陶瓷工艺学--9__显微结构与性质-09[1].10.ppt

第第9章章 显微结构与性质显微结构与性质 第一节第一节 陶瓷胎体显微结构陶瓷胎体显微结构u显微结构显微结构是指在不同类型显微镜下观察到的材料的组织结是指在不同类型显微镜下观察到的材料的组织结构。显微结构的大小从数纳米到构。显微结构的大小从数纳米到0.1mm，最小的结构尺度最小的结构尺度大于晶胞尺寸（若是研究的结构小于晶胞尺寸则称之为微大于晶胞尺寸（若是研究的结构小于晶胞尺寸则称之为微观结构）。观结构）。u陶瓷胎体的显微结构是在各类显微镜下分辨陶瓷材料中含陶瓷胎体的显微结构是在各类显微镜下分辨陶瓷材料中含有晶相的种类、数量、形状、大小、发育程度及其几何分有晶相的种类、数量、形状、大小、发育程度及其几何分布。布。u陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构由不同的晶相、玻璃相、气孔等构成。由不同的晶相、玻璃相、气孔等构成。一般情况下普通陶瓷的显微结构由下列几个组分构成：一般情况下普通陶瓷的显微结构由下列几个组分构成：玻玻璃相（按体积计）为璃相（按体积计）为4065%，莫来石晶体为，莫来石晶体为10%30%，残留石英（含方石英）为，残留石英（含方石英）为10%25%，以及少量的气孔。，以及少量的气孔。n晶相晶相是决定陶瓷基本性能的主导物相，其种类、是决定陶瓷基本性能的主导物相，其种类、发育状态、完整程度、存在方式、晶体取向、晶发育状态、完整程度、存在方式、晶体取向、晶体缺陷等均对陶瓷性能产生影响。体缺陷等均对陶瓷性能产生影响。n玻璃相玻璃相是陶瓷坯体中的低熔组成物，其粘度、数是陶瓷坯体中的低熔组成物，其粘度、数量、分布方式等也对陶瓷材料的性能产生影响。量、分布方式等也对陶瓷材料的性能产生影响。n气孔（气相）气孔（气相）是陶瓷材料中不可避免出现的，它是陶瓷材料中不可避免出现的，它的存在方式、数量、分布状态也对陶瓷材料性能的存在方式、数量、分布状态也对陶瓷材料性能产生影响。产生影响。显微结构中各物相的作用：显微结构中各物相的作用：1、莫来石、莫来石v瓷胎中的莫来石分别由粘土形成和从玻璃相中析出。瓷胎中的莫来石分别由粘土形成和从玻璃相中析出。粘土粘土团粒中形成的莫来石有两类，即发育得较差的团粒中形成的莫来石有两类，即发育得较差的鳞片状莫来石和发育得较好、排列整齐的人字形莫鳞片状莫来石和发育得较好、排列整齐的人字形莫来石；来石；玻璃相中玻璃相中析出的莫来石为细针状，交织成网，析出的莫来石为细针状，交织成网，通常称之为莫来石鸟巢。通常称之为莫来石鸟巢。v莫来石构成瓷胎中玻璃相的骨架，骨架的强度可以莫来石构成瓷胎中玻璃相的骨架，骨架的强度可以明显改变玻璃相基质的强度。通常希望瓷胎中莫来明显改变玻璃相基质的强度。通常希望瓷胎中莫来石晶相的晶粒大小均匀或有较多的网状莫来石。石晶相的晶粒大小均匀或有较多的网状莫来石。2、玻璃相、玻璃相 一般情况下，瓷坯中的玻璃相有以下三种组成一般情况下，瓷坯中的玻璃相有以下三种组成，即：环，即：环绕在石英颗粒周围的熔有石英的高硅玻璃相；中间生长有绕在石英颗粒周围的熔有石英的高硅玻璃相；中间生长有交织成网的莫来石晶体的长石玻璃相；填充在粘土残骸间交织成网的莫来石晶体的长石玻璃相；填充在粘土残骸间的玻璃相。的玻璃相。玻璃相的玻璃相的高温粘度高温粘度决定着瓷坯抵御高温变形的能力。决定着瓷坯抵御高温变形的能力。钾长石玻璃相的高温粘度较钠长石的高温粘度大，抵抗高钾长石玻璃相的高温粘度较钠长石的高温粘度大，抵抗高温变形的能力优于钠长石；玻璃相中熔解的石英数量愈多，温变形的能力优于钠长石；玻璃相中熔解的石英数量愈多，则玻璃相的高温粘度愈大，瓷坯愈不易变形。则玻璃相的高温粘度愈大，瓷坯愈不易变形。冷却后，冷却后，玻璃相的力学强度玻璃相的力学强度对瓷坯的力学强度起主要作用，玻璃相中对瓷坯的力学强度起主要作用，玻璃相中的网络结构愈完整，则瓷坯的强度愈高。反之，则强度愈低。的网络结构愈完整，则瓷坯的强度愈高。反之，则强度愈低。玻璃相的量玻璃相的量对陶瓷坯体的致密性有重要的作用，玻璃相多且粘度适中，对陶瓷坯体的致密性有重要的作用，玻璃相多且粘度适中，则坯体的致密性好，反之，致密性差。则坯体的致密性好，反之，致密性差。3、石英、石英v 瓷坯中的石英晶体有两种类型：残留石英与方石英。瓷坯中的石英晶体有两种类型：残留石英与方石英。残留石英残留石英是石英原料在烧成过程中与其它组分反应形成是石英原料在烧成过程中与其它组分反应形成低共熔点熔体以及高温下熔解于熔体残留下来的。低共熔点熔体以及高温下熔解于熔体残留下来的。方石方石英英的形成有两种形式，一是从石英颗粒周围富硅玻璃相的形成有两种形式，一是从石英颗粒周围富硅玻璃相中析出的齿状二次方石英；另一是石英和非晶质中析出的齿状二次方石英；另一是石英和非晶质SiO2 在在干环境中转变成的方石英。干环境中转变成的方石英。v一般情况下，瓷坯中的残留石英的量会多于方石英的量，一般情况下，瓷坯中的残留石英的量会多于方石英的量，因石英的热膨胀系数与玻璃体的热膨胀系数相差较大，因石英的热膨胀系数与玻璃体的热膨胀系数相差较大，冷却时会在瓷坯中形成应力，对瓷坯的强度造成影响。冷却时会在瓷坯中形成应力，对瓷坯的强度造成影响。合理的石英颗粒能大大合理的石英颗粒能大大提高瓷坯的强度提高瓷坯的强度，同时石英能使，同时石英能使瓷坯的瓷坯的透光度和白度透光度和白度得到改善。得到改善。4、气孔、气孔v气孔在瓷坯中的多少、大小、形状、分布、位置对气孔在瓷坯中的多少、大小、形状、分布、位置对瓷坯的强度、透光度、致密度、介电性能、热传导瓷坯的强度、透光度、致密度、介电性能、热传导性能、吸湿膨胀性能等都有较为明显的作用。性能、吸湿膨胀性能等都有较为明显的作用。v通常希望瓷坯中的气孔量尽可能地少。通常希望瓷坯中的气孔量尽可能地少。陶瓷内在物理化学性质：陶瓷内在物理化学性质：吸水率、透气性、渗透性、抗冻性、吸湿膨胀吸水率、透气性、渗透性、抗冻性、吸湿膨胀性、光学性能性、光学性能（光泽度、半透明性与白度）、（光泽度、半透明性与白度）、热热学性能学性能（热膨胀性、导热性与热稳定性）、（热膨胀性、导热性与热稳定性）、力学力学性能性能（机械强度与表面硬度）、（机械强度与表面硬度）、电学性能电学性能（电导（电导性、介电系数、介质损耗与介电强度）、性、介电系数、介质损耗与介电强度）、化学稳化学稳定性定性（抗酸性与抗碱性）（抗酸性与抗碱性）等等。等等。第二节第二节 陶瓷性质陶瓷性质一、光泽度一、光泽度二、半透明性二、半透明性三、透光色调三、透光色调四、白度四、白度五、机械强度五、机械强度六、表面硬度六、表面硬度七、热稳定性七、热稳定性八、吸湿膨胀性八、吸湿膨胀性本节主要介绍内容本节主要介绍内容:一、光泽度一、光泽度n表面光泽是陶瓷制品表面的一种特征。不同用表面光泽是陶瓷制品表面的一种特征。不同用途陶瓷对表面光泽要求不同。日用陶瓷，艺术途陶瓷对表面光泽要求不同。日用陶瓷，艺术陶瓷与卫生陶瓷等通常要求表面有比较好的光陶瓷与卫生陶瓷等通常要求表面有比较好的光泽，以提高陶瓷外观质量与有利于清洗。而室泽，以提高陶瓷外观质量与有利于清洗。而室内外装饰陶瓷就不宜表面光泽太强，甚至要求内外装饰陶瓷就不宜表面光泽太强，甚至要求无光泽。无光泽。n无釉陶瓷制品表面都比较粗糙，没有足够好的无釉陶瓷制品表面都比较粗糙，没有足够好的光泽，故通常所谓陶瓷表面光泽都是指带釉陶光泽，故通常所谓陶瓷表面光泽都是指带釉陶瓷的表面光泽。瓷的表面光泽。v釉面光泽度的测定一般是采用光电光泽度计进行釉面光泽度的测定一般是采用光电光泽度计进行，用硒光电池测量照射在釉表面镜面反射方向的反用硒光电池测量照射在釉表面镜面反射方向的反光量，并规定折射率光量，并规定折射率nb=1.567的黑色玻璃的反光的黑色玻璃的反光量为量为100%，将被测釉面的反光能力与黑玻璃的反，将被测釉面的反光能力与黑玻璃的反光能力相比较，得到釉面的光泽度，用百分比表光能力相比较，得到釉面的光泽度，用百分比表示。示。v提高釉的光泽度的方法有：提高釉的光泽度的方法有：提高釉的始熔温度；提高釉的始熔温度；适当提高表面张力；适当提高表面张力；加废瓷粉；加废瓷粉；增加熔剂量。增加熔剂量。二、半透明性二、半透明性v高级日用细瓷要求具有一定的半透明性。瓷胎半透明高级日用细瓷要求具有一定的半透明性。瓷胎半透明性用性用半透明度半透明度来表示，一般使用来表示，一般使用光电透明度仪光电透明度仪来测定来测定半透明度。半透明度。v影响瓷胎半透明性的因素影响瓷胎半透明性的因素：坯料着色氧化物的种类与：坯料着色氧化物的种类与数量、瓷胎相组成、玻璃相化学成分、晶体大小、瓷数量、瓷胎相组成、玻璃相化学成分、晶体大小、瓷胎厚度等。胎厚度等。v提高透光度的途径：提高透光度的途径：1、增加玻璃相：、增加玻璃相：增加坯料配方中的熔剂性原料与石英含量，增加坯料配方中的熔剂性原料与石英含量，相对减少粘土含量；提高烧成温度；延长保温时间；采用还相对减少粘土含量；提高烧成温度；延长保温时间；采用还原焰操作，加大高温熔体的表面张力等。原焰操作，加大高温熔体的表面张力等。2、减少气孔：、减少气孔：选择杂质少的原料；塑性料加强陈腐与真空选择杂质少的原料；塑性料加强陈腐与真空练泥；注浆料应通过陈放，慢速搅拌或真空脱气减少浆料气练泥；注浆料应通过陈放，慢速搅拌或真空脱气减少浆料气体；适当提高烧成温度；对石英进行细粉碎。体；适当提高烧成温度；对石英进行细粉碎。3、调整玻璃相折射率、调整玻璃相折射率三、透光色调三、透光色调由于不同种类与不同化合价的着色氧化物对可见光中由于不同种类与不同化合价的着色氧化物对可见光中各种单色光的吸收能力不同，从而使瓷胎带上不同的各种单色光的吸收能力不同，从而使瓷胎带上不同的色调。色调。例：我国北方瓷的原料含钛较高，因此瓷器的透光色例：我国北方瓷的原料含钛较高，因此瓷器的透光色调是白里泛黄；南方瓷区含铁较高，当采用还原气氛调是白里泛黄；南方瓷区含铁较高，当采用还原气氛烧成时，瓷器呈白里泛青。烧成时，瓷器呈白里泛青。由此可见，瓷胎透光色调取决于原料中着色氧化物的由此可见，瓷胎透光色调取决于原料中着色氧化物的种类与数量以及烧成时所采用的气氛。种类与数量以及烧成时所采用的气氛。四、白度四、白度n白度的高低决定于釉面对入射光线的漫反射强度。通常白度的高低决定于釉面对入射光线的漫反射强度。通常用白度仪来测定白度值。用白度仪来测定白度值。n影响白度的因素影响白度的因素主要有釉料的化学组成、坯体的颜色、主要有釉料的化学组成、坯体的颜色、烧成气氛、烧成温度等。烧成气氛、烧成温度等。n提高白度的途径：提高白度的途径：1）采用含铁钛等着色成分少的原料；）采用含铁钛等着色成分少的原料；2）对原料进行精选；）对原料进行精选；3）对含钛极小的瓷料采用还原）对含钛极小的瓷料采用还原焰烧成；焰烧成；4）对含钛高的瓷料引入少量）对含钛高的瓷料引入少量CoO；5）引入）引入一定量滑石，磷酸盐矿物原料可以减弱一定量滑石，磷酸盐矿物原料可以减弱TiO2的呈色；的呈色；6）使用乳白釉。）使用乳白釉。五、机械强度五、机械强度 提高釉面强度的有效方法是使釉面承受压应力，釉面承提高釉面强度的有效方法是使釉面承受压应力，釉面承受压应力的能力是其承受张应力能力的数十倍。受压应力的能力是其承受张应力能力的数十倍。通常用下述两种方法使釉面承受压应力：通常用下述两种方法使釉面承受压应力：一是通过调整釉料组成一是通过调整釉料组成，烧成后让釉面的热膨胀系数比，烧成后让釉面的热膨胀系数比坯体的小，冷却时坯体收缩大于釉面收缩，釉面承受压坯体的小，冷却时坯体收缩大于釉面收缩，釉面承受压应力。应力。二是釉烧至成熟温度后，迅速冷却二是釉烧至成熟温度后，迅速冷却，结果是釉表层首先，结果是釉表层首先冷却凝固，而内部还是塑性状态，内外存在温差，外部冷却凝固，而内部还是塑性状态，内外存在温差，外部收缩小，内部收缩大，形成釉面表层处于压应力，内层收缩小，内部收缩大，形成釉面表层处于压应力，内层处于张应力。处于张应力。六、表面硬度六、表面硬度n陶瓷表面硬度是指瓷胎表面或釉面抵抗外来压缩、摩陶瓷表面硬度是指瓷胎表面或釉面抵抗外来压缩、摩擦与刻划作用的能力。它是材料的一种重要力学性能。擦与刻划作用的能力。它是材料的一种重要力学性能。n陶瓷表面硬度测定的方法有莫氏硬度法、维氏显微硬陶瓷表面硬度测定的方法有莫氏硬度法、维氏显微硬度法、流砂法以及玛尔登划痕法等四种。度法、流砂法以及玛尔登划痕法等四种。n前两种属静载压痕法前两种属静载压痕法，是目前陶瓷常用方法。它们都，是目前陶瓷常用方法。它们都是将一硬的物体在静载下压入被测物体表面，表面被是将一硬的物体在静载下压入被测物体表面，表面被压入一凹面，以凹面单位面积上的荷载表示被测物体压入一凹面，以凹面单位面积上的荷载表示被测物体硬度或者以凹面单位对角线长度的负荷表示被测物体硬度或者以凹面单位对角线长度的负荷表示被测物体硬度。硬度。v例如，显微硬度法是用磨成一定角度的金刚石为压头，并例如，显微硬度法是用磨成一定角度的金刚石为压头，并在显微镜下测定压痕对角线长度（在显微镜下测定压痕对角线长度（d），），用单位长度下的用单位长度下的压头载荷（压头载荷（F）来表示硬度（来表示硬度（HV）：）：HV=1.8544（F/d2）式中：式中：HV维氏硬度，维氏硬度，Mpa；F负荷，负荷，N；d压痕对角线长度，压痕对角线长度，mm。v流砂法属摩擦损失法流砂法属摩擦损失法，也是耐磨性表示法。这种方法是让，也是耐磨性表示法。这种方法是让标准研磨砂从一定的高度落下（流速恒定）与被测物表面标准研磨砂从一定的高度落下（流速恒定）与被测物表面相互摩擦（被测物表面与水平成相互摩擦（被测物表面与水平成45角），然后用被测物角），然后用被测物表面磨损的损失率来表示材料表面的耐磨性。这种测定法表面磨损的损失率来表示材料表面的耐磨性。这种测定法适用于建筑铺地砖与装饰面砖。适用于建筑铺地砖与装饰面砖。v玛尔登硬度法玛尔登硬度法是用一金刚石划痕头，在受压力下，是用一金刚石划痕头，在受压力下，划痕头在试样表面上运动（划痕）且深入表面下划痕头在试样表面上运动（划痕）且深入表面下部。当划痕头下陷部。当划痕头下陷0.01mm时，用其划痕头所受时，用其划痕头所受压力大小来表示。压力大小来表示。v金刚石划痕运动距离是规定的。当第一次运动后，金刚石划痕运动距离是规定的。当第一次运动后，划痕头陷入深度不到划痕头陷入深度不到0.01mm时，增加划痕头负时，增加划痕头负荷再走一次，直到金刚石划痕头陷入深度为荷再走一次，直到金刚石划痕头陷入深度为0.01mm时为止。时为止。七、热稳定性七、热稳定性u热稳定性（抗热震性）是指陶瓷材料能承受温度剧烈变化而热稳定性（抗热震性）是指陶瓷材料能承受温度剧烈变化而不破坏的性能。不破坏的性能。u陶瓷热稳定性测定方法一般是把试样加热到一定的温度，接陶瓷热稳定性测定方法一般是把试样加热到一定的温度，接着放入适当温度的水中，着放入适当温度的水中，判定方法为：判定方法为：1）根据试样出现裂）根据试样出现裂纹或损坏到一定程度时，所经受的热变换次数；纹或损坏到一定程度时，所经受的热变换次数；2）经过一）经过一定次数的热冷变换后机械强度降低的程度来决定热稳定性；定次数的热冷变换后机械强度降低的程度来决定热稳定性；3）试样出现裂纹时经受的热冷最大温差来表示试样的热稳）试样出现裂纹时经受的热冷最大温差来表示试样的热稳定性，温差愈大，热稳定性愈好。定性，温差愈大，热稳定性愈好。u陶瓷热稳定性的主要影响因素陶瓷热稳定性的主要影响因素：材料的热导率、热膨胀系数、：材料的热导率、热膨胀系数、热容等热学参数，材料的抗拉强度、弹性模量、容积密度热容等热学参数，材料的抗拉强度、弹性模量、容积密度等力学参数。等力学参数。八、吸湿膨胀性八、吸湿膨胀性n多孔性陶瓷制品的胎体暴露在潮湿空气中或直接在水中洗多孔性陶瓷制品的胎体暴露在潮湿空气中或直接在水中洗涤时，时间一长，就吸收水分而引起坯体膨胀。若胎体表涤时，时间一长，就吸收水分而引起坯体膨胀。若胎体表面施釉，则釉面随之龟裂。这种现象称面施釉，则釉面随之龟裂。这种现象称吸湿膨胀性或时效吸湿膨胀性或时效龟裂或后期龟裂。龟裂或后期龟裂。n多孔性陶瓷吸湿膨胀的原因多孔性陶瓷吸湿膨胀的原因是气孔吸收水分，吸收水分与是气孔吸收水分，吸收水分与构成气孔壁的物质形成水和吸附而使胎体膨胀。构成气孔壁的物质形成水和吸附而使胎体膨胀。n改善措施：改善措施：1）烧成温度的提高将降低气孔率，从而减弱）烧成温度的提高将降低气孔率，从而减弱吸湿膨胀性；吸湿膨胀性；2）减少碱金属氧化物含量，引入碱土金属）减少碱金属氧化物含量，引入碱土金属氧化物，如加入石灰石、白云石或滑石等原料，可以提高氧化物，如加入石灰石、白云石或滑石等原料，可以提高玻璃相的化学稳定性，减小吸湿膨胀性。玻璃相的化学稳定性，减小吸湿膨胀性。3）引入氧化铝）引入氧化铝粉，对降低吸湿膨胀也有效。粉，对降低吸湿膨胀也有效。