第一章陶瓷材料的结构特点和力学性能
陶瓷的分类及性能
陶瓷材料的力学性能陶瓷材料陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。
金属：金属键高分子：共价键（主价键）范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。
普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。
工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。
工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。
硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。
常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。
一、陶瓷材料的结构和显微组织1、结构特点陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。
可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。
如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”2、显微组织晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。
（可通过热处理改善材料的力学性能）陶瓷的分类玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷—普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温……金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…2.陶瓷的生产(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结3. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。
（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2)(3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。
2 （E/1000--E/100）。
陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料是一类使用广泛的非金属材料，具有许多独特的力学性能特点。
相较于金属材料，陶瓷材料的硬度更高、耐磨性更好，但同时也具有脆性大、抗张强度低等特点，这使得陶瓷材料在工程应用中具有独特的优势和局限性。
强度和硬度
陶瓷材料的强度主要是指其破坏前的抗压、抗弯等性能。
一般而言，陶瓷材料的强度很高，具有很好的抗压性能，可以承受较大的外部压力。
而陶瓷材料的硬度通常也比较高，能够抵抗表面的划伤和磨损。
脆性
然而，陶瓷材料的脆性也是其在工程应用中需要考虑的重要问题。
陶瓷材料的断裂韧性很差，一旦受到较大冲击或弯曲力，则容易发生破裂。
这种脆性特点使得在设计和制造过程中需要特别小心处理，避免在使用过程中出现意外的破损情况。
热稳定性
另外，陶瓷材料还具有较好的耐高温性能，能够在高温下保持稳定的物理性质和力学性能。
这种热稳定性使得陶瓷材料在高温环境下有广泛的应用，比如航空航天领域的热屏障涂层、高温陶瓷窑炉等。
导热性和电绝缘性
陶瓷材料通常具有较高的绝缘性能，能够有效地阻止热量和电流的传导。
这使得陶瓷材料在电子元器件、绝缘材料等领域有着重要的应用。
同时，某些陶瓷材料也具有较好的导热性能，可用于制造散热元件等产品。
总的来说，陶瓷材料作为一类特殊的非金属材料，具有独特的力学性能特点。
在工程应用中，我们需要充分了解和利用陶瓷材料的各项性能，同时也要注意其脆性等缺点，以确保其在各个领域中都能发挥最佳的作用。
1。
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
二、陶瓷材料的分类
1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、 氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。
玻璃幕 墙 导电玻 璃
2、按使用的原材料分类
可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。
普通陶瓷以天然的岩石、 矿石、黏土等材料作原 料。 特种陶瓷采用人工合成 的材料作原料。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构 陶瓷和功能陶瓷两类。
玻璃相结构特点：硅氧四面体组成不规则的空间 网, 形成玻璃的骨架。 玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物
(三)、气相
气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影 响因素多。 陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷 和多孔陶瓷。 气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外） 气孔率：普通陶瓷5%～10％ 特种陶瓷5％以下 金属陶瓷低于0.5％。
（2） 硅酸盐化合物的几种类型
按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几 种类型： ①孤立状硅酸盐 ②复合状硅酸盐 ③环状或链状硅酸盐 ④层状硅酸盐 ⑤立体网络状硅酸盐
①孤立状硅酸盐（岛状结构单元）
其单元体(SiO44－） 互相独立，不发生相 互连接。 化学组成一般可以表 示为2RO· 2。 SiO 其中RO表示金属氧化 物如MgO、CaO、 FeO等。 具有这类结构的有橄 榄石和石榴石等。
AX化合物的特征是：A和X原子或离子 是高度有序的，属于这类结构的有： （1）CsCl型 （2）NaCl型 （3） ZnS闪锌矿型 （4）纤维锌矿型
（以下分别介绍）
（1）CsCl型 这种化合物的结构见图3-2。A原子（或离 子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子） 也处于8个A原子的中心。但应该注意的是， 这种结构并不是体心立方的。确切的说，它 是简单立方的，它相当于把简单立方的A原 子和X原子晶格相对平移a/2，到达彼此的 中心位置而形成。
陶瓷材料的结构与性能分析
陶瓷材料的结构与性能分析陶瓷材料是一类广泛应用于建筑、电子、航空等领域的材料，具有优异的物理和化学性质。
而想要深入了解陶瓷材料的性能表现，首先必须对其结构进行分析。
一、结晶结构陶瓷材料主要由氧化物组成，常见的有硅酸盐、氮化硅、氧化铝等。
在陶瓷材料中，原子或离子按照一定的几何排列方式组成结晶结构。
例如，硅酸盐陶瓷中的硅离子和氧离子以正方形或三角形的排列方式拼接成网络结构。
而氮化硅陶瓷则由氮离子和硅离子按照边长相等的正六边形排列形成具有大空隙的结构。
结晶结构的不同会导致陶瓷材料的性能差异，如硬度、热传导性等。
二、晶粒大小晶粒大小是陶瓷材料表面性能的重要指标之一。
晶粒的尺寸越小，材料的强度和硬度往往越高，因为小晶粒内部的晶界相对较多，在晶界上形成了许多阻碍位错运动的障碍点，从而提高了材料的抗变形能力。
因此，控制陶瓷材料的晶粒尺寸，对提高其力学性能具有重要意义。
三、杂质含量陶瓷材料中的杂质含量对其性能影响举足轻重。
杂质的存在会破坏材料的完整晶体结构，从而导致性能的下降。
例如，陶瓷材料中的铁、镉等金属离子会影响其电学性能，氮化硅材料中杂质的存在会导致其电阻率的变化。
因此，在制备陶瓷材料时，对原材料进行严格筛选和纯化，以及控制烧结工艺的条件，能够有效减少杂质含量，提高材料的性能。
四、孔洞结构孔洞是陶瓷材料中普遍存在的结构特征之一。
孔洞会影响材料的力学性能、热导率等。
例如，在陶瓷材料中，孔洞的存在可以减小材料的密度，从而提高其机械强度。
此外，孔洞还能影响热的传导、吸附等性质。
因此，对陶瓷材料的孔洞结构进行合理设计和控制，能够改善其性能，拓宽其应用范围。
五、晶界结构陶瓷材料中的晶界是由相邻晶粒之间的原子之间形成的。
晶界的存在会影响材料的力学性能、导电性能、疲劳寿命等。
在力学性能方面，晶界是位错移动的阻碍剂，增加了材料的塑性变形程度；在导电性能方面，晶界处存在能带偏移和电阻率增加现象，使材料的导电性能下降。
因此，控制晶界的结构，合理改善晶界的质量和数量，对提高陶瓷材料的性能至关重要。
陶瓷材料的微观结构与力学性能
陶瓷材料的微观结构与力学性能陶瓷材料在现代工业生产中扮演着重要的角色，具有许多独特的性质和应用。
然而，要研究和了解陶瓷材料的力学性能，首先需要理解其微观结构对这些性能的影响。
在研究微观结构时，首先要考虑的是陶瓷材料的晶体结构。
陶瓷材料通常由一种或多种无机化合物组成，这些化合物在形成晶粒时会以特定的排列方式堆积在一起。
晶体结构的不同将直接影响到陶瓷材料的物理和力学性能。
例如，陶瓷材料的硬度与晶体结构的紧密程度有关。
一般来说，晶体结构越紧密的材料，其硬度也越高。
这是因为紧密的结构能够抵抗外界力的压迫，使材料不容易被损坏。
在陶瓷材料中，氧化物晶体结构的硬度一般比非氧化物晶体结构的硬度要高，这种差异主要归因于晶体结构中氧的参与。
另一个与微观结构相关的重要参数是晶界。
晶界是两个晶粒之间的界面区域，其结构和性质在陶瓷材料中起着重要的作用。
晶界的存在不仅影响材料的力学性能，还会影响其电学、化学性质等。
晶界的特点和晶粒大小、形状密切相关。
一般来说，晶界越多，晶体的塑性就会越好。
这是因为晶界在陶瓷材料中能够提供位错运动的路径，使材料能够变形而不破裂。
除了晶体结构和晶界，陶瓷材料的孔隙率也是影响其力学性能的重要参数。
孔隙率是指材料中存在的孔隙的体积占总体积的比例。
孔隙率越高，材料的密度越低，从而强度越低。
这是因为孔隙是弱点，容易在受力作用下形成裂纹和断裂。
因此，为了提高陶瓷材料的力学性能，降低孔隙率是非常重要的。
最后，要论述陶瓷材料的力学性能，不能忽视其微观结构与应力的关系。
陶瓷材料在受力作用下会发生断裂，这一现象与晶体结构和晶界的应力分布密切相关。
例如，在压缩应力作用下，晶粒间的互相挤压可以抵消一部分应力，从而提高材料的强度。
然而，如果应力过大，容易引起晶粒的移动和破裂，导致材料的脆性断裂。
综上所述，陶瓷材料的微观结构对其力学性能有着重要影响。
晶体结构的紧密度、晶界的存在与否、孔隙率以及微观结构与应力的关系都是影响陶瓷材料力学性能的重要因素。
陶瓷材料的结构特点和力学性能
近年来的研究表明，当陶瓷材料具有下述条件时，可显示 超塑性：
晶粒细小(尺寸小于1um)；晶体是等轴晶；第二相弥散分布， 能抑制高温下基体晶粒的生长；晶粒之间存在液相或者玻璃相。
典型拥有超塑性的陶瓷材料是用化学共沉淀法制备的含 Al2O3的ZrO2粉体，成形后在1250oC左右烧结，可获得相对密度 为98％左右的烧结体。这种陶瓷在1250oC、3.5×10-2s-1应变速率 下，最大应变量可达400％。陶瓷材料的超塑性与晶界滑动或晶 界液相流动有关，和金属一样．陶瓷材料的超塑性流动也是扩 散控制过程。
的关系符合Hall-Petch关系式：
b ＝ o ＋kd-1/2
(1-6)
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。从
上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利无害，而
晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响则较为复杂。
温度 陶瓷材料的一个显著特点是高温强度比金属高很多。
当温度T<0.5Tm时，基本保持不变；当温度高于0.5Tm时，才出 现明显降低。
研究结果表明，陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点如下： (1) 超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那 样的依赖关系，也无单一的 n 值。 (2) 当存在晶间玻璃相时，陶瓷的 n 值几乎随玻璃相增加而 减小；而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小。
(2) 硬度 硬度是材料的重要力学性能之一，它是材料抵抗局部压力 而产生变形能力的表征。由于结合键存在差异，陶瓷与金属的 硬度存在较大差异。常用的硬度指标有布氏硬度(HB)，洛氏硬 度(HR)、维氏硬度(HV)、莫氏硬度等。 表1-1为典型陶瓷材料的熔点和硬度。目前测试陶瓷材料硬 度的方法主要有金刚石压头加载压入法，测试内容主要为洛氏 硬度和维氏硬度（显微硬度）。
陶瓷系列-1-微观结构与力学性能 PPT
②、陶瓷
陶瓷中的玻璃相的主要作用是：
1)填充晶体相之间的空隙，并将分散的晶相粘结起 来，提高材料的致密度； 2)降低烧结温度，促进烧结； 3)玻璃相粘度高，阻止晶体转变，抑制晶体长大； 4)获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。
美国和欧洲一些国家的文献已将“Ceramic”一词 理解为各种无机非金属固体材料的通称。
②、陶瓷
地壳中元素含量
②、陶瓷
黏土的主要成分
②、陶瓷
②、陶瓷
1） 晶粒 是陶瓷材料的主要组成相
①硅酸盐 硅酸盐是传统陶瓷的主要晶相。 ② 氧化物 氧化物是大多数典型陶瓷，特别是特种陶瓷的主要组 成和晶体相。最重要的氧化物晶体相有AO、AO2、A2O3、 ABO3和AB2O4等（A、B表示阳离子）。 ③非氧化物 是指不含氧的金属碳化物、氮化物、硅化物及硼化 物等，它们是新型陶瓷,特别是金属陶瓷的主要晶相和晶体相。主 要由高键能的共价键结合，但也有离子键和金属键。
③、是玻璃还是陶瓷
透不过的光去了哪里（透射、反射、散射）
3、α- Al2O3单晶体是良好的对红外线、可见光透明的材料。但 是以α - Al2O3为主晶相的多晶陶瓷通常并非如此。原因是材料 中存在尺度与红外线、可见光波长相当的缺陷（如玻璃相、气 孔、杂质相等）、晶界，引起透入光被不断地被散射、反射、 折射、干涉甚至被吸收，最后基本被消耗在材料内部。
为了控制冷却过程中的非均匀形核： 一要提高合金的纯度，减少杂质；二 要采用高纯惰性气体保护，尽量减少 含氧量。
①、玻璃
腓尼基人
生活在今天地中海东岸
Na2CO3·NaHCO3·2H2O
①、玻璃
3000多年前，洲腓尼商船载 着块状的 Na2CO3·NaHCO3·2H2O。 由于海水落潮，商船搁浅了， 于是船员们纷纷登上沙滩。有 的船员还抬来大锅，搬来木柴， 并用几块“天然苏打”作为大 锅的支架，在沙滩（碳酸钙、 二氧化硅）上做饭。
陶瓷系列-1-微观结构与力学性能
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显微组织对性能的影响
陶瓷的显微组织对其力学性能、热学性能、电学性能等都有重要影 响。
陶瓷的相变
01
02
03
相变定义
陶瓷的相变是指在一定温 度下，陶瓷内部晶相发生 转变的过程。
相变分类
根据相变过程中是否发生 晶体结构的改变，陶瓷的 相变可以分为同构相变和 异构相变。
相变对性能的影响
陶瓷的相变对其力学性能、 热学性能、电学性能等都 有重要影响。
频率性能和稳定性。
06
未来研究方向
提高陶瓷的力学性能
优化制备工艺
通过改进陶瓷的制备工艺，如采用先进的烧结技术、热处理工艺等， 提高陶瓷材料的致密度和均匀性，从而提高其力学性能。
引入增强相
在陶瓷基体中引入第二相增强相，如碳纳米管、晶须等，利用其增 强作用提高陶瓷的力学性能。
表面涂层处理
在陶瓷表面涂覆高硬度、高耐磨损的涂层，以提高其耐磨、耐腐蚀等 力学性能。
陶瓷系列-1-微观结构 与力学性能
目 录
• 引言 • 陶瓷的微观结构 • 陶瓷的力学性能 • 微观结构与力学性能的关系 • 陶瓷的应用 • 未来研究方向
01
引言
主题介绍
陶瓷材料是一种无机非金属材料，具 有高熔点、高硬度、高耐磨性等特点 ，广泛应用于工业、建筑、航空航天 、军事等领域。
陶瓷材料的微观结构对其力学性能具 有重要影响，因此研究陶瓷的微观结 构与力学性能之间的关系是陶瓷材料 研究的重要方向之一。
发展多功能陶瓷
Hale Waihona Puke 多功能化应用在保持陶瓷材料优异力学性能的同时，赋予其新的功能特 性，如电学、磁学、光学等特性，拓展其在新能源、电子 信息等领域的应用。
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用途举例：
氧化锆及其增韧的复相陶瓷具有高的室温强度和断裂韧性，
是制作陶瓷活塞、刀具、轴承、阀门等理想的结构陶瓷材料。 碳化硅和氮化硅陶瓷在制备燃汽轮机转子和高温窑具中具 有不可替代的位置。在耐磨部件的研制中，已有越来越多的金 属部件被结构陶瓷所取代，并显著提高了设备的使用寿命。
在军事装备方面，结构陶瓷可用作防弹材料、窗口材料、
(2) 结构微细化、Байду номын сангаас米化 从20世纪80年代开始，纳米结构 陶瓷的研究受到高度重视。当致密陶瓷的晶粒尺寸由微米细化
到纳米级时，其晶界数量呈几何级数增加，应力可通过晶界的
滑移作用而消失，使纳米陶瓷在一定的温度和应变速率条件下 表现出超塑性，为陶瓷材料在高新技术领域中发挥更大的作用， 获得更广泛的应用奠定了基础。目前纳米陶瓷粉末的制备技术 已取得很大进展，用共沉淀法、溶胶-凝胶法和化学气相沉积
火箭喷管等。
在电子和通讯领域：结构陶瓷是重要的基板材料、封装材
料和光纤接头材料； 在生物医学领域：结构陶瓷良好的生物相容性使其在人体 骨骼和牙齿的修补中获得广泛应用； 在涂层和隔热方面：高性能结构陶瓷也充分显示了它独特 的作用(隔热瓦－航空航天)。
高性能结构陶瓷的致命缺点是脆性破坏和可靠性较差。 近30年来，为解决高性能结构陶瓷的脆性和可靠性问题开 展了大量的基础研究和应用开发，其研究热点主要体现在以下
法制备纳米陶瓷粉末的技术已趋于成熟，纳米粉末正获得日益
广泛的应用市场。
(3) 性能可设计、可模拟 随着科学技术的进步，结构 陶瓷的研究已从过去的经验为主步入到能初步按照使用性能 上的要求对陶瓷材料进行设计和裁剪，同时一系列大型分析 软件如Studio、Ansys等可用于材料的性能与结构关系分析，
对所设计材料的结构和性能进行模拟和预测 。这样，可大幅
材料 熔点/oC 硬度(HV) 材料 熔点/oC 硬度(HV) Al2O3 2050 2000 TiC 3160 3200 MgO 2800 1220 WC 2720 2400 ZrO2 2667 1700 金刚石 1400(石墨化) 10000 BeO 2550 1520 Si3N4 1900(分解) 1700 B4C 2450 4950 CBN 3000(升华) 7000 SiC 2800(分解) 2550 AlN 2450(分解) 1450 ZrC 3540 2600 MoSi2 2030 1180
通常陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量，由图12 -可见陶瓷在压缩时，其曲线斜率比拉伸时的大。此与陶 瓷材料复杂的显微结构和不均匀性有关。
影响弹性模量的因素：温度、材料的熔点和致密度等。 温度 由于原子间距以及结合力随温度的变化而变化，所以
弹性模量对温度变化很敏感。温度升高，原子间距离增大，弹
陶瓷材料压缩时还可以产生少量的压缩塑性变形。金属材料 ，即使是很脆的铸铁，其抗拉强度也有抗压强度的1/3～1/4。但 陶瓷材料的抗拉强度通常不到抗压强度的1/10。
其弹性变形具有如下特征:
弹性模量大 这是由共价键和键合结构所决定的。共价键 具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的 阻力。离子键晶体结构的键方向性虽不明显，但滑移系受原子 密排面与原子密排方向的限制，还受静电作用力的限制，其实
而产生变形能力的表征。由于结合键存在差异，陶瓷与金属的 硬度存在较大差异。常用的硬度指标有布氏硬度(HB)，洛氏硬 度(HR)、维氏硬度(HV)、莫氏硬度等。 表1-1为典型陶瓷材料的熔点和硬度。目前测试陶瓷材料硬
度的方法主要有金刚石压头加载压入法，测试内容主要为洛氏
硬度和维氏硬度（显微硬度）。
表1 -1 典型结构陶瓷材料的熔点和硬度
性模量降低。一般来说，热膨胀系数小的物质往往具有较高的 弹性模量。
熔点 物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小，熔点 与弹性模量成正比关系。在300K以下，弹性模量E与熔点Tm 之间满足如下关系： E＝1000K Tm /Va (1-2)
式中Va为原子体积或分子体积，K为体积弹性模量。
致密度 弹性模量随材料致密度的增加而迅速增加，满 足如下关系式： E＝ Eo（1－f1P＋f2P2） (1-3)
式中Eo为气孔率为0时的弹性模量；f1和f2为由气孔形状
决定的常数，P为气孔率。
陶瓷材料的塑性变形 塑性变形是指外应力去除后尚保持着的部分变形。材料在断
裂之前所能容忍的形变量越大，则塑性变形越大，许多陶瓷到了
高温都表现出不同程度的塑性。但在室温下，绝大多数陶瓷材料 均不发生塑性变形。单晶MgO陶瓷因以离子键为主，在室温下 可经受高度弯曲而不断裂，这是极个别的特例。
研究结果表明，陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点如下： (1) 超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那 样的依赖关系，也无单一的 n 值。 (2) 当存在晶间玻璃相时，陶瓷的 n 值几乎随玻璃相增加而
减小；而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小。
(2) 硬度
硬度是材料的重要力学性能之一，它是材料抵抗局部压力
点、高强度、耐磨损、耐腐蚀等基本属性，但存在脆性大、难
加工、可靠性与重现性差等致命弱点。这些弱点给结构陶瓷的 工程化应用带来了许多困难。
1.2.1 结构陶瓷的力学性能
(1) 弹性以及弹性形变 金属材料在室温静拉伸载荷下，断裂前一般都要经过 弹性变形和塑性变形两个阶段。而陶瓷材料一般都不出 现塑性变形阶段，极微小应变的弹性变形后立即出现脆
三个方面：
(1) 组成多元化、复合化 单组份陶瓷的性能已远不能满足 高技术发展的需要。为更好地利用陶瓷材料的性能，在许多应 用条件下需要将多种陶瓷进行组合或复合，以改善单组份陶瓷 的性能或取得多组份材料性能互补的优势，扩大应用范围。其
技术措施包括第二相颗粒弥散强化、纤维或晶须补强、原位生
长针柱状晶补强、仿生增韧及纳米复合等。
式中E为弹性模量，ro为原子间结合力最大时原子间距增加
上式是假定理想晶体作完全弹性体脆性断裂时的计算值。 实际陶瓷材料的强度至少比理论强度小两个数量级。 如Al2O3的th为46 GPa，几乎无缺陷的Al2O3晶须的强度约
为14 GPa，表面精密抛光的Al2O3细棒的强度约为7 GPa，而块
状多晶Al2O3材料的强度只有 0.1-1 GPa 。理论计算和实际数值 之所以有如此大的差距，主要是由于实际材料内存在微小裂纹 所致。陶瓷材料的强度主要包括弯曲强度，拉伸强度、压缩强 度等。
度地减少实验工作量，提高研究效率，并为一些新型材料的 发现提供了理论指导。
1.2 高性能陶瓷的基本特性
陶瓷材料的特性主要由其化学键、晶体结构以及晶体缺陷
等决定。从晶体结构看，陶瓷材料的原子间结合力主要为离子 键、共价键或离子–共价混合键。这些化学键不仅结合强度高， 而且还具有方向性。 晶体缺陷（特别是线缺陷和位错）可以在晶体中运动，位
性断裂、延伸率和断面收缩都几乎为零。两类材料的应
力－应变曲线对比如下图所示。
b
金属
陶瓷
+
a
陶瓷材料的弹性变形服从虎克定律：
＝ E
瓷材料的弹性模量比金属的大很多。
（1-1）
E为弹性模量，是材料原子间结合力的反映。由上可知，陶
陶瓷材料形变的另一特点是：压缩时的弹性模量大大高于拉
伸时的弹性模量，即E压>>E拉。
影响陶瓷材料强度的因素主要有： 气孔率 强度与气孔率的关系近似满足Ryskewitch经验公式： ＝ o exp（－aP） (1.5) 式中a为气孔率， o为气孔率为零时的强度，P为常数，其
值在4 ~ 7之间。由此可见，为了获得高强度，应制备接近理论
密度的无气孔材料。
晶粒尺寸与形状、晶界相的性质与厚度 强度与晶粒尺寸 的关系符合Hall-Petch关系式： b ＝ o ＋kd-1/2 (1-6)
际可动滑移系较少。此外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结
构较复杂，点阵常数较金属晶体大，因而陶瓷材料中位错运动 很困难。
陶瓷材料的弹性模量大小不仅与结合键有关，还与其组 成相的种类、分布比例及气孔率有关。温度上升陶瓷材料的弹 性模量降低，熔点增加陶瓷材料的弹性模量增加，而当气孔率 较小时。弹性模量又随气孔率增加呈线性降低。
高性能结构陶瓷是指具有高强度、高韧性、高硬度、耐 高温、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异性能的一类先 进的结构陶瓷，已逐步成为航天航空、新能源、电子信息、汽
车、冶金、化工等工业技术领域不可缺少的关键材料。
根据材料的化学组成，高性能结构陶瓷又可分为:
氧化物陶瓷（如Al2O3、ZrO2）、 氮化物陶瓷（如Si3N4、AlN）、 碳化物陶瓷（如SiC、TiC）、 硼化物陶瓷（如TiB2、ZrB2）、 硅化物陶瓷（如MoSi2） 及其他新型结构陶瓷（如Cf/SiC复合材料）。
HB
2F
D D
D
2
2 Di
(3) 强度
强度与弹性模量和硬度一样，是材料的本征物理参数。陶
瓷材料的化学键决定了其在室温下几乎不能产生滑移或位错运 动，因此很难产生塑性变型，室温下的强度测定只能得到一个 断裂强度(fracture strength f)。固体材料断裂强度的理论值为： th ＝ 2E ro/ π 量。 (1.4)
近年来的研究表明，当陶瓷材料具有下述条件时，可显示
超塑性： 晶粒细小(尺寸小于1um)；晶体是等轴晶；第二相弥散分布， 能抑制高温下基体晶粒的生长；晶粒之间存在液相或者玻璃相。 典型拥有超塑性的陶瓷材料是用化学共沉淀法制备的含
Al2O3的ZrO2粉体，成形后在1250oC左右烧结，可获得相对密度
为98％左右的烧结体。这种陶瓷在1250oC、3.5×10-2s-1应变速率 下，最大应变量可达400％。陶瓷材料的超塑性与晶界滑动或晶 界液相流动有关，和金属一样．陶瓷材料的超塑性流动也是扩 散控制过程。