陶瓷材料的结构实用教案

1、2.1 2.1 金属材料的结构金属材料的结构(jigu)(jigu)与组织与组织2.1.1 2.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 1.1.晶格晶格(jn )(jn )、晶胞与晶、晶胞与晶格格(jn )(jn )常数常数 图2-1 晶格(jn )构造模型第1页/共35页第一页，共35页。2. 2.晶面与晶向晶面与晶向 图2-2 立方(lfng)晶格中的一些晶面 第2页/共35页第二页，共35页。3. 3.金属金属(jnsh)(jnsh)晶晶体的类型体的类型 (1)体心(t xn)立方晶格 (2)面心立方晶格(3)密排六方晶格 图2-3 体心立方(lfng)晶胞 图2-4 面心立方(lfn

2、g)晶胞 图2-5 密排六方晶胞 第3页/共35页第三页，共35页。2.1.2 2.1.2 金属金属(jnsh)(jnsh)的实际晶体结构的实际晶体结构 1.1.单晶体和多晶体单晶体和多晶体 图2-6 单晶体和多晶体结构示意图第4页/共35页第四页，共35页。2. 2.实际实际(shj)(shj)金属的晶金属的晶体缺陷体缺陷 (1)(1)点缺陷点缺陷 空位空位(kn wi)(kn wi)间隙原子间隙原子图2-7 空位和间隙(jin x)原子示意图 第5页/共35页第五页，共35页。(2)(2)线缺陷线缺陷(quxin) (quxin) 刃型位错:刃型位错如图2-8（a）所示。图2-8 刃型位错

3、示意图 第6页/共35页第六页，共35页。 螺型位错:螺型位错如图2-9所示。图2-9 螺型位错示意图第7页/共35页第七页，共35页。(3)(3)面缺陷面缺陷(quxin) (quxin) 面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，第三个方向上尺寸很小而呈面状分布的缺陷。面缺陷主要(zhyo)是指金属中的晶界和亚晶界。 晶界处的主要特征：晶界处的主要特征： 原子排列不规则，因此对金属的塑性变形起着阻碍作用，晶界越多，其作用越原子排列不规则，因此对金属的塑性变形起着阻碍作用，晶界越多，其作用越明显。明显。 显然，晶粒越细，晶界总面积就越大，金属的强度和硬度也就越高。所显然，晶粒越细，晶界总面积就越大，金

4、属的强度和硬度也就越高。所以在常温下使用的金以在常温下使用的金 属材料，一般总是力求获得细小的晶粒。属材料，一般总是力求获得细小的晶粒。 晶界处原子具有较高的能量，且杂质（往往是一些低熔点晶界处原子具有较高的能量，且杂质（往往是一些低熔点(rngdin)(rngdin)的杂质）的杂质）较多，因此其熔点较多，因此其熔点(rngdin)(rngdin)较低，有时还未加热到金属的熔点较低，有时还未加热到金属的熔点(rngdin)(rngdin)，晶，晶界处就已先熔化了。界处就已先熔化了。 晶界处原子能量较高而容易满足固态相变所需要的能量起伏，因此新相往往在晶界处原子能量较高而容易满足固态相变所需要的

5、能量起伏，因此新相往往在旧相晶界处形核。晶粒越细小，晶界越多，新相的形核率就越高。旧相晶界处形核。晶粒越细小，晶界越多，新相的形核率就越高。晶界处有较多的空位，因此原子沿晶界的扩散速度较快。晶界处有较多的空位，因此原子沿晶界的扩散速度较快。 晶界处电阻较高，且易被腐蚀。晶界处电阻较高，且易被腐蚀。 第8页/共35页第八页，共35页。 总之，实际金属的晶体结构不是理想完整的，而是存在(cnzi)着各种晶体缺陷，并且这些缺陷在不断地运动变化着，金属中的许多重要变化过程，都是依靠晶体缺陷的运动来进行的，并且金属的许多性能也都与晶体缺陷密切相关。 第9页/共35页第九页，共35页。2.1.3 2.1.

6、3 合金合金(hjn)(hjn)的晶体结构的晶体结构 1.合金(hjn)的基本概念 （1）合金(hjn) （2）组元 （3）相 第10页/共35页第十页，共35页。2.2.固溶体固溶体 根据溶质原子(yunz)在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两大类。 (1)间隙固溶体 如图2-10(a)所示。 (2)置换固溶体 如图2-10(b)所示。图2-10 晶格(jn )结构模型第11页/共35页第十一页，共35页。 2.1.4 2.1.4 金属材料的组织金属材料的组织(zzh) (zzh) 1.组织的概念组织的概念2.组织的决定因素组织的决定因素 3.组织与性能组织与性能(xn

7、gnng)的关系的关系 不同组织结构的材料具有不同的性能不同组织结构的材料具有不同的性能(xngnng)图2-11 两种晶粒大小不同(b tn)的纯铁示意图 综上所述，金属材料的成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。第12页/共35页第十二页，共35页。2.2 2.2 高分子材料的结构高分子材料的结构(jigu)(jigu)与性能与性能 2.2.1 高分子材料的结构高分子材料的结构 1.大分子链的构成大分子链的构成 (1)化学组成化学组成 组成大分子链的化学元素，主要是碳、氢、氧，另组成大分子链的化学元素，主要是碳、氢、氧，另外外(ln wi)还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等，其中还有氮、

8、氯、氟、硼、硅、硫等，其中碳是形成大分子链的主要元素。碳是形成大分子链的主要元素。 大分子链根据组成元素不同可分为三类，即碳链大大分子链根据组成元素不同可分为三类，即碳链大分子、杂链大分子和元素链大分子。分子、杂链大分子和元素链大分子。第13页/共35页第十三页，共35页。(2)(2)形态形态(xngt(xngti) i) 大分子链呈现不同(b tn)的几何形状，主要有线型、支化型和体型三类，如图2-12所示。 线型分子链；支化型分子链；体型(网型或交联型)。 图2-12 大分子链的形态(xngti)第14页/共35页第十四页，共35页。(3)(3)空间空间(kngjin)(kngjin)构构

9、型型 图2-13 所示为乙烯聚合物常见的三种(sn zhn)空间构型。图2-13 乙烯(y x)聚合物的立体异构第15页/共35页第十五页，共35页。2. 2.大分子链的构象大分子链的构象(u (u xin)xin)及柔性及柔性 图2-14 分子(fnz)链的内旋转示意图第16页/共35页第十六页，共35页。3. 3.高分子材料高分子材料(cilio)(cilio)的聚集的聚集态态 图2-15为聚合物三种(sn zhn)聚集态结构示意图。 图2-15 聚合物三种聚集(jj)态结构示意图第17页/共35页第十七页，共35页。2.2.2 2.2.2 高分子材料高分子材料(cilio)(cilio)

10、的性能的性能 1.1.高分子材料高分子材料(cilio)(cilio)的物理性能和化学的物理性能和化学性能特点性能特点 (1)(1)绝缘性绝缘性 (2)(2)耐热性耐热性 (3)(3)耐蚀性耐蚀性 (4)(4)老化老化 第18页/共35页第十八页，共35页。2.2.高分子材料高分子材料(cilio)(cilio)的力的力学性能学性能 (1)高聚物的物理、力学状态 线型非晶态高聚物的三种力学状态为玻璃(b l)态、高弹态和黏流态。 如图2-16所示。 图中Tb为脆化温度、Tg为玻璃(b l)化温度、Tf为黏流温度、Td为分解温度。 图2-16 线型非晶态高聚物在恒定载荷(zi h)下的变形-温度

11、曲线第19页/共35页第十九页，共35页。(2)(2)高分子材料高分子材料(cilio)(cilio)的的力学性能特点力学性能特点 高聚物的性能由硬脆、强硬、强韧、柔韧而缓慢地发生变化，其应力应变曲线如图2-17所示。有机玻璃具有这类典型的变化规律。 图2-18为高聚物在不同加载速度(sd)时的应力应变。高聚物大都服从这种规律。 图2-17 非晶态高聚物在不同温度时的 应力(yngl)-应变曲线 图2-18 高聚物在不同加载速度时的 应力-应变曲线 第20页/共35页第二十页，共35页。 黏弹性:应变与应力同步(tngb)发生，或应变与应力同时达到平衡，如图2-19(a)所示。 应变不仅决定于

12、应力，而且决定于应力作用的速率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后，如图2-19(b)所示。图2-19 应力、应变与时间(shjin)的关系 第21页/共35页第二十一页，共35页。蠕变(r bin)（如图220所示）。 图2-20 蠕变(r bin)前、后分子构象变化示意图 应力(yngl)松弛 如图221所示。图2-21 应力松弛过程中分子构象变化示意图第22页/共35页第二十二页，共35页。滞后(zh hu)与内耗 高聚物受周期性载荷时，产生伸-缩的循环应变，如图2-22所示。图2-22 橡胶在一个承载周期中的应力(yngl)-应变曲线第23页/共35页第二十三页，共35页。 图图

13、2-232-23可以看出可以看出(kn ch)(kn ch)高聚物的变形特高聚物的变形特点。点。A A点为初始状态，点为初始状态，B B点为屈服点，点为屈服点，C C点为断裂点。点为断裂点。图2-23 高聚物的应力-应变(yngbin)曲线 B点所对应的屈服(qf)应变较大，比金属大得多。 缩颈变形阶段很长，C点所对应的断裂伸长量较大。第24页/共35页第二十四页，共35页。2.3 2.3 陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构(jigu)(jigu)与性能与性能 2.3.1 陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构 按照组织形态陶瓷材料分为三类。按照组织形态陶瓷材料分为三类。 无机无机(wj)玻璃即硅酸盐玻璃玻璃

14、即硅酸盐玻璃 微晶玻璃即玻璃陶瓷，是单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料。微晶玻璃即玻璃陶瓷，是单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料。 陶瓷（晶体陶瓷）陶瓷（晶体陶瓷） 第25页/共35页第二十五页，共35页。陶瓷的典型组织(zzh)结构包括：晶体相（莫来石和石英）玻璃相气相 1.晶体(jngt)相 （1）硅酸盐 硅酸盐基本结构具有以下特点: 构成硅酸盐的基本单元为硅氧四面体结构，如图2-24所示;硅氧四面体只能通过共用(n yn)顶角而相互结合; Si4+通过 O2-结合， SiOSi的结合键在氧上的键角接近于145 ; 稳定的硅酸盐结构中，硅氧四面体采取最高空 间维数互

15、相结合; 硅氧四面体采取比较紧密的结构结合; 同一结构中硅氧四面体最多只相差1个氧原子。 图2-24 硅氧四面体结构第26页/共35页第二十六页，共35页。 (2) (2)氧化物氧化物 图2-25所示为几种典型(dinxng)氧化物的结构。图2-25 几种(j zhn)典型氧化物的结构第27页/共35页第二十七页，共35页。(3)(3)非氧化合物非氧化合物 图2-26所示为各种( zhn)非氧化合物的结构。 图2-26 各种( zhn)非氧化合物的结构第28页/共35页第二十八页，共35页。2.2.玻璃玻璃(b (b l)l)相相 玻璃(b l)相的作用包括: 黏连晶体相，填充晶体相间空隙，提

16、高材料致密度; 降低烧结温度，加快烧结速度; 阻止晶体转变，抑制其长大; 获得透光性等玻璃(b l)特性; 不能成为陶瓷的主导相第29页/共35页第二十九页，共35页。3. 3.气相气相 图2-28 气孔对陶瓷强度(qingd)的影响 气相是陶瓷内部残留(cnli)的孔洞，其成因复杂，影响因素多。陶瓷根据气孔率分为致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，气孔对陶瓷的性能不利，它降低了陶瓷的强度，常常是造成裂纹的根源(图2-28)，所以应尽量降低气孔率。一般普通陶瓷的气孔率为5 %10% ;特种陶瓷在5 %以下;金属陶瓷则要求低于0.5 %。 第30页/共35页第三十页，共35页。2.3.

17、2 2.3.2 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能(xngnng) (xngnng) 1.陶瓷的物理和化学陶瓷的物理和化学(huxu)性能性能 (1)热膨胀性能热膨胀性能 (2)导热性导热性 (3)热稳定性热稳定性 (4)化学化学(huxu)稳定性稳定性 (5)导电性导电性 第31页/共35页第三十一页，共35页。 2.2.陶瓷的力学性能陶瓷的力学性能 (1)(1)刚度刚度 (2)(2)硬度硬度(yngd) (yngd) (3)(3)强度：晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多强度：晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多(1(11%)1%)。如图。如图2-292-29所示。所示。2.3.2 2.3.2 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能(xngnng) (xngnng) 图2-29 晶格(jn )构造模型第32页/共35页第三十二页，共35页。 总之，陶瓷材料的性能特点是:具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度(wnd)急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。 第33页/共35页第三十三页，共