安大陶瓷材料课件03陶瓷的组织结构与性能

第三章陶瓷的组织结构与性能教学基本要求掌握陶瓷的组织结构。了解晶相、玻璃相及气相决定了陶瓷的特点及应用。了解陶瓷中玻璃相的作用。了解陶瓷的机械性能、热学性能、导电性能、耐火性能以及化学稳定性能等。

3.0教学基本要求第三章陶瓷的组织结构与性能陶瓷和金属不同，总是得到未达到平衡的组织，组织很不均匀、很复杂。传统陶瓷的典型组织结构由晶相、玻璃相和气相组成。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能在加热和冷却过程中，坯体相继发生以下四个阶段的变化：低温阶段（室温至300℃）——坯体中残余水分排除，形成大气孔。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能中温阶段（300~950℃）——黏土等矿物中结构水排除；有机物、碳素、无机物氧化及碳酸盐、硫化物等分解；石英由低温晶型转变为高温晶型。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能高温阶段（950℃至烧结温度）——多种共熔体相继出现，各组成逐渐溶解，晶体显著长大长大；原石英颗粒被溶解成残留小块；晶体被液相粘结，陶瓷坯体体积收缩、致密度提高，产生机械强度，因而实现了由坯体到陶瓷体的转变。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能冷却阶段（烧成温度至室温）——主要是原长石部分析出或长大成粗大针状二次莫来石晶体；液相则因粘度增加，质点来不及调整为晶格结构而转变为非晶态玻璃；残留石英由高温晶型向低温晶型转变。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能特种陶瓷原料一般很纯，组织较单纯。如刚玉陶瓷主要以Al2O3为成分，杂质很少，烧结时没有液相参加，在室温下的组织由一种晶相（即Al2O3颗粒）和极少量气相组成。晶相、玻璃相及气相决定陶瓷特点及应用。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能（一）晶相晶相是陶瓷的主要成分，一般数量较大，对性能的影响也较大。晶相的结构、数量、形态和分布，决定了陶瓷的主要特点和应用。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能当陶瓷中有数种晶体时，数量最多、作用最大的为主晶相。如日用陶瓷中的主晶相为莫来石。残留的石英和其它可能存在的长石为次晶相。

次晶相对性能影响也不可忽视。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能（二）玻璃相的作用将晶体颗粒粘结起来，填充晶相之间的空隙，提高材料的致密度。降低烧结温度，加速烧结过程。阻止晶体转变，抑制晶体长大。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能获得一定程度的玻璃特性，如透光性及光泽等。玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热性等是不利的，不能成为陶瓷的主导组成部分，一般含量为20~40%。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能（三）气相气相是陶瓷组织内部残留下来未排除气体，通常以气孔形式出现。

气相的形成原因比较复杂，几乎与所有原料和生产工艺的各个阶段都有密切关系，影响因素也较多。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能根据气孔含量，可将陶瓷分为致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，气孔都是不利的，它降低了陶瓷的强度和导热性能，也常常是造成裂纹的根源，应尽量减少制品中的气孔含量。

3.1陶瓷的组织结构第三章陶瓷的组织结构与性能一陶瓷的机械性能陶瓷材料化学键大都为离子键和共价键。陶瓷的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性及耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能（一）刚度刚度用弹性模量来衡量，弹性模量反映结合键的强度，所以具有强结合力化学键的陶瓷都有很高的弹性模量，陶瓷的弹性模量是材料中最高的。

一些常见材料的弹性模量见表3-1。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能材料弹性模量/Mpa材料弹性模量/Mpa橡胶6.9钢207000塑料1380氧化铝400000镁合金41300碳化钛390000铝合金72300金刚石1171000表3-1常见材料的弹性模量

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能（二）硬度硬度（hardness）是材料重要力学性能参数之一，是抵抗局部压力产生变形能力的表征。

金属材料硬度与强度之间有直接对应关系。

陶瓷材料的硬度很难与其强度直接对应起来。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能硬度与耐磨性关系密切。

陶瓷材料硬度测定方便。

在陶瓷力学性能评价中，硬度测定最普遍。常用测定值有刻痕硬度和压痕硬度两种。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能材料莫氏硬度努普硬度维氏硬度滑石，Mg3[(OH)2Si4O10]11215石膏，CaSO4·2H2O23222萤石，CaF23135150表3-2莫氏硬度与显微硬度的比较（续1）

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能材料莫氏硬度努普硬度维氏硬度方解石、大理石等，CaCO34163350赤铁矿，Fe2O35395540长石，KAlSi3O86560600石英（水晶），SiO27750710表3-2莫氏硬度与显微硬度的比较（续2）

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能材料莫氏硬度努普硬度维氏硬度黄玉，Al2[(FOH)2SiO4]81250—刚玉（红宝石、白宝石），Al2O3920002400金刚石，C108300—表3-2莫氏硬度与显微硬度的比较（续3，完）

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能维氏硬度。

显微硬度。

劳克维尔硬度。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能规程基准载荷试验载荷硬度Hr表达式(N)(kgf)A98.07N(10kgf)588.460Hr=100―h/2C1471.0150D980.710015N29.42N(3kgf)147.115Hr=100―h30N294.23045N411.345表3-3劳克维尔(Rockwell)硬度试验规程（JIS2245）

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能（三）强度陶瓷实际强度比理论值低很多，其原因：

组织中存在着晶界，如图3-1。

陶瓷实际强度受致密度、杂质和各种缺陷影响很大。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能图3-1陶瓷晶界结构示意图

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能晶界上存在晶粒间局部分离或空隙。

晶界上原子间距被拉长，键强度被削弱。

相同电荷离子靠近产生斥力，可能造成裂缝。消除晶界影响，是提高陶瓷强度基本途径。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能陶瓷弹性模量/GPa强度/MPa滑石瓷69138莫来石瓷72.4107氧化铝陶瓷（90~95%Al2O3）365.5345烧结氧化铝（~5%气孔率）365.5207~345烧结尖晶石（~5%气孔率）237.990表3-4几种典型陶瓷的弹性模量和硬度(续1)

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能陶瓷弹性模量/GPa强度/MPa烧结碳化钛（~5%气孔率）310.31103烧结硅化钼（~5%气孔率）406.9690热压碳化硼（~5%气孔率）289.7345热压氮化硼（~5%气孔率）82.848~103表3-4几种典型陶瓷的弹性模量和硬度(续2,完)

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能（四）塑性塑性变形是在剪切应力作用下由位错运动引起的密排原子面间的滑移变形。陶瓷在室温下几乎没有塑性。

陶瓷具有较高的高温强度。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能（五）韧性或脆性常温下陶瓷受载时都不发生塑性变形，就在较低应力作用下断裂，因此，韧性极低或脆性很高。陶瓷材料断裂韧性值很低，大多比金属材料低一个数量级以上，是典型的脆性材料。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能断裂包括裂纹的形成和扩展两个过程。陶瓷的脆性对表面状态特别敏感，陶瓷的表面和内部由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等原因，很容易产生细微裂纹。受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中，由于不能由塑性变形产生高的应力松弛，所以裂纹很快扩展，陶瓷表现出很高的脆性。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能脆性是陶瓷的最大缺点，是其作为结构材料被广泛应用的主要障碍。提高陶瓷的韧性，改善其脆性是当前及今后研究的重要课题。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能二

陶瓷的热学性能热膨胀。热膨胀是温度升高物质原子振动振幅增加及原子间距增大导致体积增大现象。陶瓷热膨胀系数大小与晶体结构和结合键强度密切相关。键强度高的材料其热膨胀系数很低，如金刚石、碳化硅等具有较高键强的物质，其热膨胀系数就较小。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能材料线膨胀系数(0~1000℃)/×10-6℃-1材料线膨胀系数(0~1000℃)/×10-6℃-1金刚石~3.106SiC4.7BeO9.0TiC7.4MgO13.5熔石英玻璃0.5ZrO2(稳定化)10.0尖晶石7.6莫来石5.3ZrO24.2表3-5一些材料的平均热膨胀系数

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能导热性。陶瓷热传导主要依靠原子热振动。由于几乎没有自由电子参与传热，陶瓷导热性比金属差。导热性受其组成和结构影响较大，在室温时金属材料热传导系数约在42~4187W/(m·K)之间，而硅酸盐材料热传导系数则约为4.2W/(m·K)。陶瓷中气孔对传热也是不利的，陶瓷多为较好的绝热材料。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能热稳定性。热稳定性就是抗热振性，可衡量陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用试样急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表示。热稳定性与材料的热膨胀系数和导热性等有关。陶瓷材料的热稳定性比金属的低得多，这是陶瓷的另一个主要缺点。

3.2陶瓷的性能第三章陶瓷的组织结构与性能三陶瓷的其它性能导电性。陶瓷导电性变化范围很大。大多数陶瓷是良好的绝缘体，也有一些陶瓷既是离子导体，也有一定的电子导电性，许多氧化物，例如ZnO、NiO、Fe2O3等实际上是介于导体与绝缘体之间的半导体，所以陶瓷也是重要的半导体材料。

3.2陶瓷的性能