陶瓷材料的结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.1 金属材料的结构与组织
2.1.1 纯金属的晶体结构 1.晶格、晶胞与晶格常数
图2-1 晶格构造模型
2.晶面与晶向
图2-2 立方晶格中的一些晶面
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 图2-5 密排六方晶胞
流态。 ❖ 如图2-16所示。 图中Tb为脆化温度、Tg为玻璃化温度、
Tf为黏流温度、Td为分解温度。
图2-16 线型非晶态高聚物在恒定载荷下的变形-温度曲线
(2)高分子材料的力学性能特点
高聚物的性能由硬脆、强硬、强韧、柔韧而缓慢地发 生变化，其应力应变曲线如图2-17所示。有机玻璃具有这 类典型的变化规律。
总之，实际金属的晶体结构不是理 想完整的，而是存在着各种晶体缺陷， 并且这些缺陷在不断地运动变化着， 金属中的许多重要变化过程，都是依 靠晶体缺陷的运动来进行的，并且金 属的许多性能也都与晶体缺陷密切相 关。
2.1.3 合金的晶体结构
1.合金的基本概念 （1）合金 （2）组元 （3）相
2.固溶体
❖ 微晶玻璃－即玻璃陶瓷，是单个晶体分布 在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料。
❖ 陶瓷（晶体陶瓷）
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。
图2-14 分子链的内旋转示意图
3.高分子材料的聚集态 ❖ 图2-15为聚合物三种聚集态结构示意图。
图2-15 聚合物三种聚集态结构示意图
2.2.2 高分子材料的性能
❖ 1.高分子材料的物理性能和化学性能特点 ❖ (1)绝缘性 ❖ (2)耐热性 ❖ (3)耐蚀性 ❖ (4)老化
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.高分子材料的力学性能 ❖ (1)高聚物的物理、力学状态 ❖ 线型非晶态高聚物的三种力学状态为玻璃态、高弹态和黏
图2-18为高聚物在不同加载速度时的应力应变。高聚 物大都服从这种规律。
图2-17 非晶态高聚物在不同温度时的 图2-18 高聚物在不同加载速度时的
应力-应变曲线
应力-应变曲线
黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同时 达到平衡，如图2-19(a)所示。
应变不仅决定于应力，而且决定于应力作用的速 率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后， 如图2-19(b)所示。
(2)形态 ❖ 大分子链呈现不同的几何形状，主要有线型、支
化型和体型三类，如图2-12所示。 ①线型分子链；②支化型分子链；③体型(网型或 交联型)。
图2-12 大分子链的形态
(3)空间构型 ❖ 图2-13 所示为乙烯聚合物常见的三种空间构型。
图2-13 乙烯聚合物的立体异构
2.大分子链的构象及柔性
图2-19 应力、应变与时间的关系
●蠕变（如图2－20所示）。
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
●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
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
2.实际金属的晶体缺陷 (1)点缺陷 ①空位 ②间隙原子
图2-7 空位和间隙原子示意图
(2)线缺陷 ①刃型位错:刃型位错如图2-8（a）所示。
图2-8 刃型位错示意图
②螺型位错:螺型位错如图2-9所示。
图2-9 螺型位错示意图
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。
图2-23 高聚物的应力-应变曲线
●B点所对应 的屈服应变 较大，比金 属大得多。
●缩颈变形 阶段很长，C 点所对应的 断裂伸长量 较大。
2.3 陶瓷材料的结构与性能
❖ 2.3.1 陶瓷材料的结构 ❖ 按照组织形态陶瓷材料分为三类。 ❖ 无机玻璃－即硅酸盐玻璃
❖ 根据溶质原子在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙 固溶体和置换固溶体两大类。 (1)间隙固溶体 如图2-10(a)所示。 (2)置换固溶体 如图2-10(b)所示。
图2-10 晶格结构模型
2.1.4 金属材料的组织
1.组织的概念 2.组织的决定因素 3.组织与性能的关系 ❖ 不同组织结构的材料具有不同的性能
(3)面缺陷
面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，第三个方向上尺寸很小而呈
面状分布的缺陷。面缺陷主要是指金属中的晶界和亚晶界。
晶界处的主要特征： ●原子排列不规则，因此对金属的塑性变形起着阻碍作用，晶界越多，其作用 越明显。 显然，晶粒越细，晶界总面积就越大，金属的强度和硬度也就越高。 所以在常温下使用的金 属材料，一般总是力求获得细小的晶粒。 ●晶界处原子具有较高的能量，且杂质（往往是一些低熔点的杂质）较多，因 此其熔点较低，有时还未加热到金属的熔点，晶界处就已先熔化了。 ●晶界处原子能量较高而容易满足固态相变所需要的能量起伏，因此新相往往 在旧相晶界处形核。晶粒越细小，晶界越多，新相的形核率就越高。 ●晶界处有较多的空位，因此原子沿晶界的扩散速度较快。 ●晶界处电阻较高，且易被腐蚀。
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
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、杂链大分子和元素链大分子。
图2-24 硅氧四面体结构
(2)氧化物 ❖ 图2-25所示为几种典型氧化物的结构。
2.1.1 纯金属的晶体结构 1.晶格、晶胞与晶格常数
图2-1 晶格构造模型
2.晶面与晶向
图2-2 立方晶格中的一些晶面
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 图2-5 密排六方晶胞
流态。 ❖ 如图2-16所示。 图中Tb为脆化温度、Tg为玻璃化温度、
Tf为黏流温度、Td为分解温度。
图2-16 线型非晶态高聚物在恒定载荷下的变形-温度曲线
(2)高分子材料的力学性能特点
高聚物的性能由硬脆、强硬、强韧、柔韧而缓慢地发 生变化，其应力应变曲线如图2-17所示。有机玻璃具有这 类典型的变化规律。
总之，实际金属的晶体结构不是理 想完整的，而是存在着各种晶体缺陷， 并且这些缺陷在不断地运动变化着， 金属中的许多重要变化过程，都是依 靠晶体缺陷的运动来进行的，并且金 属的许多性能也都与晶体缺陷密切相 关。
2.1.3 合金的晶体结构
1.合金的基本概念 （1）合金 （2）组元 （3）相
2.固溶体
❖ 微晶玻璃－即玻璃陶瓷，是单个晶体分布 在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料。
❖ 陶瓷（晶体陶瓷）
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。
图2-14 分子链的内旋转示意图
3.高分子材料的聚集态 ❖ 图2-15为聚合物三种聚集态结构示意图。
图2-15 聚合物三种聚集态结构示意图
2.2.2 高分子材料的性能
❖ 1.高分子材料的物理性能和化学性能特点 ❖ (1)绝缘性 ❖ (2)耐热性 ❖ (3)耐蚀性 ❖ (4)老化
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.高分子材料的力学性能 ❖ (1)高聚物的物理、力学状态 ❖ 线型非晶态高聚物的三种力学状态为玻璃态、高弹态和黏
图2-18为高聚物在不同加载速度时的应力应变。高聚 物大都服从这种规律。
图2-17 非晶态高聚物在不同温度时的 图2-18 高聚物在不同加载速度时的
应力-应变曲线
应力-应变曲线
黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同时 达到平衡，如图2-19(a)所示。
应变不仅决定于应力，而且决定于应力作用的速 率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后， 如图2-19(b)所示。
(2)形态 ❖ 大分子链呈现不同的几何形状，主要有线型、支
化型和体型三类，如图2-12所示。 ①线型分子链；②支化型分子链；③体型(网型或 交联型)。
图2-12 大分子链的形态
(3)空间构型 ❖ 图2-13 所示为乙烯聚合物常见的三种空间构型。
图2-13 乙烯聚合物的立体异构
2.大分子链的构象及柔性
图2-19 应力、应变与时间的关系
●蠕变（如图2－20所示）。
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
●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
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
2.实际金属的晶体缺陷 (1)点缺陷 ①空位 ②间隙原子
图2-7 空位和间隙原子示意图
(2)线缺陷 ①刃型位错:刃型位错如图2-8（a）所示。
图2-8 刃型位错示意图
②螺型位错:螺型位错如图2-9所示。
图2-9 螺型位错示意图
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。
图2-23 高聚物的应力-应变曲线
●B点所对应 的屈服应变 较大，比金 属大得多。
●缩颈变形 阶段很长，C 点所对应的 断裂伸长量 较大。
2.3 陶瓷材料的结构与性能
❖ 2.3.1 陶瓷材料的结构 ❖ 按照组织形态陶瓷材料分为三类。 ❖ 无机玻璃－即硅酸盐玻璃
❖ 根据溶质原子在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙 固溶体和置换固溶体两大类。 (1)间隙固溶体 如图2-10(a)所示。 (2)置换固溶体 如图2-10(b)所示。
图2-10 晶格结构模型
2.1.4 金属材料的组织
1.组织的概念 2.组织的决定因素 3.组织与性能的关系 ❖ 不同组织结构的材料具有不同的性能
(3)面缺陷
面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，第三个方向上尺寸很小而呈
面状分布的缺陷。面缺陷主要是指金属中的晶界和亚晶界。
晶界处的主要特征： ●原子排列不规则，因此对金属的塑性变形起着阻碍作用，晶界越多，其作用 越明显。 显然，晶粒越细，晶界总面积就越大，金属的强度和硬度也就越高。 所以在常温下使用的金 属材料，一般总是力求获得细小的晶粒。 ●晶界处原子具有较高的能量，且杂质（往往是一些低熔点的杂质）较多，因 此其熔点较低，有时还未加热到金属的熔点，晶界处就已先熔化了。 ●晶界处原子能量较高而容易满足固态相变所需要的能量起伏，因此新相往往 在旧相晶界处形核。晶粒越细小，晶界越多，新相的形核率就越高。 ●晶界处有较多的空位，因此原子沿晶界的扩散速度较快。 ●晶界处电阻较高，且易被腐蚀。
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
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、杂链大分子和元素链大分子。
图2-24 硅氧四面体结构
(2)氧化物 ❖ 图2-25所示为几种典型氧化物的结构。