陶瓷材料設(shè)計基礎(chǔ)

材料設(shè)計與制備

緒論現(xiàn)代電子理論與現(xiàn)代化學(xué)鍵理論

分子動力學(xué)基礎(chǔ)與分子動力學(xué)模擬技術(shù)

高分子材料設(shè)計基礎(chǔ)

復(fù)合材料設(shè)計的理論基礎(chǔ)

陶瓷材料設(shè)計

蒙特卡洛方法2023/2/31課程名稱：材料設(shè)計與制備

目的概述陶瓷材料設(shè)計基礎(chǔ)（補充）陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計（難點）

韌化設(shè)計（重點）

第6章陶瓷材料設(shè)計2023/2/32無機非金屬材料概述

什么是無機非金屬材料？金屬材料和有機高分子材料以外的固體材料通稱為無機非金屬材料。由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。2023/2/33無機非金屬材料概述

化學(xué)組成：金屬和非金屬元素的氧化物、氫氧化物、碳化物、氮化物等以不同的方式組合。幾乎涉及周期表上所有元素。鍵合結(jié)構(gòu)：離子鍵、共價鍵以及離子鍵和共價鍵的混合鍵2023/2/34無機非金屬材料主要特點

2023/2/35無機非金屬材料的種類

2023/2/36陶瓷材料

離子鍵、共價鍵以及離子鍵與共價鍵的混合鍵。離子晶體－以離子鍵結(jié)合的晶體。金屬氧化物晶體。

MgO、Al2O3共價晶體－共價鍵結(jié)合的晶體。金剛石、SiC、Si3N4、BN特點－強度高、硬度高、熔點高、絕緣、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、膨脹系數(shù)小、脆性大、無延展性。陶瓷材料的結(jié)合鍵2023/2/37（1）陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

晶體相陶瓷材料最主要的組成相其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、數(shù)量及分布決定了陶瓷材料的特性。主晶相－氧酸鹽（硅酸鹽、鈦酸鹽）、氧化物MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC、Si3N4）陶瓷材料的相組成2023/2/38陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

玻璃相

玻璃相是陶瓷材料中原子不規(guī)則排列的組成部分，其結(jié)構(gòu)類似于玻璃。積極作用：填充晶體之間的空隙，提高材料的致密度；降低燒成溫度；阻止晶型轉(zhuǎn)變、抑止晶粒長大。不利影響：陶瓷強度、介電常數(shù)、耐熱性能。陶瓷材料的相組成2023/2/39陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

氣相

坯體各成分在加熱過程中發(fā)生物理、化學(xué)作用所生成的空隙。不利影響：降低材料的強度，是造成裂紋的根源。有益利用：多孔瓷陶瓷材料的相組成2023/2/310陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

陶瓷材料的晶體缺陷置換原子、間隙原子和空位等造成的缺陷影響導(dǎo)電性、燒結(jié)。位錯:

形成所需能量較大，密度很低。晶界和亞晶界:

晶界兩側(cè)晶粒取向的不同可阻止裂紋的擴展，提高陶瓷強度。點缺陷面缺陷線缺陷2023/2/311（2）陶瓷材料的性能—力學(xué)性能

陶瓷的硬度很高－1000Hv～1500Hv（普通淬火鋼－500～800Hv）原因－離子晶體中離子緊密堆積、共價晶體中電子云的重疊程度高。

陶瓷的剛度很高－剛度反映其化學(xué)鍵能原因－高鍵能的離子鍵和共價鍵→高彈性模量。剛度硬度2023/2/312理論強度高—離子鍵和共價鍵

實際強度要較理論強度低—組織的不均勻性，

內(nèi)部雜質(zhì)和各種缺陷

晶粒越細(xì)，強度越高。

高溫強度、高溫抗蠕變能力、抗氧化性優(yōu)于金屬

材料—常用于高溫材料

強度2023/2/313陶瓷的塑性和韌性較低，無塑性變形，脆性斷裂——陶瓷最大的弱點。斷裂過程：裂紋形成和擴展的過程斷裂的原因：陶瓷內(nèi)部和表面所產(chǎn)生的微裂紋，在受到外應(yīng)力時快速擴展。塑性與韌性2023/2/314陶瓷的熱學(xué)性能

陶瓷由離子鍵和共價鍵結(jié)合，具有較高的熔點。陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫下熱容增大。陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，這是由晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵決定的。一般為10-5～10-6/K。熔點熱膨脹熱容2023/2/315陶瓷的電學(xué)和光學(xué)性能

電學(xué)性能陶瓷是良好的絕緣體，具有介電特性，介電損耗很小。光學(xué)性能陶瓷由于晶界和氣孔的存在一般不透明。通過改變燒結(jié)方法和控制晶粒的大小，可制備出透明的氧化物陶瓷。2023/2/316陶瓷－普通陶瓷

定義：以粘土、長石、石英為主要原料，經(jīng)過粉碎、混煉、成型、鍛燒等制作的產(chǎn)品。廣義陶瓷：用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機非金屬固體材料和產(chǎn)品的通稱。2023/2/317普通陶瓷主要化學(xué)組成（質(zhì)量％）SiO2Al2O3R2O+RO65－757－304－332023/2/318發(fā)展概況

陶瓷－普通陶瓷陶瓷是我國古代勞動人民的偉大發(fā)明之一英語china（昌南鎮(zhèn)）即為陶瓷。秦代：兵馬俑唐代：唐三彩宋代：定、鈞、汝、官、哥窯，瓷都－景德鎮(zhèn)青花、玲瓏瓷陶都－宜興紫砂主要產(chǎn)地還有：佛山、淄博、晉江、唐山、邯鄲、潮州、石灣、海城、醴陵、德化等2023/2/319定窯：據(jù)《曲陽縣志》載，五代時曲陽澗磁已盛產(chǎn)白瓷，官府曾在此設(shè)官收瓷器稅；但據(jù)調(diào)查，早在唐代這里已燒白瓷；至宋代有較大發(fā)展，除燒白釉瓷器外，還燒黑釉、醬釉和綠釉等品種，文獻稱為“黑定”、“紫定”和“綠定”。有毛口和淚痕等特征，毛口是復(fù)燒口部不上釉，淚痕多見于盤碗外部，因釉的薄厚不勻，有的下垂形如淚跡。

定州白瓷孩兒枕定窯窯址保護大廳2023/2/320現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的真正論及哥窯最早的文獻當(dāng)推明代陸深《春風(fēng)堂隨筆》：“哥窯，淺白斷紋，號百圾碎。宋時有章生一、生二兄弟，皆處州人，主龍泉之琉田窯，生二所陶青器純粹如美玉，為世所貴，即官窯之類，生一所陶者色淡，故名哥窯。”哥窯葵花洗哥窯八方碗2023/2/321哥窯器必須具有眾所周知的“金絲鐵線”、“紫口鐵足”。前者是哥窯的與眾不同的裂紋，大紋為“鐵線”，有的顯藍(lán)，大紋中套的小紋為“金絲”，有的不一定顯金黃，大紋小紋合稱為“面圾破”，它應(yīng)當(dāng)是密而不疏，曲而不直；后者是哥窯顯露的較為特殊的胎色，但兩者往往如魚與熊掌一樣不可兼得。瓷胎滿釉器有“紫品”而無鐵足。鐵足應(yīng)當(dāng)是胎質(zhì)本身的無釉顏色。

哥窯青釉葵瓣口盤哥窯八方貫耳扁瓶2023/2/322鈞窯:在鈞州境內(nèi)（今河南禹縣），故名。是宋代五大名窯之一。創(chuàng)燒于唐代，經(jīng)歷宋金至元代。境內(nèi)有窯地近一百處，以小白峪歷史最早，唐代已燒黑釉帶斑點器物，時稱“花瓷”，對宋代紫紅斑點裝飾有直接影響。宋代首創(chuàng)釉中加入適當(dāng)銅金屬，燒成玫瑰紫、海棠紅等紫紅色釉，美如晚霞。玉壺春象鼻瓶2023/2/323我國是陶瓷大國，日用陶瓷、建衛(wèi)陶瓷產(chǎn)量均為世界第一，占世界產(chǎn)量的2/3。我國又是陶瓷出口大國，2005年出口金額為45.54億美元，出口建筑陶瓷4.2億平方米，衛(wèi)生陶瓷出口3885萬件，出口170多個國家，出口額占世界整個行業(yè)的40％，其中佛山占60％。2023/2/324除中國外，世界陶瓷器的生產(chǎn)主要集中在歐洲。英國－骨瓷、類碧玉陶器。法國－各種雕像、花卉瓷，具有裝飾華麗、色彩鮮艷的特點。德國－高白度硬質(zhì)瓷，并左右當(dāng)時歐洲的瓷器風(fēng)格。荷蘭－白釉藍(lán)彩陶器稱譽歐洲(16-17世紀(jì))。日本－瀨戶陶瓷產(chǎn)區(qū)13世紀(jì)起即以陶瓷業(yè)著稱。2023/2/325陶瓷－普通陶瓷分類

2023/2/326普通陶瓷－日用瓷

一般應(yīng)具有良好的白度、光澤度、透光性、熱穩(wěn)定性和強度。日用陶瓷主要應(yīng)用于茶具、餐具和工藝品2023/2/327普陶－日用瓷

白如玉,明如鏡,薄如紙,聲如磬2023/2/328普陶－陳設(shè)瓷2023/2/3292023/2/330普通陶瓷－建筑瓷

建筑陶瓷以粘土為主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷粗陶瓷

以難熔粘土為主要原料，包括磚、瓦、盆罐等精陶瓷

以瓷土和高嶺土為主要原料，包括釉面磚、建衛(wèi)瓷等炻瓷

以陶土和粘土為主要原料，包括地磚、外墻磚、耐酸陶瓷等312023/2/331陶器從廣義上可分為四類:土器：坯質(zhì)粗松，多孔，色澤不潔，成陶火度最低，有吸水性，音粗而韻短，如磚瓦缽；炻器：坯質(zhì)致密堅硬,取天然泥色，成陶火度在1010℃到1020℃，無吸水性，音粗而韻長，如紫砂陶。陶器：坯質(zhì)也較細(xì)，上釉，成陶火度高，有吸水性，音粗而韻短。瓷器：坯質(zhì)致密透明，上釉，成陶火度最高，無汲水性，音清而韻長。炻器2023/2/3322023/2/3332023/2/334墻地磚的選擇：一看：瓷磚的坯體顏色是否純正，主要觀察瓷磚的背面顏色是否均勻、一致。觀察產(chǎn)品有無缺袖、斑點、裂紋、軸泡、波紋等明顯質(zhì)量缺陷。進行色差的辨別：要對所有包裝的產(chǎn)品抽樣對比，觀察色差的變化，色差大的不能選用。觀察瓷磚橫切面的顆粒是否細(xì)膩，這里所說的橫切面是指瓷磚斷片的斷裂處。斷裂處細(xì)密，硬脆，色澤一致的為上品。因為顆粒細(xì)膩的瓷磚防水能力強；而顆粒較大的瓷磚，水分容易浸入，影響品質(zhì)?？从詫拥暮穸取Ｓ詫雍穸染褪怯悦鏅M切面的厚度。釉料是最貴的材料，釉層越厚，自然品質(zhì)越好。取兩塊磚背對背和面對面看是否能嚴(yán)密接觸有無縫隙過大的現(xiàn)象可判斷是否有翹曲。二聽：輕敲瓷磚，注意聽聲音是否清脆。如聲音清亮、悅耳為上品，如聲音沉悶，為次品。352023/2/335墻地磚的選擇：三試水：可以在瓷磚背面倒上一些水，注意觀察瓷磚吸水的快慢。幾分鐘之后，再看正面水留下的印子是否明顯。水散開后浸潤得慢的瓷磚密度大，而且水留印子不明顯，視為上品。找墨水涂于面上過一小時后擦洗看是否有痕跡，沒痕跡的是好磚。四尺量：拿兩塊磚量兩塊磚的尺寸，尺寸誤差大于0.5毫米、平整度大于0.1毫米不能用。補充：可參照商家提供的國家或行業(yè)檢測機關(guān)出具的檢測報告，對比以下指標(biāo)數(shù)據(jù)：吸水率、耐磨性、耐酸性及污染指標(biāo)鑒別對比。2023/2/336普瓷－衛(wèi)生瓷

衛(wèi)生陶瓷以高嶺土為主要原料，用于衛(wèi)生設(shè)施，帶釉，有陶質(zhì)、炻瓷質(zhì)和瓷質(zhì)等。372023/2/3372023/2/338普瓷－電瓷

電絕緣瓷又稱電瓷，是作為隔電、機械支撐及連接用的瓷質(zhì)絕緣器件。電器絕緣陶瓷分為低壓電瓷、高壓電瓷和超高壓電瓷。2023/2/339普瓷－化工用瓷

化工用瓷要求耐酸、耐高溫、具有一定強度。主要用于化學(xué)、化工、制藥、食品等工業(yè)。402023/2/340特種陶瓷

定義采用高度精選的原料，具有能精確控制的化學(xué)組成，按照便于進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制制造的方法進行制造、加工的，具有特殊性能的陶瓷。作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷材料，主要利用陶瓷材料所具有的高強度、高硬度、耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等力學(xué)和熱學(xué)方面的優(yōu)異性能。2023/2/341結(jié)構(gòu)陶瓷

與普通陶瓷的區(qū)別原料上：純度較高的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等，材料組成精確調(diào)配；制備上：突破了爐窯的界限，廣泛采用真空燒結(jié)、保護氣氛燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓等手段；性質(zhì)上：特殊力學(xué)、物理和化學(xué)性能。422023/2/3422023/2/343氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷特點：化學(xué)穩(wěn)定性好、抗氧化性強、熔融溫度高、高溫強度高。2023/2/344Al2O3陶瓷的性能特點及應(yīng)用

強度高、硬度高

機械加工磨料、磨具、切削工具、軸承熔點高、抗腐蝕

耐火材料、爐管、熱電偶保護管優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性

坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼電絕緣性能好

基板、火花塞、電路外殼優(yōu)良的光學(xué)特性

透光材料：鈉蒸汽燈管、微波整流罩窗口、激光振蕩元件452023/2/345氧化鋁坩堝氧化鋁耐磨陶瓷球及陶瓷片2023/2/346SiC陶瓷

性能特點：高硬度、高的高溫強度、高導(dǎo)熱性、抗蠕變性好、抗酸和金屬熔體、不抗堿應(yīng)用—高溫結(jié)構(gòu)材料：火箭尾噴管的噴嘴、熱電偶套管、發(fā)熱體、高溫?zé)峤粨Q器、核燃料包裝材料2023/2/347Si3N4陶瓷

性能特點：

化學(xué)穩(wěn)定性好：抗酸、堿、熔融金屬硬度高、摩擦系數(shù)小、絕緣性和抗熱震性好、高溫強度高應(yīng)用：

耐磨材料(密封環(huán)、高溫軸承)耐火材料(輸送鋁液的管道、閥門)切削刀具等482023/2/348Si3N4陶瓷軸承492023/2/349502023/2/350改善陶瓷材料強度、韌性的措施1.微晶、高密度與高純度2．提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力3．相變增韌4．彌散增韌5．纖維增韌6．層狀化結(jié)構(gòu)7．納米陶瓷512023/2/351結(jié)構(gòu)陶瓷的應(yīng)用

機械加工磨料、磨具、切削工具耐火材料、爐管、高溫噴嘴、熱電偶保護套坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼基板、火化塞、電路外殼制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振蕩元件2023/2/3522023/2/3532023/2/354Si3N4密封圈耐磨陶瓷閥門芯片B4C/TiB2復(fù)相陶瓷防彈片及噴嘴2023/2/355功能陶瓷

定義具有電、光、磁以及部分化學(xué)功能的多晶無機固體材料。功能—具有特定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應(yīng)性等。562023/2/356功能陶瓷分類

2023/2/357功能電子陶瓷

壓電陶瓷

壓電陶瓷是具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料壓電效應(yīng)：

外力作用于晶體

介質(zhì)極化

壓電效應(yīng)材料的壓電效應(yīng)取決于晶體結(jié)構(gòu)的不對稱性，

晶體必須有極軸，才有壓電效應(yīng)。2023/2/358壓電陶瓷的種類

壓電陶瓷—鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電陶瓷的應(yīng)用—超聲換能器、濾波器、聲轉(zhuǎn)換器、諧振器、點火器等。2023/2/359超聲用壓電陶瓷換能器超高精度掃描儀－動態(tài)壓電傳感技術(shù)最小間距達(dá)50微米。掃描實物：工業(yè)材質(zhì)、粘土、玻璃、水晶、色彩豐富的物件，還包括鮮果和鮮魚。602023/2/360光電陶瓷─光電陶瓷是具有光電導(dǎo)效應(yīng)的陶瓷光電導(dǎo)現(xiàn)象－陶瓷受到光照射時，能帶間、能帶與能級間的遷移引起光吸收，能帶內(nèi)產(chǎn)自由載流子，使電導(dǎo)率增加。光敏元件－利用光電導(dǎo)效應(yīng)檢測光強度。主要是GdS多晶；檢測從波長X-Ray—紫外線。在GdS中添加Cu雜質(zhì)，用作檢測可見光的光敏元件。2023/2/361超導(dǎo)陶瓷1986年超導(dǎo)陶瓷出現(xiàn)。超導(dǎo)陶瓷主要有：鑭系－La2CuO3

釔系－YBa2Cu2Oy鉍系－Bi-Sr-Cu-O

鉈系－Ta-Ba-Ca-Cu-O2023/2/362超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用

在信息領(lǐng)域：用作高速轉(zhuǎn)換元件、通信元件和連接電路。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：用于核磁共振斷層攝像儀、量子干涉儀、粒子線治療裝置等。在交通運輸領(lǐng)域：完全抗磁體制造的磁懸浮列車、電磁推進器、飛機航天飛機發(fā)射臺等。在電子能源領(lǐng)域：用于超導(dǎo)磁體發(fā)電、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)儲能等。在宇宙開發(fā)、軍事領(lǐng)域：潛艇的無螺旋漿無噪聲電磁推進器、超導(dǎo)磁炮等。632023/2/363超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用

2023/2/364磁性陶瓷

2023/2/365磁性陶瓷的應(yīng)用

軟磁鐵氧體鐵氧體

硬磁鐵氧體軟磁體

電感線圈、天線、變壓器和濾波的

磁芯以及錄音和錄像的磁頭等。硬磁體

永磁體，用于高頻磁場領(lǐng)域。662023/2/366功能光學(xué)陶瓷

光學(xué)陶瓷

能夠透光的陶瓷要求：具有優(yōu)良的透光性、耐熱性、耐風(fēng)化性、耐膨脹性；經(jīng)光的照射，其性質(zhì)發(fā)生可逆或不可逆變化。2023/2/367光學(xué)陶瓷的種類

682023/2/368透明陶瓷應(yīng)用

2023/2/3692023/2/370功能陶瓷材料

生物陶瓷

用于人體器官替換、修補以及外科矯形的陶瓷材料。生物惰性陶瓷

Al2O3瓷、ZrO2瓷、C類瓷生物活性陶瓷

磷酸鈣陶瓷Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷712023/2/3712023/2/372生物陶瓷

2023/2/373PLLA/-TCP多孔復(fù)合材料2023/2/374采用鋼板內(nèi)固定法在實驗組缺損處植入細(xì)胞－材料復(fù)合組織工程骨Implantationofcell-materialcompoundintobridge10mmsegmentalbonedefectsbyinternalfixation狗骨髓基質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)與β-TCP/PLLA多孔復(fù)合材料復(fù)合構(gòu)建組織工程骨修復(fù)長段骨缺損的體內(nèi)研究2023/2/375術(shù)后1月，動物一般情況良好，肢體行走已恢復(fù)正常，動物精神狀態(tài)良好，反應(yīng)靈敏，X光檢查見圖如下：脛骨實驗性骨缺損區(qū)對位對線良好，腓骨可見明顯組織反應(yīng)性增生，材料可見小部分降解。2023/2/376敏感陶瓷

敏感陶瓷

性能隨外界條件（溫度、濕度、氣氛)的變化而發(fā)生改變的陶瓷。熱敏陶瓷

BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3壓敏陶瓷

ZnO,SiC,Ge磁敏陶瓷

釹鐵硼鋁鎳鈷氣敏陶瓷

Fe2O3,ZnO,SnO濕敏陶瓷

尖晶石型鈣鈦礦2023/2/3772023/2/378陶瓷材料的生產(chǎn)工藝過程

2023/2/379思考題相對于金屬、高分子材料，陶瓷材料有何性能特點?2023/2/380陶瓷材料設(shè)計1.熟悉陶瓷設(shè)計的基本理論；

目的2.理解陶瓷設(shè)計的基本思想；3.認(rèn)識陶瓷設(shè)計的重要意義；4.掌握陶瓷設(shè)計的主要方法。2023/2/381陶瓷材料設(shè)計1.陶瓷設(shè)計的概念與分類；

一、概述2.陶瓷的重要應(yīng)用；3.陶瓷設(shè)計的重要作用與意義。2023/2/382陶瓷材料設(shè)計：

概述陶瓷設(shè)計是指通過理論與計算預(yù)報陶瓷新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或“訂做”具有特定性能或使用目的的新型陶瓷材料。

1、概念與分類2023/2/383陶瓷材料設(shè)計：

概述1）藝術(shù)陶瓷設(shè)計

陶瓷設(shè)計分類2）日用陶瓷設(shè)計2023/2/384陶瓷材料設(shè)計：

概述3）特種陶瓷設(shè)計陶瓷設(shè)計分類2023/2/385陶瓷材料設(shè)計：

概述陶瓷的作用具有不可替代性：

2、重要應(yīng)用2023/2/386陶瓷材料設(shè)計：一、概述

提高陶瓷材料性能，促進高科技發(fā)展：如相變增韌、晶須增韌等；高密度儲存材料等；

3、設(shè)計的作用

預(yù)報新型陶瓷材料，滿足新需求：如從LiB3O5（LBO）KBe2BO3F2(KBBF)晶體的發(fā)現(xiàn)。

2023/2/3871、越來越多的服役環(huán)境要求結(jié)構(gòu)陶瓷的結(jié)構(gòu)性能接近或達(dá)到理論值；2、功能陶瓷功能性由電子層次體現(xiàn)。陶瓷材料設(shè)計：一、概述4、為什么要進行陶瓷設(shè)計?2023/2/3881、陶瓷材料科學(xué)知識水平的發(fā)展；2、相關(guān)理論學(xué)科如力學(xué)與計算機能力的發(fā)展；3、測試分析手段的發(fā)展。陶瓷材料設(shè)計：一、概述5、能否對陶瓷進行設(shè)計?6、怎樣對陶瓷進行設(shè)計?2023/2/389陶瓷材料設(shè)計：二、設(shè)計基礎(chǔ)1.陶瓷材料設(shè)計內(nèi)容

二、陶瓷設(shè)計基礎(chǔ)2.組分設(shè)計3.結(jié)構(gòu)與性能設(shè)計4.合成與制備工藝設(shè)計5.效能評價2023/2/390陶瓷材料設(shè)計：二、設(shè)計基礎(chǔ)1、設(shè)計內(nèi)容陶瓷設(shè)計組分結(jié)構(gòu)與性能制備工藝效能2023/2/391陶瓷材料設(shè)計：二、設(shè)計基礎(chǔ)2、組分設(shè)計陶瓷設(shè)計1)組分設(shè)計？結(jié)構(gòu)相同，組分不同，性能不同。例：石墨六方BN：NaClCaO：2023/2/392陶瓷材料設(shè)計：二、設(shè)計基礎(chǔ)2、組分設(shè)計2)組分設(shè)計

組元設(shè)計組分配比設(shè)計2023/2/393組元設(shè)計?單組元、雙組元、3組元等n組元。例：單組元C：石墨、金剛石、富勒烯C60；雙組元C、Ti：TiC；3組元:Ti(NC)2023/2/394組分配比設(shè)計?組元相同，組員配比不同，晶體結(jié)構(gòu)不同，陶瓷材料的性能不同。例：FeOFe2O3

Fe3O4；VO2

V2O3

V2O5；

’-Sialon15R-Sialon2023/2/395陶瓷組分設(shè)計計算方法：1）按化學(xué)計算式計算配料比設(shè)原料純度為100％，化學(xué)計算式中各原料的摩爾數(shù)為X1、X2、X3、…、Xi，分子量為M1、M2、M3、…、Mi，則配料中各原料的的質(zhì)量為：W1=X1xM1，W2=X2xM2，W1=X1xM1，…，Wi=XixMi，各原料的質(zhì)量百分比計算式：設(shè)實際原料的純度為P，則各原料的實際質(zhì)量應(yīng)為上面計算的值除以相應(yīng)原料的純度，即W’=W/P。2023/2/396陶瓷材料設(shè)計：二、設(shè)計基礎(chǔ)3、結(jié)構(gòu)設(shè)計1）晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計化學(xué)組元、化學(xué)鍵型、格子類型設(shè)計。2）顯微構(gòu)造設(shè)計單相多晶、多相多晶、玻璃、氣孔等設(shè)計。2023/2/397

方法：方法眾多，選擇最合適的；設(shè)備：如隧道窯與鐘罩爐燒結(jié)磁性材料：工藝技術(shù)：銳鈦型與金紅石型納米TiO2（焙燒溫度）陶瓷材料設(shè)計：二、設(shè)計基礎(chǔ)4、合成制備方法、工藝設(shè)計思考題：你能舉出陶瓷組成相同，制備工藝參數(shù)不同，產(chǎn)物不同的實例嗎？2023/2/398Typicalcontentsofhouseholdsolidwaste.陶瓷性能是設(shè)計的目標(biāo)和出發(fā)點：力學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能等陶瓷材料設(shè)計：二、設(shè)計基礎(chǔ)5、性能設(shè)計思考題：請舉例闡述1－2種晶體性能與其晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系的實例？2023/2/399陶瓷材料設(shè)計：二、設(shè)計基礎(chǔ)三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計1.問題提出的背景

2.宏/細(xì)觀力學(xué)3.復(fù)相陶瓷設(shè)計/制造一體化技術(shù)2023/2/3100陶瓷陶瓷材料設(shè)計：三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計1、問題提出的背景2023/2/3101顆粒、晶須、纖維增強界面應(yīng)力脫粘宏細(xì)觀力學(xué)專家系統(tǒng)智能系統(tǒng)設(shè)計2023/2/3102陶瓷優(yōu)點增韌脆性？陶瓷材料設(shè)計：三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計2、宏細(xì)微觀力學(xué)2023/2/3103產(chǎn)生脆性的原因復(fù)相陶瓷陶瓷：微裂紋擴展微裂紋擴展、脫粘、纖維斷裂、裂紋橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、應(yīng)力場等2023/2/3104增韌的主要手段微裂紋；相變；第二相顆粒；晶須（或短纖維）或纖維目的：阻礙裂紋的萌生和擴展2023/2/3105有關(guān)細(xì)微觀力學(xué)模型顆粒陶瓷相變（ZrO2）/微裂紋復(fù)合增韌理論模型纖維、晶須及延性顆粒增韌橋聯(lián)增韌力學(xué)模型：中等結(jié)合強度的界面能同時獲得較高的強度和韌性晶須、顆粒復(fù)合增韌；晶須/相變增韌晶須橋聯(lián)/裂紋偏轉(zhuǎn)復(fù)合增韌模型；Al2O3-ZrO2-SiCw復(fù)合增韌模型等2023/2/3106有關(guān)宏觀力學(xué)模型利用宏細(xì)微觀力學(xué)模型，結(jié)合其它數(shù)值方法，根據(jù)材料組分的性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)特征來預(yù)測陶瓷復(fù)合材料的宏觀力學(xué)、物理性能，及以其為基礎(chǔ)的計算機模擬技術(shù)來描述陶瓷復(fù)合材料微細(xì)宏觀各層次多尺度范圍內(nèi)的變形、損傷和斷裂各階段，復(fù)合材料的變形與破壞等已取得了較好的效果。如：用區(qū)煥文數(shù)值法結(jié)合Cgristensen和Waals公式計算隨機取向纖維復(fù)合材料的彈性模量和楊氏模量；自洽法計算晶須、顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料的有效彈性模量；用自洽理論和數(shù)值法計算球狀微粒摻雜的各向同性復(fù)合材料及單向纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)等都取得了與實驗值吻合較好的效果。2023/2/31076.1.3復(fù)相陶瓷設(shè)計/制造一體化技術(shù)隨著計算機技術(shù)在材料科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的不斷進步，促使人們依據(jù)材料科學(xué)的知識系統(tǒng)將大量的豐富的實驗資料貯存起來，形成可供參閱的綜合數(shù)據(jù)庫，并將已得到的科學(xué)知識、經(jīng)驗、規(guī)律構(gòu)成知識庫，逐步形成各種材料設(shè)計的專家系統(tǒng)，代替繁瑣的實驗，應(yīng)用計算機模擬技術(shù)，對陶瓷復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設(shè)計、性能分析、工藝過程的監(jiān)控和仿真，對材料承載受力破壞過程進行計算機模擬，獲得難以用傳統(tǒng)實驗獲得的一系列信息。即實現(xiàn)材料設(shè)計/制造一體化。下圖為一復(fù)相陶瓷設(shè)計專家系統(tǒng)示意圖。2023/2/3108復(fù)相陶瓷性能、結(jié)構(gòu)指標(biāo)的確定數(shù)據(jù)庫和知識庫組元選擇和復(fù)合方式的確定材料制備性能表征性能參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)的比較復(fù)合陶瓷材料進入修改性能不合格性能合格圖6-1復(fù)合陶瓷設(shè)計系統(tǒng)2023/2/3109傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)，以專家（人）建立的規(guī)則為基礎(chǔ)，具有說明推理的能力，以演繹進行設(shè)計；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有從例證和數(shù)據(jù)中取得規(guī)則的能力，以歸納法進行設(shè)計；人們將上述2種方法（傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）有機地結(jié)合起來，構(gòu)成智能化設(shè)計專家系統(tǒng)。應(yīng)用前景極為廣闊，是今后材料設(shè)計的發(fā)展方向。2023/2/31106.3陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計方法：多元回歸+實驗結(jié)果用途：研究復(fù)相陶瓷中各彌散相組成與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系主要問題（用計算機技術(shù)解決）：

簡單組分多組分復(fù)雜體系；多層次微觀復(fù)合不斷深入和多樣化；使用工況2023/2/31116.3.1復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能的多元回歸模型以多元線性回歸（比單元回歸更復(fù)雜）研究因變量（性能）和多個自變量（組成含量或工藝參數(shù)等）之間的定量關(guān)系的計算過程為：假設(shè)m個自變量X1

Xm，因變量Y的多元線性模型表示為（6-1）式中a，bi(I=1,2,,n)不能按單元模型直接計算，須進行以下步驟的轉(zhuǎn)換：2023/2/3112（6-2）（6-3）（6-4）1.將式（6-1）標(biāo)準(zhǔn)化（6-5）2023/2/3113（6-6）（6-7）（6-8）（6-9）式中Xi，Y分別為自變量和因變量的平均值，Sxi（或記為lii)和Sy（或記為lyy）分別為自變量Xi和因變量Y的方差。2023/2/3114（6-10）（6-11）（6-12）2.建立標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的正規(guī)方程2023/2/31153.解上述方程求bi*值4.建立式（6-2）標(biāo)準(zhǔn)回歸方程5.建立一般回歸方程（6-13）（6-14）（6-15）2023/2/3116當(dāng)用多元線性回歸模型處理復(fù)相陶瓷的性能與多元組分的線性統(tǒng)計關(guān)系，其統(tǒng)計誤差超過實驗的測試誤差時，應(yīng)采用多元非線性回歸模型。這是由于考慮自變量之間的交互作用（交互項）對性能的影響。處理方法是在上述基礎(chǔ)上，增加若干交互項進行相應(yīng)的計算，其回歸模型可表示為（6-16）2023/2/31176.3.2復(fù)相陶瓷的性能優(yōu)化分析與組成設(shè)計1.相變增韌與顆粒彌散強化陶瓷的硬度與組成的回歸分析例：選具高致密性（>98%理論密度）且內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻細(xì)密瓷體（系統(tǒng)誤差得以滿足）的性能和組成作為研究數(shù)據(jù)。方法采用內(nèi)插法采集大量數(shù)據(jù)以保證計算精度。選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對陶瓷的硬度和強度等力學(xué)性能隨幾種彌散相含量的變化進行回歸分析。以Al2O3基復(fù)相陶瓷作為系統(tǒng)的研究對象，應(yīng)變量Y分別代表性能（Hv,f），自變量X1為硬質(zhì)顆粒（SiC和TiC）含量，X2為ZrO2含量，f（X1,X2）為協(xié)同項，根據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型選擇交互項。2023/2/3118（SiC+ZrO2）/Al2O3陶瓷的維氏硬度按照多元線性回歸（I）和多元非線性回歸（II）兩種方法建立數(shù)學(xué)模型：（6-17a）（6-17b）III式中Y—硬度；X1—SiC含量；X2—ZrO2含量；b1、b2、b3—為SiC、ZrO2和交互相系數(shù)。2023/2/3119參照式（6-2），上述兩式計算所得的標(biāo)準(zhǔn)回歸方程分別為：III（6-18a）（6-18b）表6-1為此系統(tǒng)的彌散相含量、實測硬度、線性和非線性回歸方程以及應(yīng)變量和均方差。從表中的擬合結(jié)果中的均方差可以看出，采用非線性回歸比采用線性回歸與實際更為吻合。2023/2/3120表6-1系統(tǒng)中的自變量X1、X2,回歸方程Y1,Y2，實測硬度Yexp及均方差（S）2023/2/3121Fig.6-2SiC和ZrO2含量與相變增韌與彌散陶瓷的維氏硬度的曲線分布圖2023/2/31222.相變增韌與顆粒彌散強化陶瓷的強度性能分析（6-19）根據(jù)相變增韌與顆粒彌散對材料性能的影響，建立強度與組成的關(guān)系式如下式：式中F1、F2分別代表二元組分的強度變化幅度，分別取決于相變增韌，裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng)和殘余應(yīng)力場的差值，F(xiàn)’1、F’2為交互項系數(shù)，F(xiàn)12為協(xié)同系數(shù)。2023/2/31232023/2/3124對式（6-19）兩組分含量求偏導(dǎo)可得到最佳體積分?jǐn)?shù)與最大強度，圖6-3為（TiC+ZrO2)/Al2O3復(fù)合材料的強度性能分布規(guī)律與實驗結(jié)果.圖中可以預(yù)測出最佳性能（476.2MPa）及其組成（0.110,0.157）。Fig.6-3相變增韌與顆粒彌散復(fù)相陶瓷的強度（/MPa）與雙組分的等性能曲線分布2023/2/31253.多層次復(fù)合陶瓷的斷裂韌性分析以納米SiCn與微米SiCP顆粒作彌散相，按一定比例混合增強Al2O3基陶瓷復(fù)合材料的方法來優(yōu)化設(shè)計多層次復(fù)合陶瓷，期望其綜合力學(xué)性能得到進一步改善。采用非線性回歸方法來處理得到其擬合方程為：K=3.70+98X(0.28-X)+158Y(0.24-Y)–87XY該式預(yù)測出其最佳韌性為6.81MPam1/2（組成為X(SiCP)=9.7Vol%，Y(SiCn)=9.7Vol%；實測韌性為6.88±0.21MPam1/2（組成為X=10Vol%，Y=10Vol%。下圖為此多層次復(fù)合陶瓷的斷裂韌性與組成的關(guān)系曲線。結(jié)果表明采用此計算方法可快速預(yù)測出材料的優(yōu)化性能。2023/2/3126Fig.(SiCn+SiCP)/Al2O3復(fù)合陶瓷的斷裂韌性K的等性能曲線與組成的關(guān)系2023/2/3127結(jié)論采用線性及非線性回歸分析可以定量研