材料力学行为-第六章-孙巧艳主讲.pdf

第六章陶瓷材料的力学行为 主要内容 陶瓷材料的晶体结构 显微组织 陶瓷的增韧 高温力学性能 一 陶瓷材料的物质结构和显微结构 离子键 1 陶瓷材料的结合键 共价键 （1）离子键：由正离子和负离子相互吸引形成的结合键。 如CaO,MgO,Al O ,ZrO 2 3 2 离子键构成的材料具有高 熔点和高硬度，塑性差。 (2) 共价键：由原子之间共享价电子而形成的结合件。 例如Si，C （金刚石），SiC，Si N 等 3 4 共价键的特点：具有明确的方向，共价键的键角为109.由 共价键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。 2 陶瓷材料的组织结构（相组成） 晶相、玻璃相和气相 （1）晶相：陶瓷材料主要组成相，决 定陶瓷材料的性能，如物理化学和力学 性能。晶相的结合键为离子键和共价键。 陶瓷晶相也有缺陷，点缺陷、线缺陷和面缺陷，比如位错和晶界、亚晶界等。 （2 ）玻璃相 非晶态固体，在陶瓷材料烧结过程中各组成相与杂质产生一系列化学反应， 形成液相，冷却凝固时形成非晶态玻璃。 玻璃相的作用？ 有利：将分散的晶相颗粒粘接在一起，降低烧结温度，抑制晶相的晶粒 长大并填充气孔。 不利：玻璃相热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生 蠕变。玻璃相中存在金属离子，降低陶瓷材料的绝缘性。 陶瓷材料控制玻璃相的数量，一般在20-40%。 （3）气相，即陶瓷中的气孔 气孔是陶瓷材料制备中不可避免地残留下来。陶瓷材料中的气孔数量：5-10%。 气孔对陶瓷材料的影响？ 不利的影响：降低陶瓷材料的强度，使介电损耗大，电击穿强度 降低，绝缘性减低。 气孔可以加以利用吗？ 多孔陶瓷，气孔率大于20-30% 降低陶瓷密度，吸收振动和隔绝噪音。 二陶瓷材料的力学性能 概括地讲，陶瓷材料具有高硬度、耐高温和抗氧化、 耐腐蚀和优良的物理化学性能。 1 力学性能 （1）强度 陶瓷材料的晶相由离子键和共价键组成，理论断裂强度很高。 实际上，陶瓷材料强度的实验测试值远远小于理论断裂强度。 实测强度/理论强度：1/3~1/150 原因是什么？ 原因之一：陶瓷材料的气相，如同裂纹； 之二：固相组织结构复杂不均匀，导致内应力增加，增加了微裂纹形成 的可能性 之三：陶瓷材料的微裂纹的尺寸比金属材料的大 拉 伸 （2 ）抗压强度 陶瓷材料抗压不抗拉。 抗压强度远远大于抗压强度。 压缩 （3 ）弹性模量 陶瓷材料具有高的弹性模量，数倍于金属材料的弹性模量。 （4 ）陶瓷材料的脆性 陶瓷材料脆性大是其致命的弱点。 陶瓷晶相本身的滑移系非常少 脆性的来源 显微组织中存在裂纹 陶瓷材料：40-109J/m2 金属：103-5J/m2 陶瓷材料的断裂能比金属的低几个数量级。 2 陶瓷材料的物理化学性能 （1）陶瓷材料的熔点高（熔点一般高于2000C），耐高温，膨胀系数小， 热导率低（与气孔数量有关），绝缘体。 （2 ）陶瓷材料具有特殊的光学性能，用于制造固体激光材料和光纤。 （3 ）有些陶瓷材料具有磁性，用于磁芯、磁带和磁头的制造。 （4 ）陶瓷材料