1、材料巖相分析第一章 緒論1第一章 緒論 材料巖相分析（即材料巖相學） 是觀測分析無機非金屬材料的一門技術基 礎課。通過本課程的學習，可以初步了解 掌握無機非金屬材料的基本性質及其顯微 觀測分析方法。2 內容主要包括晶體光學基礎，礦物及巖石的性質、特點、用途 ，偏、反光顯微鏡分析原理，以及無機功能材料、無機結構材料的巖相分析方法。3 一 . 何謂材料巖相學 在無機材料科學領域內，研究金屬材料生產工藝的學科，稱為冶金學；研究金屬材料顯微結構的學科，叫作金相學。 metallography 1-1 巖相學的概念4 研究無機非金屬材料生產工藝的學科，稱為無機材料工藝學。根據無機材料品種又分有水泥工藝學

2、、玻璃工藝學、陶瓷工藝學、耐火材料工藝學、人造晶體工藝學等。我們在這里，將研究這些無機非金屬材料顯微結構的學科，叫作巖相學 (材料巖相分析) 。 phase analysis of inorganic nonmetal material5 二 . 顯微結構的定義 各種材料內部結構隨著所用儀器分辨率的不同將有不同的結構類型和名稱。可將材料的結構分類歸納列于表1-1中。 6 表1-1：材料結構分類及所用觀察設備 物體尺寸 結構類型 觀測設備 研究對象 100m以上 大結構 宏觀結構 低倍結構 肉眼 放大鏡 實體顯微鏡 顆粒集團 10010 m 顯微結構 偏光顯微鏡 反光顯微鏡 相襯顯微鏡 干涉顯微

3、鏡 顯微光度計 顯微硬度計 顆 粒 多相集團 100.2 m 微晶集團7 表1-1：材料結構分類及所用觀察設備（續） 物體尺寸結構類型 觀測設備研究對象 0.2 0.01 m 亞顯微 結構 暗場顯微鏡 超視顯微鏡 干涉相襯顯微鏡 電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡 微 晶 膠 團 0.01m(即10nm)微觀結構 場離子顯微鏡高分辨率電子顯微鏡 晶格點陣 8 可將 “顯微結構” 定義為： 在光學或電子顯微鏡下分辨出的試樣中所含相的種類及數量，顆粒的形狀、大小、分布取向和它們相互之間的綜合特征。9材料巖相分析包括材料制品的相組成鑒定和顯微 結構特征研究兩部分內容。一. 物相組成的分析和鑒定 材料制品的組

4、成相有結晶相、玻璃相和氣相三類。分析和鑒定物相組成是材料巖相分析的前提和基礎。 1-2 材料巖相分析的研究內容10 結晶相的鑒定除玻璃及其制品外，在所有無機材料制品的組成相中都存在有結晶相。結晶相尤其是主晶相又往往決定著制品的理化性能。即使在玻璃及其制品內亦常出現由結晶相構成并直接影響其性能和質量的玻璃缺陷。可見，結晶相的識別和認定是非常重要的。11 玻璃相的分析由高溫熔體冷凝而成的固態非晶質相稱為玻璃相。 玻璃相在制品中起著粘結及填充空隙的作用。巖相分析時主要是用光學顯微鏡測定和研究玻璃相的含量、分布、析晶情況及其與其它相之間的關系。12 氣相的研究除少數制品不允許氣相存在外，在絕大多數制品

5、中均或多或少地含有氣相，制品中的氣相是以氣泡或氣孔形式存在的。氣相的存在與否以及氣孔的形狀、大小、含量、分布和連通情況等，對制品的性能、質量及使用均有顯著影響，有時起著決定性作用。研究制品中的氣孔是不可忽略的工作。13 二顯微結構特征的研究和測定 形態學研究研究制品中組成相的幾何形狀及其變化，進一步探究它們與生產工藝及制品性能之間關系的科學，稱為形態學。（）晶相形態學研究內容有晶體形態特點、自形程度、集合體形態和細微結構等四方面。14 （）固態非晶相形態學主要研究固態非晶相的形狀特點、分布情況及與其他物相之間的結合關系。進一步研究非晶態團粒中隱晶質的晶體種類、大小、分布、含量，這可幫助分析原料

6、顆粒配比和熱工制度等。 它還研究玻璃相的含量和分布以及析晶相種類和形態特點，如對玻璃體內結石形態學特點的研究，可以幫助鑒定晶體結石成因及來源的討論。15 （）氣相形態學研究制品中氣孔的形狀、大小、數量、分布及氣孔的貫通情況、存在形式（是晶內氣孔還是晶間氣孔）等。這些都對制品的性能有極大的影響。16 研究物相間的分布 巖相分析時要研究各物相分布的均勻性、取向性、致密程度以及玻璃相、氣相與晶相間的分布情況等。 制品中物相間的分布情況是制造過程中各種因素作用的綜合結果，這直接影響甚至決定著制品的技術性能、質量和使用效果。17 研究物相之間結合關系在巖相分析時，要注意研究不同相之間接合的相界結構，還要

7、研究制品中玻璃相與晶相間結合關系以及氣孔壁的結構特點等。 物相間的結合情況與制品生產過程直接有關，亦顯著地影響著制品的技術性能和使用效果。18 材料巖相分析的研究對象可歸納為：無機材料制品、使用后殘品、其它工業廢渣或副產品、無機材料原料礦物等四大類。本課程主要討論前兩類試樣的顯微結構特征與生產工藝和制品性能及效果之間的關系。 1- 材料巖相分析的研究對象19 一. 工業原料與制品顯微結構的關系 制造無機材料所用的工業原料的種類及質量、顆粒尺寸及其配比、原料組成、化學成分的結合形式及結晶程度等，都決定著制品的顯微結構、性能和質量。20 1. 原料的種類 眾所周知，工業原料的化學礦物成分直接決定著

8、無機材料制品的相組成和顯微結構特征，亦決定了制品的技術性能和用途。例如，在用高熔點礦物為主要原料制造的產品中，多保留著原料的組成礦物，具有耐高溫、高強度等性能，適用于制造耐火材料和高溫結構陶瓷等。21 2 .原料的質量 原料的質量不僅影響制品的相組成和顯微結構特征，對其性能亦有明顯影響，因為任何原料均會有不同的和含數量不等的雜質成分，絕對純的原料是不存在的。在用不同純度（即不同質量）的原料所制造的同種制品中相組成及其含量均會存在明顯的差異，直接影響制品顯微結構和性能。22 3. 原料的結構 原料的結構特征主要有：結晶程度、化合物形態、顆粒大小、雜質賦存形式等。例如燒制硅酸鹽水泥熟料需要一定量的

9、SiO2 , 但在主原料石灰巖中含有較多的燧石結核時，盡管SiO2含量達到要求，仍無法獲得合格的水泥，因為石灰巖中燧石的顆粒粗、硬度大，不易磨細，在燒制過程中反應不完全，使熟料中出現較多的游離氧化鈣等。23 4. 混合料的配方 根據使用性能和生產工藝，每種制品均有一定的化學組成配方要求，這是用不同原料互相配合來滿足的。若原料選擇不當、配料計算或稱量不準、拌和不均勻或配合料在加料過程中發生物料偏析等，均會影響制品的顯微結構和性能。24 二 . 熱工制度與制品顯微結構的關系 制造無機材料的整個高溫處理所遵循的溫度-時間制度，稱為熱工制度。熔融型無機材料的熱工制度，包括最高熔化溫度、保溫時間、冷卻速

10、度以及熱處理制度等；而燒結型無機材料則包括升溫速度、最高燒結溫度、保溫時間及冷卻速度。每個環節對制品的顯微結構和性能、質量、用途都有直接影響，有時甚至起決定作用。25 1. 升溫速度 升溫速度在制造燒結型材料是必須嚴格控制，因為物料在升溫過程中將發生脫水、分解、氣體逸出、固相反應、多晶轉變、部分物料熔融、固液反應、重結晶等一系列作用和變化。26 過快地升溫將影響這些作用的充分進行，而且水分及氣體過快逸出和多晶轉變引起的劇烈體積效應等，會使制品產生較多的裂紋甚至開裂，制品將出現欠燒顯微結構，影響其性能和質量； 如果升溫速度過慢，將造成能源浪費、產量下降，增加了生產成本。 27 2 . 最高溫度及

11、保溫時間 制造熔融型和燒結型無機材料，都有一個合理最高溫度及保溫時間，因為每種原料均有一個熔點，混合料則有一個低共熔溫度和熔融溫度范圍。 每種化學作用都需要一定的溫度條件，并有一定的速度，只有達到一定溫度并有足夠時間才能使這些作用趨于完全。 28 過高的燒成溫度和過長的保溫時間，不僅浪費能源，縮短高溫爐使用壽命，還會出現過燒顯微結構；過低的最高溫度或太短的保溫時間則達不到燒結目的，產生欠燒顯微結構，均無法獲得優質產品。 29 3 .冷卻速度 熔融型和燒結型無機材料對冷卻制度有不同的要求：成型燒結制品要求維持比較慢的冷卻速度，使坯體內外比較均勻的冷卻，冷卻速度過快將造成坯體的炸裂而損壞。30 粉

12、料燒結的無機材料（如水泥熟料）則要求比較快的冷卻，防止其主晶相發生晶型變化或分解以保證制品質量。 熔融型玻璃材料則要求快速冷卻，使流動的高溫熔體在成型以后能保持成形體形狀，并防止玻璃體發生析晶而造成廢品。31 4 .熱處理制度 熔融型制品在高溫熔體冷卻成型凝固后，還需要在某一溫度或溫度范圍內按一定溫度-時間制度進行冷卻，這稱為熱處理。熱處理目的有三種：玻璃及其制品的熱處理稱為退火處理，目的是為了消除玻璃體內的殘余應力，保證在使用和保存過程中不會產生裂紋或炸裂。 32 微晶玻璃的熱處理主要是為促進非晶態玻璃體內生成晶核并長大成微晶，形成以細小結晶相為主體甚至是全晶質的微晶； 熔融結晶制品的結晶種類、晶粒大小、結合關系等都決定于熱處理的溫度、保溫時間及降溫速度等。 33