陶瓷工艺学第四章显微结构与性质

第四章显微结构与性质,第一节坯体的显微结构第二节釉层的显微结构第三节釉层的物理化学性质第四节陶瓷性能的控制,显微结构:在不同类型的显微镜下观察到的材料的组织结构。尺寸：1nm100m。,相组成：玻璃相、晶相和气相。,玻璃相：研究含量、分布、应力分布等。晶相：研究种类，数量，形态，晶粒的大小、分布和取向、晶体缺陷、晶界的特征。气相：研究大小、多少、分布等。,第一节坯体的显微结构,1.1晶相长石质瓷晶相：莫来石，残余石英，半安定方石英。长石质瓷的相组成：硅酸盐玻璃、晶相和气相。,长石质瓷的相,莫来石,残余石英，半安定方石英,滑石质瓷：原顽火辉石，斜顽火辉石。骨质瓷：钙长石（40%），莫来石。普通陶瓷：晶相占总量4560特种瓷：晶相所占的比例大。例如：在95氧化铝瓷中刚玉晶相大于90%。晶相的作用：提高材料的力学性能、热性能、电绝缘性能等。,原顽火辉石,钙长石,莫来石,组成：与坯料配方有关，特别是与熔剂性原料的种类有关。具有不均匀性。作用：普通陶瓷的玻璃相为连续相，分布在晶相周围，粘接晶粒，填充空隙，促进坯体致密，提高胎体的透明度，降低坯体的烧结温度。结构：玻璃相结构疏松，强度比晶相低，大，高温下易软化变形。,1.2玻璃相,所以，高玻璃相的制品机械强度低，热稳定性差，坯体易变形。,普通陶瓷存在少量的气孔。气孔率在0.5%-22%。气孔分布在玻璃相的连续基质中。作用：降低坯体的机械强度，介电强度，透光性，化学稳定性，增大介电损耗和吸湿膨胀。如何控制气孔的含量：（1）坯料的组成（2）提高烧成温度（3）热压烧结、等静压成型（4）真空气氛烧成。,1.3气相（气孔）,釉层的构成：玻璃相、少量晶相（残余或析出）、少量气泡。釉层的显微结构：各相成分以及相对含量与釉的化学组成、制釉方法、施釉方法、烧成制度等因素有关。,第二节釉层的显微结构,2.1透明釉构成：透明玻璃、少量晶体和气泡。（1）透明玻璃硅酸盐玻璃、含磷酸盐或氧化铅的硅酸盐玻璃。（2）晶体残余晶体：石英、粘土残骸、云母残骸。析出晶体：莫来石、钙长石、辉石类矿物等。（3）气泡气泡的形成：釉层物质发生物理化学反应生成气体；坯体内部高温下发生物理化学反应产生气体。气泡的克服：坯、釉料中少用或不用高温分解出气体的原料，石英颗粒细化；提高釉料的始熔温度，但成釉温度不宜太高，延长保温时间；高温素烧，低温釉烧，采用熔块釉。,2.2乳浊釉釉层中存在与基础玻璃性质不同（折射率）的第二相(或多相)使入射光在多相界面发生散射、折射、漫反射等光学现象，造成光线不能透过而达到乳浊目的的釉料。乳浊相：气相、液相、固相。（1）气相乳浊釉结构：玻璃相和气泡小0.1mm，但降低强度。（2）液相乳浊釉高温下形成两种互不相溶的液相（折射率相差较大），产生乳浊效果的釉。例如：在高硅釉中引入骨灰（磷酸盐），生成磷酸盐玻璃与硅酸盐玻璃两种互不相溶的玻璃相（折射率差），能够达到乳浊目的。,（3）固相乳浊釉釉层中的固相与基础玻璃相的折射率相差较大，产生乳浊。包括：锆、锡、钛乳浊釉锆乳浊釉生产工艺要点：乳浊剂：加入氧化锆、硅酸锆（锆英石）。加入量：818，氧化锆少，锆英石多。细度：0.52m，最好与可见光波长相当，采用超细粉或单独细磨。基础釉：碱金属氧化物含量20；引入氟化物、硼酸盐和磷酸盐有利于提高乳浊效果。主要用途：卫生洁具、釉面砖、日用陶瓷。,锡乳浊釉：传统乳浊釉，釉料中引入10左右的氧化锡（单独细磨），基本不溶于釉料，最终以氧化锡晶粒存在与釉中起乳浊作用。基础釉中碱金属氧化物和氧化硼提高氧化锡的溶解度；其它氧化物基本上都是降低氧化锡的溶解度。减少碱金属及硼氧化物量。,钛乳浊釉：基础釉中加入TiO2410，烧成后析出锐钛矿或金红石或钛榍石，形成钛乳浊釉。（钛榍石：CaOTiO2SiO2）900以下得到锐钛矿，晶粒细小，效果好。1080以下得到金红石，晶粒较粗0.3m以上，釉面发黄；引入CaO生成细小钛榍石，效果好。TiO2CaO1（0.72）,分相/微晶共乳浊釉：釉中微晶和分相玻璃相共同存在，同时起乳浊作用的乳浊釉。例1：锆乳浊釉中引入磷酸盐。例2：R2O-RO-Al2O3-SiO2-P2O5系乳浊釉。,第三节釉层的物理化学性质,釉层中各氧化物对釉的物理化学性质的影响P251252表4-18,第四节陶瓷性能的控制,4.1无机材料强度理论,（1）理论强度计算公式：,式中：E材料的弹性模量，Pa表面断裂能，J/m2原子间的平均距离或晶格常数实验证明：th0.1E，远远大于实际强度两个数量级。,（2）实际强度理论最著名的是1920年格里菲斯的微裂纹理论。,式中：l半裂纹长度,无机材料的强度主要与材料的表面断裂能和弹性模量有关，也与材料的微裂纹长度有关。,4.2影响材料强度的因素,内因E和外因l半裂纹长度（1）影响E和的因素E：与材料的化学组成、矿物组成、晶体结构及缺陷、气孔的大小多少等因素有关。：与材料的化学组成、晶体结构、显微结构及缺陷有关。,（2）陶瓷材料内部产生微裂纹（）的原因.晶体在结晶过程中形成的缺陷，应力集中产生微裂纹。.机械损伤和化学腐蚀，产生微裂纹。.多相材料各相热性能不同，受热内应力作用产生微裂纹。.材料中存在的气孔。.材料表面粗糙。,4.3晶相显微结构对陶瓷强度的影响,（1）晶相种数量类对强度的影响硅酸盐晶相强度普通玻璃相强度表4-20晶相组成、数量对陶瓷材料强度的影响,结论：瓷坯中晶相愈多，强度愈高；晶相强度愈高，瓷坯强度愈高。,（2）晶粒尺寸对强度的影响,半经验公式：,式中：K与晶体结构及材料显微结构有关比例常数。d晶粒直径。与材料特性和实验条件有关经验常数。1/81随d的增大而增大。,晶粒细化提高强度机理：,A.晶粒愈细小，比表面积愈大，晶界愈多，裂纹扩展阻力愈大。.粗大晶粒应力集中效应明显。.晶粒愈大，非等轴晶系晶体各向异性表现愈明显。三组分高石英质高强度瓷，石英粒度以1030um为宜。,控制晶粒大小的途径：,.原料细度控制，特别是与瓷坯强度关系密切的原料。.制定科学合理的烧成制度，防止晶粒长大。.选择适当、适量的添加剂，抑制晶粒的异常长大。铝质瓷中引入氧化镁0.51。,（3）晶型与晶粒形貌对强度的影响,低温下的晶型转变，通常导致瓷坯的强度降低；晶粒形状（球形、柱状）于晶型有关，对强度的影响也较大。,（4）晶界对强度的影响,晶界愈多，抑制裂纹的扩展，界面上如有气孔降低强度。,4.4玻璃相对强度的影响,晶相强度普通玻璃相强度气相,在保证气孔率不升高的条件下，减少玻璃相的含量，或提高玻璃相的强度，瓷坯的强度提高。特种陶瓷生产，对于添加剂形成的少量玻璃相进行晶化处理。,4.5气相对强度的影响,通过对多孔陶瓷的研究，得到气孔率与强度关系。经验公式：,式中：P气孔率，；0P0时的强度，Mpa；与材料种类相关常数；普通陶瓷取2.62.9。,结论：强度随气孔率升高急速降低。如P257图4-40氧化铝陶瓷抗折强度与气孔率。,另外，气孔的大小，分布均匀程度，存在形式（开口、闭口）等因素有关。,4.6工艺因素对强度的影响,（1）原料制备过程提高细度、保证纯度、合理级配、添加剂。,（2）成形工艺的影响普通陶瓷的成形方法对强度的影响不大，压制法成形时具体方法不同，最终瓷坯的强度不同。等静压双面加压单面加压,（3）烧成方法与制度的影响烧结方法常压烧结与热压烧结烧成制度：温度制度、气氛制度。确保瓷坯致密度高、气孔率低、高强度晶体含量多而且细小、玻璃相少。,4.7陶瓷光学性能的控制,白度,（1）影响白度的因素坯釉料中TiO2、Fe2O3等着色氧化物的含量,（2）提高白度的措施,（A）选择着色氧化物少的原料；（B）坯釉料制备过程加强除铁工艺；,透光度可见光透过坯体的能力。（1）着色氧化物的影响着色氧化物含量愈高，透光度愈低。（2）瓷坯显微结构的影响（A）晶体的大小形状和折射率，愈接近可见光的波长，对透光度的影响愈大。（B）玻