無機非金屬材料學第四節陶瓷的基本特性第四章陶瓷

無機非金屬材料學一.陶瓷的密度

無機非金屬材料學密度的影響因素

無機非金屬材料學密度的計算與測量結晶學密度或者理論密度可以從晶體結構數據庫和所含元素的相對質量通過計算得到。陶瓷體在燒結后的體積密度通常采用阿基米德排水法計算。

無機非金屬材料學二.陶瓷的熱性能研究陶瓷熱性能的意義比熱、熱導、熱膨脹…熱穩定性、熱應力、抗熱震性…陶瓷材料多在較高溫度下燒結，部分陶瓷材料應用于高溫環境或溫度變化較大的環境。陶瓷材料，特別是氧化物陶瓷的熱穩定性好，但熱應力較大，因此提高其抗熱震性能是拓寬先進陶瓷應用的重要措施。

無機非金屬材料學比熱比熱：單位質量物體溫度升高1℃所需的熱量C=△Q/(m△T)比熱的單位為J.kg-1K-1摩爾熱容：1mol物質溫度升高1℃所需的熱量摩爾熱容的單位為J.mol-1K-1

無機非金屬材料學熱膨脹

無機非金屬材料學固體長度的改變量與溫度的改變量近似成正比，比例系數為線熱膨脹系數，單位為(℃)-1或K-1αl=(dl/l)(1/dT)l代表線度如果將線度l換成體積V，就得到體膨脹系數αV=(dV/VdT)V代表體積說明：對于各向異性的材料，需要在三個方向上的熱膨脹系數分量進行描述，如單晶；對于立方晶體和各向同性的材料，則只需要一個量描述熱膨脹系數，并且有：α=3αl

無機非金屬材料學熱膨脹溫度增加時，原子之間熱振動的振幅加大，導致原子平均距離增加，反之亦然。一般來說，固體結合能比較大時，其勢能曲線的非對稱程度小，熱膨脹系數較小，反之亦然。材料的熱膨脹系數可正可負，與原子振動有關，亦即原子間排斥能的變化大于吸引能時，原子間的平均距離增大，晶體體積增加，熱膨脹系數大于0，反之，熱膨脹系數小于0.

無機非金屬材料學熱導率熱傳遞的三種方式對流(液、氣)、輻射(高溫)、傳導(固且低溫)較致密的固體和溫度不高時，傳導是其主要傳熱方式

無機非金屬材料學材料導熱機理

無機非金屬材料學材料熱導率的影響因素(1)晶體結構

無機非金屬材料學材料熱導率的影響因素(2)溫度

無機非金屬材料學材料熱導率的影響因素(3)氣孔

無機非金屬材料學熱導率和材料的成分、晶體結構、顯微結構、密度等因素密切相關。一般地說，晶體結構越復雜，材料的熱導率越低；材料的氣孔率增加，則熱導率降低；材料中的雜質一般會降低材料的導熱性。同時，玻璃態等無序結構對熱波有較強的散射，因此在制備導熱陶瓷時應盡量避免使用玻璃態添加劑。材料熱導率的影響因素

無機非金屬材料學根據應用場合的不同來確定對陶瓷材料熱學性能的要求。對于應用于導熱和散熱的場合，應使用熱導率高的材料，如熱沉積材料氧化鈹及應用于高溫陶瓷熱交換器的碳化硅等。對于應用于絕熱隔熱場合，則應選擇熱導率很低的材料，如多孔陶瓷等。應用于電子技術的電真空陶瓷、集成電路的基片、封裝管殼等要求材料的電絕緣性能好、導熱性好且與連接材料的熱膨脹系數匹配，力學性能好。基于材料熱導率的一些應用介紹

無機非金屬材料學熱應力熱應力是指在加熱和冷卻過程中，材料的熱膨脹和收縮受阻而產生的一種內應力，其本質是材料內部熱膨脹不均勻。陶瓷材料由于燒結溫度高，又常為多相組成，晶界和晶內原子的排列也不同，因此在溫度變化過程中，材料不可避免地會產生這種熱應力。同時，單相材料中熱膨脹系數的各向異性也會導致熱應力。如果熱應力超過材料的斷裂強度，即會導致材料的開裂和失效。一般來說，溫度變化越激烈，材料中的熱應力也越大。

無機非金屬材料學三.陶瓷的機械性能材料力學性能研究材料在外力作用下發生彈性或塑性形變、材料抵

抗形變的能力和材料失效或被破壞的規律。離子鍵共價鍵混合鍵脆性大、塑性差、不易加工、熱震差、強度分散硬度高、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕優點缺點裂紋易擴展—應力集中----陶瓷材料突然斷裂

無機非金屬材料學彈性

無機非金屬材料學陶瓷彈性變形的本質實際上是在外力的作用下原子間距由平衡位置產生很小位移的結果。這個原子間微小的位移所允許的臨界值很小，超過此值，就會產生化學鍵的斷裂(低溫下的陶瓷)或產生原子面滑移塑性變形(高溫下的陶瓷)。金屬材料在室溫拉伸載荷下，斷裂前一般都要經過彈性變形和塑性變形兩個階段。而陶瓷材料一般都不出現塑性變形階段，極微小的彈性變形后立即出現脆性斷裂，延伸率幾乎為零。彈性變形

無機非金屬材料學1）多晶材料：

結晶相、玻璃態相和氣孔相。對于多相材料，其彈性模量與這幾種材料各自的彈性模量值以及每個材料所占的體積分數有關，可以表為：

E=E1V1+E2V2+

這里Vi代表各相占據的體積分數。

2）復合材料：

通常有

E>E1V1+E2V2+

這里Vi代表各相占據的體積分數。影響陶瓷材料彈性模量的幾個因素

無機非金屬材料學3）材料的組成相及顯微結構：

隨著氣孔率的增加，陶瓷的彈性模量急劇下降。影響陶瓷材料彈性模量的幾個因素4）彈性模量的數值與溫度關系：

隨溫度的升高，原子間距增大，相互作用力減小，陶瓷材料的彈性模量值降低，但對某些材料也有例外，石英等材料隨溫度升高，彈性模量值也隨之增加。

無機非金屬材料學總體來說，陶瓷材料的彈性模量與組成相的種類和分布、氣孔率及溫度等的關系密切，而與材料中各相的晶粒大小及表面狀態的關系不大，結構敏感性較小。小結

無機非金屬材料學陶瓷材料的機械強度材料在外力作用下抵抗其破壞的能力。

無機非金屬材料學陶瓷的強度陶瓷材料的強度，特別是用作高溫結構材料的強度是材料力學性能的重要表征。陶瓷強度的特點陶瓷材料主要由共價和離子鍵以及混合鍵結合的，因此晶體中原子或離子的任何移動都會破壞這種鍵結構。陶瓷材料中一般包含的原子數目較多，晶格較大，位錯矢量較大，使位錯較難生成，也不易滑移和增殖，因此陶瓷材料的彈性形變很小，脆性大、易斷裂。陶瓷材料的強度是高度結構敏感性的，不僅取決于材料本身，還與材料的應力狀態、制備方法、測量方法，以及晶體結構、微結構和晶體缺陷等密切相關。

無機非金屬材料學陶瓷的強度

無機非金屬材料學

無機非金屬材料學

無機非金屬材料學影響陶瓷材料強度的因素1）氣孔

陶瓷材料強度與氣孔率的關系：式中，0為氣孔率p為零時材料的強度，b為常數，其值在4-7之間。陶瓷材料的強度隨氣孔率的增加而呈指數下降。

無機非金屬材料學影響陶瓷材料強度的因素2）晶粒尺寸細化顆粒也是提高陶瓷材料強度的有效手段，但兩者的強化機制并不相同。金屬材料中顆粒細小形成了大量的晶界，這些晶界會阻礙位錯的運動，使得材料的強度有所提高。陶瓷中晶粒細化后，材料中的晶粒數目大大增加，由于在晶界兩側的晶粒取向并不相同，裂紋移動至此往往受阻，不容易得到擴展，因此提高了材料的強度。

無機非金屬材料學影響陶瓷材料強度的因素3）夾雜物與材料強度的相關性

無機非金屬材料學可沿用金屬材料硬度測試方法試驗方法及設備漸變，試樣小而經濟硬度作為材料的本身物性參數，可獲得穩定的數值陶瓷材料硬度測試的特點

無機非金屬材料學

無機非金屬材料學維氏硬度

無機非金屬材料學維氏硬度

無機非金屬材料學維氏硬度

無機非金屬材料學洛氏硬度

無機非金屬材料學莫氏硬度

無機非金屬材料學決定材料硬度的因素晶體結構：例如金剛石和石墨，金剛石的sp3四面體鍵結構使其成為自然界中最硬的材料，石墨為sp2層狀結構，軟到可以做潤滑劑和鉛筆芯。晶體取向：單晶體的硬度與晶體取向有關，例如金剛石單晶的（111）密排面是硬度最大的晶面。晶粒大小：材料的硬度與晶粒大小有關，納米晶材料的硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，納米/納米多層膜的硬度可以有大幅度提高，例如納米復合膜Ti-Si-N的硬度甚至超過了金剛石的硬度。因此，設計和制造納米復合材料有可能得到超高硬度。

無機非金屬材料學40四.陶瓷的電性能

無機非金屬材料學41平行板電容器是在兩個相距很近的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質——電介質（空氣也是一種電介質）

無機非金屬材料學42

無機非金屬材料學43①磁化率χ磁化強度M與磁場強度H比值M=（μr-1）H＝χHχ僅與磁介質性質有關，它反映材料磁化的能力。χ沒有單位，為一純數。χ可正、可負，決定于材料的不同磁性類別。五磁性能

②磁化強度

A、磁化:對于一般磁介質，無外加磁場時，其內部各磁矩的取向不一，宏觀無磁性；在外磁場作用下,各磁矩規則取向，使磁介質宏觀呈磁性－－－這就叫磁化。

B、磁化強度:外磁場中物質被磁化的程度.

M＝Σm／ΔV,

物理意義：單位體積的磁矩單位：A·m-1（即與磁場強度H的單位一致）方向：由磁體內磁矩矢量和m的方向決定磁介質在外磁場中的磁化狀態，主要由磁化強度M決定。磁化強度M可正、可負，由磁體內磁矩矢量和的方向決定。因而磁化了的磁介質內部的磁感應強度B可能大于，也可能小于磁介質不存在時真空中的磁感應強度B。②磁化強度抗磁性順磁性鐵磁性亞鐵磁性反鐵磁性磁性的分類抗磁性磁性的分類

無機非金屬材料學46六光學性能

無機非金屬材料學47七化學性能

無機非金屬材料學第四節陶瓷的基本特性第四章陶瓷

無機非金屬材料學一.陶瓷的密度

無機非金屬材料學密度的影響因素

無機非金屬材料學密度的計算與測量結晶學密度或者理論密度可以從晶體結構數據庫和所含元素的相對質量通過計算得到。陶瓷體在燒結后的體積密度通常采用阿基米德排水法計算。

無機非金屬材料學二.陶瓷的熱性能研究陶瓷熱性能的意義比熱、熱導、熱膨脹…熱穩定性、熱應力、抗熱震性…陶瓷材料多在較高溫度下燒結，部分陶瓷材料應用于高溫環境或溫度變化較大的環境。陶瓷材料，特別是氧化物陶瓷的熱穩定性好，但熱應力較大，因此提高其抗熱震性能是拓寬先進陶瓷應用的重要措施。

無機非金屬材料學比熱比熱：單位質量物體溫度升高1℃所需的熱量C=△Q/(m△T)比熱的單位為J.kg-1K-1摩爾熱容：1mol物質溫度升高1℃所需的熱量摩爾熱容的單位為J.mol-1K-1

無機非金屬材料學熱膨脹

無機非金屬材料學固體長度的改變量與溫度的改變量近似成正比，比例系數為線熱膨脹系數，單位為(℃)-1或K-1αl=(dl/l)(1/dT)l代表線度如果將線度l換成體積V，就得到體膨脹系數αV=(dV/VdT)V代表體積說明：對于各向異性的材料，需要在三個方向上的熱膨脹系數分量進行描述，如單晶；對于立方晶體和各向同性的材料，則只需要一個量描述熱膨脹系數，并且有：α=3αl

無機非金屬材料學熱膨脹溫度增加時，原子之間熱振動的振幅加大，導致原子平均距離增加，反之亦然。一般來說，固體結合能比較大時，其勢能曲線的非對稱程度小，熱膨脹系數較小，反之亦然。材料的熱膨脹系數可正可負，與原子振動有關，亦即原子間排斥能的變化大于吸引能時，原子間的平均距離增大，晶體體積增加，熱膨脹系數大于0，反之，熱膨脹系數小于0.

無機非金屬材料學熱導率熱傳遞的三種方式對流(液、氣)、輻射(高溫)、傳導(固且低溫)較致密的固體和溫度不高時，傳導是其主要傳熱方式

無機非金屬材料學材料導熱機理

無機非金屬材料學材料熱導率的影響因素(1)晶體結構

無機非金屬材料學材料熱導率的影響因素(2)溫度

無機非金屬材料學材料熱導率的影響因素(3)氣孔

無機非金屬材料學熱導率和材料的成分、晶體結構、顯微結構、密度等因素密切相關。一般地說，晶體結構越復雜，材料的熱導率越低；材料的氣孔率增加，則熱導率降低；材料中的雜質一般會降低材料的導熱性。同時，玻璃態等無序結構對熱波有較強的散射，因此在制備導熱陶瓷時應盡量避免使用玻璃態添加劑。材料熱導率的影響因素

無機非金屬材料學根據應用場合的不同來確定對陶瓷材料熱學性能的要求。對于應用于導熱和散熱的場合，應使用熱導率高的材料，如熱沉積材料氧化鈹及應用于高溫陶瓷熱交換器的碳化硅等。對于應用于絕熱隔熱場合，則應選擇熱導率很低的材料，如多孔陶瓷等。應用于電子技術的電真空陶瓷、集成電路的基片、封裝管殼等要求材料的電絕緣性能好、導熱性好且與連接材料的熱膨脹系數匹配，力學性能好。基于材料熱導率的一些應用介紹

無機非金屬材料學熱應力熱應力是指在加熱和冷卻過程中，材料的熱膨脹和收縮受阻而產生的一種內應力，其本質是材料內部熱膨脹不均勻。陶瓷材料由于燒結溫度高，又常為多相組成，晶界和晶內原子的排列也不同，因此在溫度變化過程中，材料不可避免地會產生這種熱應力。同時，單相材料中熱膨脹系數的各向異性也會導致熱應力。如果熱應力超過材料的斷裂強度，即會導致材料的開裂和失效。一般來說，溫度變化越激烈，材料中的熱應力也越大。

無機非金屬材料學三.陶瓷的機械性能材料力學性能研究材料在外力作用下發生彈性或塑性形變、材料抵

抗形變的能力和材料失效或被破壞的規律。離子鍵共價鍵混合鍵脆性大、塑性差、不易加工、熱震差、強度分散硬度高、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕優點缺點裂紋易擴展—應力集中----陶瓷材料突然斷裂

無機非金屬材料學彈性

無機非金屬材料學陶瓷彈性變形的本質實際上是在外力的作用下原子間距由平衡位置產生很小位移的結果。這個原子間微小的位移所允許的臨界值很小，超過此值，就會產生化學鍵的斷裂(低溫下的陶瓷)或產生原子面滑移塑性變形(高溫下的陶瓷)。金屬材料在室溫拉伸載荷下，斷裂前一般都要經過彈性變形和塑性變形兩個階段。而陶瓷材料一般都不出現塑性變形階段，極微小的彈性變形后立即出現脆性斷裂，延伸率幾乎為零。彈性變形

無機非金屬材料學1）多晶材料：

結晶相、玻璃態相和氣孔相。對于多相材料，其彈性模量與這幾種材料各自的彈性模量值以及每個材料所占的體積分數有關，可以表為：

E=E1V1+E2V2+

這里Vi代表各相占據的體積分數。

2）復合材料：

通常有

E>E1V1+E2V2+

這里Vi代表各相占據的體積分數。影響陶瓷材料彈性模量的幾個因素

無機非金屬材料學3）材料的組成相及顯微結構：

隨著氣孔率的增加，陶瓷的彈性模量急劇下降。影響陶瓷材料彈性模量的幾個因素4）彈性模量的數值與溫度關系：

隨溫度的升高，原子間距增大，相互作用力減小，陶瓷材料的彈性模量值降低，但對某些材料也有例外，石英等材料隨溫度升高，彈性模量值也隨之增加。

無機非金屬材料學總體來說，陶瓷材料的彈性模量與組成相的種類和分布、氣孔率及溫度等的關系密切，而與材料中各相的晶粒大小及表面狀態的關系不大，結構敏感性較小。小結

無機非金屬材料學陶瓷材料的機械強度材料在外力作用下抵抗其破壞的能力。