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。
先进陶瓷按其特性分为结构陶瓷和功能陶瓷。
高级陶瓷通常是指以高纯度、超细合成或精选无机化合物为原料,化学成分精确,制造工艺和结构设计精密,特性优良的陶瓷。先进陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷。
结构陶瓷是指可用作工程结构材料的陶瓷,具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨、抗热震等特点。
功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性的一类陶瓷。并具有相互转化的功能。
先进陶瓷材料具有高硬度、高耐磨、耐腐蚀、耐高温、低热导率、低电导率等优异的物理化学性能,因为它们的化学键主要是共价键、离子键及其混合键。因此被广泛应用于光电信息、微电子技术、传感技术、生物医学、机械、汽车、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、生物陶瓷人造骨、陶瓷缸套、燃气轮机叶片、陶瓷活塞等。
目前,先进陶瓷磨削表面的评价仍采用传统的金属粗糙度评价指标。而同样粗糙度值的金属表面,与高级陶瓷表面有很大的不同。这种差异主要是由于先进陶瓷是硬脆材料,在加工过程中容易产生裂纹、破损、划痕等损伤。此外,加工表面的形貌对零件的使用性能和配合也有重要影响,如密封、润滑、抗疲劳、摩擦和磨损等。因此,迫切需要找到一种适合先进陶瓷表面形貌表征的方法。
例如,在机械工业中,加工表面形貌对整个系统的接触刚度、接触强度、摩擦磨损、匹配性和传动精度有很大的影响,从而影响整个系统的可靠性、工作精度、使用寿命和振动。在航空航天制造业中,光学元件的表面形貌,哪怕只是一点点微不均匀,都会引起光散射,使光学系统的性能变差,从而影响整个系统的性能。
表面形貌测量技术的发展
20世纪初,机械加工表面质量的检测是通过人的视觉和触觉来实现的。
1929年,德国学者Schmalcz利用光学放大原理制成了第一台表面轮廓测量仪。可以纵向放大200倍。
1936年,雅培在车间制造了第一台测量表面粗糙度的仪器。
现在测量仪器有了很大的进步。下面根据测量方法的不同对目前的测量仪器进行介绍。
(1)接触剖面仪
接触式轮廓仪是一种传统的测量方法。这种方法通过测量仪器和被测表面之间的运动进行测量。通过测量可以得到某一截面的原始轮廓形状的数据,然后利用计算机对其进行数字滤波,计算出相应的评价参数。
优点:操作方法简单直观,已广泛应用于表面测量。并且被国内学者公认为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)。两者都可以达到纳米或超纳米的垂直分辨率。STM探头在密度范围内扫描被测表面。
(2)非接触式测量仪器
20世纪50年代,光学技术被引入表面形貌测量,实现了非接触测量。
优点:测量技术快速、无损、在线,因此广泛应用于表面测量。
根据测量原理的不同,这些测量技术可以分为: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。

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