材料化学 chapter2-陶瓷新品种.ppt

给定组分的非晶态比相应的晶态有更高的能量。也就是说，在熔点以下晶态总是取吉布斯自由能较低的状态；非晶态的吉布斯自由能总比晶态的吉布斯自由能高。非晶态固体总有向晶态转化的趋势，即非晶态固体在一定温度下会自发地结晶，转化到稳定性更高的晶体状态。但当温度不够高时，非晶态中的原子（离子）的运动幅度小，同时结晶化所必不可少的晶核形成和生长比较困难，因此非晶态向晶态的转化就不易发生。 非晶态向晶态的转化，往往不是直接转变成稳定性高的晶态，而要经过一些中间步骤。处在吉布斯自由能较高的非晶态转变到吉布斯自由能较低的晶态，需克服一定的势垒。转变过程也可能分作几步进行，中间经过某些过渡的亚稳态。从非晶态向晶态的转变带有突变的特征，一般过程中伴随着幅度不大的体积变化；同时像液体结晶一样，会释放出热能。因此，非晶态向晶态转化是一个很复杂的过程。 实用固体材料绝大部分都是多晶体，而不是按单一的晶格排列的单晶体。这是由于在一般制备材料的过程中，晶体是环绕着许许多多不同的核心生成，很自然地形成由许多晶粒组成的多晶体。晶粒的大小，可以小到um以下，也可以大到肉眼能够清晰看到的程度。晶粒的粗细、形状、方位的分布都可以对多晶体的性质有重要影响。 晶粒之间的交界处称为晶界。晶界也可以看作是一种晶体缺陷，晶界实际上是晶体中不同位向晶粒之间原子排列无规则的过渡层。晶界处晶格处于畸变状态，导致其能量高于晶粒内部能量，常温下显示较高的强度和硬度，容易被腐蚀，熔点较低，原子扩散较快。 晶粒越小，形成的晶界就越多，对材料的性能就越大。 (1)晶界的扩散；(2)晶界反应机构的控制；(3)晶界的电位；(4)晶界的高电阻现象；(5)晶界的结合力等产生影响。目前利用晶界效应能制得许多具有许多特殊功能的材料。 第二章 陶瓷新品种 传统陶瓷 现代陶瓷 - -2.3.3.2 烧结陶瓷的方法 （1）热等静压烧结法 热等静压烧结设备能承受(50~ 200 MPa)和2000℃的高温，容器抽真空、以惰性气体作为加压的介质，边加热边从各个方向对粉体进行加压和压缩，通过流体介质使成型和烧结同时完成。热等静压烧结法得到的陶瓷制品均匀致密，目前已经有可加热至2600℃的超高温设备和压力达到1000MPa高压设备，但成本高。 - -2.3.3.2 烧结陶瓷的方法 （1）化学气相沉淀法 将气体原料通过不同的方式加热，使其发生化学反应淀积在衬底材料上形成薄膜或粉体。由于该方 法不需要使用烧结助剂，沉积得到薄膜材料的孔隙率非常低，甚至可为零，能够得到均匀致密和高纯度的薄膜材料．但是由于薄膜材料与衬底材料的热膨胀系数往往不相同，因此在冷却后薄膜中的应力较大，薄膜的附着力也可能较差。 - -2.3.3.2 烧结陶瓷的方法 （1）反应烧结法 在被加热的粉体中通入某些气体使之发生化学反应，如在加热的硅粉中通入氮气和氢气可以制得 Si3N4。这种方法成本低，烧结时也不需添加烧结助剂．若把粉料做成一定形状，可以藉此制备形状复杂的陶瓷制品，只是成品的质量不高，气孔率较高。 2.4 精细陶瓷面面观 原料全部是在原子、分子水平上分离、精制的高纯度、超微细粉体（粒径1-100nm）； 产品通过结构设计、精细的化学计量、合适的成型工艺和先进的烧结技术加工制得理解。 产品具有完全可以控制的显微结构，以达到特定的性能和复合要求的尺寸精度。 2.4.1 特点和分类 * 晶态和非晶态怎样之间的转变？ 虽然非晶态材料处于亚稳态，但经验告诉我们，晶状基态从动力学上来讲往往是难以达到的，所以实际上非晶态一旦形成就能保持无限长的时间。这种情况类似于结晶的金刚石，它处于亚稳相。碳原子结合的最低能旦形态不是金刚石，而是石墨。在通常温度和压力下，石墨是稳定的热力学相。 晶态向非晶态转化的工艺技术向人们提供直接从固态晶体制备非晶态固体的方法。材料表面的研磨和破碎过程中机械能量引起晶体材料非晶化作用；冲击波对于晶体材料的非晶化作用则更强。机械能的作用会引起晶体的晶格中大量缺陷形成，当缺陷的浓度超过一定限度时，晶体的长程有序性就会消失。 从晶界的角度分析晶粒大小对晶体材料的影响？ 2.1 传统陶瓷 纯净粘土、水 揉和、制型 泥坯 窑 炉 高温 反应 素烧陶瓷 美化（上釉、 再烧、固釉） 传统陶瓷 黏土成分 化学组成 碱金属和碱土金属氧化物或盐 三氧化二铝 二氧化硅 结晶水 矿物学 高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O） 石英或硅石（SiO2） 长石：钾长石（K2O·Al2O3·2SiO2） 钠长石（Na2O·Al2O3·2SiO2） 伊利石（KAl2[(Al, Si)Si3O10](OH)2·nH2O） 绿泥石 高岭石的层状结构 四面体层 八面体层 四面