PS比色法在陶瓷材料真气孔率测量中的应用研究

谭黎维，潘 薇，李玉平，张家涛

PS比色法在陶瓷材料真气孔率测量中的应用研究

谭黎维1，潘 薇1，李玉平2，张家涛1

(1． 云南锡业职业技术学院，云南 个旧 661000；2． 湖南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082)

悬浮密度法是测量陶瓷气孔率最常用的方法，该法利用密度天平测量样品的干重、悬重和湿重，通过计算得到样品的气孔率值。然而，该方法只能直接获得样品的开口气孔率，要求取样品的真气孔率则需预先知道材料的真密度值。本文介绍了一种基于SEM二次电子形貌衬度原理测量陶瓷真气孔率的“PS比色法”，利用该法对三组陶瓷样品的真气孔率进行测量，并将测量结果与悬浮密度法测量结果进行比较，发现前者的结果略小于后者。但采用PS比色法测量陶瓷真密度无需预先知道材料的真密度且较为直观，因而具有较强的实用性。

陶瓷；气孔率；PS比色法；悬浮密度法

0 引 言

在陶瓷产品的检测中，气孔率是衡量瓷坯烧成质量的一个重要指标，反映了瓷坯的致密度，对陶瓷产品的强度和稳定性具有重要的影响[1-2]。GB/ T 8411．2-2008中介绍了一种测定陶瓷块体材料气孔率的方法——悬浮密度法，该方法是生产和实验过程中应用最广的气孔率方法，它是基于阿基米德原理，利用密度天平及其附件分别量取陶瓷样品的干重、湿重和悬重，通过计算即可得到样品的气孔率[3-4]。然而，该方法只能根据称量所得的三个质量值(干重、湿重和悬重)直接求取样品的开口气孔率，要求取样品的闭口气孔率和真气孔率(开口气孔率与闭口气孔率之和)则必须要知道陶瓷材料的真密度值。但是，陶瓷的开口气孔率往往远小于其真气孔率，开口气孔率并不能直接有效地反映瓷坯的实际烧成状况，而由于陶瓷配方及制备工艺的多变性，陶瓷材料的真密度值并不容易获得，因此就给真气孔率的测量带来了不便[5]。

本文介绍了一种利用Photoshop软件对陶瓷样品扫描电子显微照片中的气孔率进行比色计算的方法(以下简称PS比色法)，利用该法对1#、2#和3#三组陶瓷样品的真气孔率进行了测量，并与常用的悬浮密度法测气孔率的方法进行了比较。

1 实验原理及方法

1.1 实验原理

PS比色法测量陶瓷样品的气孔率是依据扫描电子显微镜二次电子形貌衬度原理。利用扫描电子显微镜对样品进行观察时，根据二次电子成像原理，样品中倾斜度越大的面，被电子束激发出来的二次电子产额越高，亮度越高，而倾斜度越小的面，二次电子产额越少，亮度也越低。反映到扫描电子显微照片中，突出的尖端和陡峭斜面处的二次电子产额较多，亮度较大；平面上二次电子的产额较少，亮度较小；较深的凹坑内虽然也能产生较多的二次电子，但凹坑较深位置的二次电子不易被探测器检测到，亮度也会较暗[6-7]。因此，在一张被充分打磨抛光(即样品观察面上的颗粒、突起等已被充分磨平)的陶瓷样品显微照片中，气孔较深位置的亮度最暗，样品平面区域的亮度次之，而气孔边缘区域的亮度最高。根据这一特征，利用Photoshop软件按色彩范围选区的功能，对气孔区域进行选区操作，从而获得气孔区域在照片中所占的像素值，将其与照片的总像素值作比，就得到照片中的面气孔率(即该平面内气孔面积所占比率)。由于一块陶瓷样品可以认为是由无数个这样的面构成的，因而可以将这一面气孔率认为是该陶瓷样品的真气孔率。

1.2 样品制备

本实验中的1#、2#和3#三组陶瓷样品分别取自相同烧成温度不同保温时间的三批陶瓷绝缘子套管产品，三批产品的烧成温度均为1260 ℃，1#、2#和3#样品所对应的陶瓷产品的高火保温时间分别为3 h、4 h和8 h。三组样品配方相同，均为54%Al2O3含量的高铝瓷配方。每组样品均分成两部分，一部分用于悬浮法使用；另一部分则供PS比色法使用。悬浮法和PS比色法的样品要求及制备方法分别如下：

(1)悬浮法试样

按照GB/T 8411．2-2008 《陶瓷和玻璃绝缘材料 第2部分：试验方法》的要求，用于悬浮法的试样应不小于1 g，若小于1 g，应使用几个瓷件同时测量，使测量质量大一些，以保证测量的准确性。

(2)PS比色法试样

用于PS比色法的试样需要对样品的观察面进行打磨，先用100#金刚石磨盘粗磨，再用200#金刚石磨盘细磨，使样品的观察面尽可能的光滑，避免样品表面的凹凸对PS比色过程造成干扰。样品的观察面与放置面应保证一定的平行度，尽可能地减少扫描电子显微镜观察中由于观察面的倾斜而造成的图像衬度差。

1.3 实验方法

1．3．1 悬浮法

悬浮法测量陶瓷样品的方法和过程如下：

(1)测量干燥样品的质量(干重m1)

首先利用ADS-1004VA型超声波清洗仪对准备好的瓷块样品清洗20min，去除样品表面附着的灰尘及细碎颗粒；然后利用鼓风干燥箱在(110±5) ℃的温度下对样品干燥2-3 h至恒重，并置于干燥器中自然冷却至室温；再利用AR64CN型密度天平及其测试附件称量样品的质量m1，精确到0．0001 g。

(2)测量样品在水中的悬浮质量(悬重m2)

将样品浸没在蒸馏水中煮沸2h，使样品开口气孔中的空气尽量地排除至饱和，然后保持样品在水中冷却至室温。将样品挂在密度天平的挂钩上并浸在水中，称量样品在水中的悬浮质量m2。

(3)测量潮湿样品在空气中的质量(湿重m3)

将称好悬重的样品从水中取出，用吸饱水的脱绒布擦掉样品表面的水，在空气中称得样品的湿重m3。

根据m1、m2和m3的值以及陶瓷样品的真密度Dr即可对样品的体积密度Db、表观密度Da、开口气孔率Po、闭口气孔率Pc和真气孔率Pr进行计算，如式(1)-(5)所示。

其中，ρ0为水的密度，g/cm3。

1．3．2 PS比色法

PS比色法测量样品真气孔率的方法和过程如下：

(1)样品处理

首先，利用ADS-1004VA型超声波清洗仪对打磨好的样品清洗20 min，去除样品表面的粉尘及碎粒；然后利用鼓风干燥箱对样品进行干燥；再用SCD050型喷涂刻蚀仪对样品进行60 s-90 s的喷金处理。

(2)扫描电子显微镜观察

利用FEI QUANTA 200环境扫描电子显微镜对样品的二次电子像进行观察，在200×的放大倍数下对样品三个不同的位置拍摄显微照片。

(3)PS比色求真气孔率

将样品三个不同位置的SEM照片分别导入Photoshop软件，利用Photoshop软件的“色彩范围选取”功能中的取色器对样品SEM照片气孔位置的色彩进行选取（取色器的取色位置为气孔内颜色最暗的位置），颜色容差设定在90-110之间，具体可根据选取对照片中气孔区域的覆盖情况进行调整(若所得选区未完全覆盖气孔区域，则应该增大颜色容差值；反之，若选区超过了气孔区域，则减小颜色容差值)；通过直方图信息查看被选中的气孔选区的像素值和整张SEM照片的像素值，将前者比上后者就得到样品的真气孔率；求取样品三个不同位置真气孔率的平均值作为该样品最终的真气孔率。

2 结果分析及讨论

本实验中三组样品的真密度Dr=2．642 g/cm3。气孔率测量时的温度为20 ℃，对应蒸馏水的密度取0．9982 g/cm3。通过悬浮法测量计算的1#、2#和3#样品的真气孔率如表1所示，而利用PS比色法测得的样品三个不同位置的真气孔率及其平均值如表2所示。

对比悬浮法测得的样品真气孔率和PS比色法得到的真气孔率平均值，二者呈现出了相同的规律，三组样品真气孔率值从大到小都是1#＞2#＞3#。PS比色法结果比悬浮法所得结果整体偏小，其中，1#样品PS比色法的真气孔率平均值比悬浮法的真气孔率值小1．23%，2#样品PS比色法的真气孔率平均值比悬浮法的真气孔率值小2．84%，3#样品PS比色法的真气孔率平均值比悬浮法的真气孔率值小3．47%。这是因为按照扫描电子显微镜二次电子的成像衬度原理，在陶瓷样品的SEM照片中，气孔边缘一个很小的范围内存在一圈非常明亮的环形区域，而PS比色法在对气孔区域进行选区操作时，未将这一明亮的环形区域选取在内，造成了PS比色法真气孔率计算结果较悬浮法真气孔率结果略微偏小。但是，该差异在可接受的范围内。另外，利用PS比色法测量陶瓷样品真气孔率不需要提前知道材料的真密度，并且较为直观，故而有其优越性。

表1 悬浮法的测量和计算结果Tab.1 The measurement and calculation of the suspension method

表2 PS比色法测量的真气孔率Tab.2 The true porosity measured by PS colorimetric method

3 结 论

本文利用PS比色法对1#、2#和3#三组陶瓷样品的真气孔率进行了测量，并将其与常用的悬浮法所测得的真气孔率数据进行了对比发现：

悬浮法和PS比色法两种方法测得的真气孔率值大小顺序相同，均是1#＞2#＞3#。利用PS比色法测得的样品真气孔率值比悬浮法测量所得值略微偏小，但偏差在可接受的范围内。PS比色法测量陶瓷材料的真气孔率不需要提前知道材料的真密度值且较为直观，因而具有较强的实用性。

[1] 郎莹, 赵佳敏, 汪长安, 等． 中等气孔率多孔陶瓷在受压过程中的断裂行为[J]． 硅酸盐学报, 2014, 42(12): 1528-1536．

[2] 景亚妮, 邓湘云, 李建保, 等． SiC / 莫来石复相多孔陶瓷气孔率和强度的影响因素[J]． 硅酸盐通报, 2013, 32(10): 1979-1983．

[3] GB/T 8411．2-2008，陶瓷和玻璃绝缘材料(第2部分): 试验方法[S]． 北京: 中国标准出版社, 2008．

[4] 田仕, 王为民, 张帆, 等． 致密陶瓷材料密度和气孔率的测试方法[J]． 理化检验-物理分册, 2011, 47(8): 476-479．

[5] 高国玲．全自动真密度仪在电瓷生产中的应用[J]． 现代技术陶瓷, 2014, (3): 56-58．

[6] 阮瞩． 扫描电子显微镜中二次电子成像机制和分辨率的Monte Carlo模拟[D]． 合肥: 中国科学技术大学, 2015．

[7] 周玉, 武高辉． 材料分析测试技术——材料x射线衍射与电子显微分析(第2版)[M]． 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2007: 190-194．

Application of PS Colorimetry in the Measurement of True Porosity for Ceramics

TAN Liwei1, PAN Wei1, LI Yuping2, ZHANG Jiatao1
(1. Yunnan Tin Vocation & Technical College, Gejiu 661000, Yunnan, China; 2. School of Material Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China)

Suspension density method is the most commonly used method for measuring ceramic porosity. The dry weight, suspension weight and wet weight of the samples were measured by density balance, and the porosity values of the samples were calculated. However, the method can only obtain the open porosity of the sample directly. If it is required to obtain the true porosity of the sample, it is necessary to know the true density of the material in advance. This paper introduces a "PS colorimetric method" for measuring the porosity of ceramics based on SEM secondary electromorphic principle. The true porosity of the three sets of ceramic samples was measured by this method, and the measurement results were compared with the results of the suspension density method. The results showed that the former values were slightly smaller than the latter. However, PS colorimetric method is not necessary to know the true density of the material and to be more intuitive, so it has strong practicability.

ceramics; porosity; PS colorimetric method; suspension density method

date:2017-01-10. Revised date: 2017-01-15.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)03-0040-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.03.009

2017-01-10。

2017-01-15。

云南省教育厅科学研究基金项目。

Correspondent author:TAN Liwei, male, Assistant lecturer, Master.

谭黎维，男，助理讲师，硕士。

E-mail:715743121@qq.com