陶瓷材料的界面行为
材料表界面 习题答案
材料表界面习题答案材料表界面习题答案近年来，随着科技的不断发展，材料表界面的研究成为了材料科学领域的热点之一。
材料表界面是指两个或多个不同材料之间的交界面，它们的性质和结构对材料的性能起着至关重要的作用。
因此，研究材料表界面的性质和行为对于开发新材料、改善材料性能以及解决材料失效问题具有重要意义。
一、材料表界面的定义和分类材料表界面是指材料中两个或多个不同相之间的交界面，它们的性质和结构往往与材料本身的性质有很大的差异。
根据不同的分类标准，材料表界面可以分为物理界面和化学界面。
物理界面是指两个相之间仅有形态和结构上的差异，而化学界面则是指两个相之间发生了化学反应，形成了新的化学物质。
二、材料表界面的性质和行为材料表界面的性质和行为受到多种因素的影响，包括界面能量、界面结构、界面化学反应等。
界面能量是指两个相之间的能量差异，它决定了界面的稳定性和相互作用力的大小。
界面结构则指的是界面上原子或分子的排列方式，它对界面的力学性能和电子结构具有重要影响。
界面化学反应是指两个相之间发生的化学反应，它可以导致界面的变化和材料性能的改变。
三、材料表界面的研究方法为了研究材料表界面的性质和行为，科学家们发展了多种研究方法。
其中，最常用的方法包括电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等。
电子显微镜可以观察到材料表界面的形貌和结构，X射线衍射可以分析界面的晶体结构，而拉曼光谱则可以研究界面的振动和光学性质。
四、材料表界面的应用材料表界面的性质和行为在材料科学和工程中具有广泛的应用。
例如，在材料加工过程中，控制材料表界面的性质可以改善材料的加工性能和机械性能。
在材料设计中，通过调控材料表界面的结构和化学反应，可以开发出新的材料，如纳米材料和复合材料。
此外，材料表界面的研究还有助于解决材料失效问题，如腐蚀、疲劳和断裂等。
综上所述，材料表界面是材料科学领域的一个重要研究方向。
通过研究材料表界面的性质和行为，可以为开发新材料、改善材料性能以及解决材料失效问题提供理论指导和技术支持。
材料连接过程中的界面行为
材料连接过程中的界面行为1、材料连接性的确定（论述，针对具体例子）答：定义：材料的扩散连接性就是指被连接材料在一定的扩散连接工艺参数条件下直接连接而得到完整的，具备一定使用性能的扩散连接接头的能力。
影响因素：1）被连接材料之间的物理性能和化学性能的差别是影响这组材料扩散连接性的最主要的影响因素。
2）材料连接性与晶体结构、类型与性质的关系。
3）材料连接性与原子半径的关系。
4）材料连接性与元素负电性的关系。
5）材料连接性与相图的关系。
例子：1、TiAl 金属间化合物与钢物理性能差异对其扩散连接性的影响，密度、线膨胀系数、弹性模量、导热系数。
2、TiAl 金属间化合物与钢化学性能差异对其扩散连接性的影响，TiAl 金属间化合物与40Cr 钢扩散连接时，钢中存在的Fe、Cr、Ni、Cr、C等元素与TiAl金属间化合物中Ti、Al元素极易形成多种金属间化合物脆性相，尤其是TiC 的生成，接头力学性能进一步下降，连接质量2、扩散机理答：在扩散过程中，如果晶格的每个节点都被原子占据着，没有供其扩散的适当位置，原子的扩散也就很难进行。
由此可见，扩散不仅由原子的热运动所控制，而且还要受具体的晶体结构所制约。
1）空位扩散机制：原子借逐步向其邻近的空位跳动而扩散，或者说，原子借空位的运动而扩散。
由于在每一温度下都存在一定浓度的空位，且随着温度的升高，空位的浓度增大，因此空位扩散机制是材料连接中原子扩散时可能性最大的一种扩散机制。
2）间隙扩散机制：扩散原子通过在晶格间隙位置间的跃迁而实现的扩散称为间隙扩散。
在间隙扩散机制中，共有三种扩散类型：a）间隙机制。
b）自间隙机制。
c）挤列机制。
3）交换扩散机制：通过两个相邻的原子直接交换位置而进行的原子扩散，过程将使交换原子附近产生严重的晶格畸变而消耗很大的能量，因此这种扩散机制是比较难进行的。
3 物理接触答：扩散连接时表面的物理接触（使表面接近到原子间力的作用范围之内）是形成连接接头的必要条件。
界面效应的名词解释
界面效应的名词解释界面效应是指在两种或多种不同材料的接触面上，由于表面的差异所引起的一系列特殊现象和影响的总称。
在物理、化学、材料科学等领域中，界面效应是一个重要的研究课题，因为它不仅能够影响材料的性能和功能，还能够解释许多复杂的现象和现象的发生机理。
在自然界中，许多物质都存在着界面。
例如，当液体与固体接触时，它们之间就会形成一个界面；当两种不同气体混合时，它们之间也会形成一个界面。
这些界面存在的原因是由于不同物质之间的相互作用和性质差异。
在这些界面上，由于表面能的差异，会产生一系列特殊的现象和效应。
一个经典的例子是液体在固体表面上的行为。
当一滴液体滴在固体表面上时，我们会观察到液滴的形状不规则，边缘呈现出凹凸不平的特征。
这是由于固体表面的亲水性或疏水性与液体的相互作用导致的。
如果固体表面具有较强的亲水性，液滴在其上会展平并尽可能地接触表面，形成一个较大的接触角；而如果固体表面具有较强的疏水性，液滴在其上会呈现出较小的接触角，接触面积相对较小。
类似的现象也存在于固体与气体的界面上。
当一块金属在空气中暴露一段时间后，表面就会出现氧化层。
这是由于金属表面与氧气发生反应，形成了一层金属氧化物。
这种氧化层具有较强的附着力，可以起到保护金属的作用。
然而，同时也会阻碍金属与其他物质的反应，影响其使用性能。
因此，在一些工程领域中，人们需要采取措施去除氧化层，以便更好地利用金属的性能。
除了表面现象以外，界面效应还能够对材料的物理性能产生深远的影响。
例如，在光学材料中，不同材料的折射率差异会导致光线在界面上的反射和折射现象。
在半导体器件中，界面效应可以影响材料的导电性能和电子传输速率。
这些界面效应的研究对于材料设计、器件制造和性能改善具有重要意义。
为了探索和理解界面效应，科学家们采用了一系列的实验和理论方法。
他们通过表面分析仪器，如原子力显微镜、X射线衍射仪等，可以观察和测量界面的形貌和结构特征。
同时，也运用了各种物理、化学和力学的理论模型，来模拟和解释界面效应的发生机理。
陶瓷基先进复合材料的高温力学性能研究
陶瓷基先进复合材料的高温力学性能研究陶瓷基先进复合材料（ceramic matrix composites，CMCs）是一种重要的新型结构材料，具有优异的高温力学性能。
本文将对陶瓷基先进复合材料的高温力学性能进行研究，探讨其原因和影响因素。
一、陶瓷基先进复合材料的高温力学性能陶瓷基先进复合材料由陶瓷基体和增强相组成，其中陶瓷基体具有高温抗氧化性、耐高温蠕变性和低热膨胀系数等优良性能，增强相具有高强度和高模量等特点。
因此，陶瓷基先进复合材料在高温环境下具有出色的力学性能。
在高温下，陶瓷基先进复合材料通常表现出较低的热膨胀系数和较高的耐热疲劳性能。
其低热膨胀系数可以降低在不同温度下材料的热应力，减少热应力引起的开裂和破坏；而耐热疲劳性能指材料在高温循环加载下的抗裂纹扩展和断裂性能，能够保证材料长期在高温下稳定工作。
此外，陶瓷基先进复合材料还具有较高的强度和模量。
其高强度可以使材料在高温条件下具有更好的承载能力和抗拉伸性能，从而保证使用时的可靠性；而高模量可以提高材料的刚性和抗变形性能，降低在高温下的塑性变形。
二、影响陶瓷基先进复合材料高温力学性能的因素1.组分和制备工艺：陶瓷基先进复合材料的组分和制备工艺直接影响其力学性能。
合适的组分能够使不同相之间的界面结合更加牢固，提高材料的强度和韧性；而合理的制备工艺可以降低材料的孔隙率、提高微观组织的均匀性，从而改善材料的高温力学性能。
2.界面行为：界面在陶瓷基先进复合材料的高温力学性能中起着重要的作用。
强化相和基体之间的界面结合状态会影响材料的强度和断裂韧性。
良好的界面结合可以抑制裂纹的扩展，提高材料的高温抗拉伸能力。
3.氧化行为：陶瓷基先进复合材料在高温环境下容易发生氧化反应，导致材料的氧化损伤。
氧化层的形成会影响材料的力学性能，尤其是材料的抗氧化性能。
因此，控制氧化行为可以有效改善材料的高温力学性能。
三、陶瓷基先进复合材料的应用前景陶瓷基先进复合材料由于其卓越的高温力学性能，在航空航天、能源、汽车和机械等领域具有广阔的应用前景。
界面现象的名词解释
界面现象的名词解释界面现象是指两种不同介质之间形成的边界区域，这个区域具有特殊的物理、化学或生物性质。
界面现象在我们的日常生活中无处不在，而且在科学和工程领域中也起着重要的作用。
本文将对界面现象进行详细解释。
首先，我们来了解一下界面现象的起因。
当两种不同的物质相遇时，它们之间的相互作用形成了一个界面。
这个界面上的物理和化学性质与两种物质本身有着明显的差异。
例如，当水和油相遇时，它们在界面上会形成一个不相溶的薄层，这是由于它们的分子之间的排斥力大于吸引力所致。
界面现象涉及了许多重要的概念和现象。
其中之一是表面张力。
表面张力是液体表面上的一种内聚力，导致液体表面呈现出收缩的趋势。
这可以用一个简单的实验来演示：取一张干净的硬纸币，轻轻放在水面上，可以观察到纸币不会立刻下沉，而是浮在水面上。
这是因为水分子之间存在着相互吸引的力量，使得水的表面呈现出收缩的特性。
除了表面张力，另一个重要的界面现象是浸润性。
浸润性描述了液体对固体的渗透能力。
当一滴液体滴在固体表面上时，它的形状取决于液体和固体之间的相互作用。
如果液体能够充分地渗透进入固体材料中，我们称之为良好的浸润性。
这一现象在涂料、油墨以及润滑剂等领域中具有重要的应用。
此外，界面现象还涉及到界面活性剂的使用。
界面活性剂是一种能在两种不同介质的界面上降低表面张力的物质。
它们能够将不能互溶的物质混合在一起，并形成稳定的乳状液体。
这在食品、日化和医药等行业中被广泛应用。
例如，洗涤剂中的表面活性剂能够使油污和水混合，达到清洁的效果。
界面现象的研究对于解决一些现实生活中的问题非常重要。
例如，界面现象对于研究海洋环境中的表面活性物质分布、油水分离技术的改进以及水处理等方面都具有重要意义。
此外，界面现象还在材料科学、能源储存和转换等领域中发挥着关键作用。
通过研究、理解和利用界面现象，我们可以开发出更高效、更环保的技术和材料。
在总结上述内容之前，值得一提的是生物界面现象。
材料微观组织的概念及分类
材料微观组织的概念及分类材料微观组织是指材料在微观尺度下的内部结构和组织形态，是由晶体、晶界、晶粒、晶格缺陷、孪晶、析出相、晶体取向等组成的。
微观组织的特征与性能之间有着密切的关系，对材料的性能和行为具有重要的影响。
微观组织的分类主要有金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。
金属材料的微观组织特征主要包括晶格结构、晶粒形态、晶界和孪晶。
在金属的微观组织中，晶界是一个非常重要的概念，它是相邻晶粒之间的交界面，对金属材料的力学性能和腐蚀性能有很大的影响。
金属材料的晶粒形态可以有等轴晶粒、柱状晶粒和板状晶粒等不同形态，这些形态的不同会对金属材料的性能产生影响。
此外，金属材料中的孪晶是由于材料在变形或加工过程中产生了错觉而形成的，对材料的塑性变形行为有着重要的影响。
金属材料的微观组织特征对金属材料的热加工、冷加工、固溶处理、时效处理等过程中的材料性能有着重要的影响。
陶瓷材料的微观组织特征主要包括晶粒尺寸、晶粒分布、晶粒取向和晶界结构。
陶瓷材料中的晶粒尺寸和分布对材料的力学性能、耐磨性能和耐热性能具有重要的影响。
此外，陶瓷材料中的晶粒取向可以对材料的力学性能和导热性能产生重要的影响。
陶瓷材料中的晶界结构也是一个重要的概念，对陶瓷材料的力学性能和导热性能有着重要的影响。
陶瓷材料的微观组织特征对陶瓷材料的成型、烧结、抛光等过程中的材料性能有着重要的影响。
高分子材料的微观组织特征主要包括聚合物链的构型、分子结晶、晶粒尺寸和晶界结构。
高分子材料中聚合物链的构型对材料的强度、韧性和耐磨性能有着重要的影响。
高分子材料中的分子结晶对材料的耐热性能和耐溶剂性能有着重要的影响。
高分子材料中的晶界结构对材料的热加工、冷加工和固溶处理等过程中的材料性能有着重要的影响。
高分子材料的微观组织特征对高分子材料的成型、挤压、拉伸等过程中的材料性能有着重要的影响。
复合材料的微观组织特征主要包括基体和增强相的分布、界面结构和晶粒尺寸。
复合材料的基体和增强相的分布对材料的强度、韧性和硬度有着重要的影响。
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
第四章 表面与界面
材料的表面与界面
固体（晶体、玻璃体）的表面与内部有什么不同？
实际上晶体和玻璃体：处于物体表面的质点，其 环境和内部是不同的，表面的质点由于受力不均衡而 处于较高的能阶，所以导致材料呈现一系列特殊的性 质。
例如：石英的粉碎。1kg直径为10－2米变成10－9米 ，表面积和表面能增加107倍。
物理性质：熔点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿和烧 结等（微小晶体蒸汽压增大、熔点下降、溶解度增加， 表面上存在着吸附等现象）。
即用于增加物系的表面能。故：∆PdV＝γdA
V＝4/3πR3 A＝4πR2
∴∆P＝ 2 （球形曲面）
R
对非球形曲面：∆P＝
1 r1
1 r2
— 拉普拉斯公式
r1、r2—曲面的主曲率半径
方向：指向曲率中心
2、弯曲表面上的饱和蒸汽压
将一杯液体分散成为微小液滴时，液面就由平面变成凸面， 凸形曲面对液滴所施加的附加压力使液体的化学位增加，从 而使液滴的蒸气压随之增大。所以，液滴的蒸气压必然大于 同温度下平面的蒸气压。它们之间的关系可以用开尔文方程 来描述。
2、固体表面力场
固体内部：质点受到周围质点的控制， 静电平衡、存在力场、力场对称。
固体表面：周期性重复中断，力场对称性破坏， 产生指向空间的剩余力场。
剩余力场表现：固体表面对其它物质有吸引作用 （如润湿、吸附、粘附性）
固体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相 互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。
2、浸湿（Soakage）
V S
L
G SL SV
浸湿过程
浸湿过程引起的体系自由能的变化为
G SL SV
如果用浸润功Wi来表示，则是
材料的表面和界面化学
材料的表面和界面化学材料的表面和界面化学是研究材料表面和界面性质以及相关现象的学科领域。
表面和界面化学在材料科学、物理、化学等多个学科中都扮演着重要的角色，对于理解和解决材料在各种应用中的性能和稳定性问题具有重要意义。
1. 表面化学表面化学主要研究材料表面的性质和化学反应。
材料表面是材料与外界相接触的部分，其性质对材料的功能和性能起着至关重要的作用。
表面化学通过研究表面吸附、催化反应、表面能量和界面张力等现象，揭示了材料表面的本质和特征。
表面吸附是表面化学的重要研究内容之一。
通过研究气相或溶液中分子在固体表面上的吸附过程，可以了解到物质在表面附近的行为和性质。
这对于催化反应、腐蚀控制、表面修饰和生物材料等领域都具有重要意义。
例如，金属氧化物表面的氧化还原反应关系到能源转换和环境保护等领域。
2. 界面化学界面化学研究不同物质相接触时的性质和相互作用。
界面可以是固体与液体、气体与液体、液体与液体等不同相之间的接触面。
在实际应用中，界面往往是发生化学反应、传递质量和能量的关键位置。
界面化学涉及多种现象，例如表面张力、界面电荷和界面传递等。
表面张力是液体分子间相互作用力导致的表面收缩趋势，决定了液体在固体表面的润湿性。
界面电荷则涉及到固体、液体或气体接触形成的电荷分布以及电位差的产生，它对于电化学反应和电化学能量转换十分重要。
界面传递主要指的是传质和传热现象，如固体催化剂上的反应物传质、电池中的离子传输等。
3. 应用前景材料的表面和界面化学研究对于材料的设计、制备和应用都具有重要意义。
通过控制和调节材料的表面和界面性质，可以优化材料的性能和功能，提高材料的稳定性和可靠性。
在能源材料领域，表面和界面化学的研究有助于提高太阳能电池、储能材料和催化剂等能源材料的效率和稳定性。
例如，通过调控催化剂表面的活性位点和表面缺陷，可以提高催化剂的选择性和活性，从而实现高效催化反应。
在材料保护和腐蚀控制方面，表面和界面化学的研究可以帮助设计新型防腐蚀涂层和材料表面修饰技术，提高材料的抗腐蚀性能和使用寿命。
材料连接过程中的界面行为
焊接技术的历史与发展
考古发现：
5500年前用锡钎焊银摆设（古埃及） 5000年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及） 5000年前用银钎料钎焊的管子（古埃及） 4000年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及） 公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝
同一时期，气焊以及接触电焊（电阻焊）的基本形式-点焊和滚焊也获得了研究和发展。
随着冶金、化工、电工、电子等技术的不断发展和进 步，以电弧焊为代表的熔化焊接技术成为材料连接领 域中处于主导地位的连接方法。
研究材料连接过程中界面行为的必要性
分析连接接头的形成机制
作为焊接概念下的接头形成过程，都是使材料被 连接部位原有的固体表面消失或为新的固—固相界面取 代的过程。分析界面在连接过程中的行为，则是探求 连接接头形成的物理本质的有效途径。
润湿功、润湿角及表面张力间的关系
通过Young方程可建立润湿功与润湿角和表面张力之间的关系:
附着功：Wa sg lgsl lg(cos
对于附着润湿来说，只要θ＜180°，就可保证Wa＞0，亦即 可以发生附着润湿。
浸渍功： Wi sg sl lg cos
随着存储期的延长，这层膜还会进 一步增厚。
固体金属的表面结构
在实际钎焊过程中，所涉及到的母材表面都会 有一层前述的表面的结构。
为使钎焊过程得以顺利进行，要根据膜的基本 性质，采用还原性酸（如HCl、HF、稀硫酸、 有机酸）、氧化性酸（如HNO3）或碱（如NaOH、 KOH）等来去除。
经过酸洗的表面仍不是理想表面或清洁表面， 它在钎焊前还可能氧化，并形成一层较薄的氧 化膜。
固相连接中最典型的方法当属扩散焊，扩散焊方法出 现于上个世纪中叶，这种方法在早期并未受到重视。
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• 陶瓷材料
陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形 和高温烧结制成的一类无机非金属材料。 它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧 化等优点。可用作结构材料、刀具材料， 由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作 为功能材料。
陶瓷材料的相
主晶相是典型的多晶材料；存在一定的玻 璃相【又称过冷液相 ，由非晶态固体构成 的部分。它存在于晶粒与晶粒之间，起着 胶黏作用。陶瓷坯体中的一部分组成高温 下会形成熔体(液态)，冷却过程中原子、 离子或分子被“冻结”成非晶态固体即玻 璃相。 】
• 当φ 角变化时，液相可以分布呈不同形态，不同的的两面 角的晶界形态也不一样。
有液相烧成的晶界行为
有液相烧成的晶界行为
• 毛细压力（讲课本）
• 由于液体和固体间的相互润湿，液体会沿固体表面延展， 使液一气相间的界面是一个弯曲表面。由于表面张力的作 用，弯曲表面的表面张力不是水平而是沿界面处与表面相 切。毛细管中由弯曲液面上表面张力的合力形成的管内外 两侧的压强差。 • 在毛(细)管中产生的液面上升或下降的曲面附加压力就称 为毛(细)管压力，。
晶界电位及空间电荷
• 晶界电位及界面势垒，PTC效应
• 对于一些特殊性能的陶瓷材料有重要影响，比如 PTC(即正温度系数）半导体陶瓷。（讲课本） • 介电常数：介质在外加电场时会产生感应电荷而 削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中 电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。 如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度 会在电介质内有可观的下降。
逆压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效应
是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。 当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后， 电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
铁电陶瓷
BaTiO3晶体为例说明
在居里点120℃以上属于立方晶系，降到120℃以后 变成四方晶系。晶格常数发生变化，c∕a=1.01。
有液相烧成的晶界行为
• 如果液相能在烧成温度均匀润湿晶粒，形 成毛细压力，对陶瓷材料烧成过程的致密 化十分有利。 • 如果冷去后液相形成三维的薄膜网络“冻 结”下来，把晶体包裹割裂，在很多情况 下对材料不利。
有液相烧成的晶界行为
• 过渡液相烧结技术
• 针对以上问题，发明了这个过渡液相烧结技术，不仅改善 了致密度，而且性能得到改善。 • 选择一种合适的外加剂，这种外加剂可以在烧成温度初始 形成阶段形成有适合粘度的液相，而且可在与晶粒表面互 溶作用，而增加液相与晶粒的浸润性，促使材料致密化。 而且在致密化后，烧成后期，大部分液相又可进一步固容 到晶粒内，并且随着成分的变化，固液相二面角增大，液 相会聚到晶粒交界处。不仅改善了致密度，而且性能得到 改善。
有液相烧成的晶界行为
• 前言
• 陶瓷材料的晶界特征与陶瓷工艺有十分密切的关系，固相 反应及烧成是陶瓷材料所特有的一种工艺过程，特别是在 烧成过程中有液相形成时，晶界的形态与特征和固液两相 的表面性质密切相关。
有液相烧成的晶界行为
固固界面能与固液界面能的比例决定了液相在界面的分布情况。
有液相烧成的晶界行为
• 电畴分类
• 凡是电偶极子方向与纸面垂直的电畴称为C畴（2个方 向）；与纸面平行的电畴称为a畴(4个方向)。 C畴 a畴
铁电陶瓷
• 畴界
• 电畴之间形成畴界
• 畴界分类
• 180°畴界；90°畴界；反常90°畴界（已经证明存在）。
• 180°畴界
• c-c或a-a畴之间形成的畴界称为180°畴界
陶瓷材料中的晶界行为
• 陶瓷晶界的另外特点
• 例如在最纯的陶瓷中，非本征缺陷的浓度往往比本征缺陷 的浓度高出几个数量级；而在很纯的金属材料中本征缺陷 的浓度却可能比非本征缺陷的浓度高出几个数量级。这样 杂质在本体中的固溶行为及其在晶界的分凝和淀析比金属 中复杂的多。 • 主要讨论前三个，对应的有相应的理论研究。分以下三个 部分：1.晶界电位及空间电荷；2.铁电陶瓷中的畴界；3. 有液相烧成的晶界。
陶瓷材料中的晶界行为
• 陶瓷晶界理论的发展历史
• 陶瓷材料晶界理论70年代开始的，其理论很复杂，相对于金属材料来 说更年轻，很多实践中的已经解决的问题至今不能解释。
• 陶瓷材料的界面与金属材料的界面
• • • • 有很相似的地方，界面理论有时可以互借。 但是陶瓷材料界面有有自己独特的特点。包括以下方面： 1.化学键本质不同，陶瓷材料：离子键和共价键；金属材料：金属键。 2.有一类陶瓷材料（铁电陶瓷）具有铁电畴和畴界，它们的晶体结构 具有自发极化的特点，即铁电体，晶粒中自发极化方向因外电场的影 响而方向不同，极化方向相同的微区称为电畴，电畴之间形成畴界。 • 3.烧成工艺中，最大限度的致密化是陶瓷烧成过程的主要目标，伴随 有固-固、固-液反应，晶粒的重排、合并、长大及晶界迁移。这个过 程是十分复杂的物理化学反应。
铁电陶瓷
• 自发极化
• 某些晶体中因电偶极子的规则排列而产生的极化。 • 在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不重合，形 成偶极距，呈现象极性。这种在无外电场作用下存在的极 化现象称为自发极化。当施加外界电场时，自发极化方向 沿电场方向趋于一致；当外电场倒向，而且超过材料矫顽 电场值时，自发极化随电场而反向；当电场移去后，陶瓷 中保留的部分极化量，即剩余极化。自发极化与电场间存 在着一定的滞后关系。它是表征铁电材料性质的必要条件。 铁电陶瓷、压电陶瓷，如钛酸钡晶体BaTiO3等具有自发极 化。利用材料的这种性质，可制作电子陶瓷，如电容器及 敏感元件。
谢谢欣赏 欢迎批评
铁电陶瓷
• 铁电陶瓷的特性
• 铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)，主晶相为铁电体的陶瓷材料。 • 它的主要特性为： • (1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极 化消失，铁电相变为顺电相； • (2)存在电畴； • (3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现 峰值，并服从Curie-Weiss定律（铁磁性物质在Curie温度以上,磁化率 χ所遵循的实验定律称为Curie-Weiss定律 ）； • (4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线； • (5)介电常数随外加电场呈非线性变化； • (6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。 • 其电性能：高的抗电压强度和介电常数。低的老化率。在一定温度范 围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随 交流电场或直流电场的变化率小。
+
当阳离子空位生成能较小时的界面偶极子
当阴离子空位生成能较小时的界面偶极子
晶界电位及空间电荷
本征缺陷的主要类型是Schottky(肖特基）缺陷 （大多数陶瓷材料正是这样的），由于晶界的空 间电荷引起晶界电位。这种晶界电位（V=V+—V-） 从界面开始数值变大，直到平衡由于阳离子与阴 离子的Schottky缺陷生成能不一致而引起的界面 离子浓度的变化，是过剩离子进一步迁移达到困 难。这种晶界电位的存在受杂质强烈影响。特别 是不等价离子的置换而造成的非本征缺陷大于本 征缺陷，甚至可以改变晶界的符号。
铁电陶瓷
• 这种转变的特点是钛离子与阳离子发生了 相对位移，结果是让晶胞形成了一种具有 自发极化的偶极子。由于从立方晶系向四 方晶系转变时，钛离子的相对位移在X、Y、 Z、三个方向的几率是相同的，因此在一个 晶粒内，不同晶胞就可能有有六种不同的 自发极化方向（包括正、负）。
铁电陶瓷
• 电畴
• 在多晶体材料中，每个晶粒内具有相同自发极化方向的小 区域称为电畴。即一个电畴是由很多相同极化方向的单胞 所组成，而在一个晶粒内则存在取向不同的电畴。
晶界电位及空间电荷
• 晶界电位
• 在纯净的离子晶体中，Schottky缺陷是主要缺陷，而且正 负离子空位生成能不一样，那么在热力学平衡条件下，晶 体表面或者晶粒的界面就会有某种离子过剩，而在表面或 者界面下面有与过剩离子异号的空间电荷区，形成晶界电 位。
界面
V+ 界面偶极子 V界面 界面偶极子
空间电荷区
180°畴界
铁电陶瓷
• 90°畴界
• a-c或者a-a畴相邻而形成的畴界，实际是同一种畴界在不 同方向的观测结果。
a-c90°畴界
a-a90°畴界
• 由于c∕a=1.01>1，所以90°畴界的过渡存在晶格
畸变，已有透射电镜的衍衬图像（ a-a畴界不产 生楔形等厚干涉条纹）及选区衍射（ a-a畴界衍 射斑点在对角线[011]方向分裂）得到证明。
铁电陶瓷
• 电偶极子： • 一类电介质分子的正、负电荷中心不重合， 形成电偶极子，称为有极分子（自发极 化）；另一类电介质分子的正、负电荷中 心重合，称为无极分子，但在外电场作用 下会相对位移，也形成电偶极子。
铁电陶瓷
• 压电效应
机械能
电能
机械能
铁电陶瓷
正压电效应
当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表 面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当 外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与 外力的大小成正比 。