大規(guī)格高石英透光陶瓷板的研究＊

劉一軍 謝志軍 王秀峰 黃劍鋒 劉 杰 汪慶剛

（1陜西科技大學(xué) 西安 710021）（2廣東蒙娜麗莎新型材料集團(tuán)有限公司 廣東 佛山 528211）

大規(guī)格高石英透光陶瓷板的研究＊

劉一軍1，2謝志軍2王秀峰1黃劍鋒1劉 杰2汪慶剛2

（1陜西科技大學(xué) 西安 710021）（2廣東蒙娜麗莎新型材料集團(tuán)有限公司 廣東 佛山 528211）

研制了一種大規(guī)格高石英透光陶瓷板，其可見光透射比達(dá)到0.72%（陶瓷板厚度為3.6mm），白熾燈光從板材中透出，發(fā)出黃綠色的光，可以將背面的圖案顯現(xiàn)出來(lái)，給人以幽雅、朦朧的視覺(jué)效果。與天然石材及人造石板材相比，該板材在理化性能和產(chǎn)品成本上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有良好的市場(chǎng)前景。

透光陶瓷 高石英瓷 可見光透射比

以往一般裝飾手法在板材與燈光的結(jié)合上是將燈光從外面打到板材的表面上，形成一種明快、光潔的效果。而透光板材是將燈光從板材內(nèi)部透出，發(fā)出迷朦的光線，給人以一種幽雅、朦朧的感覺(jué)，可以充分表現(xiàn)板材的顏色和質(zhì)感，最大限度地提升板材的裝飾效果［1］。

目前大規(guī)格透光板材材質(zhì)主要有石材和人造石兩類，透光石材是利用先進(jìn)的石材加工設(shè)備和工藝技術(shù)，將半透明的石材的厚度減薄到4～6mm，甚至是2mm的超薄石材板，其原料一般是大理石、松香黃、廣西白、黃水晶、黃瑪瑙、白水晶等。而透光人造板材是選用半透明的石材粉和半透明的樹脂以及淺色顏料按照合成石的工藝生產(chǎn)出來(lái)的透光合成石材板。由于原料原因，兩類板材價(jià)格較高，另外石材具有較大的放射性，而人造石容易軟化，不易長(zhǎng)久使用。因此開發(fā)一種透光陶瓷板材，具有很實(shí)用的價(jià)值和美好的市場(chǎng)前景。

高石英瓷具有強(qiáng)度高，透光性好，瓷質(zhì)細(xì)膩，色澤柔和等特點(diǎn)。而潔白光潤(rùn)，透光度高的瓷器總是讓人聯(lián)想到珍貴的玉石，給人以玲瓏剔透之感。本技術(shù)在工藝上借鑒了日用陶瓷領(lǐng)域成熟的高石英瓷生產(chǎn)工藝［2］。由于日用陶瓷尺寸小，以圓形或?qū)ΨQ形狀居多，使其能有效消除瓷器中石英晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力，生產(chǎn)難度相對(duì)較小。但在建筑陶瓷領(lǐng)域，由于制品形狀特殊（本產(chǎn)品為900 mm×1 800mm×3.5mm大規(guī)格陶瓷板材），石英晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力難以通過(guò)制品的形狀對(duì)稱來(lái)消除，所以在原料加工、成形、燒成控制等各方面更加嚴(yán)格。該產(chǎn)品首次將日用高石英瓷的工藝特點(diǎn)融合到建筑陶瓷，開創(chuàng)了建筑陶瓷材料應(yīng)用領(lǐng)域的先河。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所用原料化學(xué)成分及原料工藝性能見表1與表2。

表1 所用原料化學(xué)成分（質(zhì)量%）

1.2 試驗(yàn)配方和工藝

在相關(guān)文獻(xiàn)和大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了透光板材的配方。坯體化學(xué)組成（質(zhì)量%）為：SiO275～78，Al2O312～15，F(xiàn)e2O3＋TiO2＜0.6，CaO＋MgO 2～4，K2O＋Na2O 2.0～3.5。試驗(yàn)工藝過(guò)程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)工藝過(guò)程

工藝參數(shù)：

漿料容重：1.68～1.72g/ml；

漿料細(xì)度：0.5%～0.8%（325目篩余）；

造粒顆粒級(jí)配：30目以上5%～10%，30～60目≥70%，60～80目8%～15%，80目下≤8%；

粉料含水量：6.5%～7.0%；

磚坯干燥周期：25min；

坯體入燒成窯水分：≤0.5% ；

燒成周期：70min；

燒成溫度：1 215℃。

表2 原料工藝性能

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 基礎(chǔ)配方的研究

根據(jù)散射損耗理論，由于受到氣孔、雜質(zhì)、晶粒晶界、表面粗糙度、添加劑種類和含量、燒結(jié)溫度、燒成制度（如升降溫方式、保溫方式等）、燒結(jié)氣氛、成形壓力、產(chǎn)品厚度、表面活性物質(zhì)等因素影響，陶瓷會(huì)對(duì)入射光線進(jìn)行散射、折射和反射，見圖2。因此，通常陶瓷透光率較低［3］。氣孔和雜質(zhì)顆粒在陶瓷中作為散射粒子，對(duì)光的損耗機(jī)理相似，不同的只是折射率。另外，陶瓷的晶界上擁有第二相或多相時(shí)，其光學(xué)性能與主晶相不同，從而破壞陶瓷體的光學(xué)均勻性。當(dāng)單位體積內(nèi)晶界數(shù)量較多，晶粒配置雜亂無(wú)序時(shí)，入射光透過(guò)晶界時(shí)，將引起光的連續(xù)反射、折射，從而降低光的透過(guò)率。而玻璃相具有均勻穩(wěn)定的性質(zhì)，對(duì)光的損耗少，可以降低相界表面的粗糙度，光的透過(guò)率高。因此，陶瓷中氣孔和雜質(zhì)越少，晶相越少，玻璃相含量越多，透明度越高［4～7］。

圖2 陶瓷主要散射效應(yīng)

我們采取增加玻璃相，增加坯料中熔劑性原料，相應(yīng)減少粘土用量的方法來(lái)達(dá)到高的透明度。由于Na2O、CaO對(duì)石英熔解力強(qiáng)，故在配方中引入鈉長(zhǎng)石和含CaO高的原料白云石作為主熔劑。

雜質(zhì)如TiO2、Fe2O3過(guò)多不僅會(huì)降低白度，也會(huì)降低透光度。故在配方中使用的砂石料白度要好，對(duì)石英的熔解性強(qiáng)。粘土則要求白度好，強(qiáng)度高。通過(guò)正交試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終我們選擇的是白球土、水磨低溫料、超白低溫砂、燒滑石、白云石、石英。針對(duì)石英含量高，膨脹系數(shù)大，容易風(fēng)裂的問(wèn)題，石英采用325目熔融石英玻璃粉及普通325目石英粉搭配使用。

2.2 燒成制度的研究

坯體中含有一定量的石英，由于石英的晶型轉(zhuǎn)變?nèi)菀自斐纱u裂，在573℃時(shí)，β－石英轉(zhuǎn)化為α－石英時(shí)伴隨有0.82%的體積膨脹，破壞性強(qiáng)。故要求在此溫度附近升溫平穩(wěn)，完全可以避免因石英晶型轉(zhuǎn)變引起的風(fēng)裂問(wèn)題，同時(shí)高溫區(qū)要高溫慢燒以促進(jìn)石英熔解。采用HX－JC－090型熱膨脹測(cè)定儀檢測(cè)試樣坯體的熱膨脹系數(shù)，該坯體在40～600℃時(shí)膨脹系數(shù)為9.27×10－6/K，與普通拋光磚坯體（9.0～9.5×10－6/K）差別不大。由于采用一次布料工藝，上下同質(zhì)，不存在底面料膨脹系數(shù)不合的問(wèn)題。

較高的石英含量使坯體燒成時(shí)高溫液相粘度增大，熔融范圍增寬，故其燒結(jié)范圍較之普通坯體有很大的拓寬。本實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)耐馳型號(hào)為DIL402PC的熱膨脹儀測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。其中a號(hào)樣是本坯體燒結(jié)范圍，燒結(jié)點(diǎn)為1 266.3℃，燒結(jié)范圍為1 250.5～1 288.6℃。b號(hào)樣為普通坯體燒結(jié)范圍，其燒結(jié)點(diǎn)為1 263.4℃，燒結(jié)范圍為1 252.3～1 274.8℃（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)實(shí)際燒結(jié)溫度比測(cè)試溫度要低90℃左右）?？梢娫撆黧w燒結(jié)范圍接近38℃，比普通坯體燒結(jié)范圍要寬約10℃，有利于燒成。

圖3 本實(shí)驗(yàn)坯體a與普通坯體b燒結(jié)范圍之比較

由于坯體內(nèi)引入了一定量的白云石，其分解產(chǎn)物需要在坯體進(jìn)行液相燒結(jié)前排除，以免形成氣孔。實(shí)際操作中通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)分解帶，并在950℃時(shí)保溫3min以促進(jìn)白云石分解。最終確定燒成溫度為1 215℃，燒成周期為70min。燒成曲線見圖4。

圖4 本產(chǎn)品燒成曲線圖

2.3 性能測(cè)試

2.3.1 透光度

依據(jù)GB/T 2680—1994《建筑玻璃可見光透射比，太陽(yáng)光直接透射比，太陽(yáng)能總透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測(cè)定》的規(guī)定，對(duì)試樣的可見光透射比進(jìn)行測(cè)量。試樣制備方法為：將待測(cè)樣品與普通產(chǎn)品切成規(guī)格為10cm×10cm的小片。試樣要求平整光潔，厚薄一致。表3為該產(chǎn)品與普通美感白瓷質(zhì)板材透光度的對(duì)比結(jié)果。

表3 本產(chǎn)品與美感白瓷質(zhì)板材可見光透射比比較

圖5 大規(guī)格高石英透光陶瓷板在有光透過(guò)和無(wú)光透過(guò)時(shí)的照片

由表3可知，3.6mm厚度的該產(chǎn)品透光度達(dá)到0.72%，是相同厚度及白度的陶瓷板材的36倍。

圖5為大規(guī)格高石英透光陶瓷板在有光透過(guò)和無(wú)光透過(guò)時(shí)的照片，可以看到當(dāng)有光從板材里面透過(guò)時(shí)，可以清晰看到板材里的圖案。圖6為該陶瓷板的XRD圖譜，由圖可知透光陶瓷板有兩種晶相，主晶相為石英相，副晶相為鈣長(zhǎng)石晶相。

圖6 大規(guī)格高石英透光陶瓷板的XRD圖譜

2.3.2 斷裂模數(shù)、吸水率和光澤度

采用SKZ型數(shù)顯式抗折儀測(cè)試產(chǎn)品的斷裂模數(shù)；采用CXK型陶瓷磚吸水率測(cè)量?jī)x測(cè)試產(chǎn)品吸水率。對(duì)天然玉質(zhì)石材薄板、人造合成石（石英石）和本試驗(yàn)所生產(chǎn)的透光陶瓷板材的各種性能、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品價(jià)格進(jìn)行對(duì)比。其結(jié)果如表4所示。

3 結(jié)論

表4 幾種透光型板材性能比較

1）研制出一種大規(guī)格高石英透光陶瓷板材，具有較好的裝飾效果和市場(chǎng)前景。

2）研制的3.6mm厚度的透光陶瓷板材的可見光透射比為0.72%，是相同厚度及白度的陶瓷板材透光率的36倍。

3）根據(jù)XRD圖譜分析可知，該透光陶瓷含有兩種晶相，主晶相為石英晶相，第二晶相為鈣長(zhǎng)石晶相。

4）與其他大規(guī)格透光板材相比，大規(guī)格高石英透光陶瓷板材在材料力學(xué)性能，光澤度和價(jià)格上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 韓愛(ài)豐，林澗坪.石材裝飾的新潮流——透光石材.石材，2005（7）：42～43

2 李倫，錢玉東.高石英質(zhì)瓷燒結(jié)過(guò)程中物相變化的研究.陶瓷學(xué)報(bào)，1996，17（2）：18～21

3 應(yīng)建新，張彬，崔鑫，等.透明陶瓷透光性能的影響因素.強(qiáng)激光與離子束，2011，23（3）：581～584

4 Germer T A.Predicting，modeling and interpreting light scattered by surfaces.SPIE Short Course SC492，2002

5 劉得利.影響氧化物透明陶瓷透光率的因素.陶瓷工程，1984，32（2）：20～22

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7 李長(zhǎng)青，張明福，左洪波，等.影響透明陶瓷透光性能的因素.兵器材料科學(xué)與工程，2006，29（2）：26～30

TQ174

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1002－2872（2012）01－0026－03

劉一軍（1971－），博士，教授級(jí)高工；主要從事陶瓷工藝方面研究工作。E－mail：lyj108@gmail.com