陶瓷工艺学第四章显微结构与性质

1、第四章第四章 显微结构与性质显微结构与性质第一节第一节 坯体的显微结构坯体的显微结构 第二节第二节 釉层的显微结构釉层的显微结构 第三节第三节 釉层的物理化学性质釉层的物理化学性质 第四节第四节 陶瓷性能的控制陶瓷性能的控制显微结构显微结构: 在不同类型的显微镜下观察到的材料的组在不同类型的显微镜下观察到的材料的组织结构。尺寸：织结构。尺寸：1nm100 m m。相组成：相组成：玻璃相、晶相和气相。玻璃相、晶相和气相。玻璃相：研究含量、分布、应力分布等。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、分布和晶相：研究种类，数量，形态，晶粒的大小、分布和 取向、晶体

2、缺陷、晶界的特征。取向、晶体缺陷、晶界的特征。 气相：研究大小、多少、分布等。气相：研究大小、多少、分布等。第一节第一节 坯体的显微结构坯体的显微结构 1.1晶相晶相 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。长石质瓷的相组成：硅酸盐玻璃、晶相和气相。 长长石石质质瓷瓷的的相相莫来石莫来石残余石英，残余石英，半安定方石英半安定方石英滑石质瓷：原顽火辉石，斜顽火辉石。滑石质瓷：原顽火辉石，斜顽火辉石。 骨质瓷：钙长石（骨质瓷：钙长石（40%），莫来石。），莫来石。 普通陶瓷普通陶瓷：晶相占总量：晶相占总

3、量4560 特种瓷特种瓷：晶相所占的比例大。：晶相所占的比例大。 例如：在例如：在95氧化铝瓷中刚玉晶相大于氧化铝瓷中刚玉晶相大于90% 。晶相的作用晶相的作用：提高材料的力学性能、热性能、电绝缘：提高材料的力学性能、热性能、电绝缘性能等。性能等。原顽火辉石原顽火辉石钙长石钙长石莫来石莫来石组成：组成：与坯料配方有关，特别是与熔剂性原料的种类与坯料配方有关，特别是与熔剂性原料的种类有关。具有不均匀性。有关。具有不均匀性。作用：作用：普通陶瓷的玻璃相为连续相，分布在晶相周围，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，促进坯体粘接晶粒，填充空隙，促进坯体 致密，提高胎体的透致密

4、，提高胎体的透明度，降低坯体的烧结温度。明度，降低坯体的烧结温度。结构：结构：玻璃相结构疏松，强度比晶相低，玻璃相结构疏松，强度比晶相低， 大，高温大，高温下易软化变形。下易软化变形。 1.2玻璃相玻璃相 所以，所以，高玻璃相的制品机高玻璃相的制品机械强度低，热稳定性差，坯体械强度低，热稳定性差，坯体易变形。易变形。普通陶瓷存在少量的气孔。气孔率在普通陶瓷存在少量的气孔。气孔率在 0.5%-22%。气。气孔分布在玻璃相的连续孔分布在玻璃相的连续 基质中。基质中。作用：作用：降低坯体的机械强度，介电强度，降低坯体的机械强度，介电强度， 透光性，透光性，化学稳定性，增大介电损耗和化学稳定性，增大介

5、电损耗和 吸湿膨胀。吸湿膨胀。如何控制气孔的含量：如何控制气孔的含量： （1）坯料的组成）坯料的组成 （2）提高烧成温度）提高烧成温度 （3）热压烧结、等静压成型）热压烧结、等静压成型 （4）真空气氛烧成。）真空气氛烧成。 1.3气相（气孔）气相（气孔）釉层的构成：釉层的构成：玻璃相、少量晶相（残余或析出）、少玻璃相、少量晶相（残余或析出）、少量气泡。量气泡。釉层的显微结构：釉层的显微结构：各相成分以及相对含量与釉的化学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。组成、制釉方法、施釉方法、烧成制度等因素有关。第二节第二节 釉层的显微结构釉层的显微结构2.1 透明

6、釉透明釉 构成：构成：透明玻璃、少量晶体和气泡。透明玻璃、少量晶体和气泡。（1）透明玻璃）透明玻璃 硅酸盐玻璃、含磷酸盐或氧化铅的硅酸盐玻璃。硅酸盐玻璃、含磷酸盐或氧化铅的硅酸盐玻璃。（2）晶体）晶体残余晶体：石英、粘土残骸、云母残骸。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。析出晶体：莫来石、钙长石、辉石类矿物等。（3）气泡）气泡 气泡的形成：釉层物质发生物理化学反应生气泡的形成：釉层物质发生物理化学反应生 成气体；成气体；坯体内部高温下发生物理化学反应坯体内部高温下发生物理化学反应 产生气体。产生气体。气泡的克服：坯、釉料中气泡的克服：坯、釉料中少用或不

7、用少用或不用高温分高温分 解出气解出气体的原料，石英颗粒体的原料，石英颗粒细化细化；提高釉料的始熔温度，但；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。釉烧，采用熔块釉。2.2 乳浊釉乳浊釉 釉层中存在与基础玻璃性质不同釉层中存在与基础玻璃性质不同（折射率）（折射率）的第的第二相二相(或多相或多相)使入射光在多相界面发生使入射光在多相界面发生散射、折射、散射、折射、漫反射漫反射等光学现象，造成等光学现象，造成 光线不能透过而达到乳浊目光线不能透过而达到乳浊目的的釉料。的的釉料。乳浊相：气相、液相、固相。乳浊

8、相：气相、液相、固相。（1）气相乳浊釉）气相乳浊釉 结构：玻璃相和气泡小结构：玻璃相和气泡小0.1mm，但降低强度。，但降低强度。（2）液相乳浊釉）液相乳浊釉 高温下形成两种互不相溶的液相（折射率高温下形成两种互不相溶的液相（折射率 相差较相差较大），产生乳浊效果大），产生乳浊效果 的釉。的釉。 例如：例如：在高硅釉中引入骨灰（磷酸盐），在高硅釉中引入骨灰（磷酸盐）， 生成磷酸生成磷酸盐玻璃与硅酸盐玻璃两种互不相溶盐玻璃与硅酸盐玻璃两种互不相溶 的玻璃相（折射率的玻璃相（折射率差），能够达到乳浊目的。差），能够达到乳浊目的。（3）固相乳浊釉）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

9、，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、钛乳浊釉产生乳浊。包括：锆、锡、钛乳浊釉锆乳浊釉生产工艺要点：锆乳浊釉生产工艺要点： 乳浊剂：加入氧化锆、硅酸锆（锆英石）。乳浊剂：加入氧化锆、硅酸锆（锆英石）。加入量：加入量：818，氧化锆少，锆英石多。，氧化锆少，锆英石多。细度：细度：0.52 m，最好与可见光波长相当，采用超，最好与可见光波长相当，采用超细粉或单独细磨。细粉或单独细磨。基础釉：碱金属氧化物含量基础釉：碱金属氧化物含量20；引入氟化物、硼；引入氟化物、硼酸盐和磷酸盐有利于提高乳浊效果。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。

10、主要用途：卫生洁具、釉面砖、日用陶瓷。锡乳浊釉：锡乳浊釉： 传统乳浊釉，釉料中引入传统乳浊釉，釉料中引入10左右的氧化锡（单左右的氧化锡（单独细磨），基本独细磨），基本不溶于釉料不溶于釉料，最终以，最终以氧化锡晶粒氧化锡晶粒存在存在与釉中起乳浊作用。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。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。减少碱金属及硼氧化物量。钛乳浊釉：钛乳浊釉： 基础釉中加入基础釉中加入TiO2410，烧成后析出锐，烧成后析出锐钛矿或金红石或钛榍

11、石，形成钛乳浊釉。钛矿或金红石或钛榍石，形成钛乳浊釉。 （钛榍石：（钛榍石：CaO TiO2SiO2） 900以下以下得到锐钛矿，晶粒细小，效果好。得到锐钛矿，晶粒细小，效果好。 1080 以下以下得到金红石，晶粒较粗得到金红石，晶粒较粗0.3 m以上，以上， 釉面发黄；引入釉面发黄；引入CaO生成细小钛榍石，效果好。生成细小钛榍石，效果好。 TiO2 CaO1 （0.72）分相分相/微晶共乳浊釉：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。用的乳浊釉。例例1：锆乳浊釉中引入磷酸盐。：锆乳浊釉中引入磷酸盐。 例例2：R2O-R

12、O-Al2O3-SiO2-P2O5系系乳浊釉。乳浊釉。第三节第三节 釉层的物理化学性质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釉层中各氧化物对釉的物理化学性质的影响 P251252表表4-18第四节第四节 陶瓷性能的控制陶瓷性能的控制4.1 无机材料强度理论无机材料强度理论（1）理论强度计算公式：）理论强度计算公式：Eth式中：式中：E材料的弹性模量，材料的弹性模量，Pa 表面断裂能，表面断裂能，J/m2 原子间的平均距离或晶格常数原子间的平均距离或晶格常数实验证明：实验证明： th 0.1E，远远大于实际强度两个数量级。，远远大于实际强度两个数量级。（2）实际强度理论）实际强

13、度理论 最著名的是最著名的是1920年格里菲斯的微裂纹理论。年格里菲斯的微裂纹理论。式中：式中：l半裂纹长度半裂纹长度lE2无机材料的强度主要与材料的表面断裂能和弹性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。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影响材料强度的因素内因内因E和和 外因外因l 半裂纹长度半裂纹长度（1）影响）影响E和和 的因素的因素 E 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：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。多少等因素有关。 ：与材料的化学组成、晶体结构、显微结构

14、及缺陷有关。：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（）陶瓷材料内部产生微裂纹（）的原因）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。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。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，受热内应力作多相材料各相热性能不同，受热内应力作 用产生微裂纹。用产生微裂纹。. .材料中存在的气孔。材料中存在的气孔。. .材料表面粗糙。材料表面粗糙。4.3 晶相显微结构对陶瓷强度的影响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）晶相种数量类对

15、强度的影响 硅酸盐晶相强度硅酸盐晶相强度 普通玻璃相强度普通玻璃相强度 表表4-20晶相组成、数量对陶瓷材料强度的影响晶相组成、数量对陶瓷材料强度的影响结论：结论： 瓷坯中晶相愈多，强度愈高；瓷坯中晶相愈多，强度愈高； 晶相强度愈高，瓷坯强度愈高。晶相强度愈高，瓷坯强度愈高。（2）晶粒尺寸对强度的影响）晶粒尺寸对强度的影响半经验公式：半经验公式：Kd式中：式中： K与晶体结构及材料显微结构有关比例常数。与晶体结构及材料显微结构有关比例常数。 d晶粒直径。晶粒直径。 与材料特性和实验条件有关经验常数。与材料特性和实验条件有关经验常数。 1/81 随随d的增大而增大。的增大而增大。晶粒细化提高强度

16、机理：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，裂纹扩展晶粒愈细小，比表面积愈大，晶界愈多，裂纹扩展阻力愈大。阻力愈大。 .粗大晶粒应力集中效应明显。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。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，石英粒度以三组分高石英质高强度瓷，石英粒度以 1030um为宜。为宜。控制晶粒大小的途径：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。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。制定科学合理的烧成制度，防止晶粒长大。

17、.选择适当、适量的添加剂，抑制晶粒的异常长大。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）晶型与晶粒形貌对强度的影响低温下的晶型转变，通常导致瓷坯的强低温下的晶型转变，通常导致瓷坯的强 度降低；度降低； 晶粒形状（球形、柱状）于晶型有关，对强度的影响晶粒形状（球形、柱状）于晶型有关，对强度的影响也较大。也较大。（4）晶界对强度的影响）晶界对强度的影响晶界愈多，抑制裂纹的扩展，界面上如晶界愈多，抑制裂纹的扩展，界面上如 有气孔降有气孔降低强度。低强度。4.4 玻璃相对强度的影响玻璃相对强度的影响晶相强度晶相强度 普

18、通玻璃相强度普通玻璃相强度 气相气相在保证气孔率不升高的条件下，减少玻璃相的含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，瓷坯的强度量，或提高玻璃相的强度，瓷坯的强度 提高。提高。 特种陶瓷生产，对于添加剂形成的少量玻特种陶瓷生产，对于添加剂形成的少量玻 璃相进璃相进行行晶化处理晶化处理。4.5 气相对强度的影响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。通过对多孔陶瓷的研究，得到气孔率与强度关系。经验公式：经验公式：）（pexp0式中：式中：P气孔率，；气孔率，； 0P0时的强度，时的强度，Mpa； 与材料种类相关常数；普通陶瓷取与材料种类相关常数；普通

19、陶瓷取2.62.9。结论：结论：强度随气孔率升高急速降低。强度随气孔率升高急速降低。 如如P257图图4-40氧化铝陶瓷抗折强度与气孔率。氧化铝陶瓷抗折强度与气孔率。 另外，另外，气孔的大小，分布均匀程度，存在气孔的大小，分布均匀程度，存在 形式形式（开口、闭口）等因素有关。（开口、闭口）等因素有关。4.6 工艺因素对强度的影响工艺因素对强度的影响（1）原料制备过程）原料制备过程 提高细度、保证纯度、合理级配、添加剂。提高细度、保证纯度、合理级配、添加剂。（2）成形工艺的影响）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。成形时具体方法不同，最终瓷坯的强度不同。 等静压等静压 双面加压双面加压 单面加压单面加压（3）烧成方法与制度的影响）烧成方法与制度的影响 烧结方法常压烧结与热压烧结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。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。多而且细小、玻璃相少。4.7 陶瓷光学