纹并吸收能量；在功能陶瓷中，极性晶格畸变储存电荷并与应变耦合，而通过掺杂引入的氧空位则传导离子电流。

Clinical relevance

结构陶瓷提供切削工具、发动机和涡轮部件以及耐磨和生物医学植入物，而功能陶瓷是多层电容器、压电致动器和传感器、磁性铁氧体磁芯和固体氧化物燃料电池电解质的基础。

History

由金格里（Kingery）创立的二十世纪陶瓷科学，将传统陶器和耐火材料转变为一个量化领域，连接了加工、微观结构和性能。1970年代氧化锆中相变增韧的发现赋予了陶瓷可用的韧性，而钛酸盐介电体和压电材料的并行研究则催生了电子陶瓷产业。

Key figures

• W. David Kingery
• Ronald Garvie

Seminal works

• kingery1976
• barsoum2003

Frequently asked questions

为什么氧化锆比大多数陶瓷更坚韧？

氧化锆可以经过加工，使其在室温下保留亚稳态晶相。在裂纹扩展附近，应力会触发该相发生相变，并伴随轻微的体积膨胀，从而挤压裂纹闭合并吸收能量，显著提高断裂韧性。

为什么钙钛矿钛酸盐在电子产品中应用如此广泛？

钛酸钡等钛酸盐的钙钛矿结构支持微小的极性畸变，从而产生非常高的介电常数和压电耦合。通过调整成分和微观结构，这些特性可以针对电容器、传感器和致动器进行调整。