第一章 2 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）。
陶瓷的力学性能
陶瓷的力学性能陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。
因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。
因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。
本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。
一．弹性性能1.弹性和弹性模量陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。
因此，其弹性性质就显得尤为重要。
与其他固体材料一样。
陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。
陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。
弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。
表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。
2.温度对弹性模量的影响由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。
原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。
因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。
图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。
一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。
3.弹性模量与熔点的关系物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。
一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。
不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。
泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。
表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。
可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。
4.弹性模量与材料致密度的关系陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。
图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。
Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系E=E0exp(-BP)式中B--常数。
陶瓷材料的性能特点及其应用
• ④按照一定的硅氧比数，稳定的硅酸盐结构中， • 硅氧四面体采取空间维数互相结合，单个四面 • 体的维数为0，连成链状、层状和立体的维数 • 相应为1、2、3； • ⑤硅氧四面体相互连结时优先采取比较紧密的结 • 构； • ⑥同一结构中的硅氧四面体最多只相差1个氧原 • 子。
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安全在于心细，事故出在麻痹。20.1 0.2120 .10.21 10:11: 2010: 11:20 Octob er 21, 2020
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。烧成的制品开口率较高，致密度较低。当烧成湿开口气 孔率接近于零，获得高致密度的瓷化过程成为烧结。 2.烧成（或烧结）四阶段 ①蒸发期（室温～300℃）
排除坯体内的残余水分。
②氧化物分解和晶型转化期（300 ℃～950 ℃） 粘土中结构水的排除，碳酸盐（杂质）的分解，有机
物、碳素的氧员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.1 0.2120 .10.21 10:11 10:11: 2010: 11:20 Oct-20
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3、陶瓷材料的电性能
电子陶瓷是现代陶瓷的重要组成部分。 物质传导电流的能力通常用电导率或电阻率来衡量，被电场感应的性质通
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。
5-陶瓷材料的力学性能
2）显微结构对弹性模量的影响 弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、
分布比例及气孔率有关。陶瓷的弹性模量E与气孔率p的 关系可表示为
E E0(1 ) 1 2.5
E0是气孔率为零时的弹性模量 b为与陶瓷制备工艺有关的
弹性模量随孔隙率的升高而降低
3）温度对弹性模量的影响 由于原子间距及结合力随温度的变化而变化，所以弹性
由于四点弯曲试样工作部分缺陷存在的概率较大， 所以同一材料的四点抗弯强度比三点抗弯强度低。
材料的韦伯常数越小，三点抗弯强度和四点抗弯 强度的差值就越大。
二、抗拉强度
设计陶瓷零件时常用抗拉强度值作为判据； 陶瓷材料由于脆性大，在拉伸试验时易在夹持部位断裂，
另外，夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩，所以往往 测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。 为保证陶瓷材料拉伸试验的精确性，需要在试样和夹头 设计方向做一些工作，例如： 在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状试样，可以防止试样 在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变形减少附加弯矩。
t不- Z再r发O2生由，亚所稳以态相变变成增稳韧定失态去，作t- 用Zr。O2 →m- ZrO2相变
(3) 微裂纹增韧
引起微裂纹的原因：
① 相变体积膨胀产生微裂纹； ② 由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀系数不同引发微裂纹； ③ 还可能是材料原来已经存在的微裂纹。
第六节 陶瓷材料的疲劳
用的摩擦化学问题。
第五节 陶瓷材料的断裂韧度与增韧
一、陶瓷材料的断裂韧度
陶瓷材料在室温下，甚至T/Tm<0.5的温度范围很难产生塑性 变形，其断裂方式为脆性断裂，所以陶瓷材料的裂纹敏感性 很强，因此，断裂力学性能是评价陶瓷材料力学性能的重要 指标。
I型是陶瓷材料最常遇到的情况：
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
（2）刚玉（Al2O3）结构
这种结构的氧离子 （负离子）具有密排 六方的排列，正离子 占据八面体间隙的三 分之二。
具有这种结构的氧化 物有：Al2O3、Fe2O3、 Cr2O3、Ti2O3、V2O3、 Ga2O3、Rh2O3等。
（Ga镓、Rh铑）
热偶套管，淬火钢的切削
刀具、金属拔丝模，内燃
氧 化
铝
机的火花塞，火箭、导弹
陶 瓷
的导流罩及轴承等。
密 封
环
氧化铝陶瓷坩埚
氧化铝陶瓷转心球阀
⑵ 氮化硅（Si3N4）陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组成的共
价键固体。
① 氮化硅的制备与烧结工艺
工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4 二氧化硅还原氮化：
其它：
尖晶石型结构（AB2O4）（书P51） 正常尖晶石型结构 反尖晶石型结构（较多见） 这类化合物是重要的非金属磁性材料，
钙钛矿型结构：
这类结构对压电材料很重要。
压电效应：
物质在受机械压缩或拉伸变形时，在它 们两对面的界面上将产生一定的电荷，形成 一定的电势。反之，在它们的两界面上加以 一定的电压，则将产生一定的机械变形，这 一现象称为压电效应。（超声加工中应用）
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MgO、CaO、 FeO等。
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
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。
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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。
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
出现毫无塑性变形的脆性断裂。由于结合键的不同，金属和
陶瓷材料的性质差异极大，陶瓷的熔点和硬度可能比同种元素 的金属提高几倍到十几倍，如Al2O3的熔点约为金属铝的3倍， 而硬度则比金属铝高出10多倍。
陶瓷材料结构的另一个特点是显微结构的不均匀性和复杂 性。金属材料通常是从相当均匀的金属熔体状态凝固而成，随
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
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。
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。
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。
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）。
(2) 结构微细化、纳米化 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
第一章 绪 论
1、高性能陶瓷概述 陶瓷是我国古代的伟大发明之一，从陶器到瓷器经历了一 个漫长的历史发展时期，是人类对陶瓷制备科学与技术逐步认 识的过程。然而，从传统陶瓷到近代的先进陶瓷，则是工业革 命和科学技术进步的产物。 先进陶瓷包括结构陶瓷、功能陶瓷和陶瓷基复合材料。
结构陶瓷主要是利用陶瓷材料的力学性能、耐高温、耐磨 损、耐腐蚀和化学性质稳定等特性，用于制备各种结构部件， 如发动机零部件、切削刀具、磨料磨具、轴承、阀门、喷嘴、 窑具材料、催化剂载体等。
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。
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。
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
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
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。
HB
2F 2 2 D D D 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)
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
错沿最密排面、最密排方向运动所需的临界切应力很小。这种
位错的大量运动，使晶面产生明显的滑移现象，并产生宏观塑
性变形。
宏观塑性变形前后，金属键的结合强度并不明显改变，但 是陶瓷中的离子键、共价键则不同。因陶瓷晶体结构复杂，对 称性低，当位错沿滑移面运动时，晶体结构难以复原（因破坏 了正负离子排列的最小能量状态），可能导致原子键的破坏，
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
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。
(4) 断裂韧性 断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力，是本征属性，与裂 纹的大小、形状以及外力大小无关。陶瓷材料对裂纹的敏感性 很强，断裂韧性是评价陶瓷材料力学性能的重要指标，常用线
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)