陶瓷复习题

1、分别以Al2O3、ZrO
2、Si3N4为例，从结合键的角度分析这上述陶材料的切削加工性。

规律一：电负性>2.0为非金属，<2.0为金属元素。

规律二：电负性差>1.7形成离子键，<1.7形成共价键。

CsCl、NaCl、CaF2、TiO2晶体结构的稳定性。

3、分别分析纤锌矿结构(wurtzite型，ZnS型)、β-方石英结构的特点。

4、分析刚玉型结构的特点。

O2-的排列大体上为HCP结构，其中八面体间隙位置的2/3被Al3+有规律地占据，空位均匀分布，这样六层构成一个完整周期，多个周期堆积起来形成刚玉结构。

5、硅酸盐晶体结构有哪些种类？
岛状硅酸盐是指结构中的硅氧四面体以孤立状态存在。

硅氧四面体之间没有共用的氧。

硅氧四面体中的氧离子，除了和硅离子相连外剩下的一价将与其它金属阳离子相连。

组群状硅酸盐这类结构一般由2个、3个、4个或6个[SiO4]四面体通过共用氧相连成硅氧四面体群体，这些群体之间由其它阳离子按一定的配位形式把它们连接链状硅酸盐链又可分为单链和双链。

硅氧四面体通过共用氧离子相连，在一维方向延伸成链状，链与链之间通过其他阳离子按一定的配位关系连接起来。

层状硅酸盐硅氧四面体通过三个共同氧在二维平面内延伸成一个硅氧四面体层。

结构中自由氧一般和Al3+、Mg2+、Fe3+、Fe2+等阳离子相连，构成A1一O，Mg一O等八面体。

6、分析绿宝石Be3A12(Si6O18)结构的归类、结构特点，标出六节环结构。

组群状硅酸盐基本结构单元是六个硅氧四面体形成的六节环。

这些六节环之间靠Al3+和Be2+离子连接。

六节环中的四面体有两个氧是共用的，它们与硅氧四面体中的Si4+处于同一高度。

六节环之间是靠Al3+和Be2+离子相连的。

A13+离子的配位数为6，构成Al-O八面体Be2+离子的配位数4，构成Be-O四面体。

7、分析透辉石的结构特点，标出链状结构。

透辉石的化学式是CaMg(Si206)，其结构属单斜晶系。

链之间则由Ca2+和Mg2+Mg2+离子相连，Ca2+的配位数是8，Mg2+的配位数是6
8分析蒙脱石的结构特点，讨论其插层原理。

蒙脱石的化学式为(MxnH20)(Al2-xMgx)(Si4010)(OH)2。

其结构属于单斜晶系，2：l型结构（即两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体层）。

9根据XRD原理，解释晶态、非晶态XRD谱线的区别。

10根据TEM原理，分析非晶、晶态结构衍射花样差异的原因。

11非晶态材料有何结构特点？可采用哪些方法进行表征？论述其表征机理。

12 (1) 绘出典型非晶材料的示差扫描量热（DSC）曲线, 标出玻璃转变温度（Tg）、晶化温度（Tx）及过冷液态区（ΔTx）。

(2) 阐述非晶材料在Tg，Tx温度点所发生的物理性质变化规律。

(3) 非晶态材料在过冷液态区有哪些特殊性质，利用该性质可以作哪些应用，举例说明。

13 根据下图，选择适于制备耐火材料的成分，并据此成分，分析其冷却析晶过程。

14 根据上图，分析30% Al2O3含量组分的冷却析晶过程。

15 分析下图中，M1，M2，M3的冷却析晶过程。

16 根据下图：
1）分析图中不同成分熔体冷却时的析晶图。

2）为什么水泥烧成后总是采用急速冷却的办法?
CS—CaO·SiO2(偏硅酸钙或硅灰石)
C3S2—3CaO·2SiO2(二硅酸三钙)
C2S—2CaO·SiO2(硅酸二钙)
C3S—3CaO·SiO2(硅酸三钙)
17分别分析以下系列相图中，M点的冷却析晶过程。

18 分别分析固相、液相烧结过程中的物质传输方式及机理。

固相烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质和扩散传质，液相烧结的主要传质方式有溶解-沉淀传质和流动传质。

固相烧结与液相烧结的共同点是烧结的推动力都是表面能；烧结过程都是由颗粒重排、物质传递与气孔充填、晶粒生长等阶段组成。

不同点是：由于流动传质比扩散传质速度快，因而致密化速率高；固相烧结主要与原料粒度和活性、烧结温度、气氛成型压力等因素有关，液相烧结与液相数量、液相性质、液-固润湿情况、固相在液相中的溶解度等有关。

19论述几类陶瓷材料增韧方法的机理
相变增韧；当陶瓷材料受到张应力的作用时, 在主裂纹的尖端形成塑性区,在塑性区内, 原先存在大量的微裂纹发生延伸, 增加许多新的裂纹表面, 吸收大量的弹性应变能, 从而引起陶瓷断裂韧性的增加。

在张应力作用下, 延伸后形成的较大微裂纹将与主裂纹汇合, 导致主裂纹的扩展路径发生扭曲和分叉, 增加裂纹的扩展路径, 吸收更多的弹性应变能, 从而导致材料断裂韧性的进一步提高。

裂纹偏折和弯曲增韧机制是指基体中第二弥散相的存在会扰动裂纹尖端附近应力场，使裂纹产生偏折和弯曲，从而减小了驱动力，增加了新生表面区域，提高了韧性。

裂纹分支增韧机制是指材料中主裂纹端产生微裂纹后，使某些晶界变弱和分离，并与主裂纹交互作用促使裂纹分支、晶界启裂和伸展。

在拉伸应力的作用下，弱晶界裂开，增加了表面积，并且晶界上存在的细小粒子使裂纹产生弯曲，随后如果裂纹发展到切开或剥离粒子时，需要消耗更多的能量，从而提高了韧性。

裂纹分支的最大贡献在于与其它机制的相互复合作用，这在两相或多相材料中更为有效。

延性颗粒增韧机制是指在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒，利用其塑性变形来缓解裂纹尖端高度的应力集中，可以明显提高材料的断裂韧性。

残余热应力增韧；当裂纹扩展进入残余热应力区时，残余热应力释放，同时有闭合阻碍裂纹扩展的作用，从而提高了材料的断裂韧性。

20、什么是断裂韧性，研究陶瓷材料断裂韧性的意义是什么？
当应力和裂纹尺寸a单独或同时增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量也随之增大。

当应力或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到材料的断裂韧性，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时KI也达到了一个临界值，这个临界KI记为KIC或KC,称为断裂韧性
表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。

在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。

当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。

指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。

它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。

是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。

是应力强度因子的临界值。

常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。

例如应力-应变曲线下的面积。

韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。

21、裂纹尖端应力有哪两种因素决定?
1）P点的位置(γ,θ)：
2）包括试样的形状、尺寸，裂纹的形状、尺寸及位置，加荷方式及大小影响的参量KI
22、应力场强度因子与断裂韧性的区别是什么？
23、用B=30mm的标准三点弯曲试件测断裂韧性，线切割尺寸为a’=30mm。

试验测得 P Q=56kN,
P max = 60.5kN；裂纹尺寸a1-a5测量结果分别为：31.8mm, 31.9mm, 32.15mm, 31.95mm,
31.9mm；若已知材料的σ0.2=905MPa, 试确定其K IC。

24、分别阐述氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、增韧氧化物陶瓷的结构特点、性能及应用；氧化铝(Al2O3)：刚玉结构，机械强度高，硬度高，电阻率高，电绝缘性好，熔点高，抗腐蚀，化学稳定性好，光学特性。

用途：机械方面。

耐磨氧化铝陶瓷衬砖、衬板、衬片，氧化铝陶瓷钉，陶瓷密封件，氧化铝陶瓷切削刀具，氧化铝陶瓷柱塞等。

电子、电力方面。

各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、高压钠灯透明氧化铝陶瓷以及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件等。

化工方面。

氧化铝陶瓷化工填料球，氧化铝陶瓷微滤膜，氧化铝陶瓷耐腐蚀涂层等。

医学方面。

氧化铝陶瓷人工骨，羟基磷灰石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿、人工关节等。

材料生产方面。

球磨机用氧化铝陶瓷衬砖、微晶耐磨氧化铝球石，氧化铝陶瓷辊棒、氧化铝陶瓷保护管及各种氧化铝质、氧化铝结合其他材质耐火材料。

其他方面。

航空航天、珠宝加工、涂料、油漆、化妆品、食品、制药等行业。

氮化硅(Si3N4)相同点：两者均同六方晶系，[SiN4]四面体共用顶角构成的三维空间网络.
不同点：β- Si3N4 比α- Si3N4 的对称性高；α- Si3N4相为低温型，β- Si3N4 为高温型强度、比强度、比模量(弹性模量/密度)高，硬度与耐磨性，抗热震性能化学稳定性高，反应烧结氮化硅制品精度极高，烧结时尺寸变化仅为0.1~0.3%。

切削刀具、高温轴承、刹车片等内燃发动机零件机械密封环、热电偶套管、零件
碳化硅(SiC)碳化硅的结构碳化硅有α-Sic和β-SiC两种，是由SiC四面体以不同方式堆垛而成。

一种是平行堆积，一种是反平行堆积。

α-Sic为高温稳定相，呈六方结构，β-SiC为低温稳定相，呈立方结构。

碳化硅的最大特点是高温强度高，很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，热传导能力很强。

制造火箭喷嘴、浇注金属用的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承等。

制造各种泵的密封圈、拉丝成型模具等
增韧氧化物：陶瓷部分稳定氧化锆的导热率低(比Si3N4低4/5), 绝热性好; 热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，因而与金属部件连接比较容易；抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料。

部分稳定氧化锆喷涂层，齿轮、泵零件，氧化锆制品，氧化锆拉线，热障涂层，氧化锆球阀。