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陶瓷材料的力学性能陶瓷材料陶瓷、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）陶瓷的分类玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷—普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温……金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…2.陶瓷的生产(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结3. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。
（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2)(3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。
2 （E/1000--E/100）。
谈陶瓷显微组织与材料性能之间的关系陶瓷材料的物理性能在很大程度上取决于其显微结构，在某些情况下甚至是决定性的，掌握它们之间的内在关系可以有针对性地优化制备工艺，从而提高陶瓷的物理性能。
陶瓷是多晶多相的材料，其显微组织包括：多晶相的种类，晶粒的大小、形态、取向和分布，位错、晶界的状况，玻璃相的形态和分布，气孔的形态、大小、数量和分布，各种杂质、缺陷、裂纹存在的开式、大小、数量和分布，畴结构的状态和分布等。
在显微镜下研究陶瓷材料的显微组织，找出其物相组成、组织、性能之间的联系和规律是发展新型陶瓷材料的基础。
陶瓷材料主要组成相为晶体相、玻璃相和气相。
研究陶瓷显微组织与性能之间的关系，就是要研究晶体相、玻璃相和气相分别对材料性能的影响。
研究这个问题有着重要的意义，主要有以下几点：（1）当我们了解了陶瓷显微组织与材料性能之间的关系后，我们就可以通过研究陶瓷的显微组织结构而对材料的性能做出评价。
（2）通过对陶瓷的结构缺陷的检测分析，从显微组织上找出其缺陷原因，我们可以提出改善或防止结构缺陷的措施。
（3）通过材料的显微组织研究，从材料物理化学的基本原理出发，为新材料的设计或材料改性提供依据或参考。
（4）研究工艺条件对显微组织的影响，通过优化生产工艺，提高材料的性能。
一、晶体相对材料性能的影响晶相是由原子、离子、分子在空间有规律排列成的结晶相。
晶相是决定陶瓷材料性能呢个的主导物相。
由于陶瓷是多晶材料，故晶相又可分为主晶相、次晶相、析出相和夹杂相。
此时主晶相就成为主导陶瓷性能的主导晶相。
主晶相是材料的主要组成部分，材料的性能主要取决于主晶的性质。
次晶相是材料的次要组成部分。
例如Si3N4材料中的颗粒状的六方结构的相β-Si3N4为主晶相；针状的菱方结构的α-Si3N4为次晶相，含量较少。
析出相，由粘土、长石、石英烧成的陶瓷的析出相大多数是莫来石，一次析出的莫来石为颗粒状，二次析出的莫来石为针状，可提高陶瓷材料的强度。
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陶瓷材料的结构与性能关系研究1. 引言陶瓷材料是一类重要的结构材料，因其良好的耐热、耐腐蚀性以及高硬度等特性，在各个领域都有广泛的应用。
想要进一步提升陶瓷材料的性能，就需要深入研究其结构与性能之间的关系。
2. 表面形貌与力学性能陶瓷材料的表面形貌对其力学性能有着重要的影响。
通常，表面越光滑，材料的强度和韧性就越高。
光滑的表面能减少材料内部的裂纹和孔洞的存在，从而提高其强度。
同时，表面形貌也会影响材料的磨损和摩擦性能。
研究发现，通过调节陶瓷材料的表面形貌，可以有效地提高其力学性能。
3. 晶体结构与热性能陶瓷材料的晶体结构对其热性能有着重要的影响。
各种陶瓷材料的晶体结构不同，其热膨胀系数和导热系数也会不同。
例如，氧化铝的热膨胀系数较低，具有良好的热稳定性，适用于高温环境。
而氮化硅的导热系数很高，可以作为热散射材料使用。
因此，通过研究陶瓷材料的晶体结构，可以为其在不同温度和热环境下的应用提供参考。
4. 缺陷与导电性能陶瓷材料中的缺陷对其导电性能有着重要的影响。
通常，导电性能较好的陶瓷材料往往具有更多的缺陷，如空位、杂质等。
这些缺陷能够提供导电路径，从而增强材料的导电性能。
例如，氧化锌陶瓷中的氧空位可以提供电子迁移的通道，因此氧化锌陶瓷具有良好的导电性能。
研究陶瓷材料中缺陷与导电性能的关系，可以为设计和制备具有特定导电性能的陶瓷材料提供指导。
5. 成分与光学性能陶瓷材料的成分对其光学性能有着决定性的影响。
不同元素的添加和摩尔比例变化，会对陶瓷材料的吸收、透射和散射等光学性质产生显著影响。
例如，掺杂不同元素的陶瓷材料可以实现对特定波长的光的吸收和发射。
这一特性使得陶瓷材料在光学器件中有广泛应用，如激光器、光纤等。
因此，深入研究陶瓷材料的成分与光学性能的关系，可以为其在光学领域的应用提供理论基础。
6. 结论陶瓷材料的结构与性能之间存在着密切的关系。
不同的结构特点会导致陶瓷材料具有不同的力学性能、热性能、导电性能和光学性能等特性。
陶瓷材料的微观结构与力学性能陶瓷材料在现代工业生产中扮演着重要的角色，具有许多独特的性质和应用。
然而，要研究和了解陶瓷材料的力学性能，首先需要理解其微观结构对这些性能的影响。
在研究微观结构时，首先要考虑的是陶瓷材料的晶体结构。
陶瓷材料通常由一种或多种无机化合物组成，这些化合物在形成晶粒时会以特定的排列方式堆积在一起。
晶体结构的不同将直接影响到陶瓷材料的物理和力学性能。
例如，陶瓷材料的硬度与晶体结构的紧密程度有关。
一般来说，晶体结构越紧密的材料，其硬度也越高。
这是因为紧密的结构能够抵抗外界力的压迫，使材料不容易被损坏。
在陶瓷材料中，氧化物晶体结构的硬度一般比非氧化物晶体结构的硬度要高，这种差异主要归因于晶体结构中氧的参与。
另一个与微观结构相关的重要参数是晶界。
晶界是两个晶粒之间的界面区域，其结构和性质在陶瓷材料中起着重要的作用。
晶界的存在不仅影响材料的力学性能，还会影响其电学、化学性质等。
晶界的特点和晶粒大小、形状密切相关。
一般来说，晶界越多，晶体的塑性就会越好。
这是因为晶界在陶瓷材料中能够提供位错运动的路径，使材料能够变形而不破裂。
除了晶体结构和晶界，陶瓷材料的孔隙率也是影响其力学性能的重要参数。
孔隙率是指材料中存在的孔隙的体积占总体积的比例。
孔隙率越高，材料的密度越低，从而强度越低。
这是因为孔隙是弱点，容易在受力作用下形成裂纹和断裂。
因此，为了提高陶瓷材料的力学性能，降低孔隙率是非常重要的。
最后，要论述陶瓷材料的力学性能，不能忽视其微观结构与应力的关系。
陶瓷材料在受力作用下会发生断裂，这一现象与晶体结构和晶界的应力分布密切相关。
例如，在压缩应力作用下，晶粒间的互相挤压可以抵消一部分应力，从而提高材料的强度。
然而，如果应力过大，容易引起晶粒的移动和破裂，导致材料的脆性断裂。
综上所述，陶瓷材料的微观结构对其力学性能有着重要影响。
晶体结构的紧密度、晶界的存在与否、孔隙率以及微观结构与应力的关系都是影响陶瓷材料力学性能的重要因素。
谈陶瓷显微组织与材料性能之间的关系陶瓷材料的物理性能在很大程度上取决于其显微结构，在某些情况下甚至是决定性的，掌握它们之间的内在关系可以有针对性地优化制备工艺，从而提高陶瓷的物理性能。
陶瓷是多晶多相的材料，其显微组织包括：多晶相的种类，晶粒的大小、形态、取向和分布，位错、晶界的状况，玻璃相的形态和分布，气孔的形态、大小、数量和分布，各种杂质、缺陷、裂纹存在的开式、大小、数量和分布，畴结构的状态和分布等。
在显微镜下研究陶瓷材料的显微组织，找出其物相组成、组织、性能之间的联系和规律是发展新型陶瓷材料的基础。
陶瓷材料主要组成相为晶体相、玻璃相和气相。
研究陶瓷显微组织与性能之间的关系，就是要研究晶体相、玻璃相和气相分别对材料性能的影响。
研究这个问题有着重要的意义，主要有以下几点：（1）当我们了解了陶瓷显微组织与材料性能之间的关系后，我们就可以通过研究陶瓷的显微组织结构而对材料的性能做出评价。
（2）通过对陶瓷的结构缺陷的检测分析，从显微组织上找出其缺陷原因，我们可以提出改善或防止结构缺陷的措施。
（3）通过材料的显微组织研究，从材料物理化学的基本原理出发，为新材料的设计或材料改性提供依据或参考。
（4）研究工艺条件对显微组织的影响，通过优化生产工艺，提高材料的性能。
一、晶体相对材料性能的影响晶相是由原子、离子、分子在空间有规律排列成的结晶相。
晶相是决定陶瓷材料性能呢个的主导物相。
由于陶瓷是多晶材料，故晶相又可分为主晶相、次晶相、析出相和夹杂相。
此时主晶相就成为主导陶瓷性能的主导晶相。
主晶相是材料的主要组成部分，材料的性能主要取决于主晶的性质。
次晶相是材料的次要组成部分。
例如Si3N4材料中的颗粒状的六方结构的相β-Si3N4为主晶相；针状的菱方结构的α-Si3N4为次晶相，含量较少。
析出相，由粘土、长石、石英烧成的陶瓷的析出相大多数是莫来石，一次析出的莫来石为颗粒状，二次析出的莫来石为针状，可提高陶瓷材料的强度。
夹杂相：不同材料夹杂相不同。
夹杂相量很少，其存在都会使材料的性能降低。
另外，晶相中还存在晶界和晶粒内部的细微结构。
晶界上由于原子排列紊乱，成为一种晶体的面缺陷。
晶界的数量、厚度、应力分布以及晶界上夹杂物的析出情况对材料的性能都会产生很大影响。
晶粒内部的微观结构包括滑移、孪晶、裂纹、位错、气孔、电畴、磁畴等。
1.1．主晶相对材料性能的影响氧化铝陶瓷具有强度高、耐高温、电性能和耐化学侵蚀性优良的性能，就是因为其主晶相刚玉（α-Al2O3）是一种结构紧密、离子键强度很大的晶体。
75氧化铝瓷是氧化铝的一种，含有75%的α-Al2O3，是一种电真空陶瓷。
其显微组织如图1-1所示，大部分为白色的氧化铝晶体，晶间三角处为暗黑色的玻璃相，圆形的黑洞为气孔，其中形态规则的为晶粒剥落坑。
图1-1 75氧化铝瓷的显微组织1200x除了75氧化铝陶瓷还有一种透明氧化铝陶瓷。
透明氧化铝瓷又叫烧结白刚玉，其中Al2O3的纯度在99.5%以上。
为了更好地排除气孔，提高透明度，可在真空下烧结。
图1-2为烧成后未经磨制和腐蚀，在显微镜下观察到的透明氧化铝的原始表面显微组织。
由于Al2O3纯度很高，气孔极少，可以清楚地看到氧化铝晶粒的大小，晶界的状况等。
图1-2 透明氧化铝的显微组织1200x图1-3为电熔刚玉的显微组织。
其中白色粗大的柱状晶相为α-Al2O3，暗黑色的组织为玻璃相，黑色的圆洞为气孔。
图1-3电熔刚玉的显微组织1200x1.2 次晶相对材料性能的影响当次晶相的含量达某一临界值时，将可导致某些特定性能的变化。
例如，在高压电瓷的玻璃相中，由于有大量的二次莫来石针状晶体的析出，形成网状交错分布，起着一个骨架增强的作用，从而大大提高了电瓷的机械强度。
图1-4瓷坯中的针状莫来石呈网状分布图1-5 粗大针状莫来石晶体的网状分布对提高制品强度极为有利1.3晶粒尺寸对性能的影响由陶瓷材料的理论断裂强度公式：式中γ——断面的表面能，E —杨氏模量，a ——晶格常数．由式可知，a 越小，σ越大．实验中发现多晶材料的流变应力与晶粒直径的平方根成反比，Hal—Petch 【1】 从位错塞积概念推导出这一关系．晶界对位错运动构成强烈的障碍，在外力作用下取向最有利的晶粒 的位错源首先开动，位错源发出的位错滑移到晶界并在晶界前堆积起来．当塞积顶端产生的应力集中达到相邻晶粒位错源开动的临界应力时变形扩展(屈服)．由晶内位错塞积在晶界上引发裂纹的临界应力τc =()21d -132⎥⎦⎤⎢⎣⎡πνμν=kd 21-,，式中μ=()ν+12E ；ν——基体的表面能; k ——常数；d ——晶粒尺寸．则屈服应力：τ=τ*+ kd 21-;式中τ*——点阵中的滑移阻力．该式表明，晶粒直径越小，屈服强度越高。
因此，细化晶粒可以提高材料的韧性和强度。
另外，研究表明，多晶材料的初始裂纹尺寸与晶粒大小相当，因此晶粒愈细，则初始裂纹愈小，材料的机械强度将越高。
1.4 晶粒形貌对性能的影响例1：烧结不好的普通陶瓷制品中，主晶相基本上由鳞片状的一次莫来石构成。
而烧结良好的陶瓷坯体中，主晶相的构成中既有鳞片状的一次莫来石，也有相当数量的针状、柱状的二次莫来石。
后者的强度明显大于前者。
例2：Si 3N 4 陶瓷材料的强度随着其中β- Si 3N 4 相的含量增多而增大。
这是因为低温型的α- Si 3N 4 晶粒呈等轴状或短柱状，而高温型的β- Si 3N 4 相为针状和长柱状结晶。
1.5晶界对材料强度的影响晶界对于多晶材料来讲，是一个非常重要的组成部分，其数量、组成和性质对于材料的强度具有重要影响。
图1-6σ=2E γ a图1-7图1-6和图1-7显示的就是晶界。
晶界对材料强度的影响是当材料的破坏是沿着晶界断裂时，如果晶界数量多（细晶结构），则可使裂纹的扩展经历更曲折的路径，从而消耗更多的裂纹扩展能，对裂纹的扩展起着阻碍作用——提高材料的断裂强度。
需要注意的是如果晶界上有气孔存在，则可能造成应力的集中，加速裂纹的扩展——降低材料的断裂强度。
如果晶界纯粹由晶粒相互结合构成，可望能够提高材料的强度。
若晶界上存在玻璃相，材料的强度将降低。
二、玻璃相对材料性能的影响2．1玻璃相的形成玻璃相一般是指由高温熔体凝固下来的、结构与液体相似的非晶态固体。
陶瓷材料在烧结过程中，发生了一系列的物理化学变化，生成了熔融液相。
如果熔融态时粘度很大，即流体层间的内摩擦力很大，冷却时原子迁移比较困难，晶体的形成很难进行，而形成过冷液相，随着温度继续下降，过冷淮相粘度进一步增大，冷却到一事实上温度时，熔体固体，“冻结”成为玻璃，此时的温度称为玻璃转变温度Tg ，低于此温度表现出明显的脆性。
2．2 玻璃相的作用玻璃相具有以下几个方面的作用：(1)起粘接剂和填充剂的作用，玻璃相是一种易熔相，可以填充晶粒间隙，将晶粒粘接在一起，使材料致密化；(2)降低烧成温度，加快烧结过程；(3)阻止晶型转变，抑制晶粒长大，使晶粒细化；(4)增加陶瓷的透明度；(5)有利于杂质、添加物、气孔等的重新分布。
2．3玻璃相的特点和对材料性能的影响通常情况下，与晶相比较而言，玻璃相（1）机械强度较低；（2）热稳定性较差；（3）熔融温度较低。
（4）由于玻璃相结构较疏松，因而常在结构空隙中充填了一些金属离子，这样在外电场的作用下很容易产生松弛极化，使陶瓷材料的绝缘性降低、介电损耗增大。
不同的陶瓷制品，由于质量性能的要求不同，因此对玻璃相含量的要求也不同。
在特种陶瓷材料中，玻璃相的含量一般都很低，有的甚至几乎全由晶相构成 (纯固相烧结)。
而在普通陶瓷制品中，玻璃相的含量较高，可在20%~60%之间变化。
如一些日用陶瓷，玻璃相含量甚至可达到 60%以上。
三、气相晶粒内的气孔晶界交界处的气孔晶粒内的杂质晶界 晶界上的气孔晶粒气孔也是陶瓷制品显微结构中的一个重要组成部分，对制品的性质有着重要影响。
它们可能存在于玻璃相中，也可能存在于晶界处，或者被包裹于晶粒内部。
3.1 气相的形成釉玻璃体中的气泡被包裹在晶粒中的气孔材料中气孔形成的原因比较复杂，影响因素较多，如材料制备工艺、粘接剂的种类、原材料的分解物、结晶速度、烧成气氛都影响陶瓷中气孔的存在。
采取一定的工艺手顶可以使气孔率降低或者接近于零。
3.2气相对材料的影响陶瓷的强度与弹性模量成正比，因此强度也随气孔率而变化。
σ=σ0e -bp [2] 式中σ——气孔率为P 时的强度；d ——P=0时的强度；b ——与陶瓷制备工艺有关的常数。
气孔对材料强度的影响是显然的——材料强度总是随着气孔率的增大而降低。
材料中气孔的大小、形状及其分布状态，对材料的强度也有一定程度的影响。
在气孔率一定的情况下，一般来说，闭口气孔好于开口气孔，开口气孔好于贯通气孔。
气孔均匀分布好于其集中分布气孔存在的利弊因制品的质量性能要求不同而异：（1）对于电介质陶瓷（如陶瓷电容器）来说，气孔的存在会增大陶瓷的介电损耗并降低其击穿强度。
对于透明陶瓷而言，一定大小的气孔又是入射光的散射中心，气孔的存在会降低制品的透光率。
（2）对于绝热或隔热材料而言，则希望材料中存在较大体积分数、且孔径及分布均匀的气孔。
对于过滤用的陶瓷制品，以及湿敏、气敏陶瓷材料，也希望有一定的体积分数的贯通性气孔存在。
（3）但是，无论何种制品，大量气孔的存在都会对制品的强度产生不利影响。
气孔对材料强度的影响是显然的——材料强度总是随着气孔率的增大而降低。
四、显微组织对其他性能的影响4.1晶粒尺寸、气孔对陶瓷的抗热震性能的影响陶瓷的抗热震性能也随着晶粒的增大有较大提高，原因在于晶粒越大，其强度越低，而弹性模量、泊松比不变，由式R=()2f f -1σννE ，可见抗热震损伤参数 逐步增大的趋势．式中νf —常数；ν——泊松比；σf ——固有强度．对其热震断口分析表明，晶粒越大，沿晶断裂区域越大，反之，穿晶断裂区域越大．大小均匀且弥散分布的众多气孔作为既存裂纹能够分散消耗热弹性应变能，圆滑的气孔内壁有助于松弛应力，从而有利于改善材料的抗热震损伤性能[4]。
经实验证明添加BN 颗粒的多孔Si 3N 4 及胞状的多孔莫莱石陶瓷均表现出良好的抗热震性能．其原因可归结为：BN 加入后显著降低了复合材料的弹性模量热膨胀系数和泊松比．其中，弹性模量和泊松比的降低主要原因是材料气孔率增大；热膨胀系数的减小则主要是因BN 本身热膨胀系数较小。
4.2晶粒尺寸、晶界对陶瓷材料超塑性的影响度气孔率晶粒尺寸、显微结构的稳定性是影响超塑性的内在因素；应变速率、变形温度等是影响陶瓷材料超塑性的外在因素．细晶粒超塑性机理是晶界滑移，晶粒尺寸越小，晶界越多，高温下越易产生晶界滑移，变形量越大，表现出高的超塑性[4]。
晶粒尺寸越细，流变应力越小，延伸率越高．当晶粒尺寸大于2μ m时，便不再呈现塑性现象。
