掃描電鏡在陶瓷材料中的應(yīng)用——氧化物陶瓷

更新時(shí)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(jié)合為主，存在共價(jià)鍵成分，大多數(shù)簡(jiǎn)單的金屬氧化物結(jié)構(gòu)可以在氧離子作近似密堆的基礎(chǔ)上形成，而金屬陽(yáng)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(diǎn)、良好電絕緣性、優(yōu)異抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。

氧化物陶瓷的品種繁多，用途極為廣泛，可以作為結(jié)構(gòu)材料、功能材料和高級(jí)耐火材料，用于計(jì)算機(jī)、航天、化工、冶金等諸多領(lǐng)域。氧化物陶瓷根據(jù)成分可分為單一氧化物陶瓷和復(fù)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(jié)構(gòu)為剛玉結(jié)構(gòu)，其中陰離子堆積方式為六角密堆，陽(yáng)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(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫性，莫氏硬度為9，僅次于金剛石，耐磨性能遠(yuǎn)超過(guò)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(shè)備負(fù)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(yīng)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(gè)部位，作為直接接觸及發(fā)熱元件，廣泛應(yīng)用于電子煙中霧化器的生產(chǎn)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?qū)㈧F化汽量提高25%，具有較好的加熱效果，與此同時(shí)還能夠節(jié)約20%的電能，延長(zhǎng)電子煙設(shè)備的電池壽命。

在使用掃描電鏡對(duì)氧化鋁陶瓷的微觀形貌特征、孔隙結(jié)構(gòu)和晶粒生長(zhǎng)進(jìn)行觀察時(shí)，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(duì)于成分的區(qū)分更為明顯，更易區(qū)分陶瓷主體和雜質(zhì)。

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(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕等性能，適用于水處理等場(chǎng)所的過(guò)濾工作，如大規(guī)模的自來(lái)水提純就可以使用多孔陶瓷，其過(guò)濾的效果除了與多孔陶瓷的材料有關(guān)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(jié)構(gòu)。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(duì)均勻，形狀結(jié)構(gòu)相對(duì)圓滑，圓度較高，晶粒尺寸在百納米內(nèi)，縫隙均勻。

氧化鈹

氧化鈹BeO的離子型結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其中陰離子堆積方式為立方密堆，陽(yáng)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(dǎo)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(dǎo)熱和抗熱震能力很強(qiáng)，與氧化鋁相比，氧化鈹導(dǎo)熱率約高7倍，是一種難得的結(jié)構(gòu)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(jīng)高溫?zé)Y(jié)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(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性。同時(shí)，氧化鈹陶瓷的高熱導(dǎo)和低損耗特性是其他材料難以替代的，在航空、航天領(lǐng)域起著非常關(guān)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(chǎn)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(chǔ)材料。氧化鈹基片在低倍下整體呈分布相對(duì)均勻的氣孔結(jié)構(gòu)（約為5%），高倍下觀察是明顯的片狀層結(jié)構(gòu)，形狀多為方形，結(jié)構(gòu)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(guān)系，氣孔會(huì)使陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度降低，熱學(xué)性能、電學(xué)性能轉(zhuǎn)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(cè)提供強(qiáng)有力的支撐。