1、 第二章 結構陶瓷材料的結構與性能決定陶瓷性能的結構因素決定陶瓷性能的結構因素 陶瓷的構成因素陶瓷的構成因素(組成組成)微觀結構微觀結構(原子離子級別原子離子級別)原子的種類，原子的種類，原子的金屬性原子的金屬性和非金屬性，和非金屬性，化學結合的方化學結合的方式，結晶結構式，結晶結構元素顯微結構顯微結構(晶粒、晶界級別晶粒、晶界級別)多晶體多晶體晶粒直徑晶粒直徑氣孔量氣孔量(晶界、晶晶界、晶粒內粒內)晶界晶界(分凝、析出分凝、析出相相)缺陷缺陷(裂紋、位錯裂紋、位錯)表面狀態表面狀態(傷痕等傷痕等)晶格的各向異晶格的各向異性和取向性和取向機械性質機械性質電學性質電學性質熱學性質熱學性質化學性質

2、化學性質硬度、強度、比重、硬度、強度、比重、彈性率、斷裂韌性彈性率、斷裂韌性電阻、熱釋電性、介電阻、熱釋電性、介電常數、壓電性、電電常數、壓電性、電光效應、離子導電性光效應、離子導電性、絕緣破壞強度、絕緣破壞強度熔點、比熱、熱導熔點、比熱、熱導率、熱膨脹系數率、熱膨脹系數耐酸、堿、電化學耐酸、堿、電化學腐蝕，與金屬的親腐蝕，與金屬的親合性合性陶陶瓷瓷的的性性質質 陶瓷的陶瓷的微觀結構微觀結構是指晶體結構類型、對稱性、晶是指晶體結構類型、對稱性、晶格常數、原子排列情況及晶格缺陷等，其研究分格常數、原子排列情況及晶格缺陷等，其研究分析手段有析手段有X射線衍射、電子衍射、場離子顯微鏡射線衍射、電子衍

3、射、場離子顯微鏡等。研究微觀結構時需將樣品放大數百萬倍，分等。研究微觀結構時需將樣品放大數百萬倍，分析精度可達數埃。析精度可達數埃。第一節：陶瓷的微觀結構一、固體材料的分類和宏觀特征一、固體材料的分類和宏觀特征1、固體的分類、固體的分類固體晶體(crystal)單晶體多晶體無定型固體( amorphous solid )2、晶體的特征、晶體的特征(1) 具有規則的幾何外形晶面角守恒定律(2) 有固定的熔點(3) 各向異性(4) 晶體內部粒子的周期性排列及其理想的外形都具有特定的對稱性對稱性3、多晶材核晶、結晶成長、某些晶受到鄰近相鄰的晶的阻礙 二、物質的結構： 原子外層的電子結構 原子的空間組

4、合（晶體結構）、成鍵方式和晶體缺陷決定了材料的物理性能三、原子結合和化學鍵 1、原子和分子結合 原子核和電子間的靜電交換作用。 吸引作用：異性電荷間庫侖力 泡里原則吸引力 排斥作用：同性電荷間庫侖力 泡里原則排斥力 2、結合力 結合能晶體的能量比粒子處于自由狀態時的能量總和。 晶體分離成自由原子所需要的能量3、陶瓷晶體結合的基本類型 化學鍵類型是決定材料性能的主要依據 陶瓷晶體結合的基本類型1、離子鍵使陰、陽離子結合成化合物的靜電作用，叫做離子鍵除了靜電相互吸引的作用外，還有電子與電子，原子核與原子核之間的相互排斥作用，當兩種離子接近到一定距離時，吸引與排斥作用達到平衡，于是陰、陽離子之間就形

5、成了穩定的化合物。強庫侖力作用結構穩定，熔點較高，硬度較大，導電性能差2、共價鍵原子之間通過共用電子對所形成的相互原子之間通過共用電子對所形成的相互作用，叫做共價鍵。作用，叫做共價鍵。 電子自旋平行： 原子相互排斥 電子自旋反平行：原子強烈相互吸引方向 飽和性：未配對電子 方向性：電子云密度最大方向成鍵 結合力很強，高硬度、高熔點、導電性能差；脆性，不能明顯彎曲電負性增大，離子鍵比率增加電負性增大，離子鍵比率增加陶瓷材料中或主要以離子鍵、共價鍵為主，或是陶瓷材料中或主要以離子鍵、共價鍵為主，或是兩種結合類型的綜合或是處于兩種之間的過渡兩種結合類型的綜合或是處于兩種之間的過渡 3、電負性：原子束

6、縛電子的能力四、四、陶瓷的絕大部分為晶體材料。晶體是由原子或分子周期性排列組成。最穩定的晶體結構要求原子堆積最緊密，并同時滿足每個原子價鍵、原子大小和價鍵方向等要求。CINa+立方晶系，立方晶系，a0.563nm，Z4化學式為：化學式為： C晶體結構為：晶體結構為：立方晶系，立方晶系，a0.356nm空間格子：空間格子： C原子組成立方面心格子原子組成立方面心格子晶體結構：晶體結構：六方晶系（六方晶系（2H），）， a 0.146nm ， c0.670nm 三方晶系（三方晶系（3R）3 化學式：化學式： C 晶體化學：晶體化學：Cs Cl 晶體結構晶體結構：立方晶系，：立方晶系，a0.411n

7、m Z1 空間格子：空間格子：Cs Cl是原始格子是原始格子Cl離子離子Cs離子離子晶體結構晶體結構：立方晶系，：立方晶系，a0.540nm；Z4空間格子：空間格子：立方面心格子，立方面心格子，S2離子呈立方最緊密堆積，位于離子呈立方最緊密堆積，位于 立方面心的立方面心的 結點位置，結點位置，Zn2離子交錯地分布于離子交錯地分布于1/8 小立方體的中心，即小立方體的中心，即1/2 的四面體空隙中。的四面體空隙中。 化化 學學 式：式：ZnS化學式：化學式： ZnS晶體結構：晶體結構： 六方晶系；六方晶系； a0.382nm；c0.625nm；Z2晶體結構晶體結構：立方晶系，：立方晶系，a0.5

8、45nm，Z4化學式：化學式： CaF2 晶體結構：晶體結構：其結構與螢石完全相同，只是陰陽離子的位置完其結構與螢石完全相同，只是陰陽離子的位置完全互換，全互換， 即陽離子占據的是即陽離子占據的是F的位置，陰離子的位置，陰離子占據的是占據的是Ca2 的位置的位置化學式：化學式： TiO2晶體結構：晶體結構： 四方晶系，四方晶系，a0.459nm；c0.296nm；Z2格子類型：格子類型：四方原始格子。四方原始格子。Ti4位于結點位置，體心的屬另一位于結點位置，體心的屬另一 套格子。套格子。O2處在一些特殊位置上，處在一些特殊位置上，質點坐標：質點坐標：Ti4 ：000；1/2 1/2 1/2；

9、 O2 : uu0; (1-u)(1-u)0; (1/2+u)(1/2-u)1/2; (1/2-u)(1/2+u)1/2 10 化學式：化學式： CdI2晶體結構：晶體結構：三方晶系三方晶系 a0.424nm；c0.684nm； Z1空間格子：空間格子：Cd2離子占有六方原始格子的結點位置，離子占有六方原始格子的結點位置，I離子離子 交叉分布于三個交叉分布于三個Cd2離子三角形中心的上下方；離子三角形中心的上下方； 相當于兩層相當于兩層I離子中間夾離子中間夾 一層一層Cd2離子，構成離子，構成 復合層。復合層。配位數：配位數： CN6；CN3鍵性：鍵性： 復合層于復合層之間為范德華力，呈層狀結

10、構層復合層于復合層之間為范德華力，呈層狀結構層 內內CdI為具有離子鍵的共價鍵，鍵力較強。為具有離子鍵的共價鍵，鍵力較強。化學式：化學式： Al2O3晶體結構：晶體結構：三方晶系；三方晶系；a0.514nm，5517；Z6 （菱面體晶胞）（菱面體晶胞）空間格子：空間格子：O2離子按六方密堆積的方式排列，形成離子按六方密堆積的方式排列，形成ABAB重復的規律，重復的規律， Al3離子充填于離子充填于2/3的八面體空隙的八面體空隙，其分布具一定的規律，即離子之間的距離保持最遠。，其分布具一定的規律，即離子之間的距離保持最遠。 鈣鈦礦結構的通式為鈣鈦礦結構的通式為ABO3 ,以以CaTiO3為例討論

11、其結構為例討論其結構: Ca2+O2-Ti 4+ CaTiO3的結構可看的結構可看成有和半徑較大的成有和半徑較大的離子共同組成立方離子共同組成立方面心格子面心格子緊密堆積，離子充緊密堆積，離子充填于填于1/4的八面體空的八面體空隙中。隙中。其其Z=4化學式：化學式： CaCO3晶體結構：晶體結構： 三方晶系；三方晶系；Z4空間格子空間格子：CO32按近似于按近似于立方密堆積立方密堆積的形式排列，的形式排列，變變 形形后，形成菱形面心格子。后，形成菱形面心格子。 14 化學式：化學式： 通式通式AB2O3 ；MgAl2O4晶體結構：晶體結構： 立方晶系，立方晶系，a0.808nm，Z8空間格子：

12、空間格子： O2-是按立方密堆積的形式排列。二價離子是按立方密堆積的形式排列。二價離子A充充 填填1/8 四面體空隙，三價離子四面體空隙，三價離子B充填于充填于1/2八面八面 體空隙（正尖晶石結構）。體空隙（正尖晶石結構）。多面體多面體： MgO4、AlO6八面體之間是共棱相連，八面體之間是共棱相連， 八面體與四面體之間是共頂相連。八面體與四面體之間是共頂相連。 15 反尖晶石結構：反尖晶石結構： 結構中二價陽離子與三價陽離子充填的空隙結構中二價陽離子與三價陽離子充填的空隙 類型相反，即形成了反尖晶石結構。可用類型相反，即形成了反尖晶石結構。可用晶晶 體場理論體場理論來解釋。來解釋。第二節 顯

13、微結構 一、一、顯觀結構顯觀結構陶瓷的陶瓷的顯微結構顯微結構是指在光學顯微鏡（如金相顯微是指在光學顯微鏡（如金相顯微鏡、體式顯微鏡等）或是電子顯微鏡（鏡、體式顯微鏡等）或是電子顯微鏡（SEM、TEM）下觀察到的陶瓷內部的組織結構，也就）下觀察到的陶瓷內部的組織結構，也就是陶瓷的各種組成（晶相、玻璃相、氣相）的形是陶瓷的各種組成（晶相、玻璃相、氣相）的形狀、大小、種類、數量、分布及晶界狀態、寬度狀、大小、種類、數量、分布及晶界狀態、寬度等。研究陶瓷的顯微結構時往往將樣品放大數百等。研究陶瓷的顯微結構時往往將樣品放大數百倍到數千倍，觀察范圍為微米數量級倍到數千倍，觀察范圍為微米數量級。 二、陶瓷材

14、料的顯維結構 顯維結構：在光學和電子顯微鏡下分辨出的試樣中所含有相的種類及各相的數量、性狀、大小、分布取向和它們相互之間的關系。 晶粒的取向；晶粒大小；晶相和玻璃相的存在與分布；氣孔的尺寸、行狀與分布；各種雜質、缺陷和微裂紋的形式和分布1、晶粒 晶相是陶瓷的基本組成，晶相的性能往往表征材料的特性。 多組元陶瓷體系中的晶相往往不一定是都是構成體系組元的對應晶相，特別要注意化合物相的存在與性質 晶粒的形狀與尺寸： 均勻晶粒顯維結構 熱膨脹或收縮時，大晶粒尺寸變化大，易在晶界處應力集中，萌發微裂紋。 成分、原材料顆粒大小、晶型與性狀以及工藝制備方法 狹粒級原料、合適的第二相、均勻成形 晶粒的取向 性

15、能各項異性 熱鍛或熱壓燒結工藝 低共熔固化 型板晶粒生長燒結工藝2、晶界凡結構相同而取向不同的晶體相互接觸，其接觸界面稱為晶界。 晶粒小于2微米的陶瓷中，晶界的體積占一半以上。晶界厚度較大，一般有幾個原子層到幾百個原子層。一般可分為失配層和空間電荷層。 不規則過渡排列狀態，晶界結構較疏松，有局部晶格畸變，原子能量比晶粒內部高，勢能高且不規則，晶界上存在位錯、空位等晶格缺陷和晶格畸變，常為雜質聚集場所，易形成微觀界面應力。雜質在陶瓷晶界的分布雜質在陶瓷晶界的分布 （1）晶界偏析與雜質聚集 晶界結構比晶內松散，具有一定的表面效應，溶質原子處在晶內的能量比處在晶界的能量要高，所以溶質原子有自發向晶界

16、偏聚的的趨勢，這就會發生晶界偏析。 晶界擴散 沿多晶體晶粒界面發生的原子遷移過程。晶界處的原子排列不規則，原子密度較低，因而晶界擴散速度通常比晶粒內擴散要快，晶界構成擴散“短程通道” 。 陶瓷制備過程中的固相反應與燒結、晶粒生長、陶瓷的離子導電性能及老化過程 （2）晶界勢壘和空間電荷 大量電荷為晶界區所俘獲，形成高勢壘（電容） 晶界勢壘高度與陶瓷的晶格缺陷、雜質的種類與數量、氣氛及燒成制度有關。（3）位錯匯集和應力集中 物理性能差異 通常，晶界處結構混亂，自由空間大，常呈黏彈性性質，低強度、低電導、低熱導。（4）晶界工程 晶界工程：通過控制晶界組成、結構和相態等來制造新型無機材料 通過晶界相與

17、晶粒作用，使晶界消失；提高晶界玻璃相的黏度；晶界晶化提高高溫強度 利用晶界偏析抑止晶粒長大，制備細致微晶結構，常用于制備透明陶瓷 利用晶界偏析，形成合適的偏析層。增強晶粒間結合力，有效阻止外力導致的裂紋擴展；微晶化，提高單位體積內的晶界面積，從而使單位面積的晶界應力減小 利用晶界擴散制備晶界層陶瓷電容器。 利用晶界勢壘制備敏感功能陶瓷。3、玻璃相 陶瓷原料中部分組成及其他雜質或添加物在燒成過程中形成的非晶態物質。 分別在晶相周圍形成連續相，其結構是由離子多面體短程有序而長程無序所構成的三維網絡結構。玻璃相的作用：玻璃相的作用： a粘結的作用，填充晶粒的間隙把晶粒粘在一起使陶瓷密化粘結的作用，填

18、充晶粒的間隙把晶粒粘在一起使陶瓷密化 b降低燒結溫度促進燒結的作用蒸發一凝聚擴散機理降低燒結溫度促進燒結的作用蒸發一凝聚擴散機理 c阻止或延緩晶型轉變抑制二次晶粒長大阻止或延緩晶型轉變抑制二次晶粒長大玻璃相的缺點：玻璃相的缺點：結構疏松，強度較晶相低，膨脹系數較大，高溫下容易軟化。結構疏松，強度較晶相低，膨脹系數較大，高溫下容易軟化。Na+，K+等金屬離子作為網絡的變性劑易進入玻璃網絡，在外電等金屬離子作為網絡的變性劑易進入玻璃網絡，在外電場作用下易遷移故電導產生松馳場作用下易遷移故電導產生松馳極化使介質損耗（極化使介質損耗（tg&）增增加。加。一般控制在一般控制在1535。 4、氣相

19、：、氣相： 形成：燒結過程氣孔排除，材料致密化的過程，坯體中的空氣形成：燒結過程氣孔排除，材料致密化的過程，坯體中的空氣水汽粒合劑和易揮發物形成的氣體，化合物分解的氣體等在燒水汽粒合劑和易揮發物形成的氣體，化合物分解的氣體等在燒結過程中大部分沿陶瓷晶界擴散排除，然而總有少部分特別是結過程中大部分沿陶瓷晶界擴散排除，然而總有少部分特別是裹在晶粒中的氣體不能排除，它們以裹在晶粒中的氣體不能排除，它們以O2，H2，N2，CO2，H2O等形成式停留在材料中而形成氣相。等形成式停留在材料中而形成氣相。氣孔的含量、氣孔的分布及氣孔的性狀氣孔的含量、氣孔的分布及氣孔的性狀降低陶瓷密度，對電學、熱學、光學和機

20、械強度都有影響。降低陶瓷密度，對電學、熱學、光學和機械強度都有影響。抗熱震性能好，低熱導率抗熱震性能好，低熱導率氣孔率氣孔率510以下以下第三節第三節 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能 陶瓷材料的化學鍵大都為離子鍵和共價鍵，陶瓷材料的化學鍵大都為離子鍵和共價鍵，鍵合牢固并有明顯的方向性，同一般的金屬相比，鍵合牢固并有明顯的方向性，同一般的金屬相比，其晶體結構復雜而表面能小，因此，它的強度、其晶體結構復雜而表面能小，因此，它的強度、硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性及耐熱性比金硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性及耐熱性比金屬優越，但塑性、韌性、可加工性、抗熱震性及屬優越，但塑性、韌性、可加工性、抗熱震性及使

21、用可靠性卻不如金屬。使用可靠性卻不如金屬。 因此了解陶瓷的性能特點及其控制因素，不因此了解陶瓷的性能特點及其控制因素，不論是對研究開發，還是使用、設計都是十分重要論是對研究開發，還是使用、設計都是十分重要的。的。 1 1、陶瓷材料的彈性模量、陶瓷材料的彈性模量 陶瓷材料為脆性材料，在室溫下承載時幾陶瓷材料為脆性材料，在室溫下承載時幾乎不能產生塑性變形，而在彈性變形范圍內就乎不能產生塑性變形，而在彈性變形范圍內就產生斷裂破壞，產生斷裂破壞，因此因此，其彈性性質就顯得尤為，其彈性性質就顯得尤為重要。與其他固體材料一樣，陶瓷的彈性變形重要。與其他固體材料一樣，陶瓷的彈性變形可用虎克定律來描述。可用虎

22、克定律來描述。一、力學性能彈性模量：彈性變形范圍內，應力與應變的比值。彈性模量：彈性變形范圍內，應力與應變的比值。陶瓷的彈性變形實際上是外力的作用下原子間陶瓷的彈性變形實際上是外力的作用下原子間距由平衡位產生了很小位移的結果。這個原子距由平衡位產生了很小位移的結果。這個原子間微小的位移所允許的臨界值很小，超過此值，間微小的位移所允許的臨界值很小，超過此值，就會產生鍵的斷裂（就會產生鍵的斷裂（室溫下的陶瓷室溫下的陶瓷）或產生原）或產生原子面滑移塑性變形（子面滑移塑性變形（高溫下的陶瓷高溫下的陶瓷）。）。彈性模量反映的是原子間距的微小變化所需外彈性模量反映的是原子間距的微小變化所需外力的大小。彈性

23、模量的重要因素是原子間結合力的大小。彈性模量的重要因素是原子間結合力，即化學鍵。力，即化學鍵。（2） 彈性模量的影響因素 A 溫度對彈性的影響溫度對彈性的影響 B 彈性模量與熔點的關系彈性模量與熔點的關系 C 彈性模量與材料致密度的關系彈性模量與材料致密度的關系 A 溫度對彈性的影響 由于原子間距及結合力隨溫度的變化而變化，所以彈性模量對溫度變化很敏感。當溫度升高時，原子間距增大，由d0變為dt而dt處曲線的斜率變緩,即彈性模量降低。溫度對彈性模量的影響 因此，固體的彈性模量一般均隨溫度的升高而降低。一般來說，熱膨脹系數小的物質，往往具有較高的彈性模量。 B 彈性模量與熔點的關系 物質熔點的高

24、低反映其原子間結合力的大小，一般來說，彈性模量與熔點成正比例成正比例關系。例如，在300K下，彈性模量E與熔點Tm之間滿足如下關系 式中，Va為原子體積或分子體積。amVkTE100彈性模量與kTm/Va之間的關系氧化物氮化物硼化物碳化物。C 彈性模量與材料致密度的關系 陶瓷材料的致密度對彈性模量影響很大，彈性模量E與氣孔率p之間滿足下面關系式 式中，E0為氣孔率為0時的彈性模量，f1及f2為由氣孔形狀決定的常數。Mackenzie求出當氣孔為球形時，f11.9，f20.9。)1 (2210pfpfEE Frost Frost指出，彈性模量與氣孔率之間符合指數指出，彈性模量與氣孔率之間符合指數

25、關系關系 式中，式中，B為常數。為常數。 總之總之，隨著氣孔率的增加，陶瓷的彈性模量，隨著氣孔率的增加，陶瓷的彈性模量急劇下降。急劇下降。)exp(0BpEEAl2O3陶瓷的彈性模量隨氣孔率的變化(D) 復合材料的彈性模量 復合材料的彈性模量隨各組元的含量不同而改變。在二元系統中，總的彈性模量可以用混合定律來描述。三明治結構復合材料示意圖VoigtVoigt模型假定兩相應變相同即平行層面拉模型假定兩相應變相同即平行層面拉伸時，復合材料的模量為：伸時，復合材料的模量為： 式中，式中，22為模量為為模量為E2E2的相的體積分數，的相的體積分數，E1E1為另一相的模量。對其他的模量（為另一相的模量。

26、對其他的模量（G G，K K），也可），也可以寫出類似的關系式。在這種情況下，大部分作以寫出類似的關系式。在這種情況下，大部分作用應力由高模量相承擔。用應力由高模量相承擔。2211EEELReussReuss模型假定各相的應力相同，即垂模型假定各相的應力相同，即垂于層面拉伸時，給出復合材料模量于層面拉伸時，給出復合材料模量 E ET T 的表達式的表達式 對其他模量同樣也可以寫出類似的關系對其他模量同樣也可以寫出類似的關系式。符號式。符號E EL L和和E ET T分別表示復合材料彈性模量的上分別表示復合材料彈性模量的上限和下限值。限和下限值。122121EEEEET復合材料彈性模量計算值與試

27、驗值的對比 實際上用混合定律是不能準確描述復合材實際上用混合定律是不能準確描述復合材料的彈性模量的。其原因在于，等應力與等應料的彈性模量的。其原因在于，等應力與等應變的假定是不完全合理的。而實際復合材料是變的假定是不完全合理的。而實際復合材料是處在二者之間的狀態，所以試驗數據落在這兩處在二者之間的狀態，所以試驗數據落在這兩個界限之間。個界限之間。 一般來講一般來講，在其他性能允許的情況下，可，在其他性能允許的情況下，可以通過在一定范圍內調整兩相比例來獲得所需以通過在一定范圍內調整兩相比例來獲得所需的彈性模量值。的彈性模量值。(4) 單晶體陶瓷彈性模量的各向異性 單晶體陶瓷在不同的晶向上往往具有

28、不同的彈性模量。 一般的陶瓷材料都是由很小的晶粒組成的多晶體,整體材料表現出各向同性 但像MgO這種對稱高的晶體，其不同晶體學方向上彈性模量相差很大，這在微觀斷裂力學分析是要特別注意的。 2 強度 （1）強度：材料抵抗外力破壞的能力 拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度、沖擊強度 陶瓷與金屬的應力應變曲線類型陶瓷材料室溫強度測定只能獲得一個斷裂強度斷裂強度f值。而金屬材料則可獲得屈服強度s或0.2和極限強度b陶瓷材料在室溫下幾乎不能產生滑移或位錯運動，因而很難產生塑性變形，因此其破壞方式為脆性斷裂，一般陶瓷材料在室溫下斷裂前幾乎沒有塑性變形。斷裂強度斷裂強度 陶瓷材料盡管本質上應具有很高的斷裂強度，但

29、實際斷裂強度卻往往低于金屬。陶瓷材料的抗壓強度比抗折強度大恨多，其差別的程度大大超過金屬。（2）影響強度的因素 陶瓷很容易由表面或內部存在的缺陷引起應力集中而產生脆性破壞。這是陶瓷材料脆性的原因所在，也是其強度值分散性較大的原因所在。 強度決定于材料的成分及組織結構，同時也隨強度決定于材料的成分及組織結構，同時也隨外界條件（如溫度、應力狀態等）的變化而變外界條件（如溫度、應力狀態等）的變化而變化。化。A 氣孔率對強度的影響 氣孔是絕大多數陶瓷的主要組織缺陷之一，氣孔是絕大多數陶瓷的主要組織缺陷之一，氣孔明顯的氣孔明顯的降低了載荷作用橫截面積降低了載荷作用橫截面積，同時氣孔，同時氣孔也是引起也是

30、引起應力集中應力集中的地方（對于孤立的球形氣孔，的地方（對于孤立的球形氣孔，應力增加一倍）。有關氣孔率與強度的關系式由應力增加一倍）。有關氣孔率與強度的關系式由多種提案，其中最常用的是多種提案，其中最常用的是RyskewitschRyskewitsch提出的提出的經驗公式經驗公式 式中，式中，p p為氣孔率，為氣孔率，0 0為為p p0 0時的強度，時的強度，為常數，其值在為常數，其值在4 47 7之間，許多試驗數據與此之間，許多試驗數據與此式接近。式接近。 )exp(0p 根據上式可推斷出當根據上式可推斷出當p p1010時，陶瓷時，陶瓷的強度就下降到無氣孔時的一半。陶瓷的氣的強度就下降到無

31、氣孔時的一半。陶瓷的氣孔率約為孔率約為3 3，陶器的氣孔率約為，陶器的氣孔率約為10101515。當材料成分相同，氣孔率的不同將引起。當材料成分相同，氣孔率的不同將引起強度的顯著差異。強度的顯著差異。 為了獲得高強度，應制備接近理論密度的無為了獲得高強度，應制備接近理論密度的無氣孔陶瓷材料。氣孔陶瓷材料。Al2O3的強度與氣孔率的關系B B 晶體尺寸對強度的影響晶體尺寸對強度的影響陶瓷材料的強度與晶粒尺寸的關系與金陶瓷材料的強度與晶粒尺寸的關系與金屬有類似的規律，也符合屬有類似的規律，也符合HallHallPetchPetch關系式關系式 式中，式中，0 0為無限大單晶的強度，為無限大單晶的強

32、度，k k為系為系數數,d,d為晶粒直徑。為晶粒直徑。2/10kdf多晶Al2O3強度與晶粒尺寸之間的關系 從定性的角度上講，試驗研究已得到了從定性的角度上講，試驗研究已得到了dd1/21/2關系變化趨勢相一致的結果。但對燒關系變化趨勢相一致的結果。但對燒結體陶瓷來講，要作出只有晶粒尺寸大小不同結體陶瓷來講，要作出只有晶粒尺寸大小不同而其他組織參量都相同的試樣是非常困難的，而其他組織參量都相同的試樣是非常困難的，因此往往其他因素與晶粒尺寸同時對強度起影因此往往其他因素與晶粒尺寸同時對強度起影響作用。響作用。 因此陶瓷中的因此陶瓷中的f f與與d d1/21/2的關系并非那么的關系并非那么容易搞

33、清，還有待于進一步研究。但無論如何，容易搞清，還有待于進一步研究。但無論如何，室溫斷裂強度無疑的隨晶粒尺寸的減小而增高，室溫斷裂強度無疑的隨晶粒尺寸的減小而增高，所以對于結構陶瓷材料來說，努力獲得細晶粒所以對于結構陶瓷材料來說，努力獲得細晶粒組織，對提高室溫強度是有利而無害的。組織，對提高室溫強度是有利而無害的。 C 晶界相、晶粒形狀對強度的影響 陶瓷材料的燒結大都要加入助燒劑，因此形成一定量的低熔點晶界相而促進致密化。晶界相的成分、性質及數量（厚度）對強度有顯著影響。晶界相最好能起裂紋過界擴展并松弛裂紋尖端應立場的作用。 晶界玻璃相的存在對強度是不利的，所以應通過熱處理使其晶化。對單相多晶陶

34、瓷材料，晶粒形成最好為均勻的等軸晶粒，這樣承載時變形均勻而不易引起應力集中，從而使強度得到充分發揮。 綜上所述，高強度單相多晶陶瓷的顯綜上所述，高強度單相多晶陶瓷的顯微組織應符合如下要求：微組織應符合如下要求： 晶粒尺寸小，晶體缺陷少；晶粒尺寸小，晶體缺陷少； 晶粒尺寸均勻、等軸，不易在晶界處引起應晶粒尺寸均勻、等軸，不易在晶界處引起應力集中；力集中； 晶界相含量適當，并盡量減少脆性玻璃相含晶界相含量適當，并盡量減少脆性玻璃相含量，應能阻止晶內裂紋過界擴展，并能松弛裂紋量，應能阻止晶內裂紋過界擴展，并能松弛裂紋尖端應力集中；尖端應力集中； 減小氣孔率，使其盡量接近理論密度。減小氣孔率，使其盡量

35、接近理論密度。D 溫度對強度的影響溫度對強度的影響 陶瓷材料的一個最大的特點就是高溫強度比陶瓷材料的一個最大的特點就是高溫強度比金屬高的多。未來汽車用燃氣發動機的預計溫度金屬高的多。未來汽車用燃氣發動機的預計溫度為為1370。這樣的工作溫度，。這樣的工作溫度，Ni、Cr、Co系的超系的超耐熱合金已無法承受，但耐熱合金已無法承受，但Si3N4、SiC陶瓷卻大有希陶瓷卻大有希望。望。 當溫度當溫度T0.5Tm（Tm為熔點）時，陶瓷材料為熔點）時，陶瓷材料的強度基本不變，當溫度高于的強度基本不變，當溫度高于0.5Tm時才出現明時才出現明顯的降低。顯的降低。Brown的陶瓷的斷裂應力與溫度的關系 在低

36、溫在低溫A A區，區，斷裂前無塑性變形斷裂前無塑性變形，陶瓷的斷，陶瓷的斷裂主要決定于試樣內部既存在缺陷（裂紋、氣裂主要決定于試樣內部既存在缺陷（裂紋、氣孔等）引起裂紋的擴展，為脆性斷裂，其斷裂孔等）引起裂紋的擴展，為脆性斷裂，其斷裂應力為：應力為： 式中，式中，E E、* *及及c c等參數對溫度不敏感，等參數對溫度不敏感，所以在所以在A A區區f f隨溫度升高變化不大；隨溫度升高變化不大；在中間溫度在中間溫度B B區，由于區，由于斷裂前產生塑性變形斷裂前產生塑性變形。因而強度對既存在缺陷的敏感性降低，斷裂因而強度對既存在缺陷的敏感性降低，斷裂受塑性變形控制，受塑性變形控制，f f隨溫度的上

37、升而有明顯的隨溫度的上升而有明顯的降低。此時的斷裂應力降低。此時的斷裂應力受位錯塞積機制受位錯塞積機制控制，控制，即即f f0 0k dk d1/21/2； cEYf/21* 當溫度進一步升高時（當溫度進一步升高時（C C區）。二維滑移區）。二維滑移系開動，位錯塞積群中的一部分系開動，位錯塞積群中的一部分位錯位錯產生的產生的交叉滑移交叉滑移隨溫度的升高而變得活躍，由此而隨溫度的升高而變得活躍，由此而產生的對位錯塞積群前端應力的松弛作用就產生的對位錯塞積群前端應力的松弛作用就越發明顯。所以在此區域內，斷裂應力有隨越發明顯。所以在此區域內，斷裂應力有隨溫度的升高而上升的趨勢。溫度的升高而上升的趨勢

38、。并非對所有的陶瓷材料都符合很好，也并非并非對所有的陶瓷材料都符合很好，也并非對所有陶瓷材料對所有陶瓷材料A A、B B、C C三個區都出現。三個區都出現。 陶瓷材料的強度隨材料的純度、微觀陶瓷材料的強度隨材料的純度、微觀組織結構因素及表面狀態（粗純度）的變組織結構因素及表面狀態（粗純度）的變化而變化，因此即使是同一種材料，由于化而變化，因此即使是同一種材料，由于制備工藝不同，其制備工藝不同，其f f及其隨溫度的變化關及其隨溫度的變化關系也有差異。系也有差異。 兩種純度的Al2O3的強度隨溫度的變化可以看出高純可以看出高純Al2O3的強度變化比較簡單，即的強度變化比較簡單，即隨溫度的升高單調下

39、降。而低純隨溫度的升高單調下降。而低純Al2O3陶瓷的陶瓷的強度在低溫下高于高純強度在低溫下高于高純Al2O3陶瓷，且在陶瓷，且在800附近出現峰值，溫度在附近出現峰值，溫度在800以上強度急劇下以上強度急劇下降。降。 這是由于晶界玻璃相對致密化及愈合組織缺這是由于晶界玻璃相對致密化及愈合組織缺陷產生有利作用，因此在較低的溫度下玻璃相陷產生有利作用，因此在較低的溫度下玻璃相尚未軟化時低純度尚未軟化時低純度AlAl2 2O O3 3的強度較高，的強度較高，800800時時出現的強度峰值是由于晶界玻璃相產生晶化的出現的強度峰值是由于晶界玻璃相產生晶化的貢獻。當溫度較高時，由于玻璃相軟化而使強貢獻。

40、當溫度較高時，由于玻璃相軟化而使強度急劇下降。度急劇下降。 3 韌性（1） 斷裂韌性斷裂韌性 韌性：韌性：材料抵抗沖擊荷載而不破壞的能力。陶瓷材料在室溫下甚至在T/Tm=0.5的溫度范圍很難產生塑性變形，因此其斷裂方式為脆性斷裂，所以陶瓷材料的裂紋敏感性很強。斷裂韌性：斷裂韌性：陶瓷材料抵抗裂紋擴展的能力。斷裂力學性能是評價陶瓷材料力學性能斷裂力學性能是評價陶瓷材料力學性能的重要指標，同時也正是由于這種特性，的重要指標，同時也正是由于這種特性，其斷裂行為非常適合與用其斷裂行為非常適合與用線彈性斷裂力學線彈性斷裂力學來描述。常用來評價陶瓷材料韌性的斷裂來描述。常用來評價陶瓷材料韌性的斷裂力學參數

41、就是力學參數就是斷裂韌性斷裂韌性（K KICIC）。）。（2）陶瓷增韌方法 提高斷裂強度，增加臨界裂紋的長度，提高提高斷裂強度，增加臨界裂紋的長度，提高斷裂能。斷裂能。 A A，提高陶瓷致密度，減少氣孔率。，提高陶瓷致密度，減少氣孔率。 a=4-7 氣孔率增加，晶粒間接觸面積小，有利于裂紋的形成和擴展，增加陶瓷的脆性。 晶界處的氣孔會引起應力集中，在外力作用下形成微裂紋，降低強度。 氣孔呈不規則狀，在多晶相界面處，本身就相當于裂紋。apfe0 B 細晶強化增韌 材料受力時產生位錯運動，在晶界處受阻，產生位錯堆積，使晶粒表面無序程度進一步增加，畸變加大。如晶界得到強化，晶界所占比例越大，位錯運動

42、障礙越多，晶粒間相對滑移越難，斷裂越難。 此外，裂紋常在晶界內擴展，晶界越多，裂紋傳播路徑越曲折，所需要的能量越大。 C 晶界增強晶界增強 晶界處雜質聚集，在陶瓷燒結時常形成液體，冷卻時常為玻璃相，在斷裂時，裂紋沿晶界穿過，強度下降。 通過改變晶相組成和燒結后的熱處理，使晶界玻璃相結晶為高強度的晶界相，提高強度。但通過提高強度，并不能明顯達到增韌效果。1970年 陶瓷的抗折強度已經達到1GPa（超級合金水平）1990年 ZrO2的抗折強度已經達到1040GPa（高硬合金水平）增加陶瓷中的玻璃相，以緩沖裂紋的擴展速率；增加陶瓷中的玻璃相，以緩沖裂紋的擴展速率； D、相變增韌 利用晶態不同變體發生

43、晶型轉變時產生體積變化，使材料內部形成應力場。當材料斷裂時，應力的釋放阻礙裂紋的擴展，只有增加外力，才能使裂紋繼續擴展，材料的強度和斷裂韌性都得到了提高。 同時，材料未受力斷裂時，內部應力場會產生分布均勻的微裂紋。當材料受力時，主裂紋擴展過程中碰到原有微裂紋會分叉和改變方向而吸收一部分能量，從而減緩和阻礙裂紋的擴展。E 復合增韌添加增強材料，如顆粒增強材料和纖維增強材添加增強材料，如顆粒增強材料和纖維增強材料等，以阻止裂紋的擴展。在實際應用中經常料等，以阻止裂紋的擴展。在實際應用中經常采用的是第二種方法，特別是晶須增強陶瓷材采用的是第二種方法，特別是晶須增強陶瓷材料的應用最為廣泛。料的應用最為

44、廣泛。 F 納米增韌 因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與延展性。 納米陶瓷具有在較低溫度下燒結就能達到致密化的優越性，而且納米陶瓷出現將有助于解決陶瓷的強化和增韌問題。其硬度和斷裂韌度隨燒結溫度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低溫燒結能獲得好的力學性能。 通常，硬化處理使材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由孔隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強度。因此，如果陶瓷材料以納米晶的形式出現，可觀察到通常為脆性的陶瓷可變成延展性的，在室溫下就允許有大的彈性形變。Net shape forming

45、via consolidated nanoparticlesR. W. Siegel, Rensselaer Polytechnic Institute科技日報2002/3/13報道：日本研制出能隨意拉伸、可自由折疊的彈性陶瓷 該陶瓷材料由40氧化鋯、30鋁酸鎂尖晶石和30的氧化鋁加熱到1650oC用25秒可從1厘米拉到11厘米。4 硬度 材料抵抗其他物體刻劃或壓入其表面的能力。 常用的硬度指標有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、維氏硬度（HV）、顯微硬度（HM）、努普硬度（HK）莫氏硬度等。 陶瓷材料中常采用維氏硬度（HV）、顯微硬度（HM）和莫氏硬度 硬度與強度無直接對應關系 硬度和

46、耐磨性有著密切關系熔點、熱容，熱膨脹，熱傳導，熱穩定性探討熱性能與材料宏觀、微觀本質關系，為研究、評價核優選陶瓷材料的理論依據。二、熱學性能1 熔點 晶體結構中的原子間結合力的強弱 影響材料的高溫強度、耐燒燭性能熱容是物體溫度升高1K所需要增加的能量。 TTQC)(（J/K） 平均熱容12TTQC均恒壓熱容 恒容熱容 PPPTHTQC)()(VVVTETQC)()(2、 材料的熱容材料的熱容根據德拜熱容理論，在高于德拜溫度D時， 低于D時，CVT3成正比，D：熔點（熱力學溫度）的0.2-0.5倍石墨D=1973K，BeO 的D =1173K，Al2O3的D=923K。 )/(25molkJCV

47、對于絕大多數氧化物、碳化物，熱容都是從低溫時的一個低的數值增加到1273K左右的近似于25J/Kmol的數值。溫度進一步增加，熱容基本上沒有什么變化。圖中幾條曲線不僅形狀相似，而且數值也很接近。熱容與材料結構的關系是不大的經驗公式：2cTbTaCP熱容-溫度關系經驗方程式系數 名 稱 a b103 c10-5 溫度范圍(K) 氮化鋁 5.47 7.8 298900 剛玉（-Al2O3） 27.43 3.06 8.47 2981800 莫來石（3 Al2O32SiO4） 87.55 14.96 26.68 2981100 碳化硼 22.99 5.40 10.72 2981373 氧化鈹 8.45

48、 4.00 3.17 2981200 氧化鉍 24.74 8.00 298800 氮化硼（-BN） 1.82 3.62 2731173 硅灰石（CaSiO3） 26.64 3.60 6.52 2981450 氧化鉻 28.53 2.20 3.74 2981800 鉀長石（K2OAl2O36SiO2） 63.83 12.90 17.05 2981400 氧化鎂 10.18 1.74 1.48 2982100 碳化硅 8.93 3.09 3.07 2981700 -石英 11.20 8.20 2.70 298848 -石英 14.41 1.94 2982000 石英玻璃 13.38 3.68 3.

49、45 2982000 碳化鈦 11.83 0.80 3.58 2981800 金紅石（TiO2） 17.97 0.28 4.35 2981800 雖然，固體材料的摩爾熱容不是結構敏感，但單位體積的摩爾熱容卻與氣孔率有關。多孔材料由于質量輕而摩爾熱容小。 對于間歇式的工業窯爐，加熱和冷卻頻繁，多采用低密度飛纖維或粉體隔熱材料，可實現快速升溫，并節約能量。（1 1）、熱膨脹系數）、熱膨脹系數 物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現象叫做熱膨脹。l線膨脹系數Tlll03、 材料的熱膨脹材料的熱膨脹V體膨脹系數)1 (0TVVVT一般l愈小，材料熱穩定性愈好。例如Si3N4的l=2.710-6/K。 （2）熱膨脹和結合能、熔點的關系 質點間結合力愈強，熱膨脹系數愈小。610*7 . 0038. 0mlT （3）熱膨脹與熱容關系 熱膨脹是固體材料受熱以后晶格振動加劇而引起的容積膨脹，而晶格振動的激化就是熱運動能量的增大。升高單位溫度時能量的增量也就是熱容的定義。所以熱膨脹系數顯然與熱容密切相關并有著相似的規律。材料中存在Frenkel和Schottky缺陷（4）鍵