陶瓷分析 | 性能、质量与可靠性分析解决方案

陶瓷是一种通过加热并冷却天然黏土与矿物混合物形成的非金属无机材料，具有坚硬的晶体结构；也可通过等离子体气相沉积等技术制备成具有特殊性能的涂层。这类材料以高硬度、优异的隔热绝缘性、化学稳定性以及耐高温、耐磨损等特点著称。然而，陶瓷材料也存在一些弱点，如脆性较大、抗冲击性较低，在拉伸应力下容易发生断裂。

陶瓷广泛应用于建筑、电子、航空航天、汽车和生物医学等多个领域。在半导体产业中，陶瓷因其卓越的硬度和化学稳定性，被用于晶圆抛光工艺中，可制造出超光滑表面，满足高性能芯片的制作需求。陶瓷材料既常见于日常用品，也广泛应用于先进技术系统，展现出极高的多功能性。

随着陶瓷逐渐发展为高性能应用中的先进材料，对精密分析技术的需求日益增强。准确了解其化学成分、微观结构以及表面与深层特性，有助于优化材料性能、确保产品可靠性，并推动陶瓷技术的创新与发展。

HORIBA 提供全面的分析解决方案，致力于满足陶瓷材料在表征与研发过程中的多样需求，为相关领域提供先进的科学技术支持。

陶瓷有哪些不同类型？

陶瓷材料具备独特的性能优势，无论是氧化物的耐久性与化学惰性，还是复合材料卓越的硬度和增强性能，都使其能够胜任各行业中最具挑战性的高性能应用场景。

氧化物陶瓷

氧化物陶瓷是以金属氧化物为主要成分的先进陶瓷材料，具备优异的强度、硬度、热稳定性、化学惰性以及电绝缘性能。它们能够承受极端温度，耐腐蚀和磨损，是严苛环境下应用的理想选择。

氧化铝（三氧化二铝）：具有高硬度和耐磨性，广泛应用于耐磨部件、电子基板和生物医学植入体。也常用于抛光浆料和抛光垫，凭借其优异的研磨性能，适用于金属、陶瓷和玻璃等材料的抛光。
氧化锆（二氧化锆）：以高韧性和抗断裂性能著称，常见于牙科种植体、固体氧化物燃料电池和切削工具等领域。
二氧化硅（硅石）：因其优良的隔热性和光学透明性，被广泛用于光学元件和隔热材料中。

非氧化物陶瓷

非氧化物陶瓷是不含氧的陶瓷材料，通常具备比氧化物陶瓷更高的硬度和耐磨性。其制造工艺和固有特性使其在极端工况下表现出色，成为多个高端行业中不可或缺的材料。

碳化硅（SiC）：具有极高硬度和导热性，常用于砂纸和抛光剂的制造，适用于陶瓷等多种材料的加工。
碳化硼（B₄C）：不仅轻质高强，还具备中子吸收能力，广泛应用于防弹装甲、喷砂喷嘴及核反应堆中的中子吸收体。
氮化硅（Si₃N₄）：拥有出色的抗热震性和机械强度，常用于发动机部件、轴承和高温密封件。

复合材料

复合材料通过将陶瓷与其他材料复合，创造出性能高度可定制的创新解决方案。它们有效克服了传统陶瓷的脆性等局限，拓展了陶瓷在严苛条件下的应用范围。

金属陶瓷（陶瓷-金属复合材料）：结合了陶瓷的高硬度和金属的韧性，适用于切削工具、航空发动机部件和热交换器等。
陶瓷基复合材料（CMCs）：以其轻质、高强度和耐高温特性闻名，是制造喷气发动机部件、航天器构件和先进制动系统的关键材料。

有哪些分析需求？

随着陶瓷在高性能应用领域中逐渐成为关键先进材料，精确分析技术的重要性日益凸显。要充分释放其潜力，必须深入理解其基本特性。

化学成分与纯度分析

确保陶瓷材料具备正确的元素组成并有效检测杂质，对其性能、质量及可靠性至关重要。

X 射线荧光光谱（XRF）：提供精确的元素分析，确保陶瓷成分符合规格要求。该技术对质量控制和材料验证极为关键，可识别可能影响最终产品性能与可靠性的成分偏差或杂质。快速分布成像功能还可辅助样品特性研究，作为 SEM-EDX 的有效补充，且通常无需复杂预处理。
电感耦合等离子体光谱技术（ICP）：实现对痕量与超痕量元素的高灵敏度分析，能够检测极低浓度杂质。该技术对评估高性能陶瓷的纯度至关重要，因为即使微量杂质也可能显著影响材料性能。ICP-OES 与 ETV 联用技术可直接分析碳化硅（SiC）等固体样品中的杂质，无需复杂耗时的前处理，大幅提升分析效率。
荧光光谱技术：可识别荧光类杂质，并用于表征掺杂稀土元素或过渡金属的陶瓷材料，这对发光材料与器件研发具有重要意义。该技术为光子学、光电子学及其他光学应用中的陶瓷提供了有关光学质量、纯度及性能的关键信息。
颗粒表征（PCA）：用于深入了解陶瓷的化学成分、优化纯度并调控最终产品性能。通过精确控制颗粒尺寸，可调整材料的物理与化学特性，以满足强度、耐久性及外观等特定需求。
拉曼光谱：通过识别特征振动模式检测材料结构中的缺陷与杂质。作为一种无损分析技术，它可评估材料化学成分的整体均匀性，并监测加工过程中可能引入的杂质变化。
阴极荧光光谱技术（CL）：一种强大的非破坏性分析方法，结合快速成像与宽波长光谱分析，能够以高空间分辨率检测痕量杂质和缺陷。
元素分析技术：用于测定碳、硫、氧、氮、氢等关键元素，通过识别与量化影响材料性能的杂质，确保其处于最佳状态。该技术是科研与生产中控制陶瓷材料纯度和质量的重要工具。

物相与结构分析

了解陶瓷材料内部的晶相组成、多晶型态及内应力状态，对优化制造工艺、提升材料性能以及保障产品一致性具有关键作用。

拉曼光谱：通过检测分子振动特征，识别陶瓷中的不同晶相和多晶型态，还可通过拉曼峰位移评估内部应力与应变。该技术有助于理解这些因素对机械强度、热稳定性及整体性能的影响。
颗粒表征（PCA）：通过测量粒度分布与形貌，控制对加工工艺和最终性能至关重要的粉末特性。优化颗粒特性有助于提高产品一致性、减少缺陷并增强结构完整性。
原子力显微镜-拉曼光谱联用技术（AFM-Raman）：结合形貌与化学信息，实现纳米级表面成像，可用于研究表面纹理、粗糙度及形貌特征，识别纳米尺度的结构变异。
阴极发光技术（CL）：对晶体结构和成分变化极为敏感，能够识别物相、检测结构缺陷，并揭示影响发光性能的应力/应变区域。该技术特别适用于光学与电子材料的研究，因为这些材料中的晶体缺陷与变异会显著影响器件性能。

表面与界面表征

分析陶瓷材料的薄膜、涂层及表面处理，对理解和优化其性能至关重要，尤其是在表面特性起主导作用的应用中。

椭偏仪：能够以纳米级精度测量陶瓷薄膜与涂层的厚度。通过分析反射光偏振态的变化，还可获取折射率、消光系数等光学常数。该技术可同步提供厚度与光学性质信息，为陶瓷薄膜的质量控制与研发提供关键数据支持。
原子力显微镜-拉曼联用技术（AFM-Raman）：可同步获取纳米尺度的表面形貌与化学成分信息，揭示分子与晶体结构特征，有助于建立表面结构与性能之间的关联。
辉光放电光谱（GDOES）：提供从表面至深层元素成分的深度分布分析，非常适用于研究陶瓷材料的层状结构、涂层及表面处理。该技术对验证涂层厚度、检测界面扩散及保障层状陶瓷系统的完整性至关重要。典型应用包括蓝宝石（Al₂O₃）及其他氧化物薄膜、氮化物涂层（TiN、CrN、ZrN 等）、碳化硅等碳化物材料，以及 PZT 压电陶瓷和高温氧化物燃料电池用陶瓷层等复杂结构。
阴极发光技术（CL）：通过荧光成像揭示薄膜与涂层的微观结构特征及缺陷，增强表面表征能力。该技术对光学和电子应用材料尤为重要，可识别制造工艺中的问题，助力提升材料质量。