多晶态

很多细小晶粒的集合

材料的状态

材料一般是以固体状态使用的，固体的状态有结晶态、多晶态和非晶态三种，另外还有由它们组合而成的复合态。其中结晶态和非晶态这两种状态的主要特征介绍如下：

结晶态

这里的结晶态是指单晶体而言。单晶体是原子在三维空间星周期性的无限有序排列状态。这个周期的最小单位是单位晶胞或单位晶格，它是规定晶体形状和大小的基本单位。6个晶格常数组合起来共构成7个晶系。7个晶系包括有14种空间点阵，通过倒转、旋转和映象的宏观对称操作可组合为32种点群。在宏观对称操作外再加上平移轴、滑移对称面，螺旋对称轴等对称要素，32种点群又可组合成230个空间群。7个晶系中，任何一种都具有无对称中心的晶族。这种晶体的对称轴是具有方向性的对称轴。晶体的特点是，它的各种物理性质同对称性之间有着内在的联系。因此根据晶体的宏观对称性即可判断它所具有的某种物理特性。由晶体的宏观对称性出发讨论晶体、表现的某些物理性能，因不涉及到晶体内部的微观状态，所以也有人称该学科为“宏观固体物理学”或“晶体物理学”。

非晶态

原子在三维空间的排列呈杂乱无序的状态叫做非晶态或无定形。用作材料的非晶态物质主要是玻璃，所以又把非晶态称为玻璃态。某些结晶质原料加热熔化经冷却可形成玻璃。这时，熔成的熔体粘度大小是决定是否形成玻璃的主要因素。熔体的粘度大时，因其离子运动的自由度受到限制，在冷却过程中不会取有规律的排列而凝固，因而成为玻璃。但熔体的粘度小则不然，在冷却过程中，离子会排列成有序的状态而成为结晶质。

多晶态

多晶态是很多细小晶粒的集合，是互相由界面相隔形成的聚集状态。晶粒可以由微米级到毫米级的各种大小，晶粒的成分和结构可以是同一种的，也可以是不同种类的。界面可以是两个晶粒直接接触形成的，也可以由玻璃态物质或其他杂质以及介入在其间的空气层形成。多晶态的特点是，它的各种性能不仅是由构成它的晶粒所决定，同时晶界的性质也起着重要的作用。此外，晶粒因是混乱排列的，从总体来看不象单晶体那样具有明显的方向性，所以物性一般表现为各向同性。不过，当晶粒充分大，或者有意将晶粒按一定方向排列时，也可显示出晶粒本身所固有的各向异性。在晶粒间界上，存在的物质或气孔，对晶粒本身固有的性质或性能起着缓和作用。天然产物的矿石、金属和陶瓷材料都是多晶态。如图《多晶态的聚合状态及显微结构》所示：

应用实例

多晶态金刚石

已经研制出许多在不同的衬底上沉积多晶态金刚石薄膜的工艺。虽然较高的沉积温度(大约900℃)和较高的应力(几百MPa，甚至达GPa)限制了金刚石在微机械加工中的应用，但由于它硬度高、导热性好，在许多应用领域中，这种材料还是很有吸引力的。

Aslam和Shulz(1995)描述了金刚石在微型结构方面的一些应用。他们的热丝CVD工艺采用CH4和H2，并将它们置于温度为2200～2400℃的Ta丝周围。在压力为50torr和衬底度890℃的条件下，多晶态金刚石膜可以生长到3～4μm厚。他们同时也介绍了一种选择性金刚石生长工艺，在这种工艺中使用带金刚石微晶的光刻胶，以便CVD金刚石选择性聚核生长。这种特殊的光刻胶层旋压在镀Cr的硅晶片上，烘焙，然后图形化。这样在留有光刻胶的区域周围。就形成了镀Cr模板，这之后把晶片放进CVD反应器中。光刻胶汽化后，剩下金刚石微粒，这些地方就是金刚石生长的核心。在900℃时，可以生长4～6μm厚的金刚石膜。金刚石膜长成以后，就要把Cr膜去除。作者也指出：在900℃时铬蒸气的高压可能会导致反应室的污染问题，建议对其他的金属模板进行研究。

陶瓷的多晶态结构

陶瓷(ceramic)是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶态物质，实际是各种无机非金属材料的总称。陶瓷的晶体结构比金属复杂得多，并且不同类别的陶瓷有着不同的显微结构，除基本的晶体相以外，还有玻璃相和气相。

1．晶体相

晶体相可以简称为晶相(crystal phase)。晶相是陶瓷的主要组成相，其晶态结构与金属一样，也是由许多位向不同的固溶体或化合物晶粒组成的多晶体，并由以离子键为主的离子晶体、MgO及Al2O3等氧化物结构所组成,或者以共价键为主的共价晶体SiC、BN、Si3N4等硅酸盐结构所组成。

2．玻璃相

玻璃相(glass phase)是当陶瓷高温烧结时，各组成物和杂质产生一系列物理、化学反应后形成的一种非晶态固体物质。其主要作用是将瓷坯中分散的晶相粘结在一起，降低烧成温度，抑制晶粒长大及填充气孔空隙使陶瓷致密等。

但玻璃相熔点低，热稳定性差，较低温度下则会引起软化，机械强度低于晶相，并且因其结构疏松，常须在空隙中填充金属离子，致使陶瓷电绝缘性能降低．增加介电损耗。所以，工业陶瓷中的玻璃相应控制在一定范围内，一般陶瓷的玻璃相为20%～40%。

陶瓷的玻璃态结构与晶体结构相似，是由离子多面体构成的空间网络，只是其排列呈无规则而已。

3．气相

气相是指陶瓷材料孔隙中的气体，在陶瓷内部形成气孔(pore)，以孤立状态分布于玻璃相中，或以细小气孔存在于晶界或晶内，陶瓷结构中存在的气孔约占陶瓷体积的5%～10%或更多一些。

气孔的存在对性能影响很大，它使应力集中，导致机械强度降低，脆性增加，并使介电损耗增大，抗电击穿强度下降。因此工业陶瓷力求气孔小、数量少，并分布均匀。

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