材料结构与性能解答

1、1、离子键及其形成的离子晶体陶瓷材料的特征。 答：当一个原子放出最外层的一个或几个电子成为正离子，而另一个原子接受这些电子而 成为负离子， 结果正负离子由于库仑力的作用而相互靠近。 靠近到一定程度时两闭合壳层 的电子云因发生重叠而产生斥力。 这种斥力与吸引力达到平衡的时候就形成了 离子键 。此 时原子的电中性得到维持， 每一个原子都达到稳定的满壳层的电子结构， 其总能量达到最 低，系统处于最稳定状态。因此，离子键是由正负离子间的库仑引力构成。由离子键构成 的晶体称为 离子晶体 。离子晶体一般由电离能较小的金属原子和电子亲和力较大的非金属 原子构成。离子晶体的结构与特性由离子尺寸、离子间堆积方式

2、、配位数及离子的极化等 因素有关。离子键、离子晶体及由具有离子键结构的陶瓷的特性 有：A、离子晶体具有较高的配位数，在离子尺寸因素合适的条件下可形成最密排的结构；B、离子键没有方向性C、离子键结合强度随电荷的增加而增大，且熔点升高，离子键型陶瓷高强度、高硬 度、高熔点；D、离子晶体中很难产生自由运动的电子，低温下的电导率低，绝缘性能优良；E、在熔融状态或液态，阳离子、阴离子在电场的作用下可以运动，故高温下具有良 好的离子导电性。F、吸收红外波、透过可见波长的光，即可制得透明陶瓷。2、共价键及其形成的陶瓷材料具有的特征。 答：当两个或多个原子共享其公有电子，各自达到稳定的、满壳层的状态时就形成

3、共价键 。 由于共价电子的共享， 原子形成共价键的数目就受到了电子结构的限制， 因此共价键具有饱 和性。 由于共价键的方向性，使共价晶体不密堆排列。这对陶瓷的性能有很大影响，特别是 密度和热膨胀性， 典型的共价键陶瓷的热膨胀系数相当低， 由于个别原子的热膨胀量被结构 中的自由空间消化掉了。共价键及共价晶体具有以下特点 ：A、共价键具有高的方向性和饱和性；B、共价键为非密排结构；C、典型的共价键晶体具有高强度、高硬度、高熔点的特性。D、具有较低的热膨胀系数；E、共价键由具有相似电负性的原子所形成。3、层状结构材料的各向异性。 答：层状结构中范德华力起着重要的作用， 陶瓷的层状结构间有较强的若键存

4、在使得层与层 之间连接在一起。 蒙脱石和石墨的结构层内键合类型不同于层间键合类型， 因此材料显示出 较高的各向异性。 所有的这些层状结构的层与层之间很容易滑移， 粘土矿物中的这种层状结 构使它在有水的情况下容易发生塑性变形。4、影响陶瓷材料密度的因素。 答：密度是指单位体积的质量，陶瓷材料的密度有四种表示方式，分别是：结晶学密度、理 论密度、体积密度、 相对密度。 前三种在制作过程中没有形成气孔，在结构内的原子间只有 间隙。 陶瓷材料的密度主要取决于元素的尺寸， 元素的质量和结构堆积的紧密程度。 相对原 子质量大的元素构成的陶瓷材料显示出较高的密度， 如碳化钨、 氧化铪等。 金属键合和离子 键

5、合陶瓷中的原子形成紧密堆积， 会使其密度比共价键键合陶瓷 （较开放的结构） 的密度更 奥一些，如锆石英。5、硬度所反映的材料的能力；静载荷压入法测定硬度的原理。答：硬度 代表材料抵抗硬的物体压陷表面或破坏的能力。 静载荷压入法测定硬度的 基本原理 ： 将一硬的物体在静载荷的作用下压入被测物体的表面， 以凹面单位面积的载荷表示被测物体 的硬度。分为：布氏硬度、维式硬度和洛氏硬度三种。6、影响陶瓷材料硬度的因素。 答：大多数陶瓷具有较高的硬度， 但有部分陶瓷的硬度较低， 这主要取决于化学键及其内部 结构。虽然硬度在一定程度上可以反映材料的耐磨损性， 但是有些耐磨损性很好的陶瓷硬度 也不是很大。所以

6、硬度测试不能代替耐磨损性测试来衡量材料的耐磨损性。陶瓷、 矿物、晶体的硬度主要取决于结合建类型、晶体结构和化学组成。 离子半径越小，离子电价越高、配 位数越大、结合能越大，抵抗外力摩擦、刻划及压入的能力也就越强，所以硬度就较大. 此外，陶瓷材料的微观结构、裂纹、杂质等都对硬度有影响。温度对陶瓷的硬度也有影响，一 般温度升高，硬度下降。7、影响固体材料的熔点的主要因素。 答：固体材料的熔点主要取决于内部质点间结合力的大小， 即晶体中化学键的类型和它的强 弱程度。结合力越大，破坏质点间的联系所需的能量就越大，熔点就越高；反之，则熔点就 越低。 从微观上讲， 融化过程是一个很复杂的过程，影响材料熔点

7、的因素不是单一的， 还和 晶体结构的类型、配位状况、离子半径的大小、极化作用等许多因素有关。8、结构陶瓷材料的力学性能特征。答： 与金属材料和有机材料不同，陶瓷材料具有弹性模量高、抗压强度和高温强度高、 高温蠕变小等力学性能，同时其断裂韧性又比较低，表现出脆性断裂。 材料的弹性模量的工程意义；影响陶瓷材料的弹性模量的因素。 答：材料的弹性模量的工程意义： 弹性模量在工程上反映了材料刚度大小， 在微观上反映原 子的键合强度。 键合越强，则使原子间隙加大所需的应力越大，弹性模量就越高。 因此弹性 模量与陶瓷的键合类型有关，通常具有共价键的陶瓷其价键强，E 值也高。影响陶瓷材料的弹性模量的因素： 若

8、陶瓷材料的结合键在不同方向上有所不同， 其 E 也不同； 气孔率会影响陶瓷弹性模量， 其影响总是使弹性模量降低； 温度对材料的弹性模量也有影响， 通常温度升高，弹性模量 E 稍微降低。10、陶瓷材料的实际强度与理论强度。 答：陶瓷材料的强度， 若根据原子键断裂来计算可得到理论强度； 若将材料内部和表面的各 种缺陷， 如裂纹、 气孔或夹杂物都考虑进去， 则为实际强度。 材料的刚性 （弹性模量） 越大， 表面能越大，原子间距越小，即结合得越紧密，理论强度越大。但由于材料中存在着制造缺 陷和结构缺陷，如气孔夹杂物、裂纹、团聚等，从而导致应力集中，使材料在远低于理论强 度的载荷下发生断裂。因此对于给定

9、的陶瓷材料， 四11、四点弯曲试验、三点弯曲试验、单轴向拉伸试验测定的强度值特点。 答：四点弯曲试件的最大应力是在两个加载点之间的整个拉伸表面内， 拉伸应力从加载点至 底部支点降为零。 三点弯曲强度测试的最大应力位于试件加载点对面的表面中线上， 应力沿 着试件两端呈线性下降， 在试件底部支点处应力降为零。 拉伸强度实验在测量断面的整个体 积内都处于最高应力状态， 从而试件内缺陷都处于高应力下，点弯曲实验得出的强度值比三点弯曲实验得出的数值要低一些， 单轴向拉伸顺眼得出的强度 值低于弯曲强度值。12、加载速率对陶瓷材料强度测定值的影响。 答：陶瓷的强度随加载速率的增加而增加。 从某种程度上讲，

10、可以将强度随加载速率变化看 作是缺陷对强度的影响， 随加载速率而变化。 加载速率越大， 缺陷对强度的影响越小。 对于 相同的试样和相同的尺寸的裂纹，高速载荷下的强度测试值要比慢速载荷下的强度高的多， 因为在慢速载荷上裂纹有足够的时间扩展。13、单边切口梁法和压痕法测定材料断裂韧性的优缺点。 答：单边切口梁法定义： 在矩形截面的长柱状陶瓷部件中部开一个很小的切口作为预置裂纹， 切口宽度最好不大于 0.25mm，切口深度约为试件的 0.40.5 倍，采用三点或四点弯曲对试 样加载直至断裂。主要优点是： 试样加工比较简单， 采用矩形长试样 2mmx4mmx(3640mm),中间用金刚石圆形刀开一狭

11、窄的切口(切口宽 0.25mm，深度为 0.40.5W) ； 测定值比较稳定，可比较性好，又比较接近真实的 Kic ； 可在高温或不同介质与气氛中试验。因此，该法已被许多国家用作标准方法。 缺点：断裂韧性受开口宽度的影响， Kic 随切口宽度的增大而增大，这样，若开口宽度 控制单边切口梁法所测定的断裂韧性 Kic 可能偏高。压痕法定义： 在陶瓷表面进行精密抛光， 表面光洁度达到 1 m以上， 在硬度以上用 Vickers 金刚石压头以适当的载荷加载，制造压痕及延压痕对角线扩展的裂纹。主要优点： 对试样尺寸、数量要求低，便于制备，可用小尺寸样品测试断裂韧性； 试样加工简单，仅需对表面精密抛光；

12、不需预制裂纹，测试速度快； 不需要特殊的装置和夹具，只要不同的硬度计； 可以测试同一个试样的 Kic 的不均匀性。 缺点： 受材料组织均匀性影响，对某些材料，如气孔率高和组织非常不均匀的材料不适用； 测量值分散性大；压痕应力场复杂，解析结果中含很多假设，各计算公式得到的值差别较大。 所以，应尽量增加测试点数，以提高结果准确性。14、共价键陶瓷的热膨胀系数较低，而离子键陶瓷或金属材料相对较高的原因。 答：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为 热膨胀性 。用热膨胀系数 来表征。 通常共价键陶瓷具有较低的热膨胀系数。 这是由于共价键的方向性使这类陶瓷中易产生一些 空隙，受热时各原子产生振动的

13、振幅中有一些被结构内的空隙和键角的改变所吸收， 从而使 整个部件的膨胀小的多。 而对于离子键陶瓷或金属材料， 由于它们具有紧密堆积结构， 受热 时每个原子的振幅累积起来使得整个材料发生比较大的膨胀。15、气孔对陶瓷材料热导率的影响。答：热导率的物理意义 是指在单位温度梯度下， 单位时间内通过单位垂直面积的热量。 通常， 陶瓷含有一定量的气孔， 气孔对热导率的影响是较复杂的。 一般情况下， 气孔的体积分数越 高，陶瓷材料的热导率就越低， 气孔率大的陶瓷保温材料往往具有很低的热导率。 对于陶瓷 粉末和纤维材料， 其热导率比烧结状态时低的多， 这是因为这期间气孔又形成了连续相， 因 此，材料的热导率

14、就会在很大程度上受气孔相的热导率的影响。 这也是通常情况下陶瓷粉末 和纤维类材料能有良好的隔热性能的原因。16、材料的抗热震性的概念。陶瓷材料热应力的产生方式。 答：材料的抗热震性是指材料承受温度的急剧变化而不被破坏的能力。 也可称为抗热冲击性， 或热稳定性。 由于温度变化而引起的内应力称为热应力。 热应力可能导致材料热冲击破坏或 者热疲劳破坏。 而抗热震性实际上就是抵抗热应力。 陶瓷材料热应力的产生主要有一下集中 方式： a、温度梯度引起热应力； b、热膨胀系数不同引起热应力； c、陶瓷部件被约束时产 生热应力。17、多晶陶瓷材料的热震破坏的类型。 答：多晶陶瓷材料的热震破坏有两种类型： 一

15、种是材料发生的瞬时断裂， 抵抗这类破坏的性 能称为抗热震断裂性， 一般玻璃和致密陶瓷材料大都属于这种情况。 另一种是在热冲击循环 作用下， 材料表面开裂和剥落并不断延伸和发展， 最终碎裂或失效， 抵抗这类破坏的性能称 为抗热震损伤性。 一般含有微孔的陶瓷和耐火材料及非均质的金属陶瓷容易发生此种特征的 热震破坏。18、影响热震断裂的因素及其影响情况。答：对于因热应力是陶瓷发生瞬时断裂的情况，从R和 R'银子可以知道，材料的强度 、弹性模量 E、热膨胀系数 和热导率 是主要影响因素。提高材料强度 有利于抗热震性的改善，而弹性模量ED大，弹性小，在热冲击条件下材料难以通过变形来波分抵消热应力

16、，因而对抗热震性不利、另外，若使 E 提高对改善抗热震性也有利。 热膨胀系数 。在同样的温度下， 小的材料产生的热应力小，其 R 也大。 热导率 。热导率大，材料内温度梯度会减小，温差应力就小，有利于改善抗热震性。 此外，断裂韧性高的陶瓷有利于抗热震性的改善。对于热震损伤这种缓慢的材料破坏，从 R'''和 R''''因子可知，低的 值和大的 E 值更有利，在微观结构上能够吸收断裂功的结 构有利于抗热震性。 热膨胀系数 和热导率 的影响同上述讨论一直。 此外， 减少陶瓷制品 表面的热传递系数 h 是提高陶瓷产品质量及成品率的重要措施。而减小

17、产品的有效厚度 r eff 也有利于对热震损伤性的减小。19、掺杂氧化锆陶瓷的导电机理。答：材料的导电性主要取决于载流子， 有电流通过就意味着有带电质点的定向运动， 这些带 电质点携带电荷进行定向输送形成电流，故称为“载流子”。 ZrO2 掺杂或在高温下呈典型的离子电导而具有导电性， ZrO2 这一特性课用于氧敏检测装置和高温发热体。在 ZrO2中添加某4+些阳离子半径与 Zr 4+离子半径相差 12%以内的低价氧化物如 CaO、MgO、Y2O3、Yb2O3，经高温 固溶处理以后，低价阳离子部分地置换了高价的Zr 4+离子，为保持系统的电中性，该结构中就形成了氧缺位型的固溶体。氧离子缺位以及氧

18、缺位附近的氧离子在晶格中扩散形成电导， 电导大小取决于环境温度和氧的分压。 ZrO2 在空气中加热到一定温度范围可由绝缘体转变 为导电体。 在 1000左右时离子电导已占其全部电导95%以上， 因此， 此时的电导形式成为离子电导。20、陶瓷材料的介电损耗、衡量方式及影响因素。 答：介电损耗是陶瓷材料在交变电场内， 由于电导和极化过程产生的能量损耗。 常用陶瓷介 质损耗角正切值 tan 来衡量介电损耗大小，称介电损耗因子。介电损耗因子 tan 值与电 场频率和环境温度有关，在频率增高时 tan 值减小；温度升高后离子易于运动，会使 tan 值增大，在 50Hz时温度由 20升高至 100，瓷器的

19、 tan 值可能增大 510 倍。此外， 陶瓷介电材料的 tan 值对湿度也很敏感，受潮后试样的tan 值急剧增大。21、影响陶瓷材料透光率的主要因素及提高多晶材料的透光性的措施。答：多晶陶瓷材料的透光性主要是与反射系数m，吸收系数 ，散射系数 s 密切相关，其透过光强为 I I01-m2e（- s）x ，吸收系数 的值在可见光范围内是比较低的， 在影响透光 率的因素中不占主要地位。反射系数与材料对周围环境的相对折射率及材料表面光洁度有 关，减小折射率差异和提高光洁度有利于改善透光性。而由陶瓷内部气孔、杂质、 晶界等非均匀结构导致的散射是影响透光率的最主要因素。 因此， 消除杂质和气孔， 特别

20、是消除大气 孔，减小颗粒与晶界相折射率的差值都将显著提高多晶材料的透光性。 对于具有双折射特定 的非立方结构的多晶陶瓷材料， 通过晶粒定向排列形成织构， 使晶粒的光轴趋于平行， 可大 大提高其透光性，而对于 MgO、Y2O3、MgAl2O4 等立方晶系陶瓷，没有双折射现象，可制的几 乎完全透明的陶瓷材料。22、含 Cr2O3的 Al 2O3陶瓷的呈色机理。 答：当陶瓷材料中某些离子还有易激发的电子， 可见光范围的光线可能被吸收， 这是陶瓷就 呈现出颜色。 Al 2O3瓷料中引入 Cr2O3和 MnO而致。还 1%左右 Cr2O3的 Al 2O3陶瓷常呈现红色， 就是因为固溶到 - Al 2O3

21、晶格中的 Cr3+离子对可见光的蓝绿色频段有强烈的选择性吸收，从而使瓷体呈现蓝绿色的补色，即粉红色。23、激光材料是的组成、基质的作用、激活离子。 答：激光材料由基质和激活离子组成，基质的作用主要是为激活离子（发光中心） 提供一个 合适的晶格场，使之产生受激发射，应用最广的基质是氧化物及氟化物晶体，如Al 2O3、Y3Al 5 O15, 、 YAlO3、BaF2、 SrF2、 YLiF 等。作为发光中心的少量掺杂离子称为激活离子，主要 是过渡族金属离子、三价稀土离子等。24、材料的脆性 - 延性转变温度。 答：一般而言，在较低温度范围内，陶瓷的断裂破换属脆性行为，即没有塑性变形，同时极 限应力很小，对微小缺陷很敏感。但在高温区，陶瓷在断裂前可产生微小塑性变形，极限应 变大大增加，有少量碳素性行