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陶瓷材料的显微结构

日期:2017-05-08 10:02

陶瓷材料主要组成相为晶相、玻璃相和气相。
一、晶相
晶相是由原子、离子、分子在空间有规律排列成的结晶相。陶瓷材料的晶相有硅酸盐、氧化物和非氧化物(碳化物、氮化物、硼化物)三大类相。
1.晶相的显微组织特征
晶相又可分为主晶相、次晶相、析出相和夹杂相。
(1) 主晶相:是材料的主要组成部分,材料的性能主要取决于主晶的性质。普通陶瓷材料的主晶相主要是莫来石和石英。
(2) 次晶相:是材料的次要组成部分。例如Si3N4材料中的颗粒状的六方结构的相β-Si3N4为主晶相;针状的菱方结构的α-Si3N4为次晶相,含量较少。
(3) 析出相:由粘土、长石、石英烧成的陶瓷的析出相大多数是莫来石,一次析出的莫来石为颗粒状,二次析出的莫来石为针状,可提高陶瓷材料的强度。
(4) 夹杂相:不同材料夹杂相不同。夹杂相量很少,其存在都会使材料的性能降低。
另外,晶相中还存在晶界和晶粒内部的细微结构。晶界上由于原子排列紊乱,成为一种晶体的面缺陷。晶界的数量、厚度、应力分布以及晶界上夹杂物的析出情况对材料的性能都会产生很大影响。晶粒内部的微观结构包括滑移、孪晶、裂纹、位错、气孔、电畴、磁畴等。
2.晶相对材料性能的影响
晶相的结构、数量、形态和分布决定了陶瓷材料的主要性能和应用。
晶相对陶瓷材料的物理性能有直接影响。例如氧化铝陶瓷的性能与其主晶相刚玉(α-Al2O3)含量关系极大。
晶粒的尺寸也是影响陶瓷材料性能的重要因素,一般细晶粒可以阻止裂纹的扩展,提高材料的导热系数,使材料绝缘性能下降。
二、玻璃相
1.玻璃相的形成

玻璃相一般是指由高温熔体凝固下来的、结构与液体相似的非晶态固体。
陶瓷材料在烧结过程中,发生了一系列的物理化学变化,生成了熔融液相。如果熔融态时粘度很大,即流体层间的内摩擦力很大,冷却时原子迁移比较困难,晶体的形成很难进行,而形成过冷液相,随着温度继续下降,过冷淮相粘度进一步增大,冷却到一事实上温度时,熔体固体,“冻结”成为玻璃,此时的温度称为玻璃转变温度Tg,低于此温度表现出明显的脆性。加热时,玻璃熔体粘度降低,在某个粘度时,玻璃显著软化,这时所对应的温度为软化温度Tf。玻璃转变温度和软化温度都具有一个温度区间,不是某一确定的数值,这与晶体的转变不同。
2.玻璃相的作用
玻璃相具有以下几个方面的作用:
(1)起粘接剂和填充剂的作用,玻璃相是一种易熔相,可以填充晶粒间隙,将晶粒粘接在一起,使材料致密化;(2)降低烧成温度,加快烧结过程;(3)阻止晶型转变,抑制晶粒长大,使晶粒细化;(4)增加陶瓷的透明度等。
不同的陶瓷材料玻璃相的含量不同,玻璃相对材料的性能有重要影响,玻璃相的存在一般会降低陶瓷材料的机械强度和热稳定性,影响其介电性能。
3.玻璃相的组织特点
普通陶瓷的玻璃相的成分大都为二氧化硅(20~80%)和其他氧化物。其组织在反光显微镜明场照明方式观察时为暗黑色,量少时分布在晶粒交界处的三角地带,量多时连成网络结构。
三、气相
气相是陶瓷材料内部尥的气体形成的孔洞。普通陶瓷含有5~10%的气孔,特种陶瓷则要求气孔率在5%以下。
1.气相的形成
材料中气孔形成的原因比较复杂,影响因素较多,如材料制备工艺、粘接剂的种类、原材料的分解物、结晶速度、烧成气氛都影响陶瓷中气孔的存在。采取一定的工艺手顶可以使气孔率降低或者接近于零。
2.气相对材料的影响
气相的多少、大小、形状、分布都会对陶瓷材料产生很大的影响。
除了多孔陶瓷外,气相的存在都是不利的,气孔的存在会使材料的密度、机械强度下降,直接影响材料的透明度,同时,大量气孔的存在会使陶瓷材料绝缘性能降低,介电性能变差,但是气孔多的陶瓷材料表面吸附性能及隔热性能好,利于涂层等。
3.气相的显微形貌
陶瓷材料中的气孔可分为开口气孔和闭口气孔两种,在反光显微镜下均为暗黑色的空洞,圆形,边缘不规则,这是由于气孔中多有夹杂物的析出造成的。
典型陶瓷材料的显微组织
常用的陶瓷材料有传统陶瓷(普通陶瓷)和新型陶瓷(特种陶瓷)。
普通陶瓷是粘土、石英、长石烧成的三组分陶瓷,包括日用、装饰、建筑、卫生、化工、电工、纺织、多孔、艺术陶瓷等。
新型陶瓷由于化学成分、显微结构及性能不同于普通陶瓷又被称为特种陶瓷。被作用工程结构材料和功能材料,按其应用可分为高硬度陶瓷、高温陶瓷、电子陶瓷、光学陶瓷、敏感陶瓷等。
金属陶瓷也是一种特殊陶瓷,是金属和陶瓷组成的非均质的复合材料。金属韧性好,热稳定性好,但易氧化,高温强度不够;陶瓷硬度高,耐热性好,耐腐蚀性强,但脆性大,热稳定性差。将两者结合起来,可以得到高强度、高韧性、高韧热性,高耐腐蚀性的材料,是一种很有前途的工具材料。

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