無(wú)機(jī)材料工藝學(xué)--陶瓷6-顯微結(jié)構(gòu)與性能課件

1、第五章 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì),緒 言,（一） 材料性能、化學(xué)組成、工藝 過(guò)程、顯微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,顯微結(jié)構(gòu)的研究尺度范圍介于數(shù)納米至 0.1mm之間。它的形成主要取決于材料的化學(xué)組成及加工工藝過(guò)程（工藝條件）。,,第五章 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì),緒 言,◆ 化學(xué)組成不同的材料，即使工藝過(guò)程相同，其顯微結(jié)構(gòu)會(huì)不同。同樣，即使材料的化學(xué)組成相同，如果其加工工藝條件不同，也會(huì)形成不同的顯微結(jié)構(gòu)。,（二）顯微結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容,

2、第五章 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì),顯微結(jié)構(gòu)是指在各種顯微鏡下觀察到的材料組織結(jié)構(gòu)。就陶瓷、耐火材料而言，它所包含的內(nèi)容主要如下：,緒 言,（三）顯微結(jié)構(gòu)分析的作用,第五章 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì),1. 通過(guò)研究材料的顯微結(jié)構(gòu)，以及生產(chǎn)加工所用原料甚至半成品的顯微結(jié)構(gòu)研究，對(duì)材料的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。,2. 通過(guò)材料或制品中結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)分析，從顯微結(jié)構(gòu)上找出缺陷產(chǎn)生的原因，提出改善或防止結(jié)構(gòu)缺陷的措施。,3. 通過(guò)材料的顯微結(jié)構(gòu)研究，從材料物理化學(xué)

3、的基本原理出發(fā)，為新材料的設(shè)計(jì)或材料改性提供依據(jù)或參考。,4. 研究工藝條件對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及機(jī)理，以求優(yōu)化生產(chǎn)工藝條件，改進(jìn)材料的效能。,5.1 陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)和相組成,一、顯微結(jié)構(gòu)的形成,陶瓷坯體顯微結(jié)構(gòu)的形成是構(gòu)成坯體的各種原料在高溫下相互反應(yīng)、作用和影響的結(jié)果。如前所述，粘土-長(zhǎng)石-石英三組分配料的普通陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的形成情況。,粘土質(zhì)瓷坯的物相組成變化,5.1 陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)和相組成,5.1 陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)和相組

4、成,三成分瓷坯燒成時(shí)的礦物組成變化示意圖,第五章 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì),5.1 陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)和相組成,二、顯微結(jié)構(gòu)中各物相的作用,陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)主要由三相組成：晶相、玻璃相、氣孔。如一般情況下，普通陶瓷制品含莫來(lái)石晶體10~30 Vol.%, 殘留石英及方石英晶體10~25 %；玻璃相 40~65 %; 以及少量氣孔（5~10 %）。,第五章 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì),5.1 陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)和相組成,二、顯微結(jié)構(gòu)中各物相的作用

5、,1. 晶相,晶相是決定陶瓷材料或制品性能的主導(dǎo)物相。另外，陶瓷材料有時(shí)又是由多種晶相所構(gòu)成。這時(shí)，其中的主晶相就成了決定該陶瓷材料性能的主導(dǎo)物相。,例如，剛玉瓷具有強(qiáng)度高、耐高溫、電性能和耐化學(xué)侵蝕性優(yōu)良的性能，是因?yàn)槠渲械闹骶唷獎(jiǎng)傆瘢é?Al2O3）是一種結(jié)構(gòu)緊密、離子鍵強(qiáng)度很大的晶體。PZT壓電陶瓷則以鋯鈦酸鉛為主晶相，這種晶體具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，具有自發(fā)極化之特點(diǎn)，所以PZT陶瓷具有優(yōu)良的壓電性能。,二、顯微結(jié)構(gòu)中各物相的作用

6、,1. 晶相,瓷坯中的針狀莫來(lái)石呈網(wǎng)狀分布,當(dāng)然，次晶相對(duì)陶瓷材料或制品也有不可忽視的影響，當(dāng)其含量達(dá)到某個(gè)臨界值后，將可導(dǎo)致某些特定性能的變化。例如，在高壓電瓷的玻璃相中，由于有大量的二次莫來(lái)石針狀晶體的析出，形成網(wǎng)狀交錯(cuò)分布，起著了一個(gè)骨架式的增強(qiáng)作用，從而大大提高了電瓷的機(jī)械強(qiáng)度。,二、顯微結(jié)構(gòu)中各物相的作用,粗大針狀莫來(lái)石晶體的網(wǎng)狀分布對(duì)提高制品強(qiáng)度極為有利,1. 晶相,二、顯微結(jié)構(gòu)中各物相的作用,2. 玻璃相,瓷坯中的玻璃相，

7、是坯體燒成時(shí)高溫液相在某種冷卻條件下過(guò)冷形成的，它是一種低熔點(diǎn)的非晶態(tài)固體，對(duì)陶瓷材料的性能有著重要影響。,玻璃相在陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程中，起著重要作用。這些作用包括：,（5）有利于雜質(zhì)、添加物、氣孔等的重新分布。,（4）在適當(dāng)條件下抑制晶體長(zhǎng)大并防止晶型轉(zhuǎn)變。,（3）在瓷坯中起粘結(jié)作用，將分散的晶粒膠結(jié)在一起，本身成為連續(xù)相。,（2）起填充氣孔的作用，促使瓷坯致密化。,（1）促進(jìn)高溫下的物相反應(yīng)過(guò)程。,二、顯微結(jié)構(gòu)中各物相的作用,玻

8、璃相的特點(diǎn)：,通常情況下，與晶相比較而言，玻璃相（1）機(jī)械強(qiáng)度較低；（2）熱穩(wěn)定性較差；（3）熔融溫度較低。另外，（4）由于玻璃相結(jié)構(gòu)較疏松，因而常在結(jié)構(gòu)空隙中充填了一些金屬離子，這樣在外電場(chǎng)的作用下很容易產(chǎn)生松弛極化，使陶瓷材料的絕緣性降低、介電損耗增大。,● 不同的陶瓷制品，由于質(zhì)量性能的要求不同，因此對(duì)玻璃相含量的要求也不同。在特種陶瓷材料中，玻璃相的含量一般都很低，有的甚至幾乎全由晶相構(gòu)成 (純固相燒結(jié))。而在普通陶瓷制品中，玻

9、璃相的含量較高，可在20%~60%之間變化。如一些日用陶瓷，玻璃相含量甚至可達(dá)到 60%以上。,二、顯微結(jié)構(gòu)中各物相的作用,3. 氣孔,氣孔也是陶瓷制品顯微結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要組成部分，對(duì)制品的性質(zhì)有著重要影響。它們可能存在于玻璃相中，也可能存在于晶界處，或者被包裹于晶粒內(nèi)部。,5.1 陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)和相組成,3. 氣孔,釉玻璃體中的氣泡,被包裹在晶粒中的氣孔,二、顯微結(jié)構(gòu)中各物相的作用,3. 氣 孔,● 但對(duì)于絕熱或隔熱材料而言，則希

10、望材料中存在較大體積分?jǐn)?shù)、且孔徑及分布均勻的氣孔。對(duì)于過(guò)濾用的陶瓷制品，以及濕敏、氣敏陶瓷材料，也希望有一定的體積分?jǐn)?shù)的貫通性氣孔存在。,氣孔存在的利弊因制品的質(zhì)量性能要求不同而異：,● 對(duì)于電介質(zhì)陶瓷（如陶瓷電容器）來(lái)說(shuō)，氣孔的存在會(huì)增大陶瓷的介電損耗并降低其擊穿強(qiáng)度。對(duì)于透明陶瓷而言，一定大小的氣孔又是入射光的散射中心，氣孔的存在會(huì)降低制品的透光率。,● 但是，無(wú)論何種制品，大量氣孔的存在都會(huì)對(duì)制品的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。,三、工藝因素

11、對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（一）原料種類及其配比,原料種類的不同，會(huì)影響制品中礦物新相的形成反應(yīng)、顯微結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，從而導(dǎo)致顯微結(jié)構(gòu)方面的差異。,例如，坯體中CaO的引入可以選擇石灰石（或方解石）、硅灰石等原料，但是，當(dāng) CaO的配比量較大時(shí)，最好采用硅灰石引入，以避免大量CO2的逸出造成太大的燒成收縮，或者造成氣孔率的偏高。,又例如，在一些耐酸化工陶瓷的生產(chǎn)中，其中SiO2的配比量相當(dāng)高。如果采用晶體石英原料來(lái)引入全部的SiO2，得到的

12、物相組成中將有相當(dāng)多的殘余石英，這會(huì)嚴(yán)重影響制品的抗熱震穩(wěn)定性。如果采用一部分熔融石英玻璃來(lái)配料，就可大大減少稍后制品中的殘余石英含量，避免上述問(wèn)題。,配比的影響：如長(zhǎng)石配比的多寡會(huì)直接影響燒后制品中的玻璃相含量、莫來(lái)石晶體的形態(tài)等；粘土配比的大小會(huì)影響莫來(lái)石的含量等。,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（一）原料種類及其配比,普通長(zhǎng)石質(zhì)陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)（玻璃相含量高）,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（一）原料種類及其配比,三、工藝因素對(duì)顯

13、微結(jié)構(gòu)的影響,（二）原料粉體的特征,對(duì)顯微結(jié)構(gòu)影響較大的原料粉體特征主要是顆粒大小、粒度分布。,一般來(lái)說(shuō)，若原料粉體的粒度較粗，則燒后瓷坯中的晶粒平均尺寸增大幅度較?。环粗?，則增長(zhǎng)幅度較大。另外，試驗(yàn)證明：如果原料粉體顆粒較細(xì)，燒成之后獲得的晶相粒徑會(huì)比較小，而且粒徑范圍較窄，即晶粒比較均勻。而由粗顆粒粉料制成的陶瓷制品容易出現(xiàn)大量粗晶，粒徑分布較寬。,原料顆粒大小對(duì)瓷坯中玻璃相含量的影響也是顯然的。即：粉料顆粒越細(xì)，則瓷坯中的玻璃相量

14、會(huì)越多。,1. 顆粒大小。——主要會(huì)對(duì)坯體燒后的晶相尺寸及玻璃相數(shù)量產(chǎn)生重要影響。,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（三）添加劑,摻雜劑對(duì)材料顯微結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)在以下幾方面：,1. 摻雜物進(jìn)入主晶相固溶體中，增加晶格缺陷，促進(jìn)質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散，促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，促進(jìn)燒結(jié)，使坯體致密?；蛘咴诰Ы缰車纬蛇B續(xù)的第二相（低共熔物），溶解晶粒，促進(jìn)燒結(jié)?！档蜌饪茁?2. 摻雜物與主晶相在晶界上反應(yīng)，形成化合物或固溶體，阻礙晶界移動(dòng)，抑制晶粒長(zhǎng)大——有利于

15、細(xì)晶結(jié)構(gòu)的形成。例如，在Al2O3陶瓷制備中，為了防止二次重結(jié)晶，加入少量MgO，形成的MgAl2O4包裹在Al2O3晶粒表面阻止其異常長(zhǎng)大。,2. 粒度分布范圍?！獙?duì)燒后坯體的致密度影響顯著。一般地，采用粒度分布范圍窄的粉料成型，在相同的燒結(jié)條件下，可望獲得比較高的瓷坯密度。,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（三）添加劑的影響,未摻雜和摻雜的熱敏電阻陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)——添加劑有利于晶粒的生長(zhǎng)發(fā)育,（a）未摻雜,（b）摻雜過(guò)量TiO

16、2,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（四）燒成制度,1. 燒成溫度。燒成溫度的高低直接影響著制品的礦物組成、晶粒的尺寸及數(shù)量、玻璃相的組成及含量、氣孔的數(shù)量及形態(tài)等。,例如，對(duì)于傳統(tǒng)配方的陶瓷制品，如燒成溫度低（生燒）——?dú)饪茁矢?、密度低、莫?lái)石量少、玻璃相量少、殘余石英多 。如燒成溫度過(guò)高（過(guò)燒）—— 玻璃相含量高、晶相減少、A3S2重結(jié)晶、晶粒尺寸分布范圍寬。,2. 保溫時(shí)間。燒成溫度下，適當(dāng)保溫有利于均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成。但若保溫時(shí)間

17、過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致大量小晶粒溶解、晶粒平均尺寸增大、晶相總量減少。,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（四）燒成制度,3. 燒成氣氛。燒成氣氛對(duì)坯體中有關(guān)組分在高溫下的反應(yīng)溫度及反應(yīng)速度、體積效應(yīng)均有影響，從而將直接影響著制品的礦物組成、晶粒的尺寸及數(shù)量、玻璃相的組成及含量、氣孔的數(shù)量及形態(tài)等。,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（四）燒成制度,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（四）燒成制度,4. 冷卻速度。冷卻速度的快慢對(duì)材料結(jié)構(gòu)中的晶粒大小有明顯

18、影響，從而影響制品的性能。,幾種瓷坯的冷卻速度與其抗折強(qiáng)度的關(guān)系,幾種瓷坯的冷卻速度與其抗折強(qiáng)度的關(guān)系,5. 外加壓力。制品在燒成過(guò)程中是否同時(shí)被施加壓力，以及所施加的壓力大小，會(huì)對(duì)制品的晶粒大小、均勻程度、致密度等產(chǎn)生明顯影響。,1: 液壓機(jī)壓桿2：石墨壓桿3：模具4：發(fā)熱體5：試樣6：爐體隔熱材料7：爐體外殼8：觀察孔,（四）燒成制度,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（四）燒成制度,添加Al2O3的熱壓燒結(jié)SiC的材料,

19、由HIP工藝制備的Al2O3材料斷口形貌,由常壓燒結(jié)工藝制備的Al2O3材料斷口形貌,三、工藝因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響,（四）燒成制度,本章作業(yè)（一）：,1. 說(shuō)明材料顯微結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及作用。2. 陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)主要有哪些部分組成？說(shuō)明普通長(zhǎng)石質(zhì)瓷坯體的物相組成。3. 玻璃相與氣孔對(duì)陶瓷制品的性能各有哪些影響？4. 闡述燒成制度諸因素（燒成溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度、燒成氣氛）對(duì)陶瓷制品性能的影響。,5.2 陶瓷的性能及其控制,一、

20、機(jī)械強(qiáng)度,（一） 陶瓷材料的強(qiáng)度特征,1. 陶瓷材料是脆性材料，在室溫下受外力作用時(shí)幾乎不表現(xiàn)出塑性變形，只是呈現(xiàn)一種脆性斷裂。,● 陶瓷材料只有一個(gè)斷裂強(qiáng)度σf，而金屬材料可以擁有一個(gè)屈服強(qiáng)度σy 和一個(gè)極限強(qiáng)度σb。,（一） 陶瓷材料的強(qiáng)度特征,2. 陶瓷材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其理論強(qiáng)度，一般要低 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。其原因在于實(shí)際晶體中存在許多晶格缺陷和微裂紋。,（二） 影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素,● 格里菲斯微裂紋理論假設(shè)條件下的材料強(qiáng)度

21、公式：,1. 半裂紋長(zhǎng)度 (L/2)：材料中的裂紋數(shù)量、大小及其分布狀態(tài)是影響材料強(qiáng)度的極其重要的因素。因此，控制裂紋的數(shù)量、大小，避免裂紋集中存在是提高材料強(qiáng)度的重要手段。,一、機(jī)械強(qiáng)度,（二） 影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素,（3）溫度變化造成微裂紋：若為多晶相集合體的陶瓷材料，則由于各相晶粒的熱膨脹系數(shù)和取向差異；或者晶體發(fā)生體積效應(yīng)較大的多晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)。,2. 彈性模量 E：E 與材料的化學(xué)組成、鍵強(qiáng)、晶體結(jié)構(gòu)及氣孔率有關(guān)。,3. 斷裂

22、表面能 γ： γ 也與材料的化學(xué)組成、鍵強(qiáng)及顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)。,◆ 導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因：,（1）材料中存在晶格缺陷，如位錯(cuò)、晶界，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生。,（2）材料受到機(jī)械損傷或化學(xué)腐蝕，造成表面裂紋。,（4）氣孔的存在，其作用相當(dāng)于裂紋。,（三） 顯微結(jié)構(gòu)因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響,1. 晶相,（1）晶相種類及含量對(duì)材料強(qiáng)度的影響。例如：當(dāng)制品分別以 莫來(lái)石、剛玉、SiC、 Si3N4 為主晶相時(shí)，強(qiáng)度會(huì)有很

23、大差異。,● 這種差異的產(chǎn)生原因主要在于構(gòu)成各種晶體的質(zhì)點(diǎn)之間的化學(xué)鍵的性質(zhì)，乃至鍵強(qiáng)等方面存在明顯差異。,● 硅酸鹽晶體中都是離子鍵與共價(jià)鍵共存的，即為一種混合鍵型晶體；金屬氧化物基本上由離子鍵組成；SiC 和 Si3N4 基本上由共價(jià)鍵組成。,（2）晶粒的大小與形貌對(duì)材料強(qiáng)度的影響。,研究表明，多晶陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度 σf 與晶粒直徑d的關(guān)系如下：,K—— 與材料結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；α—— 與材料特性及實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。,σf

24、= K·d-α,另外，研究表明，多晶材料的初始裂紋尺寸與晶粒大小相當(dāng)，因此晶粒愈細(xì)，則初始裂紋愈小，材料的機(jī)械強(qiáng)度將越高：,◆ 顯然，材料的斷裂強(qiáng)度隨著晶粒平均尺寸的增大而降低。所以，控制晶粒的生長(zhǎng)尺寸對(duì)提高材料的機(jī)械強(qiáng)度意義重大。,（三） 顯微結(jié)構(gòu)因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響,一、機(jī)械強(qiáng)度,（三） 顯微結(jié)構(gòu)因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響,（2）晶粒的大小與形貌對(duì)材料強(qiáng)度的影響。,例2：Si3N4 陶瓷材料的強(qiáng)度隨著其中β- Si3N4

25、 相的含量增多而增大。這是因?yàn)榈蜏匦偷摩? Si3N4 晶粒呈等軸狀或短柱狀，而高溫型的β- Si3N4 相為針狀和長(zhǎng)柱狀結(jié)晶。,● 晶粒形貌的影響：例1：燒結(jié)不好的普通陶瓷制品中，主晶相基本上由鱗片狀的一次莫來(lái)石構(gòu)成。而燒結(jié)良好的陶瓷坯體中，主晶相的構(gòu)成中既有鱗片狀的一次莫來(lái)石，也有相當(dāng)數(shù)量的針狀、柱狀的二次莫來(lái)石。后者的強(qiáng)度明顯大于前者。,粗大針狀莫來(lái)石晶體的網(wǎng)狀分布對(duì)提高制品強(qiáng)度極為有利,（三） 顯微結(jié)構(gòu)因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響

26、,（3）晶界對(duì)材料強(qiáng)度的影響。,晶界對(duì)于多晶材料來(lái)講，是一個(gè)非常重要的組成部分，其數(shù)量、組成和性質(zhì)對(duì)于材料的強(qiáng)度具有重要影響。,● 當(dāng)材料的破壞是沿著晶界斷裂時(shí)，如果晶界數(shù)量多（細(xì)晶結(jié)構(gòu)），則可使裂紋的擴(kuò)展經(jīng)歷更曲折的路徑，從而消耗更多的裂紋擴(kuò)展能，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起著阻礙作用——提高材料的斷裂強(qiáng)度。,（三） 顯微結(jié)構(gòu)因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響,（3）晶界對(duì)材料強(qiáng)度的影響。,● 如果晶界上有氣孔存在，則可能造成應(yīng)力的集中，加速裂紋的擴(kuò)展——降

27、低材料的斷裂強(qiáng)度。,● 如果晶界純粹由晶粒相互結(jié)合構(gòu)成，可望能夠提高材料的強(qiáng)度。若晶界上存在玻璃相，材料的強(qiáng)度將降低。,2. 玻璃相的影響,● 當(dāng)然，玻璃相的組成對(duì)材料強(qiáng)度也有影響。由鍵強(qiáng)大的組分構(gòu)成的玻璃相的材料強(qiáng)度較大，反之亦然。,（三） 顯微結(jié)構(gòu)因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響,（3）晶界對(duì)材料強(qiáng)度的影響。,3. 氣孔的影響,● 氣孔對(duì)材料強(qiáng)度的影響是顯然的——材料強(qiáng)度總是隨著氣孔率的增大而降低。,另外，材料中氣孔的大小、形狀及其分

28、布狀態(tài)，對(duì)材料的強(qiáng)度也有一定程度的影響。在氣孔率一定的情況下，一般來(lái)說(shuō)，閉口氣孔好于開(kāi)口氣孔，開(kāi)口氣孔好于貫通氣孔。氣孔均勻分布好于其集中分布。,（三） 顯微結(jié)構(gòu)因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響,（四） 工藝因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響,● 工藝因素對(duì)材料強(qiáng)度的影響，實(shí)際上還是通過(guò)材料的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)度產(chǎn)生影響。,原料的制備及加工（預(yù)燒、破細(xì)碎）,配合料的混合,坯料的加工（脫水、練泥、造粒）,坯體的成型（方法）,添加劑的選用,燒成方法,燒成制

29、度,燒后處理工藝（熱處理或化學(xué)處理）,提高坯體致密度、減少氣孔及裂紋,控制晶相含量及晶粒的大小,,,,,,,,,陶瓷材料強(qiáng)度,,,,◆ 即使材料的化學(xué)組成相同，如果其加工工藝條件不同，也會(huì)形成不同的顯微結(jié)構(gòu)。,（四） 工藝因素對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度的影響,5.2 陶瓷的性能及其控制,二、陶瓷的光學(xué)性質(zhì),（一）白 度,陶瓷的光學(xué)性質(zhì)主要指它的白度、光澤度和透光性。,● 白度表征的是陶瓷制品表面對(duì)白光的漫反射能力。,● 白度的表示方法：老方法

30、：用制品對(duì)白光的反射強(qiáng)度與白色標(biāo)準(zhǔn)物（如硫酸鋇或碳酸鎂）所反射的白光強(qiáng)度之比來(lái)表示。這些標(biāo)準(zhǔn)白色物質(zhì)的白光反射率近乎100%。新方法：以光譜漫反射比均為100%的理想表面的白度作為 100%，光譜漫反射比均為 0 的絕對(duì)黑表面白度為零，測(cè)量出試樣的X、Y、Z 三刺激值，用規(guī)定公式計(jì)算出白度。,1. 概念與表征方法,● 出口日用細(xì)瓷的白度要求≥70%。,二、陶瓷的光學(xué)性質(zhì),（一）白 度,2. 影響陶瓷制品白度的因素——原料因素、工藝過(guò)程

31、因素,（1）原料純度。原料中的著色氧化物（Fe2O3、FeO、TiO2、MnO2等）含量直接影響制品的白度。這是因?yàn)橹趸锬苓x擇性地吸收白光中的某些波長(zhǎng)的單色光而使坯體呈色，從而降低了制品的白度。,2. 影響陶瓷制品白度的因素——原料因素、工藝過(guò)程因素,（1）原料純度 著色氧化物中，如果Fe2O3單獨(dú)存在，其影響的嚴(yán)重程度要輕得多。當(dāng)Fe2O3 和 TiO2同時(shí)存在時(shí)，則情況要嚴(yán)重的多。,2. 影響陶瓷制品白度的因素——原

32、料因素、工藝過(guò)程因素,（2）工藝因素。,● 是否采取了除鐵措施；,● 燒成制度的影響：燒成溫度、燒成氣氛。,燒成溫度：若燒成溫度過(guò)高，液相量增多，F(xiàn)e、Ti離子溶入液相，增大著色能力；同時(shí)晶相含量減少，對(duì)光的反射能力減弱，導(dǎo)致白度降低。,燒成氣氛：Fe 在氧化氣氛下燒成時(shí)呈黃色，在還原氣氛下呈青色；Ti 在氧化氣氛下燒成時(shí)呈黃色，在還原氣氛下呈黑色。,3. 提高制品白度的途徑,（1）精選原料，嚴(yán)格控制原料中的鐵、鈦氧化物，以及碳素等雜質(zhì)

33、的含量。,3. 提高制品白度的途徑,（2）嚴(yán)格原料加工過(guò)程管理，避免混雜；同時(shí)采取多次除鐵措施，并嚴(yán)格執(zhí)行清洗制度。,（3）燒成時(shí)適當(dāng)控制還原氣氛濃度和還原時(shí)間，避免碳素沉積。,（4）坯料中引入適量磷酸鹽、滑石；石灰釉中引入一定量的滑石或白云石，均可提高白度。,——少量的Fe2+ 在硅酸鹽玻璃中呈淺青綠色，但在磷酸鹽玻璃中不吸收可見(jiàn)光，故表現(xiàn)為無(wú)色。微量Fe3+ 在硅酸鹽玻璃中以[FeO4]四面體存在，有強(qiáng)烈的著色能力，而在磷酸鹽玻璃中

34、則以 [FeO6] 八面體形式存在，幾乎不呈色。,——Mg2+與Fe2+ 兩者的大小相當(dāng)（分別為 0.078nm、0.082 nm），高溫下可形成(Mg,Fe)O 固溶體及 MgO·TiO2 ，使鐵、鈦氧化物不致形成前述的呈色化合物。,5.2 陶瓷的性能及其控制,二、光學(xué)性質(zhì),（二） 透光度,● 表征方法：以透過(guò)一定厚度坯體的光線強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的百分比表示。,1 mm 厚的普通瓷坯，其對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率約為 2~10%。一些透

35、明陶瓷，經(jīng)過(guò)拋光后， 1 mm 厚的坯體對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率可大于 40%。如高壓鈉燈管在 4000~6000 nm的紅外波段，其透過(guò)率可達(dá)到 80% 以上。,● 影響陶瓷透光度的因素：,1. 原料純度——著色氧化物。對(duì)白度有影響的著色氧化物，同樣也會(huì)降低制品的透光度，因?yàn)檫@些著色氧化物會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生較強(qiáng)烈的選擇性吸收，從而降低透過(guò)光強(qiáng)度。,二、光學(xué)性質(zhì),● 影響陶瓷透光度的因素：,1. 原料純度——著色氧化物,當(dāng) 坯體中 Fe2O3 含量

36、 ＞0.35%， 透光度＜40%；,當(dāng)坯體中 Fe2O3 含量 ＞0.60%， 透光度＜30%；,對(duì)于透明氧化鋁陶瓷而言，當(dāng) Al2O3 含量 ＞99.9 %，透光度＞ 80%；當(dāng) Al2O3 含量 ＞99.999 %，透光度＞ 90%.,2. 坯體顯微結(jié)構(gòu),—— 氣孔的存在會(huì)明顯降低制品的透光率。 T = A·e –mp 式中 A 為絕對(duì)致密

37、坯體的透光率，P為氣孔率；m 為常數(shù),,—— 玻璃相含量增加，在一定程度上會(huì)增加透光度。,二、光學(xué)性質(zhì),● 影響陶瓷透光度的因素：,2. 坯體顯微結(jié)構(gòu),—— 單晶陶瓷是透明的，多晶陶瓷的透光率隨其相組成的增多、晶界的增多而降低。,—— 氣孔與晶粒的尺寸大小、數(shù)量等。,3. 工藝因素,—— 坯料的加工細(xì)度。瘠性原料的粉碎細(xì)度對(duì)透光率影響較大，尤其是石英的粉碎細(xì)度直接影響瓷坯中的玻璃相數(shù)量及折射率，進(jìn)而影響透光度。,—— 燒成溫度。提高燒

38、成溫度可增加玻璃相含量，有利于提高透光度；但過(guò)燒坯體中，氣孔率增大又會(huì)降低透光度。,● 提高陶瓷制品透光度的工藝途徑：,——從配方入手，調(diào)整玻璃相的折射率，使之與莫來(lái)石的折射率接近，減少透射光的散射。,二、光學(xué)性質(zhì),● 影響陶瓷透光度的因素：,3. 工藝因素,—— 增加玻璃相含量：涉及配方組成、坯料加工細(xì)度、燒成制度等工藝環(huán)節(jié)。,—— 減少氣孔。 涉及因素同上。,二、光學(xué)性質(zhì),（三） 光澤度,● 表征方法：以制品表面的反射光強(qiáng)度與入射光

39、強(qiáng)度的百分比表示。,物體的光澤主要是其對(duì)入射光產(chǎn)生鏡面反射所致，它反映了物體表面的光滑平整的程度。光澤度即為鏡面反射光線的強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比。,物體表面對(duì)入射光線產(chǎn)生反射的情況,● 影響陶瓷制品光澤度的因素：表面光滑平整程度及折射率。,5.2 陶瓷的性能及其控制,三、介電性質(zhì),1. 有關(guān)概念,● 電介質(zhì)：系指主要以電場(chǎng)感應(yīng)而非以電子或離子傳導(dǎo)的方式來(lái)傳遞電的作用和影響的媒介。,“電介質(zhì)”一詞幾乎囊括了一切在電場(chǎng)作用下，能建立（或產(chǎn)生）

40、極化現(xiàn)象的物質(zhì)，如空氣、陶瓷、玻璃、橡膠、變壓器油等等。,電介質(zhì)的主要電性能參數(shù)包括電阻率、介電常數(shù)、擊穿（電場(chǎng)）強(qiáng)度、介電損耗角正切（tanδ）等。這些介電性能對(duì)于普通陶瓷制品無(wú)足輕重，但對(duì)于電瓷和電子陶瓷制品則關(guān)系重大。,● 電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)表面在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。,當(dāng)在一個(gè)真空平行板電容器的電極板中間嵌入一塊電介質(zhì)，并施加一外電場(chǎng)時(shí)……,5.2 陶瓷的性能及其控制,三、介電性質(zhì),1. 有關(guān)概念,● 電介質(zhì)的功

41、率損耗（介質(zhì)損耗，或稱介電損耗）：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而產(chǎn)生的能量消耗稱為電介質(zhì)損耗功率，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗或介電損耗。,◆ 陶瓷材料產(chǎn)生介電損耗的原因是多方面的，主要包括材料在交、直流電壓下的電導(dǎo)損耗、極化引起的損耗、氣孔中的氣體引起的電離損耗、結(jié)構(gòu)不均勻或結(jié)構(gòu)松散引起的損耗，等等。,● 總而言之，陶瓷材料的介電損耗是由于介質(zhì)中的電導(dǎo)和緩慢極化引起的，是電導(dǎo)和極化過(guò)程中帶電質(zhì)點(diǎn)將其在電場(chǎng)中所吸收的能量部分地傳給周圍“分子”，

42、使電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)?“分子” 的熱振動(dòng)——消耗在使介質(zhì)發(fā)熱上了。,三、介電性質(zhì),例如，絕緣材料內(nèi)部由于存在電介質(zhì)的電導(dǎo)現(xiàn)象，因此有一定的泄漏電流，造成電介質(zhì)發(fā)熱而引起損耗。又比如由于材料內(nèi)部的極化過(guò)程跟不上外加電場(chǎng)方向的變化，也會(huì)產(chǎn)生電介質(zhì)損耗。,介質(zhì)損耗是所有應(yīng)用于交變電場(chǎng)中的電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。介質(zhì)損耗不但消耗了電能，還會(huì)因發(fā)熱致使器件溫度升高而可能影響其正常工作；嚴(yán)重時(shí)甚至可能使器件失效、破壞。因此，除非介質(zhì)材料是用作發(fā)熱元

43、件使用，一般都是希望材料的介質(zhì)損耗越小越好。,三、介電性質(zhì),1. 有關(guān)概念,介電損耗角正切（tanδ）——系指電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下，所消耗于發(fā)熱的那部分功率（有功功率的一部分）與電容器無(wú)功功率之比值——測(cè)定時(shí)將電介質(zhì)視為一個(gè)電容器。 tanδ表征了每個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)損耗的能量與其貯存能量之比。,◆ 材料的介質(zhì)損耗大小用所謂的介電損耗角正切（tanδ）值來(lái)衡量的。,對(duì)一般陶瓷材料而言， tanδ值越小越好，尤其是電容器陶瓷。,有功功率--

44、-用于做功所消耗的電能。它們轉(zhuǎn)化為熱能、光能、機(jī)械能或化學(xué)能等，稱為有功功率，又叫平均功率。,無(wú)功功率---電氣設(shè)備或元件為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率。,三、介電性質(zhì),許多用電設(shè)備均是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如配電變壓器、電動(dòng)機(jī)等，它們都是依靠建立交變磁場(chǎng)才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。因此，所謂的“無(wú)功功率”并不是“無(wú)用”的電功率，只不過(guò)它的功率并不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能而已。,● 電介質(zhì)的功率損耗（介質(zhì)損耗，或稱介電損耗）：,介電損

45、耗角正切（tanδ）與測(cè)試時(shí)試樣的大小及形狀無(wú)關(guān)。其值越大，意味著介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而損失的能量越大，反之亦然。,三、介電性質(zhì),影響介電損耗角正切（ tanδ ）的主要因素：,（1）材料的相組成與顯微結(jié)構(gòu)。,主晶相的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)介電損耗影響顯著。結(jié)構(gòu)緊密、鍵強(qiáng)較大的晶體，其介電損耗小，如以剛玉、鎂橄欖石為主晶相的陶瓷材料，室溫下的介電損耗都相當(dāng)?shù)?。相反，結(jié)構(gòu)松散的晶體（如莫來(lái)石、堇青石等）具有較大的介電損耗，所以堇青石質(zhì)瓷的介電損耗大

46、。,玻璃相引起的介電損耗一般要大于晶相引起的損耗，尤其是R2O含量較高的玻璃相，這與玻璃相結(jié)構(gòu)松散和 R+易產(chǎn)生電導(dǎo)損耗有關(guān)。,晶粒大小對(duì)介質(zhì)損耗亦有影響。一般而言，晶粒大則損耗大。,另外，氣孔大時(shí)也會(huì)引起較大的介電損耗。因?yàn)闅怏w在高壓電場(chǎng)條件下產(chǎn)生電離需要消耗能量。,三、介電性質(zhì),i）添加劑的作用。 若添加劑在材料燒成過(guò)程中能抑制晶粒長(zhǎng)大，則將有助于減小介電損耗。 若加入添加劑形成玻璃相時(shí)，則玻璃相中最好不含堿離子、或引入

47、的是原子量較大的 R++離子，這樣可有效降低介電損耗。,ii）燒成氣氛。 若燒成氣氛能使陶瓷形成結(jié)構(gòu)缺陷或降低結(jié)構(gòu)致密程度，都會(huì)增大陶瓷制品的介電損耗。如含鈦陶瓷材料在還原氣氛下燒成時(shí)，部分Ti 4+還原成 Ti3+ ，所俘獲的電子會(huì)躍遷到導(dǎo)帶參與電導(dǎo)，從而降低體積電阻，增大介電損耗。,（2）材料制備工藝方面的因素,影響介電損耗角正切（ tanδ ）的主要因素：,（4）電場(chǎng)強(qiáng)度：電場(chǎng)強(qiáng)度不大時(shí)，對(duì)介電損耗角正切 tanδ無(wú)影響，達(dá)

48、到某一值時(shí)，介電損耗角正切會(huì)突然增大。,三、介電性質(zhì),（6）環(huán)境濕度：濕度越大，介質(zhì)損耗角正切tanδ越大。,（5）環(huán)境溫度：介電損耗角正切tanδ隨溫度而變化，在高溫下成指數(shù)式上升。,（3）電場(chǎng)頻率：隨著電場(chǎng)頻率變化，材料的介電損耗角正切也不同。極性材料受影響更大，極性材料不適合于應(yīng)用在高頻領(lǐng)域。,影響介電損耗角正切（ tanδ ）的主要因素：,材料在外電場(chǎng)存在時(shí)可能發(fā)生導(dǎo)電現(xiàn)象，即形成帶電質(zhì)點(diǎn)的定向流動(dòng)。這些帶電質(zhì)點(diǎn)稱為“載流子”

49、。,● 電介質(zhì)的電導(dǎo)與載流子,◆ 金屬材料中的載流子是自由電子。而無(wú)機(jī)電介質(zhì)材料中的載流子可能是電子、電子空穴；或者是離子晶體中的雜質(zhì)離子、填隙離子及離子空位。,5.2 陶瓷的性能及其控制,三、介電性質(zhì),1. 有關(guān)概念,● 電介質(zhì)的電導(dǎo)與載流子,◆ 離子晶體中的離子并非都是載流子，只有外來(lái)的雜質(zhì)離子或因形成熱缺陷而產(chǎn)生的間隙離子才可能成為載流子。處于正常結(jié)點(diǎn)上的離子不能成為載流子。,三、介電性質(zhì),1. 有關(guān)概念,電子式電導(dǎo) ——載流子為

50、電子或電子空穴的電導(dǎo)。離子式電導(dǎo) ——載流子為離子或離子空位的電導(dǎo)。,● 電子式電導(dǎo)和離子式電導(dǎo),◆ 電子式電導(dǎo)對(duì)材料不會(huì)產(chǎn)生破壞作用，而離子式電導(dǎo)卻是一種電解過(guò)程，因而會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生破壞作用——陽(yáng)離子運(yùn)動(dòng)到負(fù)極取得電子而還原、陰離子移向正極失去電子而氧化或變?yōu)橹行栽樱枚弥纯稍诓牧蟽?nèi)部造成大量結(jié)構(gòu)缺陷而破壞。,● 電子式電導(dǎo)和離子式電導(dǎo),◆ 可是，當(dāng)材料中含有變價(jià)離子，在適當(dāng)條件下形成非化學(xué)計(jì)量化合物；或者由于引入不等價(jià)雜質(zhì)，使

51、材料產(chǎn)生大量自由電子（或電子空穴）時(shí)，就會(huì)造成嚴(yán)重的電子式電導(dǎo)，甚至使電介質(zhì)材料變成半導(dǎo)體。,5.2 陶瓷的性能及其控制,三、介電性質(zhì),◆ 陶瓷材料中，既存在電子式電導(dǎo)，也存在離子式電導(dǎo)。但一般情況下，電子式電導(dǎo)非常微弱，可以忽略，而以離子式電導(dǎo)為主要導(dǎo)電形式，主要載流子是體積小的陽(yáng)離子或離子空位。,● 電子式電導(dǎo)和離子式電導(dǎo),◆ 一般地，絕緣陶瓷和電介質(zhì)陶瓷材料主要表現(xiàn)為離子式電導(dǎo)。這些陶瓷材料的離子電導(dǎo)源于兩部分：一部分由晶相提供；

52、一部分由玻璃相提供。,◆ 通常，晶相的電導(dǎo)率比玻璃相小。在玻璃相含量較多的陶瓷材料中，電導(dǎo)主要取決于玻璃相，具有玻璃的電導(dǎo)規(guī)律，電導(dǎo)率一般比較大。對(duì)于玻璃相含量極少的陶瓷材料，如剛玉陶瓷，其電導(dǎo)主要取決于晶相，具有晶相的電導(dǎo)規(guī)律，電導(dǎo)率小。,◆ 總之，陶瓷材料的電導(dǎo)機(jī)理非常復(fù)雜。在不同的溫度范圍內(nèi)，可能存在不同的電導(dǎo)機(jī)理。如剛玉瓷在低溫時(shí)表現(xiàn)為雜質(zhì)離子電導(dǎo)。而當(dāng)溫度升值至高溫（≥1100 ℃）后，則呈現(xiàn)出明顯的電子電導(dǎo)。,三、介電性質(zhì),

53、2. 電阻率,,根據(jù)電阻率（ρ）的大小，陶瓷材料可以分為電介質(zhì)、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體： 陶瓷電介質(zhì)： ρ＞107 Ω.m 陶瓷半導(dǎo)體：ρ＞10-5~107 Ω.m 陶瓷導(dǎo)體： ρ＜10-3 Ω.m 陶瓷超導(dǎo)體：ρ→ 0 Ω.m,◆ 大多數(shù)陶瓷材料一般都包含晶相和玻璃相，故其電導(dǎo)情況應(yīng)為晶相電導(dǎo)和玻璃相電導(dǎo)兩者 的綜合反映。,◆ 另外，一般情況下，結(jié)構(gòu)完整的較大晶體要比玻璃相

54、和微晶的電導(dǎo)率低。這是因?yàn)椴Ａ嘟Y(jié)構(gòu)疏松、微晶體的缺陷較多，故使其中離子移動(dòng)所需的活化能都較低。,三、介電性質(zhì),（1）陶瓷電介質(zhì),如上所述，一般情況下陶瓷材料中的電子式電導(dǎo)可以忽略，而以離子式電導(dǎo)為主。但由于構(gòu)成陶瓷材料的晶體大多為結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體，離子式電導(dǎo)也可忽略，所以大多數(shù)陶瓷材料都是絕緣體，電阻率很高（ ρ＞107 Ω.m ）。,◆ 陶瓷材料的導(dǎo)電能力取決于其結(jié)構(gòu)與組成。一方面，當(dāng)構(gòu)成陶瓷材料的晶相為結(jié)構(gòu)緊密的晶體時(shí)，材料的電

55、阻率會(huì)很高（如剛玉瓷的電阻率 ρ＞1012 Ω.m ）。另一方面，當(dāng)材料組成中玻璃相增多時(shí)，材料的電阻率將降低，因?yàn)樘沾刹牧系膶?dǎo)電問(wèn)題基本上就是坯體中的玻璃相的導(dǎo)電問(wèn)題——玻璃相的結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，載流子運(yùn)動(dòng)的活化能低。,◆ 因此，玻璃相的組成對(duì)材料的電導(dǎo)率影響很大。一價(jià)離子導(dǎo)電能力強(qiáng)；半徑小的離子比半徑大的離子導(dǎo)電能力大。故通過(guò)控制K2O 與Na2O的相對(duì)含量可以調(diào)節(jié)電瓷制品的介電性能。,2. 電阻率,（2）陶瓷半導(dǎo)體,● 陶瓷電介質(zhì)的電

56、導(dǎo)機(jī)制主要是離子電導(dǎo)，即瓷坯中的雜質(zhì)離子和離子空位引起的電導(dǎo)。但在陶瓷半導(dǎo)體中，電導(dǎo)則主要是由晶體中的離子的電子電導(dǎo)引起的。而這種電子電導(dǎo)是由于形成非化學(xué)計(jì)量化合物或引入了不等價(jià)雜質(zhì)離子使系統(tǒng)中的自由電子增加所致。,SnO2-x 陶瓷材料室溫下的電阻率可以降到 ρ=104 ~105 Ω.m。若再摻雜則導(dǎo)電性更強(qiáng)，甚至可以成為導(dǎo)電材料。,,2. 電阻率,如：SnO2 陶瓷燒結(jié)時(shí)，由于高溫下失去氧離子生成 SnO2-x , 內(nèi)部出現(xiàn)自由電子

57、，成為 n- 型半導(dǎo)體：,iii) 燒成條件。不同的燒成條件，會(huì)形成不同的顯微結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷，從而影響材料的電導(dǎo)率。,（2）陶瓷半導(dǎo)體,2. 電阻率,● 影響半導(dǎo)體陶瓷材料導(dǎo)電性的工藝因素主要是：,i) 摻雜物質(zhì)的種類與數(shù)量。如右圖所示。,ii) 原料純度。當(dāng)原料純度較低時(shí)，即使摻雜量適當(dāng)也不容易形成半導(dǎo)體，甚至成為絕緣體。,一些陶瓷材料，尤其是一些具有螢石結(jié)構(gòu)的四價(jià)氧化物（如ZrO2、CeO2）通過(guò)適當(dāng)摻雜，改變材料的組成、制造晶格缺

58、陷，可以使其導(dǎo)電能力提高，成為快離子導(dǎo)體（或稱固體電解質(zhì)）。例如，用 CaO、MgO、Y2O3等穩(wěn)定的 ZrO2 陶瓷材料，在高溫時(shí)（＞1273K）是一種良好的導(dǎo)體材料，可用作高溫發(fā)熱體。其導(dǎo)電機(jī)理在于：,可見(jiàn)，每溶入一個(gè)不等價(jià)雜質(zhì)離子，都將產(chǎn)生一個(gè)氧離子空位。所以，這類陶瓷導(dǎo)體的載流子是氧離子空位。,（2）陶瓷導(dǎo)體,2. 電阻率,三、介電性質(zhì),3. 介電常數(shù),◆ 概念：如前所述，電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。綜

59、合反映電介質(zhì)極化行為的主要宏觀物理量就是介電常數(shù)ε。實(shí)際上，ε也是衡量電介質(zhì)材料在電場(chǎng)存在條件下儲(chǔ)存電荷能力的一個(gè)參數(shù)，通常也叫介電系數(shù)或電容率，是材料的一個(gè)特征參數(shù)。,設(shè)真空介質(zhì)的介電常數(shù)為 1，則非真空介質(zhì)材料的介電常數(shù) ε 為：,ε = Q/Q0,式中Q0 為真空介質(zhì)時(shí)的電極上的電荷量，Q 為同一電場(chǎng)和電極系統(tǒng)中非真空介質(zhì)時(shí)的電極上的電荷量。,◆ 影響介電常數(shù) ε的因素：化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)、使用條件（溫度、電場(chǎng)頻率等）。 化學(xué)組成

60、和顯微結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在不同組成和結(jié)構(gòu)的材料會(huì)表現(xiàn)出不同的極化方式。,◆ 由于用途不同，對(duì)陶瓷材料的介電常數(shù)大小的要求也不同。如裝置瓷、電真空陶瓷要求介電常數(shù)ε要小，一般約為2~12，否則會(huì)使電子線路的分布電容較大，導(dǎo)致線路工作狀態(tài)惡化。而用作電容器的陶瓷介質(zhì)材料則希望其具有極高的介電常數(shù)ε，以期實(shí)現(xiàn)小體積、大容量的目標(biāo)，尤其是應(yīng)用于集成電路中的電容器。,三、介電性質(zhì),3. 介電常數(shù),三、介電性質(zhì),5. 介電強(qiáng)度,◆ 有關(guān)概念：介質(zhì)材

61、料在電場(chǎng)中使用時(shí)常因承受過(guò)高的電壓而失去絕緣能力，出現(xiàn)所謂的 “擊穿” 現(xiàn)象。擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度即為介電強(qiáng)度或擊穿強(qiáng)度 Eb (=Ub/d, kV/mm)。,介質(zhì)擊穿的方式有電擊穿、熱擊穿及電化學(xué)擊穿，這些擊穿形式往往同時(shí)存在，但以某一種為主。,電擊穿: 在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)少量自由電子動(dòng)能加大，當(dāng)電壓足夠大時(shí)，在這些運(yùn)動(dòng)電子沖擊下又激發(fā)出新的自由電子參加運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生正負(fù)離子，介電功能遭到破壞而被擊穿。電擊穿速度很快，約在10-7~10-

62、8 秒內(nèi)完成，類似雪崩。,三、介電性質(zhì),5. 介電強(qiáng)度,熱擊穿: 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，由于漏電流、損耗或氣體局部放電產(chǎn)生熱量，逐漸升溫并積聚熱量、達(dá)到一定高溫，從而發(fā)生開(kāi)裂、?；蛉刍罱K導(dǎo)致陶瓷材料的絕緣性能喪失而被擊穿。鐵電陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗非常大，在高頻條件下常表現(xiàn)為熱擊穿。,電化學(xué)擊穿: 系指陶瓷材料在電場(chǎng)及其所引起的化學(xué)變化的聯(lián)合作用下被擊穿的情況。與電擊穿不同，電化學(xué)擊穿是一個(gè)漸變的慢速過(guò)程。例如，在高溫和高濕條

63、件下，或在直流和低頻交流電壓共同作用下，材料內(nèi)部發(fā)生電解作用，使介質(zhì)發(fā)生不可逆的化學(xué)變化，導(dǎo)致介電強(qiáng)度降低，最后被擊穿。含變價(jià)氧化物的陶瓷（如含TiO2、SnO2 等 成分的陶瓷）比較容易發(fā)生電化學(xué)擊穿。,（1）材料的物相組成。具有不同主晶相的陶瓷制品，其介電強(qiáng)度會(huì)不同。例如在直流電壓下金紅石瓷的 Eb =3.75×104 kV/m; 剛玉瓷的Eb = 4.1×104 kV/m,◆ 影響介電強(qiáng)度 Eb 的因素——相組

64、成、顯微結(jié)構(gòu)、工藝因素、測(cè)試條件。,（2）材料的顯微結(jié)構(gòu)。研究表明，材料中的氣孔和微裂紋均會(huì)降低材料的介電強(qiáng)度。這是因?yàn)槠渲写嬖诘臍怏w在高頻交變電場(chǎng)作用下，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的電離，產(chǎn)生大量熱量，使氣孔附近局部區(qū)域強(qiáng)烈過(guò)熱而形成非常高的內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料喪失機(jī)械強(qiáng)度并被擊穿。,三、介電性質(zhì),5. 介電強(qiáng)度,從燒成氣氛來(lái)說(shuō)，要根據(jù)坯料中的變價(jià)氧化物的含量適當(dāng)選擇合理的燒成氣氛。如由礬土配制的鋁質(zhì)瓷含TiO2較多，還原氣氛燒成的介電強(qiáng)度會(huì)比氧化氣

65、氛燒成時(shí)低些。,三、介電性質(zhì),（3）工藝因素。 從燒成溫度來(lái)說(shuō)，只有在燒成溫度合適的情況下，才能使制品的氣孔率最低、結(jié)構(gòu)最致密，介電強(qiáng)度最高。生燒和過(guò)燒都會(huì)使制品的介電強(qiáng)度降低。,◆ 影響介電強(qiáng)度 Eb 的因素,i) 陶瓷材料在直流電場(chǎng)下比交流電場(chǎng)下的擊穿強(qiáng)度要高。如同樣厚度的金紅石瓷試樣在直流電場(chǎng)和頻率為50Hz的交流電場(chǎng)中，測(cè)得的介電強(qiáng)度分別為 3.75×104 kV/m 和 2.7×104 kV/m。,◆ 影響

66、介電強(qiáng)度 Eb 的因素：,5. 介電強(qiáng)度,（4）測(cè)試條件——包括試樣的幾何尺寸、電場(chǎng)性質(zhì)及頻率、溫度等。,ii) 電場(chǎng)均勻性。通常情況下，在均勻電場(chǎng)下測(cè)得的介電強(qiáng)度要大于不均勻電場(chǎng)下的介電強(qiáng)度。,三、介電性質(zhì),◆ 影響介電強(qiáng)度 Eb 的因素：,5. 介電強(qiáng)度,iii) 材料的擊穿強(qiáng)度隨電場(chǎng)頻率和溫度的升高而降低。在一定頻率前，介電強(qiáng)度降低較大，以后變化不大；在一定溫度前，介電強(qiáng)度變化不大，但此后則下降較快。因此，一般要限制電介質(zhì)材料的使

67、用溫度。,iv) 對(duì)于不均勻陶瓷介質(zhì)，隨著試樣厚度d 增加，擊穿強(qiáng)度明顯降低。另外，在電擊穿情況下，介電強(qiáng)度隨試樣面積減小而增大。,◆ 影響介電強(qiáng)度 Eb 的因素：,5. 介電強(qiáng)度,（4）測(cè)試條件——包括試樣的幾何尺寸、電場(chǎng)性質(zhì)及頻率、溫度等。,本章作業(yè)（二）：,5. 綜述影響陶瓷材料機(jī)械強(qiáng)度的各種工藝因素。6. 闡述顯微結(jié)構(gòu)諸因素（晶相、玻璃相、氣孔）對(duì)陶瓷制品性能的影響。7. 提高陶瓷制品白度的工藝途徑有哪些？8. 影響陶瓷制