陶瓷系列-1-微观结构与力学性能

第九章陶瓷材料的力学性能§9-1 陶瓷材料概况陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。

金属：金属键高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。

普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。

工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。

工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。

硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。

常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。

一、陶瓷材料的结构和显微组织1、结构特点陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。

可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。

如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”2、显微组织晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。

（可通过热处理改善材料的力学性能）§9-2 陶瓷材料的力学性能强度（高温、低温、室温）韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。

一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂（图9-23）（1）弹性A）弹性模量大是金属材料的2倍以上。

∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。

晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。

B）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量结构不均匀性；缺陷C）气孔率↑，弹性模量↓（2）塑性变形a）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。

b）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）c）陶瓷的超塑性超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。

1250℃，3.5×10-2 S-1应变速率ε=400%。

利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工（包括扩散焊接）（3）断裂以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源裂纹扩展，瞬时脆断。

缺陷的存在是概率性的。

用韦伯分布函数表示材料断裂]dv F m v m )'()(exp 1)(0σσςσσ⎰⎢⎣⎡--= F(σ)—断裂概率m —韦伯模数σ0—特征应力，该应力下断裂概率为0.632σ’、 σ—试样内部的应力及它们的最大值二、陶瓷材料强度和硬度陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。

1陶瓷烧结过程中影响气孔形成的因素有哪些？(1)煅烧温度过低、时间过低 (2)煅烧是时原料中的水碳酸盐、硫酸盐的分解或有机物的氧化 (3) 煅烧时炉内气氛的扩散 (4) 煅烧时温度过高，升温过快或窑内气氛不合适等。

夏炎2.影响陶瓷显微结构的因素有哪些？参考答案：(1) 原料组成、粒度、配比、混料工艺等(2) 成型方式、成型条件、制品形状等(3)干燥制度（干燥方式、温度制度、气氛条件、压力条件等）(4) 烧成制度（烧成方式、窑炉结构、温度制度、气氛条件、压力条件等）3. 提高陶瓷材料强度及减轻其脆性有哪些途径？参考答案：a.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷。

例如，采用热等静压烧结制成的Si3N4气孔率极低，其强度接近理论值。

b.在陶瓷表面引入压应力可提高材料的强度。

钢化玻璃是成功应用这一方法的典型例子。

c.消除表面缺陷，可有效地提高材料的实际强度。

d.复合强化。

采用碳纤维、SiC纤维制成陶瓷/陶瓷复合材料，可有效地改善材料的强韧性。

e.ZrO2与增韧。

ZrO2对陶瓷的强韧化的贡献有四种机理（相变增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、表面残余应力增韧）罗念4.影响氧化锆相变增韧的因素是什么？简单叙述氮化硅陶瓷具有的性能及常用的烧结方法。

①晶粒大小。

当晶粒尺寸大于临界尺寸易于相变。

若晶粒尺寸太小，相变也就难以进行。

②添加剂及其含量使用不同的添加剂， t-ZrO2的可转变最佳晶粒大小、范围也不同。

③晶粒取向。

晶粒取向的不同而影响相变导致增韧的机制。

氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐化学溶液和熔体的腐蚀、高电绝缘体、低热膨胀和优良抗热冲击、抗机械冲击等性能。

烧结方法：反应烧结氮化硅、无压烧结氮化硅、重烧结氮化硅、气氛加压氮化硅和热压烧结氮化硅。

——李成5.气孔对功能陶瓷性能的影响及降低功能陶瓷中的气孔量的措施？气孔均可使磁感应强度、弹性模量、抗折强度、磁导率、电击穿强度下降，对畴运动造成钉扎作用，影响了铁电铁磁性。

陶瓷的力学性能陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。

因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。

因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。

本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。

一．弹性性能1.弹性和弹性模量陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。

因此，其弹性性质就显得尤为重要。

与其他固体材料一样。

陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。

陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。

弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。

表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。

2.温度对弹性模量的影响由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。

原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。

因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。

图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。

一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。

3.弹性模量与熔点的关系物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。

一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。

不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。

泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。

表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。

可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。

4.弹性模量与材料致密度的关系陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。

图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。

Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系E=E0exp(-BP)式中B--常数。

陶瓷材料的结构与性能分析陶瓷材料是一类广泛应用于建筑、电子、航空等领域的材料，具有优异的物理和化学性质。

而想要深入了解陶瓷材料的性能表现，首先必须对其结构进行分析。

一、结晶结构陶瓷材料主要由氧化物组成，常见的有硅酸盐、氮化硅、氧化铝等。

在陶瓷材料中，原子或离子按照一定的几何排列方式组成结晶结构。

例如，硅酸盐陶瓷中的硅离子和氧离子以正方形或三角形的排列方式拼接成网络结构。

而氮化硅陶瓷则由氮离子和硅离子按照边长相等的正六边形排列形成具有大空隙的结构。

结晶结构的不同会导致陶瓷材料的性能差异，如硬度、热传导性等。

二、晶粒大小晶粒大小是陶瓷材料表面性能的重要指标之一。

晶粒的尺寸越小，材料的强度和硬度往往越高，因为小晶粒内部的晶界相对较多，在晶界上形成了许多阻碍位错运动的障碍点，从而提高了材料的抗变形能力。

因此，控制陶瓷材料的晶粒尺寸，对提高其力学性能具有重要意义。

三、杂质含量陶瓷材料中的杂质含量对其性能影响举足轻重。

杂质的存在会破坏材料的完整晶体结构，从而导致性能的下降。

例如，陶瓷材料中的铁、镉等金属离子会影响其电学性能，氮化硅材料中杂质的存在会导致其电阻率的变化。

因此，在制备陶瓷材料时，对原材料进行严格筛选和纯化，以及控制烧结工艺的条件，能够有效减少杂质含量，提高材料的性能。

四、孔洞结构孔洞是陶瓷材料中普遍存在的结构特征之一。

孔洞会影响材料的力学性能、热导率等。

例如，在陶瓷材料中，孔洞的存在可以减小材料的密度，从而提高其机械强度。

此外，孔洞还能影响热的传导、吸附等性质。

因此，对陶瓷材料的孔洞结构进行合理设计和控制，能够改善其性能，拓宽其应用范围。

五、晶界结构陶瓷材料中的晶界是由相邻晶粒之间的原子之间形成的。

晶界的存在会影响材料的力学性能、导电性能、疲劳寿命等。

在力学性能方面，晶界是位错移动的阻碍剂，增加了材料的塑性变形程度；在导电性能方面，晶界处存在能带偏移和电阻率增加现象，使材料的导电性能下降。

因此，控制晶界的结构，合理改善晶界的质量和数量，对提高陶瓷材料的性能至关重要。

高速烧结陶瓷材料的结构与性能关系研究概述：高速烧结陶瓷材料是一类具有优异性能的先进工程材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子器件等领域。

研究高速烧结陶瓷材料的结构与性能关系，对于优化材料制备工艺、拓展应用领域具有重要意义。

本文将从微观结构和宏观性能两个方面探讨高速烧结陶瓷材料的相关研究成果和进展。

一、微观结构与性能关系研究1. 晶粒尺寸及尺度效应高速烧结陶瓷材料的结晶过程决定了材料的微观结构。

近年来，研究人员发现，晶粒尺寸对材料的力学、热学、导电性等性能具有显著影响。

例如，降低晶粒尺寸可以提高材料的强度和硬度，同时降低材料的断裂韧性。

因此，在高速烧结陶瓷材料的制备过程中，控制晶粒尺寸成为关键。

2. 晶界及结界工程晶界是高速烧结陶瓷材料中的缺陷，对材料的力学性能和导电性能有显著影响。

研究人员通过晶界工程技术，控制晶界的类型和密度，从而达到优化材料性能的目的。

例如，采用晶界工程可以提高陶瓷材料的断裂韧性、导热性能和疲劳寿命。

3. 孪生结构与位错孪生结构和位错是高速烧结陶瓷材料中的重要缺陷。

研究人员通过对这些缺陷的研究，探索了材料的机械性能和耐热性能的改善途径。

例如，引入去孪晶可以提高陶瓷材料的塑性和断裂韧性，而控制位错密度可以改善材料的导电性能。

二、宏观性能与结构关系研究1. 导热性能与微观结构高速烧结陶瓷材料的导热性能对于其在高温工况下的应用至关重要。

研究表明，微观结构中的晶粒尺寸、晶界密度和导热界面的存在对材料的导热性能有显著影响。

因此，优化材料的微观结构可以提高其导热性能，从而适应高温环境的要求。

2. 机械性能与晶粒尺寸高速烧结陶瓷材料具有优异的力学性能，如高强度、高硬度和低摩擦系数。

晶粒尺寸对材料的机械性能具有显著影响。

研究人员通过控制晶粒尺寸，优化陶瓷材料的耐磨性、抗划伤性和抗疲劳性等机械性能。

3. 導電性能与结构高速烧结陶瓷材料的导电性能是其在电子器件中广泛应用的重要因素之一。

研究人员发现，材料的晶界密度、去孪晶和位错对导电性能具有重要影响。