陶瓷系列-1-微观结构与力学性能

③、是玻璃还是陶瓷
透不过的光去了哪里（透射、反射、散射）
3、α- Al2O3单晶体是良好的对红外线、可见光透明的材料。但 是以α - Al2O3为主晶相的多晶陶瓷通常并非如此。原因是材料 中存在尺度与红外线、可见光波长相当的缺陷（如玻璃相、气 孔、杂质相等）、晶界，引起透入光被不断地被散射、反射、 折射、干涉甚至被吸收，最后基本被消耗在材料内部。
二、结构陶瓷
结构陶瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐冲 刷、抗氧化、耐烧蚀、高温下蠕变小等优异性 能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任 的严酷工作环境，因而广泛应用于能源、航空 航天、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。
通常根据结构陶瓷的使用领域和组分来对其进行分类:
机械陶瓷
使用领域
热机陶瓷
③、是玻璃还是陶瓷
微晶玻璃的应用
一般机械工程的应用：轴承、泵、阀门、管道；热交换 器；窑炉建筑，建筑，高温密封剂，深水容器。 电力工程及电子技术中的应用：微晶玻璃与金属焊接、高 温绝缘、预臵电路、微电子技术基片、电容器； 照明及光学应用：灯泡、激光器件、望远镜镜坯 航天工程：雷达天线罩、透红外性、飞机机翼热保护层 核工程：原子反应堆控制棒材料、反应堆用密封剂、放射 性废物处理； 医学及相关领域：人造牙齿，牙科修补材料，磷酸盐微晶 玻璃人工骨
氧化锆陶瓷
氧化锆具有一定的韧性，使该材料机械性能大幅提 高，尤其是室温韧性非常优异，因此作为热机、耐 磨机械部件受到广泛的关注； 此外，利用氧化锆的 离子导电特性，还开发了氧化锆在氧传感器、燃料 电池及发热元件等方面的应用。
氧化锆陶瓷
1、离子键具有方向性 2、位错运动会产生畴界
氧化锆陶瓷
晶粒内或晶粒间 界上发生的裂纹 都局限在一个晶 粒的尺寸内，因 此，晶粒尺寸越 大，材料的强度 越低。 晶粒尺寸对材料强度的影响
③、是玻璃还是陶瓷
玻璃的微晶学说
1921 年 列别捷夫 在研究硅酸盐玻璃时发 现，玻璃加热到573℃时其折射率发生急 剧变化，而石英正好在573℃发生αβ型 的转变。在此基础上他提出玻璃是高分 散的晶子的集合体，后经瓦连柯夫等人 逐步完善。
微晶的尺度在2nm左右
③、是玻璃还是陶瓷
微晶玻璃炉具面板
氧化铝陶瓷为结构陶瓷中典型材料。通常应用于需要承受 机械应力的结果用零件，尤其是利用其高熔点、高硬度、耐 腐蚀、电绝缘性好等特性，作为苛刻条件下使用的结构件。
氧化铝陶瓷
透明氧化铝陶瓷
α- Al2O3单晶体是良好的对红外 线、可见光透明的材料。但是以α Al2O3为主晶相的多晶陶瓷通常并非 如此。原因是材料中存在尺度与红 外线、可见光波长相当的缺陷（如 玻璃相、气孔、杂质相等）、晶界， 引起透入光被不断地被散射、反射、 折射、干涉甚至被吸收，最后基本 被消耗在材料内部。
生物化工陶瓷
核陶瓷及其他
二、结构陶瓷
氧化物陶瓷
按组分分类
氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷
①氧化物陶瓷
氧化物陶瓷材 料的原子结合以 离子键为主，存 在部分共价键， 因此具有许多优 良的性能。大部 分氧化物具有很 高的熔点，一般 都在2000oC附近。
氧化铝陶瓷
SiO2
Al2O3
添加SiO2作为助烧剂，在1600度形成液相，有利于烧结
与氧化铝形成液相的物质及出现液相的最低温度
形成液相的物质 BeO CaO CeO2 MgO ThO2 TiO2 出现液相的最低温度(oC) 1900 1400 1750 1930 1750 1720
ZrO2
1700
氧化铝陶瓷
以Al2O3为主成分。
材料呈蓝色，是由于它反射（激发跃迁），是由 于其与波长的光由于各种原因被吸收了。
③、是玻璃还是陶瓷
反常现象二：可机械加工
可用标准金属加工工具和设备进行车、铣、刨、磨 、钻、锯 切和攻丝等加工。
③、是玻璃还是陶瓷
微晶玻璃制备工艺
整体析晶法： 可沿用任何一种玻璃的成形方法，如吹制、压制、拉制、压延、离心浇 注、重力浇注等，适合自动操作和制备形状复杂的制品。（需要加晶核 剂） 烧结法： 配料→熔制→淬冷→粉碎→成形→烧结。 烧结法是通过淬冷后的细小颗粒的界面和表面晶化而形成微晶玻璃， 不必使用晶核剂。（利用缺陷成核）
③、是玻璃还是陶瓷
透不过的光去了哪里（透射、反射、散射）
红宝石：主要成分是氧化铝(Al₂O₃)。红色来自铬(Cr)， 主要为Cr2O3，含量一般0.1～3%，最高者达4%
③、是玻璃还是陶瓷
透不过的光去了哪里（透射、反射、散射）
主要成分是氧化铝（Al₂O₃）。 蓝色是由于其中混有少量钛（Ti） 和铁（Fe）杂质所致。蓝宝石的 颜色，可以有粉红、黄、绿、白、 甚至在同一颗石有多种颜色
晶体形成温度与时间的关系
①、玻璃
※非晶态合金块材制备方法
大块非晶合金主要通过调整成分来获得强的非晶形成能力。
Inoue 等人提出了三条简单的经验性规律： ⑴合金系由三个以上组元组成； ⑵主要组元的原子有12%以上的原子尺寸差； ⑶各组元间有大的负混合热； 为了控制冷却过程中的非均匀形核： 一要提高合金的纯度，减少杂质；二 要采用高纯惰性气体保护，尽量减少 含氧量。
氧化锆晶体结构及相变特性
氧化锆存在三种稳定的多型体：单斜相（m-ZrO2 ）、立方 相（c-ZrO2 ）和四方相（t -ZrO2 ）。
氧化锆的基本物理性能
氧化锆陶瓷
应力诱发相变
氧化锆中四方相向单斜 相的转变可通过应力诱 发产生。当受到外力作 用时，这种相变将吸收 能量而使裂纹尖端的应 力场松弛，增加裂纹扩 展阻力，从而大幅度提 高陶瓷材料的韧性。
①、玻璃
Na2CO3·NaHCO3·2H2O
腓尼基人
生活在今天地中海东岸
①、玻璃
3000多年前，洲腓尼商船载 着块状的 Na2CO3·NaHCO3·2H2O。 由于海水落潮，商船搁浅了， 于是船员们纷纷登上沙滩。有 的船员还抬来大锅，搬来木柴， 并用几块“天然苏打”作为大 锅的支架，在沙滩（碳酸钙、 二氧化硅）上做饭。
③、是玻璃还是陶瓷
反常现象一：有的微晶玻璃不透明 在光照条件下： 黑色的材料容易吸热 金属材料容易吸热 为什么？
③、是玻璃还是陶瓷
透不过的光去了哪里（透射、反射、散射） 1、转化为晶格振动（晶格热容） 2、将电子激发到高能级（电子热容）。金 属的能级连续，所以各种能量的光子来者不 拒，以至于不透明。
应力诱导相变增韧
氧化锆陶瓷
氧化锆陶瓷
微裂纹增韧机制：微裂纹弥散分布于陶瓷基体上。这些裂纹是由 四方氧化锆颗粒转变为单斜氧化锆颗粒时体积膨胀所致。
当有一个大裂纹扩展通过时，大裂纹前端的微小裂纹也产生扩展， 化解掉外力做的功。
微裂纹增韧只增加韧性，对强度有损害；应力诱发相变增 韧，既增加韧性也增加强度。
（3）晶格震动谐振性高
氮化铝陶瓷
在电子工业方面的应用：
氮化铝具有高的热导率、低的介电常数、绝缘以及与硅 相接近的热膨胀系数等特点，使其在电子工业中的应用日益 受到重视。过去的基片材料采用Al2O3，而AlN的热导率是 Al2O3的5～10倍，更适合大规模集成电路要求。BeO材料虽具 有优异的热导性能，但其剧毒性限制了它的工业中的广泛应 用。金刚石虽导热性能优良，但其价格昂贵，不宜用作基片 材料。在目前的非金属导热材料中， AlN陶瓷的综合性能良 好，非常适用于电子工业。
透明微晶玻璃
③、是玻璃还是陶瓷
微晶玻璃与陶瓷区别：
玻璃微晶化过程中产生的晶相是从单一均匀玻璃相或已产生 相分离的区域，通过成核和晶体生长而产生的致密材料；而 陶瓷中的晶相，除了通过固相反应出现的重结晶或新晶相以 外，大部分是在制备陶瓷是通过组分直接引入的。
微晶玻璃与玻璃的区别：
微晶玻璃是微晶体（ 晶粒尺寸为0.1-0.5um）和残余玻璃相 组成的复合材料，而玻璃则是非晶态固体。微晶玻璃可以是 透明的或非透明的，而玻璃一般是透光率各异的透明体。
②氮化物陶瓷
氮化物陶瓷材料：室温和高温强度高、硬度高、 耐磨蚀性和良好的抗热冲击及机械冲击性能，被材料 科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良，最有希 望代替镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用 的一种新材料。 氮化物陶瓷的缺点是抗氧化能力差。
氮化铝陶瓷
氮化铝发现于1842年，最初用于固氮剂及冶炼铝及 铝合金的耐火材料。由于氮化铝陶瓷具有高热导率 （理论热导率320W/m·K），与硅相匹配的热膨胀系 数，无毒、密度低、比强度高的特点，近年来，氮 化铝陶瓷作为新一代信息材料受到了广泛的关注， 成为微电子工业中电路基板和封装的最理想材料。
原料：纯碱、石灰石、石英 主要成分 Na2O·CaO·6SiO2
②、陶瓷
公元前8000－2000年（新石器时代）就发明了陶 器。用陶土烧制的器皿叫陶器，用瓷土烧制的器皿 叫瓷器。陶瓷则是陶器，炻器和瓷器的总称。
②、陶瓷
黏土
②、陶瓷
高岭土
高岭土（即观音土）是富含高岭石这一矿物的土壤的 名称，而高岭石的主要成分是Al203·2Si02·2H20
陶瓷材料
一、陶瓷材料的微观结构 ①玻璃 ②陶瓷 ③是玻璃还是陶瓷？ 二、结构陶瓷 ①氧化物陶瓷 ②氮化物陶瓷 ③碳化物陶瓷 三、电功能陶瓷 四、铁氧体
一、陶瓷材料的微观结构
①、玻璃
晶体
玻璃
Biblioteka Baidu
①、玻璃
冷却速度
须使金属不产生晶核也不发生晶核长大
液体 Tm 温 度 开始 结束 结晶
C曲线
玻璃 时间
冷却速度高于 临界冷却速度 以上时，金属 不再发生结晶
MgO作为助烧剂的作用机制
MgO的作用与其加入量有关：
当加入量不超过MgO在Al2O3中的固溶度（<0.3wt%）时， 固溶反应：
2MgO →2MgAl '+2O0x+V0••
生成氧空位，有利于氧的固相扩散传质，从而促进烧结
当MgO的加入量大于固溶度时，未溶解部分与Al2O3反应：
MgO +Al2O3→MgO•Al2O3(尖晶石) 尖晶石是新的化合物。尖晶石颗粒分布于Al 2O3主晶相的 晶界上，阻碍晶界移动（称之为钉扎晶界），从而阻碍由于 晶界移动过快导致的气孔进入晶粒内部的情形发生。 气孔在晶界上通过晶界扩散更容易排除。钉扎晶界的结果 还可以细化晶粒。
②、陶瓷
陶瓷中的玻璃相的主要作用是： 1)填充晶体相之间的空隙，并将分散的晶相粘结起 来，提高材料的致密度； 2)降低烧结温度，促进烧结； 3)玻璃相粘度高，阻止晶体转变，抑制晶体长大； 4)获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。 美国和欧洲一些国家的文献已将“Ceramic”一 词理解为各种无机非金属固体材料的通称。
烧结气氛
气氛对99瓷烧结的影响(1650 ℃烧结)
还原气氛或原子尺寸小的气氛对烧结更有利。还原气氛的 影响机理是增加了氧空位，促进了扩散过程。 又有实验表明，氨分解气氛、氢气氛会加速晶粒的异常长大， 故建议最好的气氛为氩气或空气。 这些实验结果有些矛盾，说明实际情况有些复杂。如果没有 晶粒的异常长大，可以认为采用还原气氛烧结还是有利的。
氧化铝陶瓷
通过以下方法可改善氧化铝的透光性： 提高密度，以减少气孔；
限制气孔的尺寸，使其不与透过光干涉；
限制晶粒尺寸（减少晶粒尺寸），从而提高均匀性。 提高材料的纯度，以减少玻璃相和杂质相。
具体措施：采用高纯、细的Al2O3粉为原料(一般用硫酸铝氨 热分解法生产的高纯Al2O3粉体为原料)，掺杂MgO(0.5wt%),在 氢气氛下烧结。
纯铜398 W/m.K
氮化铝陶瓷
氮化铝（AlN）是一种人造材料，在自然界中并不存在。 强度极大的共价键使得氮化铝具备高熔点，且凭借共价键之 共振声子传递热能，使得氮化铝同时具备高热传导特性。 氮化铝为少数热导率高的非金属固体，因其符合：
（1）原子键强（反例：气体导热性差）
（2）晶体结构简单；
②、陶瓷
地壳中元素含量
②、陶瓷
黏土的主要成分
②、陶瓷
②、陶瓷
1） 晶粒 是陶瓷材料的主要组成相
①硅酸盐 硅酸盐是传统陶瓷的主要晶相。
② 氧化物 氧化物是大多数典型陶瓷，特别是特种陶瓷的主要组 成和晶体相。最重要的氧化物晶体相有AO、AO2、A2O3、 ABO3和AB2O4等（A、B表示阳离子）。 ③非氧化物 是指不含氧的金属碳化物、氮化物、硅化物及硼化 物等，它们是新型陶瓷,特别是金属陶瓷的主要晶相和晶体相。主 要由高键能的共价键结合，但也有离子键和金属键。