PS比色法在陶瓷材料真氣孔率測(cè)量中的應(yīng)用研究

譚黎維，潘 薇，李玉平，張家濤

PS比色法在陶瓷材料真氣孔率測(cè)量中的應(yīng)用研究

譚黎維1，潘 薇1，李玉平2，張家濤1

(1． 云南錫業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 個(gè)舊 661000；2． 湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

懸浮密度法是測(cè)量陶瓷氣孔率最常用的方法，該法利用密度天平測(cè)量樣品的干重、懸重和濕重，通過(guò)計(jì)算得到樣品的氣孔率值。然而，該方法只能直接獲得樣品的開(kāi)口氣孔率，要求取樣品的真氣孔率則需預(yù)先知道材料的真密度值。本文介紹了一種基于SEM二次電子形貌襯度原理測(cè)量陶瓷真氣孔率的“PS比色法”，利用該法對(duì)三組陶瓷樣品的真氣孔率進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與懸浮密度法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者的結(jié)果略小于后者。但采用PS比色法測(cè)量陶瓷真密度無(wú)需預(yù)先知道材料的真密度且較為直觀，因而具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

陶瓷；氣孔率；PS比色法；懸浮密度法

0 引 言

在陶瓷產(chǎn)品的檢測(cè)中，氣孔率是衡量瓷坯燒成質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了瓷坯的致密度，對(duì)陶瓷產(chǎn)品的強(qiáng)度和穩(wěn)定性具有重要的影響[1-2]。GB/ T 8411．2-2008中介紹了一種測(cè)定陶瓷塊體材料氣孔率的方法——懸浮密度法，該方法是生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的氣孔率方法，它是基于阿基米德原理，利用密度天平及其附件分別量取陶瓷樣品的干重、濕重和懸重，通過(guò)計(jì)算即可得到樣品的氣孔率[3-4]。然而，該方法只能根據(jù)稱(chēng)量所得的三個(gè)質(zhì)量值(干重、濕重和懸重)直接求取樣品的開(kāi)口氣孔率，要求取樣品的閉口氣孔率和真氣孔率(開(kāi)口氣孔率與閉口氣孔率之和)則必須要知道陶瓷材料的真密度值。但是，陶瓷的開(kāi)口氣孔率往往遠(yuǎn)小于其真氣孔率，開(kāi)口氣孔率并不能直接有效地反映瓷坯的實(shí)際燒成狀況，而由于陶瓷配方及制備工藝的多變性，陶瓷材料的真密度值并不容易獲得，因此就給真氣孔率的測(cè)量帶來(lái)了不便[5]。

本文介紹了一種利用Photoshop軟件對(duì)陶瓷樣品掃描電子顯微照片中的氣孔率進(jìn)行比色計(jì)算的方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PS比色法)，利用該法對(duì)1#、2#和3#三組陶瓷樣品的真氣孔率進(jìn)行了測(cè)量，并與常用的懸浮密度法測(cè)氣孔率的方法進(jìn)行了比較。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

PS比色法測(cè)量陶瓷樣品的氣孔率是依據(jù)掃描電子顯微鏡二次電子形貌襯度原理。利用掃描電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察時(shí)，根據(jù)二次電子成像原理，樣品中傾斜度越大的面，被電子束激發(fā)出來(lái)的二次電子產(chǎn)額越高，亮度越高，而傾斜度越小的面，二次電子產(chǎn)額越少，亮度也越低。反映到掃描電子顯微照片中，突出的尖端和陡峭斜面處的二次電子產(chǎn)額較多，亮度較大；平面上二次電子的產(chǎn)額較少，亮度較?。惠^深的凹坑內(nèi)雖然也能產(chǎn)生較多的二次電子，但凹坑較深位置的二次電子不易被探測(cè)器檢測(cè)到，亮度也會(huì)較暗[6-7]。因此，在一張被充分打磨拋光(即樣品觀察面上的顆粒、突起等已被充分磨平)的陶瓷樣品顯微照片中，氣孔較深位置的亮度最暗，樣品平面區(qū)域的亮度次之，而氣孔邊緣區(qū)域的亮度最高。根據(jù)這一特征，利用Photoshop軟件按色彩范圍選區(qū)的功能，對(duì)氣孔區(qū)域進(jìn)行選區(qū)操作，從而獲得氣孔區(qū)域在照片中所占的像素值，將其與照片的總像素值作比，就得到照片中的面氣孔率(即該平面內(nèi)氣孔面積所占比率)。由于一塊陶瓷樣品可以認(rèn)為是由無(wú)數(shù)個(gè)這樣的面構(gòu)成的，因而可以將這一面氣孔率認(rèn)為是該陶瓷樣品的真氣孔率。

1.2 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)中的1#、2#和3#三組陶瓷樣品分別取自相同燒成溫度不同保溫時(shí)間的三批陶瓷絕緣子套管產(chǎn)品，三批產(chǎn)品的燒成溫度均為1260 ℃，1#、2#和3#樣品所對(duì)應(yīng)的陶瓷產(chǎn)品的高火保溫時(shí)間分別為3 h、4 h和8 h。三組樣品配方相同，均為54%Al2O3含量的高鋁瓷配方。每組樣品均分成兩部分，一部分用于懸浮法使用；另一部分則供PS比色法使用。懸浮法和PS比色法的樣品要求及制備方法分別如下：

(1)懸浮法試樣

按照GB/T 8411．2-2008 《陶瓷和玻璃絕緣材料 第2部分：試驗(yàn)方法》的要求，用于懸浮法的試樣應(yīng)不小于1 g，若小于1 g，應(yīng)使用幾個(gè)瓷件同時(shí)測(cè)量，使測(cè)量質(zhì)量大一些，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

(2)PS比色法試樣

用于PS比色法的試樣需要對(duì)樣品的觀察面進(jìn)行打磨，先用100#金剛石磨盤(pán)粗磨，再用200#金剛石磨盤(pán)細(xì)磨，使樣品的觀察面盡可能的光滑，避免樣品表面的凹凸對(duì)PS比色過(guò)程造成干擾。樣品的觀察面與放置面應(yīng)保證一定的平行度，盡可能地減少掃描電子顯微鏡觀察中由于觀察面的傾斜而造成的圖像襯度差。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1．3．1 懸浮法

懸浮法測(cè)量陶瓷樣品的方法和過(guò)程如下：

(1)測(cè)量干燥樣品的質(zhì)量(干重m1)

首先利用ADS-1004VA型超聲波清洗儀對(duì)準(zhǔn)備好的瓷塊樣品清洗20min，去除樣品表面附著的灰塵及細(xì)碎顆粒；然后利用鼓風(fēng)干燥箱在(110±5) ℃的溫度下對(duì)樣品干燥2-3 h至恒重，并置于干燥器中自然冷卻至室溫；再利用AR64CN型密度天平及其測(cè)試附件稱(chēng)量樣品的質(zhì)量m1，精確到0．0001 g。

(2)測(cè)量樣品在水中的懸浮質(zhì)量(懸重m2)

將樣品浸沒(méi)在蒸餾水中煮沸2h，使樣品開(kāi)口氣孔中的空氣盡量地排除至飽和，然后保持樣品在水中冷卻至室溫。將樣品掛在密度天平的掛鉤上并浸在水中，稱(chēng)量樣品在水中的懸浮質(zhì)量m2。

(3)測(cè)量潮濕樣品在空氣中的質(zhì)量(濕重m3)

將稱(chēng)好懸重的樣品從水中取出，用吸飽水的脫絨布擦掉樣品表面的水，在空氣中稱(chēng)得樣品的濕重m3。

根據(jù)m1、m2和m3的值以及陶瓷樣品的真密度Dr即可對(duì)樣品的體積密度Db、表觀密度Da、開(kāi)口氣孔率Po、閉口氣孔率Pc和真氣孔率Pr進(jìn)行計(jì)算，如式(1)-(5)所示。

其中，ρ0為水的密度，g/cm3。

1．3．2 PS比色法

PS比色法測(cè)量樣品真氣孔率的方法和過(guò)程如下：

(1)樣品處理

首先，利用ADS-1004VA型超聲波清洗儀對(duì)打磨好的樣品清洗20 min，去除樣品表面的粉塵及碎粒；然后利用鼓風(fēng)干燥箱對(duì)樣品進(jìn)行干燥；再用SCD050型噴涂刻蝕儀對(duì)樣品進(jìn)行60 s-90 s的噴金處理。

(2)掃描電子顯微鏡觀察

利用FEI QUANTA 200環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)樣品的二次電子像進(jìn)行觀察，在200×的放大倍數(shù)下對(duì)樣品三個(gè)不同的位置拍攝顯微照片。

(3)PS比色求真氣孔率

將樣品三個(gè)不同位置的SEM照片分別導(dǎo)入Photoshop軟件，利用Photoshop軟件的“色彩范圍選取”功能中的取色器對(duì)樣品SEM照片氣孔位置的色彩進(jìn)行選取（取色器的取色位置為氣孔內(nèi)顏色最暗的位置），顏色容差設(shè)定在90-110之間，具體可根據(jù)選取對(duì)照片中氣孔區(qū)域的覆蓋情況進(jìn)行調(diào)整(若所得選區(qū)未完全覆蓋氣孔區(qū)域，則應(yīng)該增大顏色容差值；反之，若選區(qū)超過(guò)了氣孔區(qū)域，則減小顏色容差值)；通過(guò)直方圖信息查看被選中的氣孔選區(qū)的像素值和整張SEM照片的像素值，將前者比上后者就得到樣品的真氣孔率；求取樣品三個(gè)不同位置真氣孔率的平均值作為該樣品最終的真氣孔率。

2 結(jié)果分析及討論

本實(shí)驗(yàn)中三組樣品的真密度Dr=2．642 g/cm3。氣孔率測(cè)量時(shí)的溫度為20 ℃，對(duì)應(yīng)蒸餾水的密度取0．9982 g/cm3。通過(guò)懸浮法測(cè)量計(jì)算的1#、2#和3#樣品的真氣孔率如表1所示，而利用PS比色法測(cè)得的樣品三個(gè)不同位置的真氣孔率及其平均值如表2所示。

對(duì)比懸浮法測(cè)得的樣品真氣孔率和PS比色法得到的真氣孔率平均值，二者呈現(xiàn)出了相同的規(guī)律，三組樣品真氣孔率值從大到小都是1#＞2#＞3#。PS比色法結(jié)果比懸浮法所得結(jié)果整體偏小，其中，1#樣品PS比色法的真氣孔率平均值比懸浮法的真氣孔率值小1．23%，2#樣品PS比色法的真氣孔率平均值比懸浮法的真氣孔率值小2．84%，3#樣品PS比色法的真氣孔率平均值比懸浮法的真氣孔率值小3．47%。這是因?yàn)榘凑諕呙桦娮语@微鏡二次電子的成像襯度原理，在陶瓷樣品的SEM照片中，氣孔邊緣一個(gè)很小的范圍內(nèi)存在一圈非常明亮的環(huán)形區(qū)域，而PS比色法在對(duì)氣孔區(qū)域進(jìn)行選區(qū)操作時(shí)，未將這一明亮的環(huán)形區(qū)域選取在內(nèi)，造成了PS比色法真氣孔率計(jì)算結(jié)果較懸浮法真氣孔率結(jié)果略微偏小。但是，該差異在可接受的范圍內(nèi)。另外，利用PS比色法測(cè)量陶瓷樣品真氣孔率不需要提前知道材料的真密度，并且較為直觀，故而有其優(yōu)越性。

表1 懸浮法的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果Tab.1 The measurement and calculation of the suspension method

表2 PS比色法測(cè)量的真氣孔率Tab.2 The true porosity measured by PS colorimetric method

3 結(jié) 論

本文利用PS比色法對(duì)1#、2#和3#三組陶瓷樣品的真氣孔率進(jìn)行了測(cè)量，并將其與常用的懸浮法所測(cè)得的真氣孔率數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

懸浮法和PS比色法兩種方法測(cè)得的真氣孔率值大小順序相同，均是1#＞2#＞3#。利用PS比色法測(cè)得的樣品真氣孔率值比懸浮法測(cè)量所得值略微偏小，但偏差在可接受的范圍內(nèi)。PS比色法測(cè)量陶瓷材料的真氣孔率不需要提前知道材料的真密度值且較為直觀，因而具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

[1] 郎瑩, 趙佳敏, 汪長(zhǎng)安, 等． 中等氣孔率多孔陶瓷在受壓過(guò)程中的斷裂行為[J]． 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2014, 42(12): 1528-1536．

[2] 景亞妮, 鄧湘云, 李建保, 等． SiC / 莫來(lái)石復(fù)相多孔陶瓷氣孔率和強(qiáng)度的影響因素[J]． 硅酸鹽通報(bào), 2013, 32(10): 1979-1983．

[3] GB/T 8411．2-2008，陶瓷和玻璃絕緣材料(第2部分): 試驗(yàn)方法[S]． 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008．

[4] 田仕, 王為民, 張帆, 等． 致密陶瓷材料密度和氣孔率的測(cè)試方法[J]． 理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè), 2011, 47(8): 476-479．

[5] 高國(guó)玲．全自動(dòng)真密度儀在電瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]． 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 2014, (3): 56-58．

[6] 阮矚． 掃描電子顯微鏡中二次電子成像機(jī)制和分辨率的Monte Carlo模擬[D]． 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2015．

[7] 周玉, 武高輝． 材料分析測(cè)試技術(shù)——材料x(chóng)射線衍射與電子顯微分析(第2版)[M]． 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2007: 190-194．

Application of PS Colorimetry in the Measurement of True Porosity for Ceramics

TAN Liwei1, PAN Wei1, LI Yuping2, ZHANG Jiatao1
(1. Yunnan Tin Vocation & Technical College, Gejiu 661000, Yunnan, China; 2. School of Material Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China)

Suspension density method is the most commonly used method for measuring ceramic porosity. The dry weight, suspension weight and wet weight of the samples were measured by density balance, and the porosity values of the samples were calculated. However, the method can only obtain the open porosity of the sample directly. If it is required to obtain the true porosity of the sample, it is necessary to know the true density of the material in advance. This paper introduces a "PS colorimetric method" for measuring the porosity of ceramics based on SEM secondary electromorphic principle. The true porosity of the three sets of ceramic samples was measured by this method, and the measurement results were compared with the results of the suspension density method. The results showed that the former values were slightly smaller than the latter. However, PS colorimetric method is not necessary to know the true density of the material and to be more intuitive, so it has strong practicability.

ceramics; porosity; PS colorimetric method; suspension density method

date:2017-01-10. Revised date: 2017-01-15.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)03-0040-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.03.009

2017-01-10。

2017-01-15。

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目。

Correspondent author:TAN Liwei, male, Assistant lecturer, Master.

譚黎維，男，助理講師，碩士。

E-mail:715743121@qq.com