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1、功能陶瓷材料物理功能陶瓷材料物理 材料物理导论材料物理导论 第第 7 7 章章前前言言材料可以分成三大类，金属、陶瓷、有机高分子。材料可以分成三大类，金属、陶瓷、有机高分子。金金属属材材料料的的基基本本特特征征是是：由由金金属属元元素素原原子子构构成成，原原子子之之间间的结合是金属键，含有许多自由电子。的结合是金属键，含有许多自由电子。有有机机高高分分子子材材料料的的基基本本特特征征是是：主主要要由由碳碳、氧氧、氢氢、硅硅等等非非金金属属元元素素原原子子构构成成，原原子子之之间间的的结结合合主主要要是是共共价价键键，一一般般没有自由电子。没有自由电子。陶陶瓷瓷材材料料的的基基本本特特征征：分分
2、子子一一般般是是由由金金属属元元素素和和非非金金属属元元素素原原子子形形成成的的化化合合物物分分子子，原原子子间间的的结结合合主主要要是是离离子子键键，很很多多性性质质介介于于金金属属与与高高分分子子材材料料之之间间。一一般般人人们们概概念念中中的的陶陶瓷瓷是是日日常常用用的的瓦瓦罐罐、水水缸缸、沙沙锅锅、瓷瓷碗碗、浴浴缸缸、洗洗脸脸盆盆、瓷瓷砖砖等等。广广义义来来说说，陶陶瓷瓷材材料料是是指指其其制制备备过过程程要要经经过过高高温温处处理理的的材材料料，例例如如：玻玻璃璃、水水泥泥、陶陶瓷瓷器器材材、耐耐火火材材料料、珐珐琅琅、研研磨材料和功能陶瓷等。即所谓的窑制品（磨材料和功能陶瓷等。即所
3、谓的窑制品（ceramics）。）。功能陶瓷：功能陶瓷：在在近近几几十十年年来来人人们们从从使使用用功功能能角角度度把把陶陶瓷瓷分分为为结结构陶瓷和功能陶瓷两大类。构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷：结构陶瓷：指主要具有机械、热功能的陶瓷。指主要具有机械、热功能的陶瓷。功功能能陶陶瓷瓷：指指具具有有电电、磁磁、光光等等各各种种非非力力学学方方面面功能的陶瓷。功能的陶瓷。在在当当今今世世界界，功功能能陶陶瓷瓷的的发发展展比比结结构构陶陶瓷瓷快快得得多多，两两者者产产值值之之比比约约为为3：1。功功能能陶陶瓷瓷主主要要用用于于新新发发展展起起来来的的先先进进行行业业，如如：计计算算机机、通通信信、电
4、电视视、广广播播、家家用用电电器器、自自动动化化、交交通通、医医疗疗、空空间间技技术术、能能源源等等行行业。业。1 1 功能陶瓷材料的制备方法功能陶瓷材料的制备方法 一、陶瓷材料制备的一般工艺及要求一、陶瓷材料制备的一般工艺及要求大大多多数数陶陶瓷瓷材材料料的的制制备备工工艺艺步步骤骤基基本本相相似似，一一般般包包括括以以下下步步骤：骤：配料配料混合混合预烧预烧粉碎粉碎成型成型排塑排塑烧结烧结后处理（极化、磁化等）后处理（极化、磁化等）2、混合：、混合：通通常常使使用用转转动动球球磨磨机机或或振振动动球球磨磨机机进进行行，有有用用干干法的，也有用湿法的，所用的球大多是玛瑙球。法的，也有用湿法的
5、，所用的球大多是玛瑙球。用用球球磨磨法法不不但但可可以以混混合合，同同时时还还可可以以使使原原料料颗颗粒粒进一步被粉碎。进一步被粉碎。球球磨磨要要足足够够长长时时间间以以使使各各成成分分原原料料均均匀匀混混合合，最大限度地彼此接触，以利于后面的化学反应。最大限度地彼此接触，以利于后面的化学反应。当然，混合也可以采用其它方法，只要达到各当然，混合也可以采用其它方法，只要达到各原料的均匀混合就行。原料的均匀混合就行。3、预烧：、预烧：混合好的料进行预烧，混合好的料进行预烧，目的是让各成分间进行目的是让各成分间进行化学反应，生成目标化合物。化学反应，生成目标化合物。不同的化学反应有不同的条件（温度、
6、压力、不同的化学反应有不同的条件（温度、压力、气氛等）要弄清这些条件。气氛等）要弄清这些条件。如果无法知道这些条件，必须借助一系列分析如果无法知道这些条件，必须借助一系列分析手段来确定预烧条件，例如可以用差热分析法手段来确定预烧条件，例如可以用差热分析法（DTA）和热重分析法（）和热重分析法（TGA）来判断特定的化学）来判断特定的化学反应是否进行。反应是否进行。4、粉碎、成型：、粉碎、成型：将将预预烧烧后后的的材材料料粉粉碎碎是是为为了了成成型型。成成型型是是按按使使用用要要求求将将材材料料做做成成某某种种特特定定形形状状的的坯坯体体。成成型型根根据据不不同同要要求求可可以以采采用用模模压压、
7、轧轧膜膜等等方方式式。为为便便于于成成型型，成成型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。常常用用粘粘合合剂剂的的配配方方及及重重量量比比为为：聚聚乙乙烯烯醇醇15%，甘油甘油7%，酒精，酒精3%，蒸馏水，蒸馏水75%；在；在90下搅拌溶化。下搅拌溶化。对对模模压压、粘粘合合剂剂一一般般是是料料粉粉重重量量的的5%，而而对对轧轧膜，则粘合剂要达料粉重量的膜，则粘合剂要达料粉重量的1520%。6、烧结：、烧结：这这一一过过程程是是晶晶体体结结构构形形成成和和扩扩大大的的过过程程，可可称称为为晶晶化过程。化过程。在在预预烧烧后后粉粉碎碎成成型型的的坯坯体体中中，已
8、已经经存存在在着着许许多多细细小小的的晶晶粒粒，在在一一定定的的高高温温下下，通通过过原原子子的的扩扩散散运运动动实实现现材料的晶化过程：材料的晶化过程：一一方方面面，在在晶晶粒粒内内部部自自由由能能较较高高的的区区域域和和晶晶界界处处生生成新的晶核，不断长大；成新的晶核，不断长大；另另一一方方面面，由由于于晶晶粒粒表表面面张张力力的的作作用用，一一部部分分晶晶粒粒依依靠靠“吞吞噬噬”另另一一部部分分晶晶粒粒而而长长大大，这这种种长长大大常常通通过过晶界的移动实现。晶界的移动实现。由于晶粒长大是借助原子扩散来实现的。因此，由于晶粒长大是借助原子扩散来实现的。因此，烧结温度越高，保温时间越长，晶
9、粒就生长得越烧结温度越高，保温时间越长，晶粒就生长得越大。大。烧结温度、升降温速率、保温时间、烧结气烧结温度、升降温速率、保温时间、烧结气氛对陶瓷产品性能影响极大。氛对陶瓷产品性能影响极大。例如：例如：Pb0.9897Nb0.0206(Zr0.95Ti0.05)0.9794O3烧结温度（烧结温度（）10501100120012501300保温时间（保温时间（h）66666平均晶粒直径（平均晶粒直径（）235677、后处理：、后处理：极极化化、磁磁化化等等后后处处理理是是一一些些专专用用功功能能陶陶瓷瓷烧烧成成后后的的必必要要处处理理过过程程，目目的的是是使使各各晶晶粒粒中中的的某某性性能能尽尽
10、可可能能按同一方向排列，以达到块材整体具有较强的性能。按同一方向排列，以达到块材整体具有较强的性能。1、共沉淀法、共沉淀法共沉淀共沉淀是指溶液中一种不溶或难溶成分在形成沉淀过程中，是指溶液中一种不溶或难溶成分在形成沉淀过程中，将共存的某些其它组分一起带着沉淀下去的现象。将共存的某些其它组分一起带着沉淀下去的现象。共沉淀的原理基于表面吸附、形成混晶、异电核胶态物质相共沉淀的原理基于表面吸附、形成混晶、异电核胶态物质相互作用及包藏等。互作用及包藏等。吸附共沉淀：吸附共沉淀：特征是主沉淀成分表面积大、吸附力强，特征是主沉淀成分表面积大、吸附力强，故吸附和富集效率高。故吸附和富集效率高。混晶共沉淀：混
11、晶共沉淀：两种金属离子和一种沉淀剂形成的晶形、两种金属离子和一种沉淀剂形成的晶形、晶核相似的晶体，称为混晶。如晶核相似的晶体，称为混晶。如PbSO4-SrSO4混晶。混晶。例:PZT粉料的共沉淀法制备TiCl4和和ZrOCl28H2O配成溶液配成溶液通以氨气通以氨气共沉淀生成（共沉淀生成（Zr,Ti）O2XH2O料浆料浆加水加水洗去洗去ClNH4NO3帮助澄清帮助澄清HNO3Zr和和Ti的硝酸盐溶液的硝酸盐溶液与与Pb(NO3)2溶液混合溶液混合Pb2+Zr4+(NO3)x溶液溶液通氨气通氨气共沉淀生成共沉淀生成Pb(OH)3(ZrTi)O2XH2O水洗、浓缩、干燥水洗、浓缩、干燥得到化学组成
12、比较均匀的得到化学组成比较均匀的1020的的PZT粉料粉料例例:YSZ粉的粉的SolGel法制备法制备异丙醇锆异丙醇锆醋酸钇醋酸钇混合搅拌混合搅拌均匀溶液均匀溶液吸水；水解聚合反应吸水；水解聚合反应溶胶溶胶干燥干燥凝胶凝胶煅烧煅烧YSZ粉末粉末纳米级大小纳米级大小三、一些特殊的烧结方法：三、一些特殊的烧结方法：1、热压烧结：、热压烧结：就是在对样品施加压力的条件下烧结。就是在对样品施加压力的条件下烧结。热热压压烧烧结结是是在在高高温温下下加加压压力力，有有利利于于颗颗粒粒之之间间的的接接触触核核扩扩散散效效应应，与与普普通通烧烧结结方方法法相相比比，可可以以降降低低烧烧结结温温度度、提提高高陶
13、陶瓷瓷密密度度（普普通通烧烧结结陶陶瓷瓷很很难难达达到到理理论论密密度度的的98%而而热热压压烧烧结结陶陶瓷瓷则则可可达达到到理理论论密密度度的的99%以以上上），通通过过改改变变热热压压条条件件控控制制晶晶粒生长。粒生长。2、气氛烧结：、气氛烧结：对氧化物陶瓷烧结时，氧气氛对产品性能影响极大。对氧化物陶瓷烧结时，氧气氛对产品性能影响极大。例例如如：BaTiO3随随烧烧结结的的氧氧分分压压由由低低向向高高变变化化，烧烧成成的的材材料料则则由由n型转化为型转化为p型。型。通氧有助于提高烧成产品的密度：通氧有助于提高烧成产品的密度：在在大大气气气气氛氛中中烧烧结结，残残存存在在材材料料中中的的剩剩
14、余余气气孔孔主主要要有有空空气气中中的的氮氮气气造造成成，因因为为氮氮气气在在材材料料中中不不易易扩扩散散逃逃逸逸。如如通通氧氧烧烧结结，氧氧可可置置换换坯坯体体开开口口气气孔孔中中的的氮氮气气，而而在在致致密密化化的的末末期期（封封闭闭气气孔孔阶阶段段）气气孔孔中中的的氧氧容容易易通通过过晶晶粒粒体体内内扩扩散散和和沿沿着着晶晶界界扩扩散，最终使气孔消除。散，最终使气孔消除。保护性气氛烧结保护性气氛烧结惰性气体气氛烧结，可防止有害杂质侵入。惰性气体气氛烧结，可防止有害杂质侵入。防止成分挥发：加相应的成分的气氛。防止成分挥发：加相应的成分的气氛。真空气氛烧结：真空气氛烧结：对对氧氧化化物物半半
15、导导体体、用用真真空空烧烧结结方方法法可可增增加加氧氧空空位位浓浓度度而而使使材材料料半半导导化化（n型型），它它往往往往比比在在还还原原气气氛氛下下烧烧结结更更有有利利，可可提提高陶瓷致密度，促进晶粒长大。高陶瓷致密度，促进晶粒长大。3、微波烧结、微波烧结20世世纪纪80年年代代以以后后，微微波波烧烧结结以以其其特特有有的的节节能能、省省时时的的优优点点，得得到到了了美美、日日、加加、英英、德德等等发发达达国国家家的的广广泛泛重重视视，我我国国也也于于1988年年将将其其纳纳入入“863”计计划划。20世世纪纪90年年代代后后期期，微波烧结已进入产业化阶段。微波烧结已进入产业化阶段。微波烧结
16、与传统烧结的区别：微波烧结与传统烧结的区别：传传统统的的加加热热是是依依靠靠发发热热体体将将热热能能通通过过对对流流、传传导导或或辐辐射射方方式式传传递递至至被被加加热热物物而而使使其其达达到到某某一一温温度度，热热量量从从外外向向内内传传递递，烧结时间长，也很难得到细晶。烧结时间长，也很难得到细晶。微微波波烧烧结结则则是是利利用用微微波波与与材材料料的的相相互互作作用用将将微微波波的的电电磁磁能能转化为热能而达到烧结材料的目的。转化为热能而达到烧结材料的目的。微波烧结的机理：微波烧结的机理：微微波波烧烧结结基基于于微微波波与与物物质质的的相相互互作作用用，包包括括介介质质吸吸收收微微波波后所
17、产生的电导损耗和极化损耗。后所产生的电导损耗和极化损耗。在在导导电电材材料料中中，电电磁磁能能量量损损耗耗以以电电导导损损耗耗为为主主。且且高高温温下下电导损耗将占主要地位。电导损耗将占主要地位。而而在在介介电电材材料料（如如陶陶瓷瓷）中中，由由于于大大量量的的空空间间电电荷荷能能形形成成的的电电偶偶极极子子产产生生取取向向极极化化，且且相相界界面面堆堆积积的的电电荷荷产产生生界界面面极极化化，在在交交变变电电场场中中，其其极极化化响响应应会会明明显显落落后后于于迅迅速速变变化化的的外外电电场场，导导致致极极化化弛弛豫豫。此此过过程程中中微微观观粒粒子子之之间间的的能能量量交交换换，在宏观上就
18、表现为能量损耗。在宏观上就表现为能量损耗。微波烧结的技术特点微波烧结的技术特点1微波与材料直接耦合，导致整体加热。微波与材料直接耦合，导致整体加热。微波可以实现材料微波可以实现材料中大区域的零梯度均匀加热，使材料内部热应力减少，从而中大区域的零梯度均匀加热，使材料内部热应力减少，从而减少开裂、变形倾向。减少开裂、变形倾向。2微波烧结升温速度快，烧结时间短。微波烧结升温速度快，烧结时间短。微波的存在降低了活微波的存在降低了活化能，加快了材料的烧结进程，缩短了烧结时间。短时间烧化能，加快了材料的烧结进程，缩短了烧结时间。短时间烧结晶粒不易长大，易得到均匀的细晶粒显微结构，内部孔隙结晶粒不易长大，易
19、得到均匀的细晶粒显微结构，内部孔隙少，空隙形状比传统烧结的圆，因而具有更好的延展性和韧少，空隙形状比传统烧结的圆，因而具有更好的延展性和韧性。同时，烧结温度亦有不同程度的降低。性。同时，烧结温度亦有不同程度的降低。3微波可对物相进行选择性加热。微波可对物相进行选择性加热。不同的材料、不同的物相不同的材料、不同的物相对微波的吸收存在差异，因此，可以通过选择性和加热或选对微波的吸收存在差异，因此，可以通过选择性和加热或选择性化学反应获得新材料和新结构。还可以通过添加吸波物择性化学反应获得新材料和新结构。还可以通过添加吸波物相来控制加热区域，也可利用强吸收材料来预热微波透明材相来控制加热区域，也可利
20、用强吸收材料来预热微波透明材料，利用混合加热烧结低损耗材料。此外，微波烧结易于控料，利用混合加热烧结低损耗材料。此外，微波烧结易于控制、安全、无污染。制、安全、无污染。2 2 陶瓷的烧结机制陶瓷的烧结机制 一、烧结过程中的几种重要变化：一、烧结过程中的几种重要变化：粉粉粒粒聚聚集集体体（坯坯体体）表表面面积积减减少少，气气孔孔率率降降低低，颗颗粒粒间间接接触面加大，密度增大，整体机械强度提高。触面加大，密度增大，整体机械强度提高。微微观观上上，原原子子、离离子子通通过过扩扩散散，实实现现晶晶体体化化和和致致密密化化，样样品从非晶态逐渐变为晶态（多晶态）。品从非晶态逐渐变为晶态（多晶态）。体体系
21、系的的自自由由能能逐逐步步降降低低，主主要要是是体体系系的的表表面面自自由由能能（包包括括固固/气间的）表面能和固气间的）表面能和固/固相间的界面能的降低。固相间的界面能的降低。二、烧结过程的推动力二、烧结过程的推动力烧烧结结过过程程中中的的种种种种变变化化的的推推动动力力不不是是高高温温，高高温温只只是是提供了必要的条件。提供了必要的条件。对对不不需需考考虑虑化化学学反反应应的的纯纯烧烧结结过过程程来来说说，烧烧结结升升温温阶阶段段体体系系从从环环境境中中所所吸吸取取的的热热，在在降降温温阶阶段段将将全全部部交交还还给给环环境境。烧烧结结后后体体系系的的能能量量减减小小了了，所所以以体体系系
22、根根本本不不可可能能吸吸收收热热能能，一般还放出热能。一般还放出热能。烧结过程的推动力来自以下几方面烧结过程的推动力来自以下几方面：体体系系表表面面自自由由能能的的下下降降。所所有有坯坯体体烧烧结结成成瓷瓷必必然然释释放放出出能能量量，其其值值约约110J/mol,与与初初始始粉粉粒粒的的粗粗细细和和最最终终瓷瓷体体的的致致密密程度有关。程度有关。晶晶粒粒生生长长：非非晶晶晶晶体体的的转转化化也也有有能能量量释释放放，其其值值约约在在0.044J/mol，（包括缺陷能的释放等）。，（包括缺陷能的释放等）。活活化化烧烧结结或或反反应应烧烧结结中中化化学学势势的的降降低低（主主要要包包括括化化合合
23、物物的的形形成成，固固溶溶体体的的出出现现，晶晶相相转转变变等等），这这是是一一种种很很大大的的推推动动力，其值可达力，其值可达1001000J/mol。气相传质过程和物质的平衡蒸汽压有关。气相传质过程和物质的平衡蒸汽压有关。平平衡衡蒸蒸气气压压：指指在在单单位位时时间间内内单单位位表表面面向向空空间间蒸蒸发发的的物物质质的的量量与与从从空空间间向向同同一一表表面面凝凝结结的的同同物物质质的的量量相相等等（相相平平衡衡）时时的该物质的蒸气压。的该物质的蒸气压。平衡蒸气压的决定因素：平衡蒸气压的决定因素：物质的种类，温度，表面状况。物质的种类，温度，表面状况。在在相相同同的的温温度度和和相相同同
24、的的表表面面状状况况下下，不不同同的的物物质质具具有有不不同的平衡蒸气压。同的平衡蒸气压。一一般般情情况况下下，对对同同样样的的表表面面，平平衡衡蒸蒸气气压压随随温温度度升升按按指指数规律增大。数规律增大。表表面面对对平平衡衡蒸蒸气气压压的的影影响响主主要要是是表表面面曲曲率率大大小小，一一般般规规律是：律是：P凸表面凸表面P平表面平表面P凹表面凹表面对对于于凸凸表表面面，曲曲率率半半径径越越小小的的表表面面P越越大大，对对于于凹凹表表面面，曲曲径半径越小的表面径半径越小的表面P越小。越小。气相传质发生的条件：气相传质发生的条件：a)、物质容易形成蒸气或能形成蒸气。、物质容易形成蒸气或能形成蒸
25、气。b)、体系中各处表面曲率存在差异，从而造成相应的平衡蒸气、体系中各处表面曲率存在差异，从而造成相应的平衡蒸气压差。压差。气相传质发生的过程分析气相传质发生的过程分析那那些些曲曲率率半半径径小小的的凸凸表表面面处处的的物物质质由由于于蒸蒸发发，在在该该处处形形成成平平衡衡蒸蒸气气压压高高的的气气态态物物质质粒粒子子，而而那那些些凹凹表表面面处处则则会会形形成成平平衡衡蒸蒸气气压压低低的的气气态态物物质质粒粒子子，在在这这样样的的表表面面位位置置之之间间，由由于于蒸蒸气气压压差差和和气气态态物物质质粒粒子子浓浓度度差差的的存存在在，一一定定会会导导致致该该种种气气态态物物质质粒粒子子由由蒸蒸气
26、气压压高高的的位位置置向向蒸蒸气气压压低低的的位位置置扩扩散散和和迁迁移。移。气气相相传传质质过过程程的的进进行行，将将使使凸凸、凹凹表表面面逐逐渐渐向向平平表表面面发发展展，当当体体系系各各处处的的表表面面曲曲率率差差不不多多时时，气气相相传传质质过过程程就就可可以以忽略不计了。忽略不计了。显显然然，就就陶陶瓷瓷烧烧结结而而言言，气气相相传传质质过过程程最最容容易易在在粉粉料料的的预烧和烧结的初期发生，尤其是对粉粒粒度细小的材料。预烧和烧结的初期发生，尤其是对粉粒粒度细小的材料。3、液相传质机制：液相烧结、液相传质机制：液相烧结烧结中存在液相，它使传质变得容易。a)、液相往往出现在粒界间，由
27、于毛细管压力作用，引起坯体中粉粒或尖凸部在液相中溶解，通过在液相中扩散而在另一些位置沉析下来。液相的润湿作用使固液界面能下降。b)、液相烧结伴随化学反应，化学反应所引起的体系自由能下降很大，比表面自由能的下降要大的多，故这类有反应作用的烧结被称为活化烧结。3 3 功能陶瓷的改性方法功能陶瓷的改性方法 （自学为主）（自学为主）一、同价元素取代：一、同价元素取代：取代元素的离子半径应与被取代离子的离子半径接近，以保证晶格结构的类型不发生变化。由于不同离子的半径总是不同的，所以同价元素取代后总会使点阵结构发生某种程度的畸变，从而造成陶瓷性能的变化。本页本页-P54自学自学组成密度Kpd11Pb(Zr
28、0.53Ti0.47)O37.405440.4871Pb0.95Ca0.05(Zr、Ti)O37.269730.4488Pb0.92Ca0.08(Zr、Ti)O36.898880.3260Pb0.95Sr0.05(Zr、Ti)O37.4710020.50101Pb0.9Sr0.1(Zr、Ti)O37.2211270.49103Pb0.8Sr0。1(Zr、Ti)O36.4812570.3486例如：PZT中以Ca或Sr部分取代Pb后性能变化注：介电函数，Kp机电耦合系数，D31压电系数二、异价元素取代：二、异价元素取代：异价元素取代仍然要求取代离子与被取代离子的半径接近。由于取代离子与被取代离子
29、价电子的差异，取代过程必然伴随附近其他离子的变价或格点空位的产生，以保证电中性。离子的变价和空位的产生将明显地改变材料的性能。1、高价元素取代低价元素。例：在BaTiO3中搀入0.10.3at%的La，可使材料变为半导体。ln61La原因分析：将La2O3掺入BaTiO3中，由于La离子与Ba离子的电负性及离子半径相近，La可固溶取代Ba.La3+取代Ba2+出现正电荷多余可以有两种电荷补偿机制：在别处减少正电荷。在别处增加负电荷。在La含量较小时，采取在别处减少正电荷的方式进行电荷补偿，即Ti4+Ti3+，这常称为电子补偿机制。可表示为在La含量增大时，采取在别处增加负电荷的方式进行电荷补偿
30、，出现Ba空位，这称为空位补偿机制，可表示为2、低价元素取代高价元素ZrO2掺CaO:反应式缺陷平衡式，掺一个Ca,产生一个；ZrO2掺Y2O3:反应式缺陷平衡式：；掺2个Y,产生一个Ca，Y等掺杂可在材料中产生氧离子空位，使材料变成氧离子导体。三、同类结构物按一定比例固溶三、同类结构物按一定比例固溶X=103525200T例：BaTiO3+xSrTiO3的介电特性例：CdS-CdSe的相对光谱强度1.00.50.0相对光谱强度400500600700800900100012345/nm1CdS(100%)2CdS-CdSe(15%)3CdS-CdSe(40%)4CdS-CdSe(60%)5C
31、dSe(100%)四、纳米添加陶瓷增韧：例如四、纳米添加陶瓷增韧：例如把把纳纳米米Al2O3粉粉体体加加入入粗粗晶晶粉粉体体中中提提高高氧氧化化铝铝的的致致密密度度和和和耐热疲劳性能；和耐热疲劳性能；把把纳纳米米氧氧化化铝铝与与二二氧氧化化锆锆进进行行混混合合在在实实验验室室已已获获得得高高韧韧性的陶瓷材料，烧结温度可降低性的陶瓷材料，烧结温度可降低100；用用纳纳米米氧氧化化铝铝与与亚亚微微米米的的二二氧氧化化硅硅合合成成制制成成莫莫来来石石，得得到到一一种种非非常常好好的的电电子子封封装装材材料料，提提高高了了致致密密度度、韧韧性性和和热热导导性；性；将将纳纳米米碳碳化化硅硅(小小于于20
32、)掺掺人人粗粗晶晶a碳碳化化硅硅粉粉体体中中，当当掺掺和和量量为为20时时，这这种种粉粉体体制制成成的的块块体体的的断断裂裂韧韧性性提提高高了了25。P46-本页本页自学自学五、陶瓷材料表面改性五、陶瓷材料表面改性为什么要进行表面改性？为什么要进行表面改性？陶瓷材料的特点：陶瓷材料的特点：高熔点、高硬度、高刚度、高化学高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热性能、热导率低、热膨胀系数小、摩擦稳定性、高绝缘绝热性能、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明的特性。系数小、无延展性等鲜明的特性。陶瓷材料的弱点：陶瓷材料的弱点：:塑性变形差，抗热震和抗疲劳性能塑性变形差，抗热震和抗
33、疲劳性能差，对应力集中和裂纹敏感、质脆以及在高温环境中其强度、差，对应力集中和裂纹敏感、质脆以及在高温环境中其强度、抗氧化性能等明显降低等。抗氧化性能等明显降低等。表面改性技术的目的就是克服陶瓷的上述弱点，使陶瓷表面改性技术的目的就是克服陶瓷的上述弱点，使陶瓷材料能够以其优良的物理、化学性能材料能够以其优良的物理、化学性能,在航天、航空、电力、在航天、航空、电力、电子、冶金、机械等工业电子、冶金、机械等工业,甚至现代生物医学中得到广泛的甚至现代生物医学中得到广泛的应用。应用。表面改性的主要技术：表面改性的主要技术：传统的表面改性技术传统的表面改性技术有渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、有渗氮、阳极
34、氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等。物理气相沉积、离子束溅射沉积等。表面改性的新技术：表面改性的新技术：利用激光束或离子束的高能量在利用激光束或离子束的高能量在短时间内加热和熔化表面区域短时间内加热和熔化表面区域,从而形成一些异常的亚稳表从而形成一些异常的亚稳表面面;离子注入或离子束混合技术把原子直接引进表面层中。离子注入或离子束混合技术把原子直接引进表面层中。具体有：具体有：金属蒸汽真空弧离子源离子注入、金属蒸汽真空弧离子源离子注入、离子束增强离子束增强/辅助沉积、辅助沉积、等离子源离子注入等离子源离子注入激光表面合金化激光表面合金化激光化学气相沉积激光化学气相沉积等离子体辅
35、助化学气相沉积等离子体辅助化学气相沉积双层辉光等离子体表面合金化双层辉光等离子体表面合金化 脉冲高能量等离子体表面改性技术脉冲高能量等离子体表面改性技术离子注入装置举例离子注入装置举例离子注入材料表面改性的强化机理离子注入材料表面改性的强化机理离离子子注注入入后后能能显显著著提提高高材材料料表表面面的的硬硬度度、耐耐磨磨性性、耐耐疲疲劳劳性性、抗抗腐腐蚀蚀和和抗抗氧氧化化等等性性能能,其其改改性性的的机机理理认认为为主主要要有有以以下下几种：几种：(1)辐照损伤强化：辐照损伤强化：具具有有高高能能量量的的离离子子注注入入材材料料表表面面后后,将将和和基基体体原原子子发发生生碰碰撞，从而使晶格大
36、量损伤。撞，从而使晶格大量损伤。当当离离子子碰碰撞撞传传递递给给晶晶格格原原子子的的能能量量大大于于晶晶格格原原子子的的结结合合能时，将使其发生位移，形成空位能时，将使其发生位移，形成空位间隙原子。间隙原子。一一系系列列的的碰碰撞撞级级联联过过程程,在在被被撞撞击击的的表表面面层层内内部部产产生生强强辐辐射损伤区，射损伤区，从而形成大量位错缺陷从而形成大量位错缺陷。(2)固溶强化：固溶强化：由由于于离离子子注注入入是是非非平平衡衡过过程程，容容易易得得到到过过饱饱和和固固溶溶体体。含含有过量注入原子的固体固溶强化效果比较显著。有过量注入原子的固体固溶强化效果比较显著。(3)弥散强化：弥散强化：
37、由于注入过程中激烈的原子碰撞和靶子温升效应由于注入过程中激烈的原子碰撞和靶子温升效应,将会在将会在基体中形成基体中形成析出相而使基体强化析出相而使基体强化,特别是硬化物析出相硬化效特别是硬化物析出相硬化效果更佳。如金属注入钢可形成这些金属的铁化物析出相果更佳。如金属注入钢可形成这些金属的铁化物析出相;,和原子注入钢则形成铁的和原子注入钢则形成铁的,和硬化物析出相。和硬化物析出相。(4)晶粒细化强化：晶粒细化强化：离子注入激烈的碰撞将导致基体中晶粒的细化，晶界是位离子注入激烈的碰撞将导致基体中晶粒的细化，晶界是位错移动的障碍，随着晶粒细化所引入的晶界的增加，位错的运错移动的障碍，随着晶粒细化所引
38、入的晶界的增加，位错的运动将更加困难，材料的硬度明显提高。动将更加困难，材料的硬度明显提高。(5)非晶强化：非晶强化：非晶态金属玻璃中无位错和晶界，因此它具有高效能非晶态金属玻璃中无位错和晶界，因此它具有高效能抗磨损抗磨损,抗氧化和抗腐蚀性。离子注入可以得到数十种非晶抗氧化和抗腐蚀性。离子注入可以得到数十种非晶态。态。(6)优先溅射强化：优先溅射强化：合金中不同合金元素具有不同的结合能，由于溅射系合金中不同合金元素具有不同的结合能，由于溅射系数与结合能成反比，因此在注入过程中结合能弱的合金首数与结合能成反比，因此在注入过程中结合能弱的合金首先被溅射出来，而结合能高的合金又具有更好的强化特性，先被溅射出来，而结合能高的合金又具有更好的强化特性，因此注入的溅射效应可使表面强化。因此注入的溅射效应可使表面强化。