6无机非金属材料学课件-第三章第四节-陶瓷基本特征VIP

第四节陶瓷的基本特性,第四章陶瓷,一.陶瓷的密度,密度的影响因素,密度的计算与测量,结晶学密度或者理论密度可以从晶体结构数据库和所含元素的相对质量通过计算得到。,陶瓷体在烧结后的体积密度通常采用阿基米德排水法计算。,二.陶瓷的热性能,研究陶瓷热性能的意义,比热、热导、热膨胀热稳定性、热应力、抗热震性,陶瓷材料多在较高温度下烧结，部分陶瓷材料应用于高温环境或温度变化较大的环境。,陶瓷材料，特别是氧化物陶瓷的热稳定性好，但热应力较大，因此提高其抗热震性能是拓宽先进陶瓷应用的重要措施。,比热,比热：单位质量物体温度升高1所需的热量,C=Q/(mT),比热的单位为J.kg-1K-1,摩尔热容：1mol物质温度升高1所需的热量,摩尔热容的单位为J.mol-1K-1,热膨胀,固体长度的改变量与温度的改变量近似成正比，比例系数为线热膨胀系数，单位为()-1或K-1,l=(dl/l)(1/dT),l代表线度,如果将线度l换成体积V，就得到体膨胀系数,V=(dV/VdT),V代表体积,说明：对于各向异性的材料，需要在三个方向上的热膨胀系数分量进行描述，如单晶；对于立方晶体和各向同性的材料，则只需要一个量描述热膨胀系数，并且有：,=3l,热膨胀,温度增加时，原子之间热振动的振幅加大，导致原子平均距离增加，反之亦然。一般来说，固体结合能比较大时，其势能曲线的非对称程度小，热膨胀系数较小，反之亦然。,材料的热膨胀系数可正可负，与原子振动有关，亦即原子间排斥能的变化大于吸引能时，原子间的平均距离增大，晶体体积增加，热膨胀系数大于0，反之，热膨胀系数小于0.,热导率,热传递的三种方式,对流(液、气)、辐射(高温)、传导(固且低温),较致密的固体和温度不高时，传导是其主要传热方式,材料导热机理,材料热导率的影响因素,(1)晶体结构,材料热导率的影响因素,(2)温度,材料热导率的影响因素,(3)气孔,热导率和材料的成分、晶体结构、显微结构、密度等因素密切相关。一般地说，晶体结构越复杂，材料的热导率越低；材料的气孔率增加，则热导率降低；材料中的杂质一般会降低材料的导热性。同时，玻璃态等无序结构对热波有较强的散射，因此在制备导热陶瓷时应尽量避免使用玻璃态添加剂。,材料热导率的影响因素,根据应用场合的不同来确定对陶瓷材料热学性能的要求。对于应用于导热和散热的场合，应使用热导率高的材料，如热沉积材料氧化铍及应用于高温陶瓷热交换器的碳化硅等。对于应用于绝热隔热场合，则应选择热导率很低的材料，如多孔陶瓷等。应用于电子技术的电真空陶瓷、集成电路的基片、封装管壳等要求材料的电绝缘性能好、导热性好且与连接材料的热膨胀系数匹配，力学性能好。,基于材料热导率的一些应用介绍,热应力,热应力是指在加热和冷却过程中，材料的热膨胀和收缩受阻而产生的一种内应力，其本质是材料内部热膨胀不均匀。,陶瓷材料由于烧结温度高，又常为多相组成，晶界和晶内原子的排列也不同，因此在温度变化过程中，材料不可避免地会产生这种热应力。同时，单相材料中热膨胀系数的各向异性也会导致热应力。如果热应力超过材料的断裂强度，即会导致材料的开裂和失效。,一般来说，温度变化越激烈，材料中的热应力也越大。,三.陶瓷的机械性能,材料力学性能,研究材料在外力作用下发生弹性或塑性形变、材料抵抗形变的能力和材料失效或被破坏的规律。,离子键,共价键,混合键,脆性大、塑性差、不易加工、热震差、强度分散,硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀,优点,缺点,裂纹易扩展应力集中-陶瓷材料突然断裂,弹性,陶瓷弹性变形的本质实际上是在外力的作用下原子间距由平衡位置产生很小位移的结果。这个原子间微小的位移所允许的临界值很小，超过此值，就会产生化学键的断裂(低温下的陶瓷)或产生原子面滑移塑性变形(高温下的陶瓷)。,金属材料在室温拉伸载荷下，断裂前一般都要经过弹性变形和塑性变形两个阶段。而陶瓷材料一般都不出现塑性变形阶段，极微小的弹性变形后立即出现脆性断裂，延伸率几乎为零。,弹性变形,1）多晶材料：结晶相、玻璃态相和气孔相。对于多相材料，其弹性模量与这几种材料各自的弹性模量值以及每个材料所占的体积分数有关，可以表为：E=E1V1+E2V2+这里Vi代表各相占据的体积分数。,2）复合材料：通常有EE1V1+E2V2+这里Vi代表各相占据的体积分数。,影响陶瓷材料弹性模量的几个因素,3）材料的组成相及显微结构：,随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量急剧下降。,影响陶瓷材料弹性模量的几个因素,4）弹性模量的数值与温度关系：随温度的升高，原子间距增大，相互作用力减小，陶瓷材料的弹性模量值降低，但对某些材料也有例外，石英等材料随温度升高，弹性模量值也随之增加。,总体来说，陶瓷材料的弹性模量与组成相的种类和分布、气孔率及温度等的关系密切，而与材料中各相的晶粒大小及表面状态的关系不大，结构敏感性较小。,小结,陶瓷材料的机械强度,材料在外力作用下抵抗其破坏的能力。,陶瓷的强度,陶瓷材料的强度，特别是用作高温结构材料的强度是材料力学性能的重要表征。,陶瓷强度的特点,陶瓷材料主要由共价和离子键以及混合键结合的，因此晶体中原子或离子的任何移动都会破坏这种键结构。陶瓷材料中一般包含的原子数目较多，晶格较大，位错矢量较大，使位错较难生成，也不易滑移和增殖，因此陶瓷材料的弹性形变很小，脆性大、易断裂。陶瓷材料的强度是高度结构敏感性的，不仅取决于材料本身，还与材料的应力状态、制备方法、测量方法，以及晶体结构、微结构和晶体缺陷等密切相关。,陶瓷的强度,影响陶瓷材料强度的因素,1）气孔,陶瓷材料强度与气孔率的关系：式中，0为气孔率p为零时材料的强度，b为常数，其值在4-7之间。陶瓷材料的强度随气孔率的增加而呈指数下降。,影响陶瓷材料强度的因素,2）晶粒尺寸细化颗粒也是提高陶瓷材料强度的有效手段，但两者的强化机制并不相同。金属材料中颗粒细小形成了大量的晶界，这些晶界会阻碍位错的运动，使得材料的强度有所提高。陶瓷中晶粒细化后，材料中的晶粒数目大大增加，由于在晶界两侧的晶粒取向并不相同，裂纹移动至此往往受阻，不容易得到扩展，因此提高了材料的强度。,影响陶瓷材料强度的因素,3）夹杂物与材料强度的相关性,可沿用金属材料硬度测试方法试验方法及设备渐变，试样小而经济硬度作为材料的本身物性参数，可获得稳定的数值,陶瓷材料硬度测试的特点,维氏硬度,维氏硬度,维氏硬度,洛氏硬度,莫氏硬度,决定材料硬度的因素,晶体结构：例如金刚石和石墨，金刚石的sp3四面体键结构使其成为自然界中最硬的材料，石墨为sp2层状结构，软到可以做润滑剂和铅笔芯。晶体取向：单晶体的硬度与晶体取向有关，例如金刚石单晶的（111）密排面是硬度最大的晶面。晶粒大小：材料的硬度与晶粒大小有关，纳米晶材料的硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，纳米/纳米多层膜的硬度可以有大幅度提高，例如纳米复合膜Ti-Si-N的硬度甚至超过了金刚石的硬度。因此，设计和制造纳米复合材料有可能得到超高硬度。,40,四.陶瓷的电性能,41,平行板电容器是在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质电介质（空气也是一种电介质）,42,43,磁化率磁化强度M与磁场强度H比值M=（r-1）HH,仅与磁介质性质有关，它反映材料磁化的能力。没有单位，为一纯数。可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。,五磁性能,磁化强度A、磁化:对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性；在外磁场作用下,各磁矩规则取向，使磁介质宏观呈磁性这就叫磁化。B、磁化强度:外磁场中物质被磁化的程度.MmV,物理意义：单位体积的磁矩单位：Am-1（即与磁场强度