扫描电子显微镜在陶瓷材料中的应用

扫描电子显微镜在陶瓷材料中的应用1．前言随着科学技术的不断进步，扫描电子显微镜(SEM)的质量和装置有了较大的改进，分辨率和放大倍数也越来越高，功能越来越齐全。数字化扫描电子显微镜的出现，使扫描电子显微镜完全由计算机控制，操作更加简单、方便。扫描电子显微镜主要用于各种材料的微观分析和成分分析，已经成为材料科学、生命科学和各生产部门质量控制中不可缺少的工具之一。扫描电子显微镜与其它近代测试技术相结合用来研究原材料的矿物结构形态与材料生产工艺、性能的关系；研究材料的微观结构、物相组成与其性能的关系；寻找改进材质的途径和研制预见性的新材料。下面根据本人十几年来的工作经验，谈谈扫描电子显微镜在陶瓷材料中的应用。2．陶瓷原料的显微结构分析扫描电子显微镜对陶瓷原料的研究十分方便，可以直接观察和分析原料的矿物结构形态及颗粒的大小、形状、均匀程度等。普通陶瓷的原料之一粘土是一种含水铝硅酸盐矿物，是陶瓷生产的基础原料。粘土的结构届层状硅酸盐，晶体呈片状，晶体外形是从轮廓清楚到模糊不清的六角形鳞片状或层状(见图1)。扫描电子显微镜观察非常细微的粒子构造，它和粒度分析相结合用以从理论上制定该粘土的可塑性及浇注性能。高岭土是一种主要由高岭石组成的纯净粘土，在各地高岭土的扫描电子显微镜分析中主要发现有六角形片状、管状和柱状(见图2)三种结构，图3为高岭土中微小片状结构和柱状结构共生的扫描电子显微图象。扫描电子显微镜可以直接观察色料粉末的微观形态，色料合格品颗粒均匀，结晶度较好(见图4)；而劣质品中有大颗粒存在，粒度分布不均匀，且有部分颗粒呈熔蚀状态。陶瓷材料在烧结过程中形成的显微结构，在很大程度上由原料粉体的特性，如颗粒度、颗粒形状、团聚状态等决定的，这些特性借助于扫描电子显微镜可以直观地进行观察与分析。图1粘土矿物的SEM照片图2高岭土中柱状结构的SEM照片图3高岭土中片状、柱状结构共生的SEM照片图4釉料的SEM照片用于特种陶瓷的粉体颗粒形状、大小、均匀程度对于特种陶瓷的性能有着较大的影响，研究粉体颗粒的形状、大小、均匀程度与特种陶瓷性能的关系是陶瓷学者们研究的重要课题之一．特种陶瓷粉体的制备方法很多，颗粒的粒度分布范围广，颗粒形状千差万别，扫描电子显微镜是研究特种陶瓷粉体颗粒形状、大小及分布的主要工具。3．陶瓷材料的显微结构分析陶瓷材料及其制品因具备许多其它材料所没有的性能而得到飞速发展。特别是多品种的普通及尖端新型工业瓷的出现，使陶瓷材料进入了各个领域。陶瓷生产的工艺条件、显微结构与制品的性能三者具有紧密的相互关系。研究陶瓷的显微结构，可以推断工艺条件的变化。另外，一定的显微结构又确定和反映出陶瓷性能的优劣。普通日用陶瓷结构致密，但仍存在一定量的分布均匀近圆形或椭圆形的微孔(见图5)，这些微孔大小仅2m)左右，一般的分析方法无法直接反映这些微孔的形状和大小，扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录这些微观特征。日用瓷瓷脂是由莫来石晶体、残余石英晶体、玻璃质以及气孔组成的复杂多相系统。瓷脂显微结构中晶相、玻璃相、气孔的分布状况(形状、大小、数量)以及晶粒的取向、晶粒的均匀度和杂质分布情况等直接影响和决定了瓷胎的物理化学性质，并以此作为改进瓷胎配方、指导生产和合理控制工艺过程的科学依据。陶瓷墙地砖釉层的厚度及釉层与坯体的结合状况对陶瓷墙地砖使用寿命有着直接的关系，图6为某厂生产的瓷砖断口的二次电子图象，该图象清楚地反映出瓷砖的三个层，即釉层(左边)、过度层(中间层)和坯体(右边)。总体上釉层与坯体结合较好，界面上无明显裂缝和气孔、气泡。釉层结构致密，有少量圆形气泡；过度层系釉溜入坯体所致，反映出釉溜入坯体的深度。釉渗入坯体后充填了坯体中的大量微孔，但仍残留了少量微孔和气泡。坯体为多孔疏松结构，坯体进一步放大后可观察其烧结状况。图5普通日用瓷断口的SEM照片图6瓷砖断口的SEM照片为了弄清楚特种陶瓷显微结构的形成过程及控制机理等，直接的显微观察与成份分析是必不可少的，因为它为表征材料的显微结构提供重要的以至定性、定量的参考。晶粒是多晶陶瓷材料中晶相的存在单元．晶体生长时物理化学条件和外界环境的不同变化，会严重影响晶体的形态，对陶瓷材料来说，就会造成显微结构上的千差万别．在陶瓷多晶材料中，最常见最大量的晶粒都是呈不规则的它形晶。晶粒的形状对材料的性能影响很大。例如：α-Si3N4陶瓷晶粒呈针状，而β-Si3N4陶瓷晶粒呈粒状或短柱状，前者抗折强度比后者几乎大一倍．A12O3陶瓷(95瓷)在正常条件下烧结，结晶较好，由于晶体生长互相挤压而呈多面体，其断口呈块状脆性断口形貌特征(见图7)，为沿晶断裂。而较高温度下烧结的A1203陶瓷(95瓷)，结晶粗大，晶体中包裹了大量微孔和气泡(见图8)．前者耐磨性较好，而后者耐磨性较差，在摩擦试验中呈块状碎屑脱落．氮化铝陶瓷结构致密，强度高，硬度大，其断口呈阶梯状、贝壳状特征，其断裂方式为穿晶断裂．正常温度下烧结的Zr02陶瓷其晶粒为多面体，晶粒大小较均匀，无明显气孔，其断裂方式为沿晶断裂(见图9)．WC-Co陶瓷的致密化有利于陶瓷硬度和强度的提高，而晶粒长大则使性能变差，烧结温度和烧结时间是影响致密化或晶粒长大的主要因素．图：LO为正常务件下烧成的WC-Co陶瓷的断口形貌，晶粒细小且均匀，整体结构致密，无明显气孔。图7.正常温度烧结的A1203陶瓷断口形貌图8较高温度烧结的A1203陶瓷的断口形貌图9Zr02陶瓷的断口形貌图10WC-Co陶瓷的断口形貌4．结语以上所述仅仅是扫描电子显微镜在陶瓷研究中应用的几个方面。结合具体研究方向可以比较深入地研究各种陶瓷材料的微观结构与工艺条件及性能的关系。现在，扫描电子显微镜向着多种附件和特殊功能的方向发展，相应的分析软件越来越智能化和合理化。扫描电子显微镜的主要附件有：¨X射线显微分析系统(即能谱仪)，主要用于元素的定性和定量分析：电子背散射(EBSP)系统(即结晶学分析系统)，主要用于晶体和矿物的研究：显微热台和冷台，主要用于观察和分析材料在加热和冷冻的过程中微观结构上的变化：拉伸台，主要用于观察和分析材料在受力过程牛所发生的微观结构变化。扫描电子显微镜分析功能的多样化和智能化，将为陶瓷新材料、新工艺的探索和研究起到重要作用。