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陶瓷显微结构

/microstructure of ceramics/
条目作者王裕斌撰龚江宏修订
条目作者王裕斌撰

王裕斌撰

龚江宏修订

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最后更新 2022-01-20
浏览 186
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借助电子显微镜等工具观察到的陶瓷细微结构。

英文名称
microstructure of ceramics
所属学科
材料科学与工程

陶瓷多晶体中各相(主晶相、次晶相、晶界相、气孔等)的化学组成、分布情况,晶体结构、相对含量、晶粒大小、晶粒形状、晶粒取向、粒径分布、气孔率,以及晶界组成、结构、状态等构成陶瓷显微结构的主要内容。

陶瓷材料的显微结构和相组成直接影响材料的性能,相组成、显微结构与材料性能之间的关系是陶瓷学最重要的研究内容之一。

陶瓷的许多性能都与晶粒尺寸有一定的对应关系,如结构陶瓷的强度、蠕变性能,功能陶瓷的介电常数、压电性能、PTC效应等。为了获得高强度或耐电性能好、使用寿命长的材料,通常要求陶瓷具有颗粒均匀的微晶结构。此外,晶粒的形貌及其分布对材料性能的影响也至关重要。

气孔的存在一般会导致陶瓷机械强度、介电系数及耐电强度等性能的降低,但在一定条件下也可能产生有利的结果,例如增大气孔率可以提高陶瓷的抗热震性能,钛酸钡陶瓷的正温度系数效应也会因为气孔率的增大而得到提高。

晶界相的组成、分布状态及其形状也是显微结构分析中的重要内容。晶界相是晶态还是非晶态,其组成和来源以及分布状况都会对材料性能产生重要影响。

此外,在多相复合陶瓷中,第二相的分布状态、各相之间的化学相容性和物理相容性等,在材料性能上都会有所反映。

陶瓷的显微结构取决于工艺过程和工艺条件。从粉体制备开始,依次衔接的各工序都会对陶瓷的显微结构产生影响,但烧结是所有工序中起决定性作用的一个环节。了解烧结过程的机制和动力学是控制陶瓷显微结构的主要依据,也是陶瓷工艺研究的核心。在材料的制备过程中,设计适宜的晶界相,选择合适的烧成工艺,可以对材料的晶界进行调控,获得预期性能的陶瓷材料,即所谓的晶界工程。

陶瓷显微结构的研究方法主要有光学显微镜、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、电子探针、俄歇能谱等。使用光学显微镜可以直接观测形貌,分辨晶相、气孔和玻璃相,测量晶粒大小等。X射线衍射不仅可以用于材料的物相分析,还可以用于测定晶格常数、晶粒尺寸及分布、晶粒取向情况以及应力分布情况等。扫描电镜、透射电镜及高分辨透射电镜是研究精细结构、亚微米区形貌、晶体结构、缺陷、晶界结构的主要手段。分析电镜因配有X射线能谱和电子能量损失谱,为陶瓷材料提供了微区成分测定的手段。微区探针可以测定微区的组成分布。俄歇谱仪、X射线电子谱仪、低能电子谱仪以及扫描隧道显微镜等可以用于陶瓷表面及界面状态、杂质存在状态及其分布的研究。

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