強(qiáng)化瓷淺述

任允鵬

（山東硅元新型材料股份有限公司，淄博 255086）

強(qiáng)化瓷是上世紀(jì)九十年代初興起的一類抗折強(qiáng)度好，釉面硬度高、耐熱沖擊性好的瓷器，強(qiáng)化瓷的出現(xiàn)源于賓館餐飲業(yè)的發(fā)展。歐美人稱賓館瓷為Hotel ware，伴隨著洗碗機(jī)的出現(xiàn)，人們對(duì)瓷器的強(qiáng)度提出了更高的要求。七十年代日本研制生產(chǎn)出了高強(qiáng)度瓷器，抗折強(qiáng)度達(dá)到230MPa，隨后，歐美市場(chǎng)亦開(kāi)始流行Durable ware（耐用瓷），中國(guó)臺(tái)灣大同瓷廠也研制出了高鋁質(zhì)耐用陶瓷，當(dāng)時(shí)人們學(xué)習(xí)歐美日稱之為高強(qiáng)瓷、耐用瓷或鋼化瓷，進(jìn)入九十年代后，逐漸統(tǒng)一到“強(qiáng)化瓷”這一名稱上來(lái)，二十多年來(lái)國(guó)內(nèi)許多研究單位和企業(yè)相繼研究成功了多種材質(zhì)的強(qiáng)化瓷器，并得以穩(wěn)定完善發(fā)展。

1 強(qiáng)化瓷材質(zhì)分類和強(qiáng)化機(jī)理

1.1 鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷（亦稱滑石瓷）

鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷，屬于 MgO－K2O－Al2O3－SiO2四元系統(tǒng)，燒成溫度為1310～1330℃，氧化和還原氣氛均可。在配方組成上采用了70～75%的煅燒滑石或蛇紋石，10～15%的長(zhǎng)石，成瓷后晶相多，以原頑火輝石、堇青石為主晶相，次晶相為方石英，晶相數(shù)量高達(dá)65%以上，而且堇青石晶粒細(xì)小，分布均勻，其晶界比例大，沿晶界破壞時(shí)，裂紋的擴(kuò)展要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)迂回曲折的路徑，消耗較多外力，其抗折強(qiáng)度較高，而且對(duì)細(xì)晶來(lái)講，初始裂紋尺寸小，相應(yīng)地提高了臨界應(yīng)力，使其強(qiáng)度提高，產(chǎn)品具有較高機(jī)械強(qiáng)度。目前，山東淄博陶瓷產(chǎn)區(qū)、潮州產(chǎn)區(qū)以及深圳某廠的強(qiáng)化瓷均以此為主要材質(zhì)。其中，淄博產(chǎn)區(qū)的鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷有乳白瓷、魯青瓷、象牙黃三大品種，乳白瓷和魯青瓷燒還原氣氛，象牙黃燒氧化氣氛；潮州的蛇紋石質(zhì)鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷燒氧化氣氛，其他白色的鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷多燒還原氣氛。

1.2 高鋁質(zhì)強(qiáng)化瓷

傳統(tǒng)瓷器一般多為長(zhǎng)石—高嶺—石英三元系組成，人們很自然就想到Al2O3，特別是α－Al2O3能有效的提高產(chǎn)品的強(qiáng)度。高鋁質(zhì)強(qiáng)化瓷就是在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，在坯料配方中引入α－Al2O3能有效的提高產(chǎn)品強(qiáng)度，在高鋁質(zhì)強(qiáng)化瓷瓷胎中，由于Al2O3取代了大部分的石英，使具有高彈性模數(shù)的剛玉晶體均勻分布于瓷胎中，并通過(guò)合理的燒成工藝促進(jìn)莫來(lái)石的生成發(fā)育，由剛玉和莫來(lái)石交織成緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在配方中引入少量礦化劑降低成瓷溫度，有效的減少了玻璃相的生成，使其強(qiáng)度大為提高。因氧化鋁的加入，燒成溫度有所提高，一般為1330～1350℃,氧化氣氛燒成。

國(guó)外有代表性的是日本的高強(qiáng)度瓷器（抗折強(qiáng)度約230MPa），國(guó)內(nèi)河北邯鄲產(chǎn)區(qū)的強(qiáng)化瓷為此類的代表。

1.3 高硅質(zhì)強(qiáng)化瓷

在傳統(tǒng)瓷坯體中提高石英的含量，能有效的提高產(chǎn)品強(qiáng)度，但因?yàn)槭⒕w的熱膨脹系數(shù)較大（α＝21×10－6），而且在燒成過(guò)程中有較多的晶型轉(zhuǎn)化，易引起產(chǎn)品開(kāi)裂，因此，大多數(shù)陶瓷工作者在引入石英時(shí)都很謹(jǐn)慎，一般加入量在25～35%，山東省硅酸鹽研究設(shè)計(jì)院研制的高石英瓷突破了這一界限，研制出了抗折強(qiáng)度達(dá)155Ma、熱穩(wěn)定性達(dá)220℃的高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性產(chǎn)品，其強(qiáng)化機(jī)理是：通過(guò)控制粒度來(lái)控制方石英的轉(zhuǎn)化，使方石英的量在一定范圍內(nèi)，并利用方石英的熱膨脹系數(shù)與其周圍玻璃相熱膨脹系數(shù)相差較大，在冷卻時(shí)，石英相對(duì)周圍包裹它的富硅玻璃相產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，使抗拉壓力較弱的玻璃相得到加強(qiáng)，而且石英的粒度在10～30μm之間，內(nèi)部缺陷較少，其強(qiáng)度大為提高。產(chǎn)品燒成溫度1270～1290℃，氧化氣氛。

高硅質(zhì)強(qiáng)化瓷從熔劑材料方面又可以分為鉀長(zhǎng)石型和鈉長(zhǎng)石型，鉀長(zhǎng)石型以鉀長(zhǎng)石作熔劑，以高石英瓷為代表，鈉長(zhǎng)石型以鈉長(zhǎng)石或富含鈉長(zhǎng)石的礦物為熔劑，以魯光瓷為代表。

1.4 強(qiáng)化骨質(zhì)瓷

骨質(zhì)瓷是國(guó)際上公認(rèn)的高檔瓷材質(zhì)之一，以良好的透光性，柔和的奶白色和良好的透明度，給人以高雅的感覺(jué)，但傳統(tǒng)骨質(zhì)瓷存在熱穩(wěn)定性差和釉面硬度低的缺點(diǎn)，因此，陶瓷工作者在骨質(zhì)瓷增強(qiáng)、增韌方面也做了較多工作，采用添加稀土或ZrO2等方法，來(lái)提高強(qiáng)度和耐熱沖擊性。骨質(zhì)瓷中，骨粉含量占40～50%，其瓷胎主晶相為纖維狀磷酸三鈣，晶相發(fā)達(dá)并與另一晶相鈣長(zhǎng)石互相交織成網(wǎng)狀，并由玻璃相粘接成致密的整體，使強(qiáng)度大為提高。在坯體中加入ZrO2后，利用其相變，在其內(nèi)部產(chǎn)生有利的預(yù)應(yīng)力和超細(xì)微裂紋，以提高產(chǎn)品的韌性和強(qiáng)度。

2 強(qiáng)化瓷的評(píng)價(jià)及改進(jìn)方法

強(qiáng)化瓷意味著強(qiáng)度高，不易碎。就強(qiáng)化瓷材質(zhì)而言，應(yīng)同時(shí)具備抗折強(qiáng)度高、釉面硬度高、抗沖擊強(qiáng)度高和熱穩(wěn)定性好等特性。以上四項(xiàng)性能都非常重要，因?yàn)榭拐蹚?qiáng)度高的不一定韌性好，如日本的高鋁質(zhì)強(qiáng)化瓷，抗折強(qiáng)度雖高達(dá)230MPa，而據(jù)筆者親眼所見(jiàn)，其產(chǎn)品較脆，并不像想象的那樣結(jié)實(shí)，反而不如抗折強(qiáng)度為155MPa的高石英瓷結(jié)實(shí)（相近器型落地破壞性試驗(yàn)）。骨質(zhì)瓷雖然抗折強(qiáng)度較高，但熱穩(wěn)定性差，經(jīng)高溫蒸煮很容易炸裂，仍需改進(jìn)。由于餐具在洗刷過(guò)程中除了相撞外還有底部無(wú)釉瓷胎與釉面的磨擦，以及使用刀、叉、勺子等與陶瓷表面的撞擊與磨擦，因此，要求餐具表面要有較高的耐磨性、要求釉面硬度要高，目前流行的幾種材質(zhì)，仍有許多需要改進(jìn)之處。

2.1 坯體的增強(qiáng)增韌

坯體是產(chǎn)品的主體，坯體材料性能是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素之一，除了選擇強(qiáng)度較高的材質(zhì)外，重點(diǎn)是在坯釉的匹配、工藝的控制和增強(qiáng)增韌物的添加。

2.1.1 坯體組成

坯體材料性能是產(chǎn)品性能的關(guān)鍵，制作強(qiáng)化瓷要特別注意配方中主礦物的引入方式和礦化劑的選擇，高鋁質(zhì)強(qiáng)化瓷坯，在相同條件下，分別加入等量的α－Al2O3和β－Al2O3，產(chǎn)品抗折強(qiáng)度有明顯差別，加入α－Al2O3的強(qiáng)度增強(qiáng)明顯。

在高硅質(zhì)坯體中，引入適量富Ca，Mg礦物不僅可以大大減少長(zhǎng)石用量，而且在一定程度上可以抑制方石英的大量轉(zhuǎn)化，使瓷胎內(nèi)應(yīng)力得到有利的控制。但Ca，Mg礦物不宜引入太多，特別是富Ca礦物助熔作用很強(qiáng)，過(guò)多反而降低產(chǎn)品強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

2.1.2 相變?cè)鰪?qiáng)增韌

相變?cè)鲰g是利用陶瓷中某些相成分在不同溫度的相變，從而達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果，骨質(zhì)瓷的增強(qiáng)增韌就是在坯體中加入少量ZrO2，相變?cè)鲰g應(yīng)用于傳統(tǒng)陶瓷的研究較少，今后有待進(jìn)一步研究和發(fā)展。

2.2 釉料

釉是胎體表面的玻璃體，釉層不僅使胎體更加美觀，而且光滑的釉層覆蓋了胎體上的表面缺陷，減少了裂紋源，對(duì)強(qiáng)化瓷來(lái)講，應(yīng)當(dāng)著重考慮釉面的硬度（抗刀叉劃傷）和坯釉適應(yīng)性。

2.2.1 提高釉面硬度

釉是玻璃網(wǎng)絡(luò)體，提高它的硬度一是使這一玻璃網(wǎng)絡(luò)體更加緊密、更加致密；二是在不影響釉面光澤的條件下，加入適量高硬度材料，在釉料中加入10～20%的瓷粉，提高 SiO2的含量，減少 Ca、Mg等堿土金屬離子的含量都是非常有效而又十分經(jīng)濟(jì)的增強(qiáng)方法。

2.2.2 坯釉匹配性

由于釉層這一玻璃體，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，而瓷胎的抗拉強(qiáng)度大于釉料的抗拉強(qiáng)度，因此，釉料的膨脹系數(shù)要小于胎體的膨脹系數(shù)，α釉＜α坯，這樣冷卻時(shí)，釉層受到壓應(yīng)力，瓷胎受到拉應(yīng)力，當(dāng)制品受到外力沖擊時(shí)，要先克服預(yù)壓應(yīng)力，因而產(chǎn)品強(qiáng)度大為提高，坯釉膨脹系數(shù)差，一般在△α＝0.5～1×10－6。

2.3 工藝制度

2.3.1 粒度控制

如控制石英的粒度在一定范圍內(nèi)可達(dá)到增強(qiáng)的效果，一般高石英瓷的石英粒度在10～30μm之間，太細(xì)易熔于玻璃體，粗晶體內(nèi)部缺陷多而易造成強(qiáng)度降低。因此，在原料加工中必須控制好粒度。

2.3.2 燒成制度

陶瓷生產(chǎn)中一般多采用高溫快燒或低溫慢燒兩大燒成方式，燒成制度應(yīng)根據(jù)材質(zhì)的具體特點(diǎn)進(jìn)行控制，一般來(lái)講，低溫慢燒較為有利。

3 結(jié)語(yǔ)

近三十年來(lái)，強(qiáng)化瓷雖然有了較大的發(fā)展，但受技術(shù)水平和裝備的影響，同時(shí)具備強(qiáng)度高、韌性好、釉面硬度高、熱穩(wěn)定性好、制作成本較低的強(qiáng)化瓷還沒(méi)有，強(qiáng)化瓷的各方面性能還有很大的提升空間。隨著技術(shù)陶瓷的飛速發(fā)展，給傳統(tǒng)陶瓷在增強(qiáng)增韌的研發(fā)方面，提供了很多值得學(xué)習(xí)和借鑒的理論和經(jīng)驗(yàn)，這也為今后強(qiáng)化瓷的研究發(fā)展提供了更多的理論依據(jù)和發(fā)展空間，相信在陶瓷工作者的不斷努力下，一定能夠研發(fā)出性能更為優(yōu)越，制造成本更為低廉，生產(chǎn)過(guò)程更加環(huán)保的新型強(qiáng)化瓷。