特种陶瓷-考试重点

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1、普通陶器:即指土陶盆、罐、缸、瓮,以及耐火砖等具有多孔性着色坯体的制品,原料颗粒比较粗。瓷:用高岭土等烧制成的材料,质硬且脆,比陶质细致,也称瓷器瓷石:主要含石英和绢云母。由于它是石质,一般是用机器粉碎。瓷石是天然配好的制瓷原料,在1200-1250的温度下可以单独烧成瓷器,这就是所谓的“一元配方”。高岭土:元代,景德镇发现了高岭土,并将其掺入瓷石中,即所谓的“二元配方”,它提高了原料中铝的含量,使瓷胎可以耐受1280-1300的高温,这是提高瓷胎坚固性的必要条件。陶瓷:以无机非金属物质为原料,在制造或使用过程中经高温(540以上)煅烧而成的制品和材料。狭义:无机非金属材料中的一种类型(水泥、

2、玻璃、陶瓷等)。广义:一切无机非金属材料及制品统称陶瓷。特点:1、原料丰富(Clarke value,占地壳总量的70-80%)2、性能优越:(抗压)强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等3、与金属、高分子、复合材料呈四足鼎立之势传统陶瓷:由粘土等硅酸盐天然原料为主的坯料制成的日用餐具、耐火材料、水泥、瓶玻璃、卫生洁具等。近代陶瓷:以Al2O3、ZrO2、TiO2、SiC、Si3N4等人工原料或合成原料为坯料制成的陶瓷。特种陶瓷:采用高度精选的原料,具有能精确控制的化学组成、严格控制成型及烧结工艺所合成的,达到设计的微观结构和精确的尺寸精度,并具有优异特性的陶瓷。日本称技术陶瓷结构陶瓷:用于

3、机械结构零件的陶瓷。功能陶瓷:具有特殊的电、磁、声、光、热、化学及生物功能的陶瓷。陶瓷材料的结构与性能1、材料的成分、显微组织结构与性能(一体化,正交化试验方法)2、材料的结构受到组成及加工工艺的制约3、显微结构的研究指导材料工艺的制订与优化特种陶瓷的主要研究领域1、优化结构,获得优异性能2、材料的性能评价与可靠性单相多晶体:陶瓷的相组成主要由单一相的多个晶体组成多相多晶体:除了晶相(可能多相)外,还有气孔和玻璃相晶相的结构:晶粒大小(晶粒度)、分布、形态,结晶特性、取向、晶界及表面形态晶相:决定陶瓷基本性能的主导物相。单相多晶、多相多晶晶形:晶体在形成、生长过程中,习惯性地、自发地按一定的规

4、律生长和发育成一定的几何形态。(自形晶:完整(完全发育)晶体;半自形晶和他形晶:生长受到抑制,部分完整或很不完整。)主晶相:决定材料基本性能。次生相:对陶瓷性能起重要调节性能。(析出相)玻璃相:配料中引入的各种杂质组分经高温烧结的物理、化学反应,形成液相,冷却时转变为玻璃相(常分布于晶界部位)。结构与作用烧结体中起粘结作用,粘结晶相,连续分布填充气孔、烧结体致密化降低烧结温度,促进烧结抑制晶体长大、防止晶形转变(低温烧结)有利于杂质、添加物的重新分布液相量依陶瓷的用途而定(液相量易变形,耐火度强度介电性)热处理,促进玻璃相晶化玻璃相有利于提高日用瓷的透明度釉料绝大多数形成玻璃气孔:1、孤立状态

5、、球形、分布于玻璃相、晶内、晶界2、易造成应力集中、减小有效截面面积,强度3、介电性(介电损耗)透明度4、隔热、消音、过滤功能(多孔陶瓷(连通气孔)形成:烧结温度低、时间短(欠烧)气体来自结构水、碳酸盐及硫酸盐分解及有机物氧化(脱蜡、去除粘结剂、增塑剂等)烧结环境中气氛的扩散烧结温度过高或升温过快(过烧)晶粒:晶相的组成单元,是陶瓷材料最基本、最重要的显微组成。影响晶粒大小的因素:原料的粒度分布、配方化学组成、烧结制度等(粒度较细、配方精确、合理科学的原料选择、配料、混料、成型、烧成制度等,特别地,在配料中加入添加物)晶粒取向:晶粒在空间的位置与方向织构:取向相同的晶粒,择优取向各向异性(组织

6、概念)陶瓷是以晶体为主的多晶集合体。各向同性特种成形工艺,如热压,可能导致晶粒的择优取向导致组织应力、热应力,变形开裂表面:与真空或本身蒸气接触的面界面:表面与另一相物质直接接触时,称为界面(晶界与相界)表面能:一定数量的质点从体内变成表面原子所需的能量表面缺陷:表面凹凸(缺口效应)与微裂纹晶界:不同位向的毗邻晶粒间的原子(离子)的过渡排列。(几个-几百个原子层厚度)晶界应力:晶界上由于杂质排列不规则而使质点距离疏密不均,从而形成微观的机械应力。晶粒越大,晶界应力越大,易产生裂纹,导致断裂。界面工程:晶界(细化晶粒)强韧化晶界钉扎、弥散强化特种陶瓷与传统陶瓷的区别:1、成分上:有天然硅酸盐原料

7、发展到人工精选或合成原料2、结构上:有以硅-氧四面体基本结构单元发展到单纯铝-氧、锆-氧八面体和硅-碳、硅-氮四面体以及其它结构单元的组合3、晶粒尺寸上:由普通陶瓷的1-100m发展到10nm-1m,精细陶瓷4、工艺上:由液相烧结发展到少量或没有液相的固相烧结分类:1、按晶质与非晶质的含量:全晶质、半晶质和玻璃质结构2、主晶相的晶粒尺寸:伟晶、巨晶、粗晶、中晶、细晶、微晶和隐晶结构伟晶:d3cm 巨晶:d=13cm 粗晶:d=10 5mm 中晶:d=2 5mm 细晶:d =0.2 2mm 微晶:d =0.02 0.2mm 2.隐晶:d E拉伸组织不敏感性缺陷结构(置换原子、第二相等)组织结构(

8、组织转变、冷塑性变形)对E影响不大2、塑性变形塑性低(键强、滑移系少,位错形成及运动极困难)离子晶体高温呈现一定的塑性,高温下更多的滑移系。共价键晶体高温不易滑移3、超塑性:在高温和低应变速率下出现的异常高的塑性变形率的现象。相变超塑性(陶瓷在承载时的温度循环产生相变来获得超塑性)组织超塑性(特定的组织在恒定应变速率下获得超塑性)细晶粒超塑性4、高温蠕变:形成晶间玻璃相,TGriffith脆性断裂理论材料中存在裂纹(孔隙、裂纹、夹杂等)外力作用下,裂纹尖端应力集中,大于th,材料断裂Ca, th裂纹的三种扩展方式:张开型(I型)、滑开型(II型) 与撕开型(III型),以I型最为常见平面应力:

9、只在平面内有应力,与该面垂直方向的应力可忽略,例如薄板拉压问题。平面应变:只在平面内有应变,与该面垂直方向的应变可忽略,例如蒸汽管道气压问题。具体说来:平面应力是指所有的应力都在一个平面内,如果平面是OXY平面,那么只有正应力x,y,剪应力xy(它们都在一个平面内),没有z,yz,zx。平面应变是指所有的应变都在一个平面内,同样如果平面是OXY平面,则只有正应变x,y和剪应变xy,而没有z,yz,zx。1)、纤维增韧机制:纤维断裂、拔出桥连、裂纹转向2)、连续长纤维增韧3)、短纤维和晶须(单晶体,低缺陷)4)、颗粒增韧机制:细化晶粒、裂纹转向与分叉5)、界面结构:强结合界面(界面扩散、界面反应

10、)、弱结合界面(机械结合、弱相互作用)与ZrO2相变相关的增韧机制相变过程,M相变(MsMf)尺寸效应dc, dI, dmddI,过于稳定,无相变dI d dc,应力诱发相变,相变增韧1、外加张应力作用,应力诱发相变2、相变吸收能量3、裂纹尖端产生压应力当f时,裂纹钝化dc ddm,微裂纹增韧1、诱发的微裂纹2Ccrit,为安全裂纹、钝化裂纹2、导致主裂纹偏转、分叉,吸收断裂能,在更高应力下断裂。桥联增韧:多晶陶瓷中局部晶粒的桥联、延性颗粒及纤维(晶须)补强主要增韧方法与材料相变增韧:ZrO2的增韧是多重机制的综合,应力诱发相变,微裂纹分叉,微裂纹偏转和残余应力等。纤维补强:Nicalon-S

11、iC纤维强化微晶玻璃复合材料和C/C复合材料主要韧化机制是裂纹桥接,纤维脱粘,纤维拔出等颗粒增强:Al2O3/Al复合材料(金属相连续)、W-3R纤维增强TiTaAl2(陶瓷相连续)吸能机制是裂纹偏转,裂纹桥接,粒子塑性变形等。铁钒土:化学式Al2O3.H2O,Al2O3.3H2O和少量FE2O3.SiO2 一种氧化铝矿石。常因含有氧化铁而呈黄至红色。Al2O3陶瓷-Al2O3属尖晶石结构,高温下不稳定。-Al2O3实质上是一种含有碱土金属和或碱金属的铝酸盐。六方晶格-Al2O3为高温形态,稳定度高达熔点六方晶系,刚玉结构。粉体制备1拜耳法(适于低硅铝矾土)矿石高压溶出碳酸化分解煅烧2烧结法将磨细的铝矾土、石灰石和苏打在11001200度回转窑中烧

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