材料科学第四章无机非金属材料分析解析

陶瓷材料的物质结构
陶瓷材料的相组成
气相（气孔）
陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或 互相发生物理、化学作用所生成的空隙。 这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来 形成气孔。 气孔对陶瓷的性能是不利的，它降低材料的强度，是造 成裂纹的根源。
陶瓷材料的物质结构
陶瓷材料的晶体缺陷
点缺陷
陶瓷材料晶体中存在的置换原子、间隙原子和空位等 缺陷称之为点缺陷。 陶瓷材料的很多性质如导电性与点缺陷有直接关系。 此外，陶瓷材料的烧结、扩散等物理化学过程也与点缺陷 有关。
坯料成形
制品烧成
普通陶瓷材料生产工艺过程
普通陶瓷材料 普通陶瓷品种
1、日用陶瓷 2、普通工业陶瓷
1）建筑陶瓷 3）电器绝缘陶瓷 4）化工陶瓷
2）卫生陶瓷
普通陶瓷材料
1、日用陶瓷
一般应具有良好的白度、光泽度、透光性、热 稳定性和强度。
采用瓷质：
长石质瓷，绢云母质瓷，骨灰质瓷，日用质瓷
日用陶瓷主要应用于茶具、餐具和工艺品
刚度
陶瓷材料的性能特点
力学性能
强度
陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很 高。但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和 各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比 理论强度低100多倍。 陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细， 强度越高。此外，陶瓷材料一般具有优于金属材 料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的 抗氧化性，常用于高温材料。
陶瓷材料的物质结构
陶瓷材料的晶体缺陷
线缺陷
位错是陶瓷材料晶体中存在的线缺陷。陶瓷材料中位 错形成所需要的能量较大，因此，不易形成位错，陶瓷材 料中位错密度很低。
陶瓷材料的物质结构
陶瓷材料的晶体缺陷
面缺陷
陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚 晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。 晶界对金属材料和陶瓷材料强度的提高作用机理是不同的。 对金属材料来说，晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而 对陶瓷材料来说，利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的 扩展，提高强度。
晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶 体或化合物。 晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。 陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、 氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。 晶体相的结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料 的特性和应用。
硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元
无机非金属材料概论
无机非金属材料的分类
传统陶瓷
陶瓷 玻璃
பைடு நூலகம்
特种陶瓷
水泥
结 构 陶 瓷
功 能 陶 瓷
陶瓷材料的物质结构
陶瓷材料的结合键 陶瓷材料组成相的结合键为： 离子键（MgO、Al2O3） 共价键（金刚石、Si3N4）
离子键与共价键的混合键（大部分陶瓷材料）
陶瓷材料的物质结构
陶瓷材料的相组成
晶体相
陶瓷材料的性能特点
力学性能
硬度
陶瓷的硬度很高，多为1000Hv～1500Hv （普通淬火钢的硬度500～800Hv）。陶瓷 硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、 以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。
陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而 弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价 键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性 模量要高于金属材料。
陶瓷材料的性能特点
力学性能
塑性与韧性
陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱 点。 陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下， 就发生断裂。
陶瓷材料的性能特点
力学性能
提高陶瓷材料强度及减轻脆性的途径
1、制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷，提高晶体的 完整性—“细、密、匀、纯”；
2、在陶瓷表面引入压应力；
普通陶瓷材料
• • • • 世界三大瓷都： 中国景德镇 日本有田 德国麦森
普通陶瓷材料
2、普通工业陶瓷 1）建筑陶瓷
以黏土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷 粗陶瓷：以难熔黏土为主要原料，包括砖、瓦、盆罐等 精陶瓷：以瓷土和高岭土为主要原料，包括釉面砖、
建筑卫生陶瓷等 炻(shí)瓷： 以陶土和黏土为主要原料，包括地砖、外 墙砖、耐酸陶瓷等
普通陶瓷材料
日用器皿
艺术陶瓷
普通陶瓷材料
天津瓷房子
瓷房子—价值50亿 四千多件古瓷器，四百多件汉白玉石 雕和二十多吨水晶石与玛瑙，近百只瓷猫 枕，三百多个年代不等、大小不一的狮子 。用掉的瓷片不计其数，没有一片现代瓷 ，其中还不乏钧窑、汝窑等五大名窑的瓷 片。 瓷器涵盖了各个历史时期，有晋代青 瓷、唐三彩，宋代钧瓷、龙泉瓷，元明青 花、清代纷彩等各个时代的精品。
材料科学概论
第四章 无机非金属材料
机电学院 刘艳花
青花瓷
本章主要内容
无机非金属材料概论
普通陶瓷材料 结构陶瓷材料
功能陶瓷材料
无机建筑材料
4.1 无机非金属材料概论
什么是无机非金属材料？
金属材料和有机高分子材料以外的固体材 料通称为无机非金属材料。
主要特性：
优点—熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐 腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。 缺点—塑性和韧性低，一般为脆性材料。
陶瓷材料的性能特点
光学性能
陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不 透明的。可以通过烧结方法的改变和控制晶粒的 大小，制备出透明的氧化物陶瓷。 部分陶瓷材料具有透光性、导光性、光反射 等功能，可作为透明材料、红外光学材料、光传 输材料、激光材料等。
4.2 普通陶瓷材料
普通陶瓷材料的生产工艺过程
原料配制
3、复合强化。
陶瓷材料的性能特点
热学性能
熔点 热容 热膨胀
陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高 的熔点。 陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。 陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化 学键决定的。一般为10－5～10－6/K。
陶瓷材料的性能特点
电学性能
陶瓷材料是良好的绝缘体，可用于隔电的绝缘材料； 陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质； 陶瓷材料的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下 工作的器件。
陶瓷材料的物质结构
陶瓷材料的相组成
玻璃相
玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其 结构类似于玻璃。 玻璃相的作用是： 1.将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材 料的致密度； 2.降低烧成温度，加快烧结过程； 3.阻止晶体转变、抑止晶粒长大。 玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利的。