高美珍 材料科学与工程导论-7.ppt

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? 2SiO2?2H2O），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)2?nH2O，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10~30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1350~1380 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