工程材料课件ch01.4陶瓷材料的结构与性能.docVIP

1.4? 陶瓷材料的结构与性能 1.4.1 陶瓷材料的结构 一、陶瓷材料的制备过程 ??? 原料破碎、混合—成型—烧结 ??? 普通陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石组成。在加热烧成或烧结和冷却过程中，由这三部分组成的坯料相继发生四个阶段的变化：??? (1)?低温阶段(室温～300℃)残余水分的排除。 ??? (2) 分解及氧化阶段(300～950℃)结构水的排除；有机物、碳素和无机物等的氧化碳酸盐、硫化物等的分解；石英晶型转变。 ??? (3)?高温阶段(950℃～烧成温度)?氧化、分解反应继续进行；相继出现共熔体等液相，各组成物逐渐溶解；一次莫来石(3Al2O3·2SiO2)晶体生成; 二次莫来石晶体长大; 石英块溶解成残留小块; 发生烧结成瓷。 ??? (4) 冷却阶段(烧成温度～室温)二次莫来石晶体析出或长大; 液相转变; 残留石英晶型转变。 二、陶瓷材料的组织结构 　??陶瓷材料组织结构比较复杂。按照组织形态陶瓷材料分为三类： ??? 无机玻璃： ??? 即硅酸盐玻璃，是室温下具有确定形状，但其粒子在空间成不规则排列的非晶结构类陶瓷材料； ??? 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）： ??? 如具有单相晶体结构的氧化铝特种陶瓷，但更典型的是具有复杂结构的普通陶瓷等。这类陶瓷材料是最常用的结构材料和工具材料。 ??? 陶瓷的典型组织结构包括三种相：晶体相(莫来石和石英)、玻璃相和气相  陶瓷在室温下的组织 　 1. 晶体相??? 晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。它们的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷的主要性能和应用。 ??? (1) 硅酸盐??? 硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，是陶瓷组织中重要的晶体相，结合键为离子键与共价键的混合键。 ??? 硅酸盐结构的规律是：??? ① 构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体；?? ??? 硅氧四面体结构 ??? ② 硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结；??? ③ Si4+离子通过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连结；??? ⑥ 同一结构中的硅氧四面体最多只相差1个氧原子。 (2) 氧化物???????????????????氧化物晶体相??? 多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相；离子键结合,也有共价键。??? 氧化物的结构及特点： ??? 氧离子作紧密立方或紧密六方排列； ??? 金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中。 (3) 非氧化合物??????????????非氧化合物??? 不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，是特种陶瓷特别是金属陶瓷的主要组成和晶体相。??? 金属碳化物：共价键和金属键之间的过渡键, 以共价键为主。 ??? 间隙相：如TiC、ZrC、VC等； ??? 复杂碳化物：斜方结构的Fe3C、Mn3C、Cr3C2, 立方结构的Cr23C6、Mn23C6, 六方结构的WC、Cr7C3，复杂结构的Fe3W3C等。??? 氮化物：与碳化物相似, 金属性弱些, 有一定的离子键。如六方晶格BN，六方晶系的Si3N4、AlN。??? 硼化物和硅化物：较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构单元。 2. 玻璃相 ??? (1) 玻璃相作用 ??? ① 粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度； ??? ② 降低烧成温度，加快烧结； ??? ③ 阻止晶体转变，抑制其长大； ??? ④ 获得透光性等玻璃特性； ??? ⑤ 不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。 ??? (2) 玻璃相产生过程? ??? 熔融液相冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时, 熔体硬化，转变为玻璃。玻璃物质的粘度随温度而变化。?? ???? 玻璃物质的粘度随温度的变化 ??? (3) 玻璃相结构特点?? ??? 玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。硅氧四面体组成不规则的空间网, 形成玻璃的骨架。 石英玻璃和石英晶体结构 钠硅酸盐玻璃的结构示意图 3. 气相 ??? 形成原因比较复杂，与原料和生产工艺有密切的联系，影响因素也比较多。 ??? 根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。 ??? 除了多孔陶瓷外，气孔的存在对陶瓷的性能不利，降低陶瓷的强度，造成裂纹的根源。尽量使其含量降低。 ??? ●普通陶瓷的气孔率为5%～10 ??? ●特种陶瓷的在5%以下； ??? ●金属陶瓷则要求低于0.5%。 演示 1.4.2 陶瓷材料的