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先进陶瓷的分类及表面形貌测量技术的发展

粉体网2020-06-28 12:25:01

大多数人对于陶瓷的第一印象就是橱窗里陈列的各种工艺陶瓷,和大多数人一样,小编在之前对于陶瓷的直观感受就是它表面光滑,颜色釉丽,但工作以后才发现,自己真得是井底之蛙。陶瓷根据使用面的不同可以分为传统陶瓷和先进陶瓷,若按照原料来分,又可以分为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷等。下面我们先对陶瓷的分类进行简单的介绍,然后再来一起了解先进陶瓷的表面形貌测量技术仪器。

陶瓷的分类

传统(普通)陶瓷与先进(特种)陶瓷的对比

此表来源:新材料在线


从此表中我们能够非常直观的看出传统陶瓷与先进陶瓷的区别,以便我们更好地对应其下游市场,传统陶瓷的应用接近我们日常生活,而先进陶瓷则偏向高科技领域,二者各领风骚。



先进陶瓷按其特征分为结构陶瓷功能陶瓷


先进陶瓷通常是指采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料,具有精确的化学组成,精密的制造加工技术和结构设计,并具有优异特性的陶瓷。先进陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷。


结构陶瓷是指能作为工程结构材料使用的陶瓷,其特点是高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、抗热震;


功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷。


先进陶瓷材料由于其化学键主要是共价键、离子键以及它们的混合键,所以其具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀、耐高温、低导热性、低导电性等优良的物理和化学特性,因此被广泛的用于光电子信息、微电子技术、传感技术、生物医学、机械、汽车和航空航天等领域。典型的例子有陶瓷球轴承、陶瓷刀具、高压陶瓷变压器、生物陶瓷人工骨、陶瓷气缸套、燃气轮机涡轮叶片、陶瓷活塞等。


目前,先进陶瓷磨削表面的评价仍然沿用传统的评价金属的粗糙度指标。但是,同样粗糙度值的金属表面和先进陶瓷表面相差很大。这种差异性主要是由于先进陶瓷属于硬脆材料,加工过程中容易出现裂纹、破碎、划痕等损伤造成的。此外,机加工表面形貌对零件的使役性能和配合都有显著的影响,典型的如密封、润滑、抗疲劳性及摩擦磨损等。因此,寻找一种适合先进陶瓷表面形貌表征的方法迫在眉睫。


如:在机械行业中,加工的表面形貌特征,对整个系统的接触刚度、接触强度、摩擦磨损、配合性质,以及传动精度都有很大的影响,从而影响到整个系统的可靠性、工作精度、使用寿命及震动性等;在航空航天制造业中,光学元件的表面形貌,即使只有很小的一点微观凹凸不平,也会引起光的散射而使光系统的性能变差,从而影响到整个系统的性能。


Ra=0.4um的金属(左)和氧化锆(右)的电子显微镜图

表面形貌测量技术的发展

20世纪初期,加工表面质量的检测是靠人的视觉和触觉来实现。


1929年,德国学者施马尔茨利用光学放大原理制造出了第一台表面轮廓测量仪。能垂直放大到200倍。


1936年,艾博特制造出了第一台车间用的测量表面粗糙度的仪器。


现在测量仪器已经取得了很大的发展,以下是按照测量方式的不同将目前测量仪器进行介绍。


1
接触式轮廓仪


接触式轮廓仪是一种比较传统的测量方式,该方法是通过测量仪器与被测表面之间的移动进行测量,通过测量可以获得某一截面原始轮廓形状的数据,然后利用计算机对其进行数字滤波,并计算相应的评价参数。


优点:操作方法简单、直观性强,在表面测量中已经被广泛应用。而且被国家学者一致认为是二维粗糙度的标准测量方法。


扫描探针显微镜


最典型的是扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。两种都可以实现纳米或者超纳米的垂直分辨率。STM原子级水平的探针在密度尺度内对被测表面进行扫描。


2
非接触式测量仪


20世界50年代,光学技术被引入到表面形貌测量中,实现了非接触式测量。


优点:测量技术具有快速、非破坏性、可在线测量的特征,因此被广泛用在表面测量中。


按照测量原理的不同可以将此类测量技术分为:基于光学散射原理的测量技术、基于光学干涉原理的测量技术和基于图像处理技术的测量技术。


参考文献:先进陶瓷磨削表面损伤特征及表面功能评定方法研究


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