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陶瓷导论第一章 陶瓷总论以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品统称为陶瓷。
本章主要介绍陶瓷的种类、陶瓷的晶体结构和玻璃体结构、陶瓷的显微组织和相变、陶瓷的力学性质和热学性能以及陶瓷的制造工艺等。
陶瓷的种类繁多，根据陶瓷的化学组成、性能特点、通途等不同，可讲陶瓷分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。
1．1．1普通陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷，主要是由①粘土、②长石和③石英为原料而制成的，故又称为三组分陶瓷。
1具有某种独特性能的新型陶瓷称为特殊陶瓷。
按照显微结构和基本性能，可将特殊陶瓷分为结构陶瓷、功能陶瓷、智能陶瓷、纳米陶瓷和陶瓷基复合材料。
①粘土由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。
粘土矿物用水湿润后具有可塑性，在较小压力下可以变形并能长久保持原状，而且比表面积大，颗粒上带有负电性，因此有很好的物理吸附性和表面化学活性，具有与其他阳离子交换的能力。
主要产地有江苏苏州、湖北均县、四川叙永县等地。
粘土具有颗粒细、可塑性强、结合性好，触变性过度，收缩适宜，耐火度高等工艺性能，因而，粘土是成为瓷器的基础。
它主要有瓷土、陶土和耐火土粘土等三类，据矿物的结构与组成的不同，陶瓷工业所用粘土中的主要粘土矿物有高岭石类、蒙脱石类和伊利石（水云母）等三种，另外还有较少见的水铝石。
②长石是长石族岩石引的总称，它是一类含钙、钠和钾的铝硅酸盐类矿物。
为地壳中最常见的矿物，比例达到60%，在火成岩、变质岩、沉积岩中都可出现。
③石英，无机矿物质，主要成分是二氧化硅，常含有少量杂质成分如Al2O3、、CaO 、MgO 等，为半透明或不透明的晶体，一般乳白色，质地坚硬。
石英是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源， 它是非可塑性原料，其与粘土在高温中生成的莫来石晶体赋予瓷器较高的机械强度和化学稳定性，并能增加坯体的半透明性，是配制白釉的良好原料。
材料科学与工程基础第二章课后习题答案1. 介绍材料科学和工程学的基本概念和发展历程材料科学和工程学是研究材料的组成、结构、性质以及应用的学科。
它涉及了从原子、分子层面到宏观的材料特性的研究和工程应用。
材料科学和工程学的发展历程可以追溯到古代人类使用石器和金属制造工具的时代。
随着时间的推移，人类不断发现并创造出新的材料，例如陶瓷、玻璃和合金等。
工业革命的到来加速了材料科学和工程学的发展，使得煤炭、钢铁和电子材料等新材料得以广泛应用。
2. 分析材料的结构和性能之间的关系材料的结构和性能之间存在着密切的关系。
材料的结构包括原子、晶体和晶界等方面的组成和排列方式。
而材料的性能则反映了材料在特定条件下的机械、热学、电学、光学等方面的性质。
材料的结构直接决定了材料的性能。
例如，金属的结晶结构决定了金属的塑性和导电性。
硬度和导电性等机械和电学性能取决于晶格中原子的排列方式和原子之间的相互作用。
因此，通过对材料的结构进行了解，可以预测和改变材料的性能。
3. 论述材料的性能与应用之间的关系材料的性能决定了材料的应用范围。
不同的材料具有不同的性能特点，在特定的应用领域中会有优势和局限。
例如，金属材料具有良好的导电性和导热性，适用于制造电子器件和散热器件。
聚合物材料具有良好的绝缘性和韧性，适用于制造电线和塑料制品等。
陶瓷材料具有良好的耐高温性和耐腐蚀性，适用于制造航空发动机和化学设备等。
因此，在材料科学和工程学中，对材料性能的研究是为了确定材料的应用和优化材料的性能。
4. 解释与定义材料的特性及其测量方法材料的特性是指材料所具有的特定性质或行为。
它包括了物理、化学、力学、热学、电学等方面的特性。
测量材料的特性需要使用特定的实验方法和设备。
例如，材料的硬度通常可以通过洛氏硬度试验仪或布氏硬度试验仪进行测量。
材料的强度可以通过拉伸试验或压缩试验来测量。
材料的导电性可以通过四探针法或霍尔效应进行测量。
通过测量材料的特性，可以对材料的性能进行评估和比较，并为材料的应用提供参考。
第二章物质转化与材料利用知识点一、物质的分类方法：(一)根据纯净物的物理性质不同。
如颜色、状态、气味，硬度、密度、溶解性等，对纯净物进行分类。
(二)根据纯净物的化学性质不同，如可燃性、氧化性，还原性等，对纯净物进行分类。
(三)根据纯净物的组成、用途的不同，可将纯净物进行分类。
二、常见物质的分类：（一）、物质可分为纯净物和混合物。
1．纯净物：由一种物质组成的物质。
2．混合物：由两种或两种以上的物质混合而成。
3．纯净物和混合物判断的依据：物质是否由一种物质组成。
（绝对纯净的物质是没有的）（二）、纯净物根据元素组成不同，可分为单质和化合物两大类。
1．单质：由一种元素组成的纯净物。
如O2、N2、Fe、S等。
A.特征：①同种元素组成②是纯净物B.判别依据：①先确定是不是纯净物②是否由一种元素组成C.分类：按性质不同金属Cu Fe Mg等非金属O2 C S等D.注意点：由同种元素组成的物质，可能是单质也可能是混合物。
O2和O3注意：金属的导电性强弱顺序为：Ag>Cu>Al>Fe。
注意点：（1）金属一定能导电、导热，但能导电导热的单质不一定是金属。
如非金属石墨也能导电，也能导热。
（2）金属在常温下，除汞是液态外，一般都是固态。
非金属在常温，除溴是液态外，一般都是气态或固态。
【讨论】现有一种单质，要分辨它是金属还是非金属，应用什么方法?（1）放在光照处，根据颜色可分辨，具有特殊金属光泽的是金属单质，反之是非金属单质。
（2）手拿单质在火边烤，根据导热性可分辩，手感到单质发烫的，具有导热性是金属，反之是非金属。
（3）用硬物单击单质，可根据可锻性来分辨，可锻的是金属，重击后碎裂的是非金属。
（4）用力拉单质，可根据延展性来分辨，伸长的是金属，发生折断的是非金属。
【讨论】1、银是最佳的导热体，为什么银不宜用来制造煮食器皿?试举出二种原因。
①银器煮食回产生Ag+,Ag+会对人体有害，②银太贵，银太软。
2、为什么装食品的罐头一般用镀锡的铁制造，而不用锡制造?锡太软不能制造罐头壳，而镀锡的铁片却能防止铁生锈。
顾宜《材料科学与工程基础》课后题答案第一章：引言1.1 材料科学与工程基础的重要性材料科学与工程基础是现代工程领域不可或缺的一门基础课程。
它包括了材料科学与工程学科的基本原理和方法，为后续学习和研究提供了必要的基础知识。
材料是任何工程的基础，它在各个领域中都扮演着重要角色，如机械工程、电子工程、航空航天工程等。
因此，熟悉材料的结构、性质和应用对于工程师来说至关重要。
1.2 材料科学与工程基础的学习目标材料科学与工程基础的学习目标如下： - 理解材料的基本概念和分类方法； - 掌握材料制备、表征和性能分析的基本技术； - 理解不同材料的特性和应用； - 开发解决材料工程问题的能力。
第二章：晶体结构与晶体缺陷2.1 晶体的结构晶体是由原子、离子或分子按照一定的排列方式组成的长程有序固体结构。
晶体的结构可以通过晶体的晶胞来描述，晶胞是最小的重复单元。
2.2 晶体的缺陷晶体的缺陷指的是在晶体结构中存在的不完整或不规则的区域。
晶体的缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
点缺陷包括空位、插入原子和替代原子等。
线缺陷包括位错和脚位错。
面缺陷包括晶界和层错。
第三章：物理性能与力学性能3.1 物理性能物理性能是指材料的一些基本物理特性，如密度、热导率、电导率等。
物理性能的好坏对材料的应用和工程设计具有重要影响。
3.2 力学性能力学性能是指材料在力学作用下的表现。
常见的力学性能包括强度、硬度、韧性、可塑性等。
力学性能的好坏决定了材料在工程中的使用范围和耐久性。
第四章：金属材料4.1 金属的结构与特性金属是指电子云密度较大、以金属键连接的材料。
金属的结构特点是具有密堆结构和离域电子特性。
4.2 金属的物理性能与力学性能金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，对磨损和腐蚀有较好的抵抗能力。
金属材料的力学性能受材料的组织和处理方式的影响。
第五章：陶瓷材料与玻璃材料5.1 陶瓷材料的分类与特性陶瓷材料是以非金属元素为主要成分的材料，分为晶体陶瓷和非晶态陶瓷两大类。
新兴材料 53、精细控制下的煅烧以获得微细陶瓷粒子。
溶胶－凝胶法可用来制备陶瓷和玻璃，其产物可以是纤维、也可以是粉末。
蒸馏提纯的醇盐（由金属氧化物与酒精反应形成）的水解也是溶胶－凝胶法的一个变量。
从溶体中沉淀出的氢氧化物是形状统一的球形亚微米粒子，而烧结不会明显改变这些人们期望的特征。
尽管溶胶－凝胶法的处理成本较高、生产周期也很长，但因溶体制备、成型和烧结工艺简便，形成的陶瓷性能突出，对于氧化物粉末，诸如氧化铝、氧化锆和氧化钛等，它仍不失为一种颇具吸引力的制备方法。
近来，关于溶胶蒸发相的方法成为研究热点，它可以获得粒径小至10~20nm 的微细陶瓷粉末(如氧化物、碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等)，这种方法需要一个具有高能量输出的蒸发热源，如电弧、等离子射流或者激光束等，而粉末在载气中致密化后被碰撞过滤器或静电收集器从气流中分离出来，有时在化学气相沉积（CVD ）工艺中，会直接在基体上致密化成膜。
先进陶瓷材料的制备往往分为多个步骤或数段操作，每个操作由若干交互作用的变量(时间、温度、压力等)决定，这些变量通过对材料宏观和微观组织的特殊作用机制影响最终产品的质量。
当延性良好的金属材料通过塑性变形成型时，每一步的加工都会对材料施加载荷并可以暴露材料的缺陷(例如：奥氏体不锈钢具有冷拔加工到细小皮下注射针头尺寸的能力，就强有力地证明了其组织结构的完整性)。
单个陶瓷粒子通常是脆性不可变形的，因此，陶瓷材料的制备流程一般会避免塑性变形加工；同时，因缺陷会在加工后继续存在，但变得不可见或会导致实际上的局部破坏，也存在巨大的固有风险。
先进陶瓷的最终性能对各种形式的结构性异质是高度敏感的，特种陶瓷和高新产品技术的进步使得无损监测技术在陶瓷制备的关键阶段得到长足的应用。
在先进陶瓷的设计阶段，应特别强调对整个产品制备计划应用下列指导方针： 1、先驱体材料，特别是超细粉末，应科学地确定其特征参数； 2、每一步工艺操作都应该精确地研究和控制； 3、应将整个操作流程与无损检测技术有机结合。
2.4 典型工程陶瓷材料2.4.1 氧化铝2.4.1.1 氧化铝的一般性能和应用 氧化铝是二十余种氧化物陶瓷中应用最广的，通常被认为是现代工程陶瓷的历史性先驱。
氧化铝陶瓷中氧化铝(Al 2O 3)的含量由其使用要求决定，一般在85%~99.9范围。
粒度较粗的氧化铝基耐火材料以形状尺寸较大、如厚板、型材和砖块之类的形态，被用于建造工业窑炉。
氧化铝的熔点高达2050℃，其耐热能力，或者叫耐火度长久以来一直为窑炉设计者们所看好。
事实上，基于粘土的铝硅酸盐耐火材料大有被更昂贵的高纯氧化铝陶瓷所取代的趋势。
氧化铝的原子间结合半是离子键，半是共价键形式，具有超强的结合力；其晶体结构在1500~1700℃的高温下仍保持物理稳定。
它被用于需要抵御炽热和侵蚀性环境的测温热电偶护套，以及从浇铸前快速运动的熔融铝液流中去除外来颗粒和氧化浮渣的过滤导管；用熔融氧化铝浇铸成的大型耐火砖被用于熔化玻璃的连续炉中。
然而，尽管氧化铝是一种具备有效的化学稳定性的耐热材料，其热冲击敏感性也高于碳化硅和氮化硅。
对热震抗力有贡献的一个主要因素是，后两者具有更高的线性热膨Advanced Materials6胀系数（α）：碳化硅、氮化硅和氧化铝的α 值 / ×10-6 K -1分别是8，4.5和3.5。
当用作较低温度下服役的工程零件时，氧化铝陶瓷通常具有很细的晶粒度（0.5~20μm ）和实际上的零孔隙率。
为了满足越来越苛刻的使用需求，氧化铝陶瓷的研发多年以来一直在不断地进行，并主要集中于化学成分和晶粒组织的控制。
氧化铝的化学惰性和其对人体组织的生物相容性使其得以用在臀修补术中。
如图2.1所示，氧化铝被用作汽油机引擎的火花塞绝缘体，是一个常常被用来印证其绝缘能力的例子。
图2.1 汽油机引擎火花塞从1900年代开始，火花塞的设计和制造方法不断地进步。
在现代汽油机引擎中，火花塞的无故障运行首先取决于其等静压氧化铝绝缘体的绝缘能力。
每个火花塞都被期望在长期运行过程中，在每秒钟精确地点火50~100次时，还可以经受住高达1000℃的高温、瞬间机械压力、腐蚀性尾气和约30kV 电势差的考验。
商品火花塞有着光滑的玻璃化表面层，以便更容易去除表面附着污染物形成的导电膜。
氧化铝陶瓷不寻常的绝缘性能和应用范围早就被电气和电子工业熟知(如：电子线路基板、半导体集成电路封装等等)。
不像金属材料，在氧化铝晶体结构中不存在形成电流的自由电子，其介电强度（用以衡量材料抵受电位梯度而不发生击穿和放电的性能）非常高。
甚至在接近1000℃的高温下，当原子已变得具有运动能力并可传输一些电荷时，氧化铝的电阻系数仍然极高；而提高其纯度通常有利于改善其电气绝缘性能。
很多大批量生产的工程零件是利用氧化铝卓越的抗压强度、硬度和磨损抗力制得的(如：洗衣机旋转密封件、汽车发动机水泵、机加工夹具和刀具、农业机械的破土犁刀、钟表和磁带式录音机轴承、高速纺织机械导纱轮、工业磨料等等)。
著名的刚玉砂磨料，就是氧化铝的一种掺杂无水形式，含有多达20%的SiO 2+Fe 2O 3而无需进行预处理。
由于氧化铝的组成原子－铝和氧的质量都比较小，导致氧化铝的密度较低，这通常是一个有利因素。
不过，和大多数陶瓷材料相似，氧化铝也是脆性材料，在服役时应尽量避免冲击载荷和过高的拉应力。
氧化铝零件一般都很小，但其机能正常与否对大得多的工程系统而言，却往往是至关重要的。
火花塞绝缘子和内燃机水泵密封圈就是该法则起作用的明显例证。
新兴材料 72.4.1.2 氧化铝粉末的制备和成形 对氧化铝陶瓷材料，了解其由矿石到最终成品生产流程的一般形式，可以更深入地理解陶瓷技术的主要影响因素、工作原理，并作为了解陶瓷材料专业成形方法的指南。
如前所述，其制备流程每一阶段对产品最终性能都有独特的作用，必须仔细进行控制。
氧化铝制品的主要原料是铝土矿[Al 2O(OH)4]——一种在世界不同地域都有丰富储量的水合物岩矿。
在拜尔工艺中，预制的铝土矿在压力作用下被溶于热氢氧化钠水溶液中，然后在形核剂诱发下沉淀出Al(OH)3晶体(矿物学术语称为三水铝石)。
在此过程中，时间、温度、搅拌等工艺条件对拜尔工艺的产物质量有很大影响。
三水铝石在1200℃被加热而产生化学分解。
含α-氧化铝(>99% Al 2O 3)的拜尔石灰根据其性质和杂质含量被分为不同级别。
因为影响拜尔石灰的烧结行为和电阻值，氧化钠(Na 2O)的作用显得非常重要，其含量可以高达0.6%。
拜尔石灰由不同粒径的α-氧化铝微晶团聚物构成，这些微晶的尺寸可以通过悉心选择煅烧工艺参数进行控制，一般可以在0.5~100μm 范围内变动。
拜尔石灰一般即可用于制备高纯氧化铝，也可以用于Al 2O 3含量在85~95%之间的低档氧化铝制件的生产。
对于后者，石灰的成分因其它氧化物如SiO 2, CaO 和MgO 的引入而变差，这些氧化物被作为“焊剂”加入，其作用是在烧结时，在α-氧化铝的晶粒边界处形成具有流动性的玻璃相。
筛选分级后的氧化铝和需要加入的添加剂一起被放入湿式球磨机中研磨到所需的粒度范围。
通过将含水悬浮液喷入加热气流达到除去水分的目的(喷射－干燥法)，然后用旋流分离单元分离出氧化铝。
具有自流性的粉末可通过多种方法成形，如干燥处理、等静压、热压、粉浆浇铸、带状浇铸、卷滚成形、挤出成形、压铸等等，其生产率可以非常高，如：某种采用压缩空气在柔性橡胶模具(“橡胶袋”)中等静压压制粉末的机器，每小时可以生产300~400个火花塞陶瓷壳体。
在某些工艺中，粘接剂与陶瓷粉末被混在一起，如：可以将热塑性塑料与氧化铝粉末进行热混，以改善粉末压铸性能；在完成压铸后，再通过加热分离去除。
在生产超薄微电子线路基板的带状浇铸工艺中，氧化铝粉末在有机溶液中形成悬浮液。
2.4.1.3 烧结致密化 多孔而易碎的预制坯体最后在烧结炉中进行连续或分段式烧制。
烧制是成本很高的过程，如果可能，应尽可能地缩短小零件的烧制周期。
经验表明，在最高温度充分热透之后快速冷却可获得期望的更细小晶粒结构。
如前所述，低档氧化铝中会加入一些氧化物作为熔剂以形成晶间相。
尽管流态的晶间材料使烧制时的致密化更易进行，其存在却会损害最终产品的强度和化学侵蚀抗力。
因此，苛刻应用环境下往往选择高氧化铝含量粉末。
通常，随着氧化铝含量从88%增加到99.8%，需要将烧结温度相应地从1450℃提高到1750℃。
更猛烈的烧结在导致更高能耗的同时，也使具有极小粒子尺寸(1μm)和高比表面积的活性氧化铝得以形成，该级别的氧化铝也可以采用较“柔和”的烧制温度和加入更多添加剂降低其性能。
预制陶瓷坯体烧制时发生的最明显变化是其“收缩”现象。
氧化铝的线性烧结收缩率大约为20%，其颗粒尺寸则只可能有最高±1%的变化。
当需要很高尺寸精度时，氧化铝陶瓷可以采用金刚石切削加工，但因可能造成表面损伤和引入弱化性能的裂纹，需要小心进行。
Advanced Materials82.4.2 从氮化硅到Sialon2.4.2.1 反应烧结氮化硅(RBSN)氮化硅陶瓷可以用数种方法制得，现已被用于各种苛刻服役条件下，如：切削工具、轴承、发动机、铸造设备、窑炉部件、焊接夹具和金属加工模具等等场合。
最初RBSN 很大程度上是在改进燃气轮机用材料时发展起来的，在1950年代氮化硅陶瓷发展起来之前，可供选择的陶瓷制备技术非常有限，也很难生产出满足精密尺寸公差的复杂形状陶瓷件，尽管当时可供选择的材料性能各异，但却不能满足一些特殊服役要求，如：良好的热震抗力和抵抗熔融金属与熔渣侵蚀的能力等，氮化硅材料在最大限度上为这些问题提供了解决方案，同时对陶瓷的工程设计理念和生产实践产生了深远的影响。
氮化硅以两种晶体结构形式存在：α 相和 β 相，两者都属于六方晶系，原子间结合主要以共价键为主。
氮化硅最初是用一种创新的无压烧结方法制得的：首先，需要制备易碎的预成型粉末坯料(主要成分是Si)，其成型方法可以多种多样(如：模压、等静压、浆料浇铸、火焰喷涂、聚合物辅助压铸、挤压成型等等)，在反应烧结的最初阶段，预制体在氮气气氛下加热发生如下化学反应：3Si + 2N 2 = Si 3N 4反应产物在预制坯块内形成交错网络，产生非液化的粒子间结合。
在块内的孔洞空间内，还会产生α-氮化硅单晶晶须的形核和长大。
由于反应放热强烈，为了阻止Si 的降解，还需要对温度进行精确控制。
反应形成的氮化物密结块体具有足够强度，可以直接进行常规机加工。
在反应的第二(最后)阶段，零件在氮气中被加热至1400℃，从而形成更多的原位氮化硅、同时坯料尺寸产生小于1%的轻微附加变化(烧制时氧化铝制件则可能变化10%)，最终材料的微观组织由α-Si 3N 4(60–90%)、β-Si 3N 4(10–40%)和未反应Si 及孔洞(15–30%)组成，如同大多数陶瓷材料一样，烧制是其生产过程中成本最高的阶段。
