无机材料工艺学--陶瓷6-显微结构与性能
陶瓷导论
陶瓷导论第一章 陶瓷总论以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品统称为陶瓷。
本章主要介绍陶瓷的种类、陶瓷的晶体结构和玻璃体结构、陶瓷的显微组织和相变、陶瓷的力学性质和热学性能以及陶瓷的制造工艺等。
陶瓷的种类繁多，根据陶瓷的化学组成、性能特点、通途等不同，可讲陶瓷分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。
1．1．1普通陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷，主要是由①粘土、②长石和③石英为原料而制成的，故又称为三组分陶瓷。
1具有某种独特性能的新型陶瓷称为特殊陶瓷。
按照显微结构和基本性能，可将特殊陶瓷分为结构陶瓷、功能陶瓷、智能陶瓷、纳米陶瓷和陶瓷基复合材料。
①粘土由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。
粘土矿物用水湿润后具有可塑性，在较小压力下可以变形并能长久保持原状，而且比表面积大，颗粒上带有负电性，因此有很好的物理吸附性和表面化学活性，具有与其他阳离子交换的能力。
主要产地有江苏苏州、湖北均县、四川叙永县等地。
粘土具有颗粒细、可塑性强、结合性好，触变性过度，收缩适宜，耐火度高等工艺性能，因而，粘土是成为瓷器的基础。
它主要有瓷土、陶土和耐火土粘土等三类，据矿物的结构与组成的不同，陶瓷工业所用粘土中的主要粘土矿物有高岭石类、蒙脱石类和伊利石（水云母）等三种，另外还有较少见的水铝石。
②长石是长石族岩石引的总称，它是一类含钙、钠和钾的铝硅酸盐类矿物。
为地壳中最常见的矿物，比例达到60%，在火成岩、变质岩、沉积岩中都可出现。
③石英，无机矿物质，主要成分是二氧化硅，常含有少量杂质成分如Al2O3、、CaO 、MgO 等，为半透明或不透明的晶体，一般乳白色，质地坚硬。
石英是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源， 它是非可塑性原料，其与粘土在高温中生成的莫来石晶体赋予瓷器较高的机械强度和化学稳定性，并能增加坯体的半透明性，是配制白釉的良好原料。
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
第八章 陶瓷材料
其他成型方法：
雕塑、拉坯、旋压、滚压、塑压、
注塑 2）注浆成型： 3）模压成型or压制成型;
3.烧成（烧结）： 目的：除去坯体中溶剂（水）、粘结剂、增塑 剂等；减少气孔；增强颗粒间结合强度。 普通陶瓷在窑炉内常压烧结。这是决定陶瓷性 能、品质的主要工艺环节之一。分4个阶段： 1）蒸发期：室温---300℃。排除残余水分。 2）氧化物分解和晶型转化期：复杂化学反应。 主要有：粘土结构水的脱水；碳酸盐杂质分解； 有机物、碳素、硫化物的氧化；石英的晶型转 变（同素异构）。 石英的同素异构转变：α -石英----β -石英
(2)玻璃相：陶瓷制品在烧结过程中，有些物质如作为主 要原料的SiO2已处在熔化状态，但在熔点附近SiO2的 黏度很大，原子迁移困难，所以当液态SiO2冷却到熔点 以下时，原子不能排列成长为有序（晶体）状态，而形 成过冷液体。当过冷液体继续冷却到玻璃化转变温度时， 则凝固为非晶态的玻璃相。玻璃相的结构是由离子多面 体构成的空间网络，呈不规则排列。 玻璃相的作用：黏结分散的晶体相，降低烧结温度，抑 制晶体长大和充填空隙等。玻璃相的熔点低、热稳定性 差，使陶瓷在高温下容易产生蠕变，从而降低高温下的 强度。所以工业陶瓷须控制陶瓷组织中玻璃相的含量， 一般陶瓷中玻璃相约占30％左右。
3）玻化成瓷期：950℃—烧结温度。烧结 关键。坯体基本原料长石、石英、高岭土 三元相图的最低共熔点为985℃，随温度提 高，液相量增多，液相使坯体致密化，并 将残留石英等借助玻璃相连在一起，形成 致密瓷坯。 4）冷却期：止火温度—室温。此段，玻璃 相在750--550℃由β -石英---α -石英，在 液相转变为固相期间，必须减慢冷速，以 免结构变化引起交大内应力，避免开裂。
最新陶瓷工艺学试题库(完整版)
精品文档陶瓷工艺学试题库．名词术语解释1.陶瓷制品——以粘土类及其它天然矿物岩石为原料，经加工烧制成的上釉或不上釉硅酸盐制品（如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、普通电瓷等）。
2.胎——经高温烧成后构成陶瓷制品的非釉、非化妆土部分。
3.釉——融着在陶瓷制品表面的类玻璃薄层。
4.陶瓷显微结构——在显微镜下观察到的陶瓷组成相的种类、形状、大小、数量、分布、取向；各种杂种（包括添加物）与显微缺陷的存在形式、分布；晶界特征。
5.胎釉适应性——釉层与胎具有相匹配的膨胀系数，不致于使釉出现龟裂或剥落的性能。
6.实验式——表示物质成分中各种组分数量比的化学式。
陶瓷物料通常以各种氧化物的摩尔数表示。
7.坯式——表示陶瓷坯料或胎体组成的氧化物按规定顺序排列的实验式。
8.釉式——表示陶瓷釉料或釉组成的氧化物按规定顺序排列的实验式。
9.粘土矿物——颗粒大小在2μm以下，具有层状结构的含水铝硅酸盐晶体矿物。
10.粘土—一种天然细颗粒矿物集合体，主体为粘土矿物，并含有部分非粘土矿物和有机物。
与水混合具有可塑性。
11.一次粘土——母岩经风化、蚀变作用后形成的残留在原生地，与母岩未经分离的粘土。
12.二次粘土——一次粘土从原生地经风化、水力搬运到远地沉积下来的粘土。
13.高岭石——一种二层型结构的含水铝硅酸矿物（Al 2O3·2S?O2· 2H2O），因首次在我国江西景德镇附近的高岭村发现而命名。
14.瓷石——一种可供制瓷的石质原料，主要矿物为绢云母和石英，或含有少量长石、高岭石和碳酸盐矿物。
15.釉石——制釉用瓷石，其矿物组成与瓷石相似，但具有较低的熔融温度，熔融物具有较好的透明度。
16.石英——天然产出的结晶态二氧化硅。
17.长石——一系列不含水的碱金属或碱土金属铝硅酸盐矿物的总称。
18.ɑ—半水石膏——石膏在水蒸气存在的条件下加压蒸煮而得到的晶体呈针状、结晶尺寸较大的半水石膏（ɑ —CaSO4·1/2H 2O）。
精选陶瓷的生产工艺原理与加工技术
浆料的性能要求：稳定性要好，在长时间加热而不搅拌的条件下不分 层与沉淀；可铸性要好，浆料铸满模腔并保持要求形状的能力；收缩率 要小，蜡浆由熔化的液体状态冷却凝固成固态时，会有体积收缩。
热压铸的工作原理：将配制成的料浆蜡板放置在热压铸机筒内，加热 至一定的温度熔化，在压缩空气的驱动下（或手动），将筒内的料浆通 过吸铸口压入模腔，根据产品的形状和大小保持一定的时间后，去掉压 力，料浆在模腔中冷却成型，然后脱模，取出坯体，有的还可进行加工 处理，或车削，或打孔等。 高温排蜡：坯体在烧成之前，先要经排蜡处理，否则由于石蜡在高温熔 化、流失、挥发、燃烧，坯体将失去粘结而解体。
300-800
氧化铝
400000
1500
碳化钛
390000
3000
金刚石
1171000
6000-10000
陶瓷的硬度为1000-5000HV
C、强度:陶瓷的强度不高，因为其晶界上存在有晶粒间的局部分离 或空隙，如空位、气孔、析出物，晶界上原子间键被拉长，键强度 被削弱，同时相同的电荷离子的靠近产生斥力，可能造成裂纹，所 以，消除晶界上不良作用，是提高陶瓷强度的基本途径。
陶瓷材料一般可分为普通陶瓷、特殊陶瓷与金属陶瓷三类 1、普通陶瓷：以天然硅酸盐矿物（粘土、长石、石英）经粉碎、压 制成型 、烧结而成的制品，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷等。 2、特殊陶瓷：采用高纯度的人工合成材料烧结而成，具有特殊力学、 物理、化学性能的陶瓷。如高温陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷等。
3、金属陶瓷：用粉末冶金的方法制成，是金属与陶瓷组成的非均匀 复合材料制品。如金属陶瓷硬质合金等。
(完整版)功能陶瓷工艺学知识点整理
1.从广义的角度，材料定义为能够用以加工有用物质的物质。
2.材料分类：按性能、使用用途分类：结构材料、功能材料按化学组成和显微结构特点分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料3.无机非金属材料的定义：以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物、及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质组成的材料，是除金属材料和有机高分子材料以外的所有材料的统称。
4.无机非金属材料的分类：胶凝材料、天然材料、玻璃、陶瓷无机非金属材料的特性：具有复杂的晶体结构（7晶系，14中布拉菲格子）没有自由电子、高熔点、高硬度、较好的耐化学腐蚀性、绝大多数是绝缘体一般具有低导热性、大多数情况下变形微小。
5.无机非金属材料主要化学成分：CaO、SiO2、Al2O3、Na2O等6.陶瓷成型在热加工之前；玻璃成型在热加工之后；水泥成型主要在使用时。
7.水泥煅烧；陶瓷烧结；玻璃熔融8.胶凝材料定义：凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料，又称胶结料。
9.胶凝材料分类：按组成物质分类：有机胶凝材料、无机胶凝材料10.水泥的定义：凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。
11.水泥的分类：按用途和性能分类：通用水泥、专用水泥、特性水泥按组成分类：硅酸盐水泥系列、铝酸盐水泥系列、氟铝酸盐水泥系列、硫铝酸盐水泥系列、铁铝酸盐水泥系列、其它:如无熟料、少熟料水泥12.水泥的基本特性：水泥浆具有良好的可塑性，与其它材料混合后的混和物可拥有适宜的和易性。
较强的适应性。
较好的耐侵蚀、防辐射性能。
硬化后的水泥浆体具有较高的强度，且强度随龄期的延长而逐渐增长。
良好的耐久性。
通过改变水泥的组成，可适当调整水泥的质量。
可与纤维、聚合物等多种有机、无机材料匹配。
应用无机化学：第一章 新型无机材料概述
✓ 粉体原料的粒度是纳米量级的，显微结构中的晶粒、晶界、气孔、缺陷分布均在纳米尺度。 ✓ 纳米陶瓷表面和界面非常大，晶界对材料性能其主导影响作用 ✓ 纳米陶瓷是当前陶瓷研究的一个重要趋向，将促使陶瓷从性能到应用都提高到崭新的阶段 9
现代社会的合成材料
钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透 明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维 等
金 属
高温结构陶瓷
高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等 难熔化合物
材
超硬材料
碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等
料
人工晶体
铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等
生物陶瓷
长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的
载体等
21
无机复合材料
陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料
对人体有较好的适应性
心瓣膜、人造关节等
23
硬度大、耐磨损
高温炉管
透明、耐高压 氧化铝陶瓷制品
高
压
钠
灯
熔点高
24
氧化铝陶瓷球磨罐
星式氧化铝陶瓷球磨机
25
高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色 金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼。平均 寿命长达1万小时～2万小时，比高压汞灯寿命 长2倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命 最长的灯。早在20世纪30年代初，人们就已经 知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源， 但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经 不断发展改进，才得以实际应用。
2014级本科生选修课程
应用无机化学
课程内容
第一章 新型无机材料概述
• 新型无机材料发展概况 • 新型无机材料特点 、分类 • 新型无机材料应用领域
无机非金属材料工艺学考试
无机非金属材料工艺学考试————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：工艺学一、名词解释1.澄清剂：凡在玻璃熔制过程中能分解产生气体，或能降低玻璃黏度，促进排除玻璃液中气泡的物质称为澄清剂。
（作用：排除气泡。
）2.烧成：通常是指将初步密集定形的粉块(生坯)经高温烧结成产品的过程。
其实质是将粉料集合体变成致密的、具有足够强度的烧结体，如砖瓦、陶瓷、耐火材料等。
3.玻璃形成体：能单独形成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的网络体系的氧化物，称为玻璃的网络形成体。
4.玻璃中间体：一般不能单独形成玻璃，其作用介于网络形成体和网络外体之间的氧化物，称之为中间体.5.玻璃调整体：凡不能单独生成玻璃，一般不进入网络而是处于网络之外的氧化物，称为玻璃的网络外体。
它们往往起调整玻璃一些性质的作用。
6.凝结时间：水泥从加水开始到失去流动性，即从流体状态发展到较致密的固体状态，这个过程所需要的时间称凝结时间。
7.坯、釉适应性：坯、釉适应性是指熔融性能良好的釉熔体，冷却后与坯体紧密结合成完美的整体不开裂、不剥脱的能力。
8.玻璃熔化：玻璃配合料经过高温加热转变为化学组成均匀的、无气泡的、并符合成型要求的玻璃液的过程。
9.IM：铝率又称铁率，其数学表达式为： IM = Al2O3/Fe2O3 铝率表示熟料中氧化铝与氧化铁含量的质量比，也表示熟料熔剂矿物中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例。
10.SM：硅率，又称为硅酸率，其数学表达式是：SM=SiO2/(Al2O3+Fe2O3) 硅率是表示熟料中氧化硅含量与氧化铝、氧化铁之和的质量比，也表示了熟料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例。
11.石灰饱和系数KH：是熟料中全部氧化硅生成硅酸钙(C3S十 C2S)所需的氧化钙量与全部二氧化硅理论上全部生成硅酸三钙所需的氧化钙含量的比值。
12.萤石含率：萤石含率指由萤石引入的CaF2 量与原料总量之比，即：萤石含率=萤石含量×CaF2含量/原料总量×100％13.水泥硬化：凝结过后，水泥浆产生明显的强度并逐渐发展成为坚硬的固体，这一过程称为水泥的硬化。
工程材料--陶瓷材料
（3）韧性和脆性
陶瓷材料是非常典型的脆性材料，这是其致命的弱点和障碍。
改善陶瓷的韧性？
①
通过晶须或纤维增韧；
②
异相弥散强化增韧；
③
相变增韧；
④
显微结构增韧（纳米化等）；
⑤ 表面强化增韧（表面微氢化技术、激光Βιβλιοθήκη 面处理、离子注 入 表面改性等技术），
⑥ 复合增韧（将两者或两者以上的增韧机理结合在一起）。
简单来说，陶瓷材料就是除金属、高聚物以外的无机 非金属材料的通称。
2、陶瓷材料的发展
陶器
高铝质粘土和瓷土的
应用、釉的发明、高 温技术的发展
瓷器 （传统陶瓷）
原料纯化、陶瓷工艺
的发展、陶瓷理论的 发展
先进陶瓷 （微米级）
纳米陶瓷
显微结构分析的进步、 性能研究的深入、无损 评估的成就、相邻学科 的推动
相 、 气相 三部分组成。
三、选择题
下列关于陶瓷中玻璃相作用的说法，不 正确的一项是（）
答：陶瓷的组织不如金属纯，存在很多的缺陷，尤其是晶界，其破坏作
用比在金属中更大：晶界上存在晶粒间的局部分离或空隙；晶界上原子间键 被拉长，键强度被削弱；相同电荷离子的靠近产生斥力，可能造成显微裂纹。
提高陶瓷强度的措施？ 增大陶瓷的致密度，减少缺陷，降低和消除晶界的不良作用。
陶瓷材料的抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度更高。
通用硬质合金
是在成分中添加TaC或NbC来取代部分TiC。常用代号 有YW1、YW2。
（2）硬质合金的应用
硬质合金有着广泛的应用：切削刀具、冷作模具、量具和 耐磨零件等。
三、钢结硬质合金
1. 钢结硬质合金是以一种或几种碳化物（WC、 TiC）等为硬化相，以合金钢粉末为粘结剂， 经配料、压型、烧结而成。
陶瓷工艺发展史简介PPT课件
炻器 (stoneware)
瓷器(china)
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新型陶瓷
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日用陶瓷的基本分类及特征（Potter y Analysis, P.5,2005)
陶瓷胎类型
粗陶(terracotta)
吸水率
高，常超过 30%
精陶
较高，通常
(earthenware) 5~30%
炻器(硬陶） 0.5~2.0% (stoneware)
• 西方发明了玻璃，以此替代陶瓷在生活中的作
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1 新石器早期陶器的出现
• 南方
• 湖南道县玉蟾岩：14810±230，14490±230， 12320±120
• 江西万年仙人洞：19780±360，15050±60， 12430±80
• 广西桂林甑皮岩：12000~11000
• 北方（11000~10000）
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窑炉的出现
• 裴李岗遗址发现了目前最早的横穴窑。 • 新石器中晚期陶器的烧成温度已经普遍达到900~1000℃。 • 从陶色判断，新石器晚期时先民们似乎已可以控制烧成气氛。
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陶器品种增加
• 在以上工艺进步的基础上，可以烧制各种陶色的陶器，包括红陶、灰陶、黑陶、 白陶等各种颜色各种质地的陶器。
• 精陶（earthenware)烧成温度较高，吸水率高。表面可以施釉，通常还会有压 印纹、刻划纹，有些会施有陶衣、彩等装饰。如我国新石器时代的洗泥以及后期 的各类细泥陶器、釉陶、三彩应都属于这类陶器。
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炻器
• 按照西方学者的分类，所谓炻器是指烧成温度在1200~1350℃，使得至少部分 胎体熔融烧结。胎体的颗粒度较细，坚硬，致密，通常可以施釉可以不施。在我 国，原始瓷器（proto porcelain）和印纹硬陶似乎可以归到炻器中。
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
赵品《材料科学基础教程》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解 第12章 陶瓷材料【圣才出品】
第12章陶瓷材料12.1复习笔记一、陶瓷概述（1）陶瓷①定义传统上“陶瓷”是陶器与瓷器的总称。
后来，发展到泛指整个硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。
②分类陶瓷一般归纳为：工程陶瓷和功能陶瓷。
（2）新型无机材料新型无机材料是指在传统硅酸盐材料的基础上，用无机非金属物质为原料，经粉碎、配制、成型和高温烧结制得的无机材料，如功能陶瓷，特种玻璃，特种涂层等。
（3）新型无机材料与传统硅酸盐材料的比较①从组成上看新型无机材料的组成远远超过硅酸盐的范围，除氧化物和含氧酸盐之外，还有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他盐类和单质。
②从性能上看a．新型无机材料不仅具有熔点高，硬度高，化学稳定性好，耐高温，耐磨损等优点；b．一些特殊陶瓷还具有一些特殊性能，如介电性、压电性、铁电性、半导性、软磁性、硬磁性等。
二、陶瓷材料的典型结构陶瓷是指由金属（类金属）和非金属元素之间形成的化合物。
这些化合物的结合键主要是离子键或共价键。
1．离子晶体陶瓷结构（1）分类①NaCl型结构：MgO、NiO、FeO等；②CaF2型结构：等；③刚玉型结构：等；④钙钛矿型结构：。
（2）刚玉型结构（如图12-1-1所示）图12-1-1Al2O3晶体结构刚玉型结构中每晶胞有6个氧离子、4个铝离子。
其中：①氧离子占密排六方结点位置，铝离子配置在氧离子组成的八面体间隙中，但只填2/3如图12-1-1（b）所示；②铝离子的排列要满足铝离子之间的间距最大，因此每三个相邻的八面体间隙，就有一个是有规律地空着，如图12-1-1（a）所示。
（3）钙钛矿型结构（如图12-1-2所示）图12-1-2钙钛矿结构钙钛矿型结构中每个晶胞中有1个钛离子、1个钙离子、3个氧离子。
其中：①原子半径较大的钙离子与氧离子作立方最密堆积；②半径较小的钛离子位于氧八面体间隙中，构成钛氧八面体[TiO6]。
钛离子只占全部八面体间隙的1/4。
2．共价晶体陶瓷结构共价晶体陶瓷多属金刚石结构。
特种陶瓷
氧化铝陶瓷耐磨耐蚀件
精密碳化硅陶瓷密封件
2、名词术语
◆传统陶瓷（traditional ceramics） 由粘土等硅酸盐天然原料为主的坯料制成的日用餐具、耐火材料、水 泥、瓶玻璃、卫生洁具等。 ◆近代陶瓷（advanced ceramics） 以Al2O3、ZrO2、TiO2、SiC、Si3N4等人工原料或合成原料为坯料制成的 陶瓷。 ◆特种陶瓷（special ceramics） 采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成、严格控制成型 及烧结工艺所合成的，达到设计的微观结构和精确的尺寸精度，并具 有优异特性的陶瓷。日本称技术陶瓷（technical ceramics) —结构陶瓷：用于机械结构零件的陶瓷。如，发动机零件、切削工具、 密封件等（着重于力学性能、耐磨、耐蚀等)。 —功能陶瓷：具有特殊的电、磁、声、光、热、化学及生物功能的陶瓷。
绪
一、定义
1、陶瓷（ceramics)
论
◆陶：陶器可分为普通陶器(pottery)和精陶器(fine earthenware)两类。
普通陶器即指土陶盆、罐、缸、瓮，以及耐火砖等具有多孔性着 色坯体的制品，原料颗粒比较粗。
彩陶
新石器时期人面鱼纹彩陶盆
◆瓷：用高岭土等烧制成的材料，质硬且脆， 比陶质细致，也称瓷器（china ware)。 瓷石：主要含石英和绢云母。由于它是石 质,一般是用机器粉碎。瓷石是天然配好的 制瓷原料，在1200-1250℃的温度下可以单 独烧成瓷器，这就是所谓的“一元配方”。 高岭土(Kaolin)：元代，景德镇发现了高岭土， 2005年伦敦嘉士德拍卖 2.3亿人民币 并将其掺入瓷石中，即所谓的“二元配 元青花 鬼谷子下山图罐 方”，它提高了原料中铝的含量，使瓷胎 可以耐受1280-1300℃的高温，这是提高瓷 胎坚固性的必要条件。高岭土因最早发现 于江西省浮梁县的高岭村而得名，现在是
《无机材料科学基础》第九章复习题及答案
12.陶瓷的显微结构主要由哪些基本因子构成？
答：陶瓷是由晶体、玻璃体和气孔组成的多晶多相材料，其显 微结构包括晶体的种类和含量，晶粒尺寸和形状，玻璃相的含 量和分布情况，晶粒之间、晶粒与玻璃相之间的界面，气孔的 数量、尺寸、分布等。
13.氧化铝烧结到接近理论密度时，可使可见光几乎透过100％， 用它来装钠蒸气（在超过大气压的压力下）作为路灯。为通过 烧结实现这一点，请你列出研究方案。
2. 烧结的推动力和晶粒生长的推动力。并比较两者的大小？
解：烧结推动力是粉状物料的表面能（γsv）大于多晶烧结体 的晶界能（γgb），即γsv>γgb。 晶粒生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶 界曲率半径小的晶粒中心推进。烧结的推动力较大，约为 4~20J/g。晶粒生长的推动力较小，约为0.4~2J/g，因而烧结推 动力比晶粒生长推动力约大十倍。
无机材料科学基础
第断题：（正确的打，错误的打）
1. 烧结中始终可以只有一相是固态。
（×）
2. 液相烧结与固相烧结的推动力都是表面能。
（√）
3. 二次再结晶对坯体致密化有利。
（×）
4. 扩散传质中压应力区空位浓度<无应力区空位浓度<张应力
区空位浓度。
（√）
5. 晶粒长大源于小晶体的相互粘结。
答：制备透明氧化铝陶瓷的主要技术措施是：（1）采用高纯 氧化铝原料，Al2O3>99.9%，无杂质和玻璃相；（2）添加 0.1～0.5%MgO，在晶粒表面生成镁铝尖晶石，降低晶界移动 速度，抑制晶粒生长；（3）在氢气或真空中烧结，促进气孔 扩散；（4）采用热压烧结，提高制品致密度。
6.试说明晶界能总是小于相邻二个晶粒表面能之和？
解：在恒温恒压条件下增加单位表面积时体系自由能的增量称 为表面能，而形成单位新界面所需要的能量称为界面能。表面 能和界面能的本质是处在表面或界面上的质点受到不对称力场 作用，与晶体内部质点相比具有较高的能量。晶粒的表面能指 晶粒与气相接触，界面能通常指两个晶粒相接触。显然，晶粒 与气相接触时，表面质点受到力场的不对称性远远大于两个晶 粒相接触时。因此，界面能总是小于相邻二个晶粒表面能之和。
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第四章 陶瓷材料
4.1 概 述
陶瓷是陶器与瓷器的总称。它是一种既古老而又现代的工程材 料，亦称无机非金属材料，具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘等 优点。
陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。从陶器发展到瓷器，是 陶瓷发展史上的第一次重大飞跃；从传统陶瓷发展到先进陶瓷，是 陶瓷发展史上的第二次重大飞跃；从先进陶瓷发展到纳米陶瓷是陶 瓷发展史上的第三次重大飞跃。
一、陶瓷的分类
按其原料的来源不同可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷 （先进陶瓷）。普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、 石英），经过原料加工、成型、烧结而成，因此又叫硅酸盐陶瓷。 特种陶瓷是采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、 Si3N4、BN），经配料、成型、烧结而制得。
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陶瓷材料
（5）用途不同。先进陶瓷因为优异的力、光、电、磁性能等， 被广泛应用于石油、化工、电子、航空航天、核动力、军 事、纺织、生物和汽车等诸多工业领域，传统陶瓷一般仅 限于日用和建筑使用。
6.2 先进陶瓷材料的分类
根据性能和应用不同，先进陶瓷材料可以分为结构陶 瓷、功能陶瓷和陶瓷涂层材料等。 结构陶瓷：在工程结构上使用的陶瓷称为结构陶瓷， 具有高温下强度和硬度高、蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐 磨损、耐烧蚀等优越性能。 功能陶瓷：利用陶瓷具有的物理性能（电、磁、光、 压电、热释电等）制造的陶瓷材料称为功能陶瓷，也称为 电子陶瓷，它具有的物理性能差异很大。 陶瓷涂层材料：在生产中，几乎所有部件都可以用涂 层的办法来满足其对耐高温、耐化学腐蚀的要求，即加工 成陶瓷涂层材料。
在远古的石器时代，人类的祖先用天然的石头做成刀、 斧、针和武器。
在人类学会用火之后，人们用粘土加上水，合成泥， 捏成各种器皿的形状，然后在火中焙烧，得到了十分坚硬 的陶器。据考古学家分析，距今大约1万年前，就有陶器出 现。这是人类最早、最伟大的文明创造。恩格斯把陶器的 出现称为新石器时代开始的标志。
先进陶瓷与传统陶瓷的差别
（3）制备工艺不同。先进陶瓷必须加入添加剂才能进行干法 或湿法成型，烧结温度较高（1200 ℃ -2200℃），且需加 工后处理；而普通陶瓷烧结温度较低（900℃-1400℃）。 （4）品种不同。先进陶瓷除烧结体外，还有单晶、薄膜、纤 维、复合物；而传统陶瓷主要是天然硅酸盐矿物原体的烧 结体。
电瓷：主要由粘土、长石、石英（或铝氧原料）等 硅酸盐原料混合配制，经加工成形，在较高温度下 烧制而获得的无机绝缘材料。 序 分类 材料类别 主要适用范围
1
压制硅质瓷 低压绝缘子
硅质 低压绝缘子、一般高压绝缘子或 2 硅质瓷 瓷套 电瓷 3 高强硅质瓷 高压绝缘子或瓷套
材料学导论-陶瓷
2020/8/12
7
古代各种陶制品
2020/8/12
8
各种瓷器
2020/8/12
9
传统的陶瓷如日用陶瓷、建筑陶瓷等是用粘土类及 其它天然矿物原料经粉碎加工、成型、烧成等过程 而得的器皿。这类陶瓷可称为传统陶瓷。
随着生产和科学技术的发展，对陶瓷制品的性能与 应用提出了新的要求，因而制成了许多新品种，它 们的生产过程虽然还是原料处理、成型、烧成等这 种传统的方式，但采用的原料已扩大到高度精选的 天然原料或人工合成原料，使用高度可控的生产工 艺，因而往往具有一些特殊的性能，相对于传统陶 瓷，这类陶瓷制品称为特种陶瓷。
2020/8/12
32
（1）原料精选
• 普通陶瓷中必不可少的三组分是石英、粘土和长石。
① 石英 石英具有耐热、抗蚀、高硬度等性质，在 普通陶瓷中，石英构成了陶瓷制品的骨架，赋予制 品耐热、耐蚀等特性。
石英的粘性很低，属非可塑性原料，无法做成制品 的形状，为了使其具有成型性，需掺入粘土。
可塑性：在陶瓷工业中，可塑性是指泥料在外力作用下能被塑造成各种形 状，在外力除去后，仍能保持这种形状的性能。
26
（3）介电损耗
当电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能 量称为电介质的损耗功率或简称为介质损耗，用损耗角 正切tan表示。
介质损耗是所有应用于交流电场中电介质的重要指标之 一。介质损耗不但消耗了电能，而且由于温度上升可能 影响元器件的正常工作；介质损耗严重时，甚至会引起 介质的过热而破坏绝缘性质。
（4）硬度
陶瓷、矿物材料常用莫氏硬度和维氏硬度来衡量材料抵抗 破坏的能力。莫氏硬度是以陶瓷、矿物之间相互刻划能否 产生划痕来确定，只能表示材料硬度的相对大小。一般陶 瓷的硬度较大。
氧化铝陶瓷的制备与显微结构
氧化铝陶瓷的制备与显微结构张全贺051002131摘要：a—A1：O3中加入复合添加剂，在1 500℃，2 h条件下无压烧结，制备出原位生长片状晶增韧的氧化铝陶瓷。
烧结行为和显微结构研究表明：在1 500℃下烧结时，获得板片状晶粒。
加入CaF2和CaF2复合添加剂时，生长的晶粒呈现片状，大小均匀，断裂韧性达到4．3 M Pa/m ；加入CaF2和高岭土复合添加剂时，由片状晶粒形成Al203陶瓷基体中，弥散分布着粗大的板块状晶粒，有效的提高了Al2 03陶瓷的致密度，相对密度达到96．8 g／cm 。
关键词：氧化铝；片状晶；原位生长；添加剂1 引言氧化铝陶瓷具有硬度高、耐高温、耐磨、电绝缘、抗氧化、力学性能良好、原料蕴藏丰富、价格低廉等许多优点，是应用最早、最广泛的精细陶瓷。
氧化铝显微组织通常为等轴状晶粒，断裂韧性较低，通常只有3 M Pa/m 。
材料的显徽结构和性能之间具有内在联系，如果把显微结构控制在理想的状态，就能使材料具备所希望的性能，Evans预言，如果A12O3，基体中按体积含有大于lO％的柱状晶或含有2O％的板状晶，陶瓷材料的韧性将得到大大的提高.2 试验方法2．1 试验材料：将工业A12O3粉经过预烧转变为A12O3后，放人玛瑙罐内进行球磨，玛瑙球、氧化铝和无水乙醇的体积比为3：1：8，球磨时间为48 h，然后在8o℃下于燥。
将A12O3和高岭土分别湿磨，放人100 ml烧杯，进行低温干燥后，过200目筛待用。
按照配料表1，将物料配好后倒人塑料瓶内，按玛瑙球、氧化铝和无水乙醇的体积比为2：1：4进行湿混后，取出干燥。
采用120 M Pa于压成型后放人高温梯度炉内，烧结温度为1 500℃，保温2h。
2．2 检测方法：试样经研磨抛光后用氢氟酸水溶液腐蚀，，利用HV一120型维氏硬度仪压痕，加载载荷为5 kg，保压时间10 S。
采用日本奥林巴斯GX71金相显微镜上观察压痕，由压痕法(Indentation Method)测定断裂韧性值。
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气孔存在的利弊因制品的质量性能要求不同而异：
● 对于电介质陶瓷（如陶瓷电容器）来说，气孔的存在会增大 陶瓷的介电损耗并降低其击穿强度。对于透明陶瓷而言，一定 大小的气孔又是入射光的散射中心，气孔的存在会降低制品的 透光率。 ● 但对于绝热或隔热材料而言，则希望材料中存在较大体积分 数、且孔径及分布均匀的气孔。对于过滤用的陶瓷制品，以及 湿敏、气敏陶瓷材料，也希望有一定的体积分数的贯通性气孔 存在。 ● 但是，无论何种制品，大量气孔的存在都会对制品的强度产生 不利影响。
颗粒越细，则瓷坯中的玻璃相量会越多。
三、工艺因素对显微结构的影响
2. 粒度分布范围。——对烧后坯体的致密度影响显著。一般地， 采用粒度分布范围窄的粉料成型，在相同的烧结条件下，可望 获得比较高的瓷坯密度。
（三）添加剂
掺杂剂对材料显微结构的影响表现在以下几方面：
1. 掺杂物进入主晶相固溶体中，增加晶格缺陷，促进质点扩散，
1. 晶相
粗大针状莫来石晶体的网状分布对提高 制品强度极为有利
二、显微结构中各物相的作用
2. 玻璃相
瓷坯中的玻璃相，是坯体烧成时高温液相在某种冷却条件下过冷
形成的，它是一种低熔点的非晶态固体，对陶瓷材料的性能有着
重要影响。 玻璃相在陶瓷显微结构的形成过程中，起着重要作用。这些作用
包括： （1）促进高温下的物相反应过程。
三、工艺因素对显微结构的影响
（一）原料种类及其配比
普通长石质陶瓷的显微结构 （玻璃相含量高）
三、工艺因素对显微结构的影响
（一）原料种类及其配比
a
b
95氧化铝瓷 （主晶相刚玉多呈短柱状； 液相较多）
99氧化铝瓷 （主晶相刚玉多呈粒状； 液相少）
三、工艺因素对显微结构的影响
（二）原料粉体的特征
对显微结构影响较大的原料粉体特征主要是颗粒大小、粒度分布。
三、工艺因素对显微结构的影响
（三）添加剂的影响
（a）未掺杂
（b）掺杂过量TiO2
未掺杂和掺杂的热敏电阻陶瓷材料的显微结构 ——添加剂有利于晶粒的生长发育
三、工艺因素对显微结构的影响
（四）烧成制度
1. 烧成温度。烧成温度的高低直接影响着制品的矿物组成、晶 粒的尺寸及数量、玻璃相的组成及含量、气孔的数量及形态等。 例如，对于传统配方的陶瓷制品，如烧成温度低（生烧）—— 气孔率高、密度低、莫来石量少、玻璃相量少、残余石英多 。 如烧成温度过高（过烧）—— 玻璃相含量高、晶相减少、A3S2 重结晶、晶粒尺寸分布范围宽。
当然，次晶相对陶瓷材料或制品也有不可忽视的影响，当其含量
达到某个临界值后，将可导致某些特定性能的变化。例如，在高
压电瓷的玻璃相中，由于有大量的二次莫来石针状晶体的析出， 形成网状交错分布，起着了一个骨架式的增强作用，从而大大提
高了电瓷的机械强度。
瓷坯中的针状莫来石呈网状分布
二、显微结构中各物相的作用
形成。但若保温时间过长，也会导致大量小晶粒溶解、晶粒平
均尺寸增大、晶相总量减少。
介抗 电张 强强 度度
1 1：抗张强度 2：介电强度
2
保温时间
电瓷的机电强度随保温时间的变化
三、工艺因素对显微结构的影响
（四）烧成制度
3. 烧成气氛。烧成气氛对坯体中有关组分在高温下的反应温度及
反应速度、体积效应均有影响，从而将直接影响着制品的矿物组
介电损耗增大。
● 不同的陶瓷制品，由于质量性能的要求不同，因此对玻璃相含
量的要求也不同。在特种陶瓷材料中，玻璃相的含量一般都很低，
有的甚至几乎全由晶相构成 (纯固相烧结)。而在普通陶瓷制品中， 玻璃相的含量较高，可在20%~60%之间变化。如一些日用陶
瓷，玻璃相含量甚至可达到 60%以上。
二、显微结构中各物相的作用
5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成
结晶相 玻璃相 原料
残余石英颗粒周 围的富硅玻璃相
富硅玻璃相中析出的二次方石英
石英
未熔解的残余石英
长石、石英 共熔的玻璃相
残余石英边缘转化的方石英
长石
长石玻璃 长石熔体中析出的粒状或针状莫来石
含微小莫来石的长 石相与高岭石中活 性SiO2生成的玻 璃
长石残骸形成的二次莫来石鸟巢
本章作业（一）：
1. 说明材料显微结构分析的内容及作用。 2. 陶瓷材料显微结构主要有哪些部分组成？说明普通长石 质瓷坯体的物相组成。 3. 玻璃相与气孔对陶瓷制品的性能各有哪些影响？ 4. 阐述烧成制度诸因素（烧成温度、保温时间、冷却速度、 烧成气氛）对陶瓷制品性能的影响。
1：残留石英 陶瓷坯体的显微结构主要由三相组成：晶相、玻璃相、气孔。如一 2：石英溶蚀边 1：残留石英 2：长石玻璃 般情况下，普通陶瓷制品含莫来石晶体10~30 Vol.%, 3：针状莫来石 残留石英 3：石英溶蚀边 4：一次莫来石 4：三元低熔物 及方石英晶体10~25 %；玻璃相340~65 %; 以及少量气孔 3 5：气孔 （5~10 %）。
（2）起填充气孔的作用，促使瓷坯致密化。
（3）在瓷坯中起粘结作用，将分散的晶粒胶结在一起，本身成 为连续相。
（4）在适当条件下抑制晶体长大并防止晶型转变。
（5）有利于杂质、添加物、气孔等的重新分布。
二、显微结构中各物相的作用
玻璃相的特点：
通常情况下，与晶相比较而言，玻璃相（1）机械强度较低；（2） 热稳定性较差；（3）熔融温度较低。另外，（4）由于玻璃相结 构较疏松，因而常在结构空隙中充填了一些金属离子，这样在外 电场的作用下很容易产生松弛极化，使陶瓷材料的绝缘性降低、
6：长石-高岭石玻璃 二次莫来石 5
1
1 2
4
6
一次莫来石
3
4
第五章 陶瓷的显微结构与性质
5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成
二、显微结构中各物相的作用
1. 晶相 晶相是决定陶瓷材料或制品性能的主导物相。另外，陶瓷材料有 时又是由多种晶相所构成。这时，其中的主晶相就成了决定该陶 瓷材料性能的主导物相。
气孔相的数量、 材料中的晶 体、玻璃相 及气孔在空
量、分布等。 形态、大小、 分布及位置；
微裂纹的大小、 间的相互分 数量、走向及 分布情况等。 布关系。
第五章 陶瓷的显微结构与性质
绪言
（三）显微结构分析的作用
1. 通过研究材料的显微结构，以及生产加工所用原料甚至半成品 的显微结构研究，对材料的性能进行评价。 2. 通过材料或制品中结构缺陷的检测分析，从显微结构上找出缺 陷产生的原因，提出改善或防止结构缺陷的措施。
三、工艺因素对显微结构的影响
（一）原料种类及其配比
原料种类的不同，会影响制品中矿物新相的形成反应、显微结构
的形成过程，从而导致显微结构方面的差异。
例如，坯体中CaO的引入可以选择石灰石（或方解石）、硅灰石等原料， 但是，当 CaO的配比量较大时，最好采用硅灰石引入，以避免大量CO2
的逸出造成太大的烧成收缩，或者造成气孔率的偏高。
成、晶粒的尺寸及数量、玻璃相的组成及含量、气孔的数量及形 态等。
日用瓷在不同烧成气氛下烧成时的最大烧成线收缩之比较 不同组成的日用瓷在不同烧成气氛下的烧结温度之比较
三、工艺因素对显微结构的影响
（四）烧成制度
4. 冷却速度。冷却速度的快慢对材料结构中的晶粒大小有明显
影响，从而影响制品的性能。
几种瓷坯的冷却速度与其抗折强度的关系 坯体 名称 抗折强度（MPa） 急冷（400℃/min） 急冷（15℃/min）
3. 气孔
气孔也是陶瓷制品显微结构中的一个重要组成部分，对制品的
性质有着重要影响。它们可能存在于玻璃相中，也可能存在于
晶界处，或者被包裹于晶粒内部。
晶粒内的杂质 晶界交界处的气孔
晶界
晶粒
晶粒内的气孔
晶界上的气孔
5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成 3. 气孔
釉玻璃体中的气泡
被包裹在晶粒中的气孔
二、显微结构中各物相的作用
1. 颗粒大小。——主要会对坯体烧后的晶相尺寸及玻璃相数量
产生重要影响。 一般来说，若原料粉体的粒度较粗，则烧后瓷坯中的晶粒平均尺 寸增大幅度较小；反之，则增长幅度较大。另外，试验证明：如 果原料粉体颗粒较细，烧成之后获得的晶相粒径会比较小，而且 粒径范围较窄，即晶粒比较均匀。而由粗颗粒粉料制成的陶瓷制 品容易出现大量粗晶，粒径分布较宽。 原料颗粒大小对瓷坯中玻璃相含量的影响也是显然的。即：粉料
又例如，在一些耐酸化工陶瓷的生产中，其中SiO2的配比量相当高。如果 采用晶体石英原料来引入全部的SiO2，得到的物相组成中将有相当多的残 余石英，这会严重影响制品的抗热震稳定性。如果采用一部分熔融石英玻 璃来配料，就可大大减少稍后制品中的残余石英含量，避免上述问题。
配比的影响：如长石配比的多寡会直接影响烧后制品中的玻璃相含 量、莫来石晶体的形态等；粘土配比的大小会影响莫来石的含量等。
3. 通过材料的显微结构研究，从材料物理化学的基本原理出发，
为新材料的设计或材料改性提供依据或参考。 4. 研究工艺条件对显微结构的影响规律及机理，以求优化生产工 艺条件，改进材料的效能。
5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成
一、显微结构的形成
陶瓷坯体显微结构的形成是构成坯体的各种原料在高温下相互 反应、作用和影响的结果。如前所述，粘土-长石-石英三组分 配料的普通陶瓷显微结构的形成情况。
烧成温度 （℃） 1210 1270 1310 1350 物 相 组 成（%） 玻璃相 56 58 61 62 莫来石 9 13 15 10 （方）石英 气孔（Vol.%） 32 28 23 10 3 2 1 1
三、工艺因素对显微结构的影响
（四）烧成制度
2. 保温时间。烧成温度下，适当保温有利于均匀的内部结构
粘土
大气孔附近玻璃基质中析出的二次莫来石大针晶 长石、石英、高岭 土共熔生成的玻璃