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1、工程陶瓷材料教学大纲-正文内容开始- PAGE PAGE6 工程陶瓷材料课程教学大纲 课程代码：INME2022 课程类别：专业教学课程 授课对象：无机非金属材料、材料工程等专业 开课学期：秋季 学分：2 学分 指定教材：金志浩，工程陶瓷材料，西安交通大学出版社，2000年 一、教学目的： 本课程是材料科学与工程专业学生的一门专业课程。通过教学，使学生比较系统地掌握陶瓷材料的制备、成型及烧结工艺，学会分析显微结构和性能之间的关系，了解各种工程陶瓷的最新应用，为今后学习有关专业课程提供必要的基础知识，并培养学生分析和解决工厂生产中工程实际问题的能力。 二、课程内容 第一章 绪论 1、教学内容 第
2、一节 传统陶瓷与先进陶瓷 讲述传统陶瓷与先进陶瓷的概念、不同点。 第二节 陶瓷科学与工程的研究内涵 研究陶瓷材料合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四者之间的关系与规律的科学。 第三节 陶瓷晶体结构与陶瓷特性 晶体结构特点：（1）陶瓷材料化学键结合强度高，具有方向性。（2）显微结构的不均匀性和复杂性。陶瓷材料特性：高熔点、耐磨损、高强度、耐腐蚀，脆性大、难加工、可靠性与重现性差等。 第四节 陶瓷在工程应用中应注意的几个问题 （1）脆性大、塑韧性低；（2）陶瓷材料的成本与应用；（3）强度设计与合理使用。 第五节 陶瓷材料与环境协调性 2、教学要点 了解传统陶瓷与先进陶瓷的概念，掌握两者之间的不
3、同点，熟悉先进陶瓷的最近应用进展；掌握材料合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四者之间的相互制约关系；熟悉陶瓷材料的晶体结构与特性以及陶瓷材料在使用过程中应该注意的问题。 第二章 陶瓷材料的显微结构及其表征 1、教学内容 第一节 陶瓷材料的显微结构 讲述内容包括：陶瓷材料的结合键及其晶体结构；陶瓷晶体结构的同质多象现象以及陶瓷晶体结构中的缺陷与固溶体。 第二节 陶瓷材料的显微结构表征 对陶瓷材料的显微结构进行不同测试表征，包括：X射线衍射分析技术（XRD）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、电子探针显微分析（EPMA）、X光电子能谱分析
4、（XPS）等。 2、教学要点 通过本章节的学习，主要掌握构成陶瓷材料显微结构的三大要素（主晶相、玻璃相、气相）及其对陶瓷材料结构与性能的影响；学会用不同的测试表征手段对材料的显微结构进行分析，了解其测试的基本原理；熟悉常用陶瓷的晶体结构及其特点。 第三章 陶瓷材料的工艺制备过程 1、教学内容 第一节 陶瓷原料的制备 陶瓷原料的制备方法一般有两种：一种是机械破碎法，另一种是合成法（包括固相合成、液相合成、气相合成）。机械破碎法中重点讲述球磨法。固相法包括化合反应法、热分解反应法、氧化物还原法等；液相法包括沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、水热法等；气相法包括物理气相沉积和化学气相沉积。 第二节
5、工程陶瓷的成型 成型就是将陶瓷粉料加工制备成具有一定形状和尺寸的毛坯。工程陶瓷的成型主要包括：可塑成型、注浆成型和压制成型。 第三节 工程陶瓷的烧结 烧结的定义：经过成型的粉末在加热到一定温度后开始收缩，在低于物质熔点温度之下变成致密、坚硬烧结体的过程。 烧结驱动力；固相烧结和液相烧结的传质机理；烧结方法描述及烧结过程中影响因素。 2、教学要点 通过本章节的学习，了解陶瓷原料不同的制备方法，重点掌握球磨法、溶胶-凝胶法、水热法这几种常用方法，熟悉其制备工艺流程及其影响因素；了解不同的成型方法，掌握成型过程中如何有效选择塑化剂；熟悉不同的烧结方法，学会分析烧结过程中的工艺变化对材料结构和性能的影
6、响。 第四章 陶瓷材料的力学性能 1、教学内容 第一节 陶瓷材料的弹性 弹性模量的定义；显微结构（气孔率）对弹性模量的影响；弹性模量的测试方法。 第二节 陶瓷材料的塑性 塑性变形的定义；超塑性的概念；相变超塑性、组织超塑性；影响陶瓷材料超塑性的因素（晶粒尺寸、显微结构稳定性、应变速率、变形温度等） 第三节 陶瓷材料的强度 强度的定义；陶瓷材料在室温下很难发生塑性变形的原因；陶瓷材料的断裂与断裂强度、抗弯强度、抗压强度；影响陶瓷材料强度的因素（晶粒尺寸、气孔、晶界、试样尺寸、温度等） 第四节 陶瓷材料的断裂韧性与陶瓷增韧途径 断裂韧性的基本概念及测试方法；陶瓷材料的增韧方法（晶须纤维增韧、异相弥
7、散强化增韧、氧化锆相变增韧、显微结构增韧、表面强化增韧、复合增韧）。 第五节 陶瓷材料的硬度与磨损 硬度的概念及不同的硬度表示方法；磨损产生的原因及其预防措施。 第六节 陶瓷材料的热冲击 热震短裂和热震损伤是陶瓷材料热冲击失效的两种方式。热震断裂的定义及其评价方式；热震损伤的定义及其评价方式；影响陶瓷抗热震性的主要因素（热膨胀系数、热导率、弹性模量、断裂能）。 2、教学要点 通过本章节的学习，掌握陶瓷材料的各种力学性能包括弹性模量、塑性、超塑性、强度、断裂韧性、硬度、磨损、热震断裂与热震损伤等基本概念，并熟悉各种力学性能的影响因素；重点掌握陶瓷材料的增韧途径，学会在材料制备过程中如何对材料基体
8、进行增韧。 第五章 常用工程结构陶瓷材料 1、教学内容 第一节 氧化物陶瓷 氧化物陶瓷原子间结合主要以离子键为主，存在部分共价键，其特性为：高熔点，电绝缘性能好，化学稳定性和抗氧化性好等。 氧化铝陶瓷：晶体结构；原料的制备方法；氧化铝陶瓷的制备流程；氧化铝陶瓷的性能与用途。 氧化锆陶瓷：晶体结构与相变；粉末制备及烧结；增韧途径。 第二节 氮化物陶瓷 氮化物陶瓷一般熔点都比较高，硬度高，导电性能变化大，难以烧结，后续加工处理困难。 氮化硅陶瓷：低温不稳定型和高温稳定型两种晶体结构。熟悉Si3N4陶瓷粉末的制取方法及陶瓷材料的制备工艺，了解氮化硅陶瓷的性能与用途，熟悉赛隆陶瓷的制备及用途。 氮化铝
9、和氮化硼陶瓷：熟悉各自的性能特点、晶体结构、制备方法及其应用。 第三节 碳化物陶瓷与硼化物陶瓷 碳化物陶瓷的特点：高熔点、在高温下会发生氧化，氧化后所形成的氧化膜能提高抗氧化性能；具有良好的电导率和热导率，硬度高。 了解碳化硅（SiC）陶瓷、碳化硼（B4C）陶瓷的晶体结构、粉末合成及陶瓷的制备，熟悉各自的性能和用途。 2、教学要点 通过本章节的学习，熟悉工程上常用的陶瓷，包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷的特点，重点掌握Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷、Si3N4陶瓷、AlN陶瓷、SiC陶瓷、B4C 第六章 陶瓷材料物理性能与功能陶瓷 1、教学内容 第一节 陶瓷材料的导电性与导电陶
10、瓷 离子电导行为、电子电导行为；影响电导率的主要因素；几种导电陶瓷（ZrO2，-Al2O3，铬酸镧）。 第二节 陶瓷材料的半导体性能与敏感陶瓷 半导体的基本概念；半导体材料的特点及半导化过程；半导体敏感陶瓷材料（热敏陶瓷PTC与NTC、气敏陶瓷、湿敏陶瓷、压敏陶瓷、光敏陶瓷）。 第三节 陶瓷材料的超导性能与陶瓷超导 超导基本概念；超导陶瓷材料及其制备；超导陶瓷的应用。 第四节 陶瓷材料的介电性能与介电陶瓷 材料介电性能基本概念（电容、电感、极化、损耗因子、介电强度）；晶体和玻璃的介电特性；陶瓷材料的介电特性与电介质陶瓷；陶瓷的铁电性能。 第五节 陶瓷材料的磁性与铁氧体 磁现象的基本概念（磁导率
11、与磁化率、抗磁性与顺磁性、铁磁性、反铁磁性与亚铁磁性、磁畴、磁滞回线）；铁氧体的分类及性能；铁氧体材料及影响铁氧体性能的主要因素。 第六节 陶瓷材料的热性能及应用 热性能的基本概念（热容、热膨胀、热导）；陶瓷的热容与蓄热材料；陶瓷的热传导与防热、隔热材料。 2、教学要点 通过本章节的学习，了解陶瓷材料的基本物理性能，包括电学、磁学、热学等涉及到的各方面的基本物理概念，熟悉不同的功能陶瓷的分类、制备方法及其最新应用进展。了解各种性能的影响因素为制备性能优良的功能陶瓷提供理论依据。 第七章 陶瓷基复合材料 1、教学内容 第一节 陶瓷基复合材料中的增强纤维 增强纤维在确定陶瓷基复合材料特征与性能时起
12、着主要作用。纤维除了要求高强度、高模量、低密度之外，在与陶瓷基体相匹配时，还要求它与基体在热性能、弹性性能以及化学性能等方面具有相容性。 常用增强纤维有：碳纤维、碳化硅纤维、Si-N-C类纤维、晶须、氧化物纤维等。 第二节 复合材料力学行为 定向排列连续纤维增强复合材料的力学行为；短纤维增强复合材料的力学行为。 第三节 纤维增强陶瓷基复合材料及其制备 在制备陶瓷基复合材料时，必须做到纤维与基体的均匀分布，对纤维/基体界面物理化学性质的控制，并注意工艺对强韧化机制的影响。 纤维/基体的配合及原则（弹性模量配合、热膨胀系数配合、化学配合）；玻璃与玻璃陶瓷基复合材料；熔融浸渍法、金属有机法、气相沉积
13、法制备陶瓷基复合材料。 2、教学要点 通过本章节的学习，了解陶瓷基复合材料中增强纤维的作用及常用的增强纤维种类；学会分析陶瓷基复合材料中的力学行为及其影响因素；掌握陶瓷基复合材料的设计原则并学会用不同的方法制备相应的陶瓷基复合材料并能熟悉陶瓷基复合材料的最新应用进展。 三、各章课时分配表 章序号 章内容 学时数 第一章 绪论 2 第二章 陶瓷材料的显微结构及其表征 6 第三章 陶瓷材料的工艺制备过程 10 第四章 陶瓷材料的力学性能 4 第五章 常用工程结构陶瓷材料 6 第六章 陶瓷材料物理性能功能陶瓷 4 第七章 陶瓷基复合材料 4 总计 36 参考书目： 李世普，特种陶瓷工艺学，武汉工业大
14、学出版社，1990 曾汉民主编，高技术新材料要览，中国科学技术出版社，1993 徐维新，薛文龙编译，精细陶瓷技术，上海：上海交通大学出版社，1989 刘康时，陶瓷工艺学，北京：中国建筑工业出版社，1981 周玉，陶瓷材料学，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995 张清纯，陶瓷材料的力学性能，北京：科学出版社，1987 王零森，特种陶瓷，中南工业大学出版社，1994 周东祥，张绪礼，李标荣编著，半导体陶瓷及应用，华中理工大学出版社，1991 第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页