陶瓷材料显微结构与性能
陶瓷的分类及性能
陶瓷材料的力学性能陶瓷材料陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。
金属：金属键高分子：共价键（主价键）范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。
普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。
工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。
工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。
硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。
常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。
一、陶瓷材料的结构和显微组织1、结构特点陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。
可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。
如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”2、显微组织晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。
（可通过热处理改善材料的力学性能）陶瓷的分类玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷—普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温……金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…2.陶瓷的生产(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结3. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。
（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2)(3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。
2 （E/1000--E/100）。
陶瓷材料的显微结构
相同蠕变条件下：1300℃，250MPa，100h YL-a(晶界宽度1nm)； YL-b(晶界宽度2.5nm) YL-b的蠕变量为YL-a的2.4倍
(3)重烧结Si3N4
反应烧结+更高温度烧结
低温氮化后，经1atmN2 压 力，1850℃，2h，室温抗 折强度550MPa
Si3N4烧结温度高，接近其挥发分解温度(1890℃)； 常压下，提高烧成温度增加致密度比较困难； 发展了一种新工艺———气氛加压烧结工艺； 提高了烧成温度，抑制了烧成过程中的挥发与分解，制备出性能 优良的陶瓷材料
温度↑，陶瓷的强度↓ 高温破坏：广泛分布的显微结构 损伤的积累过程；
室温破坏：已经存在的裂纹的突 然破坏所致。
高温下损伤的形成与材料承受蠕变或蠕 变破坏的能力有关。 与高温强度有关的重要因素— 晶界相
I. 烧结助剂如ＭgO等与Ｓi3N4中的SiO2 杂质 反应形成硅酸盐液相； II. 冷却过程中，这些促进烧结致密的液相形 成玻璃相驻留在晶界上，形成一层薄的非 晶态层(约1nm)； III.材料在高温下(高于晶界玻璃相的转变温 度)受力时，由于蠕变裂纹的生长而破坏； IV.晶界玻璃相成为物质的快速传递区，导致 蠕变孔穴的迅速形成； V. 网状裂纹扩展并最终相互连接，导致材料 完全破坏。
他形晶：较迟结晶的晶体，在受抑制情况下生长发育，形成晶 形很不完整的晶体。
97瓷中刚玉半自形晶结构 莫来石陶瓷中莫来石 1、自形晶；2、半自形晶；3、他形晶 日用陶瓷中石英晶体受到熔 陶瓷自形晶的结构 蚀后呈他形晶结构
多晶体的晶形
§4.1 陶瓷显微结构类型
瓷 坯 中 晶 质 和 非 晶 质 的 含 量 全晶质 主 晶 相 的 晶 粒 尺 度
低温氮化后，经15atmN2 压 力，1950℃，2h，室温强度 750MPa，硬度HRA91~92
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
二、陶瓷材料的分类
1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、 氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。
玻璃幕 墙 导电玻 璃
2、按使用的原材料分类
可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。
普通陶瓷以天然的岩石、 矿石、黏土等材料作原 料。 特种陶瓷采用人工合成 的材料作原料。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构 陶瓷和功能陶瓷两类。
玻璃相结构特点：硅氧四面体组成不规则的空间 网, 形成玻璃的骨架。 玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物
(三)、气相
气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影 响因素多。 陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷 和多孔陶瓷。 气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外） 气孔率：普通陶瓷5%～10％ 特种陶瓷5％以下 金属陶瓷低于0.5％。
（2） 硅酸盐化合物的几种类型
按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几 种类型： ①孤立状硅酸盐 ②复合状硅酸盐 ③环状或链状硅酸盐 ④层状硅酸盐 ⑤立体网络状硅酸盐
①孤立状硅酸盐（岛状结构单元）
其单元体(SiO44－） 互相独立，不发生相 互连接。 化学组成一般可以表 示为2RO· 2。 SiO 其中RO表示金属氧化 物如MgO、CaO、 FeO等。 具有这类结构的有橄 榄石和石榴石等。
AX化合物的特征是：A和X原子或离子 是高度有序的，属于这类结构的有： （1）CsCl型 （2）NaCl型 （3） ZnS闪锌矿型 （4）纤维锌矿型
（以下分别介绍）
（1）CsCl型 这种化合物的结构见图3-2。A原子（或离 子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子） 也处于8个A原子的中心。但应该注意的是， 这种结构并不是体心立方的。确切的说，它 是简单立方的，它相当于把简单立方的A原 子和X原子晶格相对平移a/2，到达彼此的 中心位置而形成。
5-陶瓷材料的力学性能
二、陶瓷材料的增韧
工程陶瓷材料的脆性大，应用受到限制，所以陶瓷材料 的增韧一直是材料学界研究的热点之一。
通常金属材料的强度提高，塑性往往下降，断裂韧度也 随之降低。
产生的应力腐蚀后都会在没 有明显预兆的情况下发生脆 断，会造成严重事故。
（二）循环疲劳
1987年，研究发现单相陶瓷、相变增韧陶瓷以及陶瓷基复 合材料缺口试样，在室温循环压缩载荷作用下也有疲劳裂 纹萌生和扩展现象。
图10-13是多晶氧化铝（晶粒尺寸10微米）在室温空气环境 对称循环加载（f=5Hz）及在静载下的裂纹扩展特征。
应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电 性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。
第一节 陶瓷材料的变形与断裂
一、陶瓷材料的弹性变形
弹性模量
1、弹性模量的本质 弹性模量的大小反映材料原子间结合
力的大小，越大，材料的结合强度越高。 2、陶瓷材料高弹性模量的原因
1) 由于陶瓷材料具有离子键或共价键的 键合结构，因此陶瓷材料表现出高的熔点， 也表现出高的弹性模量。
断裂韧性：
K IC (2E s )1/ 2
金属材料要吸收大量的塑性变性能，而塑性变性能要比表面 能大几个数量级，所以陶瓷材料的断裂韧性比金属材料的药 低1~2数量级，最高达到12~15MPa.m1/2
陶瓷是脆性材料，弯曲或拉伸加载时，裂纹一旦出现， 极易产生失稳断裂。
山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点处存在应 力集中现象，易在较低载荷下产生裂纹，所以不需要预 制裂纹。当试验参数合适时，这种方法能产生裂纹稳定 扩展，直至断裂。
实验4陶瓷材料的显微结构分析
主要设备：日立S-3000N扫描电镜、超声清洗仪 耗 材：Al2O3等多晶功能陶瓷材料、Au金靶、导电胶等
电子束与固体的相互作用
电子束
电子 电动势
阴极荧光 特征X-射线
二次电子 俄歇电子 背散射电子
样品
吸收 电流
透射电子
扫描电镜工作原理图
电子枪
高压电源
聚光镜 扫描线圈
透镜电源
M = As/Ac 由于扫描电子显微镜的荧光屏尺寸是固定不变的，电子束在样 品上扫描一个任意面积的矩形时，在阴极射线管上看到的扫描 图像大小都会和荧光屏尺寸相同。因此我们只要减少镜筒中电 子束的扫描幅度，就可以得到高的放大倍数，反之，若增加扫 描幅度们，则放大倍数就减小。90年代后期生产的高级扫描电 子显微镜放大倍数可以从数倍到80万倍左右。
思考题
(1) 扫描电镜使用时为何要抽真空？ (2) 对于非金属样品，用扫描电镜观察前为何需在样品表面 喷镀一层金属？
金属材料断口SEM图
(a) 沿晶断裂
(b) 穿晶断裂
掺硼金刚石薄膜SEM图
LiCoO2和Al，Zr掺杂LiCoO2材料SEM图
(a) 未掺杂
(b) 掺杂
人体组织SEM图
(a) 味 蕾
实验四 陶瓷材料的显微结构分析
一.实验目的与内容
1显微镜基本构造和使用方法
二.实验基本原理
电子枪发射并经过聚焦的电子束在样品表面逐点扫描，激发样 品产生二次电子、背散射电子、透射电子、特征X射线、俄歇电 子等各种物理信号。这些信号经检测器接收、放大并转换成调制 信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征图像。
聚光镜：共有三对，前两对为强磁透镜，起缩小电子束光斑用， 第三对为弱磁透镜，又称物镜，焦距较长。扫描电镜中电子束直 径越小，成像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。
烧成制度对刚玉-莫来石陶瓷相含量、显微结构及性能的影响
1引言陶瓷用具作为辊道窑的关键部件，在辊道窑中起到重要作用。
刚玉-莫来石质陶瓷辊棒，在长期转动过程中要求具备抗高温蠕变的特性，是一种特殊的结构陶瓷。
随着陶瓷大板、岩板、薄板、厚板、发泡陶瓷等新型建筑材料的快速发展，陶瓷辊棒的使用要求越来越高。
刚玉-莫来石质陶瓷辊棒是陶瓷行业辊道窑最常用的材质，具有较高的机械强度、良好的抗热震性以及较低的高温蠕变，能较好的满足辊道窑稳定运转和烧成陶瓷制品的要求[1]。
本文设计了多种烧成制度，对比研究其对刚玉-莫来石陶瓷相含量、显微结构以及性能的影响。
2实验冯斌1,2;张军恒1,2;张脉官1;杨华亮1,2;王玉梅2;罗琼1,2;孔令锋1,2;严玉琳1,2;吴丹1,2（1.广东金刚新材料有限公司，佛山5280002.佛山市陶瓷研究所集团股份有限公司，佛山528000）研究烧成制度对刚玉-莫来石结构陶瓷微观结构、相变反应及性能的影响。
结果表明：当升温速率较快时，刚玉固溶和溶解速度较慢，残余刚玉量较高，生成玻璃相较少；随着温度升高，刚玉与莫来石的相对质量比越来越小，说明提高温度，加速了刚玉溶解，但是玻璃相/莫来石比值不同，更易受升温速率影响，快速升温时温度越高，比值越小，慢速升温时温度越高则比值越大；升温速率对莫来石、刚玉和玻璃相作用因子从大到小排列顺序是：玻璃相>刚玉>莫来石，快速升温时最高温度影响因子排列顺序是：玻璃相>莫来石>刚玉，慢速升温时最高温度影响因子是：玻璃相>刚玉>莫来石；1550℃以下烧成莫来石生长发育不良，晶体出现短柱状长径比较小，网状交叉分布数量明显减少，气孔较多，这是因为二次莫来石化未完全反应，未充分烧结；结构陶瓷热膨胀系数影响因子：刚玉与莫来石质量比、显气孔率、体积密度，其中刚玉与莫来石质量比是最主要影响因素，后两者影响作用比较接近，刚玉与莫来石质量比越大，陶瓷热膨胀系数则越大。
刚玉-莫来石；热膨胀系数；玻璃相研究与探讨Research&Discussion本次设计了1组目前比较常见的刚玉-莫来石结构陶瓷配方，见表1。
陶瓷的显微结构及性能课件
生物陶瓷 生物陶瓷具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，在生物医疗 领域有广泛应用，如人工关节、牙齿等。
环保与可持续发展
1 2 3
降低能耗 陶瓷产业是高能耗产业，通过技术进步和产业升 级，降低陶瓷产业的能耗，有利于环境保护和可 持续发展。
陶瓷在医疗领域中用于制造人工关节、牙 科材料等，如人工关节置换材料、牙齿修 复材料等。
CHAPTER 02
陶瓷的显微结构
陶瓷的晶体结构
01
02
03
晶体结构定义
陶瓷的晶体结构是指陶瓷 内部质点的排列方式，包 括原子、分子的位置和排 列顺序。
晶体结构的分类
根据原子排列的规律性， 陶瓷的晶体结构可分为晶 体和玻璃相两大类。
原料处理
对原料进行破碎、混合、干燥等处 理，以保证其均匀性和稳定性。
成型工 艺
塑性成型
利用黏土的可塑性，通过压滤、 挤压、注浆等工艺成型。
干压成型
将粉末状原料在模具中加压成型， 适用于形状复杂的陶瓷部件。
热压成型
在加热条件下加压成型，适用于 热塑性陶瓷材料。
烧成工艺
烧成温度
控制烧成温度，以实现陶瓷的完全烧结和性能优化。
晶体结构的稳定性
晶体结构的稳定性决定了 陶瓷的力学性能、热学性 能和化学稳定性等。
陶瓷的显微组织
显微组织的定义
陶瓷的显微组织是指陶瓷中晶粒的大 小、形状、分布和晶界特征等。
显微组织与性能关系
陶瓷的显微组织对其力学性能、热学 性能、电学性能和磁学性能等均有影 响。
显微组织的影响因素
陶艺(第八章)-显微结构与性质1
锡乳浊釉
公元前6～9世纪，中东地区就已经出现了应用在
内墙砖上的锡乳浊釉。
锡乳浊釉的显微结构是釉层中均匀分布着一定数
量的SnO（折射率高达1.99～2.09，比基础釉玻璃 的折射率要高出40％～50％）晶体。
也有人认为在釉中除了含有SnO，还含有锡榍石
（CaO· SiO2），两者共同起作用。 SnO·
根据对釉层透光度的研究可知：釉的失透与乳浊相
折射率的大小，乳浊相粒子大小、数量、分布均匀程 度等有关。
根据乳浊剂的名字分类
锆乳浊釉 锡乳浊釉 钛乳浊釉
锆乳浊釉
在釉中残留或析出锆化合物晶体，使得釉层
失透，形成乳浊。
当锆釉中的乳浊相为锆石时，其乳浊效果最
佳；当锆釉中的乳浊相为锆英石与锆石时， 乳浊效果好；当锆釉中的乳浊相为锆英石时， 其乳浊效果较好。
显微结构中各物相的作用
莫来石：普通陶瓷的主晶相，是瓷坯内 部的骨架。莫来石的种类、大小、分布等 对瓷坯的强度有明显的影响。 瓷坯中的莫来石分别由粘土形成和从玻璃 相析出（针状，交织成网）。
显微结构中各物相的作用
玻璃相：环绕在石英颗粒周围的熔有石 英的高硅玻璃相，α小；中间生长有交织 成网的莫来石晶体的长石玻璃相；在粘土 分解产物区内，填充在粘土残骸（一次鳞 片状莫来石）间的玻璃相。
（一）气相乳浊釉
一般釉玻璃相的折射率为1.5左右，气体的
折射率一般为1.3左右，两者之间存在差距， 可以构成乳浊，直径小于0.1mm的釉泡会使釉 层混浊不透明。气泡尺寸大到肉眼能分辨时， 会使釉面产生暗哑的光泽而失去美感。要使 釉层中产生多而细小分布均匀的气泡在工艺 上较为因难，且会因气泡多影响釉面硬度。 一般不采用气体来实现釉面乳浊。
陶瓷材料的显微结构PPT课件
m-ZrO2
1150℃ 950℃
t-ZrO2
2370℃ c-ZrO2
➢ t-ZrO2 到 m-ZrO2 马 氏 体 相 变 伴 随 有 相 当 大 的 剪 切 应 变 ( 约 8%) 和体积增加(3%~5%)
➢ 施加压应力可抑止t-ZrO2的相变； ➢ 添加Y2O3、MgO和CeO2等稳定剂以降低相变温度，而使t-ZrO2
细孔
与
分
布
微孔
粒状
柱状
晶 柱粒状
粒 形
针状
态 网络状
特 征
斑状
树枝状
放射状 片状
对
陶 反应结构
瓷 中
定向结构
某 缺陷结构
些
特 欠烧或过烧结构
殊
结 壳芯结构
构 的
分相结构
综 复合结构
合
分 电(磁)畴结构
析
晶界与晶界相
§4.2 含缺陷陶瓷材料的显微结构
一、制备过程产生的缺陷
1、大孔径的孔隙 2、不纯原料 3、异常大晶粒 4、团聚 5、第二相夹杂物
由表面，直到材料断裂，从而提高了陶瓷的断裂韧性与强度。
②微裂纹分支增韧
主裂纹沿最大张应力的垂直方 向扩展，由于相变而受阻中断，裂 纹只能在偏离45o方向产生分支，也 相当于在剪应力方向再度扩展。
③微裂纹增韧
材料制备过程中，由高温降至 低 温 时 ， 一 些 晶 粒 的 t-ZrO2 自 发 地 相变到m-ZrO2，产生微裂纹，使材 料增韧。
99%瓷→1700℃。
二次重结晶，导致局部晶粒 易于长大。
原料本身不均匀； 成型时的压力因素； 烧成温度偏高； 局部不均匀的液相存在。
异常显微结构，晶粒大小分 布显著不均匀。
陶瓷材料的力学性能
二、陶瓷材料疲劳特性评价
陶瓷材料的应力腐蚀开裂比疲劳更难产生。通常陶瓷材料在交变载荷作用下， 随着△K值增大开始产生疲劳裂纹扩展，随后产生应力腐蚀裂纹扩展，因此需 要考虑疲劳和应力腐蚀对裂纹扩展的叠加效应。
第七节、陶瓷材料的抗热震性
三、抗压强度
陶瓷材料的压缩强度远大于其抗拉强度，二者相差10陪左右。陶瓷材料抗拉 强度与抗弯强度显著不同时由于在两种受载条件下裂纹扩展行为不同所致。
第四节、陶瓷材料的硬度用 户耐磨性
一、陶瓷材料的硬度
陶瓷材料的硬度高是优点之一，常用HRA、HR45N、维氏HV或努氏硬度HK表 示 二、陶瓷材料的耐磨性 工程陶瓷硬度高，所以其耐磨性也比较高。
陶瓷材料力学性能
陶瓷材料力学性能
前言
本章主要内容 陶瓷材料的结构 陶瓷材料的变形与断裂 陶瓷材料的强度 陶瓷材料的硬度与耐磨性 陶瓷材料的断裂与增韧 陶瓷材料的疲劳 陶瓷材料的抗热震性
第一节、陶瓷材料的结构
一、陶瓷材料的组成与结合键 陶瓷晶体是以离子键和共价键为主要结合键，一般为两种或两种以 上不同结合的混和形式。离子键和共价键是强固的结合键，故陶瓷 材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀和无塑性等特性 二、陶瓷材料的显微结构 其显微结构包括相及相分布、晶粒尺寸和形状、气孔大小和分布、 杂志缺陷及晶界等。陶瓷材料有晶相、玻璃相和气相组成。它们分 别可以起到决定其物理化学性能黏结晶相填充气体以及降低致密度 等作用
第五节、陶瓷材料的断裂韧度与增韧
一、陶瓷材料的断裂韧度 工程陶瓷的断裂韧度值比金属低1-2个数量级。
1、单边切口梁法
优点：(1) 数据分散性好；(2) 重现性好；(3) 试样加工测定方法比较 简单，是目前广泛采用的一种方法。 缺点： 测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽度增加， KIC增大，误差随 之增大。如果能将切口宽度控制在0.05~0.10mm以下，或在切口顶端 预制一定长度的裂纹，可望提高KIC值的稳定性。
陶瓷系列-1-微观结构与力学性能
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显微组织对性能的影响
陶瓷的显微组织对其力学性能、热学性能、电学性能等都有重要影 响。
陶瓷的相变
01
02
03
相变定义
陶瓷的相变是指在一定温 度下，陶瓷内部晶相发生 转变的过程。
相变分类
根据相变过程中是否发生 晶体结构的改变，陶瓷的 相变可以分为同构相变和 异构相变。
相变对性能的影响
陶瓷的相变对其力学性能、 热学性能、电学性能等都 有重要影响。
频率性能和稳定性。
06
未来研究方向
提高陶瓷的力学性能
优化制备工艺
通过改进陶瓷的制备工艺，如采用先进的烧结技术、热处理工艺等， 提高陶瓷材料的致密度和均匀性，从而提高其力学性能。
引入增强相
在陶瓷基体中引入第二相增强相，如碳纳米管、晶须等，利用其增 强作用提高陶瓷的力学性能。
表面涂层处理
在陶瓷表面涂覆高硬度、高耐磨损的涂层，以提高其耐磨、耐腐蚀等 力学性能。
陶瓷系列-1-微观结构 与力学性能
目 录
• 引言 • 陶瓷的微观结构 • 陶瓷的力学性能 • 微观结构与力学性能的关系 • 陶瓷的应用 • 未来研究方向
01
引言
主题介绍
陶瓷材料是一种无机非金属材料，具 有高熔点、高硬度、高耐磨性等特点 ，广泛应用于工业、建筑、航空航天 、军事等领域。
陶瓷材料的微观结构对其力学性能具 有重要影响，因此研究陶瓷的微观结 构与力学性能之间的关系是陶瓷材料 研究的重要方向之一。
发展多功能陶瓷
Hale Waihona Puke 多功能化应用在保持陶瓷材料优异力学性能的同时，赋予其新的功能特 性，如电学、磁学、光学等特性，拓展其在新能源、电子 信息等领域的应用。
陶瓷的显微结构及性能
2.3 瓷器的性质
衡量日用细瓷的质量分为外观质量和内在质量
外观质量 白度 透光度 釉面光泽度 尺寸规格及 装饰等 内在质量 热稳定性：经受从200℃到20℃水中急冷一次未裂。 致密度 机械强度 硬度 坯釉结合性 产品表面铅溶出量等 一般要求在60－70％，高白瓷＞80 ％ 一般细瓷透光度为 Ir 为2-20％ 高级细瓷光泽度≥114度
23瓷器的性质23瓷器的性质衡量日用细瓷的质量分为外观质量和内在质量外观质量一般要求在6070高白瓷80透光度一般细瓷透光度为ir为220釉面光泽度高级细瓷光泽度114度尺寸规格及装饰等内在质量热稳定性
第二章
陶瓷的显微结构及性能
2.1 显微结构概念 2.2 瓷胎的显微结构 2.3 瓷器的性质
2.3.3瓷器的光泽度
• 光泽度是瓷器釉层表面的一种特征 • 照射在瓷器表面光线的镜面反射光强度决定光泽度 1.测定方法：光电光泽计 用照射在釉表面子镜面反射方向的反光量，并规定折射率为 1.567的黑色玻璃的反光量为100％，将被测瓷片的反光能力与 此黑色玻璃反光能力相比较得到的数据，作为瓷器的光泽度。 2.影响因素： 釉的组成（釉表面平滑程度、折射率）和工艺因素均影响光度。 镜面反射率 R= n:釉层折射率，n越高，R越大 (n-1)2 3.提高光泽度措施 (n+1)2 釉应具有： 1）较高折射率，加入高折射率的氧化物； 2）较高始熔点，可减少釉向坯体渗透、减少釉面针孔； 3）较低高温粘度，粘度降低,流动性提高，可避免釉的波纹和桔 釉，有利于气体排出，减少釉层内微小气孔量； 4）适当高的表面张力，把釉层拉平，保持较好的平整度。
高岭石
偏高岭石
950℃ 3( Al2O3 2SiO2 ) 3Al2O3 2SiO2＋4SiO2
显微结构对陶瓷材料物理性能的影响
１ 气 孔 率对 弹性 模 量 、 强度 的影 响
气孑 率小 时 ， Ｌ 弹性 模 量 随气 孔 率 的增 加 而 直 线 地减小 ： Ｅ＝Ｅ （ 一Ｋ １ Ｐ） （）， 中 Ｅ—— １ 式
界并在 晶界 前堆 积 起来 ． 当塞 积 顶 端 产生 的应力
集 中达到相 邻 晶粒 位 错 源 开动 的临 界 应力 时 变形 扩展 （ 屈服 ） 由 晶 内位错 塞积 在 晶 界上 引发 ．
阻力 ． （ ） 明 ， 粒直 径 越小 ， 服 强度 越 高 ． 式 ５表 晶 屈
因此 ， 细化 晶粒 可 以提高材 料 的韧性 和强度 ．
陶瓷 ， 须将 气孑 率降 至最低 限度 ． 必 Ｌ
３ 晶粒 尺 寸 与 韧 一脆 转 变 温 度 的关
系
尺 寸为 ｄ的晶粒 ： Ｔ＝Ｃ ｌ（ ＝ ｎ 兰）
陶瓷材 料的物 理性 能在很 大程度 上取决 于其 显微 结构 ， 在某 些 情况下甚 至是 决定性 的 ， 握 它 掌 们 之间 的 内 在关 系 可 以 有 针对 性 地 优 化 制 备 工 艺， 从而 提高 陶瓷 材料 的物 理性 能 ．
越小 ， 越 大 ． 验 中发 现 多 晶材 料 的 流 变 应力 实 与晶粒 直径 的 平 方 根 成 反 比 ， ａ —Ｐ ｔ 从 位 Ｈｌ ｅｈ ｌ ｃ 错塞积 概念推 导 出这 一关 系 ． 晶界 对 位错 运 动构 成强烈 的 障碍 ， 外 力 作 用 下取 向最 有 利 的晶粒 在 的位错 源首 先开 动 ， 错 源发 出 的位 错 滑移 到 晶 位
， １
４ 显 微 结构 对 陶瓷 材料 蠕 变 的影 响
蠕 变速度 与应 力 的关 系 曲线有 两 个 区域 ， 如 图１ 所示 ． 低 应 力 下应 变 速率 与 应 力 成 正 比 】在 （， ） 对应 于 扩散蠕 变 ； ／＝１ ， １ 而在 高应 力 下（ ｉ ４ Ｓ， Ｎ
陶瓷工艺学---第四章 陶瓷的显微结构与性质
5.高温色釉 5.1 青釉 是我国历史上最早出现的颜色釉。各地青釉质感不同，原因 是釉层结构不同。 1）钧窑青釉 釉面乳浊 高硅质釉中含有磷酸盐，产生液-液分相乳浊。 2）龙泉青瓷、汝官窑青瓷、枢府青白瓷釉 3）临汝青釉瓷 透明 釉面乳浊 高铝低硅釉玻璃中含有小气泡和细小钙长石晶体产生乳浊。
釉层中无晶体析出，只有少量大气泡存在。
晶相强度 ＞ 普通玻璃相强度 减少玻璃相的含量，提高玻璃相的强度，瓷坯的强度提高。 特种陶瓷生产，对于添加剂形成的少量玻璃相进行晶化处理。
1.5 气相对强度的影响
通过对多孔陶瓷的研究，得到气孔率与强度的关系。
经验公式：
＝ 0 exp（ p）
式中：P——气孔率，％；
0——P＝0时的强度，Mpa；
铝质瓷中引入氧化镁0.5～1％。
3）晶型与晶粒形貌对强度的影响
常温下的晶型转变，导致瓷坯的强度降低；
一种晶体以不同的晶型存在时，晶体的形状不同，强度不同； 一种晶体以不同的形状（球形、柱状）存在，瓷坯强度不同；
4）晶界对强度的影响
晶界愈多，抑制裂纹的扩展，界面上如有气孔降低强度。
1.4 玻璃相对强度的影响
＝Kd
式中：K——与晶体结构及材料显微结构有关的比例常数。
d——晶粒直径。
——与材料特性和实验条件有关的经验常数。 ＝1/8～1 随d的增大而增大。 P254～255表4-21、图4-32、4-33 各种陶瓷材料强度与粒径关系
细晶粒提高强度机理：
1. 晶粒愈细小，比表面积愈大，晶界愈多，裂纹扩展阻力愈大
第四章 陶瓷的显微结构与性质
主要内容
1.坯体的显微结构
2.釉层的显微结构 3.釉层的物理化学性质
4.陶瓷性能的控制
陶瓷材料的显微结构
相组成：晶相、玻璃相、气相
晶形：每一种晶体在形成、长大的过程中，往往习 惯地、自发地按一定的规律生长和发育成一 定的几何形态。
这种习惯称为结晶习性。
自形晶：先结晶的晶体在较好的环境下生长，即在有利于按其 本身的结晶习性的环境中生长发育的，而形成晶形完整 的晶体。
• Al2O3含量↑，玻璃相↓。 • Al2O3含量↑，烧成温度↑。95%瓷→1600℃；
99%瓷→1700℃。
二次重结晶，导致局部晶粒 易于长大。
原料本身不均匀； 成型时的压力因素； 烧成温度偏高； 局部不均匀的液相存在。
异常显微结构，晶粒大小分 布显著不均匀。
与添加剂的选用与加入量不 当有关
2、ZrO2陶瓷
与应力诱导相变不 同，后者在相变开 始点周围应力变化 较大处产生，因此 成核相变可能是应 力诱导相变的先兆。
1、大孔径的孔隙 2、不纯原料 3、异常大晶粒 4、团聚 5、第二相夹杂物
二、高温缺陷
温度↑，陶瓷的强度↓ ➢高温破坏：广泛分布的显微结构 损伤的积累过程； ➢室温破坏：已经存在的裂纹的突 然破坏所致。
高温下损伤的形成与材料承受蠕变或蠕 变破坏的能力有关。 与高温强度有关的重要因素— 晶界相
I. 烧结助剂如ＭgO等与Ｓi3N4中的SiO2杂质 反应形成硅酸盐液相；
③微裂纹增韧
材料制备过程中，由高温降至 低 温 时 ， 一 些 晶 粒 的 t-ZrO2 自 发 地 相变到m-ZrO2，产生微裂纹，使材 料增韧。
(2)影响相变增韧的因素
①晶粒大小
I. ZrO2相变增韧材料中存在临界晶粒尺寸； II. 晶粒尺寸大于临界尺寸时，易于相变，冷却过程中，伴随相
陶瓷材料力学性能.
第一节 陶瓷材料的结构
• 陶瓷材料的组成与结合键
负电性所体现的是一个原于吸住电子的能力，元素的负电性与其在 周期表中的位置有关，大约当负电性差∆X<0.4～0.5时，对形成固溶 体有利，当∆X增大时，则形成化合物的倾向增大。
• 陶瓷材料的显微结构
• 陶瓷材料由晶相、玻璃相和气孔组成。 • 如果玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶瓷材 料的强度下降，易于产生塑性变形。 • 气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，强度及硬 度下降。
第五节 陶瓷材料的断裂韧度与增韧
• 陶瓷材料的断裂韧度
1.单边切口梁法
• • • •
优点： (1) 数据分散性好； (2) 重现性好； (3) 试样加工和测定方法比较简单，是目前 广泛采用的一种方法。 • 缺点： • 测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽 度增加， KIC增大，误差随之增大。 • 如果能将切口宽度控制在0.05~0.10mm以 下，或在切口顶端预制一定长度的裂纹， 可望提高KIC值的稳定性。
3.压痕法
• 测试过程：用维氏或显微硬度压头，压入 抛光的陶瓷试样表面，在压痕时对角线方 向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载 荷与裂纹长度的关系，求出KIC值。
• 优点：测试方便，可以用很小的试样进行多点韧度测试， 但此法只对能产生良好压痕裂纹的材料有效。 • 缺点：由于裂纹的产生主要是残余应力的作用，而残余应 力又是因为压痕周围塑性区与弹性基体不匹配引起的。因 此，这种方法不允许压头下部材料在加载过程中产生相变 或体积致密化现象，同时压痕表面也不能有碎裂现象。
材料力学性能
第十章 陶瓷材料的力学性能
• 陶瓷材料广泛应用于我们的日常生活，它和金属材料、 高分子材料并列为当代三大固体材料之一。 • 传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、成型 烧结而成，性能特点是强度低、脆性高。 • 工程陶瓷的力学性能是耐高温、硬度高、弹性模量高、 耐磨、耐蚀、抗蠕变性能好。
陶瓷材料的显微结构
②微裂纹分支增韧
主裂纹沿最大张应力的垂直方 向扩展，由于相变而受阻中断，裂 纹只能在偏离45o方向产生分支，也 相当于在剪应力方向再度扩展。 ③微裂纹增韧 材料制备过程中，由高温降至 低温时，一些晶粒的t-ZrO2 自发地 相变到m-ZrO2 ，产生微裂纹，使材 料增韧。
(2)影响相变增韧的因素
四、陶瓷复合材料
(1)颗粒弥散增强复合材料
ZrO2起相变韧化与裂纹转向韧化作用
(2)纤维补强增韧复合材料
①长纤维增韧
②短纤维(或晶须)增韧
热压方法制备，晶须排列有 一定的择优取向，界面结合 良好，晶须分布比较均匀
③颗粒与短纤维复合增韧
兼有ZrO2 粒子相变增 韧与短纤维韧化作用。
(3)陶瓷基复合材料的界面
m-ZrO2
1150℃ 950℃
t-ZrO2
2370℃
c-ZrO2
t-ZrO2 到m-ZrO2 马氏体相变伴随有相当大的剪切应变(约8%) 和体积增加(3%~5%) 施加压应力可抑止t-ZrO2的相变； 添加Y2O3 、MgO和CeO2 等稳定剂以降低相变温度，而使tZrO2在室温时处于亚稳定状态。
③复合材料的界面设计
目的：调整增强体与基体之间物理与化学的 相容性，充分地发挥增强体的增韧补强效应。 途径： a. 正确选择增强相与基体，使它们能够形成 一种热力学稳定的界面； b. 增强体的表面改性：表面涂层、酸洗、表 面热处理等。
表面涂层
合理的涂层能有效地调节界面 的残余应力，抑制界面的化学 反应，改善界面的结合状态
相同蠕变条件下：1300℃，250MPa，100h YL-a(晶界宽度1nm)； YL-b(晶界宽度2.5nm) YL-b的蠕变量为YL-a的2.4倍
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1陶瓷烧结过程中影响气孔形成的因素有哪些？(1)煅烧温度过低、时间过低 (2)煅烧是时原料中的水碳酸盐、硫酸盐的分解或有机物的氧化 (3) 煅烧时炉内气氛的扩散 (4) 煅烧时温度过高，升温过快或窑内气氛不合适等。
夏炎2.影响陶瓷显微结构的因素有哪些？参考答案：(1) 原料组成、粒度、配比、混料工艺等(2) 成型方式、成型条件、制品形状等(3)干燥制度（干燥方式、温度制度、气氛条件、压力条件等）(4) 烧成制度（烧成方式、窑炉结构、温度制度、气氛条件、压力条件等）3. 提高陶瓷材料强度及减轻其脆性有哪些途径？参考答案：a.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷。
例如，采用热等静压烧结制成的Si3N4气孔率极低，其强度接近理论值。
b.在陶瓷表面引入压应力可提高材料的强度。
钢化玻璃是成功应用这一方法的典型例子。
c.消除表面缺陷，可有效地提高材料的实际强度。
d.复合强化。
采用碳纤维、SiC纤维制成陶瓷/陶瓷复合材料，可有效地改善材料的强韧性。
e.ZrO2与增韧。
ZrO2对陶瓷的强韧化的贡献有四种机理（相变增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、表面残余应力增韧）罗念4.影响氧化锆相变增韧的因素是什么？简单叙述氮化硅陶瓷具有的性能及常用的烧结方法。
①晶粒大小。
当晶粒尺寸大于临界尺寸易于相变。
若晶粒尺寸太小，相变也就难以进行。
②添加剂及其含量使用不同的添加剂， t-ZrO2的可转变最佳晶粒大小、范围也不同。
③晶粒取向。
晶粒取向的不同而影响相变导致增韧的机制。
氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐化学溶液和熔体的腐蚀、高电绝缘体、低热膨胀和优良抗热冲击、抗机械冲击等性能。
烧结方法：反应烧结氮化硅、无压烧结氮化硅、重烧结氮化硅、气氛加压氮化硅和热压烧结氮化硅。
——李成5.气孔对功能陶瓷性能的影响及降低功能陶瓷中的气孔量的措施？气孔均可使磁感应强度、弹性模量、抗折强度、磁导率、电击穿强度下降，对畴运动造成钉扎作用，影响了铁电铁磁性。
另外，少量气孔亦会严重降低透光性。
添加物的引入不仅可阻止二次重结晶，亦可以使气孔由晶界排出。
为了降低功能陶瓷中的气孔量，可采用通氧烧结，成型时增大粒子流动性提高生坯密度，研究玻璃相对主晶相的润湿等措施。
韦珍海6.瓷轴基本上是一层玻璃体，但从显微结构的角度来看，它可以分成几大类釉层并举例说明其中一种的釉层特点？参考答案：釉层可为三大类：玻璃釉、析晶釉（或称结晶轴）和分相釉.以玻璃釉为例，玻璃釉一般是无色透明的，由硅酸盐玻璃所组成。
釉层除了多少有些釉泡之外，有时可见少量未熔的残留石英、粘土团块或云母残骸。
7.氧化铍瓷具有哪些特点？参考答案：氧化铍瓷的主晶相为氧化铍，属于六方晶系。
常呈柱状晶形，多为单一晶相。
其结构属于纤锌矿型，这是低温型结晶，当温度升到2050℃以上时出现晶形转化，称为四方晶系晶体。
在显微镜下，晶相呈无色透明，结晶良好，以自形晶为主，有时会出现双晶现象。
8.正温度系数热敏电阻有哪些主要特性?(1)电阻-温度特性(2) 电压-电流特性(3)电流-时间特性(4) 电压效应和耐电压特性9. 陶瓷电阻可分为几种?每种的应用是什么(只需举出一个应用的例子即可) ?(1)正温度系数热敏电阻,应用于自控温加热、温度测量与控制、过热保护、温度补偿、限流保护等方面。
广泛应用于电子工业、医疗卫生、家用电器、机械、能源、生物工程等。
(2)负温度系数电阻, 高精度NTC热敏电阻材料及元件、表面安装用NTC热敏电阻、片式热敏电阻和薄膜热敏电阻。
(3)压敏电阻, 1.过电压保护,2.稳压方面的应用(4)气敏电阻,主要有SnO2系、ZnO系、Fe2O3系、MgO系、TiO2系, 可用来制成气敏元件，在化工、环保与监测、煤矿、国防、汽车、食品、电子、石油、发电等很多领域，对有害、易燃、易爆等气体实施自动检测，并报警和调控。
(5)湿敏电阻, 应用于湿度测量和控制等很多领域。
(6)光敏电阻 CdS基陶瓷光敏电阻,烧结膜陶瓷光敏电阻,电阻照相用感光材料彩色电视摄像管靶材用光敏材料甘孔梅10.导致氧化铝二次重结晶出现有哪些因素？答案：原料不均匀，成型时所受压力，烧成温度偏高，局部有不均匀的液相存在。
11. 为避免纤维或晶须与陶瓷基体之间发生化学反应，应采取哪些有效措施？答案：（1）降低烧结温度；（2）对纤维表面进行各种预处理，使之涂上一层表面层以避免相互之间的化学反应；（3）添加第三相物质以调整纤维与基体界面的晶界相组成。
梁作洲12、提高陶瓷材料强度及减轻脆性的途径a.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷b.在陶瓷表面引入压力，可提高陶瓷材料的强度c.消除表面缺陷，可有效的提高材料的实际强度d.复合强化是发挥陶瓷材料优势的重要途径e.ZrO2与增韧。
ZrO2晶体有三种结构即单斜相、四方相、和立方相13、陶瓷的主要显微结构有哪些？答：1、可控气孔率2、室温力学强度3、韧性4、高温下抵抗形变或蠕动的阻力5、热震阻力6、硬度、滑动磨耗或摩擦力7、热导率和热膨胀的控制8、光学和特殊电、磁学功能9、抗腐蚀性谢丰蔚14、各厂家多采用下列配方（1#）生产95瓷，求这只这种陶瓷材料的平衡矿物组成。
原料烧Al2O3CaO SiO2苏州1#土配料比% 3.25 1.28 1.95解：假设烧氧化铝为纯Al2O3，苏州土为纯高岭土，按100kg配料计算。
则瓷料的化学组成为Al2O393.5+1.95×0.395=94.27SiO21.28+1.95×0.465=2.19 CaO3.25×0.56=1.8总计98.26换算成百分含量：Al2O394.27/98.26=96%SiO22.19/98.26=2.2%CaO 1.43/98.26=1.46%15、氧化锆陶瓷的特点是什么？答：①硬度高②强度高，任性好③半导体性④抗腐蚀⑤敏感特性⑥可作生物陶瓷吴小霞16、陶瓷中玻璃相在在陶瓷显微结构形成时的作用主要是？(1)在瓷坯中起黏结作用，即把分散的晶相黏结在一起，其本身就成为连续相(2)起填充气孔空隙的作用，使陶坯致密化而成为整体(3)降低烧成温度(4)抑制晶体长大并防止晶体的晶形转变(5)有利于杂质、添加物的重新分布，或促进某些反应过程的进行。
17、为什么杂质一般会进入玻璃相或存在于晶界中？(1)因为晶界质点排列不规则，势能较高，因此杂质进入到晶格内引起点阵畸变所克服的势垒就较低。
(2)在陶瓷材料中，某些氧化物易于形成不规则的晶态结构，这种结构只能在点阵排列不规则的晶界上富集，当浓度高时便形成玻璃相。
兰剑波18.请简述镁橄榄石瓷答：①镁橄榄石瓷是一种良好的微波绝缘陶瓷。
制造镁橄榄石瓷的主要原料是以天然滑石和菱镁矿，其余是黏土以及其它一些含有Mg、Ba的矿物。
②显微结构特征：瓷体中以镁橄榄石晶体为主题，晶体大多呈粒状或柱状，结晶程度较完好，在瓷体中含有一定数量的玻璃相。
③镁橄榄石晶体没有多晶转变，且介质损耗很低，绝缘电阻大，热膨胀系数较大，故以此为主晶相制成的陶瓷，其介电性能比滑石瓷还要优越，可用作高频电场下与金属封接的器件中。
19.请简述反应烧结氮化硅的原理及优缺点a反应烧结氮化硅的制备过程是通过反应来达到致密化的陶瓷。
它以硅粉为原始粉料，在氮气氛下通过高温氮化得到的氮化硅材料。
b该工艺特点是制品在烧结前后的收缩变形很小，因此可以制作复杂形状制品，切成品较低。
c晶粒生长发育不十分完整，存在较多气孔，结构比较疏松。
周杰20..按照陶瓷的原料,化学和矿物组成,可分类为？答： (1)滑石瓷 (2)氧化铝瓷分为(3)氧化铍瓷 (4)碳化硅瓷(5)氮化铝瓷 (6)莫来石瓷21.影响原顽辉石向斜顽辉石的主要因素及抑制晶形转化的技术措施有哪些？（1）玻璃相的影响:在原顽辉石周围均匀撒上一层玻璃相就能抑制其转化（2）晶粒大小的影响:瓷体有细晶结构能抑制转化（3）固溶体的影响:在滑石瓷中加入少量的Mn2+形成固溶体能防止老化或者粉化（4）冷却条件:加快冷却速度可以防止其转化罗银玉22.氧化铝瓷的着色机理通常着色陶瓷的颜色和着色陶瓷的特征吸收频段相应颜色的补色（及反射频谱所显示的颜色）相当。
所以，着色光谱对白色光谱所反射光谱既可作为对陶瓷颜色的度量。
如果陶瓷的反射强度很低，说明陶瓷材料对可见光个频段的电磁波有强烈的吸收，陶瓷会呈现深色或黑色23熔融石英（SiO2)陶瓷性质和用途①热膨胀系数小②优良抗热震性③热导率特别低④机械强度不高但随温度变大⑤具有很好的化学稳定性。
陈玉婷24. 颗粒材料的结构单元的定义是什么？包含固相及一种流体相的颗粒坯体的显微结构为固相颗粒的三维排列，这些固相颗粒是成型过程中的动力学单元，称为颗粒材料的结构单元25.常规表征坯体显微结构方法有哪些？①用阿基米德方法测定密度②用水银气孔法测定开口气孔率及表现气孔孔径分布③定性使用电子显微镜采用气体吸附滞后方法进行中型气孔表征. 曾照明26.陶瓷韧化的主要途径有哪些?（1）改善陶瓷的纤维结构，提高材料的密度、纯度、晶体完整性以及改变晶形、晶粒尺寸，晶界状况等，以获得最佳的显微组织；（2）微裂纹增韧，当主裂纹遇到微裂纹时，发生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能，并松弛主裂纹尖端的应力集中，减慢裂纹的扩散速度；（3）相变增韧（4）表面强、韧化，如果在陶瓷制造的过程中，是材料表面形成一残余应力，它可以抵消一部分的外加应力，从而达到强化和韧化的目的。
（5）纤维（晶须）强化、韧化（6）颗粒弥散增韧等27.结构陶瓷的性能有哪些？（1）力学性能，主要指弹性、塑性、拉伸（强度）、蠕变、抗冲击（韧性）性能、抗疲劳性性能、热冲击性能、强度—重量比；（2）高温性能，主要指高温下的力学性能、抗氧化腐蚀性能、微观结构和组成（挥发、反应、相变等）；（3）耐磨性能，指材料抵抗其他材料磨损的能力；（4）耐蚀性能，指材料抵抗腐蚀的能力。
唐艳琴28、从哪几个因素考虑才能使材料不会出现不相称的折中强度？（答案：1裂纹开裂途径的偏转；2 在受压应力场处裂纹生长的釘扎：3 裂纹受未开裂韧带的桥接：4 主要裂纹周围出现微裂纹时3的能量吸收：5 使开裂面受到挤压，亦即相变膨胀。
）29、材料性能可分为哪几类？（第一类为力学性能，包括弹性，塑性，强度，硬度，韧性，疲劳、磨损性能，高温力学性能等。
第二类为物理性能，包括热学，磁学，电学，光学，压电与铁电，腐蚀，老化与稳定性等性能。
）黄盛大30.碳化硅有哪两种结晶形态？其晶格的基本结构单元是怎样形成的？立方晶系β-SiC和六方晶系α-SiC。
碳化硅晶格的基本结构单元:相互穿插的SiC4和CSi4四面体，四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。
31、工业碳化硅生产存在问题需要提纯；需要磨细、分级过程；工艺环节多，成本高，得到的碳化硅性能难以提高（粒度分布、纯度等）；32.碳化硅陶瓷的烧结工艺有哪些？反应烧结碳化硅陶瓷；无压烧结碳化硅陶瓷；重结晶碳化硅陶瓷；热压烧结碳化硅陶瓷；高温热等静压烧结碳化硅陶瓷；化学气相沉积碳化硅陶瓷33.碳化硅陶瓷特点？使用温度高，可达1500oC。