制备工艺对高硅质日用瓷的结构与性能的影响毕业论文

 2021-11-23 09:11

论文总字数:20534字

摘 要

高硅质瓷是一种高石英含量的强化瓷,具有外观精良,白度、透光度高,热稳定性好,机械强度高的特点。由于具有突出的热稳定性,因此有较高的研究价值。

本文对高硅质日用瓷的制备工艺进行了研究。对文献了进行总结;分析了原料组成、原料粒度、添加剂使用、烧成制度对高硅质瓷结构和性能的影响及影响机理;选择合理的制备工艺,设计了高硅质瓷的制备方案;对高硅质瓷生产的对健康、安全、成本、环境的影响进行综合评价。

研究结果表明:高硅质瓷的原料中,石英、氧化铝与适当的碱金属氧化物都能提高高硅质瓷的物理性能;适中的原料粒度可以提高高硅质瓷的热稳定性与抗折强度,原料平均粒径小于10μm,中位径 D50 在 5μm时候,热稳定性与抗折强度最高;合理的使用添加剂,可以使高硅质瓷性能得到提升,合理的添加范围内通常为0.1%以内,在此范围中,坯体增强剂添加量越多,坯体强度越高,0.1%含量的CMC可以使生坯强度和素坯强度提高15%以上;合适的烧成温度为1300-1350℃,烧成温度升高,热稳定性和抗折强度呈先上升后下降的趋势,烧成温度每上升10℃,白度降低1-2%。

关键词:高硅质瓷;制备工艺;热稳定性;抗折强度

Abstract

High- silica porcelain is a kind of strengthening porcelain with high quartz content. It has the characteristics of excellent appearance, high whiteness, high transmittance, good thermal stability and high mechanical strength. Because of its outstanding thermal stability, it has high research value.

In this paper, the preparation technology of high-silica porcelain is studied. This paper summarizes the literature, analyzes the influence and mechanism of raw material composition, raw material granularity, additive use and firing system on the structure and performance of high-silica ceramics, selects reasonable preparation process, designs the preparation scheme of high-silica ceramics, and comprehensively evaluates the impact of high-silica porcelain production on health, safety, cost and environment.

The results show that: quartz, alumina and appropriate alkali metal oxides can improve the physical properties of high-silica ceramics; moderate particle size of raw materials can improve the thermal stability and strength of high-silica ceramics,they are the highest when the average particle size of raw materials is less than 10 μ m, and D50 is less than 10 μm; reasonable use of additives can improve the performance of high-silica ceramics, the strength of green body increases with the amount of green body enhancer, CMC with 0.1% content can increase the strength of green body and green body by more than 15%; the appropriate firing temperature is 1300-1350 ℃, the temperature increases, the thermal stability and flexural strength first increase and then decrease, and the whiteness decreases 1-2% every 10 ℃ of the firing temperature.

Key Words:high-silica porcelain; preparation technology; thermal stability; flexural strength

目录

第1章 绪论 1

1.1强化瓷的种类及特点 1

1.1. 1纤维增强陶瓷 1

1. 1.2镁质强化瓷 1

1.1. 3高铝质强化瓷 2

1.1.4骨质强化瓷 2

1.1.5 高硅质强化瓷 3

1.2强化瓷的应用 3

1.3高硅质瓷的研究概况 4

1.4本课题研究的目的与意义 5

第2章 影响高硅质瓷结构与性能的主要因素分析 7

2.1方石英对高硅质瓷性能的影响 7

2.2原料粒度对高硅质瓷结构与性能的影响 8

2.3添加剂对高硅质瓷性能的影响 9

2.3.1添加剂的种类及作用 9

2.3.2添加剂对坯体强度的影响 9

2.4烧成制度对高硅质瓷结构与性能的影响 10

2.4.1烧成温度与热稳定性 11

2.4.2抗折强度与白度 12

第3章 高硅质瓷的制备方案设计 13

3.1坯料的组成 13

3.1.1各组分在坯料中的作用 13

3.1.2坯料的组成设计 13

3.2坯料的粉磨 15

3.3烧成制度 15

3.3.1陶瓷坯体烧成过程中的物理化学变化 15

3.3.2烧成制度设计 16

3.4高硅质瓷结构与性能的表征 18

3.4.1高硅质瓷结构的表征 18

3.4.2热稳定性测试 18

3.4.3抗折强度测试 18

3.4.4白度测试 19

第4章 研究对健康、安全、成本以及环境的影响 20

第5章 结论 21

致 谢 24

第1章 绪论

1.1强化瓷的种类及特点

强化瓷是一类具有高抗折强度、高釉面硬度、高热稳定性的瓷器。通过在传统陶瓷的原料组成中,加入部分能够增强陶瓷物理性能的物质,如氧化铝等,使制出的瓷器抗折强度等性能显著超过普通陶瓷。强化瓷的抗折强度可以达到220MPa以上,是普通陶瓷的2-3倍;釉面硬度更高,不易出现划痕;热稳定性比普通陶瓷更强。

强化瓷主要种类有纤维增强陶瓷、镁质强化瓷、高铝质强化瓷、高硅质强化瓷和骨质瓷等。纤维增强陶瓷中加入了纤维或晶须,一定程度上增强了陶瓷的强度与热稳定性[1]。镁质瓷,原料中滑石占70%以上,晶相较多且分布均匀,机械强度较高。高铝质瓷中添加α-氧化铝,晶相中有较多莫来石和刚玉相,具有较高的机械强度。高硅质瓷原料中二氧化硅含量较高,晶相主要为α-石英、莫来石和方石英,具有非常优秀的热稳定性能,物理强度也比较高。骨质瓷中添加了一定量的骨粉,其中含有大量的磷酸钙,其各方面物理性能都比较良好。

1.1. 1纤维增强陶瓷

纤维增强陶瓷是将增强纤维(如碳纤维、碳化硅纤维)或晶须引入陶瓷基体中,使抗折强度、硬度与耐磨性得到强化的一类陶瓷。强化的机理如下,当陶瓷受到与增强纤维平行的力,陶瓷中会产生与纤维垂直的裂纹,当裂纹扩展到纤维时,纤维上将产生一个张力,这个张力会组织裂纹进一步发展,直至纤维断裂。同时,也可以通过添加颗粒物,如碳化硅、黏土等,对陶瓷进行强化,强化机理与纤维强化类似,而且某些颗粒还可能促进晶粒的生长,进一步强化陶瓷的性能[2, 3]

由于物理强度和耐磨性得到一定程度强化,同时陶瓷的耐高温性能好,纤维增强可以满足摩擦材料的所有要求:拥有较高的物理强度,不易破损;耐热性好,可以承受摩擦时产生的高温;耐磨性好,不易磨损,使用寿命长。因此,纤维增强陶瓷常作为摩擦材料,应用于工业生产及交通工具的制动装置制造领域。

1. 1.2镁质强化瓷

镁质强化瓷属于 MgO-K2O-Al2O3-SiO2四元系统(或MgO-Al2O3-SiO2三元系统)[4],其中的镁质原料主要由滑石引入,原料组分通常为 70~75%的煅烧滑石或蛇纹石,以及10~15%的长石。烧成温度通常在1300℃左右,氧化气氛和还原气氛都可选择,根据气氛不同,烧成后瓷器的颜色也有区别。镁质强化瓷的晶相较多,主要有原顽火辉石、堇青石、莫来石等。强化的机理如下:裂纹的扩展在经过晶界时会消耗更多的能量,而堇青石相在瓷器中呈弥散分布,要使其断裂,外力需要克服更大的晶界能做功;同时,镁质强化瓷中莫来石晶相会交织成网状,一定程度上也提高了其强度[5]

镁质强化瓷具有较高的抗折强度,可以达到180MPa以上,热稳定性良好。但同时,也具有坯料塑性差、易开裂,烧成范围窄,易老化等缺点。现阶段,研究人员通过研究改善原料组成烧成制度的方法,研究、开发可用的添加剂,对制备工艺进行改进。

镁质强化瓷除了拥有优秀的物理性能,可以制造优质的日用瓷外,由于其介电系数、介质损耗小、绝缘性好,可以做绝缘材料,在电子通信等领域应用广泛。

1.1. 3高铝质强化瓷

高铝质强化瓷是在传统陶瓷的长石-高岭土-石英三元系统中,额外加入大量氧化铝烧制而成,通常氧化铝占原料组分的30%,烧成温度通常在1350℃左右,气氛为氧化气氛。高铝质强化瓷的主要晶相为α-氧化铝(刚玉)与莫来石相。强化的机理如下:α-Al2O3本身具有较高的强度,并且,α-Al2O3与莫来石晶相会形成网状的结构,因此使得瓷器的强度显著提升[6, 7]

高铝质强化瓷抗折强度可以达到220MPa以上,热稳定性良好,但烧成温度较高。通过添加氧化钇等稀土氧化物,可以有效降低烧成温度,同时还能改善陶瓷耐磨性[8]

1.1.4骨质强化瓷

骨质瓷在传统陶瓷的长石-高岭土-石英三元系统中,加入一定量的骨灰烧制而成。通过骨灰,引入一定量的磷酸钙。烧成温度通常在1250℃左右,在高温烧成后,骨灰瓷的晶相主要是β-磷酸三钙、钙长石与莫来石。骨质瓷强化的机理是β-磷酸三钙与钙长石晶相互相交织,使得瓷器的强度提升。骨质瓷外观精良,白度、透光度高,热稳定性好,强度较高。通常会通过加入一些稀土或氧化物进一步补强。但骨质瓷的热稳定性较差,在高温下容易破裂,因此这方面仍需要进一步研究。

1.1.5 高硅质强化瓷

高硅质瓷在传统陶瓷的长石-高岭土-石英三元系统中,增加了石英的含量。通常在原料组分中,石英量占25%-30%。高硅质瓷的主要晶相是α-石英、莫来石和方石英。由于α-石英强度高,能够提高瓷器的强度。由于方石英的热膨胀系数大,通常认为其存在会使陶瓷的热稳定性降低,但实际上,坯体中的方石英作为了高硅玻璃与α-石英相结合的媒介,反而增强了热稳定性与强度,这部分会在第二章进一步讨论。

高硅质瓷瓷质细腻、色调柔和、釉面光润,透光度、白度、热稳定性、机械强度、耐磨性等性能都十分优良。其中,抗折强度能达到120MPa,而热稳定性可以达到220℃到20℃一次热交换不裂,相比其他常见的瓷器高50-60℃,正是因为其突出的热稳定性,因此高硅质瓷具有重点研究的价值。

1.2强化瓷的应用

20世纪70年代,日本首先研制成功了高铝质强化瓷。80年代,中国的研究人员经过不懈努力,成功研制出了高硅质强化瓷。世纪末,餐饮业发展迅速,尤其是国外的餐厅,洗碗机的使用比较普遍。普通的陶瓷制品物理性能有所欠缺,使用时釉面磨损明显,在对食材进行加热处理的过程中,可能因为热稳定性差而开裂,并且使用洗碗机进行洗涤时容易破碎。在这种情况下,餐饮业对陶瓷制品的物理性能的要求显著提高,而强化瓷正好满足了这个需求。高抗折强度使其不管在机器洗涤过程中抑或是日常的使用中都不易碎裂;釉面的硬度足够高,不会因为与餐具摩擦产生大量划痕甚至失去光泽;较高的热稳定性,满足了餐厅从高温到低温的各种烹饪需求。以此为契机,强化瓷的研究广泛开展[9]

现阶段,强化瓷研究的进展迅速,制备工艺逐步优化、完善,产品的性能也不断增强。强化瓷在众多领域中有广泛的应用。以骨质瓷、高铝质瓷、高硅质瓷为代表的高级日用细瓷,具有优美的色泽与优异的性能,在日用瓷领域占有一席之地。

医学上,牙科陶瓷的应用已经十分普遍。牙科陶瓷具有较好的耐磨性、生物相容性与化学稳定性,色泽真实、无毒性、坚固且不易滋生细菌。同时,强化陶瓷还可以用于人工关节和人工骨骼的制造,但技术尚未成熟,有待继续研究。

在航空航天领域,轻质强化瓷由于强度高、耐磨性强常用于制造发动机叶片等关键部件;热膨胀系数低、热传导率低的强化瓷常用于飞机或航天器表面的保温层,这种保温材料在其他领域也多有应用。在电子通信领域,常使用介电常数低、介质损耗低、比体积电阻大的强化瓷作绝缘材料。军事领域中,陶瓷或相关复合材料可以应用于防护器械,如通过陶瓷片吸收冲击力的防弹衣等。

1.3高硅质瓷的研究概况

上世纪60年代,由于高硅质瓷外观优良,国内外已经开始开展对高硅质瓷的研究,但是实验产品热稳定性差,甚至出现炸瓷等现象,因此未能得到推广。上世纪80年代,山东的研究人员对高硅质进行研究。在研究过程中,首先遇到的是原料问题。中国国土面积大,各地开采的矿物中组分含量不相同,质量难以统一。山东矿产资源丰富,研究人员从中选用了几种优质的原料进行原料精加工,统一了原料的质量,便于统计实验参数,为研究的成功奠定了基础。由于高硅质瓷易炸瓷,研究人员决定对其晶相的转变进行研究。通过不断改变原料的比例、烧成温度和保温时间等参数,并分析晶相以及瓷器各项物理性能的变化,研究人员积累了大量数据。最终发现通过把方石英晶相控制在一个合适的量,就能形成一种更稳定的结构,使陶瓷产品不但不发生炸瓷现象,而且具有优异的热稳定性,成功解决了高硅质瓷热稳定性差的难题,制造出具有高热稳定性与强度的高硅质瓷[10]。由于高硅质瓷性能优异,获得了国内外数个奖项,并被中南海选为国家用瓷。

高硅质瓷对原料质量的要求很高——使用的高岭土等原料含杂质要少,长石中碱含量要达到一定标准,为了保证晶相转变,只使用特定目数的石英。而且,高硅质瓷需要采用高温素烧、低温釉烧二次烧成的烧成制度。这些问题显著增加了生产成本,降低了生产效率,一定程度上制约着高硅质瓷的发展。现阶段,经过研究人员对制备工艺研究与改进,高硅质瓷的生产已经具有一定规模,然而在降低生产成本方面并未取得实质性的进展,如何使用低成本的原料与更简单的烧成制度生产出高硅质瓷是研究人员需要研究的问题。同时,随着其他强化瓷的研究的进行,其各方面物理性能也有所增强,因此,如何提高高硅质瓷的物理性能也是研究人员需要进行的课题[11]

1.4本课题研究的目的与意义

上世纪60年代,国内外学者开始研究高硅质瓷,但制得的瓷器热稳定性差,不实用,未能得到推广。80年代,中国的研究人员通过不懈努力,研制出了具有高热稳定性的高硅质瓷,为高硅质瓷的研究开创了先河。上世纪末,由于餐饮业的发展,对强化瓷的需求增大,强化瓷的研究开始广泛开展,作为强化瓷的一种,高硅质瓷的研究进展也得到了推进。

高硅质瓷外观上瓷质细腻,色调柔和,釉面光润;机械性能方面,强度、硬度较高,热稳定性远超其他种类的陶瓷。高硅质瓷综合性能较高,在各类强化瓷中,属于高档的品种。虽然高硅质瓷性能良好,但是也有不足之处。由于对原料和烧成制度有着严格要求,高硅质瓷的生产成本较高。并且,相比其他种类的强化瓷,高硅质瓷在强度上还是有所不及。现阶段,高硅质瓷的研究主要有如下两个方面:

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