摘 要：本文利用电子扫描显微镜（SEM）分析几个陶瓷成品缺陷的成因，论述陶瓷原料对陶瓷缺陷产生的影响，进而探讨陶瓷原料的标准化对避免陶瓷缺陷、提高陶瓷产品的性能和质量稳定性的重要意义。
关键词：电子扫描显微镜；陶瓷成品缺陷；原料标准化
1 概 述
一直以来，陶瓷成品缺陷都是陶瓷生产中的老大难问题。各种陶瓷缺陷的产生，不仅使陶瓷生产的废品率有所上升，增加了不必要的生产成本，还会严重影响陶瓷本身的各项技术指标，降低产品的稳定性。因此，如何避免陶瓷缺陷的产生，是陶瓷生产非常关注的一个问题。
通常来说，陶瓷缺陷主要分为技术指标缺陷和外观缺陷，技术指标类的主要有吸水率、热稳定性、抗折强度、弹性模数等；外观缺陷有变形、斑点、开裂、生瓷、缺釉等，是陶瓷成品中显而易见的缺陷。每种缺陷的产生都有其客观原因，而陶瓷原料作为陶瓷生产的物质基础，其技术指标及稳定性对陶瓷产品的性能和质量有着根本性的影响。本文拟通过电子扫描显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对陶瓷成品的缺陷位置进行分析，论述陶瓷原料标准化对优化陶瓷生产的重要意义。
2 实验方法
这次实验一共选取3个有缺陷的陶瓷成品进行测试,把有缺陷的陶瓷成品从缺陷处切开，然后把样品切成1cm×1cm×1cm左右的方块。用抛磨机把缺陷所在的切面和底面磨平，用自来水冲洗干净，然后放入烘箱中在100～110℃下烘干2h。所有样品均不作喷镀处理。
实验所用测试仪器是FEI Inspect 电子扫描显微镜，工作电压为20kV，测试时采用低真空状态（30Pa），背散射成像。
3 实验结果分析
样品1是一个釉面出现黑斑的洁具瓷片，属外观缺陷。图1是其纵切面的SEM图像，为背散射成像。在背散射成像中，图像中各点的亮度与其化学成分密切相关，该点所含元素的序号越大，重元素含量越高，则该点的亮度越大。从图中可以看出，黑斑所在的区域1的亮度稍稍高于周围的正常区域，可能是重元素杂质混入所致。再结合表1中黑斑所在区域1与正常区域2的EDS结果对比，在区域1中，出现了异常的铬、铁和镍含量，很明显与不锈钢碎片混入有关。不锈钢是人造材料，不可能来自于天然矿物本身，只能是原料生产中的杂质混入或来自陶瓷生产流程。黑斑的扩散范围不大，仅限于釉料表面以下15μm左右，因此推测不锈钢杂质并非来自原料本身，而可能是在生产过程中不锈钢容器或管道掉落而产生污染。不锈钢碎片掉落在釉料表面，随着烧成过程在釉面上形成黑斑。这个缺陷的产生与原料本身没有直接关系，是生产处理程序不规范所导致。
样品2是一块釉面出现针孔的地砖瓷块，同样属于外观缺陷。从其SEM图像（图2）可以看出，针孔产生的深度很大，穿过釉料和化妆土层直达坯体。针孔的形状接近柱状，在底部的坯体部分可看到明显的熔融现象，表明针孔的产生是一个“自下而上”的过程，其根源可能来自坯体在烧成中发生局部熔融。从表2各区域和点的EDS结果对比可以明显看到，在点2、3、4中检测到了较高的锰和铅含量。在组成坯体的常用天然原料如粘土、石英、长石、方解石中，锰和铅一般以痕量元素的形式存在，含量很低。而在正常的釉面区域1和坯体区域5中，并未发现明显的锰和铅含量，表明点2、点3和点4中的锰和铅是异常组分。单独由铅和锰组成的合金材料很少见，因此，铅和锰的污染应该是来自原料本身，很有可能是来自粘土原料。通常情况下，虽然粘土原料的化学成分和矿物组成非常复杂多变，但是锰和铅的含量一般都很低，难以大量积聚。不过在某些特定环境下，比如说地表风化带中，在氧化环境下可以形成含高价锰的天然矿物，例如铅硬锰矿。这类含高价锰的天然矿物在常温下比较稳定，但是在高温下会发生分解并产生气体。综合图2以及表2各区域和点的EDS结果对比，推断的情况是，在坯体中靠近化妆土的位置积聚了微量的高价锰矿物，在烧成过程的高温下，这些高价锰矿物发生分解并产生气体，导致坯体发生局部熔融。随着熔融范围的扩大以及气体逸出的影响，化妆土遭受波及并最终导致化妆土和釉面相继塌陷而形成针孔。这个陶瓷缺陷的形成，主要是由于原料质量的不稳定所致。
样品3是一块带黑点的绝缘陶瓷坯体的瓷件，属于技术指标缺陷。这种黑点在该样品中非常普遍，大小不一。从图3可以看出，该黑点实际上是一个空洞，在空洞内部，纵横交错的针状或柱状莫来石晶体清晰可见。众所周知，陶瓷坯体熟料的物相主要由玻璃相、莫来石和少量的方石英组成，而由于玻璃相物质的存在，通常情况下是无法直接通过显微镜或者SEM观察坯体中的莫来石，必须通过氢氟酸腐蚀把坯体中的玻璃相溶解以使莫来石晶体显露出来，才能通过显微镜或者SEM直接观察。空洞内部清楚可见的莫来石晶体表明，玻璃相和莫来石之间产生了比较彻底的熔离现象，该空洞实际上是由于坯体局部熔融产生的熔孔。
而在表3熔孔区域与正常区域的EDS结果对比中，除了由于玻璃相熔离造成熔孔区域Al2O3偏高外，两者的化学成分并无根本性差别。可见，熔孔的产生并非杂质混入引起。造成如此普遍而剧烈的坯体局部熔融的原因，个人认为可能是由于原料中助熔剂的粒度分布不均匀所引起。在烧成过程中，坯料中助熔剂的粒度分布不均匀，导致在局部范围内助熔剂比例过高而使坯体产生局部熔融，其中玻璃相相对比较容易被熔体所融化，最终导致玻璃与莫来石晶体发生熔融分离而形成熔孔，即肉眼所见的黑点。该缺陷的形成，同样与原料质量的不稳定有密切关系。
综上所述，所列举的三个陶瓷缺陷均是由原料质量的不稳定或者生产过程的不规范所引起，可见，确保陶瓷原料的稳定性，对避免陶瓷缺陷的产生有决定性的意义。
4 讨 论
诚然，陶瓷原料的不稳定并非是导致陶瓷缺陷的唯一因素，然而，作为陶瓷生产的物质基础，其技术指标及稳定性对陶瓷产品的性能和质量有着根本性的影响。在如何避免陶瓷缺陷的问题上，提高陶瓷原料的稳定性是最基本的方法。而要提高陶瓷原料的稳定性，其中最有效的途径就是实现陶瓷原料的标准化。
第一，陶瓷原料的标准化已成为制约国内陶瓷行业发展的瓶颈。陶瓷原料主要来自各种天然矿物材料，例如粘土、高岭土、长石、方解石和白云石等，这些天然原料都是在特定的地质条件下经过漫长而复杂的地质作用形成的，是一套极其复杂而且不受人力掌控的系统。来自不同矿源或者来自同一矿源不同区域的原料，都难免出现矿物组成、粒度组成、化学组成及其它理化性能的波动，这正是造成陶瓷原料不稳定性的根源。实现陶瓷原料的标准化，正是要通过人工方法使质量多变的天然矿物原料趋于稳定化，从而提高陶瓷生产的产品质量及稳定性，使陶瓷生产企业可以集中精力更好地去搞设计、搞研发，提高产品的附加值，加强企业的竞争力。
第二，实现陶瓷原料的标准化有助于推动非金属矿物产业向深加工的方向发展。天然非金属材料都不可避免地出现化学性能和理化性能上的波动，而目前国内的非金属产业主要由私营企业经营，存在规模小、高度分散、设备落后、加工程度低等问题。很多非金属企业更是直接销售原矿矿石或者初级产品，连产品的质量都无法保证，更遑论实现原料的标准化。因此，在促进陶瓷原料的标准化的过程中，必然需要非金属企业更新设备、改善加工工艺、加强研发投入，研发出经过精细加工的产品，降低产品波动，增加产品的附加值，从而推动非金属矿物产业全面向深加工的方向发展。
第三，实现陶瓷原料的标准化有利于优化自然资源的合理利用。陶瓷原料主要来自各种天然矿物，无论是粘土还是高岭土或者是长石等其它矿物，都是不可再生资源，陶瓷的生产过程实际上也是自然资源的消费过程。我国非金属矿物产业的发展比较落后，产品以原矿或者初级产品为主，很多产品都是以简单的几项指标例如粒度、铁含量或铝含量等划分产品规格，根本无法达到自然资源的合理利用。推动原料的标准化，必然需要更加精细的原料分级系统，明确原料的适用范围，使原料的规格标准化和系列化，从而促进自然资源的合理利用。
5 总 结
实现陶瓷原料的标准化是减少陶瓷缺陷的形成的最基本的途径。同时，实现陶瓷原料的标准化还能推动自然资源的合理利用和非金属产业的发展，从而达到原料供应与消费之间的动态平衡，促进陶瓷产业与非金属产业的协调发展。
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