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    氧化鋁陶瓷表面斑點及其析出相的表征

    發布日期:2018年8月4日

    摘 要:95%氧化鋁陶瓷陶瓷高溫燒結后表面斑點的表征與控制對于絕緣陶瓷沿面閃絡耐壓性能的提高至關重要。為分析和鑒 定95%氧化鋁陶瓷陶瓷表面暗斑區未知物相和化學成分,采用掠入射X 射線衍射技術、飛行時間–二次離子質譜儀并結合掃描 電子顯微鏡/能譜儀技術對95%氧化鋁陶瓷表面暗斑進行了研究。結果表明:與正常區相比,暗斑區除α-氧化鋁外,還形成了 (Na,K)AlSi3O8 和Ca2Al2SiO7 鋁硅酸鹽相,暗斑區Si、Ca 含量降低而K、Na、Fe 富集。元素含量的變化促進了鋁硅酸鹽相的 析出,進而導致95%氧化鋁陶瓷表面暗斑的產生。

    95%氧化鋁陶瓷以其優異的絕緣性、易釬焊性、 較高的強度和低釋氣性廣泛應用于加速器、高電壓 大功率開關管、行波管、X 射線管等脈沖功率和高 壓領域,承擔絕緣支撐和真空密封等作用。然而, 95%氧化鋁經高溫燒結后,表面易形成暗斑、黑點等 異常區域;即使外觀正常的陶瓷,在二次或多次燒 結后,表面也常產生斑點。絕緣陶瓷表面組成、表 面摻雜等對于其二次電子發射特性、表面閃絡特性及沿面耐壓性具有重要影響。因此,95%氧化鋁陶瓷陶瓷表面斑點的分析與鑒定對于絕緣瓷及高壓器件 的精密設計、耐壓可靠性評估及陶瓷斑點的工藝控制具有重要意義。

    研究表明:斑點是鎳基合金、鋼鐵、青花 瓷等多組分材料體系中常見的一種偏析現象。高鋁瓷中第二相的研究早在上世紀60 年代就有報道。 由于常規X 射線衍射、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀、電子探針分析儀等難以對斑點區微量成分及未知相進行鑒定,到上世紀80、90 年代,不少研究采用透射電子顯微鏡(TEM)對高鋁瓷的晶界非晶 相及析出的結晶相進行分析。研究發現:高鋁瓷中往往存在連續的非晶晶界相;這些非晶相熱力學上并不穩定,在降溫過程及后續高溫過程中容易析出 晶內或晶界第二相;析出相取決于玻璃熔體的成分、材料熱歷史以及析出相與周圍基體特性。

    99%氧化鋁陶瓷主要析出相為鈣長石、鈉長石和尖晶石。96%氧化鋁陶瓷析出相包括鎂硅酸鹽、鋁硅酸 鹽、鈣長石、鈣鋁黃長石、鈣鋁榴石、鎂鋁榴石、 六鋁酸鈣或尖晶石等。隨著原料中雜質含量的增加,以及所經歷的熱歷史各不相同,95%氧化鋁陶瓷 的析晶行為也變得更為復雜。然而,TEM要求待分 析樣品的厚度為納米量級,當表面斑點區析出相為 少量相時,很難獲得這些特征相的樣品。除TEM外, 原子探針層析技術近幾年也常用于合金斑點的表征。該技術可直觀反映析出過程原子的偏聚行為并 給出定量成分分析結果,應用于鎳基合金、鋼鐵等 斑點的形成及多元相析出過程的研究,但該技術主要局限于金屬導電材料,對無機材料等非導電 材料的表征有待于進一步發展。

    掠入射X射線散射技術(包括衍射和反射)通過 改變X 射線的入射角來調整其穿透深度,從而獲 得樣品從表面、埋藏界面到體結構等不同深度的信息。與透射電鏡等顯微技術相比,具有非破壞、 快速獲得表面統計信息等優勢。上世紀70 年代末80年代初,同步輻射X 射線強光源的應用使得該技術開始迅速發展,強的信噪比成功實現了材料表界 面形貌與結構的探測。近年來,常規X 射線光源、 二維探測器及相關光學系統的發展使得實驗室掠入 射X射線散射技術進一步發展。

    采用掠入射X射線衍射技術、飛行時間–二次 離子質譜儀技術并結合SEM/能譜儀對95%氧化鋁陶 瓷表面暗斑的未知相、形貌、成分進行表征,并分 析了陶瓷表面暗斑區第二相的析出原因。

    1 實驗

    1.1 樣品制備

    在高壓器件制備過程中,所有95%氧化鋁陶瓷陶瓷 零件均采用相同原料配方、相同成型及無壓燒結工 藝制備而成。陶瓷零件隨后進行高溫金屬化和釬焊 制備。暗斑通常形成于陶瓷燒成或者高溫金屬化之后。選取產生暗斑的瓷件,制備出含有暗斑區域的 小瓷塊。小瓷塊通過丙酮超聲清洗,放入烘箱烘干后以作分析備用。

    1.2 樣品表征

    采用Bruker D8 Advance 型X 射線衍射儀對氧化鋁陶瓷正常表面及暗斑區進行常規XRD 和掠入射XRD 物相分析。兩者均采用Cu Kα 輻射,加速電 壓40 kV,電流40 mA。掠入射XRD 分析為連續掃 描模式,入射角度為1.7o,掃描步長0.04o,掃描速 率0.24(o)/min。采用美國FEI公司Quanta 250FEG 場發射SEM 觀察陶瓷表面的微觀形貌,采用SEM 配備的X 射線能譜儀對表面進行成分分析,工作電 壓20kV。陶瓷樣品在掃描電鏡觀察與分析前進行 噴金處理,噴金時間10 min。采用德國ION TOF 公 司TOF-SIMS 5 質譜儀對樣品進行二次離子質譜分析。為消除試樣形貌等因素對各離子強度的影響, 對同一個試樣的正常表面和暗斑區分別進行了相同 時間的離子清洗,并以Al+峰強度為基準,對各離子譜峰的計數值進行歸一化處理,從而獲得各離子 的相對強度。

    2 結果與討論

    2.1 95%氧化鋁陶瓷表面暗斑區析出相表征

    圖1 為95%氧化鋁陶瓷的XRD譜。衍射峰明銳 而尖利,顯示其結晶良好。由圖1a 可知,試樣正常 表面為單一的α-氧化鋁相,衍射峰位置與標準卡片 JCPDS 10–0 173 相吻合,未發現其它物相的存在; 而暗斑區除α-氧化鋁衍射峰之外,在25o–35o 之間還 存在其它衍射峰,衍射峰位置分別位于27.9o 和 31.6o,說明除α-氧化鋁主晶相外,還形成了其它物 相。為鑒定這些物相,進一步對暗斑區進行了掠入 射X 射線衍射(Grazing incidence X-ray diffraction, GIXRD)分析,并與常規X 射線衍射分析進行了對 比,見圖1b所示。

    可見,常規XRD 分析僅能獲得27.9o、31.6o等 主峰信息,而掠入射XRD 分析除27.9o 和31.6o之外,還發現其它眾多的衍射峰,衍射峰位置分別與標 準卡片JCPDS 75–1 677 和JCPDS 09–0 478 相對應, 顯示暗斑區還形成了(Na,K)AlSi3O8和Ca2Al2SiO7鋁 硅酸鹽。

    上述結果與99%氧化鋁陶瓷、96%氧化鋁陶瓷中第二 相的TEM 結果相類似。99%氧化鋁陶瓷晶界主要析出相為鈉長石NaAlSi3O8、鈣長石CaAl2Si2O8和尖晶石MgAl2O4。96%氧化鋁陶瓷在退火過程中的析 晶與晶界母體玻璃中CaO 與MgO的含量比有關。

    當MgO 含量較高時,析出相為鎂硅酸鹽、鋁硅酸 鹽以及富含鈣的長石相。當CaO 含量較高時,析出 相為鈣長石CaAl2Si2O8、鈣鋁黃長石Ca2Al2SiO7、 鈣鋁榴石Ca3Al2Si3O12、鎂鋁榴石Mg3Al2Si3O12、六鋁酸鈣CaAl12O19 和尖晶石MgAl2O4。可見,鈣 鋁黃長石Ca2Al2SiO7以及與(Na,K)AlSi3O8結構相似 的鈉長石NaAlSi3O8、鈣長石CaAl2Si2O8 在其它高 鋁瓷中也是常見析出相。

    2.2 95%氧化鋁陶瓷表面暗斑區形貌觀察

    圖2 為95%氧化鋁陶瓷暗斑區組織形貌及其能譜 分析結果。α-氧化鋁晶粒呈不規則塊狀形貌,晶粒尺寸 從幾微米至幾十微米不等,如圖2a 中的A 區域晶粒 及其它大晶粒所示。圖2b 為圖2a 中B 區域的放大圖, 其能譜分析結果見圖2c 所示,可見,B 區域的成分包括O、Al、Si、Na、K,結合XRD 分析結果,說明 該處形成了(Na,K)AlSi3O8 相,呈片層狀枝晶形貌, 跨越多個α-氧化鋁晶粒區。在α-氧化鋁晶粒周圍還發 現許多非常細碎的小顆粒,見圖2d 和圖2e 中的C 點所示,根據圖2f 能譜分析結果,C 點處存在O、 Al、Si、Ca,顯示該處形成了Ca2Al2SiO7 相。

    2.3 95%氧化鋁陶瓷表面暗斑區質譜分析

    圖3 為95%氧化鋁陶瓷表面正常區域與暗斑區 域的正離子質譜。可見,95%氧化鋁陶瓷的主要成分 包括Al、Ca、Si、K、Na 以及處于負離子狀態的O 元素。對于試樣正常表面,各正離子峰按相對強度 大小分別為Al+、Ca+、Si+、Na+和K+;而對于暗斑 區域,各正離子峰按相對強度高低分別為Al+、Ca+、 K+、Na+和Si+,即暗斑區K+和Na+含量明顯增加, Si+和Ca+含量減少。

    除Al+、Ca+、Si+、K+、Na+幾種主要離子譜峰之 外,圖3 中還存在其它元素的離子峰。進一步將各元 素離子譜峰按相對強度大小進行排序,見表1 所示。

    可見,正常表面Al+、Ca+、Si+相對強度分別為 100%、51.8%和14.0%。而暗斑區域按相對強度大 小則分別為Al+(100.0%)、Ca+(23.8%)、K+(18.2%)、 Na+(16.8%)、Si+(11.3%),即K 和Na 已成為主要成分之一。此外,無論正常表面還是暗斑區均存在少量 的Mg、Mn、Cr、Ti 等元素。而暗斑處Fe 元素與正 常表面相比明顯增加。可見,暗斑區Fe 元素富集。 暗斑區Si、Ca、K、Na 元素含量變化的主要原因可 能是由于硅酸鹽熔體冷卻過程中產生分相所導致。 當95%氧化鋁陶瓷在二次或多次熱處理過程中,加 熱到硅酸鹽熔體不混熔區時,熔體將分離為化學結 構不同的兩相,產生化學不均勻性,從而導致暗斑 區與正常表面成分差異的產生;而Fe 元素在暗斑區 的富集既可能是成分分布不均或濃度起伏所造成, 也可能是分相成核生長時Fe 元素從低濃度區向高 濃度區擴散所致。

    2.4 暗斑區第二相析出原因分析

    暗斑區Ca2Al2SiO7 和(Na,K)AlSi3O8 鋁硅酸鹽 相的析出與CaO–氧化鋁陶瓷–SiO2 體系的組成和微量雜 質有關。根據CaO–氧化鋁陶瓷–SiO2 體系相圖,在一定 摩爾比和一定溫度范圍內,體系將形成鈣鋁黃長石 Ca2Al2SiO7 以及與(Na,K)AlSi3O8 結構相近似的鈣長 石CaAl2Si2O8 相,見圖4所示。

    從熱力學角度分析,硅酸鹽熔體是一種亞穩態,具有降低內能向結晶態轉化的趨勢;從動力 學角度分析,玻璃熔體的黏度隨冷卻的進行快速 增加,又抑制了晶核的形成和長大。但SiO2 作為 玻璃網絡形成體,含量降低時將減弱網絡結構, 增加高溫析晶傾向。Al3+含量將影響其形成的四面 體配位和八面體配位數,進而改變玻璃中橋氧與 非橋氧的數量。熔體中堿金屬的含量不僅影響八 面體配位的Al3+數,而且堿金屬本身對硅酸鹽熔體 的分相趨勢及分相區大小也具有顯著影響,進而促 進第二相的析出。

    玻璃熔體中主要組分直接影響物相的形成, 而少量的雜質含量則能導致其析晶行為的顯著改 變。當熔體中存在異質晶核時,主相成核所需位 壘將得到有效降低,導致非均勻成核。暗斑區與 正常表面均存在少量的Mg、Mn、Cr、Ti 等元素, 但暗斑區Fe 元素與正常表面相比明顯增加。Fe2O3 是氧化鋁陶瓷–CaO–SiO2 系微晶玻璃中常見的形核劑, Fe3+可促進玻璃的表面析晶及其析出晶體的生長; 而一定量的Fe2+在微晶玻璃中與Mg2+作用相同,使微晶玻璃析晶溫度下降。同時,當Fe2O3與 Cr2O3、TiO2 三者共同存在時,則起著復合形核的作 用。從分相理論看,高場強過渡金屬離子,在熱處 理過程中易吸引非橋氧產生局部積聚,對周圍陽離 子起到明顯有序化作用,成為非均勻成核中心。

    綜上所述,暗斑區Si、Ca 含量的減少以及K、 Na 和Fe 的富集促進了Ca2Al2SiO7 和(Na,K)AlSi3O8 的 形成與析出。易顯色的Fe元素的富集對于95%氧化鋁陶瓷表面暗斑的產生起到了重要作用。

    3 結論

    1) 掠入射X 射線衍射技術可有效獲得表面析出相信息,95%氧化鋁陶瓷表面暗斑區形成了(Na,K) AlSi3O8和Ca2Al2SiO7 鋁硅酸鹽相。而SEM/能譜儀對析出相形貌與成分的同步分析則進一步證實了鋁硅酸鹽相的析出。

    2) 通過飛行時間–二次離子質譜儀對陶瓷正常表面及暗斑區域的對比分析發現,暗斑區Si、Ca 含量降低,K、Na、Fe富集,促進了(Na,K)AlSi3O8 和Ca2Al2SiO7 的析出。

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