熔劑對長石質(zhì)瓷坯體性能的影響

陳婧 余峰 程磊 萬萍 朱宇飛

摘 要：以鉀長石、高嶺土、萍鄉(xiāng)石英、滑石和碳酸鈣為主要原料，采用單因素法研究熔劑化學(xué)組成對長石質(zhì)瓷坯體的性能影響，采用阿基米德排水法、萬能試驗機、XRD和SEM等測試手段分別對長石質(zhì)瓷樣品密度、抗折強度、物相和顯微結(jié)構(gòu)等進行了表征。研究結(jié)果表明，當(dāng)MgO、CaO、K2O和Na2O含量分別為1.00%、1.50%和3.00%時，樣品的密度和抗折強度達(dá)到最佳值，晶相主要為莫來石和游離石英，構(gòu)成晶相、玻璃相和少量氣孔的長石質(zhì)瓷的顯微結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：長石質(zhì)瓷；抗折強度；莫來石；石英

1 前言

長石質(zhì)瓷是以"K2O-Al2O3-SiO2"三元相圖為理論基礎(chǔ)而制備的一種瓷質(zhì)，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、胎體半透明、瓷質(zhì)潔白、吸水率低及質(zhì)地堅硬等特點，被廣泛應(yīng)用于日用瓷、陳設(shè)瓷以及一般的工業(yè)技術(shù)用瓷等領(lǐng)域[1-3]。依據(jù)化學(xué)組成的不同，我國長石質(zhì)瓷的燒成溫度范圍處于1250～1350℃之間，對應(yīng)的各項性能指標(biāo)也有所差異?，F(xiàn)有的文獻主要從制備工藝、原料細(xì)度等方面對長石質(zhì)瓷的性能進行了研究，而從熔劑的種類和含量對長石質(zhì)瓷的性能影響方面研究較少[4-5]。而實際上，熔劑的化學(xué)組成對長石質(zhì)瓷的性能具有很大的影響。為了考察熔劑化學(xué)組成對長石質(zhì)瓷性能的影響，本文利用鉀長石、高嶺土、萍鄉(xiāng)石英、滑石和碳酸鈣為主要原料，采用單因素法，分別研究CaO、MgO、K2O和Na2O熔劑對長石質(zhì)瓷坯體致密度和抗折強度等性能的影響，旨在為長石質(zhì)瓷的性能調(diào)試提供科學(xué)依據(jù)。

2實驗部分

本文以鉀長石、高嶺土、萍鄉(xiāng)石英、滑石和碳酸鈣為主要原料，采用單因素法研究熔劑化學(xué)組成對長石質(zhì)瓷坯體的性能影響，所用原料化學(xué)成分如表1所示。

依照表1原料的化學(xué)組成，經(jīng)計算配方組成，按照化學(xué)計量比稱量相應(yīng)原料，放入球磨罐中，按料：球：水=1：1.5：0.8比例加入氧化鋁球和水，以轉(zhuǎn)速400r/min進行行星球磨1h，得到的漿料經(jīng)除鐵、過200目篩，篩余0.5%。干燥后的粉體造粒，利用壓力成型φ50mm×8mm的圓餅及4mm×6mm×40mm長條，在烘箱中105℃干燥3h后經(jīng)電爐燒成。燒成制度為：以3℃/min的升溫速率從室溫升至600℃，600℃保溫30min，以6℃/min升溫速率從600℃升至1000℃，以5℃/min升溫速率從1000℃升至1250℃，在1250℃保溫30min，自然冷卻。

采用阿基米德排水法測量樣品密度，運用WOW-10型萬能試驗機以三點彎曲法測試樣品的抗折強度，采用D8 advance型X-射線衍射儀分析樣品物相，以SU8010型掃描電鏡對樣品形貌進行了表征。

3分析討論

3.1 MgO含量對長石質(zhì)瓷材料性能的影響

長石質(zhì)瓷中的MgO主要通過滑石引入，不同MgO含量的樣品性能如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著MgO含量的增加，樣品的密度和抗折強度出現(xiàn)相同的變化趨勢，都是先增大后減小，在MgO含量為1.0%時出現(xiàn)最大值。

配方中少量的MgO起助熔劑作用，能夠迅速降低配方熔點，在較低的溫度下產(chǎn)生液相，有利于顆粒之間的遷移和連接，從而提高了坯體的致密度和強度。但隨著MgO含量的增加，坯體的液相量迅速增加，由于坯體分解產(chǎn)生的氣體未及時排出，被周圍的液相封閉在坯體內(nèi)，導(dǎo)致坯體的致密度降低；氣泡會影響坯體強度，而且過多的玻璃相也會影響其強度，從而導(dǎo)致瓷體強度相應(yīng)減小。適量的MgO有利于坯體低溫產(chǎn)生液相，隨著MgO含量的增加，坯體的高溫粘度降低，離子越容易遷移，降低坯瓷的燒成溫度，有利于莫來石晶體的生成，從而提高了坯體的強度和致密度。

3.2 CaO含量對長石質(zhì)瓷材料性能的影響

長石質(zhì)瓷中不僅含有少量的MgO，且含有適量的CaO，它與MgO一起形成高溫熔劑，對長石質(zhì)瓷的性能具有很大的影響。長石質(zhì)瓷主要通過CaCO3引入CaO，這是由于CaCO3在800℃以上易分解，釋放出CO2而留下CaO。圖2為不同含量CaO對長石質(zhì)瓷材料性能的影響。 從圖2可以看出，隨著CaO含量的增加，長石質(zhì)瓷的密度和強度先增大后減小，當(dāng)CaO含量為1.5%時，其密度和強度出現(xiàn)最大值。

CaO在低溫時對坯體的粘度影響較小，而在高溫時卻起著重要的作用，通常將MgO和CaO作為高溫熔劑。在長石質(zhì)瓷中加入少量的CaO，助熔效果顯著，能降低坯體的燒成溫度，提高坯體的機械強度和透明度。但CaO過量，容易導(dǎo)致坯體的燒成溫度范圍變窄，引起產(chǎn)品的變形。這是由于CaO屬于網(wǎng)絡(luò)外體氧化物，在高溫環(huán)境條件下易于放出游離氧，破壞玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低坯體粘度，是良好的高溫熔劑，能夠降低長石質(zhì)瓷的燒成溫度；而在低溫時，Ca2+為了滿足自身的配位要求，將周圍網(wǎng)絡(luò)斷點進行連接，牢固玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了坯體粘度。對于長石質(zhì)瓷，其燒成溫度為1250℃，CaO是很好的高溫熔劑，只需少量的CaO就能達(dá)到良好的助熔效果，有利于提高長石質(zhì)瓷的密度和強度，過多的CaO則達(dá)不到助熔的作用，反而影響其性能。

3.3 K2O、Na2O含量對長石質(zhì)瓷材料性能的影響

長石質(zhì)瓷具有較高含量的K2O和Na2O，在坯體中起著很好的熔劑作用。而K2O和Na2O主要來源于長石。圖3為不同含量的K2O和Na2O對長石質(zhì)瓷性能的影響。

從圖3可以看出，隨著K2O和Na2O含量的增加，長石質(zhì)瓷的密度和抗折強度都是先增大后減小，在K2O和Na2O含量為3%時出現(xiàn)最大值。純的鉀長石和鈉長石對應(yīng)的熔融溫度分別為1150℃和1100℃?？梢娾涢L石的熔融溫度不是太高，且其熔融溫度范圍寬，而鈉長石的熔融溫度相對鉀長石更低些，并對應(yīng)熔融溫度范圍窄些。K2O和Na2O易與SiO2、Al2O3反應(yīng)形成玻璃相，填充在它們的縫隙中，有利于長石質(zhì)瓷的密度和強度的提高。坯體中K2O、Na2O含量過低，導(dǎo)致坯體燒成溫度提高，影響材料的燒結(jié)性能，反之，則會降低坯體燒成溫度，并出現(xiàn)變形等缺陷。

3.4 長石質(zhì)瓷的XRD和SEM表征

在熔劑CaO、MgO、K2O/Na2O合適的條件下獲得的樣品的XRD和SEM圖分別如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，長石質(zhì)瓷樣品的X射線衍射峰分別與Al6Si2O13（卡片號#15-0776）和SiO2（卡片號43-0596）的衍射峰相對應(yīng)，說明該樣品的主要物相為莫來石和游離的石英相組成。

從圖5可以看出，長石質(zhì)瓷斷面含有一些氣孔，同時含有適量的晶體和玻璃相。結(jié)合XRD結(jié)果可知，晶體主要為莫來石和游離石英，可以定性地判斷尖銳棱角狀晶體為石英，而具有片狀的晶體為莫來石。

由于實驗以鉀長石、高嶺土、萍鄉(xiāng)石英、滑石和碳酸鈣為原料，配方主要成分為Al2O3和SiO2，CaO、MgO、K2O和Na2O等為熔劑，這些熔劑在合適的比例情況下，能夠?qū)ε浞狡鸬胶芎玫闹坌Ч谳^低溫度下產(chǎn)生液相，容易填充于顆粒之間，同時系統(tǒng)的粘度降低，也促進了Al2O3和SiO2合成莫來石晶體，但石英過量，在坯體中存在游離石英，其他化學(xué)組成形成玻璃相。由于鉀鈉長石在較低溫度下產(chǎn)生液相，而坯體中部分原料在高溫階段分解產(chǎn)生的氣體來不及排出體外，導(dǎo)致部分氣孔封閉于系統(tǒng)中，因此長石質(zhì)瓷的顯微結(jié)構(gòu)主要由晶相莫來石與石英、玻璃相、少量氣孔構(gòu)成。適量的晶體和玻璃相有利于長石質(zhì)瓷密度、強度的提高，但過量的玻璃相卻影響坯體的強度；另一方面，由于坯體中的氣孔也會對強度產(chǎn)生較大的影響。因此，通過配方和燒成工藝的調(diào)整，盡量減少坯體中的氣孔率、提高坯體的致密性和控制玻璃相含量是提高長石質(zhì)瓷性能的有效措施。

4結(jié)論

（1）長石質(zhì)瓷坯體MgO、CaO含量分別為1.00%、1.50%N，K2O和Na2O含量為3.00%時，長石質(zhì)瓷樣品的密度和抗折強度性能最優(yōu)；

（2）長石質(zhì)瓷的主要晶相為莫來石和游離的石英；

（3）長石質(zhì)瓷的顯微結(jié)構(gòu)主要由晶相莫來石與石英、玻璃相、少量氣孔構(gòu)成，盡量減少坯體中的氣孔率、提高坯體的致密性和控制玻璃相含量是提高長石質(zhì)瓷性能的有效措施。

參考文獻

[1] 高雅春，耿謙. 長石質(zhì)瓷物相組成計算方法的研究[J]. 陶瓷科學(xué)與藝術(shù)， 2003， （4）： 13-17.

[2] 苗立鋒. 原位莫來石晶須增強高透硬質(zhì)瓷及機理研究[D]. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)， 2021.

[3] Carla Müller Ramos， Paulo Francisco Cesar， Rafael Francisco Lia Mondelli， et al. Bond strength and Raman analysis of the zirconia-feldspathic porcelain interface[J]. The Journal of Prosthetic Dentistry， 2014， 112（4）： 886-894

[4] 龔民， 盧日高. 長石質(zhì)坯體料細(xì)度對坯體料性能的影響[J]. 陶瓷科學(xué)與藝術(shù)， 2017， 51（5）： 64-65

[5] 羅日軍. 長石-骨灰質(zhì)瓷的研制[J]. 陶瓷， 2003， （4）： 33-36

Influence of Flux on Performance of Body for Feldspar Ceramic

CHEN jing， YU feng， CHENG Lei， WAN Ping， ZHU Yu-fei

（Jingdezhen Ceramic University， Jingdezhen， 333403）

Abstract： Using potash feldspar， Kaolin， quartz of Pingxiang， talc and calcite as raw materials， the influence of flux on performance of body for feldspar ceramic were investigated by single factor method. The density， rupture strength， phase and microstructure were characterized by Archimedes， universal testing machine， XRD， SEM and so on， respectively. The results show that density and rupture strength of samples reached the best value when the contents of MgO， CaO， K2O and Na2O were 1.00%， 1.50% and 3.00%， respectively. The crystalline phases were mainly mullite and free quartz， the microstructure of feldspar ceramic was composed of crystalline phase， glassy phase and a few pores.

Keywords：? feldspar ceramic; rupture strength; mullite; quartz