陶瓷材料显微结构与性能

1陶瓷烧结过程中影响气孔形成的因素有哪些? (1)煅烧温度过低、时间过低 (2)煅烧是时原料中的水碳酸盐、硫酸盐的分解或有机物的氧化 (3) 煅烧时炉内气氛的扩散 (4) 煅烧时温度过高,升温过快或窑内 气氛不合适等。 夏炎2.影响陶瓷显微结构的因素有哪些? 参考:(1) 原料组成、粒度、配比、混料工艺等 (2) 成型方式、成型条件、制品形状等 (3)干燥(干燥方式、温度制度、气氛条件、压力条件等) (4) 烧成制度(烧成方式、窑炉结构、温度制度、气氛条件、压力条 件等) 3. 提高陶瓷强度及减轻其脆性有哪些途径? 参考答案:a.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷。例如,采用热等静压烧结制成 的Si 3N 4 气孔率极低,其强度接近理论值。 b.在陶瓷表面引入压应力可提高材料的强度。钢化玻璃是成功应用这 一方法的典型例子。 c.消除表面缺陷,可有效地提高材料的实际强度。 d.复合强化。采用碳纤维、SiC纤维制成陶瓷/陶瓷复合材料,可有 效地改善材料的强韧性。 e.ZrO 2与增韧。ZrO 2 对陶瓷的强韧化的贡献有四种机理(相变增韧、微裂纹增韧、 裂纹偏转增韧、表面残余应力增韧)罗念 4.影响氧化锆相变增韧的因素是什么?简单叙述氮化硅陶瓷具有的性能及常用的烧结方法。 ①晶粒大小。当晶粒尺寸大于临界尺寸易于相变。若晶粒尺寸太小,相变也就难以进行。 ②添加剂及其含量使用不同的添加剂, t-ZrO2的可转变最佳晶粒大小、范围也不同。 ③晶粒取向。晶粒取向的不同而影响相变导致增韧的机制。 氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐化学溶液和熔体的腐蚀、高电绝缘体、低热膨胀和优良抗热冲击、抗机械冲击等性能。烧结方法:反应烧结氮化硅、无压烧结氮化硅、重烧结氮化硅、气氛加压氮化硅和热压烧结氮化硅。——李成5.气孔对功能陶瓷性能的影响及降低功能陶瓷中的气孔量的措施? 气孔均可使磁感应强度、弹性模量、抗折强度、磁导率、电击穿强度下降,对畴运动造成钉扎作用,影响了铁电铁磁性。另外,少量气孔亦会严重降低透光性。添加物的引入不仅可阻止二次重结晶,亦可以使气孔由晶界排出。为了降低功能陶瓷中的气孔量,可采用通氧烧结,成型时增大粒子流动性提高生坯密度,研究玻璃相对主晶相的润湿等措施。韦珍海6.瓷轴基本上是一层玻璃体,但从显微结构的角度来看,它可以分成几大类釉层并举例说明其中一种的釉层特点? 参考答案:釉层可为三大类:玻璃釉、析晶釉(或称结晶轴)和分相釉.以玻璃釉为例,玻璃釉一般是无色透明的,由硅酸盐玻璃所组成。釉层除了多少有些釉 泡之外,有时可见少量未熔的残留石英、粘土团块或云母残骸。 7.氧化铍瓷具有哪些特点? 参考答案:氧化铍瓷的主晶相为氧化铍,属于六方晶系。常呈柱状晶形,多为单一晶相。其结构属于纤锌矿型,这是低温型结晶,当温度升到2050℃以上时出现晶形转化,称为四方晶系晶体。在显微镜下,晶相呈无色透明,结晶良好,以自形晶为主,有时会出现双晶现象。 8.正温度系数热敏电阻有哪些主要特性? (1)电阻-温度特性 (2) 电压-电流特性 (3)电流-时间特性 (4) 电压效应和耐电压特性 9. 陶瓷电阻可分为几种?每种的应用是什么(只需举出一个应用的例子即可) ? (1)正温度系数热敏电阻,应用于自控温加热、温度测量与控制、过热保护、温度补偿、限流保护等方面。广泛应用于电子工业、医疗卫生、家用电器、机械、能源、生物工程等。 (2)负温度系数电阻, 高精度NTC热敏电阻材料及元件、表面安装用NTC热敏电阻、片式热敏电阻和薄膜热敏电阻。 (3)压敏电阻, 1.过电压保护,2.稳压方面的应用 (4)气敏电阻,主要有SnO2系、ZnO系、Fe2O3系、MgO系、TiO2系, 可用来制成气敏元件,在化工、环保与监测、煤矿、国防、汽车、食品、电子、石油、发电等很多领域,对有害、易燃、易爆等气体实施自动,并报警和调控。 (5)湿敏电阻, 应用于湿度测量和控制等很多领域。 (6)光敏电阻 CdS基陶瓷光敏电阻,烧结膜陶瓷光敏电阻,电阻照相用感光材料彩色电视摄像管靶材用光敏材料 甘孔梅 10.导致氧化铝二次重结晶出现有哪些因素? 答案:原料不均匀,成型时所受压力,烧成温度偏高,局部有不均匀的液相存在。 11. 为避免纤维或晶须与陶瓷基体之间发生化学反应,应采取哪些有效措施? 答案:(1)降低烧结温度; (2)对纤维表面进行各种预处理,使之涂上一层表面层以避免相互之 间的化学反应; (3)添加第三相物质以调整纤维与基体界面的晶界相组成。 梁作洲 12、提高陶瓷材料强度及减轻脆性的途径 a.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷 b.在陶瓷表面引入压力,可提高陶瓷材料的强度 c.消除表面缺陷,可有效的提高材料的实际强度 d.复合强化是发挥陶瓷材料优势的重要途径 e.ZrO 2与增韧。ZrO 2 晶体有三种结构即单斜相、四方相、和立方相 13、陶瓷的主要显微结构有哪些? 答:1、可控气孔率 2、室温力学强度 3、韧性 4、高温下抵抗形变或蠕动的阻力 5、热震阻力 6、硬度、滑动磨耗或摩擦力 7、热导率和热膨胀的控制 8、光学和特殊电、磁学功能 9、抗腐蚀性谢丰蔚14、各厂家多采用下列配方(1#)生产95瓷,求这只这种陶瓷材料的平衡矿物组成。 原料烧Al 2O 3 CaO SiO 2 苏州1#土 配料比% 3.25 1.28 1.95 解:假设烧氧化铝为纯Al 2O 3 ,苏州土为纯高岭土,按100kg配料计算。则瓷料 的化学组成为 Al 2O 3 93.5+1.95×0.395=94.27 SiO 2 1.28+1.95×0.465= 2.19 CaO 3.25×0.56=1.8 总计98.26 换算成百分含量: Al 2O 3 94.27/98.26=96% SiO 2 2.19/98.26=2.2% CaO 1.43/98.26=1.46% 15、氧化锆陶瓷的特点是什么? 答:①硬度高 ②强度高,任性好 ③半导体性 ④抗腐蚀 ⑤敏感特性 ⑥可作生物陶瓷吴小霞 16、陶瓷中玻璃相在在陶瓷显微结构形成时的作用主要是? (1)在瓷坯中起黏结作用,即把分散的晶相黏结在一起,其本身就成为连续相 (2)起填充气孔空隙的作用,使陶坯致密化而成为整体 (3)降低烧成温度 (4)抑制晶体长大并防止晶体的晶形转变 (5)有利于杂质、添加物的重新分布,或促进某些反应过程的进行。 17、为什么杂质一般会进入玻璃相或存在于晶界中? (1)因为晶界质点排列不规则,势能较高,因此杂质进入到晶格内引起点阵畸变 所克服的势垒就较低。 (2)在陶瓷材料中,某些氧化物易于形成不规则的晶态结构,这种结构只能在点阵排列不规则的晶界上富集,当浓度高时便形成玻璃相。 兰剑波 18.请简述镁橄榄石瓷 答:①镁橄榄石瓷是一种良好的微波绝缘陶瓷。制造镁橄榄石瓷的主要原料是以天然滑石和菱镁矿,其余是黏土以及其它一些含有Mg、Ba的矿物。 ②显微结构特征:瓷体中以镁橄榄石晶体为主题,晶体大多呈粒状或柱 状,结晶程度较完好,在瓷体中含有一定数量的玻璃相。 ③镁橄榄石晶体没有多晶转变,且介质损耗很低,绝缘电阻大,热膨胀 系数较大,故以此为主晶相制成的陶瓷,其介电性能比滑石瓷还要优越,可用作高频电场下与金属封接的器件中。 19.请简述反应烧结氮化硅的原理及优缺点 a反应烧结氮化硅的制备过程是通过反应来达到致密化的陶瓷。它以硅粉为原始粉料,在氮气氛下通过高温氮化得到的氮化硅材料。 b该工艺特点是制品在烧结前后的收缩变形很小,因此可以制作复杂形状制品,切成品较低。 c晶粒生长发育不十分完整,存在较多气孔,结构比较疏松。 周杰 20..按照陶瓷的原料,化学和矿物组成,可分类为? 答: (1)滑石瓷 (2)氧化铝瓷分为 (3)氧化铍瓷 (4)碳化硅瓷 (5)氮化铝瓷 (6)莫来石瓷 21.影响原顽辉石向斜顽辉石的主要因素及抑制晶形转化的技术措施有哪些? (1)玻璃相的影响:在原顽辉石周围均匀撒上一层玻璃相就能抑制其转化 (2)晶粒大小的影响:瓷体有细晶结构能抑制转化 (3)固溶体的影响:在滑石瓷中加入少量的Mn2+形成固溶体能防止老化或者粉化 (4)冷却条件:加快冷却速度可以防止其转化罗银玉 22.氧化铝瓷的着色机理 通常着色陶瓷的颜色和着色陶瓷的特征吸收频段相应颜色的补色(及反射频谱所显示的颜色)相当。所以,着色光谱对白色光谱所反射光谱既可作为对陶瓷颜色的度量。如果陶瓷的反射强度很低,说明陶瓷材料对可见光个频段的电磁波有强烈的吸收,陶瓷会呈现深色或黑色 23熔融石英(SiO2)陶瓷性质和用途 ①热膨胀系数小 ②优良抗热震性 ③热导率特别低 ④机械强度不高但随温度变大 ⑤具有很好的化学稳定性。陈玉婷 24. 颗粒材料的结构单元的定义是什么? 包含固相及一种流体相的颗粒坯体的显微结构为固相颗粒的三维排列,这些固相颗粒是成型过程中的动力学单元,称为颗粒材料的结构单元 25.常规表征坯体显微结构方法有哪些? ①用阿基米德方法测定密度 ②用水银气孔法测定开口气孔率及表现气孔孔径分布 ③定性使用电子显微镜 采用气体吸附滞后方法进行中型气孔表征. 曾照明 26.陶瓷韧化的主要途径有哪些? (1)改善陶瓷的纤维结构,提高材料的密度、纯度、晶体完整性以及改变晶形、 晶粒尺寸,晶界状况等,以获得最佳的显微组织; (2)微裂纹增韧,当主裂纹遇到微裂纹时,发生分叉转向前进,增加扩展过程 中的表面能,并松弛主裂纹尖端的应力集中,减慢裂纹的扩散速度; (3)相变增韧 (4)表面强、韧化,如果在陶瓷制造的过程中,是材料表面形成一残余应力, 它可以抵消一部分的外加应力,从而达到强化和韧化的目的。 (5)纤维(晶须)强化、韧化 (6)颗粒弥散增韧等 27.结构陶瓷的性能有哪些? (1)力学性能,主要指弹性、塑性、拉伸(强度)、蠕变、抗冲击(韧性)性 能、抗疲劳性性能、热冲击性能、强度—重量比; (2)高温性能,主要指高温下的力学性能、抗氧化腐蚀性能、微观结构和组成 (挥发、反应、相变等); (3)耐磨性能,指材料抵抗其他材料磨损的能力; (4)耐蚀性能,指材料抵抗腐蚀的能力。唐艳琴 28、从哪几个因素考虑才能使材料不会出现不相称的折中强度? (答案:1裂纹开裂途径的偏转;2 在受压应力场处裂纹生长的釘扎:3 裂纹受未 开裂韧带的桥接:4 主要裂纹周围出现微裂纹时3的能量吸收:5 使开裂面受到挤压,亦即相变膨胀。) 29、材料性能可分为哪几类? (第一类为力学性能,包括弹性,塑性,强度,硬度,韧性,疲劳、磨损性能,高温力学性能等。第二类为物理性能,包括热学,磁学,电学,光学,压电与铁电,腐蚀,老化与稳定性等性能。)黄盛大 30.碳化硅有哪两种结晶形态?其晶格的基本结构单元是怎样形成的? 立方晶系β-SiC和六方晶系α-SiC。碳化硅晶格的基本结构单元:相互穿插的SiC4和CSi4四面体,四面体共边形成平面层,并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。 31、工业碳化硅生产存在问题 需要提纯;需要磨细、分级过程;工艺环节多,成本高,得到的碳化硅性能难以提高(粒度分布、纯度等); 32.碳化硅陶瓷的烧结工艺有哪些? 反应烧结碳化硅陶瓷;无压烧结碳化硅陶瓷;重结晶碳化硅陶瓷;热压烧结碳化硅陶瓷;高温热等静压烧结碳化硅陶瓷;化学气相沉积碳化硅陶瓷 33.碳化硅陶瓷特点? 使用温度高,可达1500oC。耐腐蚀性极强。硬度高。 34.碳化硅热压烧结碳化硅陶瓷的优点? 热压烧结以外力促进烧结,烧结时间短,晶粒细。强度及硬度都较无压及反应烧结高。;以B4C和C为添加剂的α-SiC热压烧结工艺,发现在2050℃下SiC几乎完全致密。;并且SiC烧结体强度高达500 MPa,且从室温到1400℃的高温强度几乎不变,在高温下略有升高,表明晶界处无低熔点物质生成。 35.碳化硅固相烧结特点? 固相烧结的缺点主要为:需要较高的烧结温度(>2000℃)。对原粉材料的纯度要求较高。并且烧结体断裂韧性较低,有较强的裂纹强度敏感性。在结构上表现为晶粒粗大且均匀性差,断裂模式为典型的穿晶断裂。 36.无压烧结碳化硅陶瓷有纳西诶优异特性? 硬度高、高温承载能力强、抗氧化、耐磨损、热导率大、热膨胀系数小以及耐酸碱化学腐蚀等优异特性 37.反应烧结碳化硅陶瓷的特点? 复杂形状;大尺寸;耐磨;耐酸碱;耐高温 38.超细碳化硅粉末合成方法可以用纳西诶物质作为原料? 硅酸乙醋和酚醛树脂;硅溶胶和碳黑;水玻璃和碳黑。 周金沙全兰荣廖承洁樊保婷 39.弹性位移极化包括哪两种形式?对介电常数有何影响? (1)电子位移极化引起陶瓷材料介电常数增大 (2)离子位移极化引起陶瓷材料介电常数减小 40.为了使陶瓷透明,必须具备什么条件? ①密度高,至少为理论的99.5﹪以上; ②晶界上不存在空隙,或空隙大小比光的波长小得多,晶界上没有杂志和玻璃相,晶界的光学性质与晶体之间的差别很小 ③晶粒小且均匀,其中没有空隙 ④晶体对入射光的选择吸收很少 ⑤材料有光洁度高的表面 ⑥无光学各向异性,晶体结构最好是立方晶系黄才珠 41、陶瓷材料在生产过程中,造成气孔形成的因素有哪些? (1)煅烧温度过低、时间短 (2)氧化(结构水、碳酸盐等) (3)炉内气氛的扩散 (4)温度过高,气泡隆胀 42、结构陶瓷制备过程所产生的缺陷有哪些? (1)大孔径的孔隙 (2)异常大晶粒 (3)团聚和第二相夹杂物 43、常规表征坯体显微结构方法有哪些? ①用阿基米德方法测定密度 ②用水银气孔法测定开口气孔率及表现气孔孔径分布 ③定性使用电子显微镜 ④采用气体吸附滞后方法进行中型气孔表征 余统和45.写出集中功能陶瓷的种类(至少五个) 答案:电容器陶瓷和电子陶瓷、磁性瓷、压电瓷、远红外辐射陶瓷、光学陶瓷、热敏电阻瓷、氧化锌变阻器、湿敏瓷、生物功能瓷、薄膜功能次 46.提高陶瓷材料韧性的方法: 答案:提高陶瓷材料韧性的有效方法主要有以下四种。 第一,氧化锆相变增韧陶瓷材料; 第二,陶瓷基复合材料; 第三,弥散强化或称多相复合陶瓷材料; 第四,自补强陶瓷材料。 祁正强 47.陶瓷材料制品产生气孔的原因,列举几个原因? (1)煅烧温度过低、时间过短 (2)煅烧的原料中的结构水,碳酸盐,硫酸盐的分解货有机物的氧化 (3)煅烧时窑炉气氛的扩散,使陶瓷制品中含气孔 (4)煅烧温度过高或温度过快,要内气氛不适合 48.陶瓷韧性的增韧机制可分为行程区增韧和桥接区增韧,请挑选一种解释其原理。 行程区增韧机理 在行程区增韧中,所施加的应力诱使裂纹前端“行程区”的显微结构发生变化。之后,随着裂纹的生长,在其后会形成一个扩展的行程区。如果行程区的显微结构变化中包括不可逆转的体积膨胀,那么裂纹将处于受压状态,从而达到增韧的效果。行程区会随着裂纹的扩展而扩展,从而会自动出现阻尼曲线的行为。这类增韧机理包括相变增韧和微裂纹增韧。 若裂纹尖端后部的增强体(如纤维、晶须、延性相和大晶粒)仍未受损伤,它们便会使裂纹尖端免受外加载荷的完全作用,从而达到增韧效果。延性增强体通过桥接会显著提高韧性,典型的例子为WC/Co,其韧性值约为16MPa·m1/2。 潘士伟49.如何确定陶瓷中晶体颗粒的大小? 答:对于球形颗粒,要确定颗粒的大小,只需要侧其直径。如不是球形颗粒,可以通过某种方法等效成球形颗粒,一般采取的方法有等效体积直径、等效表面积直径以及以同样速率沉降的同密度的球定义为等效沉降直径。 葛建 50. 陶瓷中玻璃相在陶瓷显微结构形成时的主要作用? (1)在瓷坯中起粘结作用,即把分散的晶相粘结在一起,其本身就成为连续相; (2)起填充气孔间隙的作用,使瓷坯致密化而成为整体;(3)降低烧成温度; (4)抑制晶体长大并防止晶体的晶形转变;(5)有利于杂质、添加物的重新分 布,或促进某些反应过程的进行。 51. 陶瓷显微结构类型分类 (1)根据瓷坯中晶质和非晶质的含量分为全晶质、半晶质和玻璃质等。 (2)根据主晶相的晶粒尺度分为巨晶、粗晶、中晶、细晶、微晶和隐晶结构。 (3)根据主晶相晶粒的相对大小分为均粒状、非均粒状和斑状结构(包括玻璃波斑状结构)。——梁郅旺 52..生坯整体性能的表征有哪些? (1)整体密度(2)气孔率(2)坯体强度(3)胀流性(4)颗粒尺寸和颗粒尺寸分布(6)颗粒形状(7)配位数 53.与金属前聚体相关的制备工艺有哪些? (1)反应结合 (2)金属导向氧化法 (3)共连续陶瓷复合材料 (4)控制核成形的结构 (5)陶瓷材料的模型结构黄顺 54.简答陶瓷材料中除了结晶相还包含哪些相并说明该相是如何形成的。 答:玻璃箱,胚体在高温烧成时瓷料中引入的各种杂质组分经物理化学反应后有液相形成,在某种冷却条件下即可形成玻璃相。气相,粉体粒径不均匀导致的胚体成型不致密,以及在烧制过程中胚体膨胀或者收缩不均匀导致。 55.复相双极结构 答:若将陶瓷粉体与不同成分粉体喷雾干燥制备的团聚体进行混合,便可能获得新的复合材料。该材料中,一种结构的类球体分散在另一种结构的基体之中。我们将这种结构称为复相双级结构。许原谅 56、氧化铝陶瓷有哪些特性并简要介绍其应用 (1)机械性能高(装置瓷和其它机械机构等) (2)电阻率高(基板、火花塞等) (3)硬度高(刀具、人造宝石等) (4)熔点高抗腐蚀(耐火材料、炉管等) (5)优良的化学稳定性(人工骨、坩埚等) (6)光学特性(透光材料如钠蒸气灯管等) (7)离子导电性(太阳能电池材料和蓄电池材料) (8)Al2O3也常用于陶瓷表面金属化技术 57、请列举出结构陶瓷的性能(至少4种)并选出其中一个性能对其定义(或具有这一性能的原因)及其应用作简单的概述。 参考答案见课本第243—246页 梁春暖58.什么是传统陶瓷是以什么为原料所制成的?请任意举出4类传统陶瓷。 答案:传统陶瓷又称三组分陶瓷,它是由粘土、长石和石英等三种矿物或含有一些白云母的瓷石为料制成的。包括(日用瓷、艺术瓷、陈设瓷、牙科瓷、精陶瓷、卫生瓷、高(低)压电瓷和古陶瓷)中的任意四类。 59.结构陶瓷是指用于什么环境中的陶瓷?它分为哪几种?请任意举出四种结构陶瓷。 答案:结构陶瓷用于高温、高压、抗辐射、抗腐蚀、抗冲刷等环境中,它分为装置瓷和高温结构瓷两种。主要抱括(滑石瓷、镁橄榄石瓷、氧化铝瓷、氧化铍瓷氧化锆瓷)中的任意四种。 廖水庭 58热性能包括几个方面? ①熔点②热熔③热膨胀系数④导热性⑤热应力与抗热震性 59.对于密封材料,要求较高的显微结构特征? ①能够研磨或抛光成高质量的光洁度; ②选择合适的化学成分和相成分以便在磨耗的条件下抵抗环境的化学作用。 陆洲