/談陶瓷顯微組織和材料性能之間的關系陶瓷材料的物理性能在很大程度上取決于其顯微結構，在某些狀況下甚至是確定性的，駕馭它們之間的內在關系可以有針對性地優化制備工藝，從而提高陶瓷的物理性能。陶瓷是多晶多相的材料，其顯微組織包括：多晶相的種類，晶粒的大小、形態、取向和分布，位錯、晶界的狀況，玻璃相的形態和分布，氣孔的形態、大小、數量和分布，各種雜質、缺陷、裂紋存在的開式、大小、數量和分布，疇結構的狀態和分布等。在顯微鏡下探討陶瓷材料的顯微組織，找出其物相組成、組織、性能之間的聯系和規律是發展新型陶瓷材料的基礎。陶瓷材料主要組成相為晶體相、玻璃相和氣相。探討陶瓷顯微組織和性能之間的關系，就是要探討晶體相、玻璃相和氣相分別對材料性能的影響。探討這個問題有著重要的意義，主要有以下幾點：（1）當我們了解了陶瓷顯微組織和材料性能之間的關系后，我們就可以通過探討陶瓷的顯微組織結構而對材料的性能做出評價。（2）通過對陶瓷的結構缺陷的檢測分析，從顯微組織上找出其缺陷緣由，我們可以提出改善或防止結構缺陷的措施。（3）通過材料的顯微組織探討，從材料物理化學的基本原理動身，為新材料的設計或材料改性供應依據或參考。（4）探討工藝條件對顯微組織的影響，通過優化生產工藝，提高材料的性能。一、晶體相對材料性能的影響晶相是由原子、離子、分子在空間有規律排列成的結晶相。晶相是確定陶瓷材料性能呢個的主導物相。由于陶瓷是多晶材料，故晶相又可分為主晶相、次晶相、析出相和夾雜相。此時主晶相就成為主導陶瓷性能的主導晶相。主晶相是材料的主要組成部分，材料的性能主要取決于主晶的性質。次晶相是材料的次要組成部分。例如Si3N4材料中的顆粒狀的六方結構的相β-Si3N4為主晶相；針狀的菱方結構的α-Si3N4為次晶相，含量較少。析出相，由粘土、長石、石英燒成的陶瓷的析出相大多數是莫來石，一次析出的莫來石為顆粒狀，二次析出的莫來石為針狀，可提高陶瓷材料的強度。夾雜相：不同材料夾雜相不同。夾雜相量很少，其存在都會使材料的性能降低。另外，晶相中還存在晶界和晶粒內部的微小結構。晶界上由于原子排列紊亂，成為一種晶體的面缺陷。晶界的數量、厚度、應力分布以及晶界上夾雜物的析出狀況對材料的性能都會產生很大影響。晶粒內部的微觀結構包括滑移、孿晶、裂紋、位錯、氣孔、電疇、磁疇等。1.1．主晶相對材料性能的影響氧化鋁陶瓷具有強度高、耐高溫、電性能和耐化學侵蝕性優良的性能，就是因為其主晶相剛玉（α-Al2O3）是一種結構緊密、離子鍵強度很大的晶體。75氧化鋁瓷是氧化鋁的一種，含有75%的α-Al2O3，是一種電真空陶瓷。其顯微組織如圖1-1所示，大部分為白色的氧化鋁晶體，晶間三角處為暗黑色的玻璃相，圓形的黑洞為氣孔，其中形態規則的為晶粒剝落坑。圖1-175氧化鋁瓷的顯微組織1200x除了75氧化鋁陶瓷還有一種透亮氧化鋁陶瓷。透亮氧化鋁瓷又叫燒結白剛玉，其中Al2O3的純度在99.5%以上。為了更好地解除氣孔，提高透亮度，可在真空下燒結。圖1-2為燒成后未經磨制和腐蝕，在顯微鏡下視察到的透亮氧化鋁的原始表面顯微組織。由于Al2O3純度很高，氣孔極少，可以清楚地看到氧化鋁晶粒的大小，晶界的狀況等。圖1-2透亮氧化鋁的顯微組織1200x圖1-3為電熔剛玉的顯微組織。其中白色粗大的柱狀晶相為α-Al2O3，暗黑色的組織為玻璃相，黑色的圓洞為氣孔。圖1-3電熔剛玉的顯微組織1200x1.2次晶相對材料性能的影響當次晶相的含量達某一臨界值時，將可導致某些特定性能的變更。例如，在高壓電瓷的玻璃相中，由于有大量的二次莫來石針狀晶體的析出，形成網狀交織分布，起著一個骨架增加的作用，從而大大提高了電瓷的機械強度。圖1-4瓷坯中的針狀莫來石呈網狀分布圖1-5粗大針狀莫來石晶體的網狀分布對提高制品強度極為有利1.3晶粒尺寸對性能的影響由陶瓷材料的理論斷裂強度公式：σ=2Eγa式中γ——斷面的表面能，E—楊氏模量，a——晶格常數．由式可知，a越小，σ越大．試驗中發覺多晶材料的流變應力和晶粒直徑的平方根成反比，Hal—Petch【1】從位錯塞積概念推導出這一關系．晶界對位錯運動構成猛烈的障礙，在外力作用下取向最有利的晶粒的位錯源首先開動，位錯源發出的位錯滑移到晶界并在晶界前積累起來．當塞積頂端產生的應力集中達到相鄰晶粒位錯源開動的臨界應力時變形擴展(屈服)．由晶內位錯塞積在晶界上引發裂紋的臨界應力τc==kd,，式中μ=；ν——基體的表面能;k——常數；d——晶粒尺寸．則屈服應力：τ=τ*+kd;式中τ*——點陣中的滑移阻力．該式表明，晶粒直徑越小，屈服強度越高。因此，細化晶粒可以提高材料的韌性和強度。另外，探討σ=2Eγa1.4晶粒形貌對性能的影響例1：燒結不好的一般陶瓷制品中，主晶相基本上由鱗片狀的一次莫來石構成。而燒結良好的陶瓷坯體中，主晶相的構成中既有鱗片狀的一次莫來石，也有相當數量的針狀、柱狀的二次莫來石。后者的強度明顯大于前者。例2：Si3N4陶瓷材料的強度隨著其中β-Si3N4相的含量增多而增大。這是因為低溫型的α-Si3N4晶粒呈等軸狀或短柱狀，而高溫型的β-Si3N4相為針狀和長柱狀結晶。1.5晶界對材料強度的影響晶界對于多晶材料來講，是一個特殊重要的組成部分，其數量、組成和性質對于材料的強度具有重要影響。圖1-6圖1-7圖1-6和圖1-7顯示的就是晶界。晶界對材料強度的影響是當材料的破壞是沿著晶界斷裂時，假如晶界數量多（細晶結構），則可使裂紋的擴展閱歷更曲折的路徑，從而消耗更多的裂紋擴展能，對裂紋的擴展起著阻礙作用——提高材料的斷裂強度。須要留意的是假如晶界上有氣孔存在，則可能造成應力的集中，加速裂紋的擴展——降低材料的斷裂強度。假如晶界純粹由晶粒相互結合構成，可望能夠提高材料的強度。若晶界上存在玻璃相，材料的強度將降低。二、玻璃相對材料性能的影響2．1玻璃相的形成玻璃相一般是指由高溫熔體凝固下來的、結構和液體相像的非晶態固體。陶瓷材料在燒結過程中，發生了一系列的物理化學變更，生成了熔融液相。假如熔融態時粘度很大，即流體層間的內摩擦力很大，冷卻時原子遷移比較困難，晶體的形成很難進行，而形成過冷液相，隨著溫度接著下降，過冷淮相粘度進一步增大，冷卻到一事實上溫度時，熔體固體，“凍結”成為玻璃，此時的溫度稱為玻璃轉變溫度Tg，低于此溫度表現出明顯的脆性。2．2玻璃相的作用玻璃相具有以下幾個方面的作用：(1)起粘接劑和填充劑的作用，玻璃相是一種易熔相，可以填充晶粒間隙，將晶粒粘接在一起，使材料致密化；(2)降低燒成溫度，加快燒結過程；(3)阻擋晶型轉變，抑制晶粒長大，使晶粒細化；(4)增加陶瓷的透亮度；(5)有利于雜質、添加物、氣孔等的重新分布。2．3玻璃相的特點和對材料性能的影響通常狀況下，和晶相比較而言，玻璃相（1）機械強度較低；（2）熱穩定性較差；（3）熔融溫度較低。（4）由于玻璃相結構較疏松，因而常在結構空隙中充填了一些金屬離子，這樣在外電場的作用下很簡潔產生松弛極化，使陶瓷材料的絕緣性降低、介電損耗增大。不同的陶瓷制品，由于質量性能的要求不同，因此對玻璃相含量的要求也不同。在特種陶瓷材料中，玻璃相的含量一般都很低，有的甚至幾乎全由晶相構成(純固相燒結)。而在一般陶瓷制品中，玻璃相的含量較高，可在20%~60%之間變更。如一些日用陶瓷，玻璃相含量甚至可達到60%以上。三、氣相晶粒內的氣孔晶粒內的氣孔晶界交界處的氣孔晶粒內的雜質晶界晶界上的氣孔晶粒被被包袱在晶粒中的氣孔釉玻璃體中的氣泡釉玻璃體中的氣泡氣孔也是陶瓷制品顯微結構中的一個重要組成部分，對制品的性質有著重要影響。它們可能存在于玻璃相中，也可能存在于晶界處，或者被包袱于晶粒內部。3.1氣相的形成材料中氣孔形成的緣由比較困難，影響因素較多，如材料制備工藝、粘接劑的種類、原材料的分解物、結晶速度、燒成氣氛都影響陶瓷中氣孔的存在。實行確定的工藝手頂可以使氣孔率降低或者接近于零。3.2氣相對材料的影響陶瓷的強度和彈性模量成正比，因此強度也隨氣孔率而變更。σ=σ0e-bp[2]式中σ——氣孔率為P時的強度；d——P=0時的強度；b——和陶瓷制備工藝有關的常數。氣孔對材料強度的影響是明顯的——材料強度總是隨著氣孔率的增大而降低。材料中氣孔的大小、形態及其分布狀態，對材料的強度也有確定程度的影響。在氣孔率確定的狀況下，一般來說，閉口氣孔好于開口氣孔，開口氣孔好于貫穿氣孔。氣孔勻整分布好于其集中分布強度強度氣孔率氣孔存在的利弊因制品的質量性能要求不同而異：（1）對于電介質陶瓷（如陶瓷電容器）來說，氣孔的存在會增大陶瓷的介電損耗并降低其擊穿強度。對于透亮陶瓷而言，確定大小的氣孔又是入射光的散射中心，氣孔的存在會降低制品的透光率。（2）對于絕熱或隔熱材料而言，則希望材料中存在較大體積分數、且孔徑及分布勻整的氣孔。對于過濾用的陶瓷制品，以及濕敏、氣敏陶瓷材料，也希望有確定的體積分數的貫穿性氣孔存在。（3）但是，無論何種制品，大量氣孔的存在都會對制品的強度產生不利影響。氣孔對材料強度的影響是明顯的——材料強度總是隨著氣孔率的增大而降低。四、顯微組織對其他性能的影響4.1晶粒尺寸、氣孔對陶瓷的抗熱震性能的影響陶瓷的抗熱震性能也隨著晶粒的增大有較大提高，緣由在于晶粒越大，其強度越低，而彈性模量、泊松比不變，由式R=，可見抗熱震損傷參數逐步增大的趨勢．式中νf—常數；ν——泊松比；σf——固有強度．對其熱震斷口分析表明，晶粒越大，沿晶斷裂區域越大，反之，穿晶斷裂區域越大．大小勻整且彌散分布的眾多氣孔作為既存裂紋能夠分散消耗熱彈性應變能，圓滑的氣孔內壁有助于松弛應力，從而有利于改善材料的抗熱震損傷性能[4]。經試驗證明添加BN顆粒的多孔Si3N4及胞狀的多孔莫萊石陶瓷均表現出良好的抗熱震性能．其緣由可歸結為：BN加入后顯著降低了復合材料的彈性模量熱膨脹系數和泊松比．其中，彈性模量和泊松比的降低主要緣由是材料氣孔率增大；熱膨脹系數的減小則主要是因BN本身熱膨脹系數較小。4.2晶粒尺寸、晶界對陶瓷材料超塑性的影響晶粒尺寸、顯微結構的穩定性是影響超塑性的內在因素；應變速率、變形溫度等是影響陶瓷材料超塑性的外在因素．細晶粒超塑性機理是晶界滑移，晶粒尺寸越小，晶界越多，高溫下越易產生晶界滑移，變形量越大，表現出高的超塑性[4]。晶粒尺寸越細，流變應力越小，延長率越高．當晶粒尺寸大于2μm時，便不再呈現塑性現象。4.3其次相晶粒粒度對陶瓷材料強度的影響隨SiC粒徑的增加，材料的強度先提高后降低，使材料增加的粒徑范圍小于25μm。Evans和Faber[5]推導出產生應力誘導微開裂時其次相顆粒的最大直徑d和最小粒徑dmin:dc=40υint／Em(eT)2,dmin=17υint／Em(eT)2,，式中eT——熱膨脹系數不同所引起的應變；υint——和微開裂相關的斷裂能；Em——基體的彈性模量。僅當dmin<d<d時，材料在外力的作用下出現一個微開裂過程區，起到增韌作用。總結：細化晶粒可以同時提高材料的韌性、塑性和強度，制備高強度的陶瓷，必需將氣孔率降至最低限度。對于以抗熱震損傷性能為關鍵指標的陶瓷材料，可以利用氣孔對裂紋尖端應力鈍化和眾多微裂紋誘導主裂紋準靜態擴展的特性，適度引入氣孔或接受適當的表面處理工藝引人微裂紋，避開材料出現災難性動態裂紋擴展．合適的其次相粒子能增韌陶瓷基體[6]。參考：[1]金宗哲等．復相陶瓷增加顆粒尺寸效應[J]．硅酸鹽學報，1995，23(6)：610．[2]潘金生，仝健民，田民波．材料科學基礎[M]．北京：清華高校出版社．1998．[3]黃勇．晶須補強陶瓷基復合材料界面探討進展[J]