陶瓷材料的显微结构.ppt

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1、第4章陶瓷材料的显微结构Chapter4FineTextureoftheCeramicMaterails显微结构：显微镜下所观察到物质的相种类、大小、形态和物相之间的相互的结合状况。相组成：晶相、玻璃相、气相晶形：每一种晶体在形成、长大的过程中，往往习惯地、自发地按一定的规律生长和发育成一定的几何形态。这种习惯称为结晶习性。自形晶：先结晶的晶体在较好的环境下生长，即在有利于按其本身的结晶习性的环境中生长发育的，而形成晶形完整的晶体。半自形晶：较迟结晶的晶体，在较差的生长环境下生长发育，形成晶形部分完整的晶体。他形晶：较迟结晶的晶体，在受抑制情况下生长发育

2、，形成晶形很不完整的晶体。多晶体的晶形1、自形晶；2、半自形晶；3、他形晶莫来石陶瓷中莫来石陶瓷自形晶的结构97瓷中刚玉半自形晶结构日用陶瓷中石英晶体受到熔蚀后呈他形晶结构§4.1陶瓷显微结构类型瓷坯中晶质和非晶质的含量全晶质半晶质玻璃质主晶相的晶粒尺度巨晶粗晶细晶中晶隐晶微晶主晶相晶粒的相对大小均粒状非均粒状斑状主晶相的形态与分布方式间粒间隔定向结构气孔的直径与分布粗孔细孔微孔主晶相晶粒的自形程度自形晶半自形晶他形晶晶粒形态特征粒状柱状针状柱粒状树枝状片状网络状放射状斑状对陶瓷中某些特殊结构的综合分析欠烧或过烧结构反应结构缺陷结构分相结构电(磁)畴结构

3、壳芯结构复合结构定向结构晶界与晶界相§4.2含缺陷陶瓷材料的显微结构一、制备过程产生的缺陷1、大孔径的孔隙2、不纯原料3、异常大晶粒4、团聚5、第二相夹杂物二、高温缺陷温度↑，陶瓷的强度↓高温破坏：广泛分布的显微结构损伤的积累过程；室温破坏：已经存在的裂纹的突然破坏所致。高温下损伤的形成与材料承受蠕变或蠕变破坏的能力有关。与高温强度有关的重要因素—晶界相烧结助剂如ＭgO等与Ｓi3N4中的SiO2杂质反应形成硅酸盐液相；冷却过程中，这些促进烧结致密的液相形成玻璃相驻留在晶界上，形成一层薄的非晶态层(约1nm)；材料在高温下(高于晶界玻璃相的转变温度)受力时

4、，由于蠕变裂纹的生长而破坏；晶界玻璃相成为物质的快速传递区，导致蠕变孔穴的迅速形成；网状裂纹扩展并最终相互连接，导致材料完全破坏。注：在某些应力与应变速率条件下，裂纹尖端后面的玻璃薄层未受损伤，则可以限制裂纹的生长速率。高温形变产生的孔穴和裂纹倾向于沿所受应力的方向排列高温下孔隙同样可以在没有外加应力的作用下产生。样品开始是完全致密的，但在氧化处理过程中由于晶界孔隙的形成发生肿胀。孔隙的产生是由于扩散进入的氧与被截留在晶界上的碳杂质反应生成CO气体所致。一、氧化物陶瓷§4.3陶瓷材料显微结构分析1、Al2O3陶瓷90瓷、95瓷、97瓷、99瓷、透明氧化铝

5、瓷95%瓷的主晶相α-Al2O3呈柱状晶形；97%瓷中的α-Al2O3仍呈柱状晶形；99%瓷和透明Al2O3瓷的晶形呈粒状，并且趋向于接近六边形断面Al2O3含量↑，玻璃相↓。Al2O3含量↑，烧成温度↑。95%瓷→1600℃；99%瓷→1700℃。二次重结晶，导致局部晶粒易于长大。原料本身不均匀；成型时的压力因素；烧成温度偏高；局部不均匀的液相存在。异常显微结构，晶粒大小分布显著不均匀。与添加剂的选用与加入量不当有关2、ZrO2陶瓷广泛应用的：钇-四方氧化锆(Y-TZP)；镁-部分稳定氧化锆瓷(Mg-PSZ)；铈-四方氧化锆瓷(Ce-TZP)；复合陶瓷

6、ZrO2-TiO2、ZrO2-Al2O3m-ZrO2t-ZrO2c-ZrO21150℃950℃2370℃t-ZrO2到m-ZrO2马氏体相变伴随有相当大的剪切应变(约8%)和体积增加(3%~5%)施加压应力可抑止t-ZrO2的相变；添加Y2O3、MgO和CeO2等稳定剂以降低相变温度，而使t-ZrO2在室温时处于亚稳定状态。①应力诱导相变增韧Y-TZP受外力时首先产生微裂纹；裂纹尖端产生张应力，t-ZrO2产生应力松弛，则产生相变，成为m-ZrO2；相变产生体积膨胀和剪切应变，引起的压应力抵消了外力造成的张应力，从而阻止裂纹进一步延伸，t-ZrO2相变中

7、止；只有施加更大的外力才能使相变继续进行，裂纹继续扩展，形成新的自由表面，直到材料断裂，从而提高了陶瓷的断裂韧性与强度。(1)相变增韧机制②微裂纹分支增韧主裂纹沿最大张应力的垂直方向扩展，由于相变而受阻中断，裂纹只能在偏离45o方向产生分支，也相当于在剪应力方向再度扩展。③微裂纹增韧材料制备过程中，由高温降至低温时，一些晶粒的t-ZrO2自发地相变到m-ZrO2，产生微裂纹，使材料增韧。①晶粒大小(2)影响相变增韧的因素ZrO2相变增韧材料中存在临界晶粒尺寸；晶粒尺寸大于临界尺寸时，易于相变，冷却过程中，伴随相变产生微裂纹，甚至大裂纹；晶粒尺寸太小，相变

8、难以进行，起不到增韧作用；因此控制晶粒大小成为获得性能优良的相变增韧材料的关键。