陶瓷工藝學(xué)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(guò)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(yīng)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(fù)合體，主晶相直接影響產(chǎn)品的性能。長(zhǎng)石質(zhì)瓷的晶相：莫來(lái)石，殘余石英，半安定方石英?？偭空?560%?；|(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(zhǎng)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(xué)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?chē)?，粘接晶粒，填充空隙，促進(jìn)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(qiáng)度比晶相低，膨脹系數(shù)大，高溫下易軟化變形，因此過(guò)多會(huì)降低制品強(qiáng)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(huì)明顯影響材料性能，降低坯體機(jī)械強(qiáng)度、介電強(qiáng)度、透光性、白度等，降低化學(xué)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(guò)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(shí)的變化-高嶺土長(zhǎng)石在加熱過(guò)程中的作用燒成時(shí)石英的變化陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程顯微結(jié)構(gòu)中各相的作用 以高嶺石長(zhǎng)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(guò)程 二、長(zhǎng)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(yīng)： 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(gè)放熱反應(yīng)： 2（Al2O32SiO2） 2Al2

5、O33SiO2SiO2約980AlSi尖晶石相1 、粘土礦物煅燒時(shí)的變化高嶺石 由Al-Si尖晶石莫來(lái)石： 2Al2O3 3SiO2 2（Al2O3 SiO2）4SiO2 轉(zhuǎn)變中的莫來(lái)石 方石英 3（Al2O3 SiO2 ） 3Al2O3 2SiO2SiO2 方石英約11001000開(kāi)始轉(zhuǎn)化為莫來(lái)石與方石英，第二個(gè)放熱反應(yīng) 1200莫來(lái)石量變化不大，晶體逐步長(zhǎng)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(lái)石鱗片狀莫來(lái)石和網(wǎng)狀莫來(lái)石在陶瓷坯體中，長(zhǎng)石作為熔劑在高溫下形成硅酸鹽熔體。 長(zhǎng)石的熔劑作用是由它與石英及粘土礦物形成低共熔點(diǎn)引起的：鉀長(zhǎng)石與石英顆粒在

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

7、573石英石英燒成時(shí)，石英會(huì)溶解于熔體中，在顆粒周?chē)纬扇畚g邊粘土礦物莫來(lái)石化過(guò)程中會(huì)生成無(wú)定形SiO2，它在高溫下存在形態(tài)與粘土化學(xué)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(shí)石英的變化 4、陶瓷坯體顯微結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程莫來(lái)石（10-30%）主晶相，構(gòu)成瓷胎的骨架。來(lái)源： 粘土分解一次莫來(lái)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(lái)石，針狀，交織成網(wǎng)。具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，尤其是網(wǎng)狀的莫來(lái)石強(qiáng)度更高。5、顯微結(jié)構(gòu)中各相的作用玻璃相（40-65%）來(lái)源： 石英顆粒周?chē)娜塾惺⒌母吖?/p>

8、玻璃相 中間生長(zhǎng)有交織成網(wǎng)的莫來(lái)石晶體的長(zhǎng)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(zhǎng)石種類、熔解石英的數(shù)量 玻璃相的力學(xué)強(qiáng)度影響瓷坯的力學(xué)強(qiáng)度。取決于玻璃相的組成、網(wǎng)絡(luò)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(lái)源： 殘余石英石英原料在燒成過(guò)程中與其它組分反應(yīng)形成低共熔點(diǎn)熔體以及在高溫下熔解于熔體殘留下來(lái)。 方石英石英顆粒周?chē)还璨Ａ嘀形龀龅凝X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(qiáng)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(shí)會(huì)在

9、瓷坯中產(chǎn)生應(yīng)力。 合理的石英顆粒能大大提高瓷坯的強(qiáng)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(qiáng)度、透光度、致密度、吸濕膨脹性能、介電性能、熱傳導(dǎo)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(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響（自學(xué)） （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(zhǎng)幅度較小 細(xì)粒多：成瓷后晶粒尺寸平均增長(zhǎng)幅度較大， 因?yàn)楸缺砻娲?，利于晶粒發(fā)育長(zhǎng)大。 一般規(guī)律：細(xì)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(guò)分長(zhǎng)大的幾率，則密度高。3、顆粒形狀及團(tuán)聚程度顆粒形狀及團(tuán)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(yù)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(tuán)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(jìn)入固溶體，增加晶格缺陷，促進(jìn)晶格擴(kuò)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?chē)纬蛇B續(xù)的第二相，促進(jìn)繞結(jié)。如第二相不易移動(dòng)，則阻礙晶界移動(dòng)，抑制晶粒長(zhǎng)大，多數(shù)情況下?lián)诫s物會(huì)抑制晶粒粗化，減緩晶界移動(dòng)速度，但也會(huì)加速晶粒生長(zhǎng)，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?，中間溫度下維持較長(zhǎng)時(shí)間促進(jìn)坯體致密。 快速燒成時(shí)高溫下維持較短時(shí)間抑制晶粒粗化。 冷卻速度對(duì)顯微結(jié)構(gòu)影響表現(xiàn)在各相分布。 a、快速冷卻：越過(guò)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(huì)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(yáng)離子價(jià)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(qiáng)度計(jì)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(shí)驗(yàn)證明：陶瓷材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其理論強(qiáng)度。Orowan提出，固體材料的理論強(qiáng)度th ：近似表示為th 0.1E四、陶瓷性能的控制1 、陶瓷材料強(qiáng)度的控制實(shí)際強(qiáng)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(zhǎng)度無(wú)機(jī)材料的強(qiáng)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(zhǎng)度有關(guān)。裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力：最著名的是1920年格里菲斯的微裂紋理論。影響材料強(qiáng)度的因素內(nèi)因E和 外因l 半裂紋長(zhǎng)度（1）影響E和 的因素 彈性模量E：與材料的化學(xué)組成、礦物組成、鍵強(qiáng)、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(xué)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(zhǎng)度的因素 半裂紋長(zhǎng)度：取決于陶瓷材料的制備工藝和加工過(guò)程。主晶相不同及含量不同對(duì)強(qiáng)度有影響。普通陶瓷：晶相越多，玻璃相越少，強(qiáng)度越高。瓷質(zhì)長(zhǎng)石質(zhì)瓷強(qiáng)化長(zhǎng)石質(zhì)瓷剛玉瓷主晶相及含量莫來(lái)石2030%莫來(lái)石、剛玉4060%剛玉90%抗折強(qiáng)度/MPa80100500晶相數(shù)量對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響

14、結(jié)論： 瓷坯中晶相愈多，強(qiáng)度愈高； 晶相強(qiáng)度愈高，瓷坯強(qiáng)度愈高。2、顯微結(jié)構(gòu)與強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度提高。晶相大小對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響通過(guò)討論晶粒大小對(duì)強(qiáng)度的影響，可以從以下幾方面提高陶瓷強(qiáng)度：提高原料微粉的品質(zhì)，特別是對(duì)氧化物與非氧化物陶瓷。要求粉體盡量細(xì)；大小、形狀均一，化學(xué)純度和相結(jié)構(gòu)的單一性好；科學(xué)選擇燒結(jié)溫度，選擇最佳工藝條件，防止晶粒長(zhǎng)大；選擇適當(dāng)?shù)奶砑游镔|(zhì)和加入量，抑制晶粒異常長(zhǎng)大，促進(jìn)致密化。晶型類型對(duì)強(qiáng)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(dāng)時(shí)會(huì)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(dǎo)致坯體碎裂、粉化。 晶界對(duì)強(qiáng)度的影響晶界愈多，抑制裂紋的擴(kuò)展，強(qiáng)度增大。晶粒細(xì)化；界面上如有氣孔存在則會(huì)使應(yīng)力集中，使裂紋擴(kuò)展，從而降低強(qiáng)度。玻璃相對(duì)強(qiáng)度的影響晶相強(qiáng)度 普通玻璃相強(qiáng)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(qiáng)度（改變玻璃相的組成和鍵強(qiáng)），瓷坯的強(qiáng)度提高。特種陶瓷生產(chǎn)，對(duì)于添加劑形成的少量玻璃相進(jìn)行晶化處理。氣相對(duì)強(qiáng)度的影響陶瓷強(qiáng)度總是隨氣孔率升高而下降。坯體越致密，氣孔愈少，則強(qiáng)度愈高。氣孔的大小，分布均勻程度，存在形式（開(kāi)口、閉口）等因素也影響強(qiáng)度大小。 高強(qiáng)度陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：密度要高，氣孔和裂紋要少，晶粒尺寸要適當(dāng)。 3、工藝因素與常溫強(qiáng)度的關(guān)系原料制備工藝的影響 提高細(xì)度、保證純度、合理級(jí)配、添加劑。成形工藝的影響 普通陶瓷中有些成形方法對(duì)強(qiáng)度的影響不大，壓制法成形時(shí)具體方法不同，最終瓷坯的強(qiáng)度不同。