陶瓷材料结构
第二章 3 陶瓷材料的结构增韧(共52张PPT)
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(3) 纤维及高分子夹层材料
此类材料有碳纤维、芳纶纤维,环氧树脂等。纤维织物与聚 合物的层状复合材料是一种传统复合材料,技术和理论都比较成 熟,但将其作为夹层材料应用于陶瓷增韧时间不长。纤维、高分 子等软相材料作为烧成后的陶瓷薄层基体材料的夹层材料具有很 好的止裂能力。文献试制了Al2O3/芳纶纤维增强环氧树脂复合材 料,使断裂功提高了80倍。其夹层材料参数是:Kevlar-49芳纶纤 维预浸环氧树脂胶,含胶量50%,层厚0.18mm。
1988 年 , Coblenz提出了纤维独石结构 (fibrous monolithic structure) 。 纤维状的胞体以一定的方式排布 ,中间间隔有很薄的界面层 ,结合成一个
块体的结构材料 。 近年来提出将这种结构引入到先进陶瓷基复合材料的设 计与制备中 。 纤维独石陶瓷由于其优异的力学性能,特别是高的断裂韧性 与断裂功 、极高的抗热冲击破坏能力 、 较高的断裂强度 、 良好的高温抗 蠕变性能 、 独特的三维微结构排列等优点已经引起国内外科技工作者的广 泛关注和研究 。
主要影响因素:
〔1〕纤维前驱体直径
〔2〕结构单元的强化 〔3〕界面层的结合强度
〔4〕纤维排布方向
2、仿贝壳结构特征的层状结构陶瓷材料
2.2层状陶瓷增韧思想的提出
近年来,围绕着改善陶瓷材料韧性的问题,国内外进行了大量的研 究工作,其中采用层状复合结构设计进行陶瓷增韧就是其中的方法之一。
陶瓷的层状结构思想来源于大自然中贝壳等生物材料结构的启发。研究发 现,贝壳中珍珠层的结构与抹灰砖墙结构相似,是由一层层超薄的碳酸钙通 过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起,如图2.1所示,其中碳酸钙约占体积 的95%,有机物只占5%,但这5%的有机物的存在却引起了碳酸钙力学性能的巨
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
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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。
工程材料--陶瓷材料
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(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。
陶瓷材料的微观结构与力学行为研究
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陶瓷材料的微观结构与力学行为研究陶瓷是一种被广泛应用于各个领域的材料,具有优异的耐热、耐磨和绝缘性能。
然而,陶瓷的脆性使得它在受力时容易发生断裂,限制了其在某些场合的应用。
为了解决这一问题,科学家们对陶瓷材料的微观结构和力学行为进行了深入研究。
在研究中,科学家们发现,陶瓷材料的微观结构与其力学性能有着密切的关系。
陶瓷材料的微观结构主要由晶格结构和晶粒尺寸组成。
晶格结构决定了陶瓷材料的基本性质,如硬度和强度。
晶格结构中的缺陷会对材料的力学性能产生重要影响。
晶粒尺寸是指陶瓷材料中晶粒的平均尺寸。
较大的晶粒会使材料的强度降低,因为晶界是陶瓷材料的弱点。
晶界是相邻晶粒之间的边界,由于晶界的存在会导致能量聚集,易于引发断裂。
因此,控制晶粒尺寸可以改善陶瓷材料的力学性能。
另外,陶瓷材料的力学行为也与其组成元素有密切关系。
陶瓷材料通常由氧化物或非氧化物组成,如氧化铝、氮化硅等。
这些组成元素的不同性质会影响材料的硬度、断裂韧性等力学性能。
因此,选择适合的组成元素对于研究陶瓷材料的力学行为至关重要。
在研究中,科学家们还发现了经典力学理论无法完全解释陶瓷材料的力学行为。
由于陶瓷材料的脆性,其断裂行为常常是一个复杂的过程,涉及到微观裂纹扩展和能量释放等多个过程。
因此,科学家们提出了一些新的力学模型来描述陶瓷材料的力学行为,如弹性裂纹力学、断裂力学等。
弹性裂纹力学是研究材料断裂的重要方法之一。
根据弹性裂纹力学理论,断裂的起始和扩展可以通过裂纹尖端的应力场和应变场来描述。
当裂纹尖端应力达到材料的断裂强度时,裂纹就会开始扩展。
在裂纹扩展过程中,应力场和应变场会发生变化,影响裂纹的扩展速度和路径。
断裂力学是一种通过理论和实验研究材料断裂行为的方法。
断裂力学可以分为线性弹性断裂力学和非线性断裂力学。
线性弹性断裂力学主要研究小裂纹的扩展行为,而非线性断裂力学则更适用于大裂纹的扩展行为。
通过断裂力学的研究,科学家们可以更好地理解陶瓷材料的断裂行为,并提出改善材料强度和韧性的方法。
陶瓷材料的结构与性能分析
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陶瓷材料的结构与性能分析陶瓷材料是一类广泛应用于建筑、电子、航空等领域的材料,具有优异的物理和化学性质。
而想要深入了解陶瓷材料的性能表现,首先必须对其结构进行分析。
一、结晶结构陶瓷材料主要由氧化物组成,常见的有硅酸盐、氮化硅、氧化铝等。
在陶瓷材料中,原子或离子按照一定的几何排列方式组成结晶结构。
例如,硅酸盐陶瓷中的硅离子和氧离子以正方形或三角形的排列方式拼接成网络结构。
而氮化硅陶瓷则由氮离子和硅离子按照边长相等的正六边形排列形成具有大空隙的结构。
结晶结构的不同会导致陶瓷材料的性能差异,如硬度、热传导性等。
二、晶粒大小晶粒大小是陶瓷材料表面性能的重要指标之一。
晶粒的尺寸越小,材料的强度和硬度往往越高,因为小晶粒内部的晶界相对较多,在晶界上形成了许多阻碍位错运动的障碍点,从而提高了材料的抗变形能力。
因此,控制陶瓷材料的晶粒尺寸,对提高其力学性能具有重要意义。
三、杂质含量陶瓷材料中的杂质含量对其性能影响举足轻重。
杂质的存在会破坏材料的完整晶体结构,从而导致性能的下降。
例如,陶瓷材料中的铁、镉等金属离子会影响其电学性能,氮化硅材料中杂质的存在会导致其电阻率的变化。
因此,在制备陶瓷材料时,对原材料进行严格筛选和纯化,以及控制烧结工艺的条件,能够有效减少杂质含量,提高材料的性能。
四、孔洞结构孔洞是陶瓷材料中普遍存在的结构特征之一。
孔洞会影响材料的力学性能、热导率等。
例如,在陶瓷材料中,孔洞的存在可以减小材料的密度,从而提高其机械强度。
此外,孔洞还能影响热的传导、吸附等性质。
因此,对陶瓷材料的孔洞结构进行合理设计和控制,能够改善其性能,拓宽其应用范围。
五、晶界结构陶瓷材料中的晶界是由相邻晶粒之间的原子之间形成的。
晶界的存在会影响材料的力学性能、导电性能、疲劳寿命等。
在力学性能方面,晶界是位错移动的阻碍剂,增加了材料的塑性变形程度;在导电性能方面,晶界处存在能带偏移和电阻率增加现象,使材料的导电性能下降。
因此,控制晶界的结构,合理改善晶界的质量和数量,对提高陶瓷材料的性能至关重要。
陶瓷的微观结构
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陶瓷的微观结构一、引言陶瓷是一种广泛应用于日常生活和工业领域的材料。
它具有许多优良的特性,如高硬度、耐高温、耐腐蚀等。
这些特性与陶瓷的微观结构密切相关。
本文将从微观层面解析陶瓷的结构特点,以增进对陶瓷材料的理解。
二、陶瓷的组成陶瓷通常由非金属元素的化合物组成,主要包括氧化物、碳化物、氮化物等。
其中,氧化物陶瓷最为常见,如氧化铝、氧化硅等。
这些化合物具有稳定的化学性质,为陶瓷材料赋予了优异的特性。
三、陶瓷的结晶结构陶瓷材料的结晶结构与其物理性质密切相关。
大多数陶瓷材料具有离子键或共价键,因此其结晶结构多为离子晶体结构或共价晶体结构。
1. 离子晶体结构离子晶体结构是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体结构。
例如,氧化铝的结构就是由氧离子和铝离子构成的。
在这种结构中,阳离子通常占据晶体的中心位置,而阴离子则环绕其周围。
离子晶体结构的稳定性较高,因此具有较高的熔点和硬度。
2. 共价晶体结构共价晶体结构是由共价键连接的原子构成的晶体结构。
例如,硅化硅的结构就是由硅原子通过共价键连接而成的。
在这种结构中,原子通过共用电子进行连接,形成稳定的晶体结构。
共价晶体结构通常具有较高的熔点和较好的导电性能。
四、陶瓷的微观缺陷陶瓷材料中晶格缺陷的存在对其性能有着重要影响。
常见的陶瓷缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
1. 点缺陷点缺陷是晶体中原子位置的缺失或替代。
常见的点缺陷有空位、间隙原子和杂质原子。
这些点缺陷会导致陶瓷的导电性、热导率等性能发生变化。
2. 线缺陷线缺陷是晶体中沿一维方向的缺陷,如位错和脆性晶粒。
位错是晶体中原子排列的错位,会导致陶瓷的塑性变差。
脆性晶粒则是陶瓷中存在的较大晶粒,容易引起断裂。
3. 面缺陷面缺陷是晶体中沿二维方向的缺陷,如晶界和孪晶。
晶界是晶体中不同晶粒的交界面,对陶瓷的力学性能和导电性能有重要影响。
孪晶是晶体中形成的两个镜像对称的晶粒,容易导致陶瓷的脆性断裂。
五、陶瓷的微观结构与性能关系陶瓷材料的微观结构对其性能具有重要影响。
陶瓷材料的晶体结构与应力分析
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陶瓷材料的晶体结构与应力分析一、介绍陶瓷材料是一类具有特殊结构和性质的无机非金属材料。
在陶瓷材料中,晶体结构的性质起着重要的作用。
本文将探讨陶瓷材料的晶体结构以及应力分析方面的内容。
二、陶瓷材料的晶体结构1. 颗粒晶体结构陶瓷材料中常见的晶体结构是颗粒状的结构。
这种结构由大量的微小晶体颗粒组成。
这些颗粒有特定的结构排列方式,形成陶瓷材料的整体结构。
2. 结晶晶体结构在其他一些陶瓷材料中,晶体结构呈现出明确的晶格结构。
晶格是由原子或离子组成的周期性结构。
晶体结构的稳定性与晶格的完整性密切相关。
3. 硅酸盐晶体结构硅酸盐是一种重要的陶瓷材料类型,其晶体结构含有硅和氧的化合物。
硅酸盐的晶体结构可以用于制造陶瓷工艺品、建筑材料等。
三、陶瓷材料的应力分析1. 内应力陶瓷材料在制备或使用过程中,会受到各种力的作用,从而产生内应力。
内应力可能导致陶瓷材料的破裂或变形。
对陶瓷材料的应力分析是为了预测和控制内应力的产生。
2. 热应力热应力是由于温度变化引起的。
在陶瓷材料的制备过程中,高温和冷却过程会导致温度的变化,从而产生热应力。
热应力是陶瓷材料中常见的一种应力形式。
3. 力学应力陶瓷材料在受到外力作用时,会产生力学应力。
力学应力的大小和方向与外力的大小和方向密切相关。
对陶瓷材料的力学应力进行分析有助于了解材料的强度和韧性。
四、工程应用陶瓷材料的晶体结构和应力分析在工程领域有着广泛的应用。
例如,在陶瓷制品的设计和开发过程中,通过对晶体结构的研究,可以改善材料的性能和品质。
同时,应力分析可以帮助工程师预测陶瓷材料在使用过程中可能产生的破裂和变形情况,从而设计更可靠的陶瓷产品。
五、结论陶瓷材料的晶体结构对其性能有重要影响。
对陶瓷材料的晶体结构进行研究可以改善材料的品质和性能。
同时,应力分析对于预测和控制陶瓷材料的破裂和变形具有重要意义。
通过合理的晶体结构设计和应力分析,可以提高陶瓷材料的可靠性和应用价值。
陶瓷材料的晶体结构与应力分析是一个复杂而有趣的课题。
陶瓷材料的结构.pptx
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综上所述,金
属材料的成分、 工艺、组织结构 和性能之间有着 密切的关系。
图2-11 两种晶粒大小不同的纯铁示意图
第12页/共35页
2.2 高分子材料的结构与性能
• 2.2.1 高分子材料的结构 • 1.大分子链的构成 • (1)化学组成 • 组成大分子链的化学元素,主要是碳、氢、氧,
另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等,其中碳 是形成大分子链的主要元素。 • 大分子链根据组成元素不同可分为三类,即碳 链大分子、杂链大第13分页/共子35和页 元素链大分子。
2.晶面与晶向
图2-2 立方晶格中的一些晶面
第2页/共35页
3.金属晶体的类 (型1)体心立方晶格 (2)面心立方晶格 (3)密排六方晶格
图2-3 体心立方晶胞
图2-4 面心立方晶胞
第3页/共35页
图2-5 密排六方晶胞
2.1.2 金属的实际晶体结构
1.单晶体和多晶体
图2-6 单晶体和多晶体结构示意图
图2-20 蠕变前、后分子构象变化示意图 ●应力松弛 如图2-21所示。
图2-21 应力松弛过程中分子构象变化示意图
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●滞后与内耗 高聚物受周期性载荷时,产生 伸-缩的循环应变,如图2-22所示。
图2-22 橡胶在一个承载周期中的应力-应变曲线
第23页/共35页
图2-23可以看出高聚物的变形特点。A点为 初始状态,B点为屈服点,C点为断裂点。
第25页/共35页
陶瓷的典型组织结构包括: 晶体相(莫来石和石英) 玻璃相 气相
1.晶体相
(1)硅酸盐
硅酸盐基本结构具有以下特点: ①构成硅酸盐的基本单元为硅氧四面 体结构,如图2-24所示; ②硅氧四面体只能通过共用顶角而相 互结合; ③ Si4+通过 O2-结合, Si—O—Si 的结合键在氧上的键角接近于145° ; ④稳定的硅酸盐结构中,硅氧四面体 采取最高空 间维数互相结合; ⑤硅氧四面体采取比较紧密的结构结 合; ⑥同一结构中硅氧四面体最多只相差 1个氧原子。
陶瓷材料的结构
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亚稳态非晶体
在特定条件下通过高能球磨或化学气 相沉积制备而成,具有较高的能量状 态,但稳定性低于玻璃态非晶体。
非晶体结构对陶瓷材料性能的影响
力学性能
非晶体结构使陶瓷材料表现出各 向同性的力学性能,具有较高的
硬度和良好的耐磨性。
热学性能
非晶体结构使陶瓷材料具有较低的 热导率和较宽的热膨胀系数范围, 有利于隔热和抗热震性能。
理和化学性质。
晶体结构可以通过X射线衍射技 术进行测定和表征。
晶体结构的基本要素包括晶格、 晶胞、原子或分子的位置等。
陶瓷材料的晶体结构类型
氧化物陶瓷
碳化物陶瓷
以金属氧化物为主要成分,如氧化铝、氧 化锆等,具有较高的熔点和硬度。
以碳化物为主要成分,如碳化硅、碳化钛 等,具有高强度和耐磨性。
氮化物陶瓷
陶瓷材料的晶体结构中可能存在 的缺陷,如空位、位错、晶界等, 这些缺陷会影响陶瓷的力学性能
和电学性能。
陶瓷材料的强化机制
相变增韧
某些陶瓷材料在受到外力作用时,会发生相变,产生微裂纹或增 韧相,吸收能量,从而提高材料的韧性。
颗粒增强
通过在陶瓷基体中添加增强颗粒,如碳化物、氮化物等,提高材料 的强度、韧性和耐磨性。
化学稳定性
非晶体结构使陶瓷材料具有较好的 化学稳定性和抗氧化性能,能够抵 抗酸、碱、盐等腐蚀性介质的侵蚀。
04
陶瓷材料的显微结构
显微结构的基本概念
显微结构是指材料在显微镜下 观察到的组织结构和形貌特征, 包括晶粒大小、晶界、气孔等。
显微结构决定了陶瓷材料的性 能,如力学性能、热性能、电 性能等。
与晶体材料不同,非晶体材料不具有周期性重复的晶格结构,其原子或分子的排列 呈现各向同性。
陶瓷的分子结构
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陶瓷的分子结构
陶瓷是一种常见的非金属材料,其分子结构是由硅、氧和其他金属元素组成的三维网状结构。
这种结构使得陶瓷具有良好的耐热性、高硬度和良好的耐腐蚀性。
陶瓷的分子结构是由硅、氧元素为主,同时加入了其他金属元素,形成了三维网状结构。
这种结构使得陶瓷材料具有很高的硬度,能够抵抗外界的刮擦和压力。
同时,由于陶瓷的分子结构中存在大量的共价键,这些共价键的强相互作用使得陶瓷具有很好的稳定性,能够在高温环境下保持其性质。
除了硅、氧元素外,陶瓷中还加入了其他金属元素,如钠、钙、镁等。
这些金属元素在陶瓷的分子结构中扮演着不同的角色,可以改变陶瓷的物理性质和化学性质。
例如,加入钠元素可以提高陶瓷的电导率,使其具有导电性;加入钙元素可以增强陶瓷的力学性能,使其更加坚硬和耐磨。
陶瓷的分子结构还具有很好的稳定性,能够在高温环境下保持其性质。
由于其高熔点和化学稳定性,陶瓷被广泛应用于工业、航空航天、电子等领域。
在工业中,陶瓷可以用于制造刀具、磨具、耐火材料等;在航空航天领域,陶瓷被用于制造发动机部件、热防护材料等;在电子领域,陶瓷被用于制造电子元件、电路板等。
总之,陶瓷的分子结构是由硅、氧和其他金属元素组成的三维网状结构,这种结构使得陶瓷具有良好的耐热性、高硬度和良好的耐腐蚀性。
由于其独特的性质和应用领域,陶瓷在现代社会中发挥着越来越重要的作用。
同时,随着科技的不断进步,相信陶瓷材料会在未来的发展中发挥更加重要的作用。
结构陶瓷的名词解释
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结构陶瓷的名词解释结构陶瓷是一种特殊的陶瓷材料,具有优异的力学性能和化学稳定性,被广泛应用于各个领域,尤其在工程结构和航空航天技术中发挥着重要作用。
本文将对结构陶瓷的定义、特性和应用进行详细解释。
一、定义与组成结构陶瓷是一类以氧化物、非氧化物和复合材料为基础的材料,具有具有高强度、高硬度、高韧性和高温稳定性等特点。
它的原子结构呈现出三维的网络结构,主要由非金属离子组成,如氧、硅、铝等。
结构陶瓷在原子排列中存在着离子键、共价键和氢键等多种键合方式,使得其具有独特的力学性能和化学性质。
二、特性1. 高强度与高硬度:结构陶瓷具有良好的抗拉强度、抗压强度和硬度,能够承受较大的力量和压力。
这些特性使得结构陶瓷在高载荷和高温环境下有着出色的稳定性和持久性。
2. 良好的耐磨性:结构陶瓷的表面光滑且硬度高,具有较低的摩擦系数和良好的耐磨性能。
因此,它常被用于制作高速旋转机械部件和耐磨材料。
3. 高温稳定性:结构陶瓷在高温环境下能够保持其力学性能和化学性质。
这使得它能够承受高温应力和化学腐蚀,广泛应用于高温炉窑、火箭发动机和航空航天等领域。
4. 优异的绝缘性和绝热性:结构陶瓷具有较低的热导率和良好的绝缘性能,能够有效隔离热量和电流。
这些特性使得它在电子器件、绝缘子和高温电路等领域应用广泛。
三、应用领域1. 磁性储存器:结构陶瓷常用于磁头、磁场传感器和磁性储存装置等电子器件中,因其低热膨胀系数和高绝缘性能,能够提高设备性能和稳定性。
2. 光学设备:结构陶瓷具有良好的光学透明性和热稳定性,广泛应用于激光器、红外窗口、光纤通信和太阳能电池等领域。
3. 医疗器械:结构陶瓷材料无毒、无味、无放射性污染,被广泛应用于人工关节、牙科修复材料和骨灌注注射等医疗器械。
4. 航空航天技术:结构陶瓷因其耐热、耐磨和高强度等特性,被广泛应用于航空航天发动机、内燃机和航天器的隔热结构中,提高了航空航天技术的性能和可靠性。
结构陶瓷作为一种特殊的材料,具有出色的力学性能和化学稳定性,被广泛应用于各个领域。
陶瓷材料的显微结构
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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
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
陶瓷的微观结构
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陶瓷的微观结构引言陶瓷是一种具有特殊微观结构的无机非金属材料,具有优异的物理、化学和机械性能。
本文将重点介绍陶瓷的微观结构,包括陶瓷的组成成分、晶体结构以及晶界和孔隙等微观特征。
一、陶瓷的组成成分陶瓷的主要成分是氧化物,如氧化铝、氧化硅、氧化锆等。
此外,还可以添加少量的其他氧化物、非氧化物以及杂质元素来调整陶瓷的性能。
不同成分的陶瓷具有不同的微观结构和性能特点。
二、陶瓷的晶体结构陶瓷的晶体结构是其微观结构的基础。
大多数陶瓷是由离子晶体构成的,其晶体结构可以分为离子型和共价型两种。
离子型陶瓷的晶体结构由正负离子通过电荷作用力相互排列而成,共价型陶瓷的晶体结构由共价键连接的原子构成。
三、陶瓷的晶界晶界是陶瓷微观结构中重要的组成部分,它位于晶体之间。
晶界的存在对陶瓷的性能有重要影响。
晶界可以分为晶界位错和晶界面两部分。
晶界位错是晶体中原子间的错位,晶界面是晶体之间的界面。
晶界的存在会导致晶体的结构畸变和局部应变,从而影响陶瓷的力学性能和导电性能。
四、陶瓷的孔隙结构陶瓷的孔隙是指在其微观结构中存在的空隙或孔洞。
孔隙可以分为连通孔和闭孔两种。
连通孔是指孔隙之间存在通道,可以与外界相连,闭孔则是孔隙之间没有通道,与外界隔绝。
孔隙的存在对陶瓷的力学性能、导热性能和气密性等性能有重要影响。
结论陶瓷的微观结构是其优异性能的基础。
陶瓷的微观结构包括组成成分、晶体结构、晶界和孔隙等要素。
不同成分的陶瓷具有不同的微观结构特点,晶体结构和晶界的存在对陶瓷的性能有重要影响,而孔隙的存在则对陶瓷的多项性能产生影响。
深入了解和研究陶瓷的微观结构,可以为陶瓷的设计、制备和应用提供理论依据,进一步拓展陶瓷材料的应用领域。
陶瓷材料的结构与性能
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韧 性 陶 瓷 硬 度 压 痕
弹性模量大、耐磨损、强
度高等特点。
脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹
功能陶瓷还具有电、光、
磁等特殊性能。
第五节 陶高聚物
以外的无机非
金属材料通称。
工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、 水泥等。随着现代科技的发展,出现了许多性能优 良的新型陶瓷。
二、陶瓷材料的结构
陶瓷材料通常由三
种不同的相组成,
即晶相(1)、玻璃相 (2)和气相(3)[气孔]。
晶相是陶瓷材料中主要的组成相,决定陶瓷材料物
理化学性质的主要是晶相。 玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材 料致密度、降
低烧结温度和
抑制晶粒长大。
气相是在工艺 过程中形成并 保留下来的。
三、陶瓷材料的性能
●
陶瓷材料具有高熔点、高 硬度、高化学稳定性,耐 高温、耐氧化、耐腐蚀等 特性。 陶瓷材料还具有密度小、
陶瓷材料的组织结构和力学性能分析
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陶瓷材料的组织结构和力学性能分析陶瓷作为一种广泛应用的材料,在各个领域都有重要的作用。
陶瓷具有优异的化学稳定性和耐高温性能,因此常被用于制作高温材料、耐磨材料以及电子材料等。
本文将对陶瓷材料的组织结构和力学性能进行分析。
首先,对于陶瓷材料的组织结构,需要了解陶瓷的基本成分和表面形貌。
陶瓷主要由非金属元素组成,如氧、氮、硼等。
在微观层面上,陶瓷晶体结构可以分为单晶和多晶,这直接影响其物理性质和化学性质。
此外,陶瓷的表面形貌决定了其力学性能和表面活性。
表面粗糙度越小,则材料的疲劳寿命和抗摩擦性能越好。
其次,陶瓷材料的组织结构对其力学性能有着重要的影响。
在应力作用下,陶瓷材料晶体结构中的离子发生位移或位错的移动,从而引发塑性变形或断裂。
一般情况下,陶瓷材料的强度较高,但韧性较差。
这主要是由于陶瓷的结构中具有很多微观裂纹,这些裂纹容易导致材料的破裂。
因此,提高陶瓷材料的韧性是一个重要的课题。
陶瓷材料的力学性能主要包括抗拉强度、硬度、韧性等指标。
抗拉强度是材料抵抗拉伸应力的能力,硬度是材料抵抗表面划伤的能力,而韧性则反映材料抵抗断裂的能力。
一般来说,陶瓷的抗拉强度较高,硬度也较高,但韧性较低。
在实际应用中,陶瓷材料常常通过控制其组织结构来调节其力学性能。
例如,通过添加适量的增韧相或改变烧结工艺,可以提高陶瓷材料的韧性。
此外,研究人员还通过基于陶瓷材料的多尺度模拟来深入理解其组织结构与力学性能之间的关系。
这种方法将实验数据与计算方法相结合,能够预测和解释陶瓷材料的宏观性质。
通过模拟可以更好地理解陶瓷材料的变形机制和断裂行为,为设计和制造具有特定性能的陶瓷材料提供理论依据。
总之,陶瓷材料的组织结构与力学性能之间存在着密切的关系。
了解陶瓷材料的组织结构可以帮助我们更好地理解其力学性能。
通过调控组织结构,可以改变陶瓷材料的力学性能,从而满足不同领域的需求。
此外,多尺度模拟方法为研究陶瓷材料提供了新的途径。
通过深入研究陶瓷材料的组织结构和力学性能,有助于推动陶瓷材料在各个领域的进一步应用和发展。
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CsCl晶胞图: Cl-离子按简单立方结构排 列,正离子Cs+位于立方 体的间隙。由于正负离子 数相等,所以立方体的间 隙都是填满的。 致密度和晶格常数的计算: 配位数:8 所有立方体间隙都是添满 的 不是体心立方,是简单立 方的
Cl-
Cs+
陶瓷材料的成分是多种多样的,从简单的化合 物到由多种复杂的化合物构成的混合物。
离子键
共价键
一、陶瓷材料的结构特点
陶瓷材料的显微组织由晶体相(1)、玻璃相(2) 和气相(3)组成,而且各相的相对量变化很 大,分布也不够均匀。
(一)、陶瓷晶体
晶相是陶瓷材料中主要的组成相,决定陶瓷 材料物理化学性质的主要是晶相。
由于陶瓷材料中原子的键合方式主要是离 子键,故多数陶瓷的晶体结构可以看成是 由带电的离子而不是由原子组成。 由于陶瓷至少由两种元素组成,所以陶瓷 的晶体结构通常要比纯金属的晶体结构复 杂。
在离子晶体中,一些原子失去最外层电子而 变成正离子,另一些原子则得到最外层电子 而成为负离子。因此,在离子晶体中,通常 正离子小于负离子,即: rc/rA <1 rc和rA分别代表正负离子的半径。
一些正负离子的半径,如表3-1所示
为了降低晶体的总能量,正、负离子趋于形 成尽可能紧密的堆积. 即:一个正离子趋于有尽可能多的负离子为 邻。一个正离子周围的最近邻负离子数称为 配位数。 因此,一个最稳定的结构应当有尽可能大的 配位数,而这个配位数又取决于正、负离子 的径之比。 图3-1
陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化
物、硅化物等。
2、常见陶瓷晶体类型
AX型陶瓷晶体 (1)CsCl型 (2)NaCl型 (3) ZnS闪锌矿型结构 (4)纤维锌矿型结构
AmXp型陶瓷晶体 (1)萤石(CaF2)型结构与逆萤石型结构 (2)刚玉(Al2O3)结构
由图可知只有当rc/rA 等于或大于某一(最 小)临界值后,某一给定的配位数结构才是 稳定的。 这个临界值就是当正离子与它周围的负离子 相切,而且这些负离子也彼此相切时,正、 负离子直径的半径比。 表3-2
以上关于临界离子半径比值的概念完全是从 几何角度考虑的,对于许多离子晶体很有效。 但也有例外情况,即配位数有时可大于离子 半径比值所允许的数值。 这是由于以上中把离子看成刚性球体。 而实际上正离子周围的负离子可以通过变形 使配位数增大,另外,化合物中具有方向性 的共价键也会起类似的作用。(举例说明书)
AmXp型陶瓷晶体
(1)萤石(CaF2)型结 构与逆萤石型结构: 萤石(CaF2)型结构: 钙离子(Ca2+)位于 点阵的结点位置,氟 离子(F-)填满所有 四面体的间隙(八面 体全空) 如UO2可做核燃料, 而核裂变的产物可留 在这些空间处。
逆萤石型结构: 如果负离子位于点阵的结点位置,正离子填 满所有四面体的间隙(八面体全空),这样 结构中正、负离子的配置与正常的CaF2结 构刚好相反,因此,称为反CaF2结构(逆 萤石型结构)。 具有这种结构的氧化物有:Li2O,Na2O, K2O。
(以下分别介绍)
AX型陶瓷晶体
AX型陶瓷晶体是最简单的陶瓷化合物, 它们具有数量相等的金属原子和非金属原子。 它们可以是离子型化合物,如MgO,其中两 个电子从金属原子转移到非金属原子,而形 成阳离子(Mg2+)和阴离子(O2-)。 AX化合物也可以是共价型,价电子在 很大程度上是共用的。硫化锌(ZnS)是这 类化合物的一个例子。
形成的陶瓷材料很硬很脆。 许多半导体化合物属于此 类结构。 属于闪锌矿型结构的陶瓷 材料有ZnS、高温下的 BeO等;
(4)纤维锌矿型结构:
属于简单六方空间点阵。
一种原子占据点阵结 点,另一种原子占据 四面体间隙的一半。 Zn、S原子的配位数 都为4。 属于这类结构的陶瓷 材料有BeO 、ZnO等。
1、陶瓷晶体中正、负离子的堆积方式:
在离子(陶瓷)晶体中正、负离子的堆积方式 取决于以下两个因素: ①正负离子的电荷大小:晶体必须保持电中性, (所有正离子的正电荷应等于所有负离子的负 电荷) ②正负离子的相对大小: 由于正负离子的外层电子形成封闭的壳层,因 此可将离子简化为具有一定半径的刚性球体。
第七节 陶瓷材料结构
陶瓷材料是 除金属和高 聚物以外的 无机非金属 材料通称。
对工程师来说,陶瓷包括种类繁多的物质, 例如玻璃、砖、石头、混凝土、磨料、搪瓷、 介电绝缘材料、非金属磁性材料、高温耐火 材料和许多其它材料。
主要由金属元素和非金属通过离子键或 兼有离子键和共价键的方式结合起来。
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。
(2)刚玉(Al2O3)结构
这种结构的氧离子 (负离子)具有密排 六方的排列,正离子 占据八面体间隙的三 分之二。 具有这种结构的氧化 物有:Al2O3、Fe2O3、 Cr2O3、Ti2O3、V2O3、 Ga2O3、Rh2O3等。 (Ga镓、Rh铑)
(2)NaCl型
NaCl型的结构是: 负离子Cl-为面心立方 点阵;而正离子Na+位 于其晶胞和棱边的中 心(八面体间隙位置)。 其原子排列情况所示。 每个Na+周围有六个 Cl-,即配位数为6。
空心圆为Na+,实心圆为Cl-
(3) 闪锌矿型结构:
这类结构原子排列属于面心 立方空间点阵。 一种原子占据点阵结点, 另一种原子占据四面体间 隙的一半。该晶体结构基 本上为共价键,Zn、S原 子的配位数都为4。