15无机材料显微结构简介

岩相学（材料显微结构）——晶体光学显微结构•人眼或放大镜和实体显微镜只能分辨大于0.1mm(100μm)的物体，所观测到的结构称为宏观结构。光学显微镜的最大分辨率可达0.2μm左右，观测到的结构称为显微结构。显微结构电子显微镜分辨率可提高到0.01μm(10nm),观测到的结构称为亚显微结构。•用高分辨率透射电镜可观测到物质的分子、原子，直接研究晶格点阵的被称为微观结构。显微结构定义在光学—电子显微镜下分辨出的试样中所含相的种类及其数量，颗粒的形状、大小、分布取向和它们相互之间的综合特征。包括了亚显微结构，但不含宏观结构和微观结构。无机材料显微结构分析的研究内容◆结晶相的鉴定：主晶相往往决定着制品的理化性能。鉴定结晶相的方法：偏光显微镜薄片法和油浸法、反光显微镜光片法、X射线衍射分析法、红外光谱分析法和探针微区分析法等。一、物相组成的分析和鉴定◆固态非晶质相的分析▼非晶态团粒如粘土原料在烧结过程中脱水分解形成以无定形二氧化硅为主的粘土团粒，电镜发现，其中存在着隐晶质结晶相和玻璃相。用光学显微镜只能研究其外部形态、大小、分布、含量以及其它相之间的关系等，只有采用电子显微镜附加微区分析仪才能研究其内部构造。▼玻璃相由高温熔体冷凝而成的固态非晶质相。玻璃相在制品中起着粘结及填充空隙的作用。主要用光学显微镜测定和研究玻璃相的含量、分布、析晶情况等，必要时对其化学成分并对析晶相进行鉴定。绝大多数制品中均或多或少地含有气相，制品中的气相是以气泡或气孔形式存在的。气相的存在与否以及气孔的形状、大小、含量、分布和连通情况，对制品的性能、质量及使用均有显著影响，有时起决定作用。必要时测定气孔中包裹气体的化学成分，分析其成因，以便在制造工艺上采取相应措施。气相无机材料显微结构分析的研究内容二、显微结构特征的研究和测定1、形态学研究＊晶相形态学：晶体形状特点、自形程度、集合体形态和细微结构。＊固态非晶相形态学：研究非晶相的形状特点、分布情况及与其它物相间的关系，进一步研究非晶态团粒中隐晶质的晶体种类、大小、分布和含量。＊气相形态学：研究制品中气孔的形状、大小、数量及分布、气孔的贯通情况、存在形式及数量。2、体视学研究根据组成物相二维形貌特征通过结构参数的测量和推算确定颗粒三维空间的形态、大小及含量的科学，称为体视学。体视学还要研究各相在空间的分布情况及其均匀性，研究粉体颗粒如粉状原料、生料粉、成品水泥粉、超细粉体和其他细粉的形态特点、颗粒大小、粒度分布及其他结构参数等3．研究物相的排列组合制品中组成物相在空间分布和排列组合情况是制造过程中各种因素作用的综合结果，亦直接影响甚至决定着制品的技术性能、质量、使用性状和效果。显微结构分析时要研究各物相分布的均匀性、取向性、致密程度以及玻璃相、气相与晶相间分布情况等。4．研究物相之间结合关系物相间的结合情况多种多样，与原料质量、混合料配方及拌和均匀程度、热工制度、冷却速度或热处理制度等均直接有关，亦显著地影响甚至决定着制品的技术性能和使用效果。•在显微结构分析时，对不同材料及其制品的要求是有所差别的：单相多晶材料要用电子显微镜研究同种晶体颗粒之间接触的晶界结构，多相多晶材料则要注意研究不同相之间接合的相界结构，还要研究制品中玻璃相与晶相间结合关系以及气孔壁的结构特点等。•根据制品的主要化学成分，将所有无机材料划分为硅酸盐类和非硅酸盐类两大类；亦有分为氧化物材料和非氧化物材料(含金属陶瓷)两大类的．硅酸盐类无机材料•以硅酸盐、铝酸盐、铝硅酸盐及硅氧、部分铝氧为主要化学成分的无机材料，称为硅酸盐类无机材料，简称为硅酸盐材料。主要有：普通陶瓷、各种耐火材料、日用玻璃及其制品、无机保温材料、硅酸盐和铝酸盐水泥熟料及其制品、铸石材料、普通磨料、工业废渣、燃料灰渣、部分单晶材料及无机复合材料等。硅酸盐材料是发展历史悠久、使用面广的一大类无机材料，常被称为传统无机材料。2．非硅酸盐类无机材料•除硅酸盐材料以外的无机非金属材料，总称为非硅酸盐类无机材料，简称为非硅酸盐材料。可分为五类：•①单质材料，例如，石墨、金刚石、多晶硅、无定形硅等；•②单晶材料，例如，单晶硅、单晶锗、水晶、蓝宝石、白云母等；•⑧结构材料，例如，氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和非硅酸盐的高温材料等；•④功能材料，例如，电介质陶瓷、压电陶瓷、铁电陶瓷、生物陶瓷、快离子导体、变阻瓷及敏感陶瓷、超导材料、航天航空材料、功能玻璃材料和功能薄膜材料等；•⑤其他非硅酸盐无机材料，例如，特种胶凝材料、无机涂料、无机薄膜材料、部分无机及无机等复合材料等。无机材料的生产工艺及结构分类•1．熔融型无机材料•由一种或多种原料按化学配方制成混合料，使之全部熔融成高温熔体并快速冷却得到•的制品，称为熔融型无机材料；因冷却制度和热处理情况不同又有三类的不同显微结构：•(1)玻璃材料高温熔体快速冷却凝固由无定形非晶态物质构成的材料，称为玻璃材•料。显微结构分析的对象主要是玻璃体内结晶质缺陷(玻璃结石)和非晶态缺陷。•(2)微晶玻璃材料混合料引入晶核剂中熔制成的高温熔体，经快速冷凝成玻璃后，再在一定温度下进行热处理使之结晶获得由细小晶体组成的结晶质材料，称为微晶玻璃材料。由于材料中晶体很细小，必须在电子显微镜下研究其亚显微结构特征。•(3)熔融结晶材料高温熔体在冷却过程中于某温度下保温一定时间，使之全部结晶并长成较大晶体所构成的制品，称为熔融结晶材料。又有成型和不成型两类，前者称熔铸结晶材料，后者称熔融结晶材料。2．烧结型无机材料•根据制品的化学组成配方和粒度配比要求，用一种或多种原料的颗粒和粉体制成混合料，经拌和，有时还要成型和干燥，在一定温度下煅烧后烧结成块体，再经冷却而获得的制品，称为烧结型无机材料。根据烧结工艺及显微结构特征亦分为三类：•(1)固液相烧结材料高温烧结时物料部分熔融，冷却时凝结成玻璃相使制品达到烧结的材料，称为固液相烧结无机材料。它分成型烧结和粉体烧结两类。•(2)固相烧结材料在高温锻烧过程中不出现或基本上不产生液相，主要靠物料颗粒间固相反应、互扩散、再结晶等作用达到烧结的制品，称为固相烧结无机材料。•(3)热压烧结材料在高温锻烧的同时施加一定压力烧结而成的制品，称为热压烧结无机材料。3．胶凝型无机材料•以自身凝聚力或粘结剂凝结力，在常温或一定温度下凝聚而成的材料，称为胶凝型无机材料。•它主要有：常温条件下在大气环境中硬化的气硬性材料，在水中或潮湿的环境中硬化的水硬性材料和在较低温度条件下硬化的热硬性材料等三大类。4．复合型无机材料•由两种或两种以上不同性质，甚至不同类型材料结合为一体而形成的材料，称为复合型材料。•属于无机材料系统的复合型材料主要有：在一种无机材料中引入另一种无机材料成分所构成的无机无机复合材料(亦简称无机复合材料)，•以无机材料为主引入金属材料成分构成的无机基金属复合材料和金属材料为主体引入无机材料成分构成的金属基无机复合材料•还有由无机材料和高分子材料构成的无机高分子复合材料共三大类。无机材料产业类型•1．陶瓷材料•陶瓷材料根据显微结构特征、性能及用途可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。普通陶瓷又根据生产工艺、显微结构和性能进一步分为土器、粗陶器、精陶器、炻器和瓷器。瓷器中又•有软质瓷、硬质瓷之分。在陶瓷坯体上还常常覆盖一层玻璃质的釉，其中特种陶瓷又有结构陶瓷和功能陶瓷之分。2．耐火材料•耐火材料依据制品的化学及相组成和生产工艺可分为两类：一类是:•硅质(SiO2系)、•铝硅质(Al2O3—SiO2系)、•铝质(A1203—[Na20，Cr2O3]系)、•铝碳质(A12O3—[SiC]系)、•铝锆质(Zr02—A1203—Si02系)、•镁铬质(MgO—R203,，Si02系)、•含碳(MgO—CaO—C系)、•特种(C，SiC—Si3N4，系)共八大类；另一类是:•烧结型耐火制品、•不烧型(包括化学结合型)耐火制品、•熔铸型耐火制品和•再结合型耐火制品四种类型。3．玻璃材料玻璃材料包括玻璃及其制品和微晶玻璃两类。前者根据主要化学组成有多个系列，显微结构分析对象主要是玻璃体内的各种缺陷，尤其是结晶质的玻璃结石；后者亦有多个化学组成系列和性能类型，显微结构分析除了研究母体玻璃中各种缺陷外，主要研究在热处理微晶化过程中显微结构的变化及其规律以及显微结构与制品性能之间的关系。4．水泥材料水泥材料属胶凝材料的一大类，又分为硅酸盐水泥和铝酸盐水泥两类。显微结构分析的对象是水泥熟料、水泥水化物及水泥混合材。