第9章陶瓷材料

第九章陶瓷材料

9.1陶瓷材料概論9.2陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)

9.2.1離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則

9.2.2陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)9.3陶瓷的晶體缺陷

9.3.1點(diǎn)缺陷

9.3.2位錯(cuò)

9.4陶瓷材料的相圖

9.4.1SiO2-Al2O3相圖

9.4.2CaO-SiO2-Al2O3三元相圖9.5陶瓷材料的變形

9.5.1陶瓷晶體的塑性變形

9.5.2非晶體陶瓷的變形

9.5.3陶瓷增韌陶瓷是由粉狀原料成型后在高溫作用下硬化而形成的制品，是多晶、多相（晶相、玻璃相、和氣相）的聚集體。它是一種無機(jī)非金屬材料，種類繁多，在生活上，在工業(yè)上應(yīng)用都非常廣泛。它具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高硬度、多功能等多種優(yōu)異性能。傳統(tǒng)上陶瓷是陶器與瓷器的總稱。后來發(fā)展到泛指整個(gè)硅酸鹽材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。在工業(yè)上，為適應(yīng)航天、能源、電子等新技術(shù)的要求，在傳統(tǒng)陶瓷的基礎(chǔ)上，用無機(jī)非金屬物質(zhì)為原料，經(jīng)過粉碎、配制、成型和高溫?zé)Y(jié)制得大量新型無機(jī)材料，如功能陶瓷、特種玻璃、特種涂層等。9.1陶瓷材料概論材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.2陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)陶瓷的典型組織結(jié)構(gòu)由晶體相、玻璃相和氣相組成，其中晶體相是組成陶瓷的基本相，也稱主晶相。它往往決定著陶瓷的力學(xué)、物理、化學(xué)性能。陶瓷和金屬類似，具有晶體結(jié)構(gòu)，但與金屬不同的是其結(jié)構(gòu)中并沒有大量的自由電子。這是因?yàn)樘沾墒且噪x子鍵或共價(jià)鍵為主的離子晶體（如MgO,Al2O3等）或共價(jià)晶體（SiC,Si3N4等）。氧化物結(jié)構(gòu)和硅酸鹽結(jié)構(gòu)是陶瓷晶體中最重要的兩類結(jié)構(gòu)。它們的共同特點(diǎn)是：1、結(jié)合鍵主要是離子鍵，或含有一定比例的共價(jià)鍵。2、有確定的成分，可以用準(zhǔn)確的分子式表示。3、具有典型的非金屬性質(zhì)等。材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.2.1離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則1、負(fù)離子配位多面體規(guī)則（Pauling第一規(guī)則）2、電價(jià)規(guī)則（Pauling第二規(guī)則）3、負(fù)離子配位多面體共用頂、棱和面的規(guī)則（Pauling第三規(guī)則）4、不同種類正離子配位多面體間連接規(guī)則（Pauling第四規(guī)則）5、節(jié)約規(guī)則（Pauling第五規(guī)則）材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.2.2典型的陶瓷晶體結(jié)構(gòu)離子晶體按其化學(xué)組成分為二元化合物和多元化合物。其中二元化合物中介紹AB型，AB2型和A2B3型化合物；多元化合物中主要討論ABO3型和AB2O4型。1.AB型化合物結(jié)構(gòu)1）、CsCl結(jié)構(gòu)2)、NaCl結(jié)構(gòu)3)、立方ZnS結(jié)構(gòu)4)、六方ZnS結(jié)構(gòu)材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章CsCl結(jié)構(gòu)六方ZnS結(jié)構(gòu)NaCl結(jié)構(gòu)立方ZnS結(jié)構(gòu)材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章2、AB2型化合物結(jié)構(gòu)

1)、螢石（CaF2）結(jié)構(gòu)螢石結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，具有面心立方點(diǎn)陣，其中正離子（Ca+）處在立方體的頂角和各面心位置，構(gòu)成面心立方結(jié)構(gòu)，負(fù)離子（F―）占據(jù)所有的四面體間隙，構(gòu)成了[FCa4]四面體見圖2-7（c），配位數(shù)為4。若F―作簡單立方堆積，Ca+填于半數(shù)的立方體間隙中，則構(gòu)成[CaF8]立方體，故Ca+的配位數(shù)為8，立方體之間共棱連接。

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章2)、TiO2（金紅石）結(jié)構(gòu)材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章3)、β–方石英（方晶石結(jié)構(gòu)）

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章1.

鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)（CaTiO3）材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章方解石（CaCO3）型結(jié)構(gòu)

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章尖晶石（MgAl2O4）結(jié)構(gòu)

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章3、硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)硅酸鹽晶體是構(gòu)成地殼的主要礦物，是一種豐產(chǎn)、廉價(jià)的陶瓷材料。例如普通水泥就是人們最熟悉的硅酸鹽。硅酸鹽的成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多樣。硅酸鹽的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，一部分是由硅和氧按不同比例組成的各種負(fù)離子團(tuán)，稱為硅氧骨干，這是硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元，另外兩部分為硅氧骨干以外的正離子和負(fù)離子。材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)可歸納如下：1、硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元是[SiO4]4–四面體，硅原子位于氧原子四面體的間隙中2、按電價(jià)規(guī)則，每個(gè)O2-最多只能為兩個(gè)[SiO4]4–所共有。3、按鮑林第三規(guī)則，[SiO4]4–四面體中未飽和的氧離子和金屬正離子結(jié)合后，可以相互獨(dú)立地在結(jié)構(gòu)中存在，或者可以通過共用四面體頂點(diǎn)彼此連接成單鏈、雙鏈或成層狀、網(wǎng)狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但不能共棱和共面連接，且同一類型硅酸鹽中，[SiO4]4–四面體間的連接方式一般只有一種。4、[SiO4]4–四面體中的Si—O—Si結(jié)合鍵通常并不是一條直線，而是呈鍵角為145°的折線。材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.3陶瓷的晶體缺陷

與金屬等材料一樣,晶態(tài)陶瓷也存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷，包括點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷等。分析陶瓷中缺陷的類型及其對材料物理性能的影響，從而通過改善工藝條件來控制晶體缺陷以得到所要求的晶體質(zhì)量，以及人為地在陶瓷材料中引入某種類型的缺陷，從而改進(jìn)陶瓷的物理性能。這兩者是研究陶瓷材料晶體缺陷的重要方面。3.1點(diǎn)缺陷

陶瓷材料中的點(diǎn)缺陷比較重要，因?yàn)樘沾刹牧嫌邢喈?dāng)一部分不是像金屬材料那樣只包含很少種類的元素及采取密堆積形式組成晶體。陶瓷的結(jié)構(gòu)空隙一般較大，可能含有一定量的原子（離子）缺位。此外，陶瓷晶體中多含有各種雜質(zhì)，分布可能不均勻，個(gè)體情況比較復(fù)雜。因此，點(diǎn)缺陷對陶瓷材料的微結(jié)構(gòu)以及物理性質(zhì)會產(chǎn)生較大的影響。點(diǎn)缺陷主要指空位和間隙原子。材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.3.2位錯(cuò)

陶瓷晶體和金屬晶體一樣含有位錯(cuò)。位錯(cuò)來自于晶體生長和受外力時(shí)的晶體變形。上世紀(jì)50年代就觀察到SiC晶體生長的蜷線，這和螺位錯(cuò)的存在有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)觀察陶瓷晶體，如MgO，Al2O3，ZrO2，SiC等都包含位錯(cuò)。與金屬相比，陶瓷晶體中固有的位錯(cuò)特別是可動(dòng)位錯(cuò)很少，另外，金屬在變形時(shí)可大量增殖位錯(cuò)，而陶瓷晶體由于是以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，因此滑移系少，且位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的柏氏矢量大。這些都導(dǎo)致了陶瓷變形困難材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.4陶瓷材料的相圖

9.4.1SiO2—Al2O3相圖

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.4.2CaO–SiO2–Al2O3

三元相圖

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.5陶瓷材料的變形

陶瓷材料具有強(qiáng)度高、重量輕、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料，特別是高溫結(jié)構(gòu)材料極具潛力，但由于陶瓷材料的塑性、韌性差，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。本章主要討論陶瓷材料變形的特點(diǎn)。材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.5.1陶瓷晶體的塑性變形

1、陶瓷晶體難以變形

2、陶瓷的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度約高一個(gè)數(shù)量級。

3、陶瓷晶體的理論屈服強(qiáng)度很高，約為E/30，但實(shí)際斷裂強(qiáng)度卻很低，兩者相差1~3個(gè)數(shù)量級。

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章9.5.2非晶體陶瓷的變形

非晶體陶瓷與晶體陶瓷不同，在玻璃化溫度Tg以下，會產(chǎn)生彈性變形，在Tg以上，材料的變形類似液體發(fā)生粘滯性流動(dòng)。

材料科學(xué)基礎(chǔ)第九章