论这种扩散式可能的还是可行的。
由于原子在扩散时需要周围结构有应变，因此对于最紧密堆积结构晶体最直接的证据就是空位扩散机制和间隙扩散机制更容易。
图1.2描述的是一种间隙扩散机制，一个在间隙位置A处的原子跃迁到相邻的间隙位置C处。这里，这个原子必须通过一个中间位置B，只有当它的能量足以克服周围原子施加的斥力，它才能做到这一点。对应于离子（或原子）连续位置变化的能量变化示意图如图1.2所示。因此，一个原子如果想从一个位置跃迁到另一个位置就需要克服能量势垒，这一能量势垒大小由位置B处的能量与位置A或C处的能量差决定。因此原子跃迁需要一个激活能E*。
在平衡位置的每一个原子震动实际上都可以看成是向相邻原子位置的跃迁。然而大多数情况下，由于存在能量势垒这种跃迁都不能实现；当某一晶格节点处的热波动足以使原子克服能量势垒时，这种跃迁就可以实现。因此作为一级近似，原子在相邻间隙位置间跃迁的频率正比于原子震动频率与原子（离子）出现热起伏并获得大于或等于E*的能量的几率的乘积。如果用Tat，t代表间隙扩散时原子的跃迁频率，v代表原子（离子）的震动频率，Pt代表热起伏传给间隙原子能量大于等于E*的几率，则原子跃迁频率就可以表示为Tat，t与vPt的函数。
其中k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。我们可以通过跃迁频率知道原子不在其正常位置的频率，但是无法确定原子跃迁的方向。间隙原子的连续跃迁的方向与预期的一样是随机的。在1300K，原子的震动频率v在10-13S-1数量级，在典型的激活能E*条件下，原子的跃迁频率T在10-7到10-8S-1左右。换句话说，原子（或离子）在两次连续跃迁之间在间隙位置停留很长时间。期间原子与晶体环境之间建立了平衡条件，10到50次震动足以影响此平衡。结果在原子跃迁是传递给该原子某一方向的动力在下一次跃迁时已经消失。另外间隙位置处的原子周围的环境各方向相同，例如在适度的点缺陷按浓度条件下，立方结构的原子周围有六个完全相同的间隙位置，无论向哪一方向跃迁都是可能的。
第二部分 陶瓷
第6六单元 陶瓷的制备工艺：传统的陶瓷制备方法
固相陶瓷块体通常都是先经过粉末压坯然后在高温下烧结而制备的。在加热处理过程中粉末发生烧结和致密化，同时伴有颗粒的粘结，体积收缩空隙减少以及晶粒长大。本文介绍了烧结过程中陶瓷内部的相分布及显微组织情况以及陶瓷成型的制备技术。这些技术的目的是制备出满足特殊要求的显微组织。 （a）溶液沉淀法
矾土矿中含有氧化铝，可通过bayer法提炼出来，Bayer法是先将矿物在压力条件下溶解在氢氧化钠中，这样固体杂质SiO2，TiO2及Fe2O3就可以与铝酸钠溶液分离。通过向铝酸钠溶液加入α三水铝石晶种结晶或通CO2气体中和反应自动沉淀出β三水铝石。温度，氧化铝的过饱和度以及晶种的量都会影响结晶过程中的颗粒度。
当两种或多种成分发生共沉淀就会出现问题。而在相同的溶液PH值下不同物质并不是同时沉淀，因此清洗过程可以选择性的去除某种沉淀物或电解液。保持化学均一性是很困难也是很重要的，因为陶瓷的不均匀性对其机械性能和电性能都是有害的。因为沉淀会产生团聚的粉体，因此研磨、干磨或者使用水或非水性液体的湿磨可用于减小粒径，以便粉末密实体可以烧结至接近理论密度。
沉淀反应并不只局限于氧化物和氢氧化物。因此对于高Tc氧化物超导体La1.85Ba0.15CuO4，La，Ba及Cu的草酸盐都可以从电解液中析出并在1373K空气气氛下烧结。由于这些材料与O2可发生可逆反应，因此对超导特性有影响的退火温度、冷却速率以及Cu3+/Cu2+比例必须严格控制。
（b）粉末混合技术
多组分氧化物是通过传统的混合技术制备的，首先将金属氧化物和碳酸盐混合然后将混合物研磨
或球磨。然后将粉碎后的粉末进行煅烧，有时可能先压坯然后煅烧，煅烧工艺可能需要重复多次而且每两次煅烧工艺之间都需要研磨。与共沉淀工艺一样，研磨工艺也容易引进杂质，研磨过程也会导致粉末的形状不规则。
混合粉末的时候存在几个问题。组分之间反应所需的高温可能会导致不稳定氧化物减少，而反应组分可能由于球磨过程中粉末没有充分细化而无法在煅烧过程中发生完全反应。在球磨制备粉体的情况下，难以得到可能重复生产的均匀分布的粉料，尤其当电子陶瓷生产中一部分原料的用量很少时过更是如此；电子陶瓷的性质常由含有少量添加剂的晶界相所控制。超导体YBa2Cu3O7-δ是通过将Y2O3，BaCO3和CuO，混合、球磨并在1223K空气气氛下煅烧制备的。然后将粉片，在通入O2条件下烧结，并在O2气氛下冷却到473K，然后出炉。 （c）单轴压缩
在单轴压缩过程中，硬钢模具中装入干的粉末或含有少量水分的湿粉，然后用硬质合金压头压入模具从而使粉末密实。细粉体由于范德华力容易产生团聚，所以可以通过飞沫干燥法向粉末中加入一些聚乙烯醇和润滑剂西欧那个人提高粉体的流动性和均一性。没有煅烧的生坯在煅烧前有机物没有分解的时候其强度能够满足搬运需求。单轴压缩已经可以实现自动化尤其适合制备那些可接近公差尺寸的圆盘或环状等简单形状的部件，从而避免了烧结后的金刚石机械加工。 （d）热单轴压缩
热单轴压缩或者叫热压烧结过程中加热和加压同时进行。通常采用具有高熔点的石墨模具，填入压实的粉末然后在惰性气氛下加热。热压烧结与单轴压缩相比在较低的烧结温度下就可得到较高的密度和较细的晶粒，尤其适于制备圆盘状、块状及圆柱状制品。加压使颗粒之间产生压力，增加了烧结驱动力，从而降低对颗粒细化的要求。烧结Si3N4时通常加入MgO和YO等添加剂，这样可以在较低的温度下得到介乎达到理论密度的制品。这些烧结助剂的添加使得在烧结过程中产生液相，根据拉普拉斯方程毛细管力增加，在毛细管力及熔融再结晶作用下颗粒发生重排。然而，引入添加剂所带来的优点不得不抵消烧结组分的机械性能下降的不足（尤其在高温下），因为由添加剂产生的玻璃和境界相的性质通常比基体差。 （e）固相烧结
烧结的驱动力是减少表面能以及由于减少固-气界面而减少的粉末压坯表面积。用开尔文方程描述的气相形核也用于压实粉末的传质过程。弯曲表面的蒸汽压不同可以增强颗粒表面物质的蒸发并沉积到两颗粒烧结颈之间，尤其在陶瓷制备过程中粉体颗粒小于等于几微米时。尽管这种蒸发凝固过程使颗粒彼此相连、空隙变形，但颗粒中心之间的距离并没有变化，所以并没有发生收缩和致密化。在低蒸气压下，陶瓷粉末固态烧结过程中的的传质驱动力是颗粒表面和烧结颈之间的自由能不同。在蒸发凝固传质过程中，由表面和晶格扩散形成的表面向烧结颈传质并不能产生致密化。而颗粒之间的晶界扩散和体相晶格扩散才能实现致密化。尽管可以通过细化粉体（小于0.1μm）及高温高压的方法使陶瓷烧结致密，但Si3N4等共价键陶瓷由于原子活性低，其比离子键陶瓷如Al2O3更难烧结致密。 在Si3N4烧结过程中，O和Cl等杂质通常会移动到晶界位置处，从而减小界面能，抑制致密化和蠕变行为，降低抗氧化性和高温强度。
第7单元 煅烧后续处理：研磨和上釉
有些陶瓷制品可以直接从窑中取出检查然后出售。然而，为了满足用户的特殊需要有些陶瓷制品还需要后续处理。烧结后的处理工艺按照最终加工方法分类，可能包括为了满足尺寸及表面光洁度而进行的研磨加工以及为了保护、装饰或者特殊需要而进行的表面涂覆加工。技术陶瓷在出货之前需要仔细检查瑕疵。有时可利用燃料渗透试验法来检测裂纹和凹坑。也可用X射线和超声波技术来检测缺陷。 研磨
大部分陶瓷制品烧结后不需要后续处理在尺寸上都能满足客户的要求。通过由客户指定的样品大大小来计算出略大的成型部件的尺寸，和通过了解陶瓷样品在干燥和烧成中的收缩率，一个制品常能烧成至设定的尺寸和形状。
通常为了满足特殊要求，需要采用特殊的煅烧工艺。陶瓷零件需要在耐火材料制备的窑炉中煅烧，一面在煅烧过程中窑炉发生变形或损坏。同时煅烧的陶瓷零件下面要放上固体耐火材料的固定器（底座），或者与煅烧陶瓷零件成分相同的固定器，从而控制煅烧件的收缩和变形。在煅烧零件与底座之间需要放一层难熔（晶粒）粉末，例如粘土孰料或烧结氧化铝粉，以防止工件在煅烧过程中与底座或耐火材料发生反应和粘结。管状或柱状零件通常是通过安装环挂在耐火材料匣子中，这样煅烧时在重力作用下零件就可以很直。
如果利用特殊的煅烧工艺制备的陶瓷仍然无法满足用户对尺寸和表面光洁度要求，那么就需要对煅烧后的陶瓷制品进行研磨或抛光。通常利用金刚石工具对氧化铝等硬质材料进行研磨，对于相对软一点的材料则利用SiC，氧化铝以及其他磨料进行研磨。圆片制品可能会被磨至合适的平面、厚度及表面光洁度。柱状或棒状制品通常采用无心研磨机研磨。小零件如圆片直径或柱状断面可能用柱状研磨工具研磨。
工业陶瓷零件通常都要求接近公差尺寸。这些零件的尺寸通常都是利用特殊设计的测量工具在精确控制的湿度和温度下测量。因此这些制品通常都需要特殊的研磨和抛光处理。
上釉
很多陶瓷煅烧后都要上釉。釉料是一种特殊的玻璃涂料它能在陶瓷胎体的表面融化并在冷却过程中粘附在陶瓷表面。最早上釉是为了密封多孔陶瓷的表面，防止其吸收水分或其他物质。这种不渗透表面非常漂亮也很好很容易清理。釉料使得高压绝缘陶瓷在雨天也能保持良好的电性能。上釉还可以产生很多特殊的颜色和图案从而满足装饰和销售需求。
釉料的主要成分基本上都是经过超细研磨过的硅石，同时添加一些富含碱金属元素的氧化钠和氧化钾等成分来能够降低釉料熔点，还有含碱土金属的CaO等成分来增加釉料的化学稳定性。釉料中通常都含有氧化铅和氧化硼成分。为了控制釉料热膨胀系数使其小于或等于所涂覆胎体的膨胀系数，其总体成分通常需要调整。其他添加物可以使釉料有颜色或不透明还。
大部分釉料都是将不同原料与特别准备的商用玻璃料一起湿磨而制备的。这种玻璃料包含所有原始可溶材料、所有上色氧化物以及未化合的有毒材料。他是将满足化学组分的玻璃经过溶化和淬冷工艺而商业化生产出来的。通过将熔体直接倒入水中或由熔体在水冷却的钢辊间进行对辊淬冷，可以实现淬冷。淬冷以后，玻璃料经过研磨、干燥、包装、运给用户配制成釉料或彩釉料。
制备釉料首先将玻璃料与粘土及其他不可溶性材料一起加入适量的水在球磨机中球磨至一定粒度。为了满足应用可能还会加入一些结合剂。球磨后的釉浆可以通过喷雾法或浸渍法给陶瓷上釉，还可以通过绘画为陶瓷添加图案。很多自动化工艺都采用喷雾上釉法。这种方法陶瓷表面的釉料粉末很快便能干燥，因此不需要在煅烧前再进行干燥处理。
釉可以施加在陶瓷生坯上和完全玻璃化的陶瓷上，然而陶器在上釉前通常都需要素烧。素烧就是在低温下煅烧，使陶器中的不稳定物质挥发并完成局部或整体收缩，从而保证上釉更成功。然后将胎体和釉料一起进行最终的煅烧（烧釉）。电子陶瓷通常是在胎体完全熟化后在低于胎体熟化温度下烧釉。低价的陶器制品通常可以在生坯上喷雾上釉料，然后将胎体和釉料一起熟化。（在工艺陶瓷工艺中陶瓷胎体先经过熟化煅烧然后上釉并在较低温度下熟化。在普通陶瓷工艺中初烧后的胎体与釉料在最终的烧釉过程中一起熟化）。在上釉前通常需要给玻璃化的陶器预热，否则釉与胎体结合不好。
在上生产各个阶段都有可能出现各种各样的釉缺陷。如果釉浆没有完全润湿胎体则容易产生缩釉（覆盖不均匀）。可以通过改变或增加釉浆中的有机物来避免细纹。如果熟化釉的热膨胀系数比胎体的大则容易产生龟裂（网状细纹）。如果熟化釉的热膨胀系数与胎体相比太小则会产生脱釉（局部涂料脱落）。胎体或釉料中的挥发性物质容易导致蚀坑。
第8单元 电子陶瓷：介电陶瓷和导电陶瓷
据文材料应在电场或磁场条件下的反应情况先进陶瓷差不多有几百种应用。本文列举了一些，并简要介绍了这些陶瓷材料在特殊应用场合的特殊性能。很多情况下，电性能是最主要的，当然在这些应用中严格要求的机械和热性能也必须满足。
很多陶瓷材料都是绝缘体因此长期以来陶瓷都应用于直流或低频交流绝缘材料，大到高压线电线的悬挂式绝缘器，小到简单的电灯外壳和开关基体。这些形材都是传统的粘土陶瓷并不能算作先进陶瓷行列。另外，先进绝缘陶瓷材料正越来越多的应用于更多新领域。经常用的材料有氧化铝陶瓷，氧化铍陶瓷，氮化铝陶瓷及各种特种玻璃，包括那些变形后可以转变为晶体的微晶玻璃。这些绝缘材料最重要的电性能就是具有低电导率，低介电常数（即低的储存电荷和极化趋势），高绝缘强度（抵抗高压击穿的能力），和应用于高频状态下必须具有的低介电损失（即将交变电场转化成热的趋势小）。 由先进的陶瓷绝缘材料可制备出各种型材，其中许多材料的形状是很复杂的，以至于必须用喷射模制成形或以等静压、再机械加工和抛光的方法来制备。陶瓷绝缘材料一个特殊而重要的应用就是应用于电路当中沉积薄膜或厚膜的光滑衬底。衬底通常做的非常薄（几个微米厚），利用流延成型技术制成矩形薄片状。最常见的就是将硅片等离散电器件或离散电容器安装在基体上的薄膜电路上制备出众所周知的混合电路。多层陶瓷衬底的应用已经很常见。多层衬底是利用金属釉料将厚膜电路印到没有煅烧过的陶瓷带上，然后将这些带形生坯堆垛碾压形成三明治结构，最后将陶瓷和金属釉料一起煅烧形成单个多层衬底。多层结构中不同层上的电路通过适当的点相连，这些点是陶瓷层间有金属填充的洞，被称为通孔。衬底的作用不仅仅是支撑电路，它还能通过自身吸收或将热量传递给散热片使电路散热。当衬底及与之相连的电路接上外部导线，并且密封起来保护电路不受环境影响时，这种集合体通常称为电子仪器组件。
陶瓷绝缘材料还经常用于电容器的电介质，放置在电容器两个平板之间作为电量储存介质。很多绝艳材料都能应用于此，但是通常希望所用材料能够满足器件尺寸最小但储存电量的能力（电容）最大。也就是说所用材料的介电常数应该尽可能的高。对于电容器介电材料来说除了具有高的介电常数外，还应该具有高的介电强度和低的介电损耗，以及在温度和电压变化的情况下这些性质变化不大。最重要的一组先进陶瓷电容器介电材料是由BaTiO3和调节其基本性能的其他氧化物组成的陶瓷材料。目前应用的由许多钛酸盐基材料。陶瓷电容器电解质通常做成非常小的薄片或薄壁空心管，利用厚膜技术将平板沉积在两端。
高倍率陶瓷电容器，又称薄片陶瓷电容器很重要而且应用越来越广，可以通过利用类似于制备多层陶瓷衬底的技术可制备。利用流延成型技术制备出非常薄的钛酸盐电介质片，在其一面利用厚膜技术印刷上金属电极花样。许多的带型薄片两两堆垛整体碾压。碾压后的大片切成小片然后煅烧熟化成陶瓷-金属夹层的形式。这些小的薄片电容器可以直接焊接到印刷电路上。
就电子运动而言，许多陶瓷材料是电绝缘体；然而当施加电场时，某些离子因为在材料中有迁移的能力，这些陶瓷材料就具有可测量的电导率。这种材料叫做离子导体。如果电导率相对较高，则被称为快速离子导体或固体电解液。重要的快速离子导体有AgI（Ag是导电离子），CaF2（F为导电离子），及所谓的β矾土（其化学式大概可写成Mal11O17，其中M是Ag或碱金属如Na，导电原因是M离子的存在），掺杂CaO或氧化钇的氧化锆（ZrO2）（O为导电离子），还有一些特种玻璃（其中碱金属离子为导电离子）。通常离子导体的电导率随着温度的升高而迅速增大，所以大部分应用于室温以上，有时也应用于很高温度条件下。与纯离子导体类似它们可以用作高温电池或燃料电池的固体电解液，而且在电场作用下只有一种特定类型的离子能够移动这种特性使他们能够应用于针对特定离子传感器材料（例如，稳定氧化锆作为氧传感器应用于汽车尾气系统探测燃烧效率和不同燃料氧气比的活性变化）。 硅、锗和砷化镓是最常用的半导体材料，但同样还有许多其他的陶瓷材料也应用于半导体。其中应用最广的是各种掺杂的或轻微还原的氧化物及掺杂的SiC。这些材料通常应用于压敏电阻（电阻随电
压变化）或热敏电阻（电阻随温度变化）。压敏电阻通常应用于保护线性电泳对电器件的破坏（如雷电），或者当产生击穿电压时，压敏电阻具有较高的电导率从而对电器件周围的电流进行分流。热敏电阻可用于测温器件，并且如果进行掺杂以便使他们具有正的温度电阻系数（他们的电阻随温度升高而增加）的话，那么在各种应用中他们可用作为自限制加热元件，包括用作为在汽车发动机中快速加热的自动塞块，以使汽车启动后塞块会快速关闭。当陶瓷制成单晶体时，陶瓷半导体材料可用于p-n结二极管，从而用于功率管，如发光二极管（LEDs）甚至是半导体激光器二级管。
第9单元 光学陶瓷
光子学这一词汇最早是为了描述材料具有收集光的性质并利用此性质制成有用设备而发明的。本文首先简要介绍一些比较重要的材料光子学。
宽带隙材料，如陶瓷绝缘体其本质上对于可见光附近或包括可见光区波长范围的光具有透明性的，只要这些材料不含有能作为散射点和会将透明性降至半透明性或甚至不透明的内在不纯物。因此，单晶陶瓷、无气泡玻璃甚至是无孔单相多晶陶瓷都能满足透光要求用于光子学应用。
某一材料是透明的，并不意味着这种材料与透过的光之间没有相互作用。例如，光从一种材料传播到另一种材料中其速率会发生变化，光在真空中的传播速度最大（速率为一恒量C=3.00×108m/s）。而在其他介质中光的传播速率都小于C，c与光在该介质中的速率的比值称为该材料的折射率。光从一种材料传播到另一种材料由于两种材料的折射率不同光线会发生弯曲，利用透镜使光聚焦或发散就是用的这种原理。大部分材料的折射率随着光的波长变化而变化，这种行为叫色散，由于不同波长光的折射量不同因此可通过色散的方法将混合在一起的不同波长的光分开。
光是一种与沿着传播方向垂直振动的电磁波。在正常条件下，光的振动方向是在垂直传播方向平面上随机分布（振动）的。然而，有些材料能够改变光的传播使其只在有些特定方向振动。这种现象叫做偏振，很多关于光的应用都需要或采用了光的偏振现象。例如，当某一偏振光照射到某一材料而该材料只能通过与该偏振光不同偏振方向的光束时，这种材料相对于这束光就是不透明的。
很多晶体和无应力玻璃都是各项同性的，也就是说不论光的传播方向如何其折射率都是一样的。然而，有些晶体能将一束入射光分成两束偏振光。有残余应力的玻璃也有此特性。这种现象叫做双折射，具有这种性能的材料被称为双折射材料或光学活性材料。很多光学器件都是应用了双折射现象的原理，此原理还能揭示其他光学各项同性材料中存在的残余应力。
没有哪一种材料是完全透明的，当光入射到某些材料时一部分可能被吸收转化成热或其他形式的能。对不同波长的光吸收相同的材料看起来就是无色的，很多材料对不同波长的光选择性吸收，看起来就是有颜色的。
施加电场和磁场可以使材料的折射率改变几个数量级，这种效果被称为光电效应和光磁效应。这些现象中的一个很有趣的副效应是一个外加电场能够使一种普通的光学上各向同性的材料显示出双折射，当电场移掉时，此种双折射现象即消失。有些材料的这种效应非常大，因此可以利用这些材料的这一优点制备一些光学器件。
陶瓷材料的光学应用依赖于上面介绍的某种特性或几种特性的组合。例如，窗户需要最简单的将光透过就行，而不需要光束发生变化。另一方面，而滤波器则需要对某些特定波长的光是透明的而对其他波长的光具有很强的吸收特性。具有适当吸收特性的材料可以作为选择性滤波窗口。透镜组就有点像（许多）窗口（的组合），只是各窗口的表面之间并不平行。 玻璃的一项重要光学应用就是光纤。光纤的功能就是将一束光从一点传到另一点，而不会由于吸收或从光纤壁射出而产生明显衰减。应用最广的就是在通信方面，通常利用二极管激光器将信息按照光束变化进行编码。通常利用特种玻璃制备光纤。为了保证低吸收，玻璃必须非常纯净没有污染。为了防止光从光纤壁射出，光纤通常都是制成有一个具有低折射率的中心玻璃，外面包围着高折射率的玻璃覆盖层。折射率的不同将导致所有射向界面的光束都完全发生反射，从而保证不论光纤如何弯曲，