鎂質(zhì)瓷的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展*

高正艷,阮代錟,鐘雪蓮,周駿宏

（黔南民族師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 都勻 558000）

鎂質(zhì)瓷是一種含鎂陶瓷,由于具有不同于普通陶瓷的晶相(物相）而使鎂質(zhì)瓷具有良好的電氣性能、透明性好、介質(zhì)損耗小、絕緣強(qiáng)度高、瓷胎致密、氣孔率低等特點(diǎn),以及高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性好等性能[1],曾被譽(yù)為陶瓷中的 “陽春白雪”,廣泛應(yīng)用于高頻無線設(shè)備中作絕緣零件[2],是星級賓館餐具的最佳選擇[3]。

一般認(rèn)為,鎂質(zhì)瓷是以含鎂物質(zhì)和粘土為主要原料,經(jīng)過高溫煅燒,并有鎂化合物參與成瓷形成硅酸鎂型物相的陶瓷材料。高溫煅燒工程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下[4]:

鎂質(zhì)瓷按呈色不同,主要分為米黃白鎂質(zhì)瓷和象牙白鎂質(zhì)瓷兩種；按其主晶相不同,可分為原頑輝石瓷(即滑石瓷）、鎂橄欖石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷四種,均由MgO-Al2O3-SiO2三元系統(tǒng)構(gòu)成[5]；基本性能如表1所示。其中,堇青石瓷,由于其膨脹系數(shù)低,熱穩(wěn)定性好,常用于體積不隨溫度變化的絕緣材料或電熱材料中[6]。尖晶石瓷具有熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于耐火材料、耐磨材料、精細(xì)陶瓷及顏料工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域[7]。鎂橄欖石瓷具有電導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)低、熱傳導(dǎo)率低、介電常數(shù)低、介質(zhì)損耗低、比體積電阻大、耐壓強(qiáng)度高,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于保溫材料,微波通信材料及電子陶瓷等領(lǐng)域[8],以及在電真空領(lǐng)域常用作耐高溫材料[9]。

1 鎂質(zhì)瓷的研究進(jìn)展

鎂質(zhì)瓷雖然具有不同于其它陶瓷的性能,但其制作條件也更苛刻,存在坯料工藝性能較差、燒成范圍較窄、產(chǎn)品制備工藝控制不當(dāng)易老化等難題。廣大學(xué)者、工匠對此開展了不懈的努力,也取得豐富的成效。

表1 鎂質(zhì)瓷及普通陶瓷的主要性能參數(shù)Table 1 Chemical composition and phase transformation temperatures

1.1 坯體配方的研究

為改善鎂質(zhì)瘠性材料存在塑性差,難以成型、易裂坯、在泥料中易沉淀等缺陷；池至銑[10]通過配方篩選,向原料中加入高塑性的膨潤土及粘合劑,解決坯料塑性差,難以成型等問題；加入適量的鋰輝石和鋰云母,降低坯料的燒成溫度。最終確定坯體配方中滑石含量為45%～55%,鋰輝石和鋰云母含量達(dá)到坯體Li2O含量的1%～1.2%。

孫淑芝[11]主要以唐山滑石、少量粘土和溶劑等為配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過加入適量粘土改善坯體性能,并加入少量氯化鋇,提高泥料塑性。

為制得膨脹系數(shù)較低、燒成范圍較寬的堇青石質(zhì)陶瓷,肖冠南等[12]以景德鎮(zhèn)柳家灣滑石、鋰云母、粘土等為坯體原料,加入不同種類及不同數(shù)量的熔劑原料,制取含水量為28%～30%的可塑泥料、含水率為40%～43%的注漿料,經(jīng)陳腐后成型使用。

1.2 燒成溫度的影響研究

為了解燒成溫度在陶瓷低溫?zé)Y(jié)中的影響,曾美云等[13]通過在不同煅燒條件下對吸水率差異較大的陶瓷材料進(jìn)行篩選,確定溫度是影響低溫?zé)商沾蔂顩r的主要因素；溫度愈高,影響愈大。

為解決溫度過低造成欠燒、溫度過高造成起泡、樣品變形等問題,諸愛珍[14]通過向滑石瓷原料中加入氧化鎂、氧化鋯、氧化鋅、粘土等添加劑,使坯體在高溫下不易變形,以降低燒結(jié)溫度、擴(kuò)寬燒成范圍。

為解決滑石瓷燒成范圍窄問題,諸愛珍[15]通過在坯體配方中加入適量添加劑以拓展燒成溫度、提高液相的粘度,使瓷坯在高溫下不易變形,并制定適宜的燒成制度,以解決液相生成速度快,高溫粘度小等現(xiàn)象。

為大幅度降低燒成瓷溫度,提高燒成后的瓷體白度、可塑性,王耀[16]在坯料中引入適量玻璃粉,以達(dá)到促進(jìn)燒結(jié)玻璃相的形成和增加透明度的目的。

由于不同產(chǎn)地滑石成分不同,其煅燒溫度有所差異。韓復(fù)興[17]提出了煅燒滑石的主要目的是脫水脫碳、改變層狀結(jié)構(gòu)及晶體轉(zhuǎn)變；即滑石的焙燒需要經(jīng)過 “滑石(2個(gè)水）-偏滑石(1個(gè)水）-硅酸鎂(0個(gè)水）-頑火輝石晶相”的轉(zhuǎn)變過程。

1.3 抗折強(qiáng)度提升的研究

為測定滑石、粘土用量及燒成溫度等工藝因素對鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響,余暉[18]以MgO-Al2O3-SiO2三元系統(tǒng)為依據(jù),通過配方篩選,引入65wt%～75wt%滑石起助熔和增強(qiáng)作用；引入用量大于15wt%高嶺土,在高溫下生成的莫來石纖維對瓷體起增強(qiáng)作用；引入6wt%～14wt%鉀長石,拓展燒成范圍；隨燒成溫度的升高,抗折強(qiáng)度不斷增大；同時(shí)易出現(xiàn)過燒現(xiàn)象,在溫度為1250～1270℃時(shí)燒結(jié)性能較優(yōu),抗折強(qiáng)度較好。

為探究溫度對抗折強(qiáng)度的影響,劉陽等[19]通過對配方篩選,確定最佳配方并向其添加適量的碳酸鋇,隨碳酸鋇含量的增加及燒成溫度的升高,試樣的抗折強(qiáng)度呈上升趨勢,且燒成溫度為1260℃、碳酸鋇含量在2%時(shí)最佳。

3.檢驗(yàn)樣品。食品檢驗(yàn)首先需要對檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和對象進(jìn)行抽樣檢查，通過隨機(jī)抽樣檢查的結(jié)果，對食品的安全健康質(zhì)量做出相應(yīng)的評價(jià)。樣品的正確抽取需要嚴(yán)格按照國家的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，遵循樣品抽取原則[1]，所采集的樣品要均勻、具有代表性，采集過程中嚴(yán)格注重樣品的保護(hù)。如果在實(shí)際的樣品采集過程中沒有按照樣品采集的流程或采集工具不清潔以及樣品制作不規(guī)范，都會導(dǎo)致食品檢驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

為優(yōu)化鎂質(zhì)瓷坯體配方組成,分析影響鎂質(zhì)瓷瓷體抗折強(qiáng)度的因素。包啟富等[20]引入了主助溶劑鉀長石,助溶劑方解石和碳酸鋇；當(dāng)生/熟滑石比為32/42(wt%）,BaCO33%,方解石2%時(shí),抗折強(qiáng)度最大。隨球磨時(shí)間的延長,有利于排除氣泡,減少氣孔含量,使胎體致密化,從而使鎂質(zhì)瓷的抗折強(qiáng)度增加。

為探究滑石、石英、粘土等的加入對鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷抗折強(qiáng)度、膨脹系數(shù)的影響。桑建華等[21]以MgO-Al2O3-SiO2和K2OAl2O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖為理論依據(jù),通過固定熔劑原料的用量,改變滑石、石英、粘土的用量擬定坯體配方,并對該瓷體的膨脹系數(shù)、抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試,確定其性能最佳配方如下:

1.4 研磨助劑的研究

為提高滑石瓷的生產(chǎn)效率,縮短坯料研磨時(shí)間,節(jié)能降耗。王占一[22]引入一種集表面活性劑與無機(jī)、有機(jī)高分子于一體的助磨劑,定向地吸附在顆粒界面上,并通過濕潤和吸附作用使顆粒的表面能降低,進(jìn)入顆粒的微裂縫中,積蓄破壞應(yīng)力,產(chǎn)生劈裂作用,從而提高研磨效率。

1.5 鎂質(zhì)瓷抗老化的研究

為有效防止滑石瓷的主晶相偏硅酸鎂(化學(xué)式MgSiO3）晶型在轉(zhuǎn)化過程中應(yīng)變和應(yīng)力共同作用造成鎂質(zhì)瓷的老化,唐志陽[23]通過煅燒滑石、適當(dāng)提高冷卻速度和加入適量的添加劑使坯體周圍包裹一層足夠穩(wěn)定的玻璃相,保證坯體具有一定細(xì)晶結(jié)構(gòu),有效阻止了滑石瓷的老化。

為避免鎂質(zhì)瓷樣品在加工、貯運(yùn)或使用過程中自動產(chǎn)生裂縫、空隙,甚至在燒成后,樣品表面出現(xiàn)粉白色斑點(diǎn),并逐漸擴(kuò)大導(dǎo)致整個(gè)坯體松散成粉等現(xiàn)象的產(chǎn)生,王洪生[24]通過預(yù)燒滑石、原料細(xì)磨及使用添加劑等措施,有效防止晶型轉(zhuǎn)化,盡可能防止滑石瓷的老化。

為有效防止滑石瓷的老化,李效生等[25]通過預(yù)燒滑石、原料細(xì)磨、使用添加劑等,使得滑石瓷的成品率達(dá)85%以上,半產(chǎn)品率達(dá)95%以上。

為避免滑石瓷在生產(chǎn)后期老化和開裂,王濰棟[26]在生產(chǎn)過程中盡可能選用長石作助溶劑,避免CaO等氧化物的引入,有效維持主晶相處于介穩(wěn)態(tài)原頑火輝石中。

1.6 其他因素的研究

為解決坯體燒成范圍、泥漿的稠化性和可塑性等因素對大量生產(chǎn)鎂質(zhì)瓷的影響,林紹賢等[27]通過在滑石質(zhì)瓷中引入助熔劑長石、原料粘土,使得坯體中玻璃相的含量增加,塑性和流變性有所改變,且降低了預(yù)燒溫度,燒成變形度小,機(jī)械強(qiáng)度高,能較好的滿足樣品生產(chǎn)工藝。

為避免鎂質(zhì)瓷發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致坯體開裂等現(xiàn)象的發(fā)生,孔雙華等[28]通過添加少量具有較高的透過率、強(qiáng)度和白度的熔劑型或助熔性原料,降低玻璃相的凝固溫度來減少晶形轉(zhuǎn)變帶來的體積效應(yīng)變化；并精選助溶劑硅灰石、合成熟料和骨粉,克服了鎂質(zhì)瓷易炸裂的現(xiàn)實(shí)問題。

為避免鎂質(zhì)瓷在養(yǎng)護(hù)期間澆注料上漲、中空、燒制后有白色斑點(diǎn)、崩塊及裂紋等現(xiàn)象的產(chǎn)生。陳楊等[29]提出了精確配料、控制適宜的攪拌時(shí)間及養(yǎng)護(hù)溫度、保證鎂砂原料的理化指標(biāo)合格等方法。

為制取透光性好、白度高、機(jī)械強(qiáng)度高的滑石瓷,耿謙[30]通過實(shí)驗(yàn)得出日用滑石瓷坯體物相組成主要為原頑火輝石、方石英、玻璃相及微量氣孔4個(gè)部分組成,并得出物相組成與透光度、白度、機(jī)械強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)與熱穩(wěn)定性的關(guān)系。當(dāng)坯體中的氣泡大而多時(shí),入射光造成大量散射,顯著降低透光性質(zhì)；當(dāng)坯體具有較低的氣孔率和較小的氣孔時(shí),坯體有較好的透光性及白度。當(dāng)主晶相原頑火輝石呈微細(xì)顆粒,粒徑相近且均勻分布排列,形成堅(jiān)實(shí)的骨架時(shí)可提高其機(jī)械強(qiáng)度。

2 結(jié) 語

影響鎂質(zhì)瓷工藝的因素有很多,但主要是坯料塑性差、難以成型、易裂坯、在泥料中易沉淀、燒成范圍窄、產(chǎn)品制備控制不當(dāng)易老化等問題。

(1）通過在坯體配方中引入滑石、粘土、粘合劑等原料,提高泥漿的流變性和塑性,解決坯料塑性差,難以成型等問題。

(2）引入添加劑、玻璃粉等助熔性或溶劑型原料,促進(jìn)燒結(jié)玻璃相形成,增加透明度,降低燒成溫度,拓展燒成范圍,克服了易炸裂等問題。

(3）通過預(yù)燒滑石、原料細(xì)磨、選用長石等助溶劑有效避免了鎂質(zhì)瓷發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,降低玻璃相的凝固溫度來減少晶型轉(zhuǎn)變帶來的體積效應(yīng)變化,抑制了滑石瓷的老化；

(4）隨燒結(jié)溫度的升高,抗折強(qiáng)度呈上升趨勢,且燒成溫度為1260℃、BaCO3含量在2%時(shí)最佳；或生/熟滑石比為32/42(wt%）、BaCO33%、方解石2%時(shí),抗折強(qiáng)度最大。隨球磨時(shí)間的延長,有利于排除氣泡,減少氣孔含量,使胎體致密化,從而使鎂質(zhì)瓷的抗折強(qiáng)度增加。

鎂質(zhì)瓷之所以具有不同于其它陶瓷的特性,關(guān)鍵在于鎂元素的引入。從理論上來看,鎂質(zhì)瓷的形成實(shí)質(zhì)是氧化鎂與二氧化硅的化合變成硅酸鎂,因此任何含氧化鎂或者是在該煅燒過程中能產(chǎn)生氧化鎂的原料,如菱鎂礦、白云石、蛇紋石、滑石等等,皆能作為制造鎂質(zhì)瓷的原料。但是,除了滑石以外的含鎂原料的運(yùn)用,鮮見報(bào)道。加強(qiáng)對其它含鎂原料挖掘,對擴(kuò)展制造鎂質(zhì)瓷的原料來源和拓展鎂質(zhì)瓷的研究范圍具有現(xiàn)實(shí)意義,值得進(jìn)一步的研究。

鎂質(zhì)瓷與其日用陶瓷相比有較高的抗折強(qiáng)度,在經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的今天隨著 “廚房革命”的到來,憑借其產(chǎn)品規(guī)整、色澤柔和、質(zhì)量安全、環(huán)保綠色,為占領(lǐng)、擴(kuò)大和開拓新的市場創(chuàng)造了有利條件,已成為理想現(xiàn)代化家居日用瓷的首選。進(jìn)一步對鎂質(zhì)瓷進(jìn)行研究具有很大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義,易于推廣應(yīng)用,具有較好的發(fā)展前景。