硅酸鹽巖相分析

1、材料巖相分析第一章 緒論1第一章 緒論 材料巖相分析（即材料巖相學(xué)） 是觀測分析無機(jī)非金屬材料的一門技術(shù)基 礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，可以初步了解 掌握無機(jī)非金屬材料的基本性質(zhì)及其顯微 觀測分析方法。2 內(nèi)容主要包括晶體光學(xué)基礎(chǔ)，礦物及巖石的性質(zhì)、特點(diǎn)、用途 ，偏、反光顯微鏡分析原理，以及無機(jī)功能材料、無機(jī)結(jié)構(gòu)材料的巖相分析方法。3 一 . 何謂材料巖相學(xué) 在無機(jī)材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，研究金屬材料生產(chǎn)工藝的學(xué)科，稱為冶金學(xué)；研究金屬材料顯微結(jié)構(gòu)的學(xué)科，叫作金相學(xué)。 metallography 1-1 巖相學(xué)的概念4 研究無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)工藝的學(xué)科，稱為無機(jī)材料工藝學(xué)。根據(jù)無機(jī)材料品種又分有水泥工藝學(xué)

2、、玻璃工藝學(xué)、陶瓷工藝學(xué)、耐火材料工藝學(xué)、人造晶體工藝學(xué)等。我們?cè)谶@里，將研究這些無機(jī)非金屬材料顯微結(jié)構(gòu)的學(xué)科，叫作巖相學(xué) (材料巖相分析) 。 phase analysis of inorganic nonmetal material5 二 . 顯微結(jié)構(gòu)的定義 各種材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著所用儀器分辨率的不同將有不同的結(jié)構(gòu)類型和名稱?？蓪⒉牧系慕Y(jié)構(gòu)分類歸納列于表1-1中。 6 表1-1：材料結(jié)構(gòu)分類及所用觀察設(shè)備 物體尺寸 結(jié)構(gòu)類型 觀測設(shè)備 研究對(duì)象 100m以上 大結(jié)構(gòu) 宏觀結(jié)構(gòu) 低倍結(jié)構(gòu) 肉眼 放大鏡 實(shí)體顯微鏡 顆粒集團(tuán) 10010 m 顯微結(jié)構(gòu) 偏光顯微鏡 反光顯微鏡 相襯顯微鏡 干涉顯微

3、鏡 顯微光度計(jì) 顯微硬度計(jì) 顆 粒 多相集團(tuán) 100.2 m 微晶集團(tuán)7 表1-1：材料結(jié)構(gòu)分類及所用觀察設(shè)備（續(xù)） 物體尺寸結(jié)構(gòu)類型 觀測設(shè)備研究對(duì)象 0.2 0.01 m 亞顯微 結(jié)構(gòu) 暗場顯微鏡 超視顯微鏡 干涉相襯顯微鏡 電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡 微 晶 膠 團(tuán) 0.01m(即10nm)微觀結(jié)構(gòu) 場離子顯微鏡高分辨率電子顯微鏡 晶格點(diǎn)陣 8 可將 “顯微結(jié)構(gòu)” 定義為： 在光學(xué)或電子顯微鏡下分辨出的試樣中所含相的種類及數(shù)量，顆粒的形狀、大小、分布取向和它們相互之間的綜合特征。9材料巖相分析包括材料制品的相組成鑒定和顯微 結(jié)構(gòu)特征研究兩部分內(nèi)容。一. 物相組成的分析和鑒定 材料制品的組

4、成相有結(jié)晶相、玻璃相和氣相三類。分析和鑒定物相組成是材料巖相分析的前提和基礎(chǔ)。 1-2 材料巖相分析的研究內(nèi)容10 結(jié)晶相的鑒定除玻璃及其制品外，在所有無機(jī)材料制品的組成相中都存在有結(jié)晶相。結(jié)晶相尤其是主晶相又往往決定著制品的理化性能。即使在玻璃及其制品內(nèi)亦常出現(xiàn)由結(jié)晶相構(gòu)成并直接影響其性能和質(zhì)量的玻璃缺陷?？梢?，結(jié)晶相的識(shí)別和認(rèn)定是非常重要的。11 玻璃相的分析由高溫熔體冷凝而成的固態(tài)非晶質(zhì)相稱為玻璃相。 玻璃相在制品中起著粘結(jié)及填充空隙的作用。巖相分析時(shí)主要是用光學(xué)顯微鏡測定和研究玻璃相的含量、分布、析晶情況及其與其它相之間的關(guān)系。12 氣相的研究除少數(shù)制品不允許氣相存在外，在絕大多數(shù)制品

5、中均或多或少地含有氣相，制品中的氣相是以氣泡或氣孔形式存在的。氣相的存在與否以及氣孔的形狀、大小、含量、分布和連通情況等，對(duì)制品的性能、質(zhì)量及使用均有顯著影響，有時(shí)起著決定性作用。研究制品中的氣孔是不可忽略的工作。13 二顯微結(jié)構(gòu)特征的研究和測定 形態(tài)學(xué)研究研究制品中組成相的幾何形狀及其變化，進(jìn)一步探究它們與生產(chǎn)工藝及制品性能之間關(guān)系的科學(xué)，稱為形態(tài)學(xué)。（）晶相形態(tài)學(xué)研究內(nèi)容有晶體形態(tài)特點(diǎn)、自形程度、集合體形態(tài)和細(xì)微結(jié)構(gòu)等四方面。14 （）固態(tài)非晶相形態(tài)學(xué)主要研究固態(tài)非晶相的形狀特點(diǎn)、分布情況及與其他物相之間的結(jié)合關(guān)系。進(jìn)一步研究非晶態(tài)團(tuán)粒中隱晶質(zhì)的晶體種類、大小、分布、含量，這可幫助分析原料

6、顆粒配比和熱工制度等。 它還研究玻璃相的含量和分布以及析晶相種類和形態(tài)特點(diǎn)，如對(duì)玻璃體內(nèi)結(jié)石形態(tài)學(xué)特點(diǎn)的研究，可以幫助鑒定晶體結(jié)石成因及來源的討論。15 （）氣相形態(tài)學(xué)研究制品中氣孔的形狀、大小、數(shù)量、分布及氣孔的貫通情況、存在形式（是晶內(nèi)氣孔還是晶間氣孔）等。這些都對(duì)制品的性能有極大的影響。16 研究物相間的分布 巖相分析時(shí)要研究各物相分布的均勻性、取向性、致密程度以及玻璃相、氣相與晶相間的分布情況等。 制品中物相間的分布情況是制造過程中各種因素作用的綜合結(jié)果，這直接影響甚至決定著制品的技術(shù)性能、質(zhì)量和使用效果。17 研究物相之間結(jié)合關(guān)系在巖相分析時(shí)，要注意研究不同相之間接合的相界結(jié)構(gòu)，還要

7、研究制品中玻璃相與晶相間結(jié)合關(guān)系以及氣孔壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。 物相間的結(jié)合情況與制品生產(chǎn)過程直接有關(guān)，亦顯著地影響著制品的技術(shù)性能和使用效果。18 材料巖相分析的研究對(duì)象可歸納為：無機(jī)材料制品、使用后殘品、其它工業(yè)廢渣或副產(chǎn)品、無機(jī)材料原料礦物等四大類。本課程主要討論前兩類試樣的顯微結(jié)構(gòu)特征與生產(chǎn)工藝和制品性能及效果之間的關(guān)系。 1- 材料巖相分析的研究對(duì)象19 一. 工業(yè)原料與制品顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系 制造無機(jī)材料所用的工業(yè)原料的種類及質(zhì)量、顆粒尺寸及其配比、原料組成、化學(xué)成分的結(jié)合形式及結(jié)晶程度等，都決定著制品的顯微結(jié)構(gòu)、性能和質(zhì)量。20 1. 原料的種類 眾所周知，工業(yè)原料的化學(xué)礦物成分直接決定著

8、無機(jī)材料制品的相組成和顯微結(jié)構(gòu)特征，亦決定了制品的技術(shù)性能和用途。例如，在用高熔點(diǎn)礦物為主要原料制造的產(chǎn)品中，多保留著原料的組成礦物，具有耐高溫、高強(qiáng)度等性能，適用于制造耐火材料和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷等。21 2 .原料的質(zhì)量 原料的質(zhì)量不僅影響制品的相組成和顯微結(jié)構(gòu)特征，對(duì)其性能亦有明顯影響，因?yàn)槿魏卧暇鶗?huì)有不同的和含數(shù)量不等的雜質(zhì)成分，絕對(duì)純的原料是不存在的。在用不同純度（即不同質(zhì)量）的原料所制造的同種制品中相組成及其含量均會(huì)存在明顯的差異，直接影響制品顯微結(jié)構(gòu)和性能。22 3. 原料的結(jié)構(gòu) 原料的結(jié)構(gòu)特征主要有：結(jié)晶程度、化合物形態(tài)、顆粒大小、雜質(zhì)賦存形式等。例如燒制硅酸鹽水泥熟料需要一定量的

9、SiO2 , 但在主原料石灰?guī)r中含有較多的燧石結(jié)核時(shí)，盡管SiO2含量達(dá)到要求，仍無法獲得合格的水泥，因?yàn)槭規(guī)r中燧石的顆粒粗、硬度大，不易磨細(xì)，在燒制過程中反應(yīng)不完全，使熟料中出現(xiàn)較多的游離氧化鈣等。23 4. 混合料的配方 根據(jù)使用性能和生產(chǎn)工藝，每種制品均有一定的化學(xué)組成配方要求，這是用不同原料互相配合來滿足的。若原料選擇不當(dāng)、配料計(jì)算或稱量不準(zhǔn)、拌和不均勻或配合料在加料過程中發(fā)生物料偏析等，均會(huì)影響制品的顯微結(jié)構(gòu)和性能。24 二 . 熱工制度與制品顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系 制造無機(jī)材料的整個(gè)高溫處理所遵循的溫度-時(shí)間制度，稱為熱工制度。熔融型無機(jī)材料的熱工制度，包括最高熔化溫度、保溫時(shí)間、冷卻速

10、度以及熱處理制度等；而燒結(jié)型無機(jī)材料則包括升溫速度、最高燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度。每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)制品的顯微結(jié)構(gòu)和性能、質(zhì)量、用途都有直接影響，有時(shí)甚至起決定作用。25 1. 升溫速度 升溫速度在制造燒結(jié)型材料是必須嚴(yán)格控制，因?yàn)槲锪显谏郎剡^程中將發(fā)生脫水、分解、氣體逸出、固相反應(yīng)、多晶轉(zhuǎn)變、部分物料熔融、固液反應(yīng)、重結(jié)晶等一系列作用和變化。26 過快地升溫將影響這些作用的充分進(jìn)行，而且水分及氣體過快逸出和多晶轉(zhuǎn)變引起的劇烈體積效應(yīng)等，會(huì)使制品產(chǎn)生較多的裂紋甚至開裂，制品將出現(xiàn)欠燒顯微結(jié)構(gòu)，影響其性能和質(zhì)量； 如果升溫速度過慢，將造成能源浪費(fèi)、產(chǎn)量下降，增加了生產(chǎn)成本。 27 2 . 最高溫度及

11、保溫時(shí)間 制造熔融型和燒結(jié)型無機(jī)材料，都有一個(gè)合理最高溫度及保溫時(shí)間，因?yàn)槊糠N原料均有一個(gè)熔點(diǎn)，混合料則有一個(gè)低共熔溫度和熔融溫度范圍。 每種化學(xué)作用都需要一定的溫度條件，并有一定的速度，只有達(dá)到一定溫度并有足夠時(shí)間才能使這些作用趨于完全。 28 過高的燒成溫度和過長的保溫時(shí)間，不僅浪費(fèi)能源，縮短高溫爐使用壽命，還會(huì)出現(xiàn)過燒顯微結(jié)構(gòu)；過低的最高溫度或太短的保溫時(shí)間則達(dá)不到燒結(jié)目的，產(chǎn)生欠燒顯微結(jié)構(gòu)，均無法獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。 29 3 .冷卻速度 熔融型和燒結(jié)型無機(jī)材料對(duì)冷卻制度有不同的要求：成型燒結(jié)制品要求維持比較慢的冷卻速度，使坯體內(nèi)外比較均勻的冷卻，冷卻速度過快將造成坯體的炸裂而損壞。30 粉

12、料燒結(jié)的無機(jī)材料（如水泥熟料）則要求比較快的冷卻，防止其主晶相發(fā)生晶型變化或分解以保證制品質(zhì)量。 熔融型玻璃材料則要求快速冷卻，使流動(dòng)的高溫熔體在成型以后能保持成形體形狀，并防止玻璃體發(fā)生析晶而造成廢品。31 4 .熱處理制度 熔融型制品在高溫熔體冷卻成型凝固后，還需要在某一溫度或溫度范圍內(nèi)按一定溫度-時(shí)間制度進(jìn)行冷卻，這稱為熱處理。熱處理目的有三種：玻璃及其制品的熱處理稱為退火處理，目的是為了消除玻璃體內(nèi)的殘余應(yīng)力，保證在使用和保存過程中不會(huì)產(chǎn)生裂紋或炸裂。 32 微晶玻璃的熱處理主要是為促進(jìn)非晶態(tài)玻璃體內(nèi)生成晶核并長大成微晶，形成以細(xì)小結(jié)晶相為主體甚至是全晶質(zhì)的微晶； 熔融結(jié)晶制品的結(jié)晶種類、晶粒大小、結(jié)合關(guān)系等都決定于熱處理的溫度、保溫時(shí)間及降溫速度等。 33