陶瓷胎体的显微结构与性质

15/46
1 、粘土矿物煅烧时的变化—高岭石
➢ 500～700℃ 分解失去结构水， 出现吸热效应：
Al2O3•2SiO2•2H2O→ Al2O3•2SiO2+2H2O
偏高岭石 偏高岭石：Si-Ｏ四面体仍然存在，Al-Ｏ八面体中的Al-Ｏ Ｈ键断裂，Al3＋与Ｏ2－重新排列为Al-Ｏ键，Al的配位数由 6→4。
(a)
(b)
(c)
(d)
1350℃烧结的BM0(a)，BM5(b)，BM8(c)和1300℃烧结BM5D3(d)
5/46
(a)
(b)
(c)
(d)
1350℃烧结(a) BM0，(b)BM5，(c)BM8和1300℃烧结(d)BM5D3
6/46
显微结构指利用各种显微镜才能观察到材料的组织
结构，是组成、工艺、过程等因素的反映，是决定
8/46
1 、显微结构的组成——晶相
陶瓷材料是多晶相的复合体，主晶相直接影响产 品的性能。 长石质瓷的晶相：莫来石，残余石英，半安定方 石英。总量占45～60%。 滑石质瓷的晶相：原顽火辉石，斜顽火辉石。 骨灰瓷的晶相： -Ca3（PO4）2，Ca-长石 特种瓷的晶相：晶相所占的比例大。如：刚玉瓷 中刚玉晶相> 95% 。
材料性能的基础。
使用效能
性能
显微结构如何表征？ 组成与结构
合成与制备
7/46
一、 显微结构的组成
陶瓷坯体的显微结构：晶相、玻璃相、气相构 成。 ➢ 晶相:研究种类，数量，形态，晶粒的大小、分 布和取向，晶体缺陷。 ➢ 玻璃相：研究含量、分布、应力分布等。 ➢ 气孔：研究大小、多少、分布、位置等及微裂纹 的大小、形状分布等。
当长石的玻璃熔体中的钾离子向周边扩散，中心部 位贫钾，则组成逐渐转为莫来石的组成，在熔体中 析晶出二次针状莫来石晶体。
一石次英莫颗来粒石处：于由粘长土石矿熔物体分包解裹生中成，的部细粒分、石鳞英片熔状解莫于熔
来体石中。，形成高硅玻璃相。
二长次石莫熔来体石流：动由熔填体充中进析粘晶土出分来解的形针成、棒的状一二次次莫莫来来石产
晶相的作用： 提高材料的力学性能、热性能、电绝缘性能等。9/46
(a)
1280℃烧结后PZT陶瓷断面的SEM照片
10/46
2 、显微结构的组成——玻璃相
玻璃相：坯料组分或杂质所形成的低共熔固体物质。
❖ 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。
陶瓷胎体的显微结构与性质
2/46
Apparent density/g.cm-3 Crush ratio/%
3.50
3.45
3.40
3.35
3.30
BM0
BM5
3.25 1150
1200 1250 1300
Sintering temperature/℃
1350
25 BM0 BM5
20
15
10
5
1150
❖ 注意：玻璃相结构疏松，强度比晶相低，膨胀系数大，
高温下易软化变形，因此过多会降低制品强度及热震
性→高温易变形。
11/46
12/46
3 、显微结构的组成——气孔
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。 气孔会明显影响材料性能，降低坯体机械强度、介
在陶瓷坯体中，长石作为熔剂在高温下形成硅酸盐熔体。
▪ 长石的熔剂作用是由它与石英及粘土矿物形成低共
Fra Baidu bibliotek
熔点引起的：
• 钾长石与石英颗粒在990℃形成低共熔体
• 钠长石与石英颗粒在1070℃形成低共熔体
• 因粘土矿物受热会分解SiO2，所以长石与粘土矿物
颗粒之间也会熔融。
19/46
钾长石在1150℃以上熔融成熔体，钠长石在1120℃ 以上熔融成熔体。
石物。区内，形成钾钠玻璃相，减少孔隙。
20/46
二次莫来石和石英
21/46
3 、烧成时石英的变化
▪ 加热至573℃ β－石英→α－石英 ▪ 烧成时，石英会溶解于熔体中，在颗粒周围形成熔蚀边 ▪ 粘土矿物莫来石化过程中会生成无定形SiO2，它在高温
下存在形态与粘土化学性质与矿物组成有关： • 碱量少 熔体数量少 SiO2不易熔入其中，则转化生
1200 1250 1300
Sintering temperature/℃
1350
3/46
(a)
(b)
BM5试样表面的显微结构: (a) 1250℃ (b) 1350℃
(a)
(b)
图3-2 BM5试样表面的显微结构: (a) 1250℃ (b) 1350℃
BM5D3试样表面的显微结构: (a) 1250℃ (b) 1300℃ 4/46
成方石英 • 碱量多 熔体数量多 SiO2易熔入其中，则难以生成
方石英
22/46
4、陶瓷坯体显微结构的形成过程
23/46
5、显微结构中各相的作用
莫来石（10-30%） ➢主晶相，构成瓷胎的骨架。 ➢来源：
粘土分解——一次莫来石，发育较差的鳞片状和发 育良好的人字形
玻璃相中析晶——二次莫来石，针状，交织成网。 ➢具有较高的力学强度，尤其是网状的莫来石强度更 高。
3Al2O3 • 2SiO2＋SiO2
（一次）莫来石
方石英
1000℃开始转化为莫来石与方石英，第二个放热反应 > 1200℃ 莫来石量变化不大，晶体逐步长大和逐步
发育完整，方石英量迅速增加 >1400℃ 方石英部分溶于液相，数量减少。
17/46
鳞片状莫来石和网状莫来石
18/46
2 、长石在加热过程中的变化
➢980～1000℃ 第一个放热反应：
2（Al2O3•2SiO2） 约980℃
2Al2O3•3SiO2＋SiO2
Al－Si尖晶石相
16/46
➢ 由Al-Si尖晶石→莫来石：
2Al2O3 • 3SiO2 约11020（℃Al2O3 • SiO2）＋4SiO2
转变中的莫来石 方石英
3（Al2O3 • SiO2 ）
电强度、透光性、白度等，降低化学稳定性、抗冻 性，增大介电损耗和吸湿膨胀。 但可改善隔热、吸附、过滤等性能——如保温砖， 多孔陶瓷等。
13/46
14/46
二、长石质陶瓷显微结构的形成
以高岭石－长石－石英三元系统为例,解释其陶瓷显 微结构的形成过程
❖ 粘土矿物煅烧时的变化-高岭土 ❖ 长石在加热过程中的作用 ❖ 烧成时石英的变化 ❖ 陶瓷显微结构的形成过程 ❖ 显微结构中各相的作用