預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷的研究進(jìn)展-從鋼化玻璃到鋼化陶瓷

孫 熠，包亦望，李月明，萬(wàn)德田，李 愷，潘國(guó)翔，吳天野

(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024)

0 引 言

陶瓷是中華文明的象征，被稱為中國(guó)的第五大發(fā)明。我國(guó)是陶瓷生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)，特別是“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，重新打開(kāi)了歷史上受中國(guó)陶瓷影響之地域的市場(chǎng)，更將加速帶動(dòng)我國(guó)傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)(日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷)的發(fā)展和推廣。但是，隨著生活水平的提高，人們對(duì)傳統(tǒng)陶瓷的要求越來(lái)越高，如高檔日用陶瓷不僅要求更高的透光度，同時(shí)還需較高的強(qiáng)度來(lái)適應(yīng)酒店、餐館機(jī)械化洗滌要求[1,2]；建筑陶瓷的尺寸規(guī)格越來(lái)越大(1800 mm×3600 mm)，對(duì)其使用周期及彎曲強(qiáng)度要求也越來(lái)越高。此外，傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)本身屬于高污染、高耗能、高資源消耗的“三高產(chǎn)業(yè)”，不僅消耗大量的自然資源和能源，阻礙了我國(guó)陶瓷行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)對(duì)人類(lèi)生活居住環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染和破壞，影響到人們的正常工作和生活，與我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的發(fā)展理念存在嚴(yán)重的矛盾[3-5]。如果能有效提高傳統(tǒng)陶瓷的強(qiáng)度，必然會(huì)降低單位產(chǎn)品的能耗及資源(日用陶瓷更薄、透、耐久；建筑陶瓷減薄化)，從而大幅度節(jié)約傳統(tǒng)陶瓷原材料和能源消耗，提升資源利用率。因此，如何提高傳統(tǒng)陶瓷強(qiáng)度來(lái)應(yīng)對(duì)上述產(chǎn)業(yè)的共性需求及遵循國(guó)家戰(zhàn)略-節(jié)能降耗的指導(dǎo)方針，是近些年陶瓷行業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

對(duì)于多相復(fù)雜傳統(tǒng)陶瓷體系，晶相、玻璃相及氣相的不均一性是影響陶瓷強(qiáng)度的重要因素[6,7]。常見(jiàn)提高陶瓷強(qiáng)度的方法有：(1)改善燒結(jié)方式或成型壓力來(lái)提高瓷坯致密度[8-13]、細(xì)化晶粒減少氣相含量[14,15]；如利用聚乙烯醇PVA 改性淀粉聚合物、聚丙烯酸鈉和改性淀粉的復(fù)合有機(jī)添加劑等高性能坯體增強(qiáng)劑提高坯體的致密度[8]；利用礦物微粉或納米粉取代瓷坯配方中部分粉體等[13]。(2)提高瓷坯中晶相的含量[16-20]或引入增強(qiáng)相[21-23]，原位反應(yīng)生成增強(qiáng)相在傳統(tǒng)陶瓷中尤為常見(jiàn)，如K2O-Al2O3-SiO2系瓷坯中二次針狀莫來(lái)石[16]、CaO-Al2O3-SiO2系瓷坯中鈣長(zhǎng)石[17]等晶相能顯著地提高陶瓷強(qiáng)度；或者直接引入高強(qiáng)度第二相顆?；蚶w維的方式，如將Al2O3短纖維和陶瓷板復(fù)合制得抗折強(qiáng)度大于82 MPa 的陶瓷薄板[21]；瓷坯配方中引入5%的針狀硅灰石，不僅能增強(qiáng)瓷坯的強(qiáng)度，同時(shí)能降低燒成溫度，縮短燒成周期[22]。雖然以上方式能在一定程度上改善其力學(xué)性能，但強(qiáng)度提升幅度有限，且受到施工設(shè)備、生產(chǎn)成本、燒成溫度、作用尺度、添加量等因素的限制，難以經(jīng)濟(jì)有效地工程化應(yīng)用。因此，提升傳統(tǒng)陶瓷構(gòu)件的強(qiáng)度需另辟蹊徑，從表面增強(qiáng)設(shè)計(jì)去探索和研究可能是一個(gè)事半功倍的路徑。

鋼化玻璃是現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)中不可或缺的材料，其強(qiáng)度可高于普通玻璃強(qiáng)度2-5 倍[24-25]。雖然，鋼化玻璃被世人廣泛認(rèn)知，但同為傳統(tǒng)硅酸鹽材料的預(yù)應(yīng)力陶瓷卻鮮有耳聞。何為預(yù)應(yīng)力陶瓷？預(yù)應(yīng)力陶瓷能否實(shí)現(xiàn)？能否通過(guò)模擬鋼化玻璃的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力陶瓷的制備？本文總結(jié)了當(dāng)前玻璃的鋼化方法，提出預(yù)應(yīng)力陶瓷的設(shè)計(jì)理念，然后以景德鎮(zhèn)地區(qū)日用陶瓷為例對(duì)比了不同應(yīng)力調(diào)控增強(qiáng)日用陶瓷的效果，最后對(duì)預(yù)應(yīng)力傳統(tǒng)陶瓷的應(yīng)用前景作出了展望。

1 鋼化玻璃及強(qiáng)化方法

鋼化玻璃(也稱預(yù)應(yīng)力玻璃)是指普通玻璃經(jīng)過(guò)一定的處理方法使得玻璃表面形成壓縮應(yīng)力來(lái)有效阻止表面的微裂紋擴(kuò)展，并部分或全部抵消外加荷載引起的表層拉應(yīng)力，從而提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性及安全性[24]。目前，鋼化玻璃表面壓應(yīng)力的形成方式包括物理鋼化和化學(xué)鋼化兩種[26,27]。

物理鋼化玻璃最早由法國(guó)人De la Basti 于1874 年首次提出，具體是將普通玻璃加熱至軟化溫度(650-800 °C)，使其在冷卻介質(zhì)下(氣體、液體等)快速冷卻[26]。由于熔融玻璃表面立即冷卻變成剛性，收縮速率小，而內(nèi)部仍處于熔融狀態(tài)，繼續(xù)冷卻過(guò)程中的收縮使得硬化的玻璃表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。在物理鋼化玻璃中，應(yīng)力分布形狀接近拋物線，且最大表面壓應(yīng)力接近內(nèi)部最大拉應(yīng)力的2 倍(圖1(a))。在工業(yè)化生產(chǎn)中，物理鋼化法具有效率高、產(chǎn)量大、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[27]。這種物理鋼化玻璃直到首次發(fā)明后30 多年才得以廣泛應(yīng)用。

化學(xué)鋼化法(也稱離子交換法)是通過(guò)化學(xué)的方法改變玻璃表面的組成，具體為利用熔鹽中大半徑堿金屬離子(如K+半徑大小為1.33 ?)置換玻璃表面小半徑離子(如Na+半徑大小為0.98 ?)，冷卻后，大離子受到擠壓對(duì)表層形成釘扎效應(yīng)，給玻璃表面提供壓應(yīng)力，從而提高玻璃的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和安全性能[27,28]。經(jīng)過(guò)化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其應(yīng)力分布不是拋物線，而是在內(nèi)部存在一個(gè)小的接近平直的拉應(yīng)力區(qū)，表面壓應(yīng)力與內(nèi)部拉應(yīng)力之比可達(dá)百倍，相比于物理鋼化法，化學(xué)鋼化法能在玻璃表面形成更大的壓應(yīng)力(圖1(a))。但由于表層壓應(yīng)力必須與內(nèi)部的拉應(yīng)力形成整體的平衡，化學(xué)鋼化玻璃應(yīng)滿足以下關(guān)系：

其中，Sc 為最大壓應(yīng)力，St 為最大張應(yīng)力，h為玻璃厚度，d 為擴(kuò)散深度(圖1(b))。

以上是現(xiàn)行工業(yè)鋼化玻璃生產(chǎn)中常見(jiàn)的兩種鋼化方式，它們各有優(yōu)勢(shì)，具體不同點(diǎn)見(jiàn)表1。

2 模擬鋼化玻璃制備預(yù)應(yīng)力傳統(tǒng)陶瓷

傳統(tǒng)陶瓷是現(xiàn)代家居中常見(jiàn)且不可缺少的一種脆性材料，對(duì)表面缺陷極為敏感，而表面微缺陷又不可能完全避免，各種疲勞載荷作用將會(huì)產(chǎn)生微裂紋擴(kuò)展并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生“低應(yīng)力脆斷”[29-31]。一般情況下，陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度對(duì)最大外加應(yīng)力及表面微裂紋依賴性十分顯著，而陶瓷的破壞絕大多數(shù)是表面主裂紋的擴(kuò)展引起的。因此，提高陶瓷材料表面抵抗裂紋擴(kuò)展的能力可以有效提高陶瓷材料的強(qiáng)度[31]。類(lèi)似于鋼化玻璃，在陶瓷表面形成一層壓縮殘余應(yīng)力可大幅度提高強(qiáng)度的思路，一直吸引著材料學(xué)家的研究興趣。近百年來(lái)不斷有學(xué)者通過(guò)模擬鋼化玻璃的形式來(lái)制備預(yù)應(yīng)力陶瓷。

實(shí)際上，陶瓷表層的壓縮應(yīng)力可以大幅提高強(qiáng)度早已成為常識(shí)性的概念，但是如何在陶瓷表層形成一層殘余壓應(yīng)力卻是一個(gè)百年難題。一般來(lái)說(shuō)，材料表層壓應(yīng)力的形成無(wú)非兩種模式：一種是收縮過(guò)程中表層收縮少于基體的收縮，從而被基體的收縮牽扯而形成表層壓應(yīng)力，類(lèi)似物理鋼化玻璃；第二種是表層膨脹而基體不膨脹或少膨脹，使得表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，類(lèi)似化學(xué)鋼化玻璃。

圖1 (a)不同鋼化方式在玻璃中的應(yīng)力分布[27]；(b)離子交換增強(qiáng)的原理示意圖Fig.1 (a) Stress distribution diagrams in glass [27], (b) Schematic diagram of ion exchange

表1 物理鋼化和化學(xué)鋼化玻璃的對(duì)比[27]Tab.1 Comparison of physically and chemically tempered glasses [27]

2.1 物理鋼化方式制備預(yù)應(yīng)力傳統(tǒng)陶瓷

多年來(lái)，不少學(xué)者通過(guò)模擬物理鋼化玻璃的方式制備預(yù)應(yīng)力陶瓷，具體是將陶瓷加熱至高溫軟化狀態(tài)并快速利用冷卻介質(zhì)(空氣、硅油)降溫來(lái)提高強(qiáng)度[32,33]。Insley[32]等將多晶氧化鋁陶瓷二次高溫加熱至熔融狀態(tài)并快速風(fēng)冷，報(bào)道的強(qiáng)度提升30%。Kirchner[34]等對(duì)比了氧化鋁陶瓷(96%氧化鋁)在17 種冷卻介質(zhì)(包括液體媒介及氣體媒介)中強(qiáng)度的變化，其中，在低粘度硅油中強(qiáng)度提升效果最佳(可達(dá)120%)。最近，Li[35]等將硅油作為冷卻介質(zhì)，讓玻璃陶瓷在750 °C 下淬冷，強(qiáng)度提升幅度1 倍。但是，該方法應(yīng)用于石英含量較多(通常石英含量在20%以上)的傳統(tǒng)陶瓷體系時(shí)會(huì)受到石英的晶型轉(zhuǎn)化(573 °C)的限制。在573 °C 下，β-石英轉(zhuǎn)化為α-石英的體積膨脹很小(0.82%)，但因其轉(zhuǎn)化迅速，又是在無(wú)液相(干條件)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因此，很容易出現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)裂。此外，絕大多數(shù)陶瓷在高溫下急劇冷卻，產(chǎn)生的是熱震效果，表面由于急劇收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力并形成網(wǎng)狀表面裂紋而使強(qiáng)度大幅下降。因此，用類(lèi)似物理鋼化玻璃的急劇冷卻方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼化陶瓷是難以實(shí)現(xiàn)的，并且耗能耗時(shí)，性能也會(huì)下降。

2.2 化學(xué)鋼化方式制備預(yù)應(yīng)力傳統(tǒng)陶瓷

化學(xué)鋼化法對(duì)于提高一些傳統(tǒng)陶瓷的強(qiáng)度顯示了較大的潛力，其前提條件是陶瓷里面含有足夠量的鈉離子可被鉀離子置換。由于鉀鈉長(zhǎng)石[(Na, K)2O·Al2O3·6SiO2]是傳統(tǒng)陶瓷中必不可少的助熔原料，完全可以利用離子的擴(kuò)散機(jī)理置換傳統(tǒng)陶瓷材料表面的Na+離子，在陶瓷表層產(chǎn)生較強(qiáng)的壓應(yīng)力來(lái)部分或全部抵消外加荷載導(dǎo)致的拉應(yīng)力，從而提高陶瓷材料的彎曲強(qiáng)度。此外，離子擴(kuò)散深度d 與陶瓷材料的組成、離子交換工藝(交換時(shí)間，溫度，熔鹽濃度等)有關(guān)[36-39]。Dal[40]等研究了利用離子交換技術(shù)增強(qiáng)建筑陶瓷坯體，使陶瓷坯體的強(qiáng)度提高了74%。Barbi[41]等制備了一種用于建筑陶瓷的熔塊釉，該釉經(jīng)離子交換處理后能顯著提高釉面顯微硬度(+40%)、抗劃傷(+150%)、耐磨性(+130%)等性能。潘國(guó)翔[42]等采用低溫離子交換法增強(qiáng)建筑陶瓷釉面磚，研究表明，離子交換溫度400 °C，保溫時(shí)間5 h，交換深度可達(dá)150 μm，強(qiáng)度提升達(dá)45%(由63.8 MPa 提升至91.5 MPa)。但離子交換會(huì)受到材料化學(xué)組成(含Na+多，增強(qiáng)效果好)、生產(chǎn)成本(硝酸熔鹽成本高，易燃易爆)、生產(chǎn)周期(建筑陶瓷燒成周期為40-60 min，離子交換最佳時(shí)間為5 h)等因素的影響，且熔鹽處理過(guò)程中會(huì)給陶瓷表面造成熱震損傷，從性價(jià)比考慮，亦難以在傳統(tǒng)陶瓷領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。

綜上所述，對(duì)于多相復(fù)雜傳統(tǒng)陶瓷而言，模擬鋼化玻璃的增強(qiáng)方式雖然能夠提高強(qiáng)度，但難于滿足傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展節(jié)能降耗的需求，且很難控制材料受力的平衡性，明顯受到材料顯微結(jié)構(gòu)(如晶相、玻璃相含量等)的制約。

3 預(yù)應(yīng)力涂層設(shè)計(jì)增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷的由來(lái)及發(fā)展

為了方便論述，首先定義預(yù)應(yīng)力陶瓷為在無(wú)外載條件下表層存在較高的面內(nèi)壓應(yīng)力而使其整體強(qiáng)度及表面裂紋阻力大幅度提升的陶瓷構(gòu)件。那么，如何在陶瓷表層實(shí)現(xiàn)這種表面壓應(yīng)力，是制備高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力陶瓷的關(guān)鍵所在。目前，利用涂層法來(lái)形成表面壓應(yīng)力是制備預(yù)應(yīng)力陶瓷的基本思路。

陶瓷涂層是覆蓋在基體表面的無(wú)機(jī)保護(hù)層，能改變基體表面的形貌、結(jié)構(gòu)及其化學(xué)組成，可以賦予基體材料新的性能，如耐磨、耐腐蝕、高硬度、耐高溫等[43]。但涂層材料難以從基體材料上有效剝離，難以像單質(zhì)塊體材料一樣進(jìn)行物理性能測(cè)試。過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間，國(guó)內(nèi)外陶瓷涂層的物理性能檢測(cè)一直處于“無(wú)方法、無(wú)設(shè)備、無(wú)標(biāo)準(zhǔn)”的三無(wú)狀態(tài)，更無(wú)從評(píng)價(jià)涂層的殘余應(yīng)力。為此，2010 年，ISO/TC 206 成立陶瓷涂層工作組，向全世界征求陶瓷涂層測(cè)試技術(shù)。針對(duì)這種挑戰(zhàn)，中國(guó)學(xué)者提出“相對(duì)法”提案，首先解決了陶瓷涂層彈性模量和強(qiáng)度的檢測(cè)。隨后，基于“相對(duì)法”理論分析，相繼解決了涂層的密度、熱膨脹系數(shù)、CVD 涂層殘余應(yīng)力等性能的評(píng)價(jià)。涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力包含拉應(yīng)力與壓應(yīng)力兩種類(lèi)型，殘余拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)會(huì)促使涂層界面缺陷的形成以及內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致涂層力學(xué)性能降低，乃至涂層失效[44]。適當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力可以提高構(gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度，類(lèi)似于玻璃的鋼化增強(qiáng)，但是過(guò)大的殘余壓應(yīng)力會(huì)造成起泡或涂層剝落等問(wèn)題。合適的表層殘余應(yīng)力設(shè)計(jì)及形成是預(yù)應(yīng)力陶瓷的關(guān)鍵，通過(guò)熱變形模型、幾何相容性分析以及內(nèi)應(yīng)力平衡，可以得到表層殘余應(yīng)力的計(jì)算公式(圖2(a))，根據(jù)這種計(jì)算容易將膨脹系數(shù)測(cè)試儀升級(jí)為涂層殘余應(yīng)力測(cè)試儀(圖2(b))。這些理論基礎(chǔ)對(duì)預(yù)應(yīng)力陶瓷的提出和制備，起到了承前啟后、至關(guān)重要的作用。

涂層法預(yù)應(yīng)力陶瓷設(shè)計(jì)就是要使得涂層里面充滿壓縮殘余應(yīng)力，基本思路是讓含有涂層的陶瓷構(gòu)件在高溫?zé)Y(jié)后緩慢冷卻的過(guò)程中涂層收縮少于基體的收縮。因此，在涂層材料的選材時(shí)要選擇膨脹系數(shù)小于基體的材料，或者燒結(jié)收縮量小于基體。因?yàn)闅堄鄳?yīng)力與基體和涂層兩種材料的彈性模量比和膨脹系數(shù)比密切相關(guān)，而涂層的彈性模量和膨脹系數(shù)在過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間都難以準(zhǔn)確測(cè)試，直到新方法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布[45,46]。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者提出了一種全新的涂層增強(qiáng)陶瓷的設(shè)計(jì)思路，即通過(guò)預(yù)應(yīng)力計(jì)算及截面面積比優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)陶瓷構(gòu)件表面預(yù)加應(yīng)力的最優(yōu)值，達(dá)到提升陶瓷強(qiáng)度及損傷容限的目的[46-48]。在整個(gè)陶瓷燒結(jié)冷卻過(guò)程中，陶瓷材料是處于表層低收縮而受壓應(yīng)力，內(nèi)部難以自由收縮而受拉應(yīng)力，總應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)，即任何一個(gè)橫截面表層壓應(yīng)力必須與內(nèi)部的拉應(yīng)力的應(yīng)力積分為零[46]。這就類(lèi)似于物理鋼化玻璃的應(yīng)力形成模式。因此，對(duì)于預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷來(lái)說(shuō)，陶瓷材料表層壓應(yīng)力與內(nèi)部拉應(yīng)力之間應(yīng)該存在一個(gè)最優(yōu)的平衡位置，該位置可以通過(guò)調(diào)控表層涂層材料與基體的膨脹系數(shù)比、彈性模量比及截面比實(shí)現(xiàn)表層壓應(yīng)力最大且與內(nèi)部拉應(yīng)力平衡。預(yù)應(yīng)力涂層設(shè)計(jì)增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷的前提條件是表層涂層必須與基體陶瓷具有良好的匹配性和燒結(jié)相容性，且滿足以下條件：基體的膨脹系數(shù)/涂層的膨脹系數(shù)>1.2；涂層的彈性模量/基體的彈性模量的比值越高越好；基體的橫截面積/涂層的橫截面積>20。依據(jù)上述設(shè)計(jì)理念，將其應(yīng)用于建筑陶瓷的增強(qiáng)，結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力建筑陶瓷強(qiáng)度提升70%(從67 MPa 提高至114 MPa)[46]。

圖2 (a) 殘余應(yīng)力計(jì)算公式；(b) 德國(guó)林賽斯公司依照該方法開(kāi)發(fā)的涂層殘余應(yīng)力測(cè)試儀Fig.2 (a) Calculation formula of residual stress, (b) Residual stress tester for coatings developed by Linseis Company in Germany according to this method

值得注意的是，在傳統(tǒng)陶瓷領(lǐng)域，陶瓷坯體表面經(jīng)常要施于一層極薄類(lèi)似玻璃的釉[50]。由于釉和坯體在高溫下反應(yīng)，當(dāng)釉料比坯體膨脹系數(shù)略低時(shí)(也稱“正釉”)，釉層會(huì)對(duì)坯體產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，從而提高陶瓷制品的機(jī)械性能并提高產(chǎn)品的使用性能。反之，當(dāng)坯體的膨脹系數(shù)低于釉料膨脹系數(shù)，會(huì)產(chǎn)生“釉裂”藝術(shù)效果并降低陶瓷機(jī)械強(qiáng)度[50]。在日用陶瓷領(lǐng)域，有報(bào)道稱釉應(yīng)力S(MPa)與坯體膨脹系數(shù)α(20-450 °C)存在以下經(jīng)驗(yàn)的線性關(guān)系[51]：

通過(guò)上述計(jì)算公式，可以直接計(jì)算釉應(yīng)力來(lái)半定量的預(yù)測(cè)日用陶瓷產(chǎn)品的抗裂性。顯然上述公式是將釉料的膨脹系數(shù)作為常數(shù)處理，沒(méi)有考慮彈性模量比值和橫截面積比值，誤差非常之大。稻田博[52]等統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外大量餐具瓷的釉應(yīng)力，其壓縮應(yīng)力多集中在500-800 Kg/cm2，利于強(qiáng)度的提升。Jager[53]等對(duì)商業(yè)的白榴石增強(qiáng)型玻璃陶瓷進(jìn)行上釉處理來(lái)降低陶瓷表面粗糙度，陶瓷彎曲強(qiáng)度顯著上升(81.1 MPa 上升至96.2 MPa)。上釉處理多用于增加傳統(tǒng)陶瓷外觀藝術(shù)性，其強(qiáng)度比不施釉陶瓷提升0-30%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及涂層增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷效果。當(dāng)然，如果配制的釉料膨脹系數(shù)比基體膨脹系數(shù)還高，就可能產(chǎn)生裂紋釉或使用一定時(shí)間后出現(xiàn)釉面多裂紋的現(xiàn)象。

本文提出的預(yù)應(yīng)力涂層組成明顯不同于傳統(tǒng)陶瓷的“正釉”，兩者在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、增強(qiáng)效果上有本質(zhì)區(qū)別。

4 不同預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)增強(qiáng)日用陶瓷的實(shí)例及對(duì)比

為了對(duì)比和分析不同預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)增強(qiáng)陶瓷的優(yōu)勢(shì)與不足，本研究選用景德鎮(zhèn)地區(qū)常用高溫日用陶瓷坯體為研究對(duì)象，對(duì)其增強(qiáng)效果進(jìn)行了比較。其中，坯體的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：SiO269.24%; Al2O319.57%; K2O 1.53%; Na2O 1.92%;Fe2O31.28%; MgO 0.98%; CaO 0.34%; TiO20.27%;P2O50.24%; SO30.1%。燒成溫度1300 °C；升溫速率5 °C/min；保溫時(shí)間：120 min；三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為67.4 ±2.1 MPa。

采用三種方式的預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)處理得到結(jié)果比較如下：

采用離子交換工藝，將陶瓷樣品置于KNO3熔鹽中，當(dāng)交換溫度為550 °C，保溫時(shí)間為5 h 時(shí)，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度可達(dá)122.5±2.9 MPa。

采用上釉工藝，選用景德鎮(zhèn)地區(qū)典型的高溫透明釉，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為74.3±2.2 MPa，強(qiáng)度略微有所提升。

采用預(yù)應(yīng)力涂層增強(qiáng)工藝，涂層的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：MgO 18.5%；SiO255.6%；Al2O314.8%(其中納米Al2O3占Al2O3總量40%)；鋰輝石7.4%；ZnO 3.7%?；诒韺悠ヅ浼夹g(shù)，坯體與涂層同步燒結(jié)，當(dāng)涂層與坯體的橫截面積比為25.83，坯體與涂層的膨脹系數(shù)之比為1.32 時(shí)，復(fù)合陶瓷的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為128.6 ± 2.4 MPa。

綜上所述，不同預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)增強(qiáng)陶瓷，預(yù)應(yīng)力涂層增強(qiáng)效果最佳，離子交換增強(qiáng)效果次之，上釉工藝增強(qiáng)效果較差(圖3)。當(dāng)然還可以考慮梯度預(yù)應(yīng)力涂層，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分布的可調(diào)控性。

圖3 不同工藝增強(qiáng)日用陶瓷的強(qiáng)度提升比例Fig.3 Strength increasing ratios of daily ceramics enhanced with different processes

5 展 望

提高傳統(tǒng)陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度(利于生產(chǎn)薄型化、減量化陶瓷)是降低原料消耗的最有效方法。對(duì)于日用陶瓷而言，提升強(qiáng)度不僅能降低能源消耗、節(jié)約成本、改善瓷坯的熱穩(wěn)定性，同時(shí)能滿足現(xiàn)代化機(jī)械化洗滌、冰箱-微波爐等不同服役環(huán)境。對(duì)于建筑衛(wèi)生陶瓷而言，提升強(qiáng)度可以制備減薄化、減量化陶瓷，不僅能減少?gòu)U棄物排放、降低運(yùn)輸成本，同時(shí)能減輕建筑物承重、提高產(chǎn)品性價(jià)比。由于預(yù)應(yīng)力玻璃已經(jīng)常規(guī)化被稱為鋼化玻璃，這里不妨也將預(yù)應(yīng)力陶瓷稱為“鋼化陶瓷”。因?yàn)殇摶Ａб话倌陙?lái)在建筑、家居、公共場(chǎng)所已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，因此可以推測(cè)，預(yù)應(yīng)力陶瓷的提出與實(shí)施，對(duì)推動(dòng)陶瓷行業(yè)“節(jié)能降耗”的發(fā)展，使得陶瓷構(gòu)件更安全、更耐用，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，顯示了誘人的應(yīng)用前景。

此外，預(yù)應(yīng)力陶瓷具有廣泛性與普適性，只要陶瓷在無(wú)外載條件下表層存在較高壓應(yīng)力，無(wú)論用什么方法形成這種應(yīng)力，均可稱為預(yù)應(yīng)力陶瓷。預(yù)應(yīng)力涂層增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷的提出與實(shí)施，能夠極大限度的提高陶瓷強(qiáng)度，且具普遍性和方便性、不受形狀和尺寸限制等優(yōu)勢(shì)。目前，預(yù)應(yīng)力涂層增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷的光學(xué)性能一般，明度、反射率只能達(dá)到普通陶瓷釉面效果。如果進(jìn)一步優(yōu)化陶瓷涂層的外觀效果，涂層必然能夠取代當(dāng)前傳統(tǒng)意義上的“釉”，涂層增強(qiáng)的傳統(tǒng)陶瓷也將成為具有制備簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良的“預(yù)應(yīng)力陶瓷”。