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显微分析:特种陶瓷“相面术”
2020年03月31日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:444
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古人常以“相面术”来辨吉凶、断祸福;甚至与中医理论相结合,来剖析某些疑难杂症。根据《阳明心学》,这些吉凶祸福皆源自心之意动,隐于善恶,显于相貌,故“相由心生,可辨善恶”。特种陶瓷以性能独特而别于普通陶瓷,其性能的“善恶”,亦可用“相面术”来辨别,这种方法被称作——显微分析

显微分析指利用光学或电子显微镜来分辨试样的显微组成和显微结构,进而判别二者与试样性能之间的对应关系。特种陶瓷的特殊性能,如高强度、高韧性、导电、绝缘、透光、磁性、压电、光电等等,与组成和结构密不可分;因此,对于特种陶瓷而言,显微分析至关重要。

 

金相显微镜

 

扫描电镜

1 特种陶瓷的显微组成

人的相貌由眉、眼、鼻、唇、耳等器官组成。而特种陶瓷的显微组成主要包括晶相、玻璃相和气孔相。

特种陶瓷的显微组成

组成

晶相

玻璃相

气孔相

作用

◆主晶相决定陶瓷性能

◆晶体形态和大小影响性能

◆晶界状态影响陶瓷性能

◆粘接晶相

◆填充空隙

◆降温助烧

◆抑制晶粒长大

除功能性应用外,大多为缺陷相,应尽量避免

备注

晶体形态分粒装、柱状、针状、片状等

固相烧结无玻璃相

原因:生烧、过烧、分解物、工艺缺陷等

 

2 特种陶瓷的显微结构

有些人脸上的每个器官都很漂亮,组合起来却有失美感;还有些人五官一般,结合在一起却颇显气质,这说明了结构的重要性。特种陶瓷的显微结构按结晶程度、晶型发育程度、晶粒大小及相对大小、分布特征可得到如下分类。

特种陶瓷的显微结构

结构

具体分类

结晶程度

全晶质结构:全部由结晶矿物组成

半晶质结构:除结晶矿物,还含玻璃相等

非晶质结构:全部由玻璃相组成

晶型发育程度

自形晶结构:晶体上各晶面发育完整

半自行晶结构:晶体上部分晶面发育完整

他行晶结构:晶体上各晶面发育不完整

晶粒大小

微粒结构:晶粒平均尺寸0.2-1μm

细粒结构:晶粒平均尺寸1-10μm

中粒结构:晶粒平均尺寸10-30μm

粗粒结构:晶粒平均尺寸30-100μm

粗大晶粒结构:晶粒平均尺寸>100μm

晶粒相对大小

等粒结构:颗粒相近,大小比≤3:1

不等粒结构:颗粒不同,大小比≤5:1

斑状结构:颗粒相差悬殊,大小比>5:1

分布特征

定向排列结构:在空间排列方向基本一致

交织结构:针状或片状矿物交织分布

霏细结构:晶粒小而发育不好,微细状

包裹结构:一种矿物包裹另一种矿物

3 特种陶瓷的显微分析

3.1刚玉瓷

刚玉瓷是最常见的特种陶瓷,主晶相是刚玉(α-Al2O3),具有优异的机械和电性能,常用作集成电路基板、高频绝缘材料及高温耐火材料等。根据氧化铝含量的不同可分为90瓷、95瓷、97瓷和99瓷等,这几种瓷的性能不同,显微组成与结构也存在差别。

主晶相刚玉的形态存在差异

95瓷呈短柱状晶体,97瓷亦以柱状为主,而99瓷多呈粒状,多趋向于六边形。

 

95瓷显微结构(416倍)

 

99瓷显微结构(550倍)

玻璃相含量存在差别

随着氧化铝含量的增加,90瓷、95瓷、97瓷和99瓷中的玻璃相含量依次减少。

烧成温度随氧化铝含量增加而提高

95瓷烧结温度在1600℃左右,99瓷烧结温度在1700℃以上。

3.2 莫来石瓷

莫来石瓷的主晶相是莫来石(3Al2O3·2SiO2),熔点高、热膨胀系数低、介电常数低,常用于耐火材料、电子封装材料等领域。主要原料有黏土、长石、石英等。常见晶体形态为针状,也有呈鳞片状、柱状的。

一次莫来石多由高岭土加热分解而成,鳞片状,粒度在100埃左右;大约在1000℃开始形成,若温度继续升高,可转变为二次莫来石。

 

鳞片状莫来石(5500倍)

二次莫来石呈针状,大多从长石熔体中析出,或由黏土分解的Al2O3与石英熔融物反应生成,在1250℃开始出现,至1300℃长大到几微米。

 

二次针状莫来石(长石熔体析出)

3.3 滑石瓷

滑石瓷主晶相为顽火辉石(MgO·SiO2),介电性能优良,常用于高频设备中的绝缘零部件等。主要原料是滑石和黏土,常见晶体形态为短柱状或板柱状,斜方晶系。次晶相为斜顽火辉石,柱状或板柱状,单斜晶系。

滑石瓷中玻璃相较多,含量达25%-45%,包裹所有晶相,有时还会含有气孔,结构类型属玻基斑状结构。

 

滑石瓷显微结构(900倍)

3.4 镁橄榄石瓷

镁橄榄石瓷主晶相是镁橄榄石(2MgO·SiO2),介电损耗低,且随频率变化小,广泛用于电真空零件、高功率电容器等。主要原料有滑石、菱镁矿等。常见晶体形态为粒状、短柱状,斜方晶系。瓷体含玻璃相,将晶粒包裹起来,结构类型属玻基斑状结构。

 

镁橄榄石瓷显微结构(480倍)

3.5 金红石瓷

金红石瓷主晶相是金红石(TiO2),介电常数高,可制作陶瓷电容器。主要原料是二氧化钛,少量高岭土、萤石、碳酸钡等。常见晶体形态为粒状、短柱状,四方晶系,晶型多为半自形晶或他形晶。瓷体中玻璃相很少,有时晶粒内包裹气孔,结构类型属不等粒结构。

 

金红石瓷显微结构(400倍)

3.6 钛酸钡瓷

钛酸钡瓷的主晶相是钛酸钡(BaTiO3),这类瓷是主要的铁电、压电、半导体功能材料。主要原料有碳酸钡、钛白粉等。主晶相有立方、四方、斜方和三方四种变体。其中,立方相转为四方相的温度是120℃(居里温度),120℃以上稳定的立方相属钙钛矿型;0-120℃之间稳定的四方相在Z轴方向可自发极化,具有铁电和压电性能。

 

BaTiO3PTC的显微结构

3.7 氧化锌瓷

氧化锌瓷的主晶相是氧化锌(ZnO),次晶相是氧化铋、硅锌石、锌锑尖晶石等,常用作半导体变阻瓷。主要原料是氧化锌粉,还需添加一定量的Bi2O、Sb2O3SiO2等。晶形发育比较完整,呈粒装自形或半自形晶,粒径多10-20μm,六方晶系,纤锌矿型构造。晶界处常见2-6μm的锌锑尖晶石和氧化铋方形小晶粒。

 

氧化锌瓷显微结构(2000倍)

粉体圈 王京

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