《高美珍材料科学与工程导论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高美珍材料科学与工程导论（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、粘土基陶瓷陶瓷原料有天然矿物原料和化工原料两类。天然矿物原料价格低廉，自然界储量丰富，开采后常不需要分类就可以直接使用，缺点是含杂质较多。天然原料一般分为可塑性矿物原料和非塑性矿物原料。可塑性矿物原料有粘土、膨润土等粘土类矿物。非塑性矿物原料又称为脊性物质或骨料。化工原料多为化工厂生产的金属和非金属氧化物、碳酸盐等，其纯度和物理特性由生产过程控制。现代陶瓷生产中，越来越多地使用高纯、超细甚至纳米级化学试剂为原料。粘土除了价格低廉之外，另一个优点是容易成型。按照一定比例将粘土和水混合后，就具有很好塑性，成型之后，经过干燥除潮，再进行高温烧结提高机械强度。大多数粘土制品分为两类：结构陶和白瓷。结构
2、陶包括：砖、瓦、下水管道等高温烧结后，陶瓷变白成为白瓷。这类陶瓷包括：瓷器、陶器、餐具、卫生陶等。很多的白瓷制品中除了粘土之外，还含有一些非塑性成分，这些非塑性成分会影响陶瓷制备过程中干燥和烧结的温度，而且也会影响最终件的特性。13.6 可塑性矿物原料的特性1、粘土陶瓷中，粘土矿物有两个重要的作用：1)加水后变得可塑，达到水塑性状态；这个特性对于成型操作非常重要。2)粘土在很宽的温区内熔化，因此在烧结过程中，不需要完全熔化就可以制备致密、强化的陶瓷件。粘土的主要矿物组成是高岭石（Al2O3 2SiO22H2O），属于铝矽酸盐，由氧化铝(Al2O3)和硅石(SiO2)构成，含有化学结晶水。实际粘
3、土矿物中含有少量K2O, Na2O，CaO, MgO, Fe2O3, TiO2和一定量有机物等杂质，构成复杂，成分多变，晶体结构多样，依照其特征可以分为高岭石、孟脱石、伊利石、蒙皂石、蛭石、粘土级云母、海绿石、绿泥石和膨胀绿泥石以及有关的混层结构矿物，此外还包括具过渡性的层链状结构的坡缕石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶质的水铝英石等。粘土类矿物是陶瓷生产中使用最多的一类原料。表5-1是几种主要粘土类矿物原料的化学成分粘土矿物质的结构相当复杂，但是最普遍的特点是具有层状结构。最常见的粘土矿是具有所谓的高岭石结构的高岭石粘土Al2(Si2O5)(OH)4，其晶体结构如图13.14所示。加水后，水分子
4、进入片层之间，围绕粘土颗粒形成一层薄膜，因此粘土颗粒可以自由移动，贡献塑性。13.14高岭石的晶体结构2、膨润土膨润土属于微晶高岭石型矿物，其化学式为：Al2Si4O10(OH)2nH2O，其中n为不定值。常含有K、Fe、Ca化合物杂质。膨润土的特点之一是具有很强的吸水特性，吸水后体积膨胀1030倍；特点之二是具有很强的可塑性，3%的膨润土可以替带10%的粘土。缺点是干燥收缩大，含有杂质多。3、滑石滑石属单斜晶系，常呈片状或粒状，质软有滑感，化学式为：Mg3Si4O10(OH)2，化学组成为：MgO, 31.82%; SiO2, 63.44%; H2O, 4.74%, 常含有少量Fe, Al等
5、化合物杂质。片状滑石原料制成的胚料，挤压成型时容易发生定向排列，烧成时各向异性收缩造成瓷体开裂，即使用于干压成型也容易造成胚件层裂。所以常采用13501380 C煅烧的方法破坏滑石的层状结构。13.7 陶瓷制品的成分除了粘土之外，许多产品（尤其是白瓷）也含有一些非塑性成分，这些成分包括：燧石或者研磨很细的石英沙，助熔剂如长石。石英，化学成分为SiO2，一部分以硅酸盐化合物状态存在，构成各种矿物岩石；另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体。陶瓷生产中使用的石英类原料主要有脉石英和石英岩。脉石英的二氧化硅含量高、杂质少，是生产日用细瓷的良好原料；石英岩杂质含量高，一般用作普通陶瓷原料。石英价
6、廉，质硬，化学稳定性高，主要作为填充材料（瘠性原料）使用。在高温处理时，由于石英的熔点很高，因此不发生变化。然而，石英一旦熔化就形成玻璃。助熔剂，具有较低的熔点,与粘土混合后，高温下熔融后可以溶解部分石英和高岭石分解物，起高温胶结作用。长石是一类最常见的助熔剂，它们是一族含有K+、Na+、Ca2+离子的铝硅酸盐。粘土、石英和助熔剂的成分配比将影响干燥和烧结过程中发生的变化，以及最终工件的特性。一种典型的瓷器的成分配比为：粘土50%，石英25%，助燃剂25%。13.8生产技术采掘出的原材料通常需要经过研磨或者破碎,减小颗粒的尺寸，然后经过过筛，得到颗粒尺寸在一定范围内的粉末。对于多组元系统，原料
7、需要进行必要的处理，例如干燥、拣选、过筛、预合成、煅烧等，然后按照化学组成配料，从生产过程来看，其制备过程大体分为备料、成型、干燥和烧结四大部分。陶瓷制备的一般过程如图5-8所示。一、备料要使所制备的陶瓷具有预想的力学性能和物理化学性能，必须保证陶瓷具有特定的化学组成、相组成和特定的微观结构。其中化学组成是特定相组成和微观结构的前提和保证。为了使陶瓷具有特定的化学组分，需要不同的原料按照一定的配比进行搭配。例如，已知某瓷料化学组成的质量百分比为：Al2O3:93.0%; MgO:1.3%; CaO:1.0%; SiO2:4.7%。使用的原料是：工业氧化铝、生滑石、CaCO3和苏州土，求合成上述
8、瓷料所需的配料比。设：工业氧化铝的纯度为100%；CaCO3的纯度为100%；苏州土为纯高岭石，组成为：Al2O3:39.5%; SiO2:46.5%; H2O:14.0%；滑石化学组成：MgO:31.7%; SiO2:63.5%; H2O:4.8%。煅烧，作用主要有：原料的晶型发生转变以避免物料在烧结过程中产生晶型转变而使瓷体产生裂纹，例如滑石；第二，利用晶型转变产生的内应力和煅烧过程中产生的热应力使原料进一步细化；第三，在煅烧过程中除去物料中的有害杂质。粉料的制备：球磨、振动磨、行星磨、砂磨、气流粉碎、化工方法（固相法、液相法、气相法）胚料-是原料经过粉碎和适当的加工后，满足成型工艺要求的
9、均匀混合物。备料过程包括：配料、混合、破碎、陈化、练泥等过程。配料：根据配方要求选择不同的原料配比。混合：采用各种工艺方式使配料混合均匀。破碎：一般采用行星磨（干粉）或球磨（料浆）使胚料的细度达到0.050.07 mm以下。陈化：将含水胚料在一定温度和湿度下放置一定时间，使得其中的腐殖质充分腐化。练泥：将胚料在真空装置中反复揉制，使物料进一步均匀，同时将胚料中的气体排出。二、成型粘土基材料最常用的两种成型技术为：可塑成型和注浆成型。可塑成型成型是采用一定的方法将胚料制作成为具有一定形状和尺寸的胚体的过程。粘土矿物与水混合后，就会变得非常柔韧和可塑，而且可以无裂痕塑造，但是它们的屈服强度特别低。
10、所以必须调整粘土和水的比例，让胚料具有足够的屈服强度，可以在干燥和输送时保持成型的形状。最常用的可塑成型技术是挤压成型，将预制好的胚料投入挤泥机中，将泥条从具有一定形状尺寸的截面的模孔中挤出。然后切割成荒胚，压制成型。可塑法可用手工、半机械和机压成型。中空柱是通过在模内插柱实现成型的。注浆成型注浆成型是将粘土、其他非塑性材料均匀的悬浮在水中，调成泥浆，然后注入多孔的模具（一般为石膏模）内吸去水分。铸件干燥收缩后，就会与模具内壁脱离，将模具打开就可以将铸件取走。注浆的性质非常重要，p比重必须大p流动性要好p具有可浇注性这些性质取决于粘土和水的比例以及添加剂。理想的浇注速度也是必要的，同时铸件必须
11、无气孔，有低的干燥收缩率和高的强度。模具的性质也会影响浇注的质量。通常石墨因为经济、容易制成各种复杂形状、可以重复使用被用作模具材料。绝大多数模具是由多部件构成的，使用前需要组装到一起。同时需要改变模具的孔洞率控制浇注的速度。形状非常复杂的陶瓷可以通过注浆浇注方法制备。例如，卫生陶、艺术品、专业实验室用品（陶瓷管）。图13.8 注浆成型的两种方式干压成型干压成型是利用模具在油压机上进行。干压成型的加压方式有单面加压和双面加压两种。单面加压，直接受力一端的压力大，胚体密度大；远离加压一端的压力小，密度小。双面加压，两端密度大，中间密度小。压力的大小直接影响瓷体的密度和收缩率。应该加压速度缓，并有
12、一定的保压时间。热压铸成型热压铸成型必须用熟料，粉料需要在300 左右烘烤，含水量小于0.5%，粘合剂为石蜡。热压铸成型过程中，通过调整粘合剂和表面活性剂，使铸浆在含有较少粘合剂的情况下具有很好的流动性，铸浆在35个大气压力下充满金属铸模并凝固，形成含蜡的半成品，再经过排蜡和烧成制得陶瓷部件。轧膜成型流延成型印刷成型等静压成型车胚成型三、干燥可塑成型或者注浆成型后的陶瓷件仍然含有大量的孔洞，强度不够，此外还含有一些液体（例如，水），干燥过程就是将液体去除。干燥技术非常严格，因为在干燥过程中引入的翘曲、扭曲和裂纹等缺陷可能致使陶瓷报废。这些缺陷往往是由于非均匀收缩产生的应力造成的。粘土基的陶瓷体
13、在干燥过程中也经历收缩。在干燥的最初阶段，粘土颗粒被水一个一个分开随着干燥过程进行，水分被去除，颗粒间的隔离减弱，收缩加剧（见图14.9）。内部水分子向表面扩散，在表面蒸发。如果蒸发速率大于扩散速率，表明比内部干燥快，很有可能形成前面提到的缺陷。因此应该降低表面蒸发速率至少到扩散速率。蒸发速率可以通过温度、湿度和空气流动来控制。影响收缩的其他因素有：工件的厚度；成型体的含水量；粘土颗粒尺寸；微波能量也可以用来干燥陶瓷件。这种技术的好处之一是避免了通常方法使用的高温，干燥温度可以低于50，这样一来，一些对温度敏感的材料可以进行干燥。图13.9干燥过程中，水分的去除四、排胶现代陶瓷材料成型时多采用
14、有机粘合剂。在煅烧时，有机粘合剂从固态转变为液态或气态，从胚体中排出，该工艺称为排胶。在排胶过程中，升温速度和保温时间非常重要。五、烧结干燥后，通常将胚体在9001400烧结。烧结温度由成分和最终件的预期特性决定。烧结时胚体在高温下发生一系列的物理化学变化，胚体逐渐致密，达到预期的组成和显微结构，并赋予制品预期的性能。当粘土基材料被加热到高温后，会发生一些非常复杂的反应。其中之一是玻璃化，一些成分逐渐形成液体玻璃，流入并填充孔洞。玻璃化的程度与烧结温度和时间以及胚体的成分有关。加入助熔剂（例如长石）可以降低液相形成温度，由于表面张力的作用，液相围绕没有熔化的颗粒流动，并填充孔洞。这个过程同样伴随着收缩。冷却过程中，熔融相形成玻璃体，致密、强化瓷体。烧结后最终的微观结构中有玻璃相，未反应的石英颗粒和一些孔隙。图13.10是烧结后瓷器的扫描电镜显微照片。玻璃化程度增加，强度、耐久性和密度增加。烧结温度控制玻璃化进行的程度，烧结温度提高，玻璃化程度提高。砖的烧结温度是900，空洞率相对较高。高度玻璃化的瓷器烧结温度很高，边缘是半透明的。另一方面，完全玻璃化应该避免，因为完全玻璃化，胚体太软，发生坍塌。图13.10 烧结后瓷器微观形貌的扫描电镜照片
