濕法工藝電瓷產品瓷體顯微結構淺析和研究初探

楊雪峰

（醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司，湖南 醴陵 412208）

濕法工藝電瓷產品瓷體顯微結構淺析和研究初探

楊雪峰

（醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司，湖南 醴陵 412208）

通過對抽取不同窯次、不同火位的濕法工藝生產制造的C130電瓷配方產品，制成了可供掃描電子顯微鏡觀測用的樣品，進行了瓷質微觀的顯微結構分析，并對穩定和發展電瓷產品性能進行了淺析和初探。

顯微結構；莫來石；微裂紋；氣孔

0 引 言

電氣性能和機械性能是電(瓷絕緣子)的重要性能，它們往往受到瓷體顯微結構的強烈影響。而瓷體的顯微結構又常受瓷體原料成分和制造工藝過程所控制。通過顯微結構的觀測，評估其對電瓷性能的影響，并由此建立電瓷原料選用、電瓷制造工藝過程及電瓷機電性能間的關系，是一件具有十分重大意義的工作。

2016年初，醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司送了濕法工藝生產制造的C130電瓷配方的三組樣品(制成了5個掃描電鏡觀測樣，分別編為A～E，詳見表1)到國內某材料測試中心實驗室進行了顯微結構分析，以評估焙燒工藝對電瓷材料性能的影響。雙方技術人員共同對樣品進行了相應的處理，制成了可供掃描電子顯微鏡觀測用的樣品，用場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀測了所有的樣品，得到了全部具有技術應用價值的關鍵數據和圖像，并據此進行了顯微結構與焙燒工藝的評估和粗淺分析與技術探討。

1 三組樣品的特征描述(見表1)

2 制 樣

對三組樣品先進行了仔細的外觀檢查，并拍攝了照片(圖1)。所送來的樣品是公司已對生產焙燒過程進行詳細調控后生產的產品的樣品。外觀上看，質地致密，敲擊時聲音清脆，存在著貝殼狀斷口，說明所燒成的質量很好，測試其吸水率為零，不存在吸紅現象。

在各樣品合適的部位進行切片，也特別對同一部位的瓷體分別在其中間和邊緣部分進行了切片。將所切取的5個樣品進行了粗磨－精磨，并進行了適當的拋光，以保證觀測面平整。用一定濃度的氫氟酸溶液對已磨好的樣品腐蝕若干分鐘。干燥后，再將樣品濺射涂覆金-鈀合金膜，以便于進行SEM觀測。然后送場發射掃描電鏡中觀測。再據所觀測的結果評估各樣品的顯微結構。

表1 三組樣品特征描述Tab.1 Features of three groups of samples

3 SEM觀察和分析結果

3.1 樣品A的觀察和分析結果

低倍(1000倍)下觀察，顯微結構較均勻，各種不同成分的顆粒清楚可辯，有少量的不同成因類型的氣孔(見圖2)。氣孔分布在顆粒邊緣，是氫氟酸腐蝕所致。

圖1 三組樣品的外觀Fig.1 Appearances of three groups of samples

圖2 樣品A的SEM觀察 (1000倍)Fig.2 SEM image of sample A (magnified 1000 times)

高倍(5000倍)下觀察，有少量的剛玉相，同時可以觀察到細小的呈團簇狀分布的一次莫來石(見圖3)。長約為2-5 μm的二次莫來石呈團塊狀分布(照片中標示為M)，團塊還依稀可見較為分明的棱角，說明它可能以長石顆粒的假象形式出現。二次莫來石轉化較完全，說明燒成還是較為完全。

在更高倍數(20000倍)下觀察，顯示了二次莫來石晶體多呈相互交織狀，晶體發育較好，莫來石有兩種粒徑，細長狀的莫來石晶體似乎是稍后形成的(見圖4)。

3.2 樣品B的觀察和分析結果

圖5左圖為1000倍下的觀測結果，結構均勻，但與該樣品的中心部位相比，感覺更為致密些，可觀察到少量剛玉顆粒，在顆粒邊緣也可以見到一些孔洞或微裂紋，從其形狀及分布特征推測，可能為HF腐蝕所致。右圖為2000倍下的觀察結果，已能較清楚地看到不同顆粒間具有不同的形貌。有些顆粒表面較為平整，為殘余石英或剛玉；有些顆粒上見有小而密的針狀礦物，可能為呈粘土礦物顆粒假像的一次莫來石；而有些部位見有長度較大的相互交織的莫來石簇，則是呈長石顆粒假像的二次莫來石。該圖片中，還可清楚地見到一些孔洞，孔洞邊緣有一圈致密的針狀礦物(估計為莫來石)，說明燒成過程中的孔隙減少過程。從照片可以看出，該產品燒成時，相關的物理化學反應已經充分地開始并完成得較好。

圖3 樣品A的SEM觀察 (5000倍)Fig.3 SEM image of sample A (magnified 5000 times)

圖4 樣品A的SEM觀察 (20000倍)Fig.4 SEM image of sample A (magnified 20000 times)

圖5 樣品B的SEM觀察Fig.5 SEM image of sample B

圖6左圖，與前一照片類似。剛玉(圖中C)與莫來石(M)較為發育。右圖為在高倍數(10000倍)下觀測結果，可見相互交織的二次莫來石，有兩種形貌，其一為細長狀的二次莫來石；另一類二次莫來石晶體較為粗大，顯示它們的結晶時間不同，從圖像中判定，細長狀的二次莫來石結晶時間稍晚。在二次莫來石邊緣，可見到致密的細小的一次莫來石以及石英顆粒。一次莫來石與二次莫來石間，出現莫來石小晶粒的聚集。由此，引起了陶瓷燒成過程的致密化。

圖7左圖為20000倍下觀測結果，主要見到了細小的細長條狀分布的相互交織的二次莫來石晶體。右圖為80000倍下觀察結果，可見二次莫來石晶體的橫截面近似為矩形，針柱狀莫來石相互交織在一起。

圖6 樣品B的SEM觀察 (10000倍)Fig.6 SEM image of sample B (magnified 10000 times)

圖7 樣品B的SEM觀察Fig.7 SEM image of sample B

圖8 樣品C的SEM觀察Fig.8 SEM image of sample C

3.3 樣品C的觀察和分析結果

圖8左圖為1000倍下的觀測結果，可見較為均勻的顯微結構，基本情況與前一樣品的低倍顯微照片的特征類似。右圖為2000倍下的觀測結果，顯微結構較為均勻。從圖中可以看到存在大小不一且分布有一定規律的孔隙，這可能是因氫氟酸腐蝕而成，它們反映了原坯料各種組份間的界線，在這些界線附近，可見莫來石的聚集。

圖9左圖為5000倍下的顯微照片，可見細小的短柱狀的一次莫來石及一些細小的但有長度較大的二次莫來石，二次莫來石往往發育于裂隙處或某此坯料顆粒的中心部位。如該圖中的一些較大的且明顯的裂紋，這應該是坯料顆粒的邊界，沿其邊上有較致密的細小莫來石，這些莫來石的析出與長大，將坯料礦物顆粒間界線連結在一起了，是致密化過程的體現。右圖為20000倍下的觀測結果，主要是晶粒大小、長短不同、致密度也不同的相互交織的二次莫來石晶體，從莫來石晶體的交織情況來看，它們基本上是同時析出的。

圖10左圖為20000倍下觀測結果，有兩種類型的二次莫來石。一是圖中右下部分的晶粒長度較大，晶形較完整的莫來石晶體；另一則是晶粒較短且較細的莫來石。從相互交織情況來看，前者形成時間較晚。在圖的左邊，有一條裂紋，切斷的莫來石晶體，在裂紋的上端，似乎有“愈合”的現象，可能是高溫燒成后，因為收縮而形成的裂紋。右圖為50000倍條件下的觀測結果，主要為二次莫來石及其分布特征。二次莫來石晶體截面基本上是矩形，說明結晶情況良好。此處的莫來石晶體，似乎有些局部變粗、少量彎曲的變形現象。

圖9 樣品C的SEM觀察Fig.9 SEM image of sample C

圖10 樣品C的SEM觀察Fig.10 SEM image of sample C

圖11 樣品D的SEM觀察Fig.11 SEM image of sample D

3.4 樣品D的觀察和分析結果

圖11在1000倍下，釉層附近的樣本觀察情況，見有粒徑約為10-20 μm的殘余的石英顆粒，其邊緣多見有一圈微裂紋。也見一些在制坯階段就存在孔洞，其邊上可見致密化現象，在石英邊緣的部分微裂紋中，也可見這種現象。說明燒成過程可使一些裂紋產生“愈合”，產品的致密化過程較好。

圖12左圖為2000倍下的觀測情況，殘余石英顆粒周邊存在著微紋，近石英一側，裂紋較為平直，也較深；而另一側則可見許多細小的莫來石晶體聚集體，局部還呈放射狀向裂紋中生長。這種現象，可能是在石英與基質間存在硅質玻璃較多，在HF腐蝕下，玻璃質被溶解流失留下來顯微結構特征。右圖是5000倍下的觀測結果，上述現象就更加明顯了，在孔隙的四周，可見到細小的莫來石晶體，說明是HF腐蝕玻璃后所留下。而孔隙中部則可見到晶粒尺寸稍大些的二次莫來石。

圖13為20000倍下的觀測結果，左圖可見不同大小的莫來石晶體，主要以晶體截面的圖像為主。而右圖則以晶體的縱向影像為主。可區分出兩種大小不一的莫來石晶體，其中在孔隙中間，以細小的長柱狀莫來石為主，而邊緣莫來石晶體的長度較小。這兩張照片是在同一切面中觀測到的，說明坯體中莫來石的結晶方向是不一致的，這可能代表了結晶時的環境并不存在明顯的定向應力，這與陶瓷燒成過程的情況是吻合的，也說明致密化過程較為理想。

圖12 樣品D的SEM觀察Fig.12 SEM image of sample D

圖13 樣品D的SEM觀察 (20000倍)Fig.13 SEM image of sample D (magnified 20000 times)

3.5 樣品E的觀察和分析結果

圖14左圖為在1000倍下的觀測結果，可以看到坯體中的顯微結構是較均勻的。右圖為2000倍下的觀測結果，仍可見到坯體中各原料假像的顆粒。例如，其中分布了二次莫來石的顆粒可能是長石，呈現有細小的一次莫來石的則可能是粘土類顆粒。石英顆粒上面較為光滑。莫來石，尤其是二次莫來石的存在，是電瓷燒成好壞的重要標志之一。

圖15左圖為10000倍下的觀察結果，莫來石粗細不同、長短不一、相互交錯，整體上顯得有些零亂。右圖為20000倍下的觀察結果，其特征與左圖類似。其中可以見到因為HF腐蝕后留下的空隙。例如右圖的左上部及右下部，圖中顯示了偏灰色的影像，說明瓷的致密化很好。

圖16為20000倍下的顯微結構圖，與圖15情況類似。二次莫來石相互交織，體現了一種較為均勻的結構。

3.6 樣品觀測的初步評價

通過SEM觀察的顯微結構情況，可以初步得出如下認識：

(1)5個樣品中都可以觀察到發育較好的呈簇狀分布的，單根晶體長度多在2-10 μm二次針狀莫來石晶體團塊。

(2)可觀察1-5 μm間的孔洞或裂紋，這些孔洞或裂紋有一定的分布規律，可能有多種形成原因，可以反映燒成工藝的特征。當然有些孔洞或裂紋可能是因為HF腐蝕形成的，這可以在顯微結構照片中大致進行區分。

(3)有些樣品中，可見到少量的細粒殘余石英顆粒，其邊緣存在著微裂紋，但石英的量較少，微裂紋沒有連接起來，對材料機械性能的影響不致于太大。

(4) 5個樣品不同部位的顯微結構的整體水平均較好。

圖14 樣品E的SEM觀察Fig.14 SEM image of sample E

圖15 樣品E的SEM觀察Fig.15 SEM image of sample E

圖16 樣品E的顯微結構圖 (20000倍)Fig.16 SEM image of sample E (magnified 20000 times)

4 結 論

從掃描電子顯微鏡下的觀測結果，可以看出：

在掃描電鏡下觀測的5個電瓷樣品，都具有十分相似的顯微結構特征，每個樣品中都存在著非常發育的莫來石晶體，從其形貌來看，可以推測莫來石的結晶時間較長，可分為好幾個世代，分布在粘土顆粒上的細小的團簇狀莫來石結晶較早，常被稱為一次莫來石。常被稱為二次莫來石的晶體，從其晶粒大小及相互穿插、交織情況來看，也有不同的結晶時間。對其深入研究，是有意義的。

在樣品A和B對比中，其外部樣品的二次莫來石相發育情況略優于其中間部分的樣品，但兩者沒有本質的差別，定量區分它們是有困難的。樣品A至D的4個樣品，總體上顯微結構是基本相同的。說明該調控焙燒的窯次作業比較成功。

樣品中可觀察到殘余石英顆粒，有時石英顆粒粒徑還較大，在殘余石英顆粒周邊常存在著微紋。靠近石英一側的裂紋，較為平直且較深，而遠離石英的另一側則多見許多細小的莫來石晶體聚集體，局部還呈放射狀向裂紋中生長。這種現象，可能是在石英與基質間存在較多硅質玻璃，在HF腐蝕下，硅質玻璃質被溶解流失以后留下來的顯微結構特征。需要在后續的試驗研究中加以關注和針對的判定。

電瓷絕緣子的機電性能雖然與其顯微結構有關，但顯微結構并不是判斷其性能的唯一手段，還應結合其它的工作，才能達到最好的效果。

Microstructure and Performance of Electric Ceramics Prepared by Wet Processing

YANG Xuefeng
(Liling Huaxin Insulator Technology Co., Ltd., Liling 412208, Hunan, China)

C130 electric ceramics were prepared by wet processing. Then samples from different firing periods and loading positions in the kiln were extracted for SEM observation. Based on the microstructure studies, the multiple relations among raw materials, batch formulation, forming process, firing, microstructure, and mechanical and electrical performance were established. In addition, primary explorations were made to stabilize and improve electric ceramic properties.

microstructure; mullite; microcrack; pore

TQ174.75

A

1006-2874(2016)06-0011-08

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.06.003

2016-05-06。

2016-05-08。

楊雪峰，男，工程師。

Received date:2016-05-06. Revised date: 2016-05-08.

Correspondent author:YANG Xuefeng, male, Engineer.

E-mail:yxf6996@aliyun.com