陶瓷材料的結(jié)構(gòu)課件

1、2.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織2.1.1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.晶格、晶胞與晶格常數(shù) 圖2-1 晶格構(gòu)造模型2.晶面與晶向 圖2-2 立方晶格中的一些晶面 3.金屬晶體的類型 (1)體心立方晶格 (2)面心立方晶格(3)密排六方晶格 圖2-3 體心立方晶胞 圖2-4 面心立方晶胞 圖2-5 密排六方晶胞 2.1.2 金屬的實際晶體結(jié)構(gòu) 1.單晶體和多晶體 圖2-6 單晶體和多晶體結(jié)構(gòu)示意圖2.實際金屬的晶體缺陷 (1)點(diǎn)缺陷 空位間隙原子圖2-7 空位和間隙原子示意圖 (2)線缺陷 刃型位錯:刃型位錯如圖2-8（a）所示。圖2-8 刃型位錯示意圖 螺型位錯:螺型位錯如圖2-9所示。圖2-9 螺型

2、位錯示意圖(3)面缺陷 面缺陷是指在兩個方向上尺寸很大，第三個方向上尺寸很小而呈面狀分布的缺陷。面缺陷主要是指金屬中的晶界和亞晶界。 晶界處的主要特征： 原子排列不規(guī)則，因此對金屬的塑性變形起著阻礙作用，晶界越多，其作用越明顯。 顯然，晶粒越細(xì)，晶界總面積就越大，金屬的強(qiáng)度和硬度也就越高。所以在常溫下使用的金 屬材料，一般總是力求獲得細(xì)小的晶粒。 晶界處原子具有較高的能量，且雜質(zhì)（往往是一些低熔點(diǎn)的雜質(zhì)）較多，因此其熔點(diǎn)較低，有時還未加熱到金屬的熔點(diǎn)，晶界處就已先熔化了。 晶界處原子能量較高而容易滿足固態(tài)相變所需要的能量起伏，因此新相往往在舊相晶界處形核。晶粒越細(xì)小，晶界越多，新相的形核率就越

3、高。晶界處有較多的空位，因此原子沿晶界的擴(kuò)散速度較快。 晶界處電阻較高，且易被腐蝕。 總之，實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)不是理想完整的，而是存在著各種晶體缺陷，并且這些缺陷在不斷地運(yùn)動變化著，金屬中的許多重要變化過程，都是依靠晶體缺陷的運(yùn)動來進(jìn)行的，并且金屬的許多性能也都與晶體缺陷密切相關(guān)。 2.1.3 合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.合金的基本概念 （1）合金 （2）組元 （3）相 2.固溶體 根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中所處位置不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體兩大類。 (1)間隙固溶體 如圖2-10(a)所示。 (2)置換固溶體 如圖2-10(b)所示。圖2-10 晶格結(jié)構(gòu)模型 2.1.4 金屬材料的組織 1.

4、組織的概念2.組織的決定因素 3.組織與性能的關(guān)系 不同組織結(jié)構(gòu)的材料具有不同的性能圖2-11 兩種晶粒大小不同的純鐵示意圖 綜上所述，金屬材料的成分、工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能之間有著密切的關(guān)系。2.2 高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能2.2.1 高分子材料的結(jié)構(gòu) 1.大分子鏈的構(gòu)成 (1)化學(xué)組成 組成大分子鏈的化學(xué)元素，主要是碳、氫、氧，另外還有氮、氯、氟、硼、硅、硫等，其中碳是形成大分子鏈的主要元素。大分子鏈根據(jù)組成元素不同可分為三類，即碳鏈大分子、雜鏈大分子和元素鏈大分子。(2)形態(tài)大分子鏈呈現(xiàn)不同的幾何形狀，主要有線型、支化型和體型三類，如圖2-12所示。 線型分子鏈；支化型分子鏈；體型(網(wǎng)型或交

5、聯(lián)型)。 圖2-12 大分子鏈的形態(tài)(3)空間構(gòu)型 圖2-13 所示為乙烯聚合物常見的三種空間構(gòu)型。圖2-13 乙烯聚合物的立體異構(gòu)2.大分子鏈的構(gòu)象及柔性 圖2-14 分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)示意圖3.高分子材料的聚集態(tài) 圖2-15為聚合物三種聚集態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2-15 聚合物三種聚集態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2 高分子材料的性能 1.高分子材料的物理性能和化學(xué)性能特點(diǎn) (1)絕緣性 (2)耐熱性 (3)耐蝕性 (4)老化 2.高分子材料的力學(xué)性能 (1)高聚物的物理、力學(xué)狀態(tài) 線型非晶態(tài)高聚物的三種力學(xué)狀態(tài)為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)。如圖2-16所示。 圖中Tb為脆化溫度、Tg為玻璃化溫度、Tf為黏流溫

6、度、Td為分解溫度。 圖2-16 線型非晶態(tài)高聚物在恒定載荷下的變形-溫度曲線(2)高分子材料的力學(xué)性能特點(diǎn) 高聚物的性能由硬脆、強(qiáng)硬、強(qiáng)韌、柔韌而緩慢地發(fā)生變化，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2-17所示。有機(jī)玻璃具有這類典型的變化規(guī)律。 圖2-18為高聚物在不同加載速度時的應(yīng)力應(yīng)變。高聚物大都服從這種規(guī)律。 圖2-17 非晶態(tài)高聚物在不同溫度時的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖2-18 高聚物在不同加載速度時的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 黏彈性:應(yīng)變與應(yīng)力同步發(fā)生，或應(yīng)變與應(yīng)力同時達(dá)到平衡，如圖2-19(a)所示。 應(yīng)變不僅決定于應(yīng)力，而且決定于應(yīng)力作用的速率。即應(yīng)變不隨作用力即時建立平衡，而有所滯后，如圖2-19(b)所

7、示。圖2-19 應(yīng)力、應(yīng)變與時間的關(guān)系 蠕變（如圖220所示）。 圖2-20 蠕變前、后分子構(gòu)象變化示意圖 應(yīng)力松弛 如圖221所示。圖2-21 應(yīng)力松弛過程中分子構(gòu)象變化示意圖滯后與內(nèi)耗 高聚物受周期性載荷時，產(chǎn)生伸-縮的循環(huán)應(yīng)變，如圖2-22所示。圖2-22 橡膠在一個承載周期中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖2-23可以看出高聚物的變形特點(diǎn)。A點(diǎn)為初始狀態(tài)，B點(diǎn)為屈服點(diǎn)，C點(diǎn)為斷裂點(diǎn)。圖2-23 高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 B點(diǎn)所對應(yīng)的屈服應(yīng)變較大，比金屬大得多。 縮頸變形階段很長，C點(diǎn)所對應(yīng)的斷裂伸長量較大。2.3 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能2.3.1 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 按照組織形態(tài)陶瓷材料分為三類。 無機(jī)玻

8、璃即硅酸鹽玻璃微晶玻璃即玻璃陶瓷，是單個晶體分布在非晶態(tài)的玻璃基體上的一類陶瓷材料。陶瓷（晶體陶瓷） 陶瓷的典型組織結(jié)構(gòu)包括：晶體相（莫來石和石英）玻璃相氣相 1.晶體相 （1）硅酸鹽 硅酸鹽基本結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn): 構(gòu)成硅酸鹽的基本單元為硅氧四面體結(jié)構(gòu)，如圖2-24所示;硅氧四面體只能通過共用頂角而相互結(jié)合; Si4+通過 O2-結(jié)合， SiOSi的結(jié)合鍵在氧上的鍵角接近于145 ; 穩(wěn)定的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，硅氧四面體采取最高空 間維數(shù)互相結(jié)合; 硅氧四面體采取比較緊密的結(jié)構(gòu)結(jié)合; 同一結(jié)構(gòu)中硅氧四面體最多只相差1個氧原子。 圖2-24 硅氧四面體結(jié)構(gòu) (2)氧化物 圖2-25所示為幾種典型氧化物

9、的結(jié)構(gòu)。圖2-25 幾種典型氧化物的結(jié)構(gòu)(3)非氧化合物 圖2-26所示為各種非氧化合物的結(jié)構(gòu)。 圖2-26 各種非氧化合物的結(jié)構(gòu)2.玻璃相 玻璃相的作用包括: 黏連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料致密度; 降低燒結(jié)溫度，加快燒結(jié)速度; 阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制其長大; 獲得透光性等玻璃特性; 不能成為陶瓷的主導(dǎo)相3.氣相 圖2-28 氣孔對陶瓷強(qiáng)度的影響 氣相是陶瓷內(nèi)部殘留的孔洞，其成因復(fù)雜，影響因素多。陶瓷根據(jù)氣孔率分為致密陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，氣孔對陶瓷的性能不利，它降低了陶瓷的強(qiáng)度，常常是造成裂紋的根源(圖2-28)，所以應(yīng)盡量降低氣孔率。一般普通陶瓷的氣孔率為5 %1

10、0% ;特種陶瓷在5 %以下;金屬陶瓷則要求低于0.5 %。 2.3.2 陶瓷材料的性能 1.陶瓷的物理和化學(xué)性能 (1)熱膨脹性能 (2)導(dǎo)熱性(3)熱穩(wěn)定性 (4)化學(xué)穩(wěn)定性 (5)導(dǎo)電性 2.陶瓷的力學(xué)性能 (1)剛度 (2)硬度 (3)強(qiáng)度：晶界使陶瓷實際強(qiáng)度比理論值低得多(11%)。如圖2-29所示。2.3.2 陶瓷材料的性能 圖2-29 晶格構(gòu)造模型 總之，陶瓷材料的性能特點(diǎn)是:具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、不老化性、高硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，溫度急變抗力很低，抗拉、抗彎性能差。 思考題2-1 什么叫晶體?什么叫非晶體? 2-2 什么叫晶格?什么叫晶胞? 2-3 常見