陶瓷工藝學課件：第八章 陶瓷胎體的顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1、第八章 陶瓷胎體的顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì) (a)(b) BM5D3試樣表面的顯微結(jié)構(gòu): (a) 1250 (b) 1300 (a)(b) 圖3-2 BM5試樣表面的顯微結(jié)構(gòu): (a) 1250 (b) 1350BM5試樣表面的顯微結(jié)構(gòu): (a) 1250 (b) 1350 (a)(b)(c)(d)1350燒結(jié)的BM0(a)，BM5(b)，BM8(c)和1300燒結(jié)BM5D3(d) (a)(b)(c)(d)1350燒結(jié)(a) BM0，(b)BM5，(c)BM8和1300燒結(jié)(d)BM5D3 顯微結(jié)構(gòu)指利用各種顯微鏡才能觀察到材料的組織結(jié)構(gòu)，是組成、工藝、過程等因素的反映，是決定材料性能的基礎(chǔ)。合成與制備

2、性能組成與結(jié)構(gòu)使用效能顯微結(jié)構(gòu)如何表征？ 陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)：晶相、玻璃相、氣相構(gòu)成。晶相:研究種類，數(shù)量，形態(tài)，晶粒的大小、分布和取向，晶體缺陷。玻璃相：研究含量、分布、應力分布等。氣孔：研究大小、多少、分布、位置等及微裂紋的大小、形狀分布等。一、 顯微結(jié)構(gòu)的組成 陶瓷材料是多晶相的復合體，主晶相直接影響產(chǎn)品的性能。長石質(zhì)瓷的晶相：莫來石，殘余石英，半安定方石英?？偭空?560%。滑石質(zhì)瓷的晶相：原頑火輝石，斜頑火輝石。骨灰瓷的晶相： -Ca3（PO4）2，Ca-長石特種瓷的晶相：晶相所占的比例大。如：剛玉瓷中剛玉晶相 95% 。晶相的作用： 提高材料的力學性能、熱性能、電絕緣性能等。1 、

3、顯微結(jié)構(gòu)的組成晶相1280燒結(jié)后PZT陶瓷斷面的SEM照片 (a)玻璃相：坯料組分或雜質(zhì)所形成的低共熔固體物質(zhì)。組成：與坯料配方有關(guān)，特別是與熔劑性原料的種類有關(guān)。具有不均勻性。作用：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，促進坯體致密，提高胎體的透明度，降低坯體的燒結(jié)溫度。注意：玻璃相結(jié)構(gòu)疏松，強度比晶相低，膨脹系數(shù)大，高溫下易軟化變形，因此過多會降低制品強度及熱震性高溫易變形。 2 、顯微結(jié)構(gòu)的組成玻璃相普通陶瓷存在少量的氣孔。氣孔率在0.5%22%。氣孔分布在玻璃相的連續(xù)基質(zhì)中。氣孔會明顯影響材料性能，降低坯體機械強度、介電強度、透光性、白度等，降低化學穩(wěn)定性、抗凍

4、性，增大介電損耗和吸濕膨脹。但可改善隔熱、吸附、過濾等性能如保溫磚，多孔陶瓷等。 3 、顯微結(jié)構(gòu)的組成氣孔粘土礦物煅燒時的變化-高嶺土長石在加熱過程中的作用燒成時石英的變化陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的形成過程顯微結(jié)構(gòu)中各相的作用 以高嶺石長石石英三元系統(tǒng)為例,解釋其陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的形成過程 二、長石質(zhì)陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的形成500700分解失去結(jié)構(gòu)水， 出現(xiàn)吸熱效應： Al2O32SiO22H2O Al2O32SiO2+2H2O偏高嶺石：Si-四面體仍然存在，Al-八面體中的Al-鍵斷裂，Al3與2重新排列為Al-鍵，Al的配位數(shù)由64。 偏高嶺石9801000第一個放熱反應： 2（Al2O32SiO2） 2Al2

5、O33SiO2SiO2約980AlSi尖晶石相1 、粘土礦物煅燒時的變化高嶺石 由Al-Si尖晶石莫來石： 2Al2O3 3SiO2 2（Al2O3 SiO2）4SiO2 轉(zhuǎn)變中的莫來石 方石英 3（Al2O3 SiO2 ） 3Al2O3 2SiO2SiO2 方石英約11001000開始轉(zhuǎn)化為莫來石與方石英，第二個放熱反應 1200莫來石量變化不大，晶體逐步長大和逐步發(fā)育完整，方石英量迅速增加1400 方石英部分溶于液相，數(shù)量減少。（一次）莫來石鱗片狀莫來石和網(wǎng)狀莫來石在陶瓷坯體中，長石作為熔劑在高溫下形成硅酸鹽熔體。 長石的熔劑作用是由它與石英及粘土礦物形成低共熔點引起的：鉀長石與石英顆粒在

6、990形成低共熔體鈉長石與石英顆粒在1070形成低共熔體因粘土礦物受熱會分解SiO2，所以長石與粘土礦物顆粒之間也會熔融。 2 、長石在加熱過程中的變化 鉀長石在1150以上熔融成熔體，鈉長石在1120以上熔融成熔體。當長石的玻璃熔體中的鉀離子向周邊擴散，中心部位貧鉀，則組成逐漸轉(zhuǎn)為莫來石的組成，在熔體中析晶出二次針狀莫來石晶體。石英顆粒處于長石熔體包裹中，部分石英熔解于熔體中，形成高硅玻璃相。長石熔體流動填充進粘土分解形成的一次莫來石產(chǎn)物區(qū)內(nèi)，形成鉀鈉玻璃相，減少孔隙。一次莫來石：由粘土礦物分解生成的細粒、鱗片狀莫來石。二次莫來石：由熔體中析晶出來的針、棒狀二次莫來石。二次莫來石和石英加熱至

7、573石英石英燒成時，石英會溶解于熔體中，在顆粒周圍形成熔蝕邊粘土礦物莫來石化過程中會生成無定形SiO2，它在高溫下存在形態(tài)與粘土化學性質(zhì)與礦物組成有關(guān)：堿量少 熔體數(shù)量少SiO2不易熔入其中，則轉(zhuǎn)化生成方石英堿量多 熔體數(shù)量多SiO2易熔入其中，則難以生成方石英 3 、燒成時石英的變化 4、陶瓷坯體顯微結(jié)構(gòu)的形成過程莫來石（10-30%）主晶相，構(gòu)成瓷胎的骨架。來源： 粘土分解一次莫來石，發(fā)育較差的鱗片狀和發(fā)育良好的人字形 玻璃相中析晶二次莫來石，針狀，交織成網(wǎng)。具有較高的力學強度，尤其是網(wǎng)狀的莫來石強度更高。5、顯微結(jié)構(gòu)中各相的作用玻璃相（40-65%）來源： 石英顆粒周圍的熔有石英的高硅

8、玻璃相 中間生長有交織成網(wǎng)的莫來石晶體的長石玻璃相 在粘土分解產(chǎn)物區(qū)內(nèi)，填充在間隙間的玻璃相。作用： 玻璃相的高溫粘度決定瓷坯抵御高溫變形的能力。粘度高低取決于長石種類、熔解石英的數(shù)量 玻璃相的力學強度影響瓷坯的力學強度。取決于玻璃相的組成、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 玻璃相的量影響陶瓷坯體的致密性、陶瓷的透光性。石英（10-25%）來源： 殘余石英石英原料在燒成過程中與其它組分反應形成低共熔點熔體以及在高溫下熔解于熔體殘留下來。 方石英石英顆粒周圍富硅玻璃相中析出的齒狀二次方石英；石英和非晶質(zhì)SiO2在干環(huán)境中轉(zhuǎn)變成的方石英。作用： 石英影響瓷坯的強度 石英的熱膨脹系數(shù)與玻璃體的熱膨脹系數(shù)相差較大，冷卻時會在

9、瓷坯中產(chǎn)生應力。 合理的石英顆粒能大大提高瓷坯的強度。 石英能改善瓷坯的透光度和白度。氣孔（少量）存在狀態(tài)：在玻璃相基質(zhì)中；裹在大晶粒之中。影響作用： 氣孔在瓷坯中的多少、大小、形狀、分布、位置影響瓷坯的強度、透光度、致密度、吸濕膨脹性能、介電性能、熱傳導性能等。（一）陶瓷原料及配比 1、選擇原料的種類 石灰石硅灰石；-Al2O3-Al2O3； Pb3O4PbOPbNO3 2、所用原料的配比取決于采取的工藝方法、材料的性能要求及用途三、工藝因素對顯微結(jié)構(gòu)的影響（自學） （二）原料粉末的特征 其顆粒大小、分布、聚集程度影響最為明顯。 1、顆粒大小影響成瓷后晶粒尺寸： 粗粒多：成瓷后晶粒尺寸平均增

10、長幅度較小 細粒多：成瓷后晶粒尺寸平均增長幅度較大， 因為比表面大，利于晶粒發(fā)育長大。 一般規(guī)律：細顆粒粉料制成的陶瓷晶粒小，且均勻。 顆粒大小影響氣孔的大小、多少 顆粒大小影響液相量： 顆粒越小，越易形成液相，且液相量也較多。2、粒度分布 粒度分布范圍影響產(chǎn)品的密度：研究發(fā)現(xiàn)粒度分布范圍窄，減少了部分晶粒過分長大的幾率，則密度高。3、顆粒形狀及團聚程度顆粒形狀及團聚程度影響產(chǎn)品的密度和結(jié)構(gòu)均勻性。如滑石是否預燒影響陶瓷的致密度。球形結(jié)構(gòu)的顆粒的燒結(jié)致密化程度要高于異形結(jié)構(gòu)的顆粒粉體的團聚程度越高，則產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越不均勻。（三）外加劑 1、摻雜物進入固溶體，增加晶格缺陷，促進晶格擴散，使坯體致密

11、，減少氣孔；2、外加劑與某些組分形成第二相（化合物或低共熔物） 晶粒周圍形成連續(xù)的第二相，促進繞結(jié)。如第二相不易移動，則阻礙晶界移動，抑制晶粒長大，多數(shù)情況下?lián)诫s物會抑制晶粒粗化，減緩晶界移動速度，但也會加速晶粒生長，與其數(shù)量種類有關(guān)。（四）燒成制度 1、燒成溫度 影響瓷坯的密度、晶粒大小及各相的比例。2、升降溫速率 影響坯體密度，晶粒大小，相的分布?？刂扑俾熟褵虚g溫度下維持較長時間促進坯體致密。 快速燒成時高溫下維持較短時間抑制晶粒粗化。 冷卻速度對顯微結(jié)構(gòu)影響表現(xiàn)在各相分布。 a、快速冷卻：越過第二相的析出溫度，第二相形成數(shù)量少b、緩慢冷卻：不同溫度會析出不同的第二相3 燒成氣氛 是影

12、響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能的重要因素之一。主要影響氣孔率、晶粒尺寸、缺位形成、陽離子價態(tài)、礦物組成。如：TiO2在還原氣氛下，顏色加深，Ti4+Ti3+ O2-空位 Fe2O3在還原氣氛下FeO+O2 ，使氣孔率理論強度計算公式：式中：E材料的彈性模量，Pa 表面斷裂能，J/m2 原子間的平均距離或晶格常數(shù)實驗證明：陶瓷材料的實際強度遠小于其理論強度。Orowan提出，固體材料的理論強度th ：近似表示為th 0.1E四、陶瓷性能的控制1 、陶瓷材料強度的控制實際強度理論式中： E 材料的彈性模量，Pa； 材料的表面斷裂能，J/m2； l裂紋的一半長度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(guān)，

13、也與材料的微裂紋長度有關(guān)。裂紋擴展的臨界應力：最著名的是1920年格里菲斯的微裂紋理論。影響材料強度的因素內(nèi)因E和 外因l 半裂紋長度（1）影響E和 的因素 彈性模量E：與材料的化學組成、礦物組成、鍵強、晶體結(jié)構(gòu)及缺陷、氣孔的大小多少等因素有關(guān)。斷裂能：與材料的化學組成、晶體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)及缺陷有關(guān)。（2）影響半裂紋長度的因素 半裂紋長度：取決于陶瓷材料的制備工藝和加工過程。主晶相不同及含量不同對強度有影響。普通陶瓷：晶相越多，玻璃相越少，強度越高。瓷質(zhì)長石質(zhì)瓷強化長石質(zhì)瓷剛玉瓷主晶相及含量莫來石2030%莫來石、剛玉4060%剛玉90%抗折強度/MPa80100500晶相數(shù)量對陶瓷強度的影響

14、結(jié)論： 瓷坯中晶相愈多，強度愈高； 晶相強度愈高，瓷坯強度愈高。2、顯微結(jié)構(gòu)與強度的關(guān)系由格里菲斯微裂紋理論，材料結(jié)構(gòu)中的裂紋愈小強度愈大；研究表明陶瓷坯體中出現(xiàn)的裂紋和晶粒尺寸成正比。晶粒尺寸減少，則陶瓷材料強度提高。晶相大小對陶瓷強度的影響通過討論晶粒大小對強度的影響，可以從以下幾方面提高陶瓷強度：提高原料微粉的品質(zhì)，特別是對氧化物與非氧化物陶瓷。要求粉體盡量細；大小、形狀均一，化學純度和相結(jié)構(gòu)的單一性好；科學選擇燒結(jié)溫度，選擇最佳工藝條件，防止晶粒長大；選擇適當?shù)奶砑游镔|(zhì)和加入量，抑制晶粒異常長大，促進致密化。晶型類型對強度的影響滑石瓷，正常生成情況下，主晶相為原頑輝石（斜方晶系），控制

15、不當時會轉(zhuǎn)變?yōu)樾鳖B輝石（單斜晶系），伴隨著2.8% 的體積變化，并產(chǎn)生裂紋，導致坯體碎裂、粉化。 晶界對強度的影響晶界愈多，抑制裂紋的擴展，強度增大。晶粒細化；界面上如有氣孔存在則會使應力集中，使裂紋擴展，從而降低強度。玻璃相對強度的影響晶相強度 普通玻璃相強度 氣相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（改變玻璃相的組成和鍵強），瓷坯的強度提高。特種陶瓷生產(chǎn)，對于添加劑形成的少量玻璃相進行晶化處理。氣相對強度的影響陶瓷強度總是隨氣孔率升高而下降。坯體越致密，氣孔愈少，則強度愈高。氣孔的大小，分布均勻程度，存在形式（開口、閉口）等因素也影響強度大小。 高強度陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的特點是：密度要高，氣孔和裂紋要少，晶粒尺寸要適當。 3、工藝因素與常溫強度的關(guān)系原料制備工藝的影響 提高細度、保證純度、合理級配、添加劑。成形工藝的影響 普通陶瓷中有些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。