材料科学与工程学导论4

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1、第四章：无机非金属材料,结构陶瓷材料,功能陶瓷材料,传统日用、建筑材料,本章主要内容,无机非金属材料概论,什么是无机非金属材料？,金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称 为无机非金属材料。,主要特性：,熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、 耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。 一般为脆性材料,传统陶瓷,无机非金属材料的种类,陶瓷,水泥,玻璃,特种陶瓷,结构陶瓷,功能陶瓷,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的结合键,陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、 共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键,以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料 中占有很

2、重要的地位。它具有强度高、硬度高、熔点高、 等特点。但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小， 固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要 以离子键结合，一般为透明体。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的结合键,以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和 饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体 具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。 最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的相组成,晶体相,晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体 或化合物，

3、其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料 的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。 陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。,硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的相组成,玻璃相,玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构 类似于玻璃。,玻璃相的作用是：熔点低，将分散的晶体相粘结起来，填 充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度， 加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。,玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利的。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的相组成,气相

4、（气孔）,陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相 发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃 相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。,气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造 成裂纹的根源。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的晶体缺陷,点缺陷,陶瓷材料晶体中存在的置换原子、间隙原子和空位等缺陷 称之为点缺陷。陶瓷材料的很多性质如导电性与点缺陷有 直接关系。此外，陶瓷材料的烧结、扩散等物理化学过程 也与点缺陷有关。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的晶体缺陷,线缺陷,位错是陶瓷材料晶体中存在线缺陷。陶瓷材料中位错形成 所需要的能量较大，因此，不易形成位错。陶瓷材料中位 错密度很低

5、。 陶瓷材料主要是离子键和共价键。这两种结合键造成位错 的可动性降低。当位错滑移时，离子键中同号离子相斥， 导致离子键断裂；而共价键的方向性和饱和性，具有确定 的键长和键角，位错的滑移也会导致共价键的破断。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的晶体缺陷,面缺陷,陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚晶界 就是陶瓷材料中的面缺陷。,我们知道晶粒细化可以提高材料的强度。晶界对金属材料和 陶瓷材料强度的提高作用机理是不同的。对金属材料来说， 晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而对陶瓷材料来说， 利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展，提高强度。,陶瓷材料的性能特点,力学性能,硬度,陶瓷的硬

6、度很高，多为1000Hv1500Hv （普通淬火钢的硬度500800Hv）。陶瓷 硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、 以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。,刚度,陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而 弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价 键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性 模量要高于金属材料。,陶瓷材料的性能特点,力学性能,强度 强度,陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很 高。但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和 各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比 理论强度低100多倍。,陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细， 强度越高。此外，陶瓷材料一般具

7、有优于金属材 料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的 抗氧化性。常用于高温材料。,陶瓷材料的性能特点,力学性能,塑性与韧性,陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱点。 陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。 断裂是裂纹形成和扩展的过程。陶瓷内部和表面所产生的微裂纹 ，由于裂纹尖端的应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很 快，这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。,陶瓷材料的性能特点,热学性能,熔点,陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。,热容,热膨胀,陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。,陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为1051

8、06/K。,陶瓷材料的性能特点,电学性能,陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料；陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷材料的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。,陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不透明的。可以通过烧结方法的改变和控制晶粒的大小，制备出透明的氧化物陶瓷。,光学性能,陶瓷材料加工方法,配料,成形,煅烧,结构陶瓷材料,结构陶瓷的种类,氧化物结构陶瓷,炭化物结构陶瓷,氮化物结构陶瓷,结构陶瓷材料,氧化物结构陶瓷,特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温 度高、高温强度高。,Al2O3陶瓷,ZrO2陶瓷,BeO陶瓷,MgO陶瓷,结构陶瓷材料,Al2O3陶瓷,Al

9、2O3陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。 主晶相为刚玉（Al2O3），随着SiO2质量百分数 的增加，还出现莫来石和玻璃相。根据陶瓷坯中主晶 相的不同，分为刚玉瓷、刚玉莫来石瓷和莫来石瓷。 Al2O3有三中结晶形态，即、相。型是高 温型，而相是低温型。,其中刚玉瓷的性能最佳。,结构陶瓷材料,Al2O3陶瓷的性能及应用,1。强度高 2。硬度高：机械加工磨料、磨具、切削工具等 3。熔点高、抗腐蚀：耐火材料、炉管、热电偶保护套等 4。化学稳定性好：坩埚、人体关节、人工骨骼 5。电绝缘性好：基板、火化塞、电路外壳 6。光学性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、激光 振荡元件等,结构陶瓷

10、材料,ZrO2陶瓷,ZrO2陶瓷有三种晶型。常温下是单斜晶系，1000度以上 转变为四方晶系，到2300度以上又转变成立方晶系。由 单斜向四方的转变是可逆的，并伴随7的体积膨胀。导致 陶瓷在烧结时容易开裂，为此，要加入适量的稳定剂，如 Y2O3。,ZrO2陶瓷的特点是热导率小，是理想的高温绝热材料。 化学稳定性好，能抵抗酸性或中性熔渣的侵蚀，可用作 特种耐火材料；硬度高，可制作冷成型工具、整形模、 切削工具、剪刀等；强度高、韧性好，可制作发动机构件等。,结构陶瓷材料,BeO陶瓷,BeO晶体无色，属六方晶系，在固态下无晶型转变，结构稳定 。,BeO陶瓷的导热系数大，线膨胀系数不大，抗热震性高，高

11、温 电绝缘性好，电导率低，介电常数高；硬度与Al2O3差不多， 化学稳定性好，是抵抗炭还原作用最强的一种氧化物。,MgO陶瓷,耐高温，抗金属及碱性熔渣腐蚀，可以用作坩埚冶炼高纯 度Fe、Mo、Cu、Mg等。也可用于高温热电偶保护套等,结构陶瓷材料,炭化物结构陶瓷,特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。,SiC陶瓷有两种晶体结构：SiC和SiC。前者属六方 晶系，是高温稳定相；后者属等轴晶系，是低温稳定相。 SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高温下仍能保持相当高 的弯曲强度；SiC陶瓷有很高的热传导能力，抗蠕变性能好， 对酸性熔体有很强的抵抗力，但不抗强碱。 SiC陶瓷主要用作高温结构材料。如

12、火箭尾喷管的喷嘴，热电 偶套管等高温零件。还可用于高温下热交换器。,结构陶瓷材料,氮化物结构陶瓷,特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。,Si3N4陶瓷是强共价键材料，原子结合力强，属六方晶系。 Si3N4陶瓷具有良好的化学稳定性，能抵抗除氢氟酸以外的 各种酸、碱和熔融金属的侵蚀；具有优异的绝缘性；硬度高， 摩擦系数小，是一种优良的耐磨材料；线膨胀系数小，热导 率高，抗热震性好；室温强度虽然不高，但高温强度较高。,功能陶瓷材料,什么是功能陶瓷,功能陶瓷是指具有电、光、磁以及部分化学功能 的多晶无机固体材料，其功能的实现主要来自于 它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、 压电性、铁电性、磁性、

13、生物适应性等,功能陶瓷材料,功能陶瓷的种类,电子陶瓷,超导陶瓷,磁性陶瓷,光学陶瓷,生物陶瓷,敏感陶瓷,功能陶瓷材料,电子陶瓷,压电陶瓷,当外力作用于晶体时，发生与应力成比例的介质极化， 同时在晶体两端将出现正负电荷，这种由于形变而产 生的电效应，称为压电效应。反之，当在晶体上施加 电场引起极化时，将产生与电场成比例的变形或压力， 称之为逆压电效应。材料的压电效应取决于晶体结构 的不对称性，晶体必须有极轴，才有压电效应。,压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料,功能陶瓷材料,压电陶瓷的种类,压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸钡（PZT）、 改性PZT等。,压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化。对钛

14、酸钡和 钛酸铅，当温度高于居里温度Tc时，为立方晶体，具有 对称性，无压电效应；低于Tc时，为四方晶体，具有非 对称性，有压电效应。,功能陶瓷材料,压电陶瓷的应用,压电陶瓷的优点是价格便宜，可以批量生产，能控制极化 方向，添加不同成分，可改变压电特性。,压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声频仪器上 的振子；也可用作声转换器。但压电陶瓷收到机械应力的 作用时，由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器和 打火机等；压电陶瓷还可用于滤波器等。,功能陶瓷材料,电子陶瓷,光电陶瓷,当光电陶瓷受到光照射时，由于能带间的迁移和能带与 能级间的迁移而引起光的吸收现象时，能带内产生自由 载流子，而使电导率

15、增加，这种现象称为光电导现象。,光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷材料,利用光电导效应检测光强度的元件称为光敏元件。检测从波长 很短的X射线到波上很长的紫外线的光敏元件主要是烧结GdS多 晶；如果在GdS中添加Cu杂质，可以用作检测可见光的光敏元件,功能陶瓷材料,超导陶瓷,1986年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度Tc有了很大 提高。出现了高温超导体。超导陶瓷主要有： 1。镧系高温超导陶瓷：以La2CuO3为代表； 2。钇系高温超导陶瓷：以YBa2Cu2Oy为代表； 3。铋系高温超导陶瓷：以Bi-Sr-Cu-O为代表； 4。铊系高温超导陶瓷：以Ta-Ba-Ca-Cu-O为代表；,功能陶瓷材料,超

16、导陶瓷的应用,在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。 在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、 粒子线治疗装置等。 在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进 器、飞机航天飞机发射台等。 在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等 在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、 超导磁泡等。,功能陶瓷材料,磁性陶瓷,什么是铁氧体？铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物， MO-Fe2O3，M代表一价、二价金属。 铁氧体属半导体，电阻率在1-1010m。由于电阻率高， 涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频和微波领域。,磁性陶瓷主要指铁氧体,铁氧体,软磁铁氧体,硬磁铁氧体,功能陶瓷材料,软磁铁氧体,主要有：尖晶石型的Mn-Zn铁氧体、 Ni-Zn铁氧体、 Mg-Zn铁氧体、 Li-Zn铁氧体和磁铅石型的甚高频 铁氧体（Ba3Co2Fe24O41）。,软磁铁氧体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱点技术 中，如各种电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤 波器磁芯以及录音与录像磁头等