《材料的结构与性能》课程复习知识点

《材料的结构与性能》课程复习知识点1.离子键及其形成的离子晶体陶瓷材料的特征。离子键是通过相反电荷之间的库伦引力而形成的。即当一个原子给出一个或一个以上的电子，而另一个原子因接受这些电子，达到电中性。每个原子充满电子层都达到稳定状态，便发生离子键合。离子键及其形成的离子晶体陶瓷材料的特征可归纳如下：（1）离子可形成较紧密的堆积；（2）离子结合键无方向性；（3）离子键结合强度随电荷的增加而增大，且熔点升高，如Al2O3、ZrO2、Y2O3；（4）吸收红外波、透过可见波长的光，即可制得透明陶瓷；（5）低温下导电率低，绝缘性能优异；（6）高温下呈离子导电性，如ZrO2。2.共价键及其形成的陶瓷材料具有的特征。共价键合发生在两个或两个以上的原子共有一对电子，使每个原子都达到稳定的饱和电子层。与金属键和离子键不同，共价键是有方向性的，每个共价键由两个原子之间的共有电子对组成，使每个电子的分布几率像一个哑铃形，这就是使共价键具有方向性，共价键的这种很强的方向性是独特的。共价键及形成的陶瓷材料具有以下特征：（1）共有电子充满外面的电子层，达到电中性；（2）共价键由具有相似的电负性的原子形成；（3）具有高度的方向性；（4）非紧密堆积结构，但一般由三维骨架，含空穴和孔道；（5）共价键化合物一般具有高强度，高硬度、高熔点；（6）具有较低的热膨胀系数。3.层状结构材料的各向异性。范德华键和氢键在层状结构如黏土、云母、石墨、六方晶系的氮化硼中是很重要的，在这些陶瓷材料中，内层具有很强的主键（离子键或共价键），但层于层之间的结合力主要是范德华力和氢键，由于这些材料内层键合类型不同于层间的键合类型，因此这些材料显示出很高的各向异性。4.影响陶瓷材料密度的因素。陶瓷材料的密度主要取决于元素的尺寸、元素的质量和结构堆积的紧密程度。原子序数和相对原子质量小的元素使材料具有低的结晶学密度或理论密度。反之，使材料具有较高的结晶学密度；金属键合和离子键合陶瓷中的原子形成紧密堆积，会使其密度比共价键键合陶瓷（较开放的结构）的密度要高一些。5.硬度所反映的材料的能力；静载荷压入法测定硬度的原理。硬度代表材料抵抗硬的物体压陷表面或破坏的能力。静载荷压入的硬度试验方法种类很多，常用于测定材料的布氏硬度、维式硬度及洛氏硬度。这些方法的原理都是将一硬的物体在静载荷下压入被测物体表面，以凹面单位面积的载荷表示被测物体的硬度。6.影响陶瓷材料硬度的因素。陶瓷材料的硬度主要取决于结合键类型、晶体结构和化学组成。离子半径越小，离子电价越高、配位数越大、结合能越大，抵抗外力摩擦、刻划及压入的能力也就越强，所以硬度就较大。此外，陶瓷材料的微观结构、裂纹、杂质等对硬度有影响。温度对陶瓷硬度也有影响，一般情况下温度升高时，硬度下降。7.影响固体材料的熔点的主要因素。陶瓷材料的熔点主要取决于内部质点间结合力的大小，即晶体中化学键的类型和它的强弱程度。结合力越大，破坏质点间的联系所需要的能量就越大，熔点就越高；反之，熔点越低。（影响材料熔点的因素不是单一的，还和晶体的结构类型、配位情况、离子半径大小、极化作用等许多因素有关。）8.结构陶瓷材料的力学性能特征。结构陶瓷材料具有弹性模量高、抗压强度和高温强度高、高温蠕变小等优异的力学性能；同时，其断裂韧性又比较低，表现出脆性断裂。9.材料的弹性模量的工程意义；影响陶瓷材料的弹性模量的因素。弹性模量在工程上反映了材料刚度大小，在微观上反映原子的键合强度。键合越强，则使原子间隙加大所需的应力越大，弹性模量就越高。因此弹性模量与陶瓷的键合类型有关，通常具有共价键的陶瓷其价键强，E值也高。影响陶瓷材料的弹性模量的因素：若陶瓷材料的结合键在不同方向上有所不同，其E也不同；气孔率会影响陶瓷弹性模量，其影响总是使弹性模量降低；通常温度升高，弹性模量E稍微降低。10.陶瓷材料的实际情况与理论强度。陶瓷材料的强度，若根据原子键断裂来计算可得到理论强度；若将材料内部和表面的各种缺陷，如裂纹、气孔或夹杂物都考虑进去，则为实际强度。11.四点弯曲试验、三点弯曲试验、单轴向拉伸试验测定的强度值特点。在陶瓷进行陶瓷材料的三点弯曲、四点弯曲及拉伸强度试验时，外加载荷在试件上的应力分布是不同的。对于给定的陶瓷材料，四点弯曲试验得出的强度值比三点弯曲试验得出的数值要低一些；而单轴向拉升强度试验得出的强度值低于弯曲强度值。12.加载速率对陶瓷材料强度测定值的影响。陶瓷的强度随加载速率的增加而增加。在某种程度上，可以将强度随加载速率变化看作是缺陷对强度的影响随加载速率而变化。加载速率越大，缺陷对强度的影响越小。对于相同的试样和相同的尺寸的裂纹，高速载荷下的强度测试值要比慢速载荷下的强度高的多，因为在慢速载荷上裂纹有足够的时间扩展。13.单边切口梁法和压痕法测定材料断裂韧性的优缺点。单边切口梁法的主要优点是：试样加工比较简单，采用矩形长试样[2mm×4mm×(36~40mm)]，中间用金刚石圆形刀开一狭窄的切口（切口宽≤0.25mm，深度为0.4~0.5W)；测定值比较稳定，可比较性好，又比较接近真实的KIC；可在高温或不同介质与气氛中试验。因此，该法已被许多国家用作标准方法。缺点：断裂韧性受开口宽度的影响，KIC随切口宽度的增大而增大，这样，若开口宽度控制单边切口梁法所测定的断裂韧性KIC可能偏高。压痕法的主要优点：（1）对试样尺寸、数量要求低，便于制备，可用小尺寸样品测试断裂韧性；（2）试样加工简单，仅需对表面精密抛光；（4）不需预制裂纹，测试速度快；（3）不需要特殊的装置和夹具，只要不同的硬度计；（5）可以测试同一个试样的KIC的不均匀性。缺点：（1）受材料组织均匀性影响，对某些材料，如气孔率高和组织非常不均匀的材料不适用；（2）测量值分散性大；（3）压痕应力场复杂，解析结果中含很多假设，各计算公式得到的值差别较大。所以，应尽量增加测试点数，以提高结果准确性。14.共价键陶瓷的热膨胀系数较低，而离子键陶瓷或金属材料相对较高的原因。这是由于共价键的方向性使这类陶瓷中易产生一些空隙，受热时各原子产生振动的振幅中有一些被结构内的空隙和键角的改变所吸收，从而使整个部件的膨胀小的多。而对于离子键陶瓷或金属材料，由于它们具有紧密堆积结构，受热时每个原子的振幅累积起来使得整个材料发生比较大的膨胀。15.气孔对陶瓷材料热导率的影响。一般情况下气孔体积分数愈高，陶瓷材料的热导率愈低，气孔率大的陶瓷保温材料往往具有很低的热导率。（对于陶瓷粉末和纤维材料，其导热率比烧结状态时又低得多，这是因为在其间气孔已经形成了连续相，因此材料的热导率就在很大程度上受气孔相的热导率影响，这也是通常粉末和纤维类材料能有良好隔热性能的原因。）16.材料的抗热震性的概念。陶瓷材料热应力的产生方式。抗热震性是指材料承受温度的急剧变化而不被破坏的能力，也可称为抗热冲击性或热稳定性。陶瓷材料热应力的产生方式：温度梯度引起热应力（当陶瓷材料处于温度梯度急剧变化的环境时，由于表面和内部中心温度瞬时难以达到平衡，就会存在温度梯度从而产生热应力）、热膨胀系数不同（在加热或冷却过程中因热膨胀不匹配也会产生热应力）、陶瓷部件被约束时产生热应力（在受热或冷却时不能自由膨胀或收缩，此时构件内部产生热应力）。17.多晶陶瓷材料的热震破坏的类型。一种是材料发生的瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热震断裂性。另一种是热冲击循环作用下，材料表面开裂及剥落并不断延伸和发展，最终破裂或失效，抵抗这类破坏的性能称为抗热震损伤性。18.影响热震断裂的因素及其影响情况。(1)提高材料强度有利于抗热震性的改善，而弹性模量E大，弹性小，在热冲击条件下材料难以通过变形来部分抵消热应力，因而对抗热震性不利。(2)热膨胀系数α，在同样的温度下，α小的材料产生的热应力小。(3)热导率λ。热导率大，材料内温度梯度会减小，温差应力就小，有利于改善抗热震性。19.掺杂氧化锆陶瓷的导电机理。在ZrO2中添加某些阳离子半径与Zr4+离子半径相差12％以内的低价氧化物如CaO、MgO、Y2O3、Yb2O3，经高温固溶处理以后，低价阳离子部分地置换了高价的Zr4+离子，为保持系统的电中性，该结构中就形成了氧缺位型的固溶体。氧离子缺位以及在氧缺位附近的氧离子在晶格中扩散形成电导，电导大小取决于环境温度和氧的分压。20.陶瓷材料的介电损耗、衡量方式及影响因素。介电损耗是陶瓷材料在交变电场内，由于电导和极化过程产生的能量损耗。常用陶瓷介电损耗角正切tanδ来衡量介电损耗大小，称介电损耗因子。介电损耗因子tanδ值与电场频率和环境温度有关。（电场频率增高时tanδ值减小；温度升高后离子易于运动，会使tanδ增大；tanδ值对湿度也很敏感，受潮后tanδ值急剧增大。）21.影响陶瓷材料透光率的主要因素及提高多晶材料的透光性的措施。陶瓷内部气孔、杂质、晶界等非均匀结构导致的散射是影响透光率的最主要因素。因此，消除杂质和气孔，特别是消除大气孔、减小晶粒与晶界相折射率的差值都将显著提高多晶材料的透光性。22.含Cr2O3的Al2O3陶瓷的呈色机理。含有1%Cr2O3的Al2O3陶瓷陶瓷呈现红色。因为固溶到α-Al2O3晶格中的Cr3+离子对可见光的蓝绿色频段有强烈的选择性吸收，从而使瓷体呈现蓝绿色的补色，即粉红色。23.激光材料的组成、基质的作用、激活离子。激光工作物质是在介质中掺杂激活粒子。激光材料是由基质和激活离子组成。基质的作用主要是为激活离子(发光中心)提供一个合适的晶格场，使之产生受激发射；作为发光中心的少量掺杂离子称为激活离子，主要是过渡族金属粒子、三价稀土粒子等。24.材料的脆性-延性转变温度。一般而言，在较低温度范围内，陶瓷的断裂破坏属脆性行为，即没有塑性变形，同时极限应变很小，对微小缺陷很敏感。但在高温区，陶瓷在断裂前可产生微小塑性变形，极限应变大大增加，有少量弹塑性行为。此外，强度对缺陷的敏感程度有很大变化，产生这种材料性能变化的低温区和高温区的分界线通常称为脆性-延性转换温度。脆性-延性转变温度与陶瓷化学组成和价键的类型密切相关，同时也与陶瓷的微观结构、晶界相的组成、特别是晶界玻璃相成分和含量有关。25.陶瓷蠕变断裂的机理。位错运动，晶界滑移，空位扩散（1）晶界的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。热运动有助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。当受到的阻碍较小时，易于运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会下降。（2）通常认为晶界是蠕变和裂纹的起源，因为多晶陶瓷中的晶界易于富集杂质、气孔，形成玻璃相或微晶相。同时晶界也是应力集中的地方，所以相邻晶粒间的滑移是陶瓷高温蠕变的一种重要的微观过程。高温下形变的主要部分是晶界滑移，因此蠕变断裂的主要形式是沿晶断裂。（3）蠕变同样是在外力作用下空位定向扩散的过程。应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低浓度扩散，导致晶粒沿受拉方向伸长，引起形变。26.抗蠕变能力强的陶瓷材料的特性。具有初始难熔相；高纯，玻璃相含量低；晶界干净，无杂质和气孔；大晶粒尺寸存在有利抵抗晶界的滑移。27.降温对陶瓷材料的理论结合强度的影响。温度降低时组成陶瓷材料的晶体中原子间距减小，原子振动减弱，原子间作用力增强，宏观表现为材料的弹性模量E和自由表面能γ增大，因此理论结合强度提高。