材料学导论陶瓷材料
《材料科学导论》课程学习报告
—关于陶瓷材料学习的体会 1. 陶瓷材料概论
说到陶瓷,在许多人的印象中,是一种坚硬易碎的物体,缺乏韧性,缺乏塑性。许多陶瓷学家把陶瓷看成是用无机非金属化合物粉体,经高温烧结而成,以多晶聚集体为主的固态物。这一定义虽然同时指出了材料的制备特征和结构特征,但却把玻璃、搪瓷、金属陶瓷等摒除在外。所以,陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。
2. 陶瓷材料的发展
陶瓷是人类最早利用自然界提供的原料制造而成的材料。旧石器时代,人们就发现经火煅烧过的粘土,其硬度和强度都大大提高,而且不再被水瓦解。于是,就有了利用粘土的可塑性,将其加工成所需的形状,然后用火烧制成的陶器。随着金属冶炼术的发展,人类掌握了通过鼓风机提高燃烧温度的技术,并且发现,有一些经高温烧制的陶器,由于局部熔化变得更加致密坚硬,完全改变了陶器多孔,透水的缺点。经过长期的摸索和经验积累,以粘土,石英,长石等矿物原料配制而成的瓷器出现了。
从陶器发展到瓷器,是陶瓷发展过程中的一次重大飞跃。这种传统的瓷器,从结构上来看,是由玻璃相结合在一起的、由许多微小的晶
粒构成的物体。
随着科学技术的高速发展,人们迫切需要大量强度很高,绝缘性能良好的陶瓷材料。此时,人们发现,尽管陶瓷中的玻璃相使陶瓷变得坚硬、致密,然而它却妨碍了
陶瓷强度的提高。同时,玻璃相也是陶瓷绝缘性能,特别是高频绝缘性能不好的根源。于是,玻璃相含量比传统陶瓷低的一些强度高,性能好的材料不断涌现。现在,许多科学与技术方面使用的高性能陶瓷(High performance Ceramics)都是几乎不含有玻璃相的结晶态陶瓷。为了有别于传统陶瓷,称之为先进陶瓷(Advanced Ceramics)或高技术陶瓷(High Tech Ceramics);有时也称为精细陶瓷(Fine Ceramics)或工程陶瓷(Engineering Ceramics)。
3. 陶瓷材料的定义
陶瓷的传统定义:陶器和瓷器的总称,包括玻璃,搪瓷,耐火材料,砖瓦,水泥,石膏等。
陶瓷的狭义定义:以粘土为主要原料，经高温烧制而成的制品。
陶瓷的广义定义:经高温烧制而成的无机非金属材料的总称。
陶瓷的精确定义:用天然原料或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。 4. 陶瓷材料的分类陶瓷材料按照性能可大致分为普通陶瓷和特种陶瓷。
1. 普通陶瓷:原料: 粘土、石英和长石。
特点:坚硬而脆性较大、绝缘性和耐腐蚀性极好;制造工艺简单，成本低廉，各种陶瓷中用量极大。
分类:普通陶瓷又分为普通日用陶瓷和普通工业陶瓷。
(1) 普通日用陶瓷:特点:作日用器皿和瓷器，具有良好的光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。分类:长石质瓷(国内外常用的日用瓷，作一般工业瓷制品)、绢云母质瓷(我国的传统日用瓷)、骨质瓷(近些年得到广泛应用，主要作为高级日用瓷制品)和滑石质瓷(我国发展的综合性能好的新型高质瓷)。
(2) 普通工业陶瓷:特点:普通工业陶瓷有炻器和精陶。炻器是陶器和瓷器之间的一种瓷。分类:工业陶瓷按用途分为:建筑卫生瓷(用于装饰板，卫生间装置和器
具等，通常尺寸较大，要求强度和热稳定性好)、化学工业瓷(用于化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐腐蚀容器及实验器皿等，通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强)、电工瓷(主要指电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷，要求机械性能高、介电性和热稳定性好)。
2. 特种陶瓷，也叫现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷。一般认为，特种陶瓷是“采用高精度的原材料，具有精确控制的化学组成、按照便于控制的制作技术加工的、便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷”。
特种陶瓷按照显微结构和基本性能，可分为结构陶瓷、功能陶瓷、智能陶瓷、纳米陶瓷和陶瓷基复合材料。 (1) 结构陶瓷:用于高压高温、抗辐射、抗冲击、耐腐蚀、耐磨等环境下的陶瓷材料，可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等。 (2) 功能陶瓷:具有接受特殊敏感功能的陶瓷制品，可分为电功能陶瓷、磁功
能陶瓷、光功能陶瓷、生物功能陶瓷。 (3) 智能陶瓷:能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型陶瓷材料，主要有压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流陶瓷。 (4) 纳米陶瓷:晶粒或颗粒处于纳米范围(1-100nm)的陶瓷，包括纳米陶瓷粉体、纳米陶瓷纤维、纳米陶瓷薄膜、纳米陶瓷块体。(5) 陶瓷基复合材料:由陶瓷基体和增强体所组成的复合材料，其性能比单一材料的性能优越。初具有陶瓷的高强度、高硬度，良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等特点外，还使陶瓷的韧性大大提高，强度和模量也有一定提高。主要有纤维增强、晶须增强、颗粒增强陶瓷基复合材料。
根据陶瓷的性能，把它们分为高强度陶瓷、高温陶瓷、高韧性陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、电解质陶瓷、半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷(既透明陶瓷)、磁性瓷、耐酸陶瓷等。
按照陶瓷的化学组成划分有: 1、氧化物陶瓷:氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、二氧化钍、三氧化铀等。2、氮化物陶瓷:氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化铀等。3、碳化物陶瓷:碳化硅、碳化硼、碳化铀等。4、硼化物陶瓷:硼化锆、硼化镧等。5、硅化物陶瓷:二硅化钼等。6、氟化物陶瓷:氟化镁、氟化钙、三氟化镧等。 7、硫化物陶瓷:硫化锌、硫化铈等。其它还有砷化物陶瓷，硒化物陶瓷，碲化物陶瓷等。
除了主要由一种化合物构成的单相陶瓷外，还有由两种或两种以上的化合物构成的复合陶瓷。例如，由氧化铝和氧化镁结合而成的镁铝尖晶石陶瓷，由氮化硅和氧化铝结合而成的氧氮化硅铝陶瓷，由氧
化铬、氧化镧和氧化钙结合而成的铬酸镧钙陶瓷，由氧化锆、氧化钛、氧化铅、氧化镧结合而成的锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷等等。此外，有一大类在陶瓷中添加了金属而生成的金属陶瓷，例如氧化物基金属陶瓷，碳化物基金属陶瓷，硼化物基金属陶瓷等，也是现代陶瓷中的重要品种上。
5.陶瓷的结构性质
5.1 密度与孔隙率
陶瓷的密度具有特殊的含义。,当我们描述陶瓷的密度时，就必须说明是什么密度。因为陶瓷一般是由微小的颗粒烧结而成的，颗粒之间必然存在孔隙，于是就有了表观体积与真实体积之别，显然，表观体积为真实体积与材料内孔隙体积之和(这里“孔隙”的概念不是指晶格中原子排列的空隙，而是由于球形颗粒堆积时必然留下的孔隙，尺寸在微米或纳米级)。陶瓷的重量除以表观体积就得到表观密度，除以真实体积就得到真实密度。但所谓“真实”密度并不等于理论密度(ρ)，理论密度是计算得到的晶格密度，而真实密度是用某种测定方法得到的不含孔隙的密度。孔隙体积占表观体积的百分数称为孔隙度。如果我们说某一陶瓷的孔隙度为20%，那么其表面密度就应是理论密度的80%。在实际情况中，陶瓷的密度一般低
于理论密度的60%。要想提高陶瓷的密度，可采取很多措施。如使用宽分布的颗粒，让小颗粒嵌入大颗粒的缝隙中;或采用机械振动，拍打等手段。即使如此，也很难使陶瓷的表观密度达到理论密度的80%以上。要想进一步提高密度，就不能使用颗粒烧结的方法，必须采用新技术。气
相渗滤法、定向氧化法就可以大大降低孔隙度，使表观密度达到95%以上。陶瓷中的孔隙分为开孔和闭孔。开孔指孔隙与外部相通，可以注入液体。闭孔则是完全被陶瓷基体包围的孔隙。闭孔只有通过理论计算，从表观密度与理论密度的差别来判断其存在，得到真实孔隙率。开孔可以采用ASTM C373 的标准进行测定。这一标准的依据是阿基米德定律:物体在液体中的重量等于该物体的干重量减去所受的浮力。
5.2 磨损阻力
磨损的定义是表面物质的减少。磨损是机械故障或坏损的主要原因之一。我国每年因磨损而造成的损失在几十亿元以上。而使用陶瓷材料则是降低这项庞大开支的有效办法。造成磨损的机理很多。两个表面的粘结会使一部分表面物质被带走;表面粗糙则会使凸出部分被磨掉;如果两个表面硬度相差悬殊会产生切割;含硬颗粒的流体冲击或冲刷表面会造成磨蚀，等等。
测定材料的抗磨损性能有许多方法。最新的一种方法是用一种长方体样品(100×25×6mm。将样品装在一根轴上，轴带动样品在一个装满磨料的容器中转动。测定磨擦前和磨擦后样品的重量差，可以得出样品的抗磨损性能。据说这种方法最能代表实际使用情况。还可以用磨擦寿命因子来表征抗磨损性能。因子值越高，寿命越长。 5.3 抗热冲击性
热冲击指材料经历温度突变。由于陶瓷传热系数很低，局部受热会引起较大的应力。加之陶瓷的脆性，很容易造成开裂。如果一种材
料具有同素异构性且在温度变化过程中会发生相转变，热冲击就会直接转化为机械冲击。因为相转变必须伴随着体积的变化，这一变化往往比热膨胀要大。例如二氧化锆在1000?C 以上为正交晶系，在1000?C 时转变为单斜晶系，并伴随剧烈的体积膨胀。这一膨胀往往会使材料崩裂。考虑材料的抗热冲击性能时，必须同时考虑弹性模量(E)、线膨胀系数(α)、导热系数(k)、拉伸强度(σ)与断裂韧性
(K1C)。例如，硅酸锂铝(LAS)就具有极低的热胀系数，尽管其导热性很低，强度与模量都很低，韧性也差，却是理想的抗热冲击材料。此外，陶瓷的孔隙率、颗粒尺寸等都是值得考虑的因素。如上所述，陶瓷中的孔隙是造成应力集中的隐患，对抗热冲击性能的影响最大。陶瓷材料也并非抗热冲击性能都差。结构比较简单的陶瓷如碳化硅，由于碳与硅的原子尺寸差不多，具有较高的导热系数，基本不受热冲击的影响。 5.4 断裂韧性
陶瓷是典型的脆性材料。陶瓷不仅脆，而且对裂缝非常敏感。我们都看见过用玻璃刀划玻璃。只要玻璃上有一道划痕，就可以从这道划痕开始使玻璃断成两半。即使是从表面上看不出裂纹，内部细小的裂纹也足以使陶瓷制品断裂。缺乏韧性是限制陶瓷应用的最大障碍，所以陶瓷的韧性受到了较多的关注。
图5-3金属与陶瓷的典型应力-应变曲线
同其它材料一样，陶瓷韧性的度量也是用临界应力强度因子K1C。K1C 有时也称作断裂韧性。1 的含义指外力作用于x 轴，产生正应力。如果外力作用的结果是产生剪应力，断裂韧性就应是K2C。测定陶瓷断裂韧性的方法如图5-4 所示，使用的样品有两种:单缺口试样和Chevron 试样。二者的区别仅在于开缺口的方式不同。单缺口试样是平缺口，如图5-4(b)所示。Chevron 试样开的是Chevron 缺口，如图5-4(a)所示。Chevron 缺口的好处是裂缝在扩展过程中的扩展速率越来越慢，因为阻力越来越大。两种样品都能够直接测定断裂韧性。
5.5 辐射系数
当一个表面受到照射时，它会吸收部分或全部辐射(能量)，也会反射部分或全部辐射。被吸收的能量分数称为辐射系数(e)。黑体(理想吸收体)的辐射系数为1，理想反射体的辐射系数为零。于是我们看到，这个名称语意正相反，按照定义应该称为吸收系数。但我们仍保留其原来的字面。辐射系数也是陶瓷的一个重要性质，尤其是在高温下工作的陶瓷。内燃机涡轮金属零件上的陶瓷涂层就必须具有低导热系数与低辐射系数。这样就能对金属零件既起到化学保护作
用，又起到热保护作用。更贴近生活的一个例子是节能玻璃。也具有很低的辐射系数，在夏季能够反射更多的阳光。反过来，用于太阳能发电或取暖的设备需要吸收更多的太阳能。
6. 陶瓷的显微结构对材料物理性能的影响
陶瓷材料的显微结构和化学组成、制瓷工艺、材料性能间的关系，可用图1所示的正三角形来表征。该图从原子数量级的晶体结构特征(如键性、晶格类型等)来说明组成、工艺、性能与显微结构间的联系。具有典型的结晶化学和晶体物理学的规律性。
陶瓷材料的显微结构与材料性能间的内在联系和相互关系，为材料的改性和制备预见性能的新材料提供了途径，同时由于材料设计和陶瓷的研制和发展密切相关。
6.1 孔隙对弹性模量、强度的影响陶瓷的孔隙从两个方面影响其强度。第一，它会形成应力集中。圆形孔边缘上的应力为平均应力的3
倍。如果孔隙不是圆形，应力集中的情况更严重。第二，孔隙的存在减小了实际截面积，材料所承受的负荷高于表观上的应力。因此，孔隙度越高，陶瓷的强度和模量也就越低。孔隙度小时，弹性模量随气孔率的增加而直线地减小，要制备高强度的陶瓷，必须将孔隙度降至最低限度。
6.2晶粒尺寸对强度的影响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T时变形扩展(屈服)(由晶内位错塞积在晶界上引发，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(细化晶粒可同时提高材料的韧性、塑性及强度。
6.3显微结构对陶瓷材料蠕变的影响蠕变速度与应力的关系曲线有两个区域，如图,所示。在低应力下应变速率与应力成正比 (n,,)，对应于扩散蠕变;而在高应力下(,i3,4,,=,~,)，对应回复蠕变(各种氧化物的蠕变速度见图2。
陶瓷的抗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。(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(经实验证明:添加,N颗粒的多孔Si3N4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:,,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,,本身热膨胀系数较小(
6.4晶粒尺寸、晶界对陶瓷材料超塑性的影响晶粒尺寸、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。
7.近几年陶瓷材料的研究进展
纳米陶瓷
所谓纳米陶瓷, 是指陶瓷材料的显微结构中, 晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是在纳米级的水平上。纳米陶瓷复合材料通过有效的分散、复合而使异质纳米颗粒均匀弥散地保留于陶瓷基质结构中, 这大大改善了陶瓷材料的韧性、耐磨性和高温力学性能[1]。纳米陶瓷材料不仅能在低温条件象金属材料那样可任意弯曲而不产生裂纹, 而且能够象金属材料那样进行机械切削加工甚至可以做成陶瓷弹簧。纳米陶瓷材料的这些优良力学性能, 使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等多方面得到广泛应用, 并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用。纳米陶瓷在人工关节、人工骨、人工齿以及牙种植体、耳听骨修饰体等人工器官制造及临床应用领域有广阔的应用前景。此外, 纳米陶瓷的高磁化率、高矫顽率、低饱和磁矩、低磁耗, 特别是光吸收效应都将成
为材料开拓应用的新领域, 是当今材料科学研究的热点。纳米陶瓷材料的优越性能
1. 优良的力学性能
研究表明当陶瓷材料成为纳米材料后, 材料的力学性能得到极大改善, 主要表现在以下三个方面: 1)断裂强度大大提高; 2) 断裂韧性大大提高; 3) 耐高温性能大大提高。与此同时, 材料的硬度、弹性模量、热膨胀系数都会发生改变。
2.优良的光学性能
与传统的材料相比, 纳米陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外, 由于结构特殊, 使它在制备吸波材料方面具有其他常规材料所不具备的优点, 如矫顽力比较高, 可引起磁滞损耗, 界面极化, 多重散射,这些都是吸波材料所必需的, 因此纳米陶瓷材料可用来制备吸波材料, 用于武器装备高温部位的隐身。
3.优良的电学性能
高性能的电子陶瓷材料一个重要的发展趋势是:用纳米粉体作为原材料生产诸如陶瓷电容器、压电陶瓷, 将纳米材料应用到陶瓷工艺中去, 生产纳米复合或纳米改性的高技术陶瓷。
电子陶瓷
电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用。电子陶瓷材料是应用于电子技术中的各种陶瓷材料的总称，一般具有各类特殊的电学、力学、热学、磁学、声学及光学性质。电子陶瓷或
称电子工业用陶瓷，它在化学成分、微观结构和机电性能上，均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求而形成的，其中最重要的是须具有高的机械强度，耐高温高湿，抗辐射，介质常数在很宽的范围内变化，介质损耗角正切值小，电容量温度系数可以调整( 或电容量变化率可调整) ( 抗电强度和绝缘电阻值高，以及老化性能优异等。电子陶瓷广泛用于制作电子功能元件的、多数以氧化物为主成分的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。电子陶瓷材料的发展趋势
1.小型化与微型化
随着移动通信和卫星通信的迅速发展, 对器件小型化、微型化的要求越来越迫切, 而电子元器件特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源元器件, 是实现整机小型化、微型化的主要瓶颈。因此, 小型化、微型化( 包括片式化) 是目前元器件研究开发的一个重要目标, 市场需求也非常旺盛。同样, 其他功能陶瓷元器件也正向着片式化和微型化方向发展, 如多层压电陶瓷变压器、片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻等。这些片式化功能陶瓷元器件占据了当前电子陶瓷无源元器件的主要市场。从材料角度而言, 实现小型化、微型化的基础在于提高陶瓷材料的性能和发展陶瓷纳米晶技术和相关工艺, 因此, 发展高性能功能陶瓷材料及其先进制备技术是功能陶瓷的重要研究课题。
2.高频化与频率系列化
高频化是数字3C 产品发展的必然趋势。对各类电子元器件中的陶瓷材料来说, 如何适应高的工作频率是一个严峻挑战。因此, 寻找具有良好高频特性以及系列化工作频率的功能陶瓷材料, 是目前新型电子元器件领域的研究热点, 微波介质陶瓷材料及新型微波器件是其中重要的研究课题
3(集成化与模块化
当前, 手机和笔记本电脑进一步向便捷化、多功能化、全数字化和高集成及低成本方向发展, 极大地推动了电子元器件的片式化、小型化和低成本及器件组合化、功能集成化的发展进程集成化功能陶瓷元器件是以低温共烧陶瓷(LTCC) 为平台, 采用多层陶瓷技术将电容、电感和电阻材料嵌入集成在低温共烧陶瓷基板中, 形成无源集成陶瓷器件。基于LTCC 技术的功能陶瓷集成器件已开始应用于移动通信终端设备中。
4(无铅化与环境协调性
近年来, 随着环境保护和人类社会可持续发展的需求, 研发新型环境友好的铁电压电陶瓷已成为发达国家致力研发的热点材料之一。
8. 特种陶瓷的应用举例
特种陶瓷由于化学成分、结构的特点，使其具有良好的特性，通常具有一种或多种功能。被广泛的应用在电子技术、计算机技术、空间技术、能源工程等高、精、尖科技领域。以下是特种陶瓷在汽车上的应用:
一、陶瓷汽车发动机上应用新型陶瓷碳化硅氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用氧化铝陶瓷相比，强度其三倍以上，能耐1000摄氏度以上高温，新材料推进了汽车上新用途开发。采用新型陶瓷涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越耐热性，而比重却只有金属涡轮约三分之一。因此，新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低缺点。其他正进行研究有:采用新型陶瓷活塞销活塞环等运动部件。由于重量减轻，发动机效率可望得到提高。
二、特种敏感陶瓷汽车传感器上应用对汽车用传感器要求能长久适用于汽车特有恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、。声、废气)，并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜优良电磁、光学机能，近年来随着制造技术进步而得到充分利用，敏感陶瓷材料制成传感器完全能够满足上述要求。
三、陶瓷汽车制动器上应用对汽车用传感器要求能长久适用于汽车特有恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、。声、废气)，并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜优良电磁、光学机能，近年来随着制造技术进步而得到充分利用，敏感陶瓷材料制成传感器完全能够满足上述要求。
四、陶瓷汽车减振器上应用高级轿车减振装置综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应电致伸缩效应研制成功智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件，
这种减振器具有识别路面且能做自我调节功能，可以将轿车因粗糙路面引起振动降到最低限度。
五、陶瓷材料汽车喷涂技术上应用近年来，航天技术广泛应用陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。这种技术优点?热效果好、能承受高温高压、工艺成熟、质量稳定。为达到低散热目标，可对发动机燃烧室部件进行陶瓷喷涂，如活塞顶喷氧化锆，缸套喷氧化锆。经过这种处理发动机可以降低散热损失、减轻发动机自身质量、减小发动机尺寸、减少燃油消耗量。
六、智能陶瓷材料汽车应用作为特种陶瓷产品分类智能陶瓷材料，其包括汽车制造使用对环境敏感且能对环境变化作出灵敏反应材料，目前已成为材料科学及工程领域研究焦点。汽车减震装置:利用智能陶瓷产品正压电效应、逆压电效应研制出智能减震器，具有识别路面并自我调节功能，可将粗糙路面对汽车形成震动减到最低限度，整个感知与调节过程只需要20秒。另外，采用智能陶瓷材料制成减震装置还可以推广应用汽车产品之外领域，如使用到精密加工稳固工作平台等。汽车智能雨刷:利用钛酸钡陶瓷压阻效应制成智能陶瓷雨刷，可以自动感知雨量，自动将雨刷调节到最佳速度。汽车有源消声陶瓷材料:由压电陶瓷拾音器、谐振器、模拟声线圈数字信号处理集成电路组成有源消声陶瓷材料，可把汽车震动频率降低到500赫兹以下。此外，还可以利用智能陶瓷材料开发出智能安全系统与智能传输系统，如安全气囊，也使用了智能陶瓷元件。现代智能陶瓷材料开发研究与市场，已经处方兴未艾时期，同时它应用已经不仅限于汽车工业，而且对造船、建筑、机械、家电、航天、国防等工业领域产生重要影响，将大大提高各类机械与电子产品智能与自动化水平。
参考文献:
《陶瓷材料学陶瓷材料学陶瓷材料学陶瓷材料学》第二版周玉编著雷延全主审科学出版社
《陶瓷材料导论》曹茂盛、李大勇等主编哈尔滨工程大学出版社
《硅酸盐学报——陶瓷材料的显微结构》田雨霖《显微结构对陶瓷材料物理性能的影响》郭大宇《材料导论中文全书》
《陶瓷材料凸显优势信息产业引领未来》燕来荣《电子陶瓷材料的研究应用现状及其发展趋势》石成利
《纳米陶瓷材料的性能及其应用》江炎兰;梁小蕊《陶瓷的热物理性质》刘达权
《关于陶瓷材料的脆性问题》郭景坤
智慧树知到《材料学概论》章节测试答案 绪论 1、材料让我们成为人，而我们用语言赋予材料生命，这句话对吗? A:对 B:错 答案:对 2、材料与人类发展：“材料-时代”对吗？ A:对 B:错 答案:对 3、“物质-有用的物品就是材料“这句话对吗？ A:对 B:错 答案:对 4、材料学的基本思想是？ A:尺度之上 B:应用为王 C:物质 答案:尺度之上,应用为王 5、“材料是一种物质，但并不是所有的物质都是材料”这句话对吗？ A:对 B:错
答案:对 第一章 1、珠光体的含碳量是 A:0.77% B:2.11% C:6.69% 答案:0.77% 2、亚共析钢加热成奥氏体后冷却转变成 A:珠光体+铁素体 B:珠光体 C:铁素体 答案:珠光体+铁素体 3、将铁碳合金加热成奥氏体后在空气中冷却的热处理方式，称为 A:回火 B:退火 C:淬火 答案:退火 4、生铁、熟铁、钢的主要化学成分均为Fe，但他们之间的性能差别显著，主要原因是其中（）不同 A:珠光体含量 B:硬度 C:含碳量 答案:含碳量
5、金属中原子的排列方式 A:面心立方 B:体心立方 C:秘排六方 答案:面心立方,体心立方,秘排六方 第二章 1、生产普通陶瓷的主要矿物原料是 A:：石英、粘土、长石 B:高岭土、碳酸盐 C:粘土、石英、烧碱 答案:：石英、粘土、长石 2、陶瓷坯料采用可塑成型的方法手工成型时，需要控制其含水量在（）范围之内，以保证坯体良好的塑形效果。 A:15~25% B:28~35% C:7~15% 答案:15~25% 3、构成敏感陶瓷的主要物质属于（）类。 A:导体 B:绝缘体 C:半导体 答案:半导体
泰山学院课程考试专用 泰山学院 材料与化学工程系 2012级 材料化学专业 （本）科 2013～2014学年 第二学期 《材料科学概论》试卷 A （试卷共5页，答题时间120分钟） 一、填空题（每空 1 分，共 20 分） 1、材料学就是研究材料的 、 、 、 之间关系的科学。 2、结构材料常见的失效形式： 、 、 、 。 3、晶体分 大晶系， 种布拉菲格子。 4 、钢号“20”表示含碳量 %的碳素钢。 5、热处理是将固态金属或合金在一定介质中 、 和 以改变整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。 6、复合材料按增强体分 、 、 7 、晶体缺陷分为三种： 、 、 。 二、判断题（每小题 1分，共 10分） 1、铸铁中的合金元素Cr 属于阻碍石墨化元素。 （ ） 2、磷在钢中溶于铁素体内，产生“热脆性”。 （ ）
3、键能高的材料，线膨胀系数小。（） 4、石灰属于水硬性胶凝材料。（） 5、水泥标号是根据水泥水化3天的抗压强度确定的。（） 6、纤维增强复合材料中，纤维越细，材料强度越高。（） 7、在金属基复合材料中，石墨/铝复合材料具有最高的比强度、比模量。（） 8、树脂基复合材料是目前应用最广、消耗量最大的一类复合材料。（） 9、溶胶-凝胶法是制备纳米材料的一种物理方法。（） 10、奥氏体是碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体。（） 三、简答题（每题 5分，共 30 分） 1、复合材料主要性能特点？ 2、纤维增强复合材料复合强化的条件？
3、提高陶瓷材料强度及减轻脆性的途径？ 4、什么是退火及正火？作用是什么？ 5、金属基复合材料的界面类型及界面结合形式？ 6、材料的分类？
纳米陶瓷材料的初步了解 罗杰无机1001 摘要：本文主要介绍了纳米陶瓷材料的制备方法、特性、一些当前的应用和前景 前言 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服 陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反应而形成耐高温陶瓷涂层的材料。作为一名无机专业的学生，我认为纳米陶瓷将会是本专业的一个极有前景的发展方向，也可能是将来我们自己所要研究的方向，因此我把自己的short parper 的主题放在了这。 纳米陶瓷的制备 纳米陶瓷的制备工艺主要包括纳米粉体的制备、成型和烧结。目前世界上对纳米陶瓷粉体的制备方法多种多样，其中主要分为两类：物理方法和化学方法。其中物理方法有：惰性气体冷凝法、电子蒸发法、激光剥离法等等；化学方法有：化学气相沉积法、沉淀法、溶胶一凝胶法等等。但应用较广且方法较成熟的主要有气相合成和凝聚相合成2种。 1、气相合成：主要有气相高温裂解法、喷雾转化法和化学气相合成法，这些方法较具实用性。化学气相合成法可以认为是惰性气体凝聚法的一种变型，它既可制备纳米非氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体。这种合成法增强了低温下的可烧结性，并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度。原料的坩埚中经加热直接蒸发成气态，以产生悬浮微粒和或烟雾状原子团。原子团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及蒸发室内的惰性气体的压强来控制，粒径可小至3～4nm，是制备纳米陶瓷最有希望的途径之一。 2、凝聚相合成（溶胶一凝胶法）：是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物，通过控制PH值、反应温度等条件让其水解、聚合，经
陶瓷工艺学. 马铁成主编中国轻工业出版社2011 陶瓷及其复合材料周张健编著北京理工大学出版社2007 陶瓷生产工艺知识问答张长海编著化学工业出版社2008 现代陶瓷材料及技术曲远方主编华东理工大学出版社2008 陶瓷矿物原料与坯釉配方应用刘属兴, 刘维良, 夏光华编著化学工业出版社2008 陶瓷-金属复合材料-第2版李荣久主编冶金工业出版社2004 陶瓷工艺学张锐主编化学工业出版社2007 陶瓷矿物原料与岩相分析主编刘属兴武汉理工大学出版社2007 陶瓷材料显微结构与性能张金升 ... [等] 编著化学工业出版社2007 陶瓷镀层(日)竹田博光编思远出版社1993.9 陶瓷表面技术周元康, 孙丽华, 李晔编著国防工业出版社2007 陶瓷材料学周玉编著科学出版社2004 实用陶瓷材料手册张玉龙, 马建平主编化学工业出版社2006.7 陶瓷制品检测及缺陷分析顾幸勇, 陈玉清主编化学工业出版社2006 中国陶瓷综述朱裕平编著山东美术出版社2006 陶瓷－金属材料实用封接技术高陇桥编著化学工业出版社2003 陶瓷添加剂应用技术俞康泰编著化学工业出版社2006 陶瓷材料的强韧化穆柏春 ... [等]著冶金工业出版社2002 陶瓷色釉料与装饰导论俞康泰编著武汉工业大学出版社2001 .陶瓷材料力学性能导论(美)格林著 陶瓷添加剂沈一丁, 李小瑞编著化学工业出版社2004 41.陶瓷滚动轴承王军著东北大学出版社2000 陶瓷材料断裂力学龚江宏著清华大学出版社2001 .陶瓷克里斯·莱夫特瑞上海人民美术出版社2004 陶瓷制品造型设计与成型模具杨裕国编著化学工业出版社2006 .陶瓷材料表面改性技术曾令可, 王慧编著化学工业出版社2006 .陶瓷材料导论主编关长斌, 郭英奎, 赵玉成哈尔滨工程大学出版社2005 .陶瓷材料概论何贤昶著上海科学普及出版社2005.9 .陶瓷－金属材料实用封接技术高陇桥编著化学工业出版社2005.4 .陶瓷纤维崔之开编著化学工业出版社2004 陶瓷材料力学性能导论David J.Green著清华大学出版社2003 .陶瓷腐蚀(美)罗纳德A·麦考利著冶金工业出版社2003
复习 特种陶瓷—材料的结构—．材料科学—无机非金属材料—失效—特种陶瓷— 硅酸盐水泥—热处理—纳米材料 判断题 1. 低碳钢的硬度及塑性均比高碳钢的高。错 2. 橡胶是在高弹态下使用的高分子材料。对 3. 玻璃是一种晶体材料，它具有透光性、抗压强度高、但脆性大的特点。错 4. 位错、空位、间隙原子都是实际晶体中的点缺陷。错 5. 什么是材料？如何进行分类? 材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质。 6. 什么是材料的成分？什么是材料的组织？什么是材料的结构？ 材料的成分是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数（w），也可以用粒子数分数表示。材料的组织是指在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反应各组成相形态、尺寸和分布的图像。材料的结构主要是指材料中原子的排列方式。 7. 材料科学与工程的四大要素是什么？ 材料成分，结构，工艺，性能。 8. 传统陶瓷坯料常见的成形方法及生产工艺？ 9. 什么是高分子材料？高分子材料具有哪些性能特点？ 高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的。力学性能：最大的特点是高弹性和黏弹性。电性能：绝大多数高分子材料为绝缘体。热性能：绝热性。 10. 什么叫复合材料？按基体材料分为哪几类？ 复合材料指由两种或更多种物理性能、化学性能、力学性能和加工性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。复合材料可分为基体相和增强相。按基体分为树脂基、金属基陶瓷基。
11. 陶瓷由哪些基本相组成？它们对陶瓷的性能有什么影响？ 晶体相、玻璃相、气相。 12. 简述提高陶瓷材料强度及减轻脆性的途径？ 13. 按照用途可将合金钢分为哪几类？机器零部件用钢主要有哪些？ 可分为结构钢，工具钢，特殊钢和许多小类。 轴，齿轮，连接件。 14. 材料典型的热处理工艺有哪些？什么叫回火? 退火、正火、淬火、回火。 钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。 15. 什么是特种陶瓷？阐述其与传统陶瓷的区别 特种陶瓷是以高纯化工原料和合成矿物为原料，沿用传统陶瓷的工艺流程制备的陶瓷，是一些具有各种特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。 16 .谈谈你对材料的认识，材料的未来发展趋势
一、填空题： 1.原子间的键合可分为化学键和物理键两大类。其中化学键包括离子键、金属键和共价键。 2.铁碳合金可按含碳量来分类，含碳量低于2.11%的为碳钢（含碳量低于0.0218&的为工业纯铁），含碳量大于2.11%的为铸铁。 3.以锌为唯一的或主要的合金元素的铜合金称为黄铜。 4.传统上，陶瓷的概念是指所有以黏土为主要原料与其他天然矿物质原料经过粉碎加工、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。 5.按照陶瓷坯体结构不同和坯体致密度不同，把陶瓷制品分为两大类陶器和瓷器。 6.陶瓷的微观结构是指晶体结构类型、对称性、晶格常数、原子排列情况及晶格缺陷等，分析京都可达数挨。 7.陶瓷的显微结构是指在光学显微镜（如金相显微镜、体式显微镜等）或是电子显微镜（SEM/TEM）下观察到的陶瓷内部的组织结构，也就是陶瓷的各种组成（晶相、玻璃相、气相）的形状、大小、种类、数量、分布及晶界状态、宽度等，观察范围为微米数量级。 8.高聚物的静态粘弹性行为表现有蠕变、应力松弛。 9.聚合物在溶液中通常呈无规线团构象，在晶体中呈锯齿形或螺旋形。 10.制作碳纤维的五个阶段分别是拉丝、牵伸、稳定、碳化和石墨化。 11.复合材料通常有三种分类法，分别是增强材料、基体材料、纤维材料。 12.所谓纳米材料，从狭义上说，是有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。从广义上说，纳米材料是指晶粒或晶界等显微构造等达到纳米尺寸（<100nm）的材料。 13.信息材料是指与信息技术相关，用于信息收集、储存、处理、传输和显示的各类功能材料。 二、名称解释： 1.加工硬化：金属随变形程度的增大，强度和硬度上升而塑性和韧性下降的现象。 2.热处理：p67 3.白口铸铁：p81 4.玻璃相：p127 5.晶体相：p126 6.气相：p128 7.结构陶瓷：p117 8.功能陶瓷：p118 9.球晶：p164 10.取向：高分子链在特定的情况下，沿特定方向的择优平行排列，聚合物呈各向异性特征。 11.液晶态：p165 12.复合材料：p175 13.碳纤维：p181 14.拉挤成型：在牵引设备下，将浸渍树脂的连续显微或其织物通过成型模加热使树脂固化、生产复合材料型材的工艺方法。 15.干法缠绕：是采用经过预浸胶处理的预浸沙或带在缠绕上，经加热软化至粘液态后缠绕到芯模上。16.智能材料：p221 17.超导现象：p228 三、简答题 1.固态金属具有什么特征？P5 2.简述含碳量对碳钢力学性能的影响。答：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 3.钢的普通热处理工艺有哪些？分别有什么作用？P76 4.简述铝及铝合金的特点及应用。P97 5.特种陶瓷材料与传统陶瓷材料的区别是什么？P116 6.玻璃相的主要作用是什么?p127气相的形成原因是什么？P128 7.反应烧结和热压烧结的主要优缺点是什么？P135 8.简述陶瓷材料烧结前干燥的目的？P132 8.成型对坯料提出哪些方面的要求？烧结应满足哪些要求？P132~133 9.简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。填充：廉价、颗粒状填料，降低成本。例：PVC中添加碳酸钙粉末。增强：纤维状或片状增强体，提高复
、填空题： 1.材料性质的表述包括力学性能、物理性质和化学性质。 2.化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。 3.材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。 4.材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、制备/加工和结构/成分。 5.按组成和结构分，材料分为金属材料，无机非金属材料，高分子材料和复合材料。 6.高分子材料分子量很大，是由许多相同的结构单元组成，并以共价键的形式重复连接而成。 7.复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。 8.聚合物分子运动具有多重性和明显的松弛特性。 9.功能复合材料是指除力学性能以外，具有良好的其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料。如有光， 电，热，磁，阻尼，声，摩擦等功能。 10.材料的物理性质表述为光学性质、磁学性质、电学性质和热学性质。 11.由于高分子是链状结构，所以把简单重复（结构）单元称为链节，简单重复（结构）单元的个数称为聚合 度。 12.对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为 增强体与基体的互补。（ppt-复合材料，15 页） 13.影响储氢材料吸氢能力的因素有：（1）活化处理；（2）耐久性（抗中毒性能）； （3）抗粉末化性能；（4）导热性能；（5）滞后现象。 14.典型热处理工艺有淬火、退火、回火和正火。 15.功能复合效应是组元材料之间的协同作用与交互作用表现出的复合效应。复合效应表现线性效应和非线性效 应，其中线性效应包括加和效应、平均效应、相补效应和相抵效应。 16.新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。 17.功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。功能高分 子材料的制备主要有以下三种基本类型： ①功能小分子固定在骨架材料上； ②大分子材料的功能化； ③已有功能高分子材料的功能扩展； 18.材料的化学性质主要表现为催化性能和抗腐蚀性。 19.1977 年，美国化学家MacDiarmid ，物理学家Heeger 和日本化学家Shirakawa 首次发现掺杂碘的聚乙炔具 有金属的导电特性，并因此获得2000 年诺贝尔化学奖。 20.陶瓷材料的韧性和塑性较低，这是陶瓷材料的最大弱点。 第二部分名词解释 1.高分子的柔顺性
氧化锆陶瓷 摘要：本文介绍了氧化锆的基本性质、氧化锆超细粉体的制备方法、高性能氧化锆陶瓷材料的成型工艺以及其在各领域的应用情况。 关键词：氧化锆；高性能陶瓷；制备；应用 材料所处的环境极为复杂，材料损坏引起事故的危险性不断增加，研究与开发对损坏能自行诊断并具有自修复能力的材料是十分重要而急迫的任务，氧化锆就是具有这种功能的智能材料！ 一、名称：氧化锆陶瓷，ZrO2陶瓷，Zirconia Ceramic 二、种类及特点 纯ZrO2为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般含有HfO2，不易分离。世界上已探明的锆资源约为1900万吨，氧化锆通常是由锆矿石提纯制得。在常压下纯ZrO2共有三种晶态：单斜氧化锆（m-ZrO2）、四方氧化锆（t-ZrO2）和立方氧化锆（c-ZrO2），上述三种晶型存在于不同的温度范围，并可以相互转化： 单斜（Monoclinic）氧化锆（m-ZrO2）<950℃ 5.65g/cc 四方（Tetragonal）氧化锆（t-ZrO2）1200-2370℃ 6.10g/cc 立方（Cubic）氧化锆（c-ZrO2）>2370℃ 6.27g/cc 三、增韧原理 氧化锆增韧的方法,主要是利用氧化锆的相变才能达到的!. 部分稳定ZrO2陶瓷在烧结冷却过程中，ｔ－ZrO2晶粒会自发相变成m－ZrO2，引起体积膨胀，在基体中产生微裂纹，相变诱导的微裂纹会使主裂纹扩展时分叉或改变方向而吸收能量，使主裂纹扩展阻力增大，从而使断裂韧性提高。这种机理称微裂纹增韧。主要增韧方法有：应力诱导相变增韧、微裂纹增韧、残余应力增韧、表面增韧以及复合增韧等。 其中t-ZrO2转化为m-ZrO2相变具有马氏体相变的特征，并且相变伴随有3%～5%的体积膨胀。不加稳定剂的ZrO2陶瓷在烧结温度冷却的过程中，就会由于发生相变而严重开裂。解决的办法是添加离子半径比Zr小的Ca、Mg、Y等金属的氧化物。 材料中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中仍保持四方相形态，当材料受到外应力的作用时，受应力诱导发生相变，由t相转变为m相。由于ZrO2晶粒相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，从而提高了材料的强度和韧性。相转变发生之处的材料组成一般不均匀，因结晶结构的变化，导热和导电率等性能随之而变，这种变化就是材料受到外应力的信号，从而实现了材料的自诊断。 对氧化锆材料压裂而产生裂纹，在300℃热处理50h后，因为t相转变为m 相过程中产生的体积膨胀补偿了裂纹空隙，可以再弥合，实现了材料的自修复。 四、氧化锆粉体的制备 ZrO2超细粉体的制备技术 锆英石的主要成分是ZrSiO4，一般均采用各种火法冶金与湿化学法相结合的工艺，即先采用火法冶金工艺将ZrSiO4破坏，然后用湿化学法将锆浸出，其中间
材料科学与工程导论 1 本课程的基本概念: 材料科学虽然是一门基础科学, 可是它涉及到诸如本课程的基本概念: 表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论; 同时也与信息科学、生命科学、深海和深空科学等现代科学技术紧密相连。 1.1材料与人类文明一、材料与人类文明发展( 历史贡献) --石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代…… 陶器( china) 1.陶器出現是人类跨入新石器时代的重要标志之一, 2.据当前已知的考古资料, 中国的陶器制作至少已80 以上的历史。 青铜: 第一种合金 1.青铜, 古称金或吉金, 是红铜与其它化学元素( 锡、镍、铅、磷等) 的合金。 2.史学上所称的”青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。 3.到春秋战国時期, 齐国工匠总结科技经验写成的《考工记》一书中, 提出了「金有六齐」, 这是世界科技史上最早的冶铜经验总结。 二、材料与人类现代文明 －－材料是发展高科技的先导和基石 ( 一) 支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术 1.材料科学与技术 2.生物科学与技术 3.能源科学与技术 4.信息科学与技术 * 其中材料是基础! 材料的应用: 计算机与材料; 飞机和材料;复合科学材料能源。 ( 二) 新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。 1.主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料;
2.嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料; 3.Si 半导体材料为代表的太阳能电池材料; 4.铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。 1.2 材料科学概论 化学成分不同的材料其性能也不相同。但对于同一成分的材料, 经过不同的加工工艺也能够使其性能发生极大的变化。*可见, 除化学成分外, 材料内部的结构和组织状态也是决定材料性能的重要因素。 *材料科学与工程( MSE ) 四要素:材料的合成与制备;成分与组织结构;材料特性;服役行为与使用寿命。 * 性能: 工程材料的性能主要是指材料的使用性能和工艺性能。 一使用性能: 材料的使用性能是指在服役条件下, 能保证安全可靠工作所必备的性能, 其中包括材料的力学性能、物理性能和化学性能。 ①力学性能:主要包括工程材料的强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能。 ②物理性能:主要包括工程材料的熔点、密度以及电、磁、光和热性能。 ③化学性能:是指工程材料在环境作用下的耐腐蚀和抗老化性能。 ( 一) 、力学性能——材料在外加载荷( 外力或能量) 作用下或载荷环境因素( 温度、介质和加载速率) 联合作用下表现出来的行为。 －主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。 机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。 指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。1、材料的强度(strength)—材料所能承受的极限应力。 物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。公式: σ=P/F o 单 位: 单位: MPa(MN/mm 2 ) ( 1) 屈服强度σs( yield strength) 和条件屈服强度σ0.02
材料学导论陶瓷材料 《材料科学导论》课程学习报告 —关于陶瓷材料学习的体会 1. 陶瓷材料概论 说到陶瓷,在许多人的印象中,是一种坚硬易碎的物体,缺乏韧性,缺乏塑性。许多陶瓷学家把陶瓷看成是用无机非金属化合物粉体,经高温烧结而成,以多晶聚集体为主的固态物。这一定义虽然同时指出了材料的制备特征和结构特征,但却把玻璃、搪瓷、金属陶瓷等摒除在外。所以,陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。 2. 陶瓷材料的发展 陶瓷是人类最早利用自然界提供的原料制造而成的材料。旧石器时代,人们就发现经火煅烧过的粘土,其硬度和强度都大大提高,而且不再被水瓦解。于是,就有了利用粘土的可塑性,将其加工成所需的形状,然后用火烧制成的陶器。随着金属冶炼术的发展,人类掌握了通过鼓风机提高燃烧温度的技术,并且发现,有一些经高温烧制的陶器,由于局部熔化变得更加致密坚硬,完全改变了陶器多孔,透水的缺点。经过长期的摸索和经验积累,以粘土,石英,长石等矿物原料配制而成的瓷器出现了。 从陶器发展到瓷器,是陶瓷发展过程中的一次重大飞跃。这种传统的瓷器,从结构上来看,是由玻璃相结合在一起的、由许多微小的晶 粒构成的物体。 随着科学技术的高速发展,人们迫切需要大量强度很高,绝缘性能良好的陶瓷材料。此时,人们发现,尽管陶瓷中的玻璃相使陶瓷变得坚硬、致密,然而它却妨碍了
陶瓷强度的提高。同时,玻璃相也是陶瓷绝缘性能,特别是高频绝缘性能不好的根源。于是,玻璃相含量比传统陶瓷低的一些强度高,性能好的材料不断涌现。现在,许多科学与技术方面使用的高性能陶瓷(High performance Ceramics)都是几乎不含有玻璃相的结晶态陶瓷。为了有别于传统陶瓷,称之为先进陶瓷(Advanced Ceramics)或高技术陶瓷(High Tech Ceramics);有时也称为精细陶瓷(Fine Ceramics)或工程陶瓷(Engineering Ceramics)。 3. 陶瓷材料的定义 陶瓷的传统定义:陶器和瓷器的总称,包括玻璃,搪瓷,耐火材料,砖瓦,水泥,石膏等。 陶瓷的狭义定义:以粘土为主要原料，经高温烧制而成的制品。 陶瓷的广义定义:经高温烧制而成的无机非金属材料的总称。 陶瓷的精确定义:用天然原料或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。 4. 陶瓷材料的分类陶瓷材料按照性能可大致分为普通陶瓷和特种陶瓷。 1. 普通陶瓷:原料: 粘土、石英和长石。 特点:坚硬而脆性较大、绝缘性和耐腐蚀性极好;制造工艺简单，成本低廉，各种陶瓷中用量极大。 分类:普通陶瓷又分为普通日用陶瓷和普通工业陶瓷。 (1) 普通日用陶瓷:特点:作日用器皿和瓷器，具有良好的光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。分类:长石质瓷(国内外常用的日用瓷，作一般工业瓷制品)、绢云母质瓷(我国的传统日用瓷)、骨质瓷(近些年得到广泛应用，主要作为高级日用瓷制品)和滑石质瓷(我国发展的综合性能好的新型高质瓷)。 (2) 普通工业陶瓷:特点:普通工业陶瓷有炻器和精陶。炻器是陶器和瓷器之间的一种瓷。分类:工业陶瓷按用途分为:建筑卫生瓷(用于装饰板，卫生间装置和器
《材料学概论》课程大纲 2015年3月 第1讲材料的支柱和先导作用 1.1材料的定义和分类，选择材料的标准 1.1.1 材料的定义——材料、原料、物质之间的关系 1.1.2 判断物质是否为材料的依据 1.1.3 材料的分类 1.1.4 材料生命周期的循环 1.2材料的重要性 1.2.1 材料是人类社会进步的标志 1.2.2 材料是当代文明的根基 1.2.3 材料是各类产业的基础 1.2.4 先进材料是高新技术的核心 1.2.5 新材料是国家核心竞争力的体现 1.2.6 材料可以“点石成金，化腐朽为神奇” 1.2.7 “制造材料者制造技术”，材料可以“以不变应万变” 1.2.8 复合材料和功能材料大大扩展了材料的应用领域 1.3材料科学与工程四面体 1.3.1 材料科学与工程的定义和学科特点 1.3.2 材料科学与工程四要素 1.3.3 重视材料的加工和制造 1.3.4 提高材料的性能永无止境 1.4材料与创新 1.4.1 关注材料的最新应用——强调发展，注重创新 1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料 1.4.3 新材料如何适应技术创新和产业创新 第2讲材料就在元素周期表中（一） 2.1元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布 2.1.1 门捷列夫元素周期表——最伟大的材料事件 2.1.2 元素周期表中120种元素综合分析 2.1.3 原子的核外电子排布（1）——量子数和电子轨道 2.1.4 原子的核外电子排布（2）——电子排布的三个准则 2.2过渡族元素、稀土元素和镧系元素 2.2.1 过渡族元素——d或f亚层电子未填满的元素
第1 章原子结构与键合 决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律，原子集合体的形貌特征等。 物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的。 原子结构中的电子结构——决定了原子键合的本身。 1.1 原子结构 1.1.1 物质的组成 一切物质是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒。分子的体积很小，如H2O分子的直径约为0.2 nm。而分子的质量则有大有小：H2分子是分子世界中最小的，它的相对分子质量只有2，而天然高分子化合物——蛋白质可高达几百万。 分子是由一些更小的微粒——原子所组成的。在化学变化中，分子可以再分成原子，而原子却不能再分，原子是化学变化中的最小微粒。量子力学中，原子并不是物质的最小微粒。它具有复杂结构。原子结构直接影响原子间的结合方式。 1.1.2 原子的结构 原子由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成。原子的体积很小，原子直径约为10–10 m 数量级，原子核直径为10–15 m 数量级。原子的质量主要在原子核内。每个质子和中子的质量大致为1.67×10–24 g，电子的质量约为9.11×10–28 g，为质子的1/1836。原子呈电中性。原子核带正电（质子带正电，中子不带电），电子带负电（1.6022×10–19 C），电子和质子数目相等。原子核与电子的结合力为静电力。 1.1.3 原子的电子结构 电子云：电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围。 电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。能量低的，通常在离核近的区域（壳层）运动；能量高的，通常在离核远的区域运动。 原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定： （1）主量子数n 决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层，只限于正整数1，2，3，4，……量子壳层用一个大写英文字母表示。 n = 1为最低能级量子壳层，最靠近核的轨道，K壳层，n = 2，3，4等依次为L，M，N壳层等。 （2）轨道角动量量子数l 给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，……，n-1。 钠原子结构中K、L和M量子壳层的电子分布 n = 2，有两个轨道角动量量子数l2 = 0 和l2 = 1，即L壳层中，根据电子能量差别，还包含有两个电子亚层。常用小写的英文字母来标注对应于轨道角动量量子数l i的电子能级（亚层）： l i：0 1 2 3 4 能级：s p d f g 在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的。不同电子亚层的电子云形状不同，如s亚层的电子云是以原子核为中心的球状，p亚层的电子云是纺锤形…… （3）磁量子数m i 给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。每个l i下的磁量子数的总数为2l i + 1。对于l i = 2 的
We live in a world of material possessions,that largely define our social relationships and economic quality of life .we distinguish six categories that encompass the materials available to practicing engineers:metals,ceramics,glasses,polymers,composites,and semiconductors. Ceramics is the most ancient material that widely used as the engineering material since about 8000 years ago.and it also be developed for the airspace and electronics industries.Ceramics can be divided into two categories:structual ceramic and fuctional ceramic . the raw materials of trantional ceramic contains clay,kaolinite,montmorillonite and other materials that can improve and change the property of ceramics.there materials are abundent and economical,many of the traditional ceramics that we use are made of these materials called silicates.With the development of the ceramic,it has been more and more advanced . When we first discuss a material,we often talk about it’s structual and property and then application.The structure of ceramic cotains three phases:crystal phase,glass phase and gaseous phase(i.e.pore)Because it’s crystal structual,ceramics often called crystalline ceramics by looking at the SiO2-based silicates.It’s network of the structure contribute to the property of it’s s pecial hardness and excellent temperature resistance and other phsical and chemical properties.The role of glass phase is to fill the crystalline gap,improve the density,lower the sintering temperature and
《复合材料结构设计基础》最新题库 一、填空题 1.复合材料按复合效果可分为_______、__________复合材料。 2.复合材料使用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或组元），通过 ______而成的，具有___________材料。 3.复合材料按基体材料性质分可分为_______、__________及陶瓷基复合材料 4.纤维复合材料中常用作防弹背心的材料主要有芳纶纤维和____________。 5.玻璃纤维常用作增强体，缺点主要有_______、__________及易受机械损伤。 6.碳纤维常用作增强体，缺点主要有_______、__________及价格较高。 7.芳纶纤维常用作增强体，缺点主要有_______、__________。 8.复合材料的加工主要有_______、__________、_______、__________及颗粒复合材料加 工。 9.晶须是含缺陷很少的_______材料。 10.结构用金属基复合材料基体要求有_______、__________。 11.复合材料界面相的作用有_______、__________及传递作用等。 12.复合材料增强体的作用有_______、__________。 二、判断题 1.混合材料就是复合材料（） 2.草梗合泥筑墙是古代利用复合材料的见证（） 3.复合材料的组成是性能的唯一决定因素（） 4.复合材料组成中增强体起增加强度、改善性能的作用（） 5.聚合物基复合材料中聚合物所起的作用包括保护纤维、分配载荷（） 6.碳纤维比强度高，肯定可以作为防弹材料（） 7.晶须是含缺陷很少的单晶纤维材料（） 8.粉末压制成型属于复合材料加工范畴（） 9.晶须是直径 0.1～10μm，长径比 5～1000单晶纤维材料（） 10.颗粒增强体也称为刚性颗粒增强体（） 11.延性颗粒增强体主要为金属颗粒（） 12.芳纶纤维具有吸湿性（） 13.碳纤维具有抗氧化性，生产过程中无需防护（） 14.玻璃纤维耐磨性差，在混合过程中应注意防护（） 15.芳纶纤维大量次价键的存在赋予其高比强度和比模量（） 16.超高分子量聚乙烯具有高抗冲击性能，可以作为防弹背心材料（） 17.碳纤维抗氧化处理中最好采用添加陶瓷材料（） 18.爆炸连接工艺属于层状复合材料制备范畴（） 19.手糊工艺是复合材料加工制备中较为简单的工艺（） 20.纳米复合材料是复合材料发展的新方向（） 三、选择题 1.复合材料的发展历程上，下列哪一项是与古代复合材料发展相对应的 _________。
《复合材料结构设计基础》部分题库 一、填空题 1.复合材料按复合效果可分为_______、__________复合材料。 2.复合材料使用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或组元），通过 ______而成的，具有___________材料。 3.复合材料按基体材料性质分可分为_______、__________及陶瓷基复合材料 4.纤维复合材料中常用作防弹背心的材料主要有芳纶纤维和____________。 5.玻璃纤维常用作增强体，缺点主要有_______、__________及易受机械损伤。 6.碳纤维常用作增强体，缺点主要有_______、__________及价格较高。 7.芳纶纤维常用作增强体，缺点主要有_______、__________。 8.复合材料的加工主要有_______、__________、_______、__________及颗粒复合材料加 工。 9.晶须是含缺陷很少的_______材料。 10.结构用金属基复合材料基体要求有_______、__________。 11.复合材料界面相的作用有_______、__________及传递作用等。 12.复合材料增强体的作用有_______、__________。 二、判断题 1.混合材料就是复合材料（） 2.草梗合泥筑墙是古代利用复合材料的见证（） 3.复合材料的组成是性能的唯一决定因素（） 4.复合材料组成中增强体起增加强度、改善性能的作用（） 5.聚合物基复合材料中聚合物所起的作用包括保护纤维、分配载荷（） 6.碳纤维比强度高，肯定可以作为防弹材料（） 7.晶须是含缺陷很少的单晶纤维材料（） 8.粉末压制成型属于复合材料加工范畴（） 9.晶须是直径 0.1～10μm，长径比 5～1000单晶纤维材料（） 10.颗粒增强体也称为刚性颗粒增强体（） 11.延性颗粒增强体主要为金属颗粒（） 12.芳纶纤维具有吸湿性（） 13.碳纤维具有抗氧化性，生产过程中无需防护（） 14.玻璃纤维耐磨性差，在混合过程中应注意防护（） 15.芳纶纤维大量次价键的存在赋予其高比强度和比模量（） 16.超高分子量聚乙烯具有高抗冲击性能，可以作为防弹背心材料（） 17.碳纤维抗氧化处理中最好采用添加陶瓷材料（） 18.爆炸连接工艺属于层状复合材料制备范畴（） 19.手糊工艺是复合材料加工制备中较为简单的工艺（） 20.纳米复合材料是复合材料发展的新方向（） 三、选择题 1.复合材料的发展历程上，下列哪一项是与古代复合材料发展相对应的 _________。
概述了氧化铝陶瓷基复合材料，并且对其一般的生产工艺金属间、氧化铝陶瓷基复合材料以及其应用领域作了介绍， 前言 氧化铝(Al2O3) 陶瓷材料具有耐高温、硬度大、强度高、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性能, 是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料。但是与其他陶瓷材料一样,该陶瓷具有脆性这一固有的致命弱点,使得目前Al2O3 陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。近年来, 在氧化铝陶瓷中引入金属铝塑性相的Al/Al2O3 陶瓷基复合材料是一个非常活跃的研究领域。 概述 金属间化合物的结构与组成它的两组元不同, 具有序的超点阵结构, 各组元原子占据点阵的固定位置, 最大程度地形成异类原子之间结合。由于其原子的长程有序排列以及金属键和共价健的共存性, 有可能同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度。在力学性能上, 有序金属间化合物填补了陶瓷和金属之间的材料空白区域。有序金属间化合物中, Ti - Al、Ni - Al、Fe - Al 和Nb-Al系等几个系列的多种铝化物更是特别受到重视。这些铝化物具有优异的抗氧化性、抗硫化腐蚀性和较高的高温强度, 密度较小, 比强度较高。 由于在空气中铝粉极易氧化而在表面形成Al2O3 钝化膜,使Al 粉和Al2O3 颗粒之间表现出很差的润湿性,导致烧结法制备Al/Al2O3 陶瓷材料烧结困难, 影响复合材料的机械性能[5]。挤压铸造和气压浸渍工艺浸渍速度快, 但是预制体中的细小空隙很难进一步填充[ 6], 而后发展的无压渗透工艺操作复杂,助渗剂的选择随意, 且作用机理复杂, 反而增加了工艺控制难度[7]。20世纪80年代初, 美国Lanxide公司提出了一种制备陶瓷基复合材料的新工艺定向金属氧化技术( DirectedMetal Ox-idation, 简称DMOX)。该工艺是在高温下利用一定阻生剂限制金属熔体在其他5个方向的生长, 使金属熔体与氧化剂反应并只单向生长即定向氧化。采用该方法制备的Al/ Al2O3 陶瓷材料在显微结构上表现为由立体连通的-Al2O3 基体与三维网状连通的残余金属和不连续的金属组成, 由于Al2O3 晶间纯净, 骨架强度高于烧结、浸渍等工艺制得的同类材料的强度[ 9]同时, 三维连通的金属铝具有良好的塑性, 从而使该复合材料具有更为良好的综合机械性能。
材料？ 材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。 材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。 材料的分类及类型 1. 按化学组成（或基本组成）分类：金属、非金属、高分子、复合 2. 按服役领域分类：按使用性能分为：结构材料(受力，承载)、功能材料(半导体，超导体以及光、电、声、磁等) 3. 按材料尺寸分类：三维、二维、一维、零维材料 4.按结晶状态分类：单晶、多晶、非晶态、准晶材料 沿晶断裂与穿晶断裂 裂纹在晶粒内部扩展，并穿过晶界进入相邻晶粒继续扩展直至断裂称为穿晶断裂；裂纹沿晶界扩展导致断裂称为沿晶断裂 磨损的定义及分类 在机件表面互相接触并作相对运动产生的摩擦过程中，会有微小颗粒从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，这种表面损伤现象即为磨损。 根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可以分为：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损及疲劳磨损。结构材料的失效及常见的失效形式 材料在外加载荷和环境的作用下，会逐渐损失原有的物理、化学或力学性能，直至不能继续服役，这一现象称为失效。 结构材料常见的失效形式有如下4种：1. 过量变形2. 断裂3. 磨损4. 腐蚀 材料在国民经济中的地位及作用 ★材料的发展史，就是人类社会的发展史。材料的发展史，就是科学技术的发展史。 ★材料是当代文明的三大支柱之一。材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。 ★材料是全球新技术革命的四大标志之一。新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。断裂韧度衡量材料在裂纹存在的情况下抵抗脆性撕裂的能力。 固溶体：加盟组元原子占据基本组元原子晶体所占位置的一部分或他们之间的某些空隙而仍保持基本组元的晶体结构，这种晶体便称为固溶体，加盟组元称为溶质，基本组元称为溶剂。 Fe-C相图有什么作用 碳在铁碳合金中的作用主要反映在铁碳相图上。 铁素体：碳与α相(BCC)铁形成的间隙固溶体。 奥氏体：碳与γ相(FCC)铁形成的间隙固溶体。