陶瓷系列-1-微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能復(fù)習(xí)過(guò)程

1、陶瓷系列-1-微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能一、陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)一、陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)、玻璃、玻璃晶體晶體 玻璃玻璃 冷卻速度須使金屬不產(chǎn)生晶核也不發(fā)生晶核長(zhǎng)大須使金屬不產(chǎn)生晶核也不發(fā)生晶核長(zhǎng)大晶體形成溫度與時(shí)間的關(guān)系晶體形成溫度與時(shí)間的關(guān)系冷卻速度高于冷卻速度高于臨界冷卻速度臨界冷卻速度以上時(shí)，金屬以上時(shí)，金屬不再發(fā)生結(jié)晶不再發(fā)生結(jié)晶C曲線曲線時(shí)間Tm溫度液體開始結(jié)束結(jié)晶玻璃、玻璃、玻璃非晶態(tài)合金塊材制備方法非晶態(tài)合金塊材制備方法 大塊非晶合金主要通過(guò)調(diào)整成分來(lái)獲得強(qiáng)的非晶形成能力。大塊非晶合金主要通過(guò)調(diào)整成分來(lái)獲得強(qiáng)的非晶形成能力。Inoue 等人提出了三條簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律：等人提出了三條簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)

2、性規(guī)律： 合金系由三個(gè)以上組元組成；合金系由三個(gè)以上組元組成； 主要組元的原子有主要組元的原子有12%以上的原子尺寸差；以上的原子尺寸差； 各組元間有大的負(fù)混合熱；各組元間有大的負(fù)混合熱； 為了控制冷卻過(guò)程中的非均勻形核：為了控制冷卻過(guò)程中的非均勻形核：一要提高合金的純度，減少雜質(zhì)；二一要提高合金的純度，減少雜質(zhì)；二要采用高純惰性氣體保護(hù)，盡量減少要采用高純惰性氣體保護(hù)，盡量減少含氧量。含氧量。、玻璃、玻璃腓尼基人生活在今天地中海東岸 Na2CO3NaHCO32H2O 、玻璃、玻璃原料：純堿、石灰石、石英原料：純堿、石灰石、石英主要成分主要成分 Na2OCaO6SiO23000多年前，洲腓尼商

3、船載多年前，洲腓尼商船載著塊狀的著塊狀的Na2CO3NaHCO32H2O。由于海水落潮，商船擱淺了，由于海水落潮，商船擱淺了，于是船員們紛紛登上沙灘。有于是船員們紛紛登上沙灘。有的船員還抬來(lái)大鍋，搬來(lái)木柴，的船員還抬來(lái)大鍋，搬來(lái)木柴，并用幾塊并用幾塊“天然蘇打天然蘇打”作為大作為大鍋的支架，在沙灘（碳酸鈣、鍋的支架，在沙灘（碳酸鈣、二氧化硅）上做飯。二氧化硅）上做飯。、玻璃、玻璃公元前公元前80002000年（新石器時(shí)代）就發(fā)明了陶年（新石器時(shí)代）就發(fā)明了陶器。用陶土燒制的器皿叫陶器，用瓷土燒制的器皿器。用陶土燒制的器皿叫陶器，用瓷土燒制的器皿叫瓷器。陶瓷則是陶器，炻器和瓷器的總稱。叫瓷器。陶

4、瓷則是陶器，炻器和瓷器的總稱。 、陶瓷、陶瓷黏土、陶瓷、陶瓷高嶺土高嶺土（即觀音土）是富含高嶺石這一礦物的土壤的名稱，而高嶺石的主要成分是Al2032Si022H20、陶瓷、陶瓷地殼中元素含量、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 是陶瓷材料的主要組成相硅酸鹽硅酸鹽 硅酸鹽硅酸鹽是傳統(tǒng)陶瓷的主要晶相。是傳統(tǒng)陶瓷的主要晶相。 氧化物氧化物 氧化物是大多數(shù)典型陶瓷，特別是特種陶瓷的主要組氧化物是大多數(shù)典型陶瓷，特別是特種陶瓷的主要組成和晶體相。最重要的氧化物晶體相有成和晶體相。最重要的氧化物晶體相有AO、AO2、A2O3、ABO3和和AB2O4等（等（A、B表示陽(yáng)

5、離子）表示陽(yáng)離子）。非氧化物非氧化物 是指不含氧的金屬碳化物、氮化物、硅化物及硼化是指不含氧的金屬碳化物、氮化物、硅化物及硼化物等，它們是新型陶瓷物等，它們是新型陶瓷,特別特別是金屬陶瓷的主要晶相和晶體相。是金屬陶瓷的主要晶相和晶體相。主主要由高鍵能的共價(jià)鍵結(jié)合，但也有離子鍵和金屬鍵。要由高鍵能的共價(jià)鍵結(jié)合，但也有離子鍵和金屬鍵。、陶瓷、陶瓷1)填充晶體相之間的空隙，并將分散的晶相粘結(jié)起來(lái)，提高材料的致密度；2)降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)燒結(jié)；3)玻璃相粘度高，阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制晶體長(zhǎng)大；4)獲得一定程度的玻璃特性，如透光性等。美國(guó)和歐洲一些國(guó)家的文獻(xiàn)已將美國(guó)和歐洲一些國(guó)家的文獻(xiàn)已將“Ceramic”

6、一詞一詞理解為各種無(wú)機(jī)非金屬固體材料的通稱。理解為各種無(wú)機(jī)非金屬固體材料的通稱。、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷玻璃的微晶學(xué)說(shuō)玻璃的微晶學(xué)說(shuō)1921年年列別捷夫列別捷夫在研究硅酸鹽玻璃時(shí)發(fā)在研究硅酸鹽玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)，玻璃加熱到現(xiàn)，玻璃加熱到573時(shí)其折射率發(fā)生急時(shí)其折射率發(fā)生急劇變化，而石英正好在劇變化，而石英正好在573發(fā)生發(fā)生型型的轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上他提出玻璃是高分的轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上他提出玻璃是高分散的晶子的集合體，后經(jīng)瓦連柯夫等人散的晶子的集合體，后經(jīng)瓦連柯夫等人逐步完善。逐步完善。微晶的尺度在微晶的尺度在2nm左右左右、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷透明微晶玻璃微晶玻璃爐具面板、是玻璃還是陶

7、瓷、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷反?，F(xiàn)象一：反?，F(xiàn)象一：有的微晶玻璃不透明有的微晶玻璃不透明在光照條件下：在光照條件下：黑色的材料容易吸熱黑色的材料容易吸熱金屬材料容易吸熱金屬材料容易吸熱為什么？為什么？、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷透不過(guò)的光去了哪里（透射、透不過(guò)的光去了哪里（透射、反射、散射反射、散射）1、轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)（晶格熱容）、轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)（晶格熱容）2、將電子激發(fā)到高能級(jí)（電子熱容）。金、將電子激發(fā)到高能級(jí)（電子熱容）。金屬的能級(jí)連續(xù)，所以各種能量的光子來(lái)者不屬的能級(jí)連續(xù)，所以各種能量的光子來(lái)者不拒，以至于不透明。拒，以至于不透明。、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是

8、陶瓷透不過(guò)的光去了哪里（透射、透不過(guò)的光去了哪里（透射、反射、散射反射、散射）3、- Al2O3單晶體是良好的對(duì)紅外線、可見光透明的材料。但是以 - Al2O3為主晶相的多晶陶瓷通常并非如此。原因是材料中存在尺度與紅外線、可見光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)娜毕荩ㄈ绮Ａ?、氣孔、雜質(zhì)相等）、晶界，引起透入光被不斷地被散射、反射、折射、干涉甚至被吸收，最后基本被消耗在材料內(nèi)部。、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷透不過(guò)的光去了哪里（透射、透不過(guò)的光去了哪里（透射、反射、散射反射、散射）紅寶石：主要成分是氧化鋁紅寶石：主要成分是氧化鋁(Al O )。紅色來(lái)自鉻。紅色來(lái)自鉻(Cr)，主要為主要為Cr2O3，含量一般，含量一

9、般0.13%，最高者達(dá)，最高者達(dá)4%、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷透不過(guò)的光去了哪里（透射、透不過(guò)的光去了哪里（透射、反射、散射反射、散射）主要成分是氧化鋁（主要成分是氧化鋁（Al O ）。）。藍(lán)色是由于其中混有少量鈦（藍(lán)色是由于其中混有少量鈦（Ti）和鐵（和鐵（Fe）雜質(zhì)所致。藍(lán)寶石的）雜質(zhì)所致。藍(lán)寶石的顏色，可以有粉紅、黃、綠、白、顏色，可以有粉紅、黃、綠、白、甚至在同一顆石有多種顏色甚至在同一顆石有多種顏色材料呈藍(lán)色，是由于它反射（激發(fā)材料呈藍(lán)色，是由于它反射（激發(fā)躍遷），是由躍遷），是由于其與波長(zhǎng)的光由于各種原因被吸收了。于其與波長(zhǎng)的光由于各種原因被吸收了。、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還

10、是陶瓷反?，F(xiàn)象二反常現(xiàn)象二：可機(jī)械加工可機(jī)械加工 可用標(biāo)準(zhǔn)金屬加工工具和設(shè)備進(jìn)行車、銑、刨、磨可用標(biāo)準(zhǔn)金屬加工工具和設(shè)備進(jìn)行車、銑、刨、磨 、鉆、鋸、鉆、鋸切和攻絲等加工。切和攻絲等加工。、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷、是玻璃還是陶瓷二、結(jié)構(gòu)陶瓷二、結(jié)構(gòu)陶瓷v 結(jié)構(gòu)陶瓷具有結(jié)構(gòu)陶瓷具有耐高溫、耐磨耐高溫、耐磨、耐腐蝕、耐沖、耐腐蝕、耐沖刷、抗氧化、耐燒蝕、高溫下蠕變小等優(yōu)異性刷、抗氧化、耐燒蝕、高溫下蠕變小等優(yōu)異性能，可以承受能，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴(yán)酷工作環(huán)境的嚴(yán)酷工作環(huán)境，因而廣泛應(yīng)用于能源、航空，因而廣泛應(yīng)用于能源、航空航天

11、、機(jī)械、汽車、冶金、化工、電子等領(lǐng)域。航天、機(jī)械、汽車、冶金、化工、電子等領(lǐng)域。F使用領(lǐng)域使用領(lǐng)域 機(jī)械陶瓷 熱機(jī)陶瓷 生物化工陶瓷通常根據(jù)結(jié)構(gòu)陶瓷的使用領(lǐng)域和組分來(lái)對(duì)其進(jìn)行分類: 核陶瓷及其他二、結(jié)構(gòu)陶瓷二、結(jié)構(gòu)陶瓷F按組分分類按組分分類 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結(jié)合以料的原子結(jié)合以離子鍵為主離子鍵為主，存，存在部分共價(jià)鍵，在部分共價(jià)鍵，因此具有許多優(yōu)因此具有許多優(yōu)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點(diǎn)，一般高的熔點(diǎn)，一般都在都在20002000o oC C附近。附近。氧化鋁陶瓷SiO2添加SiO2

12、作為助燒劑，在1600度形成液相，有利于燒結(jié)Al2O3與氧化鋁形成液相的物質(zhì)及出現(xiàn)液相的最低溫度形成液相的物質(zhì)出現(xiàn)液相的最低溫度(oC)BeO1900CaO1400CeO21750MgO1930ThO21750TiO21720ZrO21700 氧化鋁陶瓷 以Al2O3為主成分。 氧化鋁陶瓷為結(jié)構(gòu)陶瓷中典型材料。通常應(yīng)用于需要承受機(jī)械應(yīng)力的結(jié)果用零件，尤其是利用其高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、電絕緣性好等特性，作為苛刻條件下使用的結(jié)構(gòu)件。氧化鋁陶瓷v 透明氧化鋁陶瓷 - Al2O3單晶體是良好的對(duì)紅外線、可見光透明的材料。但是以 - Al2O3為主晶相的多晶陶瓷通常并非如此。原因是材料中存在尺度與紅外

13、線、可見光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)娜毕荩ㄈ绮Ａ唷饪?、雜質(zhì)相等）、晶界，引起透入光被不斷地被散射、反射、折射、干涉甚至被吸收，最后基本被消耗在材料內(nèi)部。氧化鋁陶瓷 通過(guò)以下方法可改善氧化鋁的透光性： 提高密度，以減少氣孔； 限制氣孔的尺寸，使其不與透過(guò)光干涉； 限制晶粒尺寸（減少晶粒尺寸），從而提高均勻性。 提高材料的純度，以減少玻璃相和雜質(zhì)相。 具體措施：采用高純、細(xì)的Al2O3粉為原料(一般用硫酸鋁氨熱分解法生產(chǎn)的高純Al2O3粉體為原料)，摻雜MgO(0.5wt%),在氫氣氛下燒結(jié)。MgO作為助燒劑的作用機(jī)制MgO的作用與其加入量有關(guān)：當(dāng)加入量不超過(guò)MgO在Al2O3中的固溶度（0.3wt%）時(shí)，固

14、溶反應(yīng)：2MgO 2MgAl +2O0 x+V0生成氧空位，有利于氧的固相擴(kuò)散傳質(zhì)，從而促進(jìn)燒結(jié)當(dāng)MgO的加入量大于固溶度時(shí)，未溶解部分與Al2O3反應(yīng)：MgO +Al2O3MgOAl2O3(尖晶石) 尖晶石是新的化合物。尖晶石顆粒分布于Al 2O3主晶相的晶界上，阻礙晶界移動(dòng)（稱之為釘扎晶界），從而阻礙由于晶界移動(dòng)過(guò)快導(dǎo)致的氣孔進(jìn)入晶粒內(nèi)部的情形發(fā)生。 氣孔在晶界上通過(guò)晶界擴(kuò)散更容易排除。釘扎晶界的結(jié)果還可以細(xì)化晶粒。p燒結(jié)氣氛氣氛對(duì)99瓷燒結(jié)的影響(1650 燒結(jié)) 還原氣氛或原子尺寸小的氣氛對(duì)燒結(jié)更有利。還原氣氛的影響機(jī)理是增加了氧空位，促進(jìn)了擴(kuò)散過(guò)程。 又有實(shí)驗(yàn)表明，氨分解氣氛、氫氣氛

15、會(huì)加速晶粒的異常長(zhǎng)大，故建議最好的氣氛為氬氣或空氣。 這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果有些矛盾，說(shuō)明實(shí)際情況有些復(fù)雜。如果沒(méi)有晶粒的異常長(zhǎng)大，可以認(rèn)為采用還原氣氛燒結(jié)還是有利的。氧化鋯陶瓷氧化鋯具有一定的韌性，使該材料機(jī)械性能大幅提高，尤其是室溫韌性非常優(yōu)異，因此作為熱機(jī)、耐磨機(jī)械部件受到廣泛的關(guān)注； 此外，利用氧化鋯的離子導(dǎo)電特性，還開發(fā)了氧化鋯在氧傳感器、燃料電池及發(fā)熱元件等方面的應(yīng)用。氧化鋯陶瓷1、離子鍵具有方向性、離子鍵具有方向性2、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生疇界、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生疇界氧化鋯陶瓷v 氧化鋯晶體結(jié)構(gòu)及相變特性氧化鋯晶體結(jié)構(gòu)及相變特性 氧化鋯存在三種穩(wěn)定的多型體：?jiǎn)涡毕啵╩-ZrO2 ）、立方相（c-ZrO

16、2 ）和四方相（t -ZrO2 ）。氧化鋯的基本物理性能應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g氧化鋯陶瓷 應(yīng)力誘發(fā)相變氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷 微裂紋增韌機(jī)制：微裂紋彌散分布于陶瓷基體上。這些裂紋是由四方氧化鋯顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毖趸嗩w粒時(shí)體積膨脹所致。當(dāng)有一個(gè)大裂紋擴(kuò)展通過(guò)時(shí)，大裂紋前端的微小裂紋也產(chǎn)生擴(kuò)展，化解掉外力做的功。微裂紋增韌只增加韌性，對(duì)強(qiáng)度有損害；應(yīng)力誘發(fā)相變?cè)鑫⒘鸭y增韌只增加韌性，對(duì)強(qiáng)度有損害；應(yīng)力誘發(fā)相變?cè)鲰g，既增加韌性也增加強(qiáng)度。韌，既增加韌性也增加強(qiáng)度。氮化物陶瓷v 氮化物陶瓷材料：室溫和高溫強(qiáng)度高、硬度高、氮化物陶瓷材料：室溫和高溫強(qiáng)度高、硬度高、耐磨蝕性和良好的抗熱沖擊及機(jī)械沖擊性能，被材料耐磨

17、蝕性和良好的抗熱沖擊及機(jī)械沖擊性能，被材料科學(xué)界認(rèn)為是結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域中綜合性能優(yōu)良，最有?？茖W(xué)界認(rèn)為是結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域中綜合性能優(yōu)良，最有希望代替鎳基合金在高科技、高溫領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用望代替鎳基合金在高科技、高溫領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用的一種新材料。的一種新材料。v氮化物陶瓷的缺點(diǎn)是氮化物陶瓷的缺點(diǎn)是抗氧化能力差。抗氧化能力差。氮化鋁陶瓷氮化鋁發(fā)現(xiàn)于1842年，最初用于固氮?jiǎng)┘耙睙掍X及鋁合金的耐火材料。由于氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率（理論熱導(dǎo)率320W/mK），與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)，無(wú)毒、密度低、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，近年來(lái)，氮化鋁陶瓷作為新一代信息材料受到了廣泛的關(guān)注，成為微電子工業(yè)中電路基板和封裝的最理想材

18、料。純銅398 W/m.K氮化鋁陶瓷 氮化鋁（AlN）是一種人造材料，在自然界中并不存在。強(qiáng)度極大的共價(jià)鍵使得氮化鋁具備高熔點(diǎn)，且憑借共價(jià)鍵之共振聲子傳遞熱能，使得氮化鋁同時(shí)具備高熱傳導(dǎo)特性。氮化鋁為少數(shù)熱導(dǎo)率高的非金屬固體，因其符合：（1）原子鍵強(qiáng)（反例：氣體導(dǎo)熱性差）（2）晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（3）晶格震動(dòng)諧振性高氮化鋁陶瓷 在電子工業(yè)方面的應(yīng)用： 氮化鋁具有高的熱導(dǎo)率、低的介電常數(shù)、絕緣以及與硅相接近的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，使其在電子工業(yè)中的應(yīng)用日益受到重視。過(guò)去的基片材料采用Al2O3，而AlN的熱導(dǎo)率是Al2O3的510倍，更適合大規(guī)模集成電路要求。BeO材料雖具有優(yōu)異的熱導(dǎo)性能，但其劇毒性限制了它的工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。金剛石雖導(dǎo)熱性能優(yōu)良，但其價(jià)格昂貴，不宜用作基片材料。在目前的非金屬導(dǎo)熱材料中， AlN陶瓷的綜合性能良好，非常適用于電子工業(yè)。碳化物陶瓷v 碳化物陶瓷的主要特點(diǎn)：v高熔點(diǎn)，例如TiC的熔點(diǎn)為3460oCv較高的硬度，例如碳化