陶瓷工藝學第四章顯微結構與性質

1、第四章第四章 顯微結構與性質顯微結構與性質第一節(jié)第一節(jié) 坯體的顯微結構坯體的顯微結構 第二節(jié)第二節(jié) 釉層的顯微結構釉層的顯微結構 第三節(jié)第三節(jié) 釉層的物理化學性質釉層的物理化學性質 第四節(jié)第四節(jié) 陶瓷性能的控制陶瓷性能的控制顯微結構顯微結構: 在不同類型的顯微鏡下觀察到的材料的組在不同類型的顯微鏡下觀察到的材料的組織結構。尺寸：織結構。尺寸：1nm100 m m。相組成：相組成：玻璃相、晶相和氣相。玻璃相、晶相和氣相。玻璃相：研究含量、分布、應力分布等。玻璃相：研究含量、分布、應力分布等。 晶相：研究種類，數(shù)量，形態(tài)，晶粒的大小、分布和晶相：研究種類，數(shù)量，形態(tài)，晶粒的大小、分布和 取向、晶體

2、缺陷、晶界的特征。取向、晶體缺陷、晶界的特征。 氣相：研究大小、多少、分布等。氣相：研究大小、多少、分布等。第一節(jié)第一節(jié) 坯體的顯微結構坯體的顯微結構 1.1晶相晶相 長石質瓷晶相：莫來石，殘余石英，半安定方石英。長石質瓷晶相：莫來石，殘余石英，半安定方石英。 長石質瓷的相組成：硅酸鹽玻璃、晶相和氣相。長石質瓷的相組成：硅酸鹽玻璃、晶相和氣相。 長長石石質質瓷瓷的的相相莫來石莫來石殘余石英，殘余石英，半安定方石英半安定方石英滑石質瓷：原頑火輝石，斜頑火輝石?；|瓷：原頑火輝石，斜頑火輝石。 骨質瓷：鈣長石（骨質瓷：鈣長石（40%），莫來石。），莫來石。 普通陶瓷普通陶瓷：晶相占總量：晶相占總

3、量4560 特種瓷特種瓷：晶相所占的比例大。：晶相所占的比例大。 例如：在例如：在95氧化鋁瓷中剛玉晶相大于氧化鋁瓷中剛玉晶相大于90% 。晶相的作用晶相的作用：提高材料的力學性能、熱性能、電絕緣：提高材料的力學性能、熱性能、電絕緣性能等。性能等。原頑火輝石原頑火輝石鈣長石鈣長石莫來石莫來石組成：組成：與坯料配方有關，特別是與熔劑性原料的種類與坯料配方有關，特別是與熔劑性原料的種類有關。具有不均勻性。有關。具有不均勻性。作用：作用：普通陶瓷的玻璃相為連續(xù)相，分布在晶相周圍，普通陶瓷的玻璃相為連續(xù)相，分布在晶相周圍，粘接晶粒，填充空隙，促進坯體粘接晶粒，填充空隙，促進坯體 致密，提高胎體的透致密

4、，提高胎體的透明度，降低坯體的燒結溫度。明度，降低坯體的燒結溫度。結構：結構：玻璃相結構疏松，強度比晶相低，玻璃相結構疏松，強度比晶相低， 大，高溫大，高溫下易軟化變形。下易軟化變形。 1.2玻璃相玻璃相 所以，所以，高玻璃相的制品機高玻璃相的制品機械強度低，熱穩(wěn)定性差，坯體械強度低，熱穩(wěn)定性差，坯體易變形。易變形。普通陶瓷存在少量的氣孔。氣孔率在普通陶瓷存在少量的氣孔。氣孔率在 0.5%-22%。氣。氣孔分布在玻璃相的連續(xù)孔分布在玻璃相的連續(xù) 基質中?；|中。作用：作用：降低坯體的機械強度，介電強度，降低坯體的機械強度，介電強度， 透光性，透光性，化學穩(wěn)定性，增大介電損耗和化學穩(wěn)定性，增大介

5、電損耗和 吸濕膨脹。吸濕膨脹。如何控制氣孔的含量：如何控制氣孔的含量： （1）坯料的組成）坯料的組成 （2）提高燒成溫度）提高燒成溫度 （3）熱壓燒結、等靜壓成型）熱壓燒結、等靜壓成型 （4）真空氣氛燒成。）真空氣氛燒成。 1.3氣相（氣孔）氣相（氣孔）釉層的構成：釉層的構成：玻璃相、少量晶相（殘余或析出）、少玻璃相、少量晶相（殘余或析出）、少量氣泡。量氣泡。釉層的顯微結構：釉層的顯微結構：各相成分以及相對含量與釉的化學各相成分以及相對含量與釉的化學組成、制釉方法、施釉方法、燒成制度等因素有關。組成、制釉方法、施釉方法、燒成制度等因素有關。第二節(jié)第二節(jié) 釉層的顯微結構釉層的顯微結構2.1 透明

6、釉透明釉 構成：構成：透明玻璃、少量晶體和氣泡。透明玻璃、少量晶體和氣泡。（1）透明玻璃）透明玻璃 硅酸鹽玻璃、含磷酸鹽或氧化鉛的硅酸鹽玻璃。硅酸鹽玻璃、含磷酸鹽或氧化鉛的硅酸鹽玻璃。（2）晶體）晶體殘余晶體：石英、粘土殘骸、云母殘骸。殘余晶體：石英、粘土殘骸、云母殘骸。 析出晶體：莫來石、鈣長石、輝石類礦物等。析出晶體：莫來石、鈣長石、輝石類礦物等。（3）氣泡）氣泡 氣泡的形成：釉層物質發(fā)生物理化學反應生氣泡的形成：釉層物質發(fā)生物理化學反應生 成氣體；成氣體；坯體內部高溫下發(fā)生物理化學反應坯體內部高溫下發(fā)生物理化學反應 產生氣體。產生氣體。氣泡的克服：坯、釉料中氣泡的克服：坯、釉料中少用或不

7、用少用或不用高溫分高溫分 解出氣解出氣體的原料，石英顆粒體的原料，石英顆粒細化細化；提高釉料的始熔溫度，但；提高釉料的始熔溫度，但成釉溫度不宜太高，延長保溫時間；高溫素燒，低溫成釉溫度不宜太高，延長保溫時間；高溫素燒，低溫釉燒，采用熔塊釉。釉燒，采用熔塊釉。2.2 乳濁釉乳濁釉 釉層中存在與基礎玻璃性質不同釉層中存在與基礎玻璃性質不同（折射率）（折射率）的第的第二相二相(或多相或多相)使入射光在多相界面發(fā)生使入射光在多相界面發(fā)生散射、折射、散射、折射、漫反射漫反射等光學現(xiàn)象，造成等光學現(xiàn)象，造成 光線不能透過而達到乳濁目光線不能透過而達到乳濁目的的釉料。的的釉料。乳濁相：氣相、液相、固相。乳濁

8、相：氣相、液相、固相。（1）氣相乳濁釉）氣相乳濁釉 結構：玻璃相和氣泡小結構：玻璃相和氣泡小0.1mm，但降低強度。，但降低強度。（2）液相乳濁釉）液相乳濁釉 高溫下形成兩種互不相溶的液相（折射率高溫下形成兩種互不相溶的液相（折射率 相差較相差較大），產生乳濁效果大），產生乳濁效果 的釉。的釉。 例如：例如：在高硅釉中引入骨灰（磷酸鹽），在高硅釉中引入骨灰（磷酸鹽）， 生成磷酸生成磷酸鹽玻璃與硅酸鹽玻璃兩種互不相溶鹽玻璃與硅酸鹽玻璃兩種互不相溶 的玻璃相（折射率的玻璃相（折射率差），能夠達到乳濁目的。差），能夠達到乳濁目的。（3）固相乳濁釉）固相乳濁釉 釉層中的固相與基礎玻璃相的折射率相差較大

9、，釉層中的固相與基礎玻璃相的折射率相差較大，產生乳濁。包括：鋯、錫、鈦乳濁釉產生乳濁。包括：鋯、錫、鈦乳濁釉鋯乳濁釉生產工藝要點：鋯乳濁釉生產工藝要點： 乳濁劑：加入氧化鋯、硅酸鋯（鋯英石）。乳濁劑：加入氧化鋯、硅酸鋯（鋯英石）。加入量：加入量：818，氧化鋯少，鋯英石多。，氧化鋯少，鋯英石多。細度：細度：0.52 m，最好與可見光波長相當，采用超，最好與可見光波長相當，采用超細粉或單獨細磨。細粉或單獨細磨?；A釉：堿金屬氧化物含量基礎釉：堿金屬氧化物含量20；引入氟化物、硼；引入氟化物、硼酸鹽和磷酸鹽有利于提高乳濁效果。酸鹽和磷酸鹽有利于提高乳濁效果。 主要用途：衛(wèi)生潔具、釉面磚、日用陶瓷。

10、主要用途：衛(wèi)生潔具、釉面磚、日用陶瓷。錫乳濁釉：錫乳濁釉： 傳統(tǒng)乳濁釉，釉料中引入傳統(tǒng)乳濁釉，釉料中引入10左右的氧化錫（單左右的氧化錫（單獨細磨），基本獨細磨），基本不溶于釉料不溶于釉料，最終以，最終以氧化錫晶粒氧化錫晶粒存在存在與釉中起乳濁作用。與釉中起乳濁作用。 基礎釉中堿金屬氧化物和氧化硼提高氧化錫的溶基礎釉中堿金屬氧化物和氧化硼提高氧化錫的溶解度；其它氧化物基本上都是降低氧化錫的溶解度。解度；其它氧化物基本上都是降低氧化錫的溶解度。減少堿金屬及硼氧化物量。減少堿金屬及硼氧化物量。鈦乳濁釉：鈦乳濁釉： 基礎釉中加入基礎釉中加入TiO2410，燒成后析出銳，燒成后析出銳鈦礦或金紅石或鈦榍

11、石，形成鈦乳濁釉。鈦礦或金紅石或鈦榍石，形成鈦乳濁釉。 （鈦榍石：（鈦榍石：CaO TiO2SiO2） 900以下以下得到銳鈦礦，晶粒細小，效果好。得到銳鈦礦，晶粒細小，效果好。 1080 以下以下得到金紅石，晶粒較粗得到金紅石，晶粒較粗0.3 m以上，以上， 釉面發(fā)黃；引入釉面發(fā)黃；引入CaO生成細小鈦榍石，效果好。生成細小鈦榍石，效果好。 TiO2 CaO1 （0.72）分相分相/微晶共乳濁釉：微晶共乳濁釉： 釉中微晶和分相玻璃相共同存在，同時起乳濁作釉中微晶和分相玻璃相共同存在，同時起乳濁作用的乳濁釉。用的乳濁釉。例例1：鋯乳濁釉中引入磷酸鹽。：鋯乳濁釉中引入磷酸鹽。 例例2：R2O-R

12、O-Al2O3-SiO2-P2O5系系乳濁釉。乳濁釉。第三節(jié)第三節(jié) 釉層的物理化學性質釉層的物理化學性質釉層中各氧化物對釉的物理化學性質的影響釉層中各氧化物對釉的物理化學性質的影響 P251252表表4-18第四節(jié)第四節(jié) 陶瓷性能的控制陶瓷性能的控制4.1 無機材料強度理論無機材料強度理論（1）理論強度計算公式：）理論強度計算公式：Eth式中：式中：E材料的彈性模量，材料的彈性模量，Pa 表面斷裂能，表面斷裂能，J/m2 原子間的平均距離或晶格常數(shù)原子間的平均距離或晶格常數(shù)實驗證明：實驗證明： th 0.1E，遠遠大于實際強度兩個數(shù)量級。，遠遠大于實際強度兩個數(shù)量級。（2）實際強度理論）實際強

13、度理論 最著名的是最著名的是1920年格里菲斯的微裂紋理論。年格里菲斯的微裂紋理論。式中：式中：l半裂紋長度半裂紋長度lE2無機材料的強度主要與材料的表面斷裂能和彈性無機材料的強度主要與材料的表面斷裂能和彈性模量有關，也與材料的微裂紋長度有關。模量有關，也與材料的微裂紋長度有關。4.2 影響材料強度的因素影響材料強度的因素內因內因E和和 外因外因l 半裂紋長度半裂紋長度（1）影響）影響E和和 的因素的因素 E E：與材料的化學組成、礦物組成、晶體結構及缺陷、氣孔的大?。号c材料的化學組成、礦物組成、晶體結構及缺陷、氣孔的大小多少等因素有關。多少等因素有關。 ：與材料的化學組成、晶體結構、顯微結構

14、及缺陷有關。：與材料的化學組成、晶體結構、顯微結構及缺陷有關。（2）陶瓷材料內部產生微裂紋（）陶瓷材料內部產生微裂紋（）的原因）的原因. .晶體在結晶過程中形成的缺陷，應力集中產生微裂紋。晶體在結晶過程中形成的缺陷，應力集中產生微裂紋。. .機械損傷和化學腐蝕，產生微裂紋。機械損傷和化學腐蝕，產生微裂紋。. .多相材料各相熱性能不同，受熱內應力作多相材料各相熱性能不同，受熱內應力作 用產生微裂紋。用產生微裂紋。. .材料中存在的氣孔。材料中存在的氣孔。. .材料表面粗糙。材料表面粗糙。4.3 晶相顯微結構對陶瓷強度的影響晶相顯微結構對陶瓷強度的影響（1）晶相種數(shù)量類對強度的影響）晶相種數(shù)量類對

15、強度的影響 硅酸鹽晶相強度硅酸鹽晶相強度 普通玻璃相強度普通玻璃相強度 表表4-20晶相組成、數(shù)量對陶瓷材料強度的影響晶相組成、數(shù)量對陶瓷材料強度的影響結論：結論： 瓷坯中晶相愈多，強度愈高；瓷坯中晶相愈多，強度愈高； 晶相強度愈高，瓷坯強度愈高。晶相強度愈高，瓷坯強度愈高。（2）晶粒尺寸對強度的影響）晶粒尺寸對強度的影響半經驗公式：半經驗公式：Kd式中：式中： K與晶體結構及材料顯微結構有關比例常數(shù)。與晶體結構及材料顯微結構有關比例常數(shù)。 d晶粒直徑。晶粒直徑。 與材料特性和實驗條件有關經驗常數(shù)。與材料特性和實驗條件有關經驗常數(shù)。 1/81 隨隨d的增大而增大。的增大而增大。晶粒細化提高強度

16、機理：晶粒細化提高強度機理：A.晶粒愈細小，比表面積愈大，晶界愈多，裂紋擴展晶粒愈細小，比表面積愈大，晶界愈多，裂紋擴展阻力愈大。阻力愈大。 .粗大晶粒應力集中效應明顯。粗大晶粒應力集中效應明顯。 .晶粒愈大，非等軸晶系晶體各向異性表現(xiàn)愈明顯。晶粒愈大，非等軸晶系晶體各向異性表現(xiàn)愈明顯。 三組分高石英質高強度瓷，石英粒度以三組分高石英質高強度瓷，石英粒度以 1030um為宜。為宜?？刂凭Я４笮〉耐緩剑嚎刂凭Я４笮〉耐緩剑?原料細度控制，特別是與瓷坯強度關系密切的原料。原料細度控制，特別是與瓷坯強度關系密切的原料。 .制定科學合理的燒成制度，防止晶粒長大。制定科學合理的燒成制度，防止晶粒長大。

17、.選擇適當、適量的添加劑，抑制晶粒的異常長大。選擇適當、適量的添加劑，抑制晶粒的異常長大。 鋁質瓷中引入氧化鎂鋁質瓷中引入氧化鎂0.51。（3）晶型與晶粒形貌對強度的影響）晶型與晶粒形貌對強度的影響低溫下的晶型轉變，通常導致瓷坯的強低溫下的晶型轉變，通常導致瓷坯的強 度降低；度降低； 晶粒形狀（球形、柱狀）于晶型有關，對強度的影響晶粒形狀（球形、柱狀）于晶型有關，對強度的影響也較大。也較大。（4）晶界對強度的影響）晶界對強度的影響晶界愈多，抑制裂紋的擴展，界面上如晶界愈多，抑制裂紋的擴展，界面上如 有氣孔降有氣孔降低強度。低強度。4.4 玻璃相對強度的影響玻璃相對強度的影響晶相強度晶相強度 普

18、通玻璃相強度普通玻璃相強度 氣相氣相在保證氣孔率不升高的條件下，減少玻璃相的含在保證氣孔率不升高的條件下，減少玻璃相的含量，或提高玻璃相的強度，瓷坯的強度量，或提高玻璃相的強度，瓷坯的強度 提高。提高。 特種陶瓷生產，對于添加劑形成的少量玻特種陶瓷生產，對于添加劑形成的少量玻 璃相進璃相進行行晶化處理晶化處理。4.5 氣相對強度的影響氣相對強度的影響通過對多孔陶瓷的研究，得到氣孔率與強度關系。通過對多孔陶瓷的研究，得到氣孔率與強度關系。經驗公式：經驗公式：）（pexp0式中：式中：P氣孔率，；氣孔率，； 0P0時的強度，時的強度，Mpa； 與材料種類相關常數(shù)；普通陶瓷取與材料種類相關常數(shù)；普通

19、陶瓷取2.62.9。結論：結論：強度隨氣孔率升高急速降低。強度隨氣孔率升高急速降低。 如如P257圖圖4-40氧化鋁陶瓷抗折強度與氣孔率。氧化鋁陶瓷抗折強度與氣孔率。 另外，另外，氣孔的大小，分布均勻程度，存在氣孔的大小，分布均勻程度，存在 形式形式（開口、閉口）等因素有關。（開口、閉口）等因素有關。4.6 工藝因素對強度的影響工藝因素對強度的影響（1）原料制備過程）原料制備過程 提高細度、保證純度、合理級配、添加劑。提高細度、保證純度、合理級配、添加劑。（2）成形工藝的影響）成形工藝的影響 普通陶瓷的成形方法對強度的影響不大，壓制法普通陶瓷的成形方法對強度的影響不大，壓制法成形時具體方法不同，最終瓷坯的強度不同。成形時具體方法不同，最終瓷坯的強度不同。 等靜壓等靜壓 雙面加壓雙面加壓 單面加壓單面加壓（3）燒成方法與制度的影響）燒成方法與制度的影響 燒結方法常壓燒結與熱壓燒結燒結方法常壓燒結與熱壓燒結 燒成制度：溫度制度、氣氛制度。燒成制度：溫度制度、氣氛制度。 確保瓷坯致密度高、氣孔率低、高強度晶體含量確保瓷坯致密度高、氣孔率低、高強度晶體含量多而且細小、玻璃相少。多而且細小、玻璃相少。4.7 陶瓷光學