第5章 陶瓷材料
第5章超导体陶瓷
温度降低到某值以下时， 材料电阻突然消失（电阻近似 为零）的现象。
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.1 零电阻现象 几个概念
◆ 临界温度Tc—超导材料从正常态向超导态转变时的温度， 因此时电阻为零，亦称零电阻温度Tco 。 ◆ 起始转变温度Tconset—温度上升过程中使电阻开始偏离线 性时的温度。 ◆ Rn—电阻随温度上升过程中开始偏离线性时的值； ◆中点转变温度Tcm—电阻下降至起始转变点所对应电阻一 半处的温度 ◆ 零电阻温度Tc0 —电阻变为零时的温度 ◆ 转变宽度ΔT—电阻在0.1~0.9Rn范围所对应的温度范围。 超导相变—超导体从非超导态转变为超导态。
5.1 历史发展
1911.4，人类首次看到超导现象 昂内斯发现纯汞超导相变； 一年后发现锡、铅超导相变
昂内斯—荷兰Leiden大学学者 Kamerlingh Onnes 1913.3，首次使用超导电性
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
5.1 历史发展
1911.4， Tc：20K 1986.9，Tc达30K—IBM公司 合成氧化物超导体 1987.2，Tc达98K—美国 1988.1，Tc达110K—日本
高 温 超 导 陶 瓷
更正：D-O
1988.3，Tc达125K—美国
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
5.1 历史发展
5.2 超导材料的基本性质 5.3 超导材料的基本体系及超导晶相 5.4 超导陶瓷的制备 5.5 超导陶瓷的应用
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
清华大学《工程材料》第5版教材简介
清华大学《工程材料》第5版教材简介《工程材料》第5版教材由清华大学材料学院朱张校教授、姚可夫教授主编，清华大学出版社出版。
《工程材料》第5版教材目录如下：绪论0.1中华民族对材料发展的重大贡献0.2材料的结合键0.3工程材料的分类第1章材料的结构与性能特点1.1金属材料的结构与组织1.2金属材料的性能特点1.3高分子材料的结构与性能特点1.4陶瓷材料的结构与性能特点第2章金属材料组织和性能的控制2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第3章金属材料3.1碳钢3.2合金钢3.3铸钢与铸铁3.4有色金属及其合金第4章高分子材料4.1工程塑料4.2合成纤维4.3合成橡胶第5章陶瓷材料5.1普通陶瓷5.2特种陶瓷第6章复合材料6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料第7章功能材料及新材料7.1电功能材料7.2磁功能材料7.3热功能材料7.4光功能材料7.5隐形材料及智能材料7.6纳米材料第8章零件失效分析与选材原则8.1机械零件的失效8.2机械零件失效分析8.3机械零件选材原则第9章典型工件的选材及工艺路线设计9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第10章工程材料的应用10.1汽车用材10.2机床用材10.3仪器仪表用材10.4热能设备用材10.5化工设备用材10.6航空航天器用材附录1金属材料室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表附录2金属热处理工艺的分类及代号(摘自GB/T 12603—2005) 附录3常用钢的临界点附录4钢铁及合金牌号统一数字代号体系(摘自GB/T 17616—1998)附录5国内外常用钢号对照表附录6常用铝及铝合金状态代号与说明(摘编自GB/T 16475—2008)附录7若干物理量单位换算表附录8工程材料常用词汇中英文对照表参考文献本教材有以下特点：（1）体系科学合理，内容丰富新颖，实例丰富。
工程材料第二版习题解答
第一章材料的结构与性能一、材料的性能（一）名词解释弹性变形：去掉外力后，变形立即恢复的变形为弹性变形。
塑性变形：当外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。
冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不变形的能力称为冲击韧性。
疲劳强度：当应力低于一定值时，式样可经受无限次周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。
σ为抗拉强度，材料发生应变后，应力应变曲线中应力达到的最大值。
bσ为屈服强度，材料发生塑性变形时的应力值。
sδ为塑性变形的伸长率，是材料塑性变形的指标之一。
HB：布氏硬度HRC：洛氏硬度，压头为120°金刚石圆锥体。
（二）填空题1 屈服强度、抗拉强度、疲劳强度2 伸长率和断面收缩率，断面收缩率3 摆锤式一次冲击试验和小能量多次冲击试验， U型缺口试样和V型缺口试样4 洛氏硬度，布氏硬度，维氏硬度。
5 铸造、锻造、切削加工、焊接、热处理性能。
（三）选择题1 b2 c3 b4 d f a （四）是非题 1 对 2 对 3错 4错（五）综合题 1 最大载荷为2805.021038.5πσ⨯=F b断面收缩率%10010810010⨯-=-=A A A ϕ 2 此题缺条件，应给出弹性模量为20500MP,并且在弹性变形范围内。
利用虎克定律 320℃时的电阻率为13.0130℃时的电阻率为18.01二、材料的结合方式 （一）名词解释结合键：组成物质的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力称为结合键，主要有共价键、离子键、金属键、分子键。
晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
非晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。
近程有序：在很小的范围内(一般为几个原子间距)存在着有序性。
（二）填空题1 四，共价键、离子键、金属键、分子键。
2 共价键和分子键，共价键，分子键。
3 强。
4 强。
（三）选择题1 a2 b3 a（四）是非题1 错2 错3 对4 错（五）综合题1晶体的主要特点：○1结构有序；○2物理性质表现为各向异性；○3有固定的熔点；○4在一定条件下有规则的几何外形。
大学材料科学基础 第五章材料的相结构和相图(1)
弗兰克尔空位
肖脱基空位
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会 在晶体内部形成点缺陷。 如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变 时，也会在晶体中产生空位。 如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。 同理，TiO2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产 生阴离子空缺。 这种由于维持电中性而出现的空位，可以 当作电子空穴。欠缺或多出的电子具有一定的 自由活动性，因而降低了化合物的电阻。这种 现象在材料的电性能方面有重要意义。
3．陶瓷材料中的固溶方式
陶瓷材料——一般不具备金属特性，属无机非金属。 无机非金属化合物可以置换或间隙固溶的方式溶入其 它元素而形成固溶体，甚至无限固溶体，但是一般形 成有限固溶体。 如：Mg[CO3] → (Mg,Fe)[CO3] →(Fe,Mg)[CO3] →Fe[CO3] 菱镁矿 含铁菱镁矿 含镁菱铁矿 菱铁矿 不改变原来的晶格类型，晶格常数略有改变。
(3) 多为金属间或金属与类金属间的化合物， 以金属键为主，具有金属性，所以也称金属 间化合物。 (4) 晶体结构复杂。 (5) 在材料中是少数相，分布在固溶体基体 上，起到改善材料性能、强化基体的作用。 中间相可分为以下几类： 正常价化合物；电子化合物；间隙相；间隙 化合物；拓扑密堆相。
1. 正常价化合物 • 通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、 Ⅵ族元素形成，它们具有严格的化合比， 成分固定不变，符合化合价规律，常具有 AB、AB2、A2B3分子式。 • 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体 结构相同，如分子式具有AB型的正常价化 合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物 常见于陶瓷材料，多为离子化合物。如 Mg2Si、Mg2Pb、MgS、AuAl2等。 • 在合金材料中，起弥散强化的作用。
第五章 烧结-1
2. 中温阶段（300～950℃）
• 任务：脱水、分解、氧化、晶型转变
• 结构水排除（高岭土） Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O
Al2O3 . 2SiO2＋2H2O
• 碳酸盐分解
✓由原料中带入
✓分解反应
500～850℃
MgCO3
MgO＋CO2
CaCO3 850～1050℃CaO＋CO2
MgCO3 . CaCO3 730～950℃ CaO＋MgO＋2CO2
研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。
二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数
（1）烧成温度对产品性能的影响
烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作 时的止火温度。
烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结 晶来说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特瓷来说，会因总 体晶粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因而产品的机电性能 变差。
颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔 隙变得封闭，并孤立分布。 ③ 小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。
2）烧结后期阶段 ① 孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处， 使孔隙逐渐消除。 ② 晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。
➢ 烧结的分类：
烧结
固相烧结（只有固相传质） 液相烧结（出现液相） 气相烧结（蒸汽压较高）
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响 只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状 的陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响
颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学 过程来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔” （pore drag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。
第五章 铁电介质陶瓷95
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1、立方BaTi03 是理想的钙钛矿型结构，每 个钙钛矿型晶胞中包含一个分 子单位。
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钙钛矿结构
Ba2+
Ti4+
O2-
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从离子堆积的角度看，O2-离子和 Ba2+共同按立方最紧密堆积，堆积成
O2- 离子处于面心位置的“立方面心
结构”，Ti4+ 离子占据着6个O2- 组成
的八面体空隙的中间。
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施加反方向电场，达－Ec时， 极化强度P才回到0，继续提高电 场强度，P在反方向表现出来，变 至H点与A点相应，极化达饱和， GH为直线，降至电场强度为0时， P=－Pr，再施加正电场至Ec，P又 恢复到0，再提高电场强度，则沿 Ec－A到A。
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施加外电场后，再也不会回到E=0， P=0的原点，而是沿一个回线运动，这 个回线称为电滞回线。 Ec所表示的电场强度称为该陶瓷材 料的矫顽场。BA的延长线与P相交，Ps 称为自发极化强度。 三、BaTi03陶瓷介电温度特性 1、≌1000，因为陶瓷中存在玻璃相， 使较BaTi03晶体的低。
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对容量要求一样时，用高介电常 数材料制备的电容器体积小，而用 低介电常数材料制备的电容器体积 很大。 为了减小元件的几何尺寸，各国 都在大力开发新的电介质陶瓷材料 和复合电介质材料。
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随着整机发展的要求，片式陶瓷
电容器、片式陶瓷电感、片式陶瓷
电阻等片式陶瓷元件，以及微叠层
陶瓷元件的研究，开发和生产的发
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5、畴壁：电畴与电畴之间的界面，称为
畴壁。
分为两种： （1）90o 畴壁：相邻电畴之间的取向相
差90o。 （2）180o畴壁：相邻电畴之间的取向相 差180o。
陶瓷材料工艺学--第五章 陶瓷材料的烧结
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。
这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是 含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制 度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间 （3）烧成气氛 （4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除
陶瓷工艺学习题答案
一、绪论及陶瓷原料1、传统陶瓷和特陶的相同和不同之处？2、陶瓷的分类依据？陶瓷的分类？3、陶瓷发展史的四个阶段和三大飞跃？4、宋代五大名窑及其代表产品？5、在按陶瓷的基本物理性能分类法中，陶器、炻器和瓷器的吸水率和相对密度有何区别？6、陶瓷工艺学的内容是什么？7、陶瓷生产基本工艺过程包括哪些工序？8、列举建筑卫生陶瓷产品中属于陶器、炻器和瓷器的产品？9、陶瓷原料分哪几类？10、粘土的定义？评价粘土工艺性能的指标有哪些？11、粘土是如何形成的？高岭土的由来和化学组成；12、粘土按成因和耐火度可分为哪几类？13、粘土的化学组成和矿物组成是怎样的？14、什么是粘土的可塑性、塑性指数和塑性指标？15、粘土在陶瓷生产中有何作用？16、膨润土的特点；17、高铝质原料的特点和在高级耐火材料中的作用；18、简述石英的晶型转化在陶瓷生产中有何意义？19、石英在陶瓷生产中的作用是什么？20、各种石英类原料的共性和区别，指出它们不同的应用领域；21、长石类原料分为哪几类？在陶瓷生产中有何意义？22、钾长石和钠长石的性能比较；23、硅灰石、透辉石、叶腊石（比较说明）作为陶瓷快速烧成原料的特点；24、滑石原料的特点，为什么在使用前需要煅烧？25、氧化铝有哪些晶型？为什么要对工业氧化铝进行预烧？26、氧化锆有哪些晶型？各种晶型之间的相互转变有何特征？27、简述碳化硅原料的晶型及物理性28、简述氮化硅原料的晶型及物理性能。
二、粉体的制备与合成1、解释什么是粉体颗粒、一次颗粒、二次颗粒、团聚？并解释团聚的原因。
2、粉体颗粒粒度的表示方法有哪些？并加以说明。
3、粉体颗粒粒度分布的表示方法有哪些？并加以说明。
4、粉体颗粒粒度测定分析的方法有哪些？并说明原理。
5、粉体颗粒的化学表征方法有哪些？6、粉碎的定义及分类，并加以说明。
7、常用的粉碎方法有哪些？画出三种粉碎流程图。
8、机械法制粉的主要方法有哪些？并说明原理。
9、影响球磨机粉碎效率的主要因素有哪些？10、化学法合成粉体的主要方法有哪些？并说明原理。
陶瓷基复合材料的性能
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.1 高温断裂韧性
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 蠕变性能
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 蠕变
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 热冲击性（热震性）
名称 Vf 复合方式 杨氏模量，GPa
(%)
实验值 预测值
LAS 0
-
86
LAS-1 46 单向 133
143
LAS-2 46 单向 130
143
LAS-2 44 单向 136
141
LAS-1 50 交叉 118 LAS-3 40 三维编织 79-111
碳化硅纤维的弹性模量 Ef = 210 GPa
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.2 压缩与弯曲强度 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的载荷-位移曲线。 压缩强度为 96.8 MPa，压缩弹性模量为 56.6 Gpa。
图 5-8 SiC纤维增强LAS-I玻璃陶瓷的载荷-位移曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.3 断裂韧性 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的断裂韧性随纤
第五章 陶瓷基复合材料的性能
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.1 弯曲试验
第五章 陶瓷基复合材料的性能
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.2 拉伸或 弯曲试验源自5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.3 应力-应变曲线
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.3 应力-应变曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 颗粒粒径
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
5章陶瓷材料
7.2 习
题
1．解释名词 超导、硬磁材料、形状记忆效应 2．综合分析题 1) 什么是功能材料?按性能通常分为哪几类 2) 磁功能材料分为哪几类?各有何应用? 3) 光功能材料分为哪几类?各有何应用?
纤维增强复合材料的复合原则是： 1)纤维增强相是主要承载体，应有高的强度和模量，且高 于基体材料； 2)基体相起粘接剂作用，应对纤维相有润湿性，基体相应 有一定塑性和韧性； 3)两者结合强度应适当高； 4)基体与增强相的热膨胀系数不能相差过大； 5)纤维相必须有合理的含量、尺寸和分布； 6)两者间不能发生有害的化学反应。
• 本章重点：在了解复合材料复合机制和原则基础上， 弄清复合材料比组成材料性能优越的原因，掌握常用 复合材料的性能，了解其应用。
习题
1．名词解释 纤维复合材料、玻璃钢、增韧陶瓷、硬质合金 2．填空题 1) 复合材料由(基体材料)相和(增强)相构成，(增强)相的(形状 )、 (数量)、(分布)及(制备过程)等对复合材料的性能有重要影响。 2) 结构复合材料是用于(结构零件 )的复合材料，最常用的是(纤维 增强聚合物基复合材料)。 3) 常用的纤维增强相有(陶瓷 )、(玻璃 )、( )、( )和( )。 4) 纤维增强相是复合材料中的( 主要承载体)，因此其(强度)和(模 量)要高于基体材料。 5) 颗粒复合材料中基体相和颗粒相的作用分别是(承受载荷)和(阻 碍分子链或位错运动 )。
硼化物陶瓷包括硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等， 具有高硬度，较好的耐化学浸蚀能力，熔点1800℃一2500 ℃ ，使用 温度1400 ℃ ，用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔 融非铁金属的器件等。 氮化物陶瓷中的氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体，硬度 高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅 的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，1200 ℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热 冲击，可作优良的高温结构材料，耐各种无机酸(氢氟酸除外)和碱 溶液浸蚀，是优良的耐腐蚀材料。 本章的重点是掌握特种陶瓷的性能特点、改善性能途径和应用。
(陶瓷科学与工艺学)第五章1成型-压制成型
2.3.3加压制度对坯体质量的影响
5、添加剂的选用 （1）减少粉料颗粒间及粉料与模壁之间的摩擦，这种添加物又称润滑剂； （2）增加粉料颗粒之间的粘结作用，这类添加物又称粘合剂； （3）促进粉料颗粒吸附、湿润或变形，通常采用表面活性物质。
第二节 成型与成型前后工艺的关系
5.2.1 成型对粉体的要求 d)颗粒的大小、形状---粉料的拱桥效应(或称桥接) 球形颗粒有利于提高流动性和松装密度。 颗粒粒度分布窄的高于粒度分布宽的松装密度。
等径球体堆积形式及孔隙率 粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面 粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空 隙率。这种现象称为拱桥效应
第四节 冷等静压成型
5.4.3 等静压成型的缺陷和控制
1)填充不均匀而形成的颈部，这和粉料流动性差有关；
2)粉料填充不均匀或装料的橡胶袋无支撑而导致的不规则表面 3) 湿式等静压中因模具橡胶袋太硬或因粉料压缩性太大而形成的“象脚”形； 4)湿式等静压中因橡胶模具无支撑而形成的“香蕉”行； 5)成型中轴向弹性回弹形成的压缩裂纹，硬粉料更是如此； 6)由于压缩裂纹而形成分层，这来源于不合适的或过厚的橡胶材料或较弱的坯块； 7)不规则表面形状：与密封橡胶袋材料不合适或太厚，坯体强度低或小的角半径有关； 由于不充分的弹性而形成的轴向裂纹。
(陶瓷科学与工艺学)第五章1成型-压 制成型
5 陶瓷坯体的成形
课后习题
1.列举陶瓷坯体的基本成型方法。 2.试分析注浆成型过程中影响泥浆流动性和稳定性因素有哪些？ 3.干压成型中，怎样的粉体有利于获得高密度的成型坯体？ 4.简述干压制成型过程中坯体易于出现层裂的原因。 5.弹性后效定义 6.简述成型对烧结有哪些影响？ 7.简述干燥过程的不同阶段及影响因素。
最新第5章-功能陶瓷的合成与制备精品文档
❖气相法
蒸发凝聚法：将原料加热气化并急冷，即获超细粉（ 粒径为5~100nm），适于制备单一或复合氧化物，碳 化物或金属的超微细粉。使金属在惰性气体中蒸发凝聚，通过调节气压以控制生成的颗粒尺寸。
5.2 高温超导陶瓷
超导现象
超导现象是由荷兰 理 学 家 麦 林 ·翁 纳 斯 (Kamerlingh·Onnes) 于 1991 年 首 先 发 现 的。
普通金属在导电过程中，由于自身电阻的存在，在传 送电流的同时也要消耗一部分的电能，科学家也一直 在寻找完全没有电阻的物质。
翁纳斯在研究金属汞的电阻 和温度的关系时发现，在温 度低于4.2K时，汞的电阻突 然消失，如右图所示，说明 此时金属汞进入了一个新的 物态，翁纳斯将这一新的物 态称为超导态，把电阻突然 消失为零电阻的现象为超导 现象，把具有超导性质的物 体称为超导体。4.2K称为临 界温度(Tc)。
1. 多层复相功能陶瓷共烧的反应动力学，如异质界面 的交叉扩散；
2. 铁电、压电陶瓷与元件的老化、劣化、疲劳和断裂 、失效机理； 3. 功能陶瓷的晶界、界面及尺寸效应；
4. 薄膜与界面的介电响应、膜材料的表面改性；
5. 铁电陶瓷微结构与相变；
6. 溅射金属内电极多层器件制备技术中的缺陷化学问 题等等。
❖温度超过临界温度Tc时，超导体由超导态转变为常 态，反之，则相反。这也是超导电子学的重要物理基 础。
2. 超导体的分类
超导体的分类目前还没有一个统一的标准，一般可这样分类：
❖从材料来区分，可分成三大类： 元素超导体 合金或化合物超导体 氧化物超导体即超导陶瓷 ❖从低温处理方法来分，可分为为四类： 液氦温区超导体（4.2K以下） 液氢温区超导体（20K以下） 液氮温区超导体（77K以下） 常温超导体
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
第五章 稀土玻璃陶瓷和耐高温
二、稀土自动调光玻璃 含银的感光玻璃中添加氧化铈后对紫外线就产生敏感。 含铈和铕的玻璃的太阳镜，在阳光下自动变暗，在遮阴处又恢复原色。 三、稀土耐高温和耐辐射光学玻璃 在硅酸盐、硼酸盐或铅玻璃中，加CeO2大于2%作稳定剂，可制得耐辐射玻璃。 含CeO2玻璃在射线下，其透明度不受影响，因此可用于制造阴极射线管和反 应堆的玻璃罩及防核辐射光学仪器。 氧化钇中掺入10%氧化钍，经冷压成型后制成的玻璃，从可见光到红外都是透 明玻璃，并可在1900℃高温下使用，用于火箭，高温炉。
4．稀土氧化物陶瓷：透明氧化钇陶瓷是一种主成份为Y2O3ol）的ThO2，在氢气中 于2000℃高温烧成的透明多晶体。即使在远红外区仍有约80%的直线通过率， 是一种优良的高温红外材料和电子材料。在真空技术、仪器光学、红外光学及 陀螺仪等上有重要应用。 5．稀土超导陶瓷：REBa2 Cu3 O7-δ 是转变温度90K左右的新型高温超导材料， 自1986年问世以来得到世界各国的高度重视，其巨大应用前景为无能量损耗运 距离输电、大容量高效率的超导发电机和电动机、小型超高速的第五代计算机 等。 四、稀土阴极发射材料和发热材料 六硼化镧（LaB6 ）阴极与钨阴极相比，具有发射电流大、寿命长、性能稳定 等优点，已成功用于等离子电源、扫描电镜、俄歇谱仪及电子探针等设备中。 铬酸镧（LaCrO3 ）具有熔点高（2763K）、抗氧化、耐高温和良好导电性，用 它制作的发热体可使高温电阻炉温度高达2100K，成为科研和生产中的重要设 备。
则有效地提高了玻璃的透明度。
二、稀土着色剂 着色玻璃只所以能呈现某种颜色是由于它吸收了一定波长范围内的可见光。由于 稀土离子在光谱中有自己特有的吸收带，所以稀土加入玻璃中后，可改变可见光 的透光率或调整折射和色散指标，稀土铈、镨和钕的氧化物已用于有色玻璃生产 的有：
第五章 陶瓷材料的力学性能11
陶瓷材料的力学性能
引言
陶瓷广泛应用于我们的日常生活中，如建筑材料、饮 食餐具等以及国家战略战备设施，如武器装备、航天领 域上。 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。 目前研究的陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷。
结构陶瓷
主要利用的是材料的耐高温、强度、硬度、韧性、耐磨
（2）相变增韧
必要条件 有亚稳的四方氧化锆颗粒存在
t相的晶粒尺寸是影响 t-m相变的一个重要因素，Ms点随 晶粒尺寸的减少而降低。氧化锆的室温组织存在一个临 界粒径dc，ddc的晶粒室温下已经转变成m相；ddc的晶 粒冷却到室温仍保留为 t 相。所以只有 ddc 的晶粒才有 可能（但不一定）产生相变韧化作用。 当裂纹尖端应力场最高值一定的情况下，应力诱发 t-m 相变存在一个临界晶粒直径d1。只有d1ddc的晶粒才会 应 力 诱 发 相 变 （ stress induced phase transformation），即这部分晶粒才对相变韧化有贡献。
• 表5.2（P111）给出了试验规程及计算公式。 • 表5.4（P111）是劳氏硬度和维氏硬度的对比情况。
三、克劳维尔硬度
四、硬度与其它性能之间的关系
• 图5.5
五、陶瓷材料的表面接触特性
• 1、与金属材料相同，陶瓷材料表面也存在 局部微凸起，其外侧常有水蒸气或碳-氢化 合物形成的表面层，陶瓷材料表面加工还 可以产生显裂纹或其他缺陷。
• 图5.20。
（2）共价键型陶瓷材料
• 图5.21。
3、加载速率对陶瓷强度的影响
• 图5.22。
第五节 陶瓷材料的断裂韧性
一、陶瓷材料的断裂韧性
一、陶瓷材料的断裂韧性
二、陶瓷材料的断裂韧性的测定
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陶瓷材料通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷（也叫烧结陶瓷）三大类。
工程陶瓷的生产过程如下：（1）原料制备（2）坯料成形（3）烧成与烧结
衡量陶瓷的质量指标有原料的纯度和细度、坯料混合均匀性、成形密度及均匀性、烧成或烧结温度、炉内气氛、升降温速度。
5.1 普通陶瓷（坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好）
5.1.1 普通日用陶瓷：具有良好的光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。
有长石质瓷、绢云母质瓷、骨质瓷、滑石质瓷、高石英质日用瓷。
5.1.2 普通工业陶瓷：一、建筑卫生瓷；二、化学化工瓷；三、电工瓷。
改善工业陶瓷性能的方法：加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性；加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷☆老师提示：重点内容
包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。
5.2.1 氧化物陶瓷：一、氧化铝（刚玉）陶瓷；二、氧化铍陶瓷；三、氧化锆陶瓷
5.2.2 碳化物陶瓷：有很高的熔点、硬度（近于金刚石）和耐磨性（特别是在浸蚀性介质中），缺点是耐高温氧化能力差（约900 ℃～1000 ℃）、脆性极大。
一、碳化硅陶瓷；二、碳化硼陶瓷；三、其它碳化物陶瓷（碳化钼、碳化铌、碳化钽）
5.2.3 硼化物陶瓷：有硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等，具有高硬度, 同时具有较好的耐化学浸蚀能力。
5.2.4 氮化物陶瓷：一、氮化硅陶瓷；二、氮化硼陶瓷；三、氮化钛陶瓷；
第５章小结
1.陶瓷材料是各种无机非金属材料的通称。
通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷三大类。
工程陶瓷又分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，而金属陶瓷通常被视为金属与陶瓷的复合材料。
2.工程陶瓷的生产过程是原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。
3.普通陶瓷的组分构成原料为粘土、石英和长石。
其特点是坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，用量大。
普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。
普通工业陶瓷有建筑卫生瓷（装饰板、卫生间装置及器具等）、电工瓷（电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷）、化学化工瓷（化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿）等。
4.特种陶瓷有压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。
氧化物陶瓷熔点大多2000℃以上, 强度随温度的升高而降低，在1000℃以下时一直保持较高强度，随温度变化不大。
氧化铝制造耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管等。
氧化锆制造冶炼坩埚和1800℃以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等。
碳化物陶瓷具有很高的熔点、很高的硬度和耐磨性，缺点是耐高温氧化能力差（约900℃～1000℃）、脆性极大。
主要用途是作耐火材料（碳化硅）、磨料，有时用于超硬质工具材料（碳化硼）。
硼化物陶瓷具有高硬度, 较好的耐化学浸蚀能力，熔点1800℃～2500℃，使用温度1400℃，用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。
氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体，硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，1200℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击，可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，是优良的耐腐蚀材料。