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1、先进陶瓷材料中国海洋大学材料科学与工程研究院 第四讲第四讲 结构陶瓷材料结构陶瓷材料(III)III)陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能n陶瓷材料力学性能陶瓷材料力学性能n陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变n陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质陶瓷材料力学性能陶瓷材料力学性能 弹性性能 硬度 强度 断裂韧性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的弹性性能陶瓷材料的弹性性能弹性及弹性模量弹性及弹性模量材料变形材料变形 线应变（正应变）线应变（正应变）FFllbb纵向应变纵向应变横向应变横向应变泊松比泊松比正应力正应
2、力单位截面积上的力单位截面积上的力陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能切应变切应变 体积应变体积应变 虎克定律虎克定律正应力与正应变成正比正应力与正应变成正比E:弹性模量弹性模量（GPa）(杨氏模量杨氏模量)切应力与切应变成正比切应力与切应变成正比G:剪切模量剪切模量（GPa）陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能压缩应力与体积应变成正比压缩应力与体积应变成正比K:体积弹性模量体积弹性模量其中：其中：E、G、K、均称均称为为材料的材料的弹弹性参数性参数金属材料金属材料低的弹性模量低的弹性模量 高韧性、可塑性、可加工性、抗热震性高韧性、可塑性、可加工性、抗热震性陶瓷材料陶瓷材料高弹性模量高弹性模量
3、 高强度、高硬度、耐磨性、耐蚀性高强度、高硬度、耐磨性、耐蚀性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能金属材料金属材料弹性模量弹性模量(GPa)陶瓷材料陶瓷材料弹性模量弹性模量(GPa)Fe211金刚石金刚石1000Al70Al2O3390Cu129Si3N4220320Zn100SiC450一些材料的弹性模量对比一些材料的弹性模量对比(E)陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能 影响弹性模量的微观机制影响弹性模量的微观机制 d0d0rF弹性区域弹性区域弹性模量：弹性模量：原子间距的微小变化所原子间距的微小变化所需外力需外力两原子间距从两原子间距从d0离开或离开或靠近时所需外力靠近时所需外力 d0处
4、曲线的斜率处曲线的斜率陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能弹性模量的影响因素弹性模量的影响因素温度对弹性模量的影响温度对弹性模量的影响温度升高温度升高 d0dt曲线斜率减小曲线斜率减小弹性模量降低弹性模量降低陶瓷材料陶瓷材料 高温下表现出塑性高温下表现出塑性d0rFdt陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能弹性模量与熔点弹性模量与熔点 熔点熔点原子间结合力原子间结合力 熔点高熔点高结合力大结合力大弹性模量大弹性模量大 300K时弹性模量与熔点的关系：时弹性模量与熔点的关系：物质的熔点物质的熔点原子或分子体积原子或分子体积氧化物氧化物氮化物硼化物氮化物硼化物碳化物碳化物陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的
5、力学性能弹性模量与材料的密度弹性模量与材料的密度 材料的密度是影响弹性模量的重要因素材料的密度是影响弹性模量的重要因素 材料密度材料密度气孔率气孔率 弹性模量与气孔率关系弹性模量与气孔率关系气孔率为气孔率为0时时的弹性模量的弹性模量 f1、f2决定于气决定于气孔形状的常数孔形状的常数 圆形气孔：圆形气孔：f1=1.9 f2=0.9气孔率气孔率随着气孔率的增加，弹性随着气孔率的增加，弹性模量急剧下降模量急剧下降陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能复合材料的弹性模量复合材料的弹性模量 弹性模量弹性模量原子间结合力（原子种类、键型）原子间结合力（原子种类、键型）弹性模量对显微结构不敏感弹性模量对显微
6、结构不敏感 材料的组元作用显著材料的组元作用显著对于三明治型复合材料：对于三明治型复合材料：E/E陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能 两相或多相复两相或多相复合材料合材料 弹性模量随组弹性模量随组分而变化分而变化两相或多相复合材料两相或多相复合材料可通过组分改变调节可通过组分改变调节 弹性模量弹性模量单晶体弹性模量单晶体弹性模量各向异性各向异性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度莫氏硬度（划痕硬度）莫氏硬度（划痕硬度）顺序顺序材料材料顺序顺序材料材料1滑石滑石1滑石滑石2石膏石膏2石膏石膏3方解石方解石3方解石方解石4萤石萤石4萤石萤石5磷灰石磷灰石5磷灰石磷灰石
7、6正长石正长石6正长石正长石7石英石英7SiO2玻璃玻璃8黄玉黄玉8石英石英9刚玉刚玉9黄玉黄玉10金刚石金刚石10石榴石石榴石11熔融氧化锆熔融氧化锆12刚玉刚玉13碳化硅碳化硅14碳化硼碳化硼15金刚石金刚石陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能布氏硬度布氏硬度 F=303000kgFDd 布氏硬度单位：布氏硬度单位：N/m2 一般用于较软的金属材料一般用于较软的金属材料陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能洛氏硬度洛氏硬度(劳氏硬度劳氏硬度)硬度测试规程硬度测试规程F120h规规程程基准基准载荷载荷试验载荷试验载荷硬度表达式硬度表达式HRNKgACD90.07N(10kg)588.41471
8、980.760150100HR=100-h/215N30N45N29.42N(3kg)147.1294.2411.3153045HR=100-h陶瓷材料：陶瓷材料：HRA、HRC、HR45陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能维氏硬度（常用方法）维氏硬度（常用方法）d136F HV：维氏硬度（维氏硬度（MPa、GPa）F：载荷（载荷（N）d：压痕对角线长度（压痕对角线长度（mm）试验中一般载荷为：试验中一般载荷为：150kg 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能努普硬度努普硬度 d HK：努普硬度（努普硬度（MPa、GPa）F：载荷（载荷（N）d：压痕对角线长度（压痕对角线长度（mm）试验中一般
9、载荷为：试验中一般载荷为：0.24kg 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能显微硬度显微硬度 在微观下测量材料的硬度在微观下测量材料的硬度 维氏显微硬度维氏显微硬度 努普显微硬度努普显微硬度 原理和公式同上原理和公式同上 试验在专门的显微硬度计上进行试验在专门的显微硬度计上进行 载荷载荷50100g 可用于用于材料组织中的不同相及不同晶粒的可用于用于材料组织中的不同相及不同晶粒的硬度测定硬度测定陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能高温硬度高温硬度 高温下测量高温下测量 维氏硬度、显微硬度维氏硬度、显微硬度应该注意的几个问题应该注意的几个问题 硬度是表征材料变形抗力的一个参数硬度是表征材料变形抗
10、力的一个参数 用不同方法测量的硬度值彼此没确定的换算关系用不同方法测量的硬度值彼此没确定的换算关系 材料研究中，不同形式的硬度无可比性材料研究中，不同形式的硬度无可比性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的强度陶瓷材料的强度材料的强度材料的强度f ：断裂断裂强强度度b：强强度极限度极限s、0.2：屈服：屈服强强度度塑性材料：塑性材料：b：强强度极限度极限 s ：屈服：屈服强强度度陶瓷材料陶瓷材料(脆性材料脆性材料)：只有一个断裂只有一个断裂强强度度fb0.2bs0.2陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能理论断裂强度与理论断裂强度与Griffith理论理论理论强度理论强度 理论强度取决于
11、原子间的结合力理论强度取决于原子间的结合力a0aa0+r0 tha0：原子间距；：原子间距；r0：原子间距增加量：原子间距增加量r0 0.14a0 th（0.10.2）E材料材料E/GPa th/GPaSiO27316Al2O346046Si18832金刚石金刚石1210205陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能Grifiith理论理论 实际材料的强度实际材料的强度理论强度（两个数量级）理论强度（两个数量级）认为：微裂纹的扩展认为：微裂纹的扩展材料整体断裂材料整体断裂 应力做功应力做功裂纹扩展裂纹扩展 应力的功应力的功=新生表面的表面能新生表面的表面能 同时考虑裂纹几何形状的影响同时考虑裂纹几
12、何形状的影响得到：得到：2c几何形状因子几何形状因子泊松比泊松比表面能表面能陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能弯曲强度弯曲强度F试样：试样：尺寸尺寸 LTbh=(3640)43mm3 b=40.1mm h=30.1mm 受拉面：粗糙度受拉面：粗糙度 0.8 倒角：倒角：r=0.10.3mm c=0.10.3mm强度测试试验方法强度测试试验方法LTbhrc45陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能F测试试验测试试验 三点弯曲：三点弯曲：L=300.5mm R1=23mm 加载速率加载速率 （夹头位移速度）：（夹头位移速度）：0.5mm/min 强度计算：强度计算：FL/2L/2R1R1F：NL、
13、b、h：mmf：MPa陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能四点弯曲：四点弯曲：L=300.5mm l=100.5mm a=100.5mm R1=23mm R2=0.53m 加载速率：加载速率：0.5mm/min强度计算：强度计算：FaalLR1R1陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能影响强度的因素影响强度的因素影响强度的组织因素影响强度的组织因素F气孔率气孔率 p：气孔率气孔率 0：p=0 时时的的强强度度 ：常数（常数（47）F晶粒尺寸晶粒尺寸 fd-1/2(目前没有确切的关系式、有待研究）目前没有确切的关系式、有待研究）细细晶有利于晶有利于强强度的提高度的提高陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力
14、学性能F晶界相的性质和厚度、晶粒形状晶界相的性质和厚度、晶粒形状 晶界玻璃相不利于强度提高晶界玻璃相不利于强度提高 单相多晶体陶瓷：单相多晶体陶瓷：均匀等轴晶粒均匀等轴晶粒强度提高强度提高 等轴晶粒与棒晶适当配比等轴晶粒与棒晶适当配比强度提高强度提高温度对强度的影响温度对强度的影响 多数陶瓷材料的强度随温度升高而降低多数陶瓷材料的强度随温度升高而降低 AlN、SiC等极少数陶瓷材料强度随温度的升高略等极少数陶瓷材料强度随温度的升高略有升高有升高陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n陶瓷材料的断裂韧性陶瓷材料的断裂韧性 陶瓷材料陶瓷材料室温下几乎无塑性变形室温下几乎无塑性变形 断裂方式断裂方式脆
15、性断裂脆性断裂 对裂纹敏感的材料对裂纹敏感的材料 断裂行为断裂行为线弹性断裂力学描述线弹性断裂力学描述 陶瓷材料韧性评价参数陶瓷材料韧性评价参数断裂韧性断裂韧性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能裂纹扩展方式裂纹扩展方式 三种类型：三种类型：掰开型（掰开型（I型）型）错开型（错开型（II型）型）撕开型（撕开型（III型）型）掰开型扩展掰开型扩展低应力断裂低应力断裂的主要原因的主要原因也是主要研究对象也是主要研究对象陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能对与脆性材料对与脆性材料断裂强度与裂纹尺寸有关断裂强度与裂纹尺寸有关如图实验结果如图实验结果ccc 其中其中K为与材料、试件尺寸、为与材料、试件尺
16、寸、形状和受力状态等有关形状和受力状态等有关 的常的常数数上式说明：上式说明：当当=c 或或 K=cc 1/2时时，断裂立即，断裂立即发发生生 断裂断裂应应力受力受现现有裂有裂纹长纹长度制度制约约陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能裂纹尖端的应力场分析裂纹尖端的应力场分析 I 型裂纹尖端应力型裂纹尖端应力yxzryyxxxyKI:与外加与外加应应力、裂力、裂纹长纹长度度c、裂裂纹纹种种类类和受力状和受力状态态有关的系数，有关的系数，称称为应为应力力场场强强度因子度因子应力场应力场裂纹裂纹2c陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能裂纹尖端附近的任一点：裂纹尖端附近的任一点：当当r c，=0时时可得
17、到：可得到：应力场应力场裂纹裂纹2cryy y是裂是裂纹扩纹扩展的主要展的主要动动力力陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能应力场强度因子及几何形状因子应力场强度因子及几何形状因子 由由Griffith理论理论yy KI：反映裂反映裂纹纹尖端尖端应应力力场场强强度的度的强强度因子度因子 Y：几何形状因子，与裂几何形状因子，与裂纹纹型式、型式、试试件几何形状有关件几何形状有关陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能几种情况下的几种情况下的Y值值2cccwSt无限大薄板无限大薄板中心穿透裂纹中心穿透裂纹半无限大薄板半无限大薄板边缘穿透裂纹边缘穿透裂纹三点弯曲三点弯曲W/S=1/4陶瓷材料的力学性能陶瓷材
18、料的力学性能临界应力场强度因子及断裂韧性临界应力场强度因子及断裂韧性 经典强度理论：经典强度理论：经典强度理论没有考虑到裂纹的影响经典强度理论没有考虑到裂纹的影响 建立一个新的表征材料特征的临界值：建立一个新的表征材料特征的临界值：临界应力场强度因子临界应力场强度因子断裂韧性断裂韧性KIc：反映材料断裂性能的参数反映材料断裂性能的参数断裂断裂韧韧性性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能断裂韧性的测试方法断裂韧性的测试方法单边切口梁法单边切口梁法(SENB-single edge notched beam)试样：试样：3064mm3 c/w=0.40.6 w/s=1/4 B1/2W 加载速率：加
19、载速率：0.05mm/min cwSBP陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能双扭法双扭法试样：试样：22430 22440(mm3)加加载载速率：速率：0.05mm/minWdPWmdn陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能努普压痕三点弯曲梁法努普压痕三点弯曲梁法a2cMe与与Q取决于取决于a和和c;可由相关的数据表查得可由相关的数据表查得KI一定时一定时 a直直线线关系关系多多组试样组试样数据，数据，拟拟合直合直线线由其斜率求得由其斜率求得KIC 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能山形切口梁法山形切口梁法=601a0W=1.5BBS=4WP陶瓷材料塑性变形及蠕变陶瓷材料塑性变形及蠕变陶瓷材料
20、的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料的塑性变形塑性变形理论塑性变形理论&塑性变形一般规律塑性变形一般规律 多数陶瓷材料常温下遵从图示的多数陶瓷材料常温下遵从图示的变形特点变形特点 20世纪世纪50年代年代 AgCl晶体晶体冷轧变薄冷轧变薄 MgO、KCl、KBr弯而不断弯而不断 LiF晶体，应力晶体，应力-应变应变类似类似 金属金属fb0.2bs0.2陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变 MgO、KCl、KBr的变形特点的变形特点 陶瓷材料陶瓷材料延性材料延性材料？ZrO2塑性变形塑性变形 四方向四方向单斜相单斜相 (相变塑性相变塑性)为什么陶瓷材料室
21、温下无塑性为什么陶瓷材料室温下无塑性变形变形 塑性变形的机理塑性变形的机理陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变&塑性变形机理塑性变形机理晶格滑移晶格滑移塑性变形的方式塑性变形的方式滑移、挛晶滑移、挛晶滑移机制常见滑移机制常见主要讨论滑移主要讨论滑移陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变晶体的滑移系统晶体的滑移系统 主要滑移晶面主要滑移晶面和晶向特点和晶向特点 晶向指数小晶向指数小 原子密度大原子密度大 柏氏矢量小柏氏矢量小主要滑移晶面和晶向构成晶体的滑移系统主要滑移晶面和晶向构成晶体的滑移系统陶瓷材料滑移受力分析陶瓷材料滑移受力分析 陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性
22、变形及蠕变在滑移方向上的分量在滑移方向上的分量(切应力切应力)当当与与在同一平面内时在同一平面内时最小最小 在外力在外力F作用下，在与作用下，在与N、F处于同一平面内的滑移处于同一平面内的滑移方向上，切应力达到最大值，其它方向较小方向上，切应力达到最大值，其它方向较小FNA陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变滑移系统越多，达到临界切应力的机会就越多滑移系统越多，达到临界切应力的机会就越多金属材料：金属材料：金属键，滑移系统多金属键，滑移系统多表现出塑性表现出塑性 体心立方体心立方48种滑移系统种滑移系统单晶陶瓷材料：单晶陶瓷材料：离子键、共价键，滑移系统极少离子键、共价键，滑移系统
23、极少无塑性无塑性 结构越复杂，滑移系统少结构越复杂，滑移系统少 所以，只有少数晶体（所以，只有少数晶体（NaCl型）表现出塑性型）表现出塑性多晶陶瓷材料多晶陶瓷材料 受晶粒取向影响，更难滑移受晶粒取向影响，更难滑移 当当 0（临界切应力）时，将发生滑移（临界切应力）时，将发生滑移 FNA陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变塑性变形的位错运动理论塑性变形的位错运动理论 在切应力作用下，韧位错在切应力作用下，韧位错容易向右移动容易向右移动 H()位错运动激活能位错运动激活能 位错运动速度：位错运动速度：v0：与原子热振动固有频率有与原子热振动固有频率有关的常数关的常数 k：波尔兹曼常数
24、波尔兹曼常数 T：绝对温度绝对温度hhH()势能空位势能空位C2滑移面滑移面势势能能势势能能势势能能有空位点有空位点阵阵正常点正常点阵阵受切受切应应力的有空位点力的有空位点阵阵陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变 公式分析：公式分析：（1）室温下，无外力）室温下，无外力 kT=0.026eV h：金属，金属，0.1-0.2eV；无机材料，无机材料，1eV 室温下无机材料位错运动非常困难室温下无机材料位错运动非常困难（2）位错运动只能沿滑移面）位错运动只能沿滑移面 切应力分量切应力分量减小减小h H()无机材料的滑移系统只有几个，往往无机材料的滑移系统只有几个，往往 很小很小（3）温
25、度升高位错运动速度加快）温度升高位错运动速度加快 所以高温下陶瓷材料表现出塑性变形所以高温下陶瓷材料表现出塑性变形位错运动理论说明：位错运动理论说明：陶瓷材料中产生位错运动是困难的，当滑移面上的陶瓷材料中产生位错运动是困难的，当滑移面上的切应力分量尚未使位错以足够的速度运动时，材料切应力分量尚未使位错以足够的速度运动时，材料中的应力已超过微裂纹扩展所需的临界应力而使材中的应力已超过微裂纹扩展所需的临界应力而使材料发生脆断料发生脆断陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变 陶瓷超塑性陶瓷超塑性&超塑性超塑性 具有细晶粒组织的金属或合金，在适当的温度具有细晶粒组织的金属或合金，在适当的温度
26、和应变速率（慢速）下，呈现出异常高的塑性和应变速率（慢速）下，呈现出异常高的塑性性变形率性变形率超塑性超塑性 在适当的组织及变形条件下，陶瓷材料也可以在适当的组织及变形条件下，陶瓷材料也可以获得超塑性获得超塑性陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变&超塑性陶瓷超塑性陶瓷 相变超塑性：相变超塑性：靠陶瓷在承载时温度循环产生的相变使材靠陶瓷在承载时温度循环产生的相变使材 料获得超塑性料获得超塑性 组织超塑性：组织超塑性：靠特定的组织在恒定应变速率下获得超塑性靠特定的组织在恒定应变速率下获得超塑性 典型的组织超塑性典型的组织超塑性 晶粒细化超塑性晶粒细化超塑性 （陶瓷细晶超塑性）陶瓷细晶超
27、塑性）陶瓷细晶超塑性机制：陶瓷细晶超塑性机制：晶界滑移（变形时晶粒的形状几乎不变）晶界滑移（变形时晶粒的形状几乎不变）陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的塑性变形及蠕变 在恒定的应变速率下所需的应力在恒定的应变速率下所需的应力流变应力流变应力金属超塑性与陶瓷细晶粒超塑性对比金属超塑性与陶瓷细晶粒超塑性对比应变速率应变速率晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸指数晶粒尺寸指数流变应力和应力指数流变应力和应力指数超塑性能超塑性能金属金属陶瓷陶瓷最大延伸率最大延伸率5500%（Al-Bronze,1985）1038%(TZP with glass)临界晶粒尺寸临界晶粒尺寸10mE当当Td时时，Cv3Nk杜隆杜隆-珀
28、蒂定律珀蒂定律低温，当低温，当T573K）多相复合材料多相复合材料 元素元素i 的重量百分数的重量百分数元素元素i 的比热容的比热容陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热膨胀陶瓷材料的热膨胀膨胀系数膨胀系数 陶瓷材料的热膨胀通常用线膨胀系数和体膨胀系数陶瓷材料的热膨胀通常用线膨胀系数和体膨胀系数描述描述 在有限的温度范围内常采用平均值在有限的温度范围内常采用平均值 陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质&常用材料的膨胀系数常用材料的膨胀系数材料材料膨胀系数膨胀系数(0-1000C)(10-6/C)材料材料膨胀系数膨胀系数(0-1000C)(10-6/C)Al2O38.8Si3N4(热压
29、烧结热压烧结)2.6MgO13.5-Sialon3莫来石莫来石5.3AlN4.5尖晶石尖晶石7.6BN2.7TiC7.4ZrO210.8SiC(常压烧结常压烧结)4.8熔融熔融SiO2玻璃玻璃0.5Si3N4(反应烧结反应烧结)3.2普通玻璃普通玻璃9.0Si3N4(常压烧结常压烧结)3.4堇青石堇青石2.5陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质热膨胀系数的影响因素热膨胀系数的影响因素热膨胀系数与熔点的关系热膨胀系数与熔点的关系 膨胀系数膨胀系数结合能结合能键能键能 熔点熔点结合强度的表征结合强度的表征 熔点高熔点高膨胀系数小膨胀系数小金属：金属：离子晶体：离子晶体：陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的
30、热学性质热膨胀系数与摩尔热容的热膨胀系数与摩尔热容的关系关系 热膨胀热膨胀 点阵振动引起的体积变化点阵振动引起的体积变化热容热容 材料所含内能的增加材料所含内能的增加热膨胀系数热膨胀系数热容热容 温度影响的等效性温度影响的等效性（低温：（低温：T3，Td：常数常数）实际上：实际上：Td时时，膨，膨胀胀系数持系数持续续上升。弗上升。弗仑仑科科尔尔、肖特基缺陷所致、肖特基缺陷所致陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质热膨胀系数与键型、晶体结构的关系热膨胀系数与键型、晶体结构的关系 热膨胀系数热膨胀系数原子的热振动原子的热振动 金属、离子键陶瓷金属、离子键陶瓷 紧密堆积紧密堆积 原子振动累积原子振动累
31、积 膨胀系数大膨胀系数大 共价键陶瓷共价键陶瓷 空隙，键角空隙，键角 吸收振动吸收振动 膨胀系数小膨胀系数小陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质玻璃的热膨胀玻璃的热膨胀 玻璃的膨胀性质玻璃的膨胀性质 网络结构网络结构 添加剂种类添加剂种类 热历史热历史 玻璃玻璃过冷液体过冷液体 结构结构亚稳态亚稳态 升温升温结构重排结构重排陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热导率陶瓷材料的热导率陶瓷（固体）材料的热传导陶瓷（固体）材料的热传导 傅立叶定律：傅立叶定律：t1t2q 热导热导率率 单单位温度梯度下，位温度梯度下，单单位位时间时间内通内通过单过单位垂直面位垂直面积积的的热热量（量（W/m
32、2.K）陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质陶瓷材料热传导的微观机制陶瓷材料热传导的微观机制 热量传递热量传递 对流传热对流传热 流体的对流流体的对流 辐射转热辐射转热 热射线（波）热射线（波）热传导热传导 固体热传导：晶格振动固体热传导：晶格振动格波（陶瓷材料）格波（陶瓷材料）自由电子运动自由电子运动 （金属材料）（金属材料）气体、液体气体、液体 分子运动、碰撞分子运动、碰撞固体固体？陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质 格波格波声频支声频支光频支光频支声子和声子导热（低温下）声子和声子导热（低温下）格波格波量子化（声子）量子化（声子）气体气体分子碰撞分子
33、碰撞 陶瓷陶瓷声子碰撞声子碰撞光子导热（高温下）光子导热（高温下）分子、原子、电子的高频振动分子、原子、电子的高频振动热射线热射线陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质影响热导率的因素影响热导率的因素（1）温度）温度温度升高温度升高 热导热导率下降率下降V-常数常数C-德拜温度以上德拜温度以上常数常数主要取决于主要取决于l温度温度 l 陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质（2）材料的显微结构）材料的显微结构 结晶构造（晶体类型）复杂结晶构造（晶体类型）复杂 热导率低热导率低 非谐性振动非谐性振动 非等轴晶系晶体热导率非等轴晶系晶体热导率 各项异性各项异性 多晶体热导率小于单晶体热导率多晶体热导率小于单晶体热导率 晶粒小，晶界多，缺陷多晶粒小，晶界多，缺陷多声子散射声子散射 非晶体热导率低于晶体热导率非晶体热导率低于晶体热导率陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质（3）化学组成化学组成 组成不同组成不同 热导率差异很大热导率差异很大 一般规律：一般规律：原子量小原子量小 密度小密度小 杨氏模量大杨氏模量大 德拜温度高德拜温度高 热导率高热导率高陶瓷材料的热学性质陶瓷材料的热学性质一些无机材料的热导率一些无机材料的热导率谢谢！