材料結(jié)構(gòu)與性能解答(全)

1、離子鍵及其形成的離子晶體陶瓷材料的特征。答：當(dāng)一個(gè)原子放出最外層的一個(gè)或幾個(gè)電子成為正離子，而另一個(gè)原子接受這些電子而成為負(fù)離子，結(jié)果正負(fù)離子由于庫(kù)侖力的作用而相互靠近?？拷揭欢ǔ潭葧r(shí)兩閉合殼層的電子云因發(fā)生重疊而產(chǎn)生斥力。這種斥力與吸引力達(dá)到平衡的時(shí)候就形成了離子鍵。此時(shí)原子的電中性得到維持，每一個(gè)原子都達(dá)到穩(wěn)定的滿殼層的電子結(jié)構(gòu)，其總能量達(dá)到最低，系統(tǒng)處于最穩(wěn)定狀態(tài)。因此，離子鍵是由正負(fù)離子間的庫(kù)侖引力構(gòu)成。由離子鍵構(gòu)成的晶體稱為離子晶體。離子晶體一般由電離能較小的金屬原子和電子親和力較大的非金屬原子構(gòu)成。離子晶體的結(jié)構(gòu)與特性由離子尺寸、離子間堆積方式、配位數(shù)及離子的極化等因素有關(guān)。離子鍵、離子晶體及由具有離子鍵結(jié)構(gòu)的陶瓷的特性有：A、離子晶體具有較高的配位數(shù)，在離子尺寸因素合適的條件下可形成最密排的結(jié)構(gòu)；B、離子鍵沒有方向性C、離子鍵結(jié)合強(qiáng)度隨電荷的增加而增大，且熔點(diǎn)升高，離子鍵型陶瓷高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)；D、離子晶體中很難產(chǎn)生自由運(yùn)動(dòng)的電子，低溫下的電導(dǎo)率低，絕緣性能優(yōu)良；E、在熔融狀態(tài)或液態(tài)，陽離子、陰離子在電場(chǎng)的作用下可以運(yùn)動(dòng)，故高溫下具有良好的離子導(dǎo)電性。F、吸收紅外波、透過可見波長(zhǎng)的光，即可制得透明陶瓷。2、共價(jià)鍵及其形成的陶瓷材料具有的特征。答：當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)原子共享其公有電子，各自達(dá)到穩(wěn)定的、滿殼層的狀態(tài)時(shí)就形成共價(jià)鍵。由于共價(jià)電子的共享，原子形成共價(jià)鍵的數(shù)目就受到了電子結(jié)構(gòu)的限制，因此共價(jià)鍵具有飽和性。由于共價(jià)鍵的方向性，使共價(jià)晶體不密堆排列。這對(duì)陶瓷的性能有很大影響，特別是密度和熱膨脹性，典型的共價(jià)鍵陶瓷的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)?，由于個(gè)別原子的熱膨脹量被結(jié)構(gòu)中的自由空間消化掉了。共價(jià)鍵及共價(jià)晶體具有以下特點(diǎn)：A、共價(jià)鍵具有高的方向性和飽和性；B、共價(jià)鍵為非密排結(jié)構(gòu)；C、典型的共價(jià)鍵晶體具有高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)的特性。D、具有較低的熱膨脹系數(shù)；E、共價(jià)鍵由具有相似電負(fù)性的原子所形成。3、層狀結(jié)構(gòu)材料的各向異性。答：層狀結(jié)構(gòu)中范德華力起著重要的作用，陶瓷的層狀結(jié)構(gòu)間有較強(qiáng)的若鍵存在使得層與層之間連接在一起。蒙脫石和石墨的結(jié)構(gòu)層內(nèi)鍵合類型不同于層間鍵合類型，因此材料顯示出較高的各向異性。所有的這些層狀結(jié)構(gòu)的層與層之間很容易滑移，粘土礦物中的這種層狀結(jié)構(gòu)使它在有水的情況下容易發(fā)生塑性變形。4、影響陶瓷材料密度的因素。答：密度是指單位體積的質(zhì)量，陶瓷材料的密度有四種表示方式，分別是：結(jié)晶學(xué)密度、理論密度、體積密度、相對(duì)密度。前三種在制作過程中沒有形成氣孔，在結(jié)構(gòu)內(nèi)的原子間只有間隙。陶瓷材料的密度主要取決于元素的尺寸，元素的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)堆積的緊密程度。相對(duì)原子質(zhì)量大的元素構(gòu)成的陶瓷材料顯示出較高的密度，如碳化鎢、氧化鉿等。金屬鍵合和離子鍵合陶瓷中的原子形成緊密堆積，會(huì)使其密度比共價(jià)鍵鍵合陶瓷（較開放的結(jié)構(gòu)）的密度更奧一些，如鋯石英。5、硬度所反映的材料的能力；靜載荷壓入法測(cè)定硬度的原理。答：硬度代表材料抵抗硬的物體壓陷表面或破壞的能力。靜載荷壓入法測(cè)定硬度的基本原理：將一硬的物體在靜載荷的作用下壓入被測(cè)物體的表面，以凹面單位面積的載荷表示被測(cè)物體的硬度。分為：布氏硬度、維式硬度和洛氏硬度三種。6、影響陶瓷材料硬度的因素。答：大多數(shù)陶瓷具有較高的硬度，但有部分陶瓷的硬度較低，這主要取決于化學(xué)鍵及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雖然硬度在一定程度上可以反映材料的耐磨損性，但是有些耐磨損性很好的陶瓷硬度也不是很大。所以硬度測(cè)試不能代替耐磨損性測(cè)試來衡量材料的耐磨損性。陶瓷、礦物、晶體的硬度主要取決于結(jié)合建類型、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。離子半徑越小，離子電價(jià)越高、配位數(shù)越大、結(jié)合能越大，抵抗外力摩擦、刻劃及壓入的能力也就越強(qiáng)，所以硬度就較大.此外，陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)、裂紋、雜質(zhì)等都對(duì)硬度有影響。溫度對(duì)陶瓷的硬度也有影響，一般溫度升高，硬度下降。7、影響固體材料的熔點(diǎn)的主要因素。答：固體材料的熔點(diǎn)主要取決于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力的大小，即晶體中化學(xué)鍵的類型和它的強(qiáng)弱程度。結(jié)合力越大，破壞質(zhì)點(diǎn)間的聯(lián)系所需的能量就越大，熔點(diǎn)就越高；反之，則熔點(diǎn)就越低。從微觀上講，融化過程是一個(gè)很復(fù)雜的過程，影響材料熔點(diǎn)的因素不是單一的，還和晶體結(jié)構(gòu)的類型、配位狀況、離子半徑的大小、極化作用等許多因素有關(guān)。8、結(jié)構(gòu)陶瓷材料的力學(xué)性能特征。答：與金屬材料和有機(jī)材料不同，陶瓷材料具有彈性模量高、抗壓強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度高、高溫蠕變小等力學(xué)性能，同時(shí)其斷裂韌性又比較低，表現(xiàn)出脆性斷裂。材料的彈性模量的工程意義；影響陶瓷材料的彈性模量的因素。答：材料的彈性模量的工程意義：彈性模量在工程上反映了材料剛度大小，在微觀上反映原子的鍵合強(qiáng)度。鍵合越強(qiáng)，則使原子間隙加大所需的應(yīng)力越大，彈性模量就越高。因此彈性模量與陶瓷的鍵合類型有關(guān)，通常具有共價(jià)鍵的陶瓷其價(jià)鍵強(qiáng)，E值也高。影響陶瓷材料的彈性模量的因素：若陶瓷材料的結(jié)合鍵在不同方向上有所不同，其E也不同；氣孔率會(huì)影響陶瓷彈性模量，其影響總是使彈性模量降低；溫度對(duì)材料的彈性模量也有影響，通常溫度升高，彈性模量E稍微降低。10、陶瓷材料的實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度。答：陶瓷材料的強(qiáng)度，若根據(jù)原子鍵斷裂來計(jì)算可得到理論強(qiáng)度；若將材料內(nèi)部和表面的各種缺陷，如裂紋、氣孔或夾雜物都考慮進(jìn)去，則為實(shí)際強(qiáng)度。材料的剛性（彈性模量）越大，表面能越大，原子間距越小，即結(jié)合得越緊密，理論強(qiáng)度越大。但由于材料中存在著制造缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷，如氣孔夾雜物、裂紋、團(tuán)聚等，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，使材料在遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的載荷下發(fā)生斷裂。11、四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、單軸向拉伸試驗(yàn)測(cè)定的強(qiáng)度值特點(diǎn)。答：四點(diǎn)彎曲試件的最大應(yīng)力是在兩個(gè)加載點(diǎn)之間的整個(gè)拉伸表面內(nèi)，拉伸應(yīng)力從加載點(diǎn)至底部支點(diǎn)降為零。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試的最大應(yīng)力位于試件加載點(diǎn)對(duì)面的表面中線上，應(yīng)力沿著試件兩端呈線性下降，在試件底部支點(diǎn)處應(yīng)力降為零。拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)在測(cè)量斷面的整個(gè)體積內(nèi)都處于最高應(yīng)力狀態(tài)，從而試件內(nèi)缺陷都處于高應(yīng)力下，因此對(duì)于給定的陶瓷材料，四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)得出的強(qiáng)度值比三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)值要低一些，單軸向拉伸順眼得出的強(qiáng)度值低于彎曲強(qiáng)度值。12、加載速率對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度測(cè)定值的影響。答：陶瓷的強(qiáng)度隨加載速率的增加而增加。從某種程度上講，可以將強(qiáng)度隨加載速率變化看作是缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響，隨加載速率而變化。加載速率越大，缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響越小。對(duì)于相同的試樣和相同的尺寸的裂紋，高速載荷下的強(qiáng)度測(cè)試值要比慢速載荷下的強(qiáng)度高的多，因?yàn)樵诼佥d荷上裂紋有足夠的時(shí)間擴(kuò)展。13、單邊切口梁法和壓痕法測(cè)定材料斷裂韌性的優(yōu)缺點(diǎn)。答：?jiǎn)芜吳锌诹悍ǘx：在矩形截面的長(zhǎng)柱狀陶瓷部件中部開一個(gè)很小的切口作為預(yù)置裂紋，切口寬度最好不大于0.25mm，切口深度約為試件的0.40.5倍，采用三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲對(duì)試樣加載直至斷裂。主要優(yōu)點(diǎn)是： 試樣加工比較簡(jiǎn)單，采用矩形長(zhǎng)試樣2mmx4mmx(3640mm),中間用金剛石圓形刀開一狹窄的切口（切口寬0.25mm，深度為0.40.5W)； 測(cè)定值比較穩(wěn)定，可比較性好，又比較接近真實(shí)的Kic； 可在高溫或不同介質(zhì)與氣氛中試驗(yàn)。因此，該法已被許多國(guó)家用作標(biāo)準(zhǔn)方法。 缺點(diǎn)：斷裂韌性受開口寬度的影響，Kic隨切口寬度的增大而增大，這樣，若開口寬度控制單邊切口梁法所測(cè)定的斷裂韌性Kic可能偏高。壓痕法定義：在陶瓷表面進(jìn)行精密拋光，表面光潔度達(dá)到1m以上，在硬度以上用Vickers金剛石壓頭以適當(dāng)?shù)妮d荷加載，制造壓痕及延壓痕對(duì)角線擴(kuò)展的裂紋。主要優(yōu)點(diǎn)： 對(duì)試樣尺寸、數(shù)量要求低，便于制備，可用小尺寸樣品測(cè)試斷裂韌性； 試樣加工簡(jiǎn)單，僅需對(duì)表面精密拋光； 不需預(yù)制裂紋，測(cè)試速度快； 不需要特殊的裝置和夾具，只要不同的硬度計(jì)； 可以測(cè)試同一個(gè)試樣的Kic的不均勻性。缺點(diǎn)：受材料組織均勻性影響，對(duì)某些材料，如氣孔率高和組織非常不均勻的材料不適用；測(cè)量值分散性大；壓痕應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，解析結(jié)果中含很多假設(shè)，各計(jì)算公式得到的值差別較大。所以，應(yīng)盡量增加測(cè)試點(diǎn)數(shù)，以提高結(jié)果準(zhǔn)確性。14、共價(jià)鍵陶瓷的熱膨脹系數(shù)較低，而離子鍵陶瓷或金屬材料相對(duì)較高的原因。答：物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹性。用熱膨脹系數(shù)來表征。通常共價(jià)鍵陶瓷具有較低的熱膨脹系數(shù)。這是由于共價(jià)鍵的方向性使這類陶瓷中易產(chǎn)生一些空隙，受熱時(shí)各原子產(chǎn)生振動(dòng)的振幅中有一些被結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙和鍵角的改變所吸收，從而使整個(gè)部件的膨脹小的多。而對(duì)于離子鍵陶瓷或金屬材料，由于它們具有緊密堆積結(jié)構(gòu)，受熱時(shí)每個(gè)原子的振幅累積起來使得整個(gè)材料發(fā)生比較大的膨脹。15、氣孔對(duì)陶瓷材料熱導(dǎo)率的影響。答：熱導(dǎo)率的物理意義是指在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量。通常，陶瓷含有一定量的氣孔，氣孔對(duì)熱導(dǎo)率的影響是較復(fù)雜的。一般情況下，氣孔的體積分?jǐn)?shù)越高，陶瓷材料的熱導(dǎo)率就越低，氣孔率大的陶瓷保溫材料往往具有很低的熱導(dǎo)率。對(duì)于陶瓷粉末和纖維材料，其熱導(dǎo)率比燒結(jié)狀態(tài)時(shí)低的多，這是因?yàn)檫@期間氣孔又形成了連續(xù)相，因此，材料的熱導(dǎo)率就會(huì)在很大程度上受氣孔相的熱導(dǎo)率的影響。這也是通常情況下陶瓷粉末和纖維類材料能有良好的隔熱性能的原因。16、材料的抗熱震性的概念。陶瓷材料熱應(yīng)力的產(chǎn)生方式。答：材料的抗熱震性是指材料承受溫度的急劇變化而不被破壞的能力。也可稱為抗熱沖擊性，或熱穩(wěn)定性。由于溫度變化而引起的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。熱應(yīng)力可能導(dǎo)致材料熱沖擊破壞或者熱疲勞破壞。而抗熱震性實(shí)際上就是抵抗熱應(yīng)力。陶瓷材料熱應(yīng)力的產(chǎn)生主要有一下集中方式：a、溫度梯度引起熱應(yīng)力；b、熱膨脹系數(shù)不同引起熱應(yīng)力；c、陶瓷部件被約束時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力。17、多晶陶瓷材料的熱震破壞的類型。答：多晶陶瓷材料的熱震破壞有兩種類型：一種是材料發(fā)生的瞬時(shí)斷裂，抵抗這類破壞的性能稱為抗熱震斷裂性，一般玻璃和致密陶瓷材料大都屬于這種情況。另一種是在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂和剝落并不斷延伸和發(fā)展，最終碎裂或失效，抵抗這類破壞的性能稱為抗熱震損傷性。一般含有微孔的陶瓷和耐火材料及非均質(zhì)的金屬陶瓷容易發(fā)生此種特征的熱震破壞。18、影響熱震斷裂的因素及其影響情況。答：對(duì)于因熱應(yīng)力是陶瓷發(fā)生瞬時(shí)斷裂的情況，從R和R銀子可以知道，材料的強(qiáng)度、彈性模量E、熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率是主要影響因素。提高材料強(qiáng)度有利于抗熱震性的改善，而彈性模量ED大，彈性小，在熱沖擊條件下材料難以通過變形來波分抵消熱應(yīng)力，因而對(duì)抗熱震性不利、另外，若使E提高對(duì)改善抗熱震性也有利。熱膨脹系數(shù)。在同樣的溫度下，小的材料產(chǎn)生的熱應(yīng)力小，其R也大。熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率大，材料內(nèi)溫度梯度會(huì)減小，溫差應(yīng)力就小，有利于改善抗熱震性。此外，斷裂韌性高的陶瓷有利于抗熱震性的改善。對(duì)于熱震損傷這種緩慢的材料破壞，從R和R因子可知，低的值和大的E值更有利，在微觀結(jié)構(gòu)上能夠吸收斷裂功的結(jié)構(gòu)有利于抗熱震性。熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的影響同上述討論一直。此外，減少陶瓷制品表面的熱傳遞系數(shù)h是提高陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量及成品率的重要措施。而減小產(chǎn)品的有效厚度reff也有利于對(duì)熱震損傷性的減小。19、摻雜氧化鋯陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理。答：材料的導(dǎo)電性主要取決于載流子，有電流通過就意味著有帶電質(zhì)點(diǎn)的定向運(yùn)動(dòng)，這些帶電質(zhì)點(diǎn)攜帶電荷進(jìn)行定向輸送形成電流，故稱為“載流子”。ZrO2摻雜或在高溫下呈典型的離子電導(dǎo)而具有導(dǎo)電性，ZrO2這一特性課用于氧敏檢測(cè)裝置和高溫發(fā)熱體。在ZrO2中添加某些陽離子半徑與Zr4+離子半徑相差12%以內(nèi)的低價(jià)氧化物如CaO、MgO、Y2O3、Yb2O3，經(jīng)高溫固溶處理以后，低價(jià)陽離子部分地置換了高價(jià)的Zr4+離子，為保持系統(tǒng)的電中性，該結(jié)構(gòu)中就形成了氧缺位型的固溶體。氧離子缺位以及氧缺位附近的氧離子在晶格中擴(kuò)散形成電導(dǎo)，電導(dǎo)大小取決于環(huán)境溫度和氧的分壓。ZrO2在空氣中加熱到一定溫度范圍可由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電體。在1000左右時(shí)離子電導(dǎo)已占其全部電導(dǎo)95%以上，因此，此時(shí)的電導(dǎo)形式成為離子電導(dǎo)。20、陶瓷材料的介電損耗、衡量方式及影響因素。答：介電損耗是陶瓷材料在交變電場(chǎng)內(nèi)，由于電導(dǎo)和極化過程產(chǎn)生的能量損耗。常用陶瓷介質(zhì)損耗角正切值tan來衡量介電損耗大小，稱介電損耗因子。介電損耗因子tan值與電場(chǎng)頻率和環(huán)境溫度有關(guān)，在頻率增高時(shí)tan值減??；溫度升高后離子易于運(yùn)動(dòng)，會(huì)使tan值增大，在50Hz時(shí)溫度由20升高至100，瓷器的tan值可能增大510倍。此外，陶瓷介電材料的tan值對(duì)濕度也很敏感，受潮后試樣的tan值急劇增大。21、影響陶瓷材料透光率的主要因素及提高多晶材料的透光性的措施。答：多晶陶瓷材料的透光性主要是與反射系數(shù)m，吸收系數(shù)，散射系數(shù)s密切相關(guān)，其透過光強(qiáng)為，吸收系數(shù)的值在可見光范圍內(nèi)是比較低的，在影響透光率的因素中不占主要地位。反射系數(shù)與材料對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)折射率及材料表面光潔度有關(guān)，減小折射率差異和提高光潔度有利于改善透光性。而由陶瓷內(nèi)部氣孔、雜質(zhì)、晶界等非均勻結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的散射是影響透光率的最主要因素。因此，消除雜質(zhì)和氣孔，特別是消除大氣孔，減小顆粒與晶界相折射率的差值都將顯著提高多晶材料的透光性。對(duì)于具有雙折射特定的非立方結(jié)構(gòu)的多晶陶瓷材料，通過晶粒定向排列形成織構(gòu)，使晶粒的光軸趨于平行，可大大提高其透光性，而對(duì)于MgO、Y2O3、MgAl2O4等立方晶系陶瓷，沒有雙折射現(xiàn)象，可制的幾乎完全透明的陶瓷材料。22、含Cr2O3的Al2O3陶瓷的呈色機(jī)理。答：當(dāng)陶瓷材料中某些離子還有易激發(fā)的電子，可見光范圍的光線可能被吸收，這是陶瓷就呈現(xiàn)出顏色。Al2O3瓷料中引入Cr2O3和MnO而致。還1%左右Cr2O3的Al2O3陶瓷常呈現(xiàn)紅色，就是因?yàn)楣倘艿? Al2O3晶格中的Cr3+離子對(duì)可見光的藍(lán)綠色頻段有強(qiáng)烈的選擇性吸收，從而使瓷體呈現(xiàn)藍(lán)綠色的補(bǔ)色，即粉紅色。23、激光材料是的組成、基質(zhì)的作用、激活離子。答：激光材料由基質(zhì)和激活離子組成，基質(zhì)的作用主要是為激活離子（發(fā)光中心）提供一個(gè)合適的晶格場(chǎng)，使之產(chǎn)生受激發(fā)射，應(yīng)用最廣的基質(zhì)是氧化物及氟化物晶體，如Al2O3、Y3Al5O15,、YAlO3、BaF2、SrF2、YLiF等。作為發(fā)光中心的少量摻雜離子稱為激活離子，主要是過渡族金屬離子、三價(jià)稀土離子等。24、材料的脆性-延性轉(zhuǎn)變溫度。答：一般而言，在較低溫度范圍內(nèi)，陶瓷的斷裂破換屬脆性行為，即沒有塑性變形，同時(shí)極限應(yīng)力很小，對(duì)微小缺陷很敏感。但在高溫區(qū)，陶瓷在斷裂前可產(chǎn)生微小塑性變形，極限應(yīng)變大大增加，有少量碳素性行為。此外，強(qiáng)度