无机材料工艺学--陶瓷6-显微结构与性能.ppt
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第五章第五章陶瓷的显微结构与性质陶瓷的显微结构与性质绪绪言言
(一)
(一)材料性能、化学组成、工艺材料性能、化学组成、工艺过程、显微结构之间的关系过程、显微结构之间的关系显微结构的研究尺度范围介于数纳米至显微结构的研究尺度范围介于数纳米至0.1mm之间。
它的形成主要之间。
它的形成主要取决于材料的化学组成及加工工艺过程(工艺条件)。
取决于材料的化学组成及加工工艺过程(工艺条件)。
组织结构组织结构Structure化学组成化学组成/加工工艺加工工艺Composition/Processing物化性能物化性能Property使用性能使用性能Performance第五章第五章陶瓷的显微结构与性质陶瓷的显微结构与性质绪绪言言化学组成不同的材料,即使工艺过程相同,其显微结构会不同。
化学组成不同的材料,即使工艺过程相同,其显微结构会不同。
同样,即使材料的化学组成相同,如果其加工工艺条件不同,也会形同样,即使材料的化学组成相同,如果其加工工艺条件不同,也会形成不同的显微结构。
成不同的显微结构。
组织结构组织结构Structure化学组成化学组成/加工工艺加工工艺Composition/Processing物化性能物化性能Property使用性能使用性能Performance显微微结构分析构分析晶相情况晶相情况玻璃相情况玻璃相情况气孔情况气孔情况其它其它晶相的种晶相的种类、相、相对数量数量(百分含量百分含量);晶粒的几;晶粒的几何形何形态、大小、分布及、大小、分布及取向;取向;结晶特性;晶界晶特性;晶界结构;晶体缺陷情况;构;晶体缺陷情况;表面表面结构特征及缺陷情构特征及缺陷情况等。
况等。
玻璃相的含玻璃相的含量、分布等。
量、分布等。
气孔相的数量、气孔相的数量、形形态、大小、大小、分布及位置;分布及位置;微裂微裂纹的大小、的大小、数量、走向及数量、走向及分布情况等。
分布情况等。
材料中的晶材料中的晶体、玻璃相体、玻璃相及气孔在空及气孔在空间的相互分的相互分布关系。
布关系。
(二)显微结构分析的内容
(二)显微结构分析的内容第五章第五章陶瓷的显微结构与性质陶瓷的显微结构与性质显微结构是指在各种显微镜下观察到的材料组织结构。
就显微结构是指在各种显微镜下观察到的材料组织结构。
就陶瓷、耐火材料而言,它所包含的内容主要如下:
陶瓷、耐火材料而言,它所包含的内容主要如下:
绪绪言言(三)显微结构分析的作用(三)显微结构分析的作用第五章第五章陶瓷的显微结构与性质陶瓷的显微结构与性质1.通过研究材料的显微结构,以及生产加工所用原料甚至半成品通过研究材料的显微结构,以及生产加工所用原料甚至半成品的显微结构研究,对材料的性能进行评价。
的显微结构研究,对材料的性能进行评价。
2.通过材料或制品中结构缺陷的检测分析,从显微结构上找出缺通过材料或制品中结构缺陷的检测分析,从显微结构上找出缺陷产生的原因,提出改善或防止结构缺陷的措施。
陷产生的原因,提出改善或防止结构缺陷的措施。
3.通过材料的显微结构研究,从材料物理化学的基本原理出发,通过材料的显微结构研究,从材料物理化学的基本原理出发,为新材料的设计或材料改性提供依据或参考。
为新材料的设计或材料改性提供依据或参考。
4.研究工艺条件对显微结构的影响规律及机理,以求优化生产工研究工艺条件对显微结构的影响规律及机理,以求优化生产工艺条件,改进材料的效能。
艺条件,改进材料的效能。
5.1陶瓷坯体的显微结构和相组成陶瓷坯体的显微结构和相组成一、显微结构的形成一、显微结构的形成陶瓷坯体显微结构的形成是构成坯体的各种原料在高温下相互陶瓷坯体显微结构的形成是构成坯体的各种原料在高温下相互反应、作用和影响的结果。
如前所述,粘土反应、作用和影响的结果。
如前所述,粘土-长石长石-石英三组分石英三组分配料的普通陶瓷显微结构的形成情况。
配料的普通陶瓷显微结构的形成情况。
石英石英长石长石粘土粘土残余石英颗粒周残余石英颗粒周围的富硅玻璃相围的富硅玻璃相长石、石英长石、石英共熔的玻璃相共熔的玻璃相长石玻璃长石玻璃含微小莫来石的长含微小莫来石的长石相与高岭石中活石相与高岭石中活性性SiO2生成的玻生成的玻璃璃长石、石英、高岭长石、石英、高岭土共熔生成的玻璃土共熔生成的玻璃富硅玻璃相中析出的二次方石英富硅玻璃相中析出的二次方石英未熔解的残余石英未熔解的残余石英残余石英边缘转化的方石英残余石英边缘转化的方石英长石熔体中析出的粒状或针状莫来石长石熔体中析出的粒状或针状莫来石长石残骸形成的二次莫来石鸟巢长石残骸形成的二次莫来石鸟巢大气孔附近玻璃基质中析出的二次莫来石大针晶大气孔附近玻璃基质中析出的二次莫来石大针晶高岭石分解生成的鳞片状一次莫来石高岭石分解生成的鳞片状一次莫来石原料原料玻璃相玻璃相结晶相结晶相粘土质瓷坯的物相组成变化粘土质瓷坯的物相组成变化5.1陶瓷坯体的显微结构和相组成陶瓷坯体的显微结构和相组成5.1陶瓷坯体的显微结构和相组成陶瓷坯体的显微结构和相组成三成分瓷坯烧成时的矿物组成变化示意图三成分瓷坯烧成时的矿物组成变化示意图第五章第五章陶瓷的显微结构与性质陶瓷的显微结构与性质5.1陶瓷坯体的显微结构和相组成陶瓷坯体的显微结构和相组成二、显微结构中各物相的作用二、显微结构中各物相的作用陶瓷坯体的显微结构主要由三相组成:
晶相、玻璃相、气孔。
如一陶瓷坯体的显微结构主要由三相组成:
晶相、玻璃相、气孔。
如一般情况下,普通陶瓷制品含莫来石晶体般情况下,普通陶瓷制品含莫来石晶体1030Vol.%,残留石英残留石英及方石英晶体及方石英晶体1025%;玻璃相;玻璃相4065%;以及少量气孔以及少量气孔(510%)。
)。
1:
残留石英:
残留石英3:
石英溶:
石英溶蚀边4:
三元低熔物:
三元低熔物5:
气孔:
气孔6:
长石石-高岭石玻璃高岭石玻璃2:
长石玻璃石玻璃35146一次莫来石一次莫来石二次莫来石二次莫来石123431:
残留石英:
残留石英2:
石英溶蚀边:
石英溶蚀边3:
针状莫来石:
针状莫来石4:
一次莫来石:
一次莫来石第五章第五章陶瓷的显微结构与性质陶瓷的显微结构与性质5.1陶瓷坯体的显微结构和相组成陶瓷坯体的显微结构和相组成二、显微结构中各物相的作用二、显微结构中各物相的作用1.晶相晶相晶相是决定陶瓷材料或制品性能的主导物相。
另外,陶瓷材料有晶相是决定陶瓷材料或制品性能的主导物相。
另外,陶瓷材料有时又是由多种晶相所构成。
这时,其中的主晶相就成了决定该陶时又是由多种晶相所构成。
这时,其中的主晶相就成了决定该陶瓷材料性能的主导物相。
瓷材料性能的主导物相。
例如,刚玉瓷具有强度高、耐高温、电性能和耐化学侵蚀性优良例如,刚玉瓷具有强度高、耐高温、电性能和耐化学侵蚀性优良的性能,是因为其中的主晶相的性能,是因为其中的主晶相刚玉(刚玉(-Al2O3)是一种结构紧)是一种结构紧密、离子键强度很大的晶体。
密、离子键强度很大的晶体。
PZT压电陶瓷则以锆钛酸铅为主晶压电陶瓷则以锆钛酸铅为主晶相,这种晶体具有钙钛矿型结构,具有自发极化之特点,所以相,这种晶体具有钙钛矿型结构,具有自发极化之特点,所以PZT陶瓷具有优良的压电性能。
陶瓷具有优良的压电性能。
二、显微结构中各物相的作用二、显微结构中各物相的作用1.晶相晶相瓷坯中的针状莫来石呈网状分布瓷坯中的针状莫来石呈网状分布当然,次晶相对陶瓷材料或制品也有不可忽视的影响,当其含量当然,次晶相对陶瓷材料或制品也有不可忽视的影响,当其含量达到某个临界值后,将可导致某些特定性能的变化。
例如,在高达到某个临界值后,将可导致某些特定性能的变化。
例如,在高压电瓷的玻璃相中,由于有大量的二次莫来石针状晶体的析出,压电瓷的玻璃相中,由于有大量的二次莫来石针状晶体的析出,形成网状交错分布,起着了一个骨架式的增强作用,从而大大提形成网状交错分布,起着了一个骨架式的增强作用,从而大大提高了电瓷的机械强度。
高了电瓷的机械强度。
二、显微结构中各物相的作用二、显微结构中各物相的作用粗大针状莫来石晶体的网状分布对提高粗大针状莫来石晶体的网状分布对提高制品强度极为有利制品强度极为有利1.1.晶相晶相二、显微结构中各物相的作用二、显微结构中各物相的作用2.玻璃相玻璃相瓷坯中的玻璃相,是坯体烧成时高温液相在某种冷却条件下过冷瓷坯中的玻璃相,是坯体烧成时高温液相在某种冷却条件下过冷形成的,它是一种低熔点的非晶态固体,对陶瓷材料的性能有着形成的,它是一种低熔点的非晶态固体,对陶瓷材料的性能有着重要影响。
重要影响。
玻璃相在陶瓷显微结构的形成过程中,起着重要作用。
这些作用玻璃相在陶瓷显微结构的形成过程中,起着重要作用。
这些作用包括:
包括:
(5)有利于杂质、添加物、气孔等的重新分布。
)有利于杂质、添加物、气孔等的重新分布。
(4)在适当条件下抑制晶体长大并防止晶型转变。
)在适当条件下抑制晶体长大并防止晶型转变。
(3)在瓷坯中起粘结作用,将分散的晶粒胶结在一起,本身成)在瓷坯中起粘结作用,将分散的晶粒胶结在一起,本身成为连续相。
为连续相。
(2)起填充气孔的作用,促使瓷坯致密化。
)起填充气孔的作用,促使瓷坯致密化。
(1)促进高温下的物相反应过程。
)促进高温下的物相反应过程。
二、显微结构中各物相的作用二、显微结构中各物相的作用玻璃相的特点:
玻璃相的特点:
通常情况下,与晶相比较而言,玻璃相(通常情况下,与晶相比较而言,玻璃相
(1)机械强度较低;)机械强度较低;
(2)热稳定性较差;()热稳定性较差;(3)熔融温度较低。
另外,()熔融温度较低。
另外,(4)由于玻)由于玻璃相结构较疏松,因而常在结构空隙中充填了一些金属离子,这璃相结构较疏松,因而常在结构空隙中充填了一些金属离子,这样在外电场的作用下很容易产生松弛极化,使陶瓷材料的绝缘性样在外电场的作用下很容易产生松弛极化,使陶瓷材料的绝缘性降低、介电损耗增大。
降低、介电损耗增大。
不同的陶瓷制品,由于质量性能的要求不同,因此对玻璃相含量不同的陶瓷制品,由于质量性能的要求不同,因此对玻璃相含量的要求也不同。
在特种陶瓷材料中,玻璃相的含量一般都很低,的要求也不同。
在特种陶瓷材料中,玻璃相的含量一般都很低,有的甚至几乎全由晶相构成有的甚至几乎全由晶相构成(纯固相烧结纯固相烧结)。
而在普通陶瓷制品中,。
而在普通陶瓷制品中,玻璃相的含量较高,可在玻璃相的含量较高,可在20%60%之间变化。
如一些日用陶之间变化。
如一些日用陶瓷,玻璃相含量甚至可达到瓷,玻璃相含量甚至可达到60%以上。
以上。
二、显微结构中各物相的作用二、显微结构中各物相的作用3.气孔气孔气孔也是陶瓷制品显微结构中的一个重要组成部分,对制品的气孔也是陶瓷制品显微结构中的一个重要组成部分,对制品的性质有着重要影响。
它们可能存在于玻璃相中,也可能存在于性质有着重要影响。
它们可能存在于玻璃相中,也可能存在于晶界处,或者被包裹于晶粒内部。
晶界处,或者被包裹于晶粒内部。
晶粒内的气孔晶粒内的气孔晶界交界处的气孔晶界交界处的气孔晶粒内的杂质晶粒内的杂质晶界晶界晶界上的气孔晶界上的气孔晶粒晶粒5.1陶瓷坯体的显微结构和相组成陶瓷坯体的显微结构和相组成3.气孔气孔釉玻璃体中的气泡釉玻璃体中的气泡被包裹在晶粒中的气孔被包裹在晶粒中的气孔二、显微结构中各物相的作用二、显微结构中各物相的作用3.气气孔孔但对于绝热或隔热材料而言,则希望材料中存在较大体积分数、但对于绝热或隔热材料而言,则希望材料中存在较大体积分数、且孔径及分布均匀的气孔。
对于过滤用的陶瓷制品,以及湿敏、且孔径及分布均匀的气孔。
对于过滤用的陶瓷制品,以及湿敏、气敏陶瓷材料,也希望有一定的体积分数的贯通性气孔存在。
气敏陶瓷材料,也希望有一定的体积分数的贯通性气孔存在。
气孔存在的利弊因制品的质量性能要求不同而异:
气孔存在的利弊因制品的质量性能要求不同而异:
对于电介质陶瓷(如陶瓷电容器)来说,气孔的存在会增大对于电介质陶瓷(如陶瓷电容器)来说,气孔的存在会增大陶瓷的介电损耗并降低其击穿强度。
对于透明陶瓷而言,一定陶瓷的介电损耗并降低其击穿强度。
对于透明陶瓷而言,一定大小的气孔又是入射光的散射中心,气孔的存在会降低制品的大小的气孔又是入射光的散射中心,气孔的存在会降低制品的透光率。
透光
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- 无机 材料 工艺学 陶瓷 显微结构 性能