湿法工艺电瓷产品瓷体显微结构浅析和研究初探

杨雪峰

（醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司，湖南 醴陵 412208）

湿法工艺电瓷产品瓷体显微结构浅析和研究初探

杨雪峰

（醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司，湖南 醴陵 412208）

通过对抽取不同窑次、不同火位的湿法工艺生产制造的C130电瓷配方产品，制成了可供扫描电子显微镜观测用的样品，进行了瓷质微观的显微结构分析，并对稳定和发展电瓷产品性能进行了浅析和初探。

显微结构；莫来石；微裂纹；气孔

0 引 言

电气性能和机械性能是电(瓷绝缘子)的重要性能，它们往往受到瓷体显微结构的强烈影响。而瓷体的显微结构又常受瓷体原料成分和制造工艺过程所控制。通过显微结构的观测，评估其对电瓷性能的影响，并由此建立电瓷原料选用、电瓷制造工艺过程及电瓷机电性能间的关系，是一件具有十分重大意义的工作。

2016年初，醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司送了湿法工艺生产制造的C130电瓷配方的三组样品(制成了5个扫描电镜观测样，分别编为A～E，详见表1)到国内某材料测试中心实验室进行了显微结构分析，以评估焙烧工艺对电瓷材料性能的影响。双方技术人员共同对样品进行了相应的处理，制成了可供扫描电子显微镜观测用的样品，用场发射扫描电子显微镜(SEM)观测了所有的样品，得到了全部具有技术应用价值的关键数据和图像，并据此进行了显微结构与焙烧工艺的评估和粗浅分析与技术探讨。

1 三组样品的特征描述(见表1)

2 制 样

对三组样品先进行了仔细的外观检查，并拍摄了照片(图1)。所送来的样品是公司已对生产焙烧过程进行详细调控后生产的产品的样品。外观上看，质地致密，敲击时声音清脆，存在着贝壳状断口，说明所烧成的质量很好，测试其吸水率为零，不存在吸红现象。

在各样品合适的部位进行切片，也特别对同一部位的瓷体分别在其中间和边缘部分进行了切片。将所切取的5个样品进行了粗磨－精磨，并进行了适当的抛光，以保证观测面平整。用一定浓度的氢氟酸溶液对已磨好的样品腐蚀若干分钟。干燥后，再将样品溅射涂覆金-钯合金膜，以便于进行SEM观测。然后送场发射扫描电镜中观测。再据所观测的结果评估各样品的显微结构。

表1 三组样品特征描述Tab.1 Features of three groups of samples

3 SEM观察和分析结果

3.1 样品A的观察和分析结果

低倍(1000倍)下观察，显微结构较均匀，各种不同成分的颗粒清楚可辩，有少量的不同成因类型的气孔(见图2)。气孔分布在颗粒边缘，是氢氟酸腐蚀所致。

图1 三组样品的外观Fig.1 Appearances of three groups of samples

图2 样品A的SEM观察 (1000倍)Fig.2 SEM image of sample A (magnified 1000 times)

高倍(5000倍)下观察，有少量的刚玉相，同时可以观察到细小的呈团簇状分布的一次莫来石(见图3)。长约为2-5 μm的二次莫来石呈团块状分布(照片中标示为M)，团块还依稀可见较为分明的棱角，说明它可能以长石颗粒的假象形式出现。二次莫来石转化较完全，说明烧成还是较为完全。

在更高倍数(20000倍)下观察，显示了二次莫来石晶体多呈相互交织状，晶体发育较好，莫来石有两种粒径，细长状的莫来石晶体似乎是稍后形成的(见图4)。

3.2 样品B的观察和分析结果

图5左图为1000倍下的观测结果，结构均匀，但与该样品的中心部位相比，感觉更为致密些，可观察到少量刚玉颗粒，在颗粒边缘也可以见到一些孔洞或微裂纹，从其形状及分布特征推测，可能为HF腐蚀所致。右图为2000倍下的观察结果，已能较清楚地看到不同颗粒间具有不同的形貌。有些颗粒表面较为平整，为残余石英或刚玉；有些颗粒上见有小而密的针状矿物，可能为呈粘土矿物颗粒假像的一次莫来石；而有些部位见有长度较大的相互交织的莫来石簇，则是呈长石颗粒假像的二次莫来石。该图片中，还可清楚地见到一些孔洞，孔洞边缘有一圈致密的针状矿物(估计为莫来石)，说明烧成过程中的孔隙减少过程。从照片可以看出，该产品烧成时，相关的物理化学反应已经充分地开始并完成得较好。

图3 样品A的SEM观察 (5000倍)Fig.3 SEM image of sample A (magnified 5000 times)

图4 样品A的SEM观察 (20000倍)Fig.4 SEM image of sample A (magnified 20000 times)

图5 样品B的SEM观察Fig.5 SEM image of sample B

图6左图，与前一照片类似。刚玉(图中C)与莫来石(M)较为发育。右图为在高倍数(10000倍)下观测结果，可见相互交织的二次莫来石，有两种形貌，其一为细长状的二次莫来石；另一类二次莫来石晶体较为粗大，显示它们的结晶时间不同，从图像中判定，细长状的二次莫来石结晶时间稍晚。在二次莫来石边缘，可见到致密的细小的一次莫来石以及石英颗粒。一次莫来石与二次莫来石间，出现莫来石小晶粒的聚集。由此，引起了陶瓷烧成过程的致密化。

图7左图为20000倍下观测结果，主要见到了细小的细长条状分布的相互交织的二次莫来石晶体。右图为80000倍下观察结果，可见二次莫来石晶体的横截面近似为矩形，针柱状莫来石相互交织在一起。

图6 样品B的SEM观察 (10000倍)Fig.6 SEM image of sample B (magnified 10000 times)

图7 样品B的SEM观察Fig.7 SEM image of sample B

图8 样品C的SEM观察Fig.8 SEM image of sample C

3.3 样品C的观察和分析结果

图8左图为1000倍下的观测结果，可见较为均匀的显微结构，基本情况与前一样品的低倍显微照片的特征类似。右图为2000倍下的观测结果，显微结构较为均匀。从图中可以看到存在大小不一且分布有一定规律的孔隙，这可能是因氢氟酸腐蚀而成，它们反映了原坯料各种组份间的界线，在这些界线附近，可见莫来石的聚集。

图9左图为5000倍下的显微照片，可见细小的短柱状的一次莫来石及一些细小的但有长度较大的二次莫来石，二次莫来石往往发育于裂隙处或某此坯料颗粒的中心部位。如该图中的一些较大的且明显的裂纹，这应该是坯料颗粒的边界，沿其边上有较致密的细小莫来石，这些莫来石的析出与长大，将坯料矿物颗粒间界线连结在一起了，是致密化过程的体现。右图为20000倍下的观测结果，主要是晶粒大小、长短不同、致密度也不同的相互交织的二次莫来石晶体，从莫来石晶体的交织情况来看，它们基本上是同时析出的。

图10左图为20000倍下观测结果，有两种类型的二次莫来石。一是图中右下部分的晶粒长度较大，晶形较完整的莫来石晶体；另一则是晶粒较短且较细的莫来石。从相互交织情况来看，前者形成时间较晚。在图的左边，有一条裂纹，切断的莫来石晶体，在裂纹的上端，似乎有“愈合”的现象，可能是高温烧成后，因为收缩而形成的裂纹。右图为50000倍条件下的观测结果，主要为二次莫来石及其分布特征。二次莫来石晶体截面基本上是矩形，说明结晶情况良好。此处的莫来石晶体，似乎有些局部变粗、少量弯曲的变形现象。

图9 样品C的SEM观察Fig.9 SEM image of sample C

图10 样品C的SEM观察Fig.10 SEM image of sample C

图11 样品D的SEM观察Fig.11 SEM image of sample D

3.4 样品D的观察和分析结果

图11在1000倍下，釉层附近的样本观察情况，见有粒径约为10-20 μm的残余的石英颗粒，其边缘多见有一圈微裂纹。也见一些在制坯阶段就存在孔洞，其边上可见致密化现象，在石英边缘的部分微裂纹中，也可见这种现象。说明烧成过程可使一些裂纹产生“愈合”，产品的致密化过程较好。

图12左图为2000倍下的观测情况，残余石英颗粒周边存在着微纹，近石英一侧，裂纹较为平直，也较深；而另一侧则可见许多细小的莫来石晶体聚集体，局部还呈放射状向裂纹中生长。这种现象，可能是在石英与基质间存在硅质玻璃较多，在HF腐蚀下，玻璃质被溶解流失留下来显微结构特征。右图是5000倍下的观测结果，上述现象就更加明显了，在孔隙的四周，可见到细小的莫来石晶体，说明是HF腐蚀玻璃后所留下。而孔隙中部则可见到晶粒尺寸稍大些的二次莫来石。

图13为20000倍下的观测结果，左图可见不同大小的莫来石晶体，主要以晶体截面的图像为主。而右图则以晶体的纵向影像为主。可区分出两种大小不一的莫来石晶体，其中在孔隙中间，以细小的长柱状莫来石为主，而边缘莫来石晶体的长度较小。这两张照片是在同一切面中观测到的，说明坯体中莫来石的结晶方向是不一致的，这可能代表了结晶时的环境并不存在明显的定向应力，这与陶瓷烧成过程的情况是吻合的，也说明致密化过程较为理想。

图12 样品D的SEM观察Fig.12 SEM image of sample D

图13 样品D的SEM观察 (20000倍)Fig.13 SEM image of sample D (magnified 20000 times)

3.5 样品E的观察和分析结果

图14左图为在1000倍下的观测结果，可以看到坯体中的显微结构是较均匀的。右图为2000倍下的观测结果，仍可见到坯体中各原料假像的颗粒。例如，其中分布了二次莫来石的颗粒可能是长石，呈现有细小的一次莫来石的则可能是粘土类颗粒。石英颗粒上面较为光滑。莫来石，尤其是二次莫来石的存在，是电瓷烧成好坏的重要标志之一。

图15左图为10000倍下的观察结果，莫来石粗细不同、长短不一、相互交错，整体上显得有些零乱。右图为20000倍下的观察结果，其特征与左图类似。其中可以见到因为HF腐蚀后留下的空隙。例如右图的左上部及右下部，图中显示了偏灰色的影像，说明瓷的致密化很好。

图16为20000倍下的显微结构图，与图15情况类似。二次莫来石相互交织，体现了一种较为均匀的结构。

3.6 样品观测的初步评价

通过SEM观察的显微结构情况，可以初步得出如下认识：

(1)5个样品中都可以观察到发育较好的呈簇状分布的，单根晶体长度多在2-10 μm二次针状莫来石晶体团块。

(2)可观察1-5 μm间的孔洞或裂纹，这些孔洞或裂纹有一定的分布规律，可能有多种形成原因，可以反映烧成工艺的特征。当然有些孔洞或裂纹可能是因为HF腐蚀形成的，这可以在显微结构照片中大致进行区分。

(3)有些样品中，可见到少量的细粒残余石英颗粒，其边缘存在着微裂纹，但石英的量较少，微裂纹没有连接起来，对材料机械性能的影响不致于太大。

(4) 5个样品不同部位的显微结构的整体水平均较好。

图14 样品E的SEM观察Fig.14 SEM image of sample E

图15 样品E的SEM观察Fig.15 SEM image of sample E

图16 样品E的显微结构图 (20000倍)Fig.16 SEM image of sample E (magnified 20000 times)

4 结 论

从扫描电子显微镜下的观测结果，可以看出：

在扫描电镜下观测的5个电瓷样品，都具有十分相似的显微结构特征，每个样品中都存在着非常发育的莫来石晶体，从其形貌来看，可以推测莫来石的结晶时间较长，可分为好几个世代，分布在粘土颗粒上的细小的团簇状莫来石结晶较早，常被称为一次莫来石。常被称为二次莫来石的晶体，从其晶粒大小及相互穿插、交织情况来看，也有不同的结晶时间。对其深入研究，是有意义的。

在样品A和B对比中，其外部样品的二次莫来石相发育情况略优于其中间部分的样品，但两者没有本质的差别，定量区分它们是有困难的。样品A至D的4个样品，总体上显微结构是基本相同的。说明该调控焙烧的窑次作业比较成功。

样品中可观察到残余石英颗粒，有时石英颗粒粒径还较大，在残余石英颗粒周边常存在着微纹。靠近石英一侧的裂纹，较为平直且较深，而远离石英的另一侧则多见许多细小的莫来石晶体聚集体，局部还呈放射状向裂纹中生长。这种现象，可能是在石英与基质间存在较多硅质玻璃，在HF腐蚀下，硅质玻璃质被溶解流失以后留下来的显微结构特征。需要在后续的试验研究中加以关注和针对的判定。

电瓷绝缘子的机电性能虽然与其显微结构有关，但显微结构并不是判断其性能的唯一手段，还应结合其它的工作，才能达到最好的效果。

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。

杨雪峰，男，工程师。

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

Correspondent author:YANG Xuefeng, male, Engineer.

E-mail:yxf6996@aliyun.com