掃描電鏡在陶瓷材料中的應用——氧化物陶瓷

更新時間2024-03-08
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氧化物陶瓷是由一種及以上氧化物制成的陶瓷材料，其原子以離子鍵結合為主，存在共價鍵成分，大多數(shù)簡單的金屬氧化物結構可以在氧離子作近似密堆的基礎上形成，而金屬陽離子則配置于合適的間隙，這使氧化物陶瓷具備了較高熔點、良好電絕緣性、優(yōu)異抗氧化性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)勢。

氧化物陶瓷的品種繁多，用途極為廣泛，可以作為結構材料、功能材料和高級耐火材料，用于計算機、航天、化工、冶金等諸多領域。氧化物陶瓷根據(jù)成分可分為單一氧化物陶瓷和復合氧化物陶瓷，本文中提到的兩種陶瓷均為單一氧化物陶瓷，氧化鋁和氧化鈹。

掃描電鏡觀察氧化物陶瓷

氧化鋁

氧化鋁（AI₂O₃）的離子型結構為剛玉結構，其中陰離子堆積方式為六角密堆，陽離子位置在2/3八面體間隙，AI和O的配位數(shù)為6：4。氧化鋁陶瓷有較好的傳導性、機械強度和耐高溫性，莫氏硬度為9，僅次于金剛石，耐磨性能遠超過耐磨鋼和不銹鋼，材料密度為3.5g/cm³，是鋼鐵的一半，可以大幅度減輕設備負荷，是工業(yè)材料的理想選擇。

氧化鋁陶瓷材料用于制作電子煙加熱元件，主要應用于陶瓷霧化器、陶瓷煙嘴、陶瓷發(fā)熱片、陶瓷發(fā)熱芯四個部位，作為直接接觸及發(fā)熱元件，廣泛應用于電子煙中霧化器的生產制造。霧化器作為電子煙的核心部件，選用合適的陶瓷加熱元件顯得更為重要，與傳統(tǒng)棉芯加熱相比，陶瓷加熱能夠將霧化汽量提高25%，具有較好的加熱效果，與此同時還能夠節(jié)約20%的電能，延長電子煙設備的電池壽命。

在使用掃描電鏡對氧化鋁陶瓷的微觀形貌特征、孔隙結構和晶粒生長進行觀察時，圖1 a的氧化鋁晶粒呈不規(guī)則塊狀形貌，晶粒尺寸從幾百納米至幾十微米不等，b&c分別為二次電子像和背散射電子像，可以發(fā)現(xiàn)比起二次電子像突出形貌襯度，背散射電子像對于成分的區(qū)分更為明顯，更易區(qū)分陶瓷主體和雜質。

圖1 氧化鋁陶瓷材料

圖2中的氧化鋁陶瓷用作水處理濾膜材料。多孔氧化鋁材料由于具有孔隙率高，透氣阻力小，孔徑可控，清洗再生方便以及耐高溫、高壓和較強的耐化學腐蝕等性能，適用于水處理等場所的過濾工作，如大規(guī)模的自來水提純就可以使用多孔陶瓷，其過濾的效果除了與多孔陶瓷的材料有關外，還受材料顆粒的大小，外界壓力等因素的影響。

圖2 氧化鋁陶瓷材料

使用掃描電鏡可以非常清晰觀察到陶瓷的截面和表面結構。圖2 a是陶瓷的截面形貌，氧化鋁涂層位于上方表面，分層明顯且粒徑很小，b&c分別為低倍和高倍下觀察的陶瓷表面，宏觀上涂層表面較為平整，放大可以看出晶粒大小相對均勻，形狀結構相對圓滑，圓度較高，晶粒尺寸在百納米內，縫隙均勻。

氧化鈹

氧化鈹BeO的離子型結構為閃鋅礦結構，其中陰離子堆積方式為立方密堆，陽離子位置在1/2四面體間隙，Be和O的配位數(shù)為4：4。氧化鈹是一種性能優(yōu)異的高導熱絕緣材料。以氧化鈹為主要成分的陶瓷，主要用作大規(guī)模集成電路基板，耐火材料，晶體管的散熱片外殼，微波輸出窗和中子減速劑等材料。

不同于其他氧化物陶瓷，氧化鈹導熱和抗熱震能力很強，與氧化鋁相比，氧化鈹導熱率約高7倍，是一種難得的結構陶瓷材料。氧化鈹陶瓷以氧化鈹為原料加入氧化鋁等配料經高溫燒結而成，氧化鈹陶瓷作為一種難熔材料可制作熔融稀有金屬和貴金屬的陶瓷坩堝，具備化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性。同時，氧化鈹陶瓷的高熱導和低損耗特性是其他材料難以替代的，在航空、航天領域起著非常關鍵的作用。

圖3&4為使用掃描電鏡拍攝的不同倍數(shù)的片狀氧化鈹陶瓷表面形貌，該氧化鈹陶瓷用作行波管、回旋管等產品的絕緣散熱安裝零件和微波輸出窗片，是真空器件的基礎材料。氧化鈹基片在低倍下整體呈分布相對均勻的氣孔結構（約為5%），高倍下觀察是明顯的片狀層結構，形狀多為方形，結構均勻，晶型發(fā)育較為完整。其中，陶瓷性能和氣孔率有直接關系，氣孔會使陶瓷的機械強度降低，熱學性能、電學性能轉劣、氣密性變差等，使用掃描電鏡可以清晰地觀察到氧化鈹陶瓷的氣孔形貌，為工業(yè)材料的檢測提供強有力的支撐。