陶瓷系列-1-微观结构与力学性能复习过程

1、陶瓷系列-1-微观结构与力学性能一、陶瓷材料的微观结构一、陶瓷材料的微观结构、玻璃、玻璃晶体晶体 玻璃玻璃 冷却速度须使金属不产生晶核也不发生晶核长大须使金属不产生晶核也不发生晶核长大晶体形成温度与时间的关系晶体形成温度与时间的关系冷却速度高于冷却速度高于临界冷却速度临界冷却速度以上时，金属以上时，金属不再发生结晶不再发生结晶C曲线曲线时间Tm温度液体开始结束结晶玻璃、玻璃、玻璃非晶态合金块材制备方法非晶态合金块材制备方法 大块非晶合金主要通过调整成分来获得强的非晶形成能力。大块非晶合金主要通过调整成分来获得强的非晶形成能力。Inoue 等人提出了三条简单的经验性规律：等人提出了三条简单的经验

2、性规律： 合金系由三个以上组元组成；合金系由三个以上组元组成； 主要组元的原子有主要组元的原子有12%以上的原子尺寸差；以上的原子尺寸差； 各组元间有大的负混合热；各组元间有大的负混合热； 为了控制冷却过程中的非均匀形核：为了控制冷却过程中的非均匀形核：一要提高合金的纯度，减少杂质；二一要提高合金的纯度，减少杂质；二要采用高纯惰性气体保护，尽量减少要采用高纯惰性气体保护，尽量减少含氧量。含氧量。、玻璃、玻璃腓尼基人生活在今天地中海东岸 Na2CO3NaHCO32H2O 、玻璃、玻璃原料：纯碱、石灰石、石英原料：纯碱、石灰石、石英主要成分主要成分 Na2OCaO6SiO23000多年前，洲腓尼商

3、船载多年前，洲腓尼商船载着块状的着块状的Na2CO3NaHCO32H2O。由于海水落潮，商船搁浅了，由于海水落潮，商船搁浅了，于是船员们纷纷登上沙滩。有于是船员们纷纷登上沙滩。有的船员还抬来大锅，搬来木柴，的船员还抬来大锅，搬来木柴，并用几块并用几块“天然苏打天然苏打”作为大作为大锅的支架，在沙滩（碳酸钙、锅的支架，在沙滩（碳酸钙、二氧化硅）上做饭。二氧化硅）上做饭。、玻璃、玻璃公元前公元前80002000年（新石器时代）就发明了陶年（新石器时代）就发明了陶器。用陶土烧制的器皿叫陶器，用瓷土烧制的器皿器。用陶土烧制的器皿叫陶器，用瓷土烧制的器皿叫瓷器。陶瓷则是陶器，炻器和瓷器的总称。叫瓷器。陶

4、瓷则是陶器，炻器和瓷器的总称。 、陶瓷、陶瓷黏土、陶瓷、陶瓷高岭土高岭土（即观音土）是富含高岭石这一矿物的土壤的名称，而高岭石的主要成分是Al2032Si022H20、陶瓷、陶瓷地壳中元素含量、陶瓷、陶瓷黏土的主要成分、陶瓷、陶瓷、陶瓷、陶瓷、陶瓷、陶瓷1） 晶粒 是陶瓷材料的主要组成相硅酸盐硅酸盐 硅酸盐硅酸盐是传统陶瓷的主要晶相。是传统陶瓷的主要晶相。 氧化物氧化物 氧化物是大多数典型陶瓷，特别是特种陶瓷的主要组氧化物是大多数典型陶瓷，特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相。最重要的氧化物晶体相有成和晶体相。最重要的氧化物晶体相有AO、AO2、A2O3、ABO3和和AB2O4等（等（A、B表示阳

5、离子）表示阳离子）。非氧化物非氧化物 是指不含氧的金属碳化物、氮化物、硅化物及硼化是指不含氧的金属碳化物、氮化物、硅化物及硼化物等，它们是新型陶瓷物等，它们是新型陶瓷,特别特别是金属陶瓷的主要晶相和晶体相。是金属陶瓷的主要晶相和晶体相。主主要由高键能的共价键结合，但也有离子键和金属键。要由高键能的共价键结合，但也有离子键和金属键。、陶瓷、陶瓷1)填充晶体相之间的空隙，并将分散的晶相粘结起来，提高材料的致密度；2)降低烧结温度，促进烧结；3)玻璃相粘度高，阻止晶体转变，抑制晶体长大；4)获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。美国和欧洲一些国家的文献已将美国和欧洲一些国家的文献已将“Ceramic”

6、一词一词理解为各种无机非金属固体材料的通称。理解为各种无机非金属固体材料的通称。、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷玻璃的微晶学说玻璃的微晶学说1921年年列别捷夫列别捷夫在研究硅酸盐玻璃时发在研究硅酸盐玻璃时发现，玻璃加热到现，玻璃加热到573时其折射率发生急时其折射率发生急剧变化，而石英正好在剧变化，而石英正好在573发生发生型型的转变。在此基础上他提出玻璃是高分的转变。在此基础上他提出玻璃是高分散的晶子的集合体，后经瓦连柯夫等人散的晶子的集合体，后经瓦连柯夫等人逐步完善。逐步完善。微晶的尺度在微晶的尺度在2nm左右左右、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷透明微晶玻璃微晶玻璃炉具面板、是玻璃还是陶

7、瓷、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷反常现象一：反常现象一：有的微晶玻璃不透明有的微晶玻璃不透明在光照条件下：在光照条件下：黑色的材料容易吸热黑色的材料容易吸热金属材料容易吸热金属材料容易吸热为什么？为什么？、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷透不过的光去了哪里（透射、透不过的光去了哪里（透射、反射、散射反射、散射）1、转化为晶格振动（晶格热容）、转化为晶格振动（晶格热容）2、将电子激发到高能级（电子热容）。金、将电子激发到高能级（电子热容）。金属的能级连续，所以各种能量的光子来者不属的能级连续，所以各种能量的光子来者不拒，以至于不透明。拒，以至于不透明。、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是

8、陶瓷透不过的光去了哪里（透射、透不过的光去了哪里（透射、反射、散射反射、散射）3、- Al2O3单晶体是良好的对红外线、可见光透明的材料。但是以 - Al2O3为主晶相的多晶陶瓷通常并非如此。原因是材料中存在尺度与红外线、可见光波长相当的缺陷（如玻璃相、气孔、杂质相等）、晶界，引起透入光被不断地被散射、反射、折射、干涉甚至被吸收，最后基本被消耗在材料内部。、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷透不过的光去了哪里（透射、透不过的光去了哪里（透射、反射、散射反射、散射）红宝石：主要成分是氧化铝红宝石：主要成分是氧化铝(Al O )。红色来自铬。红色来自铬(Cr)，主要为主要为Cr2O3，含量一般，含量一

9、般0.13%，最高者达，最高者达4%、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷透不过的光去了哪里（透射、透不过的光去了哪里（透射、反射、散射反射、散射）主要成分是氧化铝（主要成分是氧化铝（Al O ）。）。蓝色是由于其中混有少量钛（蓝色是由于其中混有少量钛（Ti）和铁（和铁（Fe）杂质所致。蓝宝石的）杂质所致。蓝宝石的颜色，可以有粉红、黄、绿、白、颜色，可以有粉红、黄、绿、白、甚至在同一颗石有多种颜色甚至在同一颗石有多种颜色材料呈蓝色，是由于它反射（激发材料呈蓝色，是由于它反射（激发跃迁），是由跃迁），是由于其与波长的光由于各种原因被吸收了。于其与波长的光由于各种原因被吸收了。、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还

10、是陶瓷反常现象二反常现象二：可机械加工可机械加工 可用标准金属加工工具和设备进行车、铣、刨、磨可用标准金属加工工具和设备进行车、铣、刨、磨 、钻、锯、钻、锯切和攻丝等加工。切和攻丝等加工。、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷、是玻璃还是陶瓷二、结构陶瓷二、结构陶瓷v 结构陶瓷具有结构陶瓷具有耐高温、耐磨耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐冲、耐腐蚀、耐冲刷、抗氧化、耐烧蚀、高温下蠕变小等优异性刷、抗氧化、耐烧蚀、高温下蠕变小等优异性能，可以承受能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境的严酷工作环境，因而广泛应用于能源、航空，因而广泛应用于能源、航空航天

11、、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。航天、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。F使用领域使用领域 机械陶瓷 热机陶瓷 生物化工陶瓷通常根据结构陶瓷的使用领域和组分来对其进行分类: 核陶瓷及其他二、结构陶瓷二、结构陶瓷F按组分分类按组分分类 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷氧化物陶瓷v 氧化物陶瓷材氧化物陶瓷材料的原子结合以料的原子结合以离子键为主离子键为主，存，存在部分共价键，在部分共价键，因此具有许多优因此具有许多优良的性能。大部良的性能。大部分氧化物具有很分氧化物具有很高的熔点，一般高的熔点，一般都在都在20002000o oC C附近。附近。氧化铝陶瓷SiO2添加SiO2

12、作为助烧剂，在1600度形成液相，有利于烧结Al2O3与氧化铝形成液相的物质及出现液相的最低温度形成液相的物质出现液相的最低温度(oC)BeO1900CaO1400CeO21750MgO1930ThO21750TiO21720ZrO21700 氧化铝陶瓷 以Al2O3为主成分。 氧化铝陶瓷为结构陶瓷中典型材料。通常应用于需要承受机械应力的结果用零件，尤其是利用其高熔点、高硬度、耐腐蚀、电绝缘性好等特性，作为苛刻条件下使用的结构件。氧化铝陶瓷v 透明氧化铝陶瓷 - Al2O3单晶体是良好的对红外线、可见光透明的材料。但是以 - Al2O3为主晶相的多晶陶瓷通常并非如此。原因是材料中存在尺度与红外

13、线、可见光波长相当的缺陷（如玻璃相、气孔、杂质相等）、晶界，引起透入光被不断地被散射、反射、折射、干涉甚至被吸收，最后基本被消耗在材料内部。氧化铝陶瓷 通过以下方法可改善氧化铝的透光性： 提高密度，以减少气孔； 限制气孔的尺寸，使其不与透过光干涉； 限制晶粒尺寸（减少晶粒尺寸），从而提高均匀性。 提高材料的纯度，以减少玻璃相和杂质相。 具体措施：采用高纯、细的Al2O3粉为原料(一般用硫酸铝氨热分解法生产的高纯Al2O3粉体为原料)，掺杂MgO(0.5wt%),在氢气氛下烧结。MgO作为助烧剂的作用机制MgO的作用与其加入量有关：当加入量不超过MgO在Al2O3中的固溶度（0.3wt%）时，固

14、溶反应：2MgO 2MgAl +2O0 x+V0生成氧空位，有利于氧的固相扩散传质，从而促进烧结当MgO的加入量大于固溶度时，未溶解部分与Al2O3反应：MgO +Al2O3MgOAl2O3(尖晶石) 尖晶石是新的化合物。尖晶石颗粒分布于Al 2O3主晶相的晶界上，阻碍晶界移动（称之为钉扎晶界），从而阻碍由于晶界移动过快导致的气孔进入晶粒内部的情形发生。 气孔在晶界上通过晶界扩散更容易排除。钉扎晶界的结果还可以细化晶粒。p烧结气氛气氛对99瓷烧结的影响(1650 烧结) 还原气氛或原子尺寸小的气氛对烧结更有利。还原气氛的影响机理是增加了氧空位，促进了扩散过程。 又有实验表明，氨分解气氛、氢气氛

15、会加速晶粒的异常长大，故建议最好的气氛为氩气或空气。 这些实验结果有些矛盾，说明实际情况有些复杂。如果没有晶粒的异常长大，可以认为采用还原气氛烧结还是有利的。氧化锆陶瓷氧化锆具有一定的韧性，使该材料机械性能大幅提高，尤其是室温韧性非常优异，因此作为热机、耐磨机械部件受到广泛的关注； 此外，利用氧化锆的离子导电特性，还开发了氧化锆在氧传感器、燃料电池及发热元件等方面的应用。氧化锆陶瓷1、离子键具有方向性、离子键具有方向性2、位错运动会产生畴界、位错运动会产生畴界氧化锆陶瓷v 氧化锆晶体结构及相变特性氧化锆晶体结构及相变特性 氧化锆存在三种稳定的多型体：单斜相（m-ZrO2 ）、立方相（c-ZrO

16、2 ）和四方相（t -ZrO2 ）。氧化锆的基本物理性能应力诱导相变增韧氧化锆陶瓷 应力诱发相变氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 微裂纹增韧机制：微裂纹弥散分布于陶瓷基体上。这些裂纹是由四方氧化锆颗粒转变为单斜氧化锆颗粒时体积膨胀所致。当有一个大裂纹扩展通过时，大裂纹前端的微小裂纹也产生扩展，化解掉外力做的功。微裂纹增韧只增加韧性，对强度有损害；应力诱发相变增微裂纹增韧只增加韧性，对强度有损害；应力诱发相变增韧，既增加韧性也增加强度。韧，既增加韧性也增加强度。氮化物陶瓷v 氮化物陶瓷材料：室温和高温强度高、硬度高、氮化物陶瓷材料：室温和高温强度高、硬度高、耐磨蚀性和良好的抗热冲击及机械冲击性能，被材料耐磨

17、蚀性和良好的抗热冲击及机械冲击性能，被材料科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良，最有希科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良，最有希望代替镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用望代替镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用的一种新材料。的一种新材料。v氮化物陶瓷的缺点是氮化物陶瓷的缺点是抗氧化能力差。抗氧化能力差。氮化铝陶瓷氮化铝发现于1842年，最初用于固氮剂及冶炼铝及铝合金的耐火材料。由于氮化铝陶瓷具有高热导率（理论热导率320W/mK），与硅相匹配的热膨胀系数，无毒、密度低、比强度高的特点，近年来，氮化铝陶瓷作为新一代信息材料受到了广泛的关注，成为微电子工业中电路基板和封装的最理想材

18、料。纯铜398 W/m.K氮化铝陶瓷 氮化铝（AlN）是一种人造材料，在自然界中并不存在。强度极大的共价键使得氮化铝具备高熔点，且凭借共价键之共振声子传递热能，使得氮化铝同时具备高热传导特性。氮化铝为少数热导率高的非金属固体，因其符合：（1）原子键强（反例：气体导热性差）（2）晶体结构简单；（3）晶格震动谐振性高氮化铝陶瓷 在电子工业方面的应用： 氮化铝具有高的热导率、低的介电常数、绝缘以及与硅相接近的热膨胀系数等特点，使其在电子工业中的应用日益受到重视。过去的基片材料采用Al2O3，而AlN的热导率是Al2O3的510倍，更适合大规模集成电路要求。BeO材料虽具有优异的热导性能，但其剧毒性限制了它的工业中的广泛应用。金刚石虽导热性能优良，但其价格昂贵，不宜用作基片材料。在目前的非金属导热材料中， AlN陶瓷的综合性能良好，非常适用于电子工业。碳化物陶瓷v 碳化物陶瓷的主要特点：v高熔点，例如TiC的熔点为3460oCv较高的硬度，例如碳化