陶瓷材料学

一．名词解释

1.相变超塑性：靠陶瓷在承载时的温度循环产生相变来使材料获得超塑性。

2.组织超塑性：靠特定的组织结构在恒定的应变速率下获得超塑性。

3.抗热震性：陶瓷材料抵抗温度变化能力的大小。

4.玻璃的晶化：玻璃结构由长程无序结构的玻璃态转变成规则点阵结构的晶态的相变过程(析晶、失透、反玻化)。

5.均匀成核：在宏观均匀的玻璃中，在没有外来物参与，与相界、结构缺陷等无关的成核过程，又称为本征成核或自发成核。

6.非均匀成核：依靠相界、晶界或基质的结构缺陷等不均匀部位而成核的过程，又称为非本征成核。

7.自由度数：在温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中，可以在一定范围内任意改变而不会引起旧相消失或新相产生的独立变量的数目。

8.组分：系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的化学均匀物质。

9.独立组分数(c)：决定一个相平衡系统成分所必需的最少的组分数。

10.相：相是体系中具有相同物理与化学性质的均匀部分的总和，相与相之间有界面，各相可以用机械方法加以分离，越过界面时性质发生突变。

11.形核率：单位时间，单位体积内所形成的晶核数目。

12.调幅分解：又称为增幅分解或拐点分解，它是一种特殊的固溶体析出形式，其特点是相变时不需要形核过程，而是通过自发的浓度起伏，浓度振幅不断增加，最终固溶体分解为浓度相同而结构不同的两相，即一部分为溶质原子富集区，另一部分为溶质原子贫化区。13.相转变：指因温度或应力的变化引起晶体结构的变化。通过分散相的体积变化可以向裂缝表面施加一个压缩应力，从而阻止裂缝增长，故成为一种增韧机理。主要发生相转变的陶瓷是氧化锆及氧化锆与氧化铝的混合物。

二．简答

1.陶瓷的晶体结构？

答：（1）面心立方密堆结构；（2）六方密堆结构；（3）体心立方密堆结构。

2.离子晶体及其构成（离子半径）？

答：1）原子序数相近时，阴离子半径大于阳离子半径；

2）同一周期阳离子价数越大，离子半径越小；

3）同一周期阴离子，价数越大，离子半径越大；

4）变价元素离子，价数越大，离子半径越小；

5）同价离子原子序数越大，离子半径越大。

3.代表性晶体结构？

答：MX结构（4:4配位：闪锌矿结构ZnS、CuCl、AgI、ZnSe、b-SiC，纤锌矿结构：ZnS、ZnO、AgI、ZnSe；6:6配位：NaCl结构CaO、CoO、MgO、NiO、TiC、VC、TiN、VN、LiF；8:8配位：CsCl结构CsBr、CsI）；MX2结构（b-方石英结构4:2；金红石结构6:3；萤石结构8:4）；M2X结构（赤铜矿结构2:4；反萤石结构4:8；刚玉结构6:4）；M2X3结构。

4.鲍林规则。

答：1）配位多面体规则，其内容是：“在离子晶体中，在正离子周围形成一个负离子多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于离子半径比”。第一规则实际上是对晶体结构的直观描述，如NaCl晶体是由[NaCl6]八面体以共棱方式连接而成。

2）电价规则指出：“在一个稳定的离子晶体结构中，每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和，其偏差≤1/4价”。

3）多面体共顶、共棱、共面规则，其内容是：“在一个配位结构中，共用棱，特别是共用面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电价，低配位的正离子的这种效应更为明显”。

4）不同配位多面体连接规则，其内容是：“若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势”。

5）节约规则，其内容是：“在同一晶体中，组成不同的结构基元的数目趋向于最少”。

5.玻璃结构模型的两种学说。

答：无规则网络学说：认为像石英晶体一样，熔融石英玻璃的基本结构单元也是硅氧四面体，玻璃被看作是由硅氧四面体为结构单元的三度空间网络所组成，但其排列是无序的，缺乏对称性和周期性的重复，故不同于晶态石英结构。当熔融石英玻璃中加入碱金属或碱土金属氧化物时，硅氧网络断裂，碱金属或碱土金属离子均匀而无序地分布于某些硅氧四面体之间的空隙中，以维持网络中局部的电中性。

晶子学说：认为玻璃是由无数“晶子”所组成。晶子是具有晶格变形的有序排列区域，分散在无定形介质中，从“晶子”部分到无定形部分是逐步过渡的，两者之间并无明显界线。

6.影响结晶的因素。

答：温度，过冷度越大，成核生长驱动力越大，但是黏度也增大。

黏度，限制结晶速度。

杂质，少量杂质能促进成核。

界面能，固液界面能越小，核生长所需的能量越低。

7.陶瓷的显微结构包含什么？

答：晶相（晶相的种类，数量，形态，晶粒的大小、分布和取向、晶体缺陷）；晶界（晶界的特征）；玻璃相（玻璃相的含量、分布、应力分布）；气相构成（气孔的大小、多少、分布、位置等，及研究裂纹的大小、形状分布等）。

8.调幅分解的热力学条件？阻力？

答：发生调幅分解的热力学条件是，合金的成分点必须位于自由能-成分曲线的两个拐点之间。

当固溶体降温至拐点线以内时，驱动力ΔGV＜0，从而为调幅分解提供了必要条件，但这不是调幅分解的充分条件，这是因为调幅分解还存在着其他的阻力，主要有①梯度能：调幅分解时，固溶体中产生了尺寸很小的溶质原子贫、富区，在贫、富区之间的浓度梯度将会越来越陡，从而影响原子间的化学键，使原子的化学位升高，这部分能量称为梯度能。②弹性应变能：调幅分解时，固溶体的点阵常数将随化学成分变化，如果溶质原子贫、富区间保持共格关系，必然使点阵发生弹性畸变而引起共格应变能。

9.增韧方式的简单原理。

答：1.微裂纹化机理：将氧化锆粒子引入另一种陶瓷基体如氧化铝。温度低于转变点时，就发生四方-单斜的晶形转变，并伴随3-5%的体积膨胀。由于只是小晶粒的体积膨胀，不会使整个材料开裂，只会在晶粒四周引发一些微裂纹。由于这些微裂纹的存在，改变了晶粒周围的应力场。当外部裂缝扩展经过这一晶粒时，就会发生裂缝偏移作用（陶瓷增韧部分），提高了断裂韧性。氧化锆的粒度不能太小，太小则不能发生相转变；也不能太大，太大则会引发可增长的大裂缝。为得到最大程度的增韧，氧化锆的加入量也必须在一个最佳水平。

2.应力引发相转变机理：氧化锆冷却通过转变区时，应该发生四方-单斜的相转变。但如果氧化锆晶粒很细，且被周围的基体紧密压迫，相转变就无法发生。如果此时有一个裂缝在材料中扩展，裂缝经过之处，尤其是裂缝尖端，会有很大的应力产生。在应力作用下，基体对氧化锆晶粒的压迫不再起作用，氧化锆晶粒就会发生相转变。相转变所产生体积膨胀反过来会压迫四周的基体，使晶粒本身和基体都处于一种压缩应力的作用之下。此时，裂缝扩展的应力必须先要抵消掉压缩应力，才能继续扩展。这样就对材料进行了增韧。

3.残余应力增韧：当主裂纹扩展，越到小于临界尺寸的微裂纹时，主裂纹发生偏转、分叉，吸收断裂能，使材料在更高的荷载下才能断裂，这一机制被称为微裂纹增韧机制。如果尺寸较小，总膨胀应变小，不足以使基体产生微裂纹，就会以残余应力的形式存在下来。当主裂纹扩展遇到残余应力时，残余应力释放，阻碍主裂纹的进一步扩展，这一机制被称为残余应力增韧。

一．1.陶瓷的晶体结构：（1）面心立方密堆结构（2）六方密堆结构（3）体心立方密堆结构2.钙钛矿：CaTiO3(体心、面心、顶点，体心、顶点、棱)

二．非晶的晶化过程：成核与生长

三.1.肖特基缺陷：空位机制。弗莱克尔缺陷：质点移动形成间隙。

2.位错滑移和攀移：晶体本身体积不变，称为保守运动。攀移伴随物质的迁移，需要热激活，比滑移需要更多能量，攀移引起晶体体积变化－－非保守运动，过饱和空位有利于攀移。

3.相邻晶粒的位向不同，交界面叫晶粒界，简称晶界。晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为亚晶界。位向差小于10o，小角度晶界；10o以上，大度角晶界。

四．1.扩散机制1、易位：两个质点直接换位2、环形扩散：同种质点的环状迁移3、准间隙扩散：从间隙位到正常位，正常位质点到间隙4、间隙扩散：质点从一个间隙到另一个间隙5、空位扩散：质点从正常位置移到空位

2.无序扩散、自扩散：没有化学浓度梯度的扩散，即无推动力示踪扩散：是没有空位或原子流动，而只有放射性离子的无规则运动。晶格扩散：晶体体内或晶格内的任何扩散过程。本征扩散：仅由本身的热缺陷作为迁移载体的扩散。非本征扩散：非热能引起，如由杂质引起的缺陷而进行的扩散。互扩散：存在于化学位梯度中的扩散。晶界扩散、界面扩散、表面扩散：是指在指定区域内原子或离子扩散。位错扩散、空位扩散、间隙扩散：属本征扩散。体积扩散：晶格内部扩散。

九．1.相变增韧（氧化锆）2.纤维增韧：单向排布长纤维增韧、多维排布长纤维增韧3.短纤维、晶须及颗粒韧化：短纤维增韧、晶须增韧、颗粒增韧