材料结构与能解答(全)

1、离子键及其形成的离子晶体陶瓷材料的特征。

答：当一个原子放出最外层的一个或几个电子成为正离子，而另一个原子接受这些电子而成为负离子，结果正负离子由于库仑力的作用而相互靠近。靠近到一定程度时两闭合壳层的电子云因发生重叠而产生斥力。这种斥力与吸引力达到平衡的时候就形成了离子键。此时原子的电中性得到维持，每一个原子都达到稳定的满壳层的电子结构，其总能量达到最低，系统处于最稳定状态。因此，离子键是由正负离子间的库仑引力构成。由离子键构成的晶体称为离子晶体。离子晶体一般由电离能较小的金属原子和电子亲和力较大的非金属原子构成。离子晶体的结构与特性由离子尺寸、离子间堆积方式、配位数及离子的极化等因素有关。

离子键、离子晶体及由具有离子键结构的陶瓷的特性有：

A、离子晶体具有较高的配位数，在离子尺寸因素合适的条件下可形成最密排的结构；

B、离子键没有方向性

C、离子键结合强度随电荷的增加而增大，且熔点升高，离子键型陶瓷高强度、高硬度、高熔点；

D、离子晶体中很难产生自由运动的电子，低温下的电导率低，绝缘性能优良；

E、在熔融状态或液态，阳离子、阴离子在电场的作用下可以运动，故高温下具有良好的离子导电性。

F、吸收红外波、透过可见波长的光，即可制得透明陶瓷。

2、共价键及其形成的陶瓷材料具有的特征。

答：当两个或多个原子共享其公有电子，各自达到稳定的、满壳层的状态时就形成共价键。

由于共价电子的共享，原子形成共价键的数目就受到了电子结构的限制，因此共价键具有饱和性。由于共价键的方向性，使共价晶体不密堆排列。这对陶瓷的性能有很大影响，特别是密度和热膨胀性，典型的共价键陶瓷的热膨胀系数相当低，由于个别原子的热膨胀量被结构中的自由空间消化掉了。

共价键及共价晶体具有以下特点：

A、共价键具有高的方向性和饱和性；

B、共价键为xx排结构；

C、典型的共价键晶体具有高强度、高硬度、高熔点的特性。

D、具有较低的热膨胀系数；

E、共价键由具有相似电负性的原子所形成。

3、层状结构材料的各向异性。

答：层状结构中范德华力起着重要的作用，陶瓷的层状结构间有较强的若键存在使得层与层之间连接在一起。蒙脱石和石墨的结构层内键合类型不同于层间键合类型，因此材料显示出较高的各向异性。所有的这些层状结构的层与层之间很容易滑移，粘土矿物中的这种层状结构使它在有水的情况下容易发生塑性变形。

4、影响陶瓷材料密度的因素。

答：密度是指单位体积的质量，陶瓷材料的密度有四种表示方式，分别是：结晶学密度、理论密度、体积密度、相对密度。前三种在制作过程中没有形成气孔，在结构内的原子间只有间隙。陶瓷材料的密度主要取决于元素的尺寸，元素的质量和结构堆积的紧密程度。相对原子质量大的元素构成的陶瓷材料显示出较高的密度，如碳化钨、氧化铪等。金属键合和离子键合陶瓷中的原子形成紧密堆积，会使其密度比共价键键合陶瓷（较开放的结构）的密度更奥一些，如锆石英。

5、硬度所反映的材料的能力；静载荷压入法测定硬度的原理。答：硬度代表材料抵抗硬的物体压陷表面或破坏的能力。静载荷压入法测定硬度的基本原理：将一硬的物体在静载荷的作用下压入被测物体的表面，以凹面单位面积的载荷表示被测物体的硬度。分为：布氏硬度、维式硬度和洛氏硬度三种。

6、影响陶瓷材料硬度的因素。

答：大多数陶瓷具有较高的硬度，但有部分陶瓷的硬度较低，这主要取决于化学键及其内部结构。虽然硬度在一定程度上可以反映材料的耐磨损性，但是有些耐磨损性很好的陶瓷硬度也不是很大。所以硬度测试不能代替耐磨损性测试来衡量材料的耐磨损性。陶瓷、矿物、晶体的硬度主要取决于结合建类型、晶体结构和化学组成。离子半径越小，离子电价越高、配位数越大、结合能越大，抵抗外力摩擦、刻划及压入的能力也就越强，所以硬度就较大.此外，陶瓷材料的微观结构、裂纹、杂质等都对硬度有影响。温度对陶瓷的硬度也有影响，一般温度升高，硬度下降。

7、影响固体材料的熔点的主要因素。

答：固体材料的熔点主要取决于内部质点间结合力的大小，即晶体中化学键的类型和它的强弱程度。结合力越大，破坏质点间的联系所需的能量就越大，熔点就越高；反之，则熔点就越低。从微观上讲，融化过程是一个很复杂的过程，影响材料熔点的因素不是单一的，还和晶体结构的类型、配位状况、离子半径的大小、极化作用等许多因素有关。

8、结构陶瓷材料的力学性能特征。

答：与金属材料和有机材料不同，陶瓷材料具有弹性模量高、抗压强度和高温强度高、高温蠕变小等力学性能，同时其断裂韧性又比较低，表现出脆性断裂。

材料的弹性模量的工程意义；影响陶瓷材料的弹性模量的因素。

答：材料的弹性模量的工程意义：弹性模量在工程上反映了材料刚度大小，在微观上反映原子的键合强度。键合越强，则使原子间隙加大所需的应力越大，弹性模量就越高。因此弹性模量与陶瓷的键合类型有关，通常具有共价键的陶瓷其价键强，E值也高。

影响陶瓷材料的弹性模量的因素：若陶瓷材料的结合键在不同方向上有所不同，其E也不同；气孔率会影响陶瓷弹性模量，其影响总是使弹性模量降低；温度对材料的弹性模量也有影响，通常温度升高，弹性模量E稍微降低。

10、陶瓷材料的实际强度与理论强度。

答：陶瓷材料的强度，若根据原子键断裂来计算可得到理论强度；若将材料内部和表面的各种缺陷，如裂纹、气孔或夹杂物都考虑进去，则为实际强度。材料的刚性（弹性模量）越大，表面能越大，原子间距越小，即结合得越紧密，理论强度越大。但由于材料中存在着制造缺陷和结构缺陷，如气孔夹杂物、裂纹、团聚等，从而导致应力集中，使材料在远低于理论强度的载荷下发生断裂。

11、四点弯曲试验、三点弯曲试验、单轴向拉伸试验测定的强度值特点。

答：四点弯曲试件的最大应力是在两个加载点之间的整个拉伸表面内，拉伸应力从加载点至底部支点降为零。三点弯曲强度测试的最大应力位于试件加载点对面的表面中线上，应力沿着试件两端呈线性下降，在试件底部支点处应力降为零。拉伸强度实验在测量断面的整个体积内都处于最高应力状态，从而试件内缺陷都处于高应力下，因此对于给定的陶瓷材料，四点弯曲实验得出的强度值比三点弯曲实验得出的数值要低一些，单轴向拉伸顺眼得出的强度值低于弯曲强度值。

12、加载速率对陶瓷材料强度测定值的影响。

答：陶瓷的强度随加载速率的增加而增加。从某种程度上讲，可以将强度随加载速率变化看作是缺陷对强度的影响，随加载速率而变化。加载速率越大，缺陷对强度的影响越小。对于相同的试样和相同的尺寸的裂纹，高速载荷下的强度测试值要比慢速载荷下的强度高的多，因为在慢速载荷上裂纹有足够的时间扩展。

13、单边切口梁法和压痕法测定材料断裂韧性的优缺点。

答：单边切口梁法定义：在矩形截面的长柱状陶瓷部件中部开一个很小的切口作为预置裂纹，切口宽度最好不大于0.25mm，切口深度约为试件的

0.4~0.5倍，采用三点或四点弯曲对试样加载直至断裂。

主要优点是：

①试样加工比较简单，采用矩形长试样[2mmx4mmx(36~40mm)],中间用金刚石圆形刀开一狭窄的切口（切口宽《0.25mm，深度为0.4~0.5W)；