在電瓷制造中，釉與坯體的結(jié)合并非簡(jiǎn)單的物理附著，而是通過高溫下的物質(zhì)遷移與化學(xué)反應(yīng)形成一個(gè)成分和結(jié)構(gòu)漸變的過渡區(qū)域，即中間層。中間層的形成與性質(zhì)直接影響電瓷的機(jī)械強(qiáng)度、電學(xué)性能、耐腐蝕性及抗熱震性，是決定電瓷質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

 

 

一、中間層的定義與本質(zhì)特征

 

中間層是指在釉與坯體界面處，通過高溫?zé)蓵r(shí)兩者的組分相互擴(kuò)散、溶解與反應(yīng)，形成的一層成分和結(jié)構(gòu)介于釉層與坯體之間的過渡區(qū)域。其厚度通常為幾微米到幾十微米，具體取決于坯釉的化學(xué)組成、燒成溫度、保溫時(shí)間及釉層厚度等因素。

 

中間層的本質(zhì)是坯釉界面的 “緩沖帶”，兼具釉層的玻璃態(tài)特征與坯體的結(jié)晶態(tài)特征，或形成新的晶相（如莫來石、鈣長(zhǎng)石等）。它并非獨(dú)立的物理層，而是成分連續(xù)變化的梯度區(qū)域，其存在使釉與坯體之間的結(jié)合從單純的機(jī)械附著轉(zhuǎn)化為化學(xué)結(jié)合與物理互鎖的復(fù)合體系，顯著提升界面結(jié)合強(qiáng)度。

 

 

二、中間層的形成機(jī)制

 

中間層的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，主要包括以下三個(gè)階段：

 

1. 釉料熔融與組分?jǐn)U散

 

在燒成溫度下，釉料率先熔融形成玻璃態(tài)熔體，其中低熔點(diǎn)組分（如堿金屬氧化物 K?O、Na?O，堿土金屬氧化物 CaO、MgO 等）形成流動(dòng)性較好的介質(zhì)，促使釉與坯體界面處的離子擴(kuò)散。坯體中的 Al³?、Si??、Ca²?等陽離子向釉層遷移，釉中的 Na?、K?等陽離子則向坯體滲透，形成雙向擴(kuò)散流。

 

2. 坯體組分的溶解與釉料的滲透

 

坯體表面的礦物（如長(zhǎng)石、黏土分解產(chǎn)物）在高溫釉熔體中發(fā)生溶解，釋放出 Al?O?、SiO?等成分，使釉層的黏度和組成發(fā)生變化；同時(shí)，釉熔體通過坯體表面的孔隙或微裂紋滲透到坯體淺層，形成機(jī)械嵌合結(jié)構(gòu)（如 “釉釘”），增強(qiáng)界面的機(jī)械結(jié)合力。

 

3. 化學(xué)反應(yīng)與新相生成

 

當(dāng)坯釉的化學(xué)組成具有一定相容性時(shí)，界面處可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的晶相或玻璃相。例如，高鋁坯體與含 CaO 的釉料在界面處可能形成鈣長(zhǎng)石（CaO?Al?O??2SiO?）晶體，含長(zhǎng)石的坯體與石英釉料可能生成莫來石（3Al?O??2SiO?）晶須。這些新相的存在不僅強(qiáng)化界面結(jié)合，還能調(diào)整中間層的熱膨脹系數(shù)，減少界面應(yīng)力。

 

 

三、中間層的組成與結(jié)構(gòu)特征

 

1. 化學(xué)組成的梯度分布

 

中間層的成分從坯體側(cè)到釉層側(cè)呈現(xiàn)連續(xù)變化：

坯體側(cè)：以坯體的主成分（如 Al?O?、SiO?）為主，含少量釉料中的助熔劑（如 Na?O、K?O）；

釉層側(cè)：以釉料的主成分（如 SiO?、助熔劑氧化物）為主，含少量坯體中的 Al?O?、Fe?O?等雜質(zhì)；

中間區(qū)域：形成富含 Al?O?-SiO?-CaO（或其他助熔劑）的復(fù)合體系，可能含有未完全溶解的坯體礦物顆?；蛐律傻木?。

 

2. 微觀結(jié)構(gòu)的過渡性

 

中間層的結(jié)構(gòu)隨坯釉性質(zhì)不同呈現(xiàn)兩種典型形態(tài)：

玻璃態(tài)中間層：當(dāng)坯釉化學(xué)相容性高（如高硅坯體配高硅釉），界面以擴(kuò)散為主，未形成明顯晶相，中間層為玻璃態(tài)，結(jié)構(gòu)均勻，厚度較?。?~10μm）；

結(jié)晶態(tài)中間層：當(dāng)坯釉中含有易成晶組分（如 Al?O?含量較高的坯體與鈣長(zhǎng)石釉），界面處生成針狀、柱狀晶體（如莫來石），形成 “晶橋” 連接坯釉，厚度較厚（20~50μm），機(jī)械強(qiáng)度更高。

 

3. 物相組成的復(fù)雜性

 

中間層可能包含以下物相：

未完全溶解的坯體殘余礦物（如石英、長(zhǎng)石碎屑）；

高溫反應(yīng)生成的新晶相（莫來石、鈣長(zhǎng)石、硅灰石等）；

富助熔劑的玻璃相（低黏度區(qū)域，利于離子擴(kuò)散）；

氣隙或微裂紋（若坯釉熱膨脹系數(shù)差異過大，冷卻時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中）。

 

 

四、中間層的物理化學(xué)特性

 

1. 熱膨脹系數(shù)的緩沖作用

 

中間層的熱膨脹系數(shù)（CTE）介于坯體與釉層之間，是界面應(yīng)力調(diào)控的核心因素。理想情況下，中間層的 CTE 應(yīng)滿足：α 坯<α 中間層<α 釉，或通過成分調(diào)整使三者的 CTE 接近，以減少冷卻過程中因收縮差異產(chǎn)生的應(yīng)力（壓應(yīng)力或張應(yīng)力）。若中間層 CTE 與坯釉差異過大，可能導(dǎo)致釉面開裂（釉層張應(yīng)力過大）或剝落（界面結(jié)合力不足）。

 

2. 機(jī)械性能的界面強(qiáng)化

 

中間層通過以下方式提升界面結(jié)合強(qiáng)度：

機(jī)械互鎖：釉熔體滲入坯體孔隙形成 “釉釘”，增加界面接觸面積；

化學(xué)結(jié)合：新晶相的生成（如莫來石晶須）形成化學(xué)鍵連接；

應(yīng)力均化：梯度結(jié)構(gòu)分散外部載荷，避免應(yīng)力集中。

 

3. 電學(xué)性能的界面效應(yīng)

 

在電瓷中，中間層的絕緣性能直接影響整體電學(xué)表現(xiàn)：

若中間層存在導(dǎo)電晶相（如含鐵礦物）或氣孔，可能降低絕緣電阻；

均勻玻璃態(tài)中間層可抑制漏電流，而結(jié)晶態(tài)中間層（如純莫來石相）則具有良好的絕緣性。

 

4. 耐腐蝕性的界面屏障

 

中間層的致密性與化學(xué)穩(wěn)定性決定了電瓷的抗腐蝕能力：

富 SiO?的玻璃態(tài)中間層對(duì)酸腐蝕有較好抗性；

含 CaO、MgO 的結(jié)晶態(tài)中間層對(duì)堿腐蝕更穩(wěn)定。

 

 

五、中間層對(duì)電瓷性能的影響

 

1. 正面影響 —— 理想中間層的作用

 

增強(qiáng)結(jié)合力：通過化學(xué)與機(jī)械結(jié)合，減少釉層剝落風(fēng)險(xiǎn)；

調(diào)節(jié)熱應(yīng)力：緩沖坯釉 CTE 差異，提高抗熱震性（如從 200℃驟冷至 20℃不破裂）；

優(yōu)化電學(xué)性能：均勻致密的中間層可降低介質(zhì)損耗，提高擊穿電壓；

改善耐候性：阻止外界侵蝕性介質(zhì)（如酸雨、鹽霧）直接接觸坯體，延長(zhǎng)使用壽命。

 

2. 負(fù)面影響 —— 不良中間層的危害

 

界面應(yīng)力集中：若中間層過薄或 CTE 不匹配，冷卻時(shí)釉層可能產(chǎn)生裂紋（如 “驚釉”）；

絕緣性能下降：中間層中的氣孔或?qū)щ娤鄬?dǎo)致漏電流增大，甚至引發(fā)閃絡(luò)；

機(jī)械強(qiáng)度降低：過度溶解的坯體表面或過厚的中間層可能形成脆弱界面，降低抗折強(qiáng)度。

 

 

六、中間層的調(diào)控方法

 

為獲得理想的中間層，需從坯釉配方、工藝參數(shù)及表面處理三方面進(jìn)行調(diào)控：

 

1. 坯釉化學(xué)組成的匹配

 

關(guān)鍵氧化物的控制：

SiO?/Al?O?比值：影響熔體黏度與結(jié)晶傾向，高 SiO?/Al?O?（如釉料中 SiO?>60%）利于形成玻璃態(tài)中間層；

助熔劑氧化物（RO、R?O）：適量 Na?O、K?O 降低釉熔點(diǎn)，促進(jìn)擴(kuò)散；CaO、MgO 提高中間層硬度與化學(xué)穩(wěn)定性；

雜質(zhì)控制：Fe?O?、TiO?等雜質(zhì)可能導(dǎo)致中間層著色或生成不良晶相，需限制含量（電瓷釉中 Fe?O?<1%）。

坯釉酸堿性匹配：酸性坯體（高 SiO?）配酸性釉，堿性坯體（高 CaO）配堿性釉，避免界面過度反應(yīng)。

 

2. 燒成工藝的優(yōu)化

 

溫度曲線：高溫階段（1200~1400℃）需保證釉料充分熔融，同時(shí)避免坯體過度溶解（如長(zhǎng)石質(zhì)坯體燒成溫度不超過 1350℃）；

保溫時(shí)間：適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間（30~60 分鐘）促進(jìn)組分?jǐn)U散，但過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致中間層過厚，增加應(yīng)力；

冷卻速率：快速冷卻（>50℃/min）可能導(dǎo)致中間層結(jié)構(gòu)不均，緩慢冷卻（<30℃/min）利于應(yīng)力釋放。

 

3. 坯體表面處理與釉層控制

 

坯體表面粗糙度：適度粗化（如施釉前噴砂處理）增加機(jī)械互鎖面積，但過度粗糙會(huì)導(dǎo)致釉層厚度不均；

釉層厚度：電瓷釉厚度通?？刂圃?0.1~0.3mm，過薄易露坯，過厚可能導(dǎo)致中間層應(yīng)力集中；

釉料懸浮性與潤(rùn)濕性：通過添加黏土、CMC 等助劑提高釉料附著性，避免燒成時(shí)釉層流散導(dǎo)致中間層不均勻。

 

4. 特殊技術(shù)手段

 

復(fù)合釉層：采用底釉與面釉雙層結(jié)構(gòu)，底釉側(cè)重與坯體結(jié)合（形成強(qiáng)中間層），面釉側(cè)重表面性能（如絕緣、耐磨）；

晶核劑添加：在釉料中加入 TiO?、ZrO?等晶核劑，誘導(dǎo)中間層生成均勻分布的微小晶體，增強(qiáng)界面結(jié)合；

納米技術(shù)應(yīng)用：通過納米顆粒（如 Al?O?、SiO?）改性釉料，提高中間層的致密度與抗熱震性。

 

中間層作為釉與坯體的 “橋梁”，其形成與調(diào)控是電瓷制造的核心技術(shù)之一。通過精準(zhǔn)匹配坯釉組成、優(yōu)化燒成工藝及控制界面反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)中間層的成分梯度化、結(jié)構(gòu)均勻化與性能最優(yōu)化，從而提升電瓷的綜合性能。隨著高壓、超高壓電瓷對(duì)可靠性要求的提高，中間層的研究將更注重納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多尺度界面耦合及服役環(huán)境下的耐久性，為電瓷材料的創(chuàng)新提供理論支撐。