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1、第二章 陶瓷坯料及其成型性能,绪 言,2.4 坯料的成型性能, 陶瓷制品的成型方法主要分三类：,可塑法成型基于坯料具有良好的可塑性进行。,注浆法成型基于坯料具有良好的液态流动性进行。,压制法成型基于坯料在较大外加压力下具有良好的固态流动性及结合性完成。, 可塑法成型具有多种实用方法。如：,拉坯成型,2.4 坯料的成型性能,滚压成型,2.4 坯料的成型性能,纯手工围筑塑造成型工艺,2.4 坯料的成型性能, 注浆法成型举例,空心注浆(单面吃浆),2.4 坯料的成型性能,实心注浆(双面吃浆), 注浆法成型举例,2.4 坯料的成型性能, 压制法成型,一、可塑泥料的成型性能,2.4 坯料的成型性能,（一
2、）可塑泥料的流变特性, 流变学是研究物体流动和变形的科学，综合研究物体的弹性应变、塑性变形和粘性流动。物体的流变特性系指其在某一时刻所表现出的应力与应变的定量关系。, 关于流变学的一些基本知识, 可塑法成型和注浆法成型用坯料的性能都涉及它们的流变特性。,2.4 坯料的成型性能, 几种基本流体类型,2.4 坯料的成型性能,一、可塑泥料的成型性能,（一）可塑泥料的流变特性, 可塑泥料受应力作用而 产生变形时，既有短暂的 弹性变形阶段（OA段）， 又有塑性变形阶段。, 但当应力超过弹性形变的极限应力值y之后，泥料即产生不可逆的假塑性 变形，且变形量随应力的 增大而增大。,一、可塑泥料的成型性能,（一
3、）可塑泥料的流变特性, 若撤除外加应力，则发生假塑性变形的泥料只能部分地恢复原状态(y )，剩下的不可逆变形部分（n）叫做 “假塑性变形”。n部分是由于泥料中的矿物颗粒产生了相对位移所致。, p和p 分别为泥料受力出现裂纹（破坏）时的极限应力值和变形量。 p和 p的大小取决于应力的增加速度和应力在泥料中扩散的速度。,一、可塑泥料的成型性能,（一）可塑泥料的流变特性, 可塑泥料还具有一个特点，即：当其受外力作用产生变形后，若维持其变形量不变，则泥料中的应力会逐渐减小直至消失。 将泥料中应力降至一定值时所经历的时间叫做“应力松弛期”。, 如果成型时泥料的受力时间比其“应力松弛期”短得多，则在应力作
4、用期间内，泥料将来不及产生塑性变形（只产生弹性变形）。反之，则将产生塑性变形、且能保持变形后的形状。,一、可塑泥料的成型性能,（一）可塑泥料的流变特性, 因此，若要使泥料形成所要求坯体外形，成型时就要使泥料受力时间足够长，且成型压力应陆续、多次地作用到泥料上。, 在塑性泥料的流变性参数中，屈服值y 和最大变形量p 对成型过程具有重要意义。, 成型性能好的泥料应该具有一个较高的屈服值y和足够大的p 值。前者可以防止刚刚成型好的坯体因偶然的外力作用产生变形；后者可以保证泥料在成型过程中变形虽大、但又不易产生开裂。,2.4 坯料的成型性能,一、可塑泥料的成型性能, 改变泥料的含水量，可以改变其中一个
5、流变参数，但同时也会降低另一个特性参数。如右图所示，随着含水量增加，y 减小而p 却增大。, 屈服值y和最大变形量p 是相互关联的，且往往相互矛盾。, 因此，一般可以近似地用 （yp ）来评价泥料的成型性能，这就是前已述及的 “可塑性指标”。对于一定组成的泥料而言，在合适的含水量条件下，这个乘积达到最大值时，也就意味着它具有最好的成型性能。,1. 矿物组成。,就可塑性强弱而言：伊利石 高岭石 蒙脱石, 可塑性良好的粘土泥料一般应具备以下条件： （1）颗粒细小； （2）粘土矿物解理明显或完全，尤其呈片状结构最好； （3）粘土颗粒表面的水化膜较厚。,2. 颗粒大小及形状。,细颗粒泥料的比表面积大，
6、可塑性亦大。,板片状、短柱状颗粒的比表 面积比球状颗粒的比表面大， 故前两种颗粒容易形成面-面 接触，形成的毛细管力大， 相应的泥料可塑性亦大。,（二）影响泥料可塑性的因素,3. 吸附的阳离子种类。,粘土胶粒之间的斥力（吸引力）影响着泥料的可塑性，而吸引力的大小则决定于粘土的阳离子交换容量及吸附的阳离子种类。, 粘土吸附不同阳离子时，其可塑性变化的顺序与阳离子交换顺序相同：,H-粘土 Al 3+ Ba 2+ Ca 2+ Mg 2+ NH+ K + Na + Li +,可塑性增大,4. 液相的性质及含量。,液相的性质主要涉及液相的粘度及表面张力。一般地，高粘度和高表面张力的液体介质能够提高泥料的
7、可塑性。,（二）影响泥料可塑性的因素,一、可塑泥料的成型性能,4. 液相的性质及含量。,（二）影响泥料可塑性的因素, 液相含量对泥料可塑性的影响如右图所示：随着含水量增加，泥料的屈服值降低，最大变形量增大。而最大可塑性指数（标）则对应于一个最佳含水量。,2.4 坯料的成型性能,二、注浆坯料（泥浆）的成型性能,1. 陶瓷泥浆的流变曲线,（一）陶瓷泥浆的流变特性,1. 可塑粘土泥浆 2. 骨灰浆体 3. 石英浆体 (近似牛顿型) 4. 氧化铝浆体（胀流型） 5. 加入了碱的可塑粘土泥浆,二、注浆坯料（泥浆）的成型性能,2. 影响泥浆流变性质的因素,（一）陶瓷泥浆的流变特性,（1）泥浆浓度,如右图所
8、示。泥浆浓度增大时，流变曲线的形状基本上不变，只是曲线位置右移，意味着泥浆获得相同剪切速率所需施加的应力增大，亦即泥浆的屈服值增大。,二、注浆坯料（泥浆）的成型性能,2. 影响泥浆流变性质的因素,（2）固相颗粒的大小及其分布。,就固相颗粒的细度而言，陶瓷泥浆是介于溶胶悬浮体粗分散体系之间的一种特殊固液系统，其粒度分布范围大致在2000.2 m之间。其中胶体颗粒（ 0.2 m ）很少，但小颗粒（主要由粘土矿物引入）是悬浮体中大颗粒的分散剂，以及大中颗粒移动时的润滑剂。因此，泥浆体系中大小颗粒之比和颗粒的分布范围均对泥浆流变性质起着决定性作用，影响情况复杂。,（3）电解质的种类和加入量（吸附的阳离
9、子种类及数量）。,加入电解质是调节泥浆流变性和稳定性的有效方法。电解质的种类及加入量对泥浆流变性质均影响显著。,单独加入Na2CO3 的高岭土泥浆的流变曲线, 加入量1%时，流变曲线形状没有太大改变，屈服值降低也不明显。, 加入量为 2%时，泥浆解凝程度最大，屈服值降到最低。, 过分解凝时（2%），粘度重新增大。=/.说明电解质的加入量存在一个最佳值。,2. 影响泥浆流变性质的因素,（3）电解质的种类和加入量（吸附的阳离子种类及数量）。,2. 影响泥浆流变性质的因素,（3）电解质的种类和加入量（吸附的阳离子种类及数量）。,单独加入 六偏磷酸钠 的高岭土泥浆的流变曲线, 解凝效果比碳酸钠更好，仅
10、需加入 0.5%即可达到最大解凝效果屈服值降到零。, 过分解凝时（2%），粘度重新增大。=/., 加入量 2%时，泥浆呈胀流型流体特征。加入量2%后，泥浆变为塑性流体。加入量为 2%时，泥浆近乎牛顿流体。,2.4 坯料的成型性能, 几种基本流体类型,（假塑性流体）,（牛顿型流体）,复合加入Na2CO3 和 Na2SiO3 （1：1） 的高岭土泥浆的流变曲线, 随着加入量的增大，泥浆粘度不断减小。, 加入量为 2%时， 泥浆解凝程度最大， 屈服值接近于零，触 变环最小，泥浆近似 牛顿流体。, 过分解凝时（2%），粘度重新增大（=/）. 触变环也变大。,2. 影响泥浆流变性质的因素,（3）电解质的
11、种类和加入量（吸附的阳离子种类及数量）。,二、注浆坯料（泥浆）的成型性能,2. 影响泥浆流变性质的因素,（3）电解质的种类和加入量（吸附的阳离子种类及数量）。, 瓷器泥浆含有较多的瘠性原料。, 随着碳酸钠的加入量增大，泥浆由假塑性流态改变为胀流型流体。,瓷器泥浆（含水率31%）加入Na2CO3 的流变曲线,2. 影响泥浆流变性质的因素,（3）电解质的种类和加入量。,d) 过分解凝态。近 似牛顿型流体，重 现触变环，粘度比 (c)态大得多 。,a) 絮凝态, 近似宾 汉型流体。,b) 部分解凝态。呈 有一定屈服值的假 塑性流体，触变性 最大。,c) 完全解凝态。近 似牛顿型流体，无 触变环。,二
12、、注浆坯料（泥浆）的成型性能,2. 影响泥浆流变性质的因素,（4）陈腐处理。,新制的泥浆其流变性能是不稳定的，往往需要陈腐一段时间才能稳定。陈腐过程中，粘度和屈服值有所增大。,二、注浆坯料（泥浆）的成型性能,2. 影响泥浆流变性质的因素,（5） 泥浆的 pH值。,随着介质 pH值的不同，板片状粘土颗粒的边面所带的电荷情况发生变化，从而会影响泥浆中胶粒之间的作用力，以及颗粒之间的架构形式，进而影响泥浆的粘度和 屈服值。,2. 影响泥浆流变性质的因素,（6） 粘土吸附的可溶性盐类,自然界中的粘土一般都会吸附一些可溶性盐类，如碱金属和碱土金属的氯化物、硫酸盐等，它们对泥浆粘度的影响各有不同。,二、注
13、浆坯料（泥浆）的成型性能,（二）影响泥浆浇注性能的因素,1. 流动性。,泥浆的浇注性能包括泥浆的流动性、成坯速度、脱模难易性、湿坯坯强度及可加工性。,影响泥浆流动性的因素包括：,（1）泥浆浓度。浓泥浆的流动性差，但若泥浆太稀，浇注成型时成坯速度会降低，且坯体强度低，干燥收缩变大。,（2）固相颗粒的大小及形状。 对于一定浓度的泥浆而言，固相颗粒越细颗粒间平均间距越小、水化膜也越厚吸引力增大、流动阻力增大流动性减小。 此外，非球形颗粒比球形或等轴颗粒的移动阻力大，即流动性较低。,（二）影响泥浆浇注性能的因素,1. 流动性。,（3）泥浆温度。温度提高，致分散介质的粘度降低，流动性增大。,（4）粘土的
14、处理工艺。实践经验表明，将粘土先经适当的干燥后再调制成浆，有助于改善泥浆的流动性。这与干燥前后的粘土表面吸附的离子溶剂化水膜厚度有关。, 在含水量一定的情况下，胶团中结合水量少，将使体系中自由水量增多，流动性增大。,（二）影响泥浆浇注性能的因素,1. 流动性。,影响泥浆流动性的因素包括：,（5）泥浆的 pH值。对于瘠性料浆，调节其 pH值是控制其 流动性与稳定性的重要方法。,（二）影响泥浆浇注性能的因素,影响泥浆流动性的因素包括：,（6）电解质的作用影响粘土水系统的胶团双电层的厚度及-电位大小。,2. 成坯速度（模型吸浆速度）,实验证明，注浆成型时，经过一定时间后，模型表面形成一定厚度的 坯体
15、层后，注件的成坯速度主要由水分通过坯体层扩散到模型表面的 速度所控制。,（二）影响泥浆浇注性能的因素,2. 成坯速度（模型吸浆速度）,D = K t 1/2,K 与下列因素有关：,(1) 坯体层中的气孔率（或固相颗粒填充率）。,(2) 泥浆细度。,(3) 泥浆温度（液相介质的粘度）。,（二）影响泥浆浇注性能的因素,2. 成坯速度（模型吸浆速度）,D = K t 1/2,K 与下列因素有关：,(4) 泥浆浓度。,(5) 注浆压力（坯体层两侧的压差）。,（二）影响泥浆浇注性能的因素,3. 脱模性。,模型吸浆结束后，坯体将随其所含水分的减少而产生收缩，从而与模型分离。脱模性是指坯体脱离模型的难易性。
16、当然，前提是脱模后的坯体形状保持稳定。, 脱模性的表征指标离模系数 G。,G = 吸浆完毕至离模时，坯体中固相颗粒所占体积百分数的变化。,G 是一个随时间增大的量。实际上，G 亦代表了湿坯体的干燥速度。,G 越大且随时间增加越快，意味着坯体越容易脱模，反之亦然。 但实际生产中只是要求 G 适当大。若 G太大，则坯体在模型内干燥速度快、收缩大，难免产生开裂。,影响 G的因素有：坯体的致密程度（气孔率）；坯体的形状、厚度；模型坯体的界面结合强度。,（二）影响泥浆浇注性能的因素,4. 湿坯强度及可加工性。,刚脱模时的湿坯强度主要与坯体的含水率、颗粒细度等因素有关。 刚脱模后的注浆成型坯体，其在坯体层厚度上存在明显的水分浓度梯度(如下图示)，但随着干燥时间的延长，该水分浓度梯度逐渐减小。,湿坯体的可加工性主要取决于其强度。,（三）注浆成型过程中的物理化学变化,1. 物理脱水过程, 石膏模中的毛细管力是泥浆脱水过程的推动力。其大小取决于模型中毛细管的数量、分布及其半径大小，以及水的表面张力大小。它决定了浇注前期的成坯速度。 模型中毛细管两端的压差（推动力）：
