陶瓷复习

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绪 论

“陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的一类无机非金属材料,从结构上看,陶瓷制品是由结晶物质、玻璃物质和气孔所构成的复杂系统。

原料加工 → 配料→ 混料→ (造粒)→成型→(施釉) →干燥→烧成

陶瓷原料

粘土(clay)是多种含水铝硅酸盐矿物的混合体,粘土具有独特的可塑性与结合性,烧结后变得致密坚硬。构成陶瓷生产的工艺基础,赋予陶瓷以成型性能与烧结性能,以及一定的使用性能。

粘土矿物: 高岭石类A12O3 ·2SiO2·nH2O

蒙脱石类A12O3·4SiO2·nH2O (n > 2

伊利石 K2O ·3A12O3·6SiO2·H2O 等。

粘土在陶瓷生产中的作用

①粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。

② 粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。

③粘土一般呈细分散颗粒,同时具有结合性。

④粘土是陶瓷坯体烧结时的主体。

⑤粘土是莫来石晶体的主要来源。

粘土的工艺性质

1. 可塑性:粘土粉碎后用适量的水调和、混练后捏成泥团,在一定外力的作用下可以任意改变其形状而不发生开裂,除去外力后,仍能保持受力时的形状的性能。是粘土能够制成各种陶瓷制品的成型基础。决定于固相与液相(含水量)的性质和数量,可通过加入塑化剂或非可塑料调剂。

2. 结合性:粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、有一定强度的能力。是坯体干燥、修坯、上釉等得以进行的基础。决定于粘土矿物的结构。

3. 离子交换性:水溶液中,被粘土吸附的离子又可被其它相同电荷的离子所置换,而不影响硅铝酸盐晶体的结构。对工艺性能如吸水性、触变性、干燥速度、干燥强度等有影响。

4. 触变性:坯料受到振动或搅拌时,粘度会降低而流动性增加;放置一段时间后,出现变稠和固化现象。与矿物组成、电解质、含水量、温度有关。

5. 膨胀性:指粘土吸水后体积增大的现象。有内、外膨胀之分。粘土的矿物组成、离子交换能力、表面结构特性、液体介质的极性等因素均会影响其膨胀性能。

6. 收缩:干燥收缩 烧成收缩 取决于粘土的组成、含水量、吸附离子交换能力及其它工艺性质等。

7. 烧结性能 :出现液相,液相填充在颗粒间的空隙,表面张力将未熔颗粒进一步拉近,使体积急剧收缩,气孔率下降,密度提高。

开始烧结温度 烧结温度 烧结温度范围

8. 耐火度:耐火度是材料达到特定软化程度的温度 。

石英类原料

水晶 脉石英 砂岩 石英岩 石英砂 硅藻土 燧石

• 石英的性质

• 耐酸不耐碱。高温下,石英易与碱金属氧化物作用生成硅酸盐与玻璃态物质.

• SiO2在常压下有七种结晶态和一个玻璃态。

• 石英的晶型转化会引起一系列的物理化学变化,对陶瓷生产影响较大的是体积变化。

石英在陶瓷生产中的作用

• ①石英是瘠性原料,调节泥料的可塑性

• ②烧成时石英的体积膨胀可部分地抵消坯体的收缩

• ③合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度

• ④石英对陶瓷釉料的性能有很大影响。

• 长石类原料

• 长石的种类和性质 • 钠长石:Na2O·Al2O3·6SiO2; 钾长石: K2O·Al2O3·6SiO2 钙长石:Ca O·Al2O3·2SiO2;钡长石:BaO·Al2O3·2SiO2

• 熔融特性要求:始熔温度低、熔融范围宽、熔融液相粘度高和 熔解其它物质的能力好。

• 长石在陶瓷生产中的作用:

• 1、降低烧成温度

• 2、促进莫来石晶体生长,赋予坯体强度和化学稳定性。

• 3、坯体致密

• 4、釉料中的主要熔剂

• 5、瘠性原料,缩短干燥时间、减少干燥收缩变形等

• 其它矿物原料

• 瓷石(石英、绢云母(SiO2/Al2O3/K2O+Na2O/H2O )组成)

• 叶蜡石(A12O3·4SiO2·nH2O)

高铝质矿物原料(高铝矾土(α-A12O3·3H 2O) 、硅线石A12O3·2SiO2)

• 碱土硅酸盐类原料(滑石(3MgO·4SiO2·H2O)、蛇纹石(3MgO·2SiO2·2H20 )、硅灰石( CaO· SiO2 )、透辉石( CaO·MgO·2SiO2 )、透闪石 ( CaO·MgO·SiO2 ))

• 含碱硅酸铝类(霞石正长岩、)

• 锂质矿物原料(锂辉石( Li2O·Al2O3·4SiO2 )、锂云母( LiF · KF ·Al2O3 · 3SiO2 ))

碳酸盐类(方解石(CaCO3)、菱镁矿( MgCO3 )、白云石( CaCO3和MgCO3的复盐))

• 硼砂(Na2B4O7.10H2O )、骨灰(Ca10(PO4)6(OH)2为主 )、磷灰石(Ca5[PO4]3(F,OH) )、锆英石(ZrSiO4 )等。

• 第2章 坯体组成的确定

• 陶瓷坯体的组成

• 粗陶器:一般是用一种或两种以上易熔粘土组成制得。

陶器:一般可塑性高的难熔粘土、石英、长石、熟料等原料制得。

• 硬质瓷:坯料中含碱性氧化物少和Al2O3含量高(坯料配方中的粘土矿物含量在40%以上)。烧成温度一般在1300℃以上。原料:高岭土、石英、长石

• 软质瓷:与硬瓷比较,坯体中含熔剂较多,玻璃相较多,半透明性好 。原料:高岭土、石英、长石,以及钙、镁的碳酸盐、骨灰、滑石、熔块。

• 日用瓷坯料的化学成分控制范围

SiO2 60~67%; Al2O3 18~26%

(K2O+Na2O) 7~ 8%; (Fe2O3 +TiO2) < 1%

烧失量 < 8%

• 确定配方的依据

• 1.产品的物理化学性质以及使用性能要求是主要依据。

• 2. 可采用经验配方,以节省时间,提高效率

• 3. 了解各种原料对产品性能的影响是配料的基础。

• 4. 配方应满足生产工艺的要求。

• 5. 原料来源丰富、性能稳定、价格低廉。

• 坯式:

• 化学组成表示法: SiO2 65%;Al2O3 7%,MgO24%,

K2O+Na2O 1.5~2%

• 示性矿物组成表示法: 粘土43.3%,石英37.3%,

• 长石19.4%

配料量表示法: 石英 29%, 长石 21%,大同砂石 32%,

界牌土 15%,滑石 3%

采用钾长石、高岭石、碳酸钙和石英作为原料,按下式配制釉料,请计算所需各种原料的物质的量和质量百分数: 解:体系中设含0.3molK2O、0.7molCaO、0.5molAl2O3、4molSiO2

• 钾长石K2O•Al2O3•6SiO2分子量:556.8

• 0.3mol钾长石K2O•Al2O3•6SiO2合556.8*0.3=167g

• 碳酸钙CaCO3分子量:100.1

• 0.7mol碳酸钙CaCO3合100.1*0.7=70g

• 粘土Al2O3•2SiO2•2H2O分子量:258

• 0.2mol粘土Al2O3•2SiO2•2H2O合258*0.2=51.6 g

• 石英SiO2分子量:60.1

• 1.8mol石英SiO2合60.1*1.8=108 g

• 合计:167+70+51.6 +108 =396.6 g

• 故配方需

• 钾长石:167/396.6=42.1%

• 碳酸钙:70/396.6=17.7%

• 粘 土:51.6/396.6=13%

• 石 英:108/396.6=27.2%

• 釉料配方的配制原则

• ①根据坯体的烧结性质调节釉料的熔融性质,釉料的熔融性质包括釉料的熔融温度,熔融温度范围和釉面性能等三方面的指标。

• ②釉料的膨胀系数与坯体膨胀系数相适应

• ③坯体与釉料的化学组成相适应

• ④釉的弹性模量与坯的弹性模量相匹配

• ⑤合理选用原料

• 釉料配方的配制原则

• ①根据坯体的烧结性质调节釉料的熔融性质,釉料的熔融性质包括釉料的熔融温度,熔融温度范围和釉面性能等三方面的指标。

• ②釉料的膨胀系数与坯体膨胀系数相适应

• ③坯体与釉料的化学组成相适应

• ④釉的弹性模量与坯的弹性模量相匹配

• ⑤合理选用原料

• 原料的处理

• 精选、破碎 、除铁(酸洗、磁选 、超声 /浮选 )、过筛、搅拌、脱水(压滤、干燥)、练泥和陈腐

• 练泥和陈腐:均匀水分和物料分布,减含气量,提高可塑性。

• 陈腐的机理:

• 1、毛细作用使水分均化,粘土颗粒充分水化和进行离子交换,使粘度下降;硅酸盐矿物水解成粘土物质,使泥料性能均匀,提高可塑性。

• 2、有机物发生变质腐烂,产生的有机酸,提高可塑性。

• 3、脱硫,FeS2分解成H2S;CaSO4分解成CaS,然后与H2O和CO2作用生成CaCO3,放出H2S,使物料、水分均匀。 • 可塑坯料(一般含水18%-25%)要求:

• 1、良好的可塑性和较高的屈服值。

• 2、在保证成型性能的条件下含水量尽量低;

• 3、坯料中无严重的定向排列。

• 4、坯料的收缩率控制。

• 5、原料粒度控制在60微米以下。

• 注浆坯料(一般含水30%-35%)要求:流动性、悬浮性、稳定性、渗透性。通过配方和电解质调整。

• 压制坯料(一般含水6%-8%)要求:流动性好、堆积密度大、水分适当并均匀。

第4章 坯料的成型与成型性能

可塑性坯料:可塑性

(1)屈服值:要求高

(2)出现裂纹前的最大变形量:要求大

要求: 颗粒较细;矿物解理完全;颗粒表面水膜较厚

影响因素:矿物种类 、固体颗粒大小和形状、吸附阳离

子的种类 、液相的数量和性质泥浆的成型性能

注浆料的性能:流动性、吸浆速度、脱模性 、挺实能力 、

加工性

影响因素:浓度、固相颗粒的粒度及粒度分布 、电解质

的加入 、陈腐、有机物质 、可溶性盐类

注浆过程:物理脱水过程、化学凝聚过程

Na-粘土+CaSO4+Na2SiO3→Ca-粘土+Na2SO4+CaSiO3↓

• 压制粉料的成型性能:

• 工艺性质:粒度与粒度分布、堆积特性、拱桥效应、流动性

• 成形优点:

• 可塑性成形:坯体致密、组织结构均匀、表面质量高。

• 注浆成形:适于成型形状复杂、不规则、薄、体积较大而且尺寸要求不严的各种产品。但含水量大且不均匀,干燥与烧成收缩大。

• 干压成形:坯体致密、组织结构均匀,烧结收缩小

• 第五章 坯体干燥

• 干燥的实质是水分扩散的过程,是靠内扩散和外扩散来进行的。

• 内扩散:有湿传导和热湿传导两种形式。

• a. 湿传导(湿扩散):动力是水分梯度,主要靠扩散渗透和毛细管作用来进行。

• b. 热湿传导(热扩散):温度梯度引起,扩散方向与热流方向一致。

影响内扩散的因素:内因:含水率、生坯的组成与结构

外因:生坯温度