第一章 2 陶瓷材料的结构特点和力学性能.

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）。

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。

陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料是一类使用广泛的非金属材料，具有许多独特的力学性能特点。

相较于金属材料，陶瓷材料的硬度更高、耐磨性更好，但同时也具有脆性大、抗张强度低等特点，这使得陶瓷材料在工程应用中具有独特的优势和局限性。

强度和硬度
陶瓷材料的强度主要是指其破坏前的抗压、抗弯等性能。

一般而言，陶瓷材料的强度很高，具有很好的抗压性能，可以承受较大的外部压力。

而陶瓷材料的硬度通常也比较高，能够抵抗表面的划伤和磨损。

脆性
然而，陶瓷材料的脆性也是其在工程应用中需要考虑的重要问题。

陶瓷材料的断裂韧性很差，一旦受到较大冲击或弯曲力，则容易发生破裂。

这种脆性特点使得在设计和制造过程中需要特别小心处理，避免在使用过程中出现意外的破损情况。

热稳定性
另外，陶瓷材料还具有较好的耐高温性能，能够在高温下保持稳定的物理性质和力学性能。

这种热稳定性使得陶瓷材料在高温环境下有广泛的应用，比如航空航天领域的热屏障涂层、高温陶瓷窑炉等。

导热性和电绝缘性
陶瓷材料通常具有较高的绝缘性能，能够有效地阻止热量和电流的传导。

这使得陶瓷材料在电子元器件、绝缘材料等领域有着重要的应用。

同时，某些陶瓷材料也具有较好的导热性能，可用于制造散热元件等产品。

总的来说，陶瓷材料作为一类特殊的非金属材料，具有独特的力学性能特点。

在工程应用中，我们需要充分了解和利用陶瓷材料的各项性能，同时也要注意其脆性等缺点，以确保其在各个领域中都能发挥最佳的作用。

1。

第八章陶瓷材料第1节陶瓷材料概述第4讲陶瓷材料的性能特点先进陶瓷分类(按其性能和功能)结构陶瓷：作为工程结构材料使用的陶瓷功能陶瓷：具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷力学性能特点1硬度高510152025几种典型陶瓷材料的维氏硬度与不锈钢材料的对比图维氏硬度/G P a结构陶瓷的力学性能陶瓷材料硬度高→陶瓷材料耐磨性好→陶瓷材料可以制作刀具50100150200250300350400450几种典型陶瓷材料的弹性模量与不锈钢材料的对比图弹性模量/G P a力学性能特点2高弹性模量陶瓷材料高弹性模量陶瓷材料硬度弹性模量熔点变化规律具有一致性是其主晶相结合键能高低的外在反映弹性模量高→零件/构件的刚度好氧化铝机械加工精度高加工前加工中加工后不锈钢加工过程后发生挠曲变形，精度无法保证金属材料与陶瓷材料的应力-应变曲线(示意图)应力应变陶瓷金属力学性能特点3无塑性变形，断裂强度低陶瓷材料室温下拉伸时没有塑性变形→脆断人们常说的陶瓷强度，主要指它的断裂强度陶瓷材料的实际断裂强度和理论断裂强度对比材料理论值/MPa实测值/MPa理论/实测强度比值Al2O3(蓝宝石)4900063077.0Si3N4(热压)3770098038.5SiC(热压)4800093051.5 Si3N4(反应烧结)37700290130.5奥氏体型钢200003240 6.4陶瓷材料的实际断裂强度比理论强度低很多陶瓷材料实际断裂强度低的原因•存在不规则形状的气孔，相当于裂纹•内部组织结构复杂、和不均匀性2004006008001000120014001600几种典型陶瓷材料的抗弯强度抗弯强度/M P a陶瓷材料的强度，一般采用抗弯强度(弯曲强度)和抗压强度(压缩强度)表示采用三点弯曲测试抗弯强度示意图力学性能特点4低抗压强度高，抗弯强度低几种典型陶瓷材料的抗压强度抗压强度/M P a碳钢铸铁高速钢氧化铝(A479)单晶蓝宝石(SA100)金属陶瓷(TC30)01000200030004000•陶瓷材料抗压强度高，为抗拉强度的10~40倍•陶瓷材料承受压应力的能力大大超过拉应力的能力抗压强度测试示意图•陶瓷材料抗压强度比金属（碳钢）高力学性能特点5冲击韧性、断裂韧性低陶瓷材料是脆性材料冲击韧性~10kJ/m2几种材料的断裂韧性材料K IC/MPa∙m1/2不锈钢(SUS304)21045钢90球墨铸铁20~40氮化硅陶瓷 3.5~5氧化锆7-8氧化铝(99%)3-4K IC约为金属的1/60~1/100物理与化学性能1 较低的密度12345678密度/g ∙c m -3几种典型陶瓷材料的密度与钢的对比图2 熔点高一般在2000℃以上，陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属3化学稳定性高•抗氧化性优良，在1000℃高温下不会氧化•对酸、碱、盐有良好的抗蚀性4 热胀系数小24681012141618几种典型陶瓷材料的热膨胀系数与钢的对比图膨胀系数X 10-6/K40~400℃•随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热导率降低•多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料20406080100120140160几种典型陶瓷材料的热导率与钢的对比图导热率W /m ∙K5 热导率受材质和气孔影响大6具有特殊性能光学，电学，声学和磁学性能结构陶瓷→功能陶瓷高硬度、耐高温、耐磨损、抗热震、耐腐蚀、抗氧化密度小弹性模量大陶瓷材料性能优势脆性大，韧性差，难加工安全可靠性低陶瓷材料性能短板避免服役过程中工况：冲击载荷、大的拉应力分析服役环境，取长补短可发挥优势工况条件：高温、高压、强腐蚀、强磨损。

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。

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。