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1、陶瓷专业教学案例一、教学案例设计教学案例编号JA01教学案例名称陶瓷生产用矿物原料企业生产案例编号QA01企业生产案例名称陶瓷矿物原料技术标准教学案例背景陶瓷原料有可塑性原料、瘠性原料、熔剂性原料三大类。可塑性原料主要有高岭土、木节土、膨润土等；瘠性原料主要有石英、黏土煅烧后的熟料、废瓷粉等硬质原料；熔剂性原料主要有长石、滑石、以及钙、镁的碳酸盐等能降低陶瓷坯釉料烧成温度的原料。案例问题1根据原料的工艺特性陶瓷原料分为几类？各有何主要作用？2黏土按成因不同分为哪几类？它们在组成和性能上有何特点？3黏土按矿物组成分为哪几类？它们在工艺性能上有何特点？4黏土在加热过程中发生哪些变化？5何谓可塑性？
2、如何调节坯料的可塑性？6常用熔剂矿物原料有哪些？案例教学目标知识目标1掌握常用陶瓷原料的性能；2了解常用陶瓷原料的技术要求。能力目标1能正确评价原料质量；2正确选用陶瓷原料。素质目标1培养分析问题、解决问题、融会贯通的能力教学流程案例解读观看视频提出案例问题问题分析讨论知识点讲解提出解决方法案例反思总结与评价撰写分析报告二、案例相关知识用于陶瓷坯体的主要原料有可塑性原料、瘠性原料、熔剂性原料三大类。可塑性原料主要有高岭土、木节土、膨润土、瓷土、陶土、紫砂泥等；瘠性原料主要有石英、长石（长石既是瘠性原料，也是熔剂性原料）、叶腊石、黏土煅烧后的熟料、废瓷粉等硬质原料；熔剂性原料主要有长石、滑石、以
3、及钙、镁的碳酸盐等能降低陶瓷坯釉料烧成温度的原料。用于陶瓷釉料的主要原料除与坯体的原料相同的外，还有石灰石、白云石、釉果（适用于制釉的瓷石）、氧化锌等。在低温釉中还广泛使用硼砂、硼酸、氧化铅、铅丹、碳酸钠、碳酸钾等。在颜色釉中要用到着色剂如氧化钴、氧化铜、氧化铬、氧化铁、氧化锰等金属氧化物以及合成的陶瓷颜料。此外、陶瓷工业还需要一些辅助材料，主要是石膏和耐火材料，其次是外加剂，如助磨剂、助滤剂、解凝剂（稀释剂）、增塑剂、增强剂等。（一）可塑性原料可塑性原料的主要成分是黏土矿物，通常含量在50%以上，其中最主要的是高岭石、蒙脱石、伊利石和多水高岭石等。它们的颗粒极细，一般在12m以下。同时还伴生
4、一些杂质矿物如石英、长石、方解石、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿等，它们的颗粒大小常在2m以上，可以与黏土矿物区分开来。此外，有时可能含有少量有机物质和可溶性盐类，因此往往统称为黏土。所以，在陶瓷工业中，黏土成为可塑性原料的代名称。黏土是一种颜色多样、细分散的多种含水铝硅酸盐矿物的混合体。黏土从外观上看，有白、灰、黄、红、黑等各种颜色；从硬度来说，有的黏土柔软，可在水中散开，称为软质黏土，有的黏土则呈致密块状，称为硬质黏土。各种黏土的情况千差万别，但在一定程度上它们或多或少都具有可塑性，这种可塑性有利于陶瓷的成型。1.黏土的分类黏土种类繁多，通常根据其成因、产出状况、工艺性能及主要矿物组成等来进行分类
5、。1.1按成因分类（1）原生黏土：又称一次黏土或残留黏土，是母岩风化崩解后在原地残留下来的黏土。这类黏土因风化而产生的可溶性盐类溶于水中，被雨水冲走，只剩下黏土矿物和石英砂等，故其质地较纯，耐火度较高，但往往含有母岩杂质(石英、云母、石膏、方解石、黄铁矿等)，颗粒较粗，因而可塑性较差。高岭土常为原生黏土。（2）次生黏土：又称二次黏土或沉积黏土，是由风化生成的黏土，经雨水、河流、风力作用而搬运至盆地或湖泊水流缓慢的地方沉积下来而形成的黏土层。由于漂流迁移而沉积下来的黏土颗粒很细，烧结温度较低，可塑性较好，但耐火度较差，而且在漂流和沉积过程中夹带了有机质和其它杂质。北方的紫木节土属于此类。1.2按
6、可塑性分类（1）高可塑性黏土：又称软质黏土、结合黏土，其分散度大，多呈疏松土状或板状、页状，易熔，耐火度在1350以下，熔剂氧化物含量高，在一般烧成温度下它能使制品产生气泡、熔洞等缺陷，多用于建筑砖瓦和粗陶器等制品。如黏性土、膨润土、木节土、球土以及江苏宜兴地方所称的嫩泥等。（2）中等可塑性黏土：中等可塑性黏土较软，可塑性中等，分散度较大，多呈疏松状、板状，难熔，耐火度在13501580之间，含易熔杂质在10%15%左右。可作炻器、陶器、耐酸制品、装饰砖、瓷砖及卫生洁具等的原料。如瓷土、苏州阳山高岭土等。（3）低可塑性黏土：又称硬质黏土，其分散度小，可塑性差，多呈致密块状、石状，耐火度在158
7、0以上，是比较纯的黏土，含杂质少。天然耐火黏土的颜色较为复杂，但灼烧后多呈白色，为细陶瓷、耐火制品、耐酸制品的主要原料。如叶腊石、焦宝石、碱石、瓷石等。此外，按硬度可分为软质黏土（如二次黏土）、半软质黏土和硬质黏土。按用途可分为瓷土、陶土、砖黏土等。按黏土的组成矿物分类，有高岭土、膨润土等。2.黏土的组成黏土的组成可从化学组成、矿物组成和颗粒组成三方面来进行分析。2.1化学组成黏土原料大部分由两种以上的黏土矿物组成，并或多或少含有一些杂质，因此它们的化学组成根据所含矿物与杂质的种类和多少而不相同。黏土的化学组成可以通过传统的化学分析法或近代的仪器分析法获得。分析项目主要包括SiO2、Al2O3
8、、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O及I.L等九项，其它微量成分对陶瓷生产实际意义不大，一般不进行分析。其中I.L称灼烧减量（也称烧失量），它是指黏土矿物在加热过程中化合水的排除，碳酸盐、硫酸盐的分解和有机物的挥发等物理化学变化所引起的重量减轻。当黏土比较纯净，杂质含量少时，I.L可近似地作为化合水的量。了解黏土的化学组成在生产上有着重要的意义，它可以帮助我们获得许多有价值的启示，如在一定程度上对烧成色泽和烧结程度作出初步判断，初步估计黏土的矿物组成和工艺性能，为确定这种黏土能不能用、如何配料以及为配料计算提供必要的依据。（1）化学组成可以作为鉴定黏土的矿物组成的参考。如果
9、分析数据中只有SiO2、Al2O3和H2O三项，而Al2O3的含量接近39.5%，同时没有或很少有其它氧化物，则可认为它是比较纯的高岭石。当黏土的化学组成中碱性杂质较多时，则主要矿物可能是蒙脱石类或伊利石类。若化学组成以摩尔数比来表示，当SiO2/ Al2O3或SiO2/R2O3的摩尔数比率在2左右时可能是高岭石和多水高岭石；在3左右时可能是富硅高岭土、伊利石或拜来石；在4左右时可能是蒙脱石、叶蜡石。（2）可以推断黏土烧后的色泽。黏土烧后色泽主要受Fe2O3和TiO2等显色氧化物的影响，分析结果中Fe2O3、TiO2的含量高低，可作烧后色泽判断的依据。如在还原气氛下烧成，由于有部分Fe2O3被
10、还原成为FeO，则呈色一般为青、蓝灰到蓝黑色，这时的Fe2O3也和碱金属、碱土金属氧化物一样，起着熔剂的作用，会降低黏土的耐火度。（3）可以估计黏土的耐火度。K2O、Na2O、CaO、MgO等碱金属和碱土金属氧化物具有助熔作用，在分析结果中，如果这类氧化物的含量高，可以判定该黏土易于烧结，烧结温度低。如果Al2O3含量高，而同时K2O等碱性成分含量又低，则可判断这种黏土比较耐火，烧结温度高。根据黏土的化学组成，还可以用经验公式来估算其耐火度。（4）可以估计黏土的成型性能。从化学组成数据可以推断黏土的主要矿物类型，进而估计其成型性能。另外，如分析数据中SiO2含量很高，说明其中除黏土矿物外，还夹
11、杂有游离石英，这种黏土的可塑性不会太好，但干燥收缩小。如果在高岭石类黏土中烧失量高于14%、在叶蜡石黏土中烧失量高于5%、在多水高岭石和蒙脱石类黏土中烧失量高于20%、在瓷石中烧失量高于8%，则说明黏土中所含的有机物或碳酸盐过多，这种黏土的可塑性较好，但烧成收缩较大，在配料和生产工艺上要加以考虑。（5）可以推断黏土在烧结过程中产生膨胀或气泡的可能性。黏土中的Na2O和K2O，一般存在于云母、长石和伊利石矿物中，也有可能以钠、钾的硫酸盐存在。当以云母状态存在时，它的结构水要在较高温度下（1000以上）排出，这是引起黏土膨胀的一个原因。黏土中的CaO、MgO往往是以碳酸盐或硫酸盐的形式存在，如含量
12、多，在煅烧时会有大量CO2、SO3等气体排出，操作不当时容易引起针孔和气泡。使黏土产生膨胀的另一原因是Fe2O3的存在，氧化气氛下，在12301270以前，Fe2O3是稳定的，如果温度继续升高则Fe2O3将按下式分解而放出氧气，引起膨胀。6Fe2O3=4Fe3O4+O2； 2Fe2O3=4FeO+O2对评价一种制造粗陶器的低级黏土来说，它们的化学分析数据意义不大，重要的是它们的工艺性能。2.2矿物组成黏土的矿物组成可通过两种方法获得：一种是用示性分析法测定出黏土中的主要矿物（如热分析、电镜分析等）；另一种是根据化学组成或根据显微镜检验的结果计算其矿物组成。为了便于研究黏土的矿物组成，一般将黏土
13、中的矿物根据其性质和数量分成两大类：黏土矿物和杂质矿物。黏土矿物是组成黏土的主体，是决定黏土性质的主要成分，黏土矿物的种类和数量是决定黏土类别的主要依据。在黏土形成过程中，常由于岩石风化未完全，或由于其它因素而混入一些非黏土矿物和有机物质，这些物质我们统称之为杂质矿物。杂质矿物在黏土中根据黏土成因情况的不同，有的含量较少，有的含量较多，它们通常以细小晶粒及其集合体分散于黏土中，常会影响甚至决定黏土的工艺性能。（1）黏土矿物1）高岭石类高岭石类矿物包括高岭石、地开石、珍珠陶土和多水高岭石等。高岭石是常见的黏土矿物，主要由其组成的较纯净的黏土称为高岭土（俗称为瓷土）。高岭土首先在我国江西景德镇东部
14、的高岭村发现，高岭土的主要矿物成分是高岭石和多水高岭石。高岭石的矿物实验式为：Al2O32SiO22H2O，其理论组成为Al2O339.53%、SiO246.51%、H2O13.96%。高岭土中高岭石类黏土矿物含量越多，杂质越少，其化学组成越接近高岭石的理论组成。纯度越高的高岭土其耐火度越高，烧后越洁白，莫来石晶体发育越多，从而机械强度、热稳定性、化学稳定性越好。但其分散度较小，可塑性较差。反之，杂质越多，耐火度越低，烧后不够洁白，莫来石晶体较少，但可能其分散度较大，可塑性较好。2）蒙脱石类蒙脱石是另一类常见的黏土矿物。一般将除蛭石以外的具有膨胀晶格的黏土矿物总称为蒙脱石类矿物（也称为微晶高岭
15、石类矿物）。以蒙脱石为主要矿物的黏土叫膨润土，蒙脱石类矿物的种类繁多，化学组成变化也相当复杂。矿物实验式一般表示为Al2O34SiO2H2OnH2O（n通常大于1）。蒙脱石容易碎裂，故其颗粒极细，可塑性好，干燥强度大，但干燥收缩大。由于蒙脱石中的Al2O3含量较低，又吸附了其它阳离子，杂质较多，故烧结温度较低，烧后色泽较差。在陶瓷坯料中膨润土使用量不宜过多，一般在5%左右。釉浆中可掺用少量膨润土作为悬浮剂。由于矿物晶格内离子置换时离子种类与置换量的不同，蒙脱石类矿物包括蒙脱石、拜来石（贝得石）、绿脱石（绿高岭石）和皂石等四种。黏土原料中，还有一种硬质黏土，就是叶蜡石。其化学式为Al2O34SiO2H2O。叶蜡石通常是由细微的鳞片状晶体构成的致密块状，质软而富于脂肪感，相对密度2.8左右。叶蜡石原料含较少的结晶水，加热至500800之间缓慢脱水，总收缩不大，膨胀系数较小且其与温度的关系呈直线关系，具有良好的热稳定性和很小的湿膨胀，所以适用于配制快速烧成的陶瓷坯料，是制造要求尺寸准确或热稳定性好的制品的优良原料。3）伊利石类（水云母类）伊利石（水云母）类矿物是白云母经强烈的化学风化作用转变为蒙脱石或高岭石的中间产物，其组成成分与白云母相似，具有黏土性质，是南方瓷石中的主要黏土矿物之一。伊利石类矿物的基本结构
