陶瓷的显微结构及性能

陶瓷材料的力学性能陶瓷材料陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。

金属：金属键高分子：共价键（主价键）范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。

普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。

工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。

工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。

硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。

常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。

一、陶瓷材料的结构和显微组织1、结构特点陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。

可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。

如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”2、显微组织晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。

（可通过热处理改善材料的力学性能）陶瓷的分类玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷—普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温……金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…2.陶瓷的生产(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结3. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。

（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2)(3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。

2 （E/1000--E/100）。

陶瓷产品的质量标准一、尺寸精度尺寸精度是衡量陶瓷产品精度的重要指标，包括产品的外形尺寸、内部结构尺寸、孔位尺寸等。

高质量的陶瓷产品尺寸精度应符合设计要求，误差不超过规定范围。

二、外观质量陶瓷产品的外观质量主要指表面平整度、光洁度、色泽等。

高质量的陶瓷产品外观应光滑、细腻、色泽均匀，无明显瑕疵、裂纹、变形等质量问题。

三、热稳定性热稳定性是衡量陶瓷产品在温度变化下的稳定性的重要指标。

高质量的陶瓷产品应具有较好的热稳定性，在温度变化的情况下不易变形、开裂或炸裂。

四、机械强度机械强度是衡量陶瓷产品承受外力作用的能力的重要指标。

高质量的陶瓷产品应具有较高的机械强度，能够承受一定范围内的外力作用，不易破碎或损坏。

五、化学成分陶瓷产品的化学成分是影响其性能和质量的关键因素之一。

高质量的陶瓷产品应具有符合设计要求的化学成分，不含影响性能和质量的有害杂质。

六、显微结构显微结构是影响陶瓷产品性能和质量的重要因素之一。

高质量的陶瓷产品应具有符合设计要求的显微结构，包括晶粒大小、晶界形态、气孔大小和分布等。

七、使用寿命使用寿命是衡量陶瓷产品质量和使用效果的重要指标之一。

高质量的陶瓷产品应具有较长的使用寿命，能够满足设计要求的使用寿命。

八、安全性能安全性能是衡量陶瓷产品安全性的重要指标之一。

高质量的陶瓷产品应具有符合安全标准的安全性能，如电气安全、防火安全等。

九、功能性要求功能性要求是衡量陶瓷产品满足设计功能要求的重要指标之一。

高质量的陶瓷产品应具有符合设计要求的各项功能性指标，如透气性、透光性、耐腐蚀性等。

1引言陶瓷用具作为辊道窑的关键部件，在辊道窑中起到重要作用。

刚玉-莫来石质陶瓷辊棒，在长期转动过程中要求具备抗高温蠕变的特性，是一种特殊的结构陶瓷。

随着陶瓷大板、岩板、薄板、厚板、发泡陶瓷等新型建筑材料的快速发展，陶瓷辊棒的使用要求越来越高。

刚玉-莫来石质陶瓷辊棒是陶瓷行业辊道窑最常用的材质，具有较高的机械强度、良好的抗热震性以及较低的高温蠕变，能较好的满足辊道窑稳定运转和烧成陶瓷制品的要求[1]。

本文设计了多种烧成制度，对比研究其对刚玉-莫来石陶瓷相含量、显微结构以及性能的影响。

2实验冯斌1,2;张军恒1,2;张脉官1;杨华亮1,2;王玉梅2;罗琼1,2;孔令锋1,2;严玉琳1,2;吴丹1,2（1.广东金刚新材料有限公司，佛山5280002.佛山市陶瓷研究所集团股份有限公司，佛山528000）研究烧成制度对刚玉-莫来石结构陶瓷微观结构、相变反应及性能的影响。

结果表明：当升温速率较快时，刚玉固溶和溶解速度较慢，残余刚玉量较高，生成玻璃相较少；随着温度升高，刚玉与莫来石的相对质量比越来越小，说明提高温度，加速了刚玉溶解，但是玻璃相/莫来石比值不同，更易受升温速率影响，快速升温时温度越高，比值越小，慢速升温时温度越高则比值越大；升温速率对莫来石、刚玉和玻璃相作用因子从大到小排列顺序是：玻璃相>刚玉>莫来石，快速升温时最高温度影响因子排列顺序是：玻璃相>莫来石>刚玉，慢速升温时最高温度影响因子是：玻璃相>刚玉>莫来石；1550℃以下烧成莫来石生长发育不良，晶体出现短柱状长径比较小，网状交叉分布数量明显减少，气孔较多，这是因为二次莫来石化未完全反应，未充分烧结；结构陶瓷热膨胀系数影响因子：刚玉与莫来石质量比、显气孔率、体积密度，其中刚玉与莫来石质量比是最主要影响因素，后两者影响作用比较接近，刚玉与莫来石质量比越大，陶瓷热膨胀系数则越大。

刚玉-莫来石；热膨胀系数；玻璃相研究与探讨Research&Discussion本次设计了1组目前比较常见的刚玉-莫来石结构陶瓷配方，见表1。

陶瓷材料显微结构与性能1陶瓷烧结过程中影响⽓孔形成的因素有哪些？(1)煅烧温度过低、时间过低 (2)煅烧是时原料中的⽔碳酸盐、硫酸盐的分解或有机物的氧化 (3) 煅烧时炉内⽓氛的扩散 (4) 煅烧时温度过⾼，升温过快或窑内⽓氛不合适等。

夏炎2.影响陶瓷显微结构的因素有哪些？参考答案：(1) 原料组成、粒度、配⽐、混料⼯艺等(2) 成型⽅式、成型条件、制品形状等(3)⼲燥制度（⼲燥⽅式、温度制度、⽓氛条件、压⼒条件等）(4) 烧成制度（烧成⽅式、窑炉结构、温度制度、⽓氛条件、压⼒条件等）3. 提⾼陶瓷材料强度及减轻其脆性有哪些途径？参考答案：a.制造微晶、⾼密度、⾼纯度的陶瓷。

例如，采⽤热等静压烧结制成的Si3N4⽓孔率极低，其强度接近理论值。

b.在陶瓷表⾯引⼊压应⼒可提⾼材料的强度。

钢化玻璃是成功应⽤这⼀⽅法的典型例⼦。

c.消除表⾯缺陷，可有效地提⾼材料的实际强度。

d.复合强化。

采⽤碳纤维、SiC纤维制成陶瓷/陶瓷复合材料，可有效地改善材料的强韧性。

e.ZrO2与增韧。

ZrO2对陶瓷的强韧化的贡献有四种机理（相变增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、表⾯残余应⼒增韧）罗念4.影响氧化锆相变增韧的因素是什么？简单叙述氮化硅陶瓷具有的性能及常⽤的烧结⽅法。

①晶粒⼤⼩。

当晶粒尺⼨⼤于临界尺⼨易于相变。

若晶粒尺⼨太⼩，相变也就难以进⾏。

②添加剂及其含量使⽤不同的添加剂， t-ZrO2的可转变最佳晶粒⼤⼩、范围也不同。

③晶粒取向。

晶粒取向的不同⽽影响相变导致增韧的机制。

氮化硅陶瓷具有⾼强度、⾼硬度、耐磨、耐化学溶液和熔体的腐蚀、⾼电绝缘体、低热膨胀和优良抗热冲击、抗机械冲击等性能。

烧结⽅法：反应烧结氮化硅、⽆压烧结氮化硅、重烧结氮化硅、⽓氛加压氮化硅和热压烧结氮化硅。

——李成5.⽓孔对功能陶瓷性能的影响及降低功能陶瓷中的⽓孔量的措施？⽓孔均可使磁感应强度、弹性模量、抗折强度、磁导率、电击穿强度下降，对畴运动造成钉扎作⽤，影响了铁电铁磁性。

宜兴紫砂陶的生产工艺特点和显微结构一、引言宜兴紫砂是宜兴日用陶瓷中的一枝奇葩，也是我国优秀的传统工艺品，它在祖国的陶瓷艺苑中占有极重要的地位。

关于宜兴紫砂陶的起源，近年考古工作标明，已可追溯到北宋中叶。

［1］宜兴是个具有五千余年生产历史的重要陶瓷产区［2］。

到了宋代，那儿的陶瓷工人已积存了丰富的生产经验。

当地蕴躲着丰富的原料〔甲泥〕，山区有充裕的燃料，加之社会上盛行斗茶习尚，促使日用陶瓷中的无釉陶器向紫砂陶开发，至明清时期工艺日臻完美，名匠辈出，独树一帜而驰誉中外。

宜兴紫砂陶使用一种紫砂泥，辅以洗炼新奇的造型，精湛的手工制作和装饰技艺，烧成后的茶具具有维持茶的色、香、味，不易变质发馊，耐冷热急变性好；花盆栽花不易烂根，有利植物生长等特点。

因此，陶器具有高度价值和有用价值。

为了验证紫砂陶的有用功能，探究其科学原理，江苏省陶瓷研究所、南京化工学院、南京大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、宜兴紫砂工艺厂等单位，对宜兴陶土原料，紫砂陶的显微结构进行了研究。

获得了一批研究成果。

［3］［4］［5］多年来，笔者也对紫砂陶进行了研究实验工作。

本文试应用已取得的研究结果，对宜兴紫砂的生产工艺、显微结构以及有用功能进行较具体的论述和分析。

但要对已有一千多年历史的传统紫砂陶进行全面的科学总结，非笔者力所能及。

本文愿能起到抛砖引玉的作用，以期获得更多的科技工作者的共同努力，使紫砂陶这项传统技艺，更加发扬光大。

二、紫砂陶的生产工艺特点〔一〕原料特牲和制备工艺宜兴的陶土，广布于宜兴南部丘陵山区。

丁山、张渚、湖〔本字无法显示“氵+父〞〕、渚东为要紧产地。

上述地区古生代地层颇为发育，陶土即赋存于志留世、泥盆世、早石炭世等地层中［7］。

陶土的成因，均属内陆湖泊相及滨海湖沼相沉积矿床，通过外生沉积作用成矿。

宜兴陶土品种繁多，当地一般把陶土分为白泥、甲泥和嫩泥三大类。

白泥要紧含矿层为晚志留世茅山群〔S3〕、晚泥盆世五通群下段〔D〕和二迭系上统龙潭组〔P〕及石炭系下统高丽山组〔C〕。

陶瓷的构成陶瓷是陶器与瓷器的统称，同时也是我国的一种工艺美术品，远在新石器时代，我国已有风格粗犷、朴实的彩陶和黑陶。

陶与瓷的质地不同，性质各异。

陶，是以粘性较高、可塑性较强的粘土为主要原料制成的，不透明、有细微气孔和微弱的吸水性，击之声浊。

瓷是以粘土、长石和石英制成，半透明或透明，无气孔或气孔极少，吸水性极低，击之声清脆。

陶瓷的组成陶瓷的组成主要包括三个方面：晶相、玻璃相和气相。

晶相晶相是指陶瓷显微结构中由晶体构成的部分。

在陶瓷显微结构中可以是由一种晶体（单相）或不同类型的晶体（多相）组成。

其中含量多者称为主晶相，含量少的称次级晶相或第二晶相。

陶瓷材料的性能和主晶相的种类、数量、分布及缺陷状况等密切有关。

陶瓷材料的晶体主要是单一氧化物（如Al2O3，MgO）和复合氧化物（如尖晶石MgO·Al2O3，锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O3）。

此外，非氧化物陶瓷材料中还有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等相应组分的晶体存在。

玻璃相玻璃相是指陶瓷显微结构中由非晶体构成的部分。

它存在于晶粒与晶粒之间，起着胶黏作用。

玻璃相的含量、成分和分布对陶瓷材料的性能有重要影响。

一般来说，玻璃相含量越多，陶瓷材料越容易变形和断裂；玻璃相含量越少，陶瓷材料越坚硬和耐高温。

玻璃相的成分主要取决于原料中的杂质和添加剂。

常见的玻璃相成分有SiO2、Al2O3、B2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等。

气相气相是指陶瓷中的气孔，它是在陶瓷生产过程中形成并被保留下来的。

气孔的存在降低了陶瓷的密度，能吸收震动，并进一步降低了导热系数。

但也导致陶瓷强度下降，介电损耗增大，绝缘性降低。

气孔的大小、形态和分布对陶瓷材料的性能有不同程度的影响。

一般来说，气孔越小越均匀越少越好。

气孔可以通过改善原料配比、提高成形压力、控制烧结温度和时间等方法来减少或消除。