摘要 本文探討了一種新型日用微晶陶瓷的生產(chǎn)方法，在工藝上改全熔塊燒結(jié)為部分熔塊燒結(jié)，并利用現(xiàn)有日用陶瓷生產(chǎn)線實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。

關(guān)鍵詞 微晶陶瓷，熔塊，燒結(jié)，鋰輝石

1前言

微晶陶瓷是近年來發(fā)展起來的一種新材料。微晶陶瓷是通過材料化學(xué)組成的選擇、晶核劑的加入、熱處理過程的控制等一系列環(huán)節(jié)，在材料中形成微米級尺寸的微晶，其含量可達50～95%。這種特有的結(jié)構(gòu)可大大改善陶瓷材料的力學(xué)性能，提高陶瓷材料的強度和韌性。目前微晶陶瓷的制造工藝有兩種，一種是采用熔塊為原料的燒結(jié)法；另一種是采用玻璃制備工藝的熔融法。前者原料成本高且難以制作形狀復(fù)雜的產(chǎn)品；后者對設(shè)備要求苛刻難以在現(xiàn)有的陶瓷生產(chǎn)線上實施?，F(xiàn)有的制備微晶陶瓷的燒結(jié)法一般是將預(yù)定組成的原料全部在1400℃以上熔融成熔塊，然后粉碎、成形和燒結(jié)，獲得制品，也可稱之為全部熔塊燒結(jié)法。熔塊的熔制過程能源消耗大、成本高，且成形時的物料全部為瘠性物料，難以制作形狀復(fù)雜的日用陶瓷制品。本研究方法的思路是將全部熔塊燒結(jié)法變?yōu)椴糠秩蹓K燒結(jié)法，對微晶陶瓷的工藝過程進行大幅度的變革。在滿足預(yù)定組成的前提下，以含鋰的天然礦物、具有成形性能的天然礦物和部分熔塊為原料，使之可利用現(xiàn)有的普通陶瓷生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，既降低了生產(chǎn)成本，又改善了成形的性能，制作出高強度、高抗熱震性的日用微晶陶瓷，并實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。下面將試驗生產(chǎn)過程作一個介紹。

2工藝技術(shù)方案的確定

工藝技術(shù)路線：

（1） 現(xiàn)有的微晶陶瓷工藝，是在制品燒結(jié)成形后通過在較低溫度下的熱處理來控制微晶的尺寸和產(chǎn)量。本研究根據(jù)精細(xì)陶瓷的制作原理，采用原料的超細(xì)粉碎，通過反應(yīng)燒結(jié)獲得設(shè)計的主晶相，調(diào)整配方控制燒結(jié)溫度并選擇合理的燒成制度以控制晶相尺寸，從而獲得具有理想顯微結(jié)構(gòu)的微晶陶瓷，以滿足宏觀性能的要求。

（2） 本研究以Li₂O-Al₂O₃-SiO₂系為基本物系。由于鋰原子的特殊性質(zhì)，一系列含鋰礦物如鋰輝石、葉長石等均具有低膨脹甚至是負(fù)膨脹特性。配方選擇主要出于這樣的考慮：根據(jù)氧化鋰-氧化鋁-氧化硅系三元相圖，將組成點選在含鋰礦物的初晶區(qū)，以保證低膨脹晶體的析出；采用多組元熔劑，降低燒結(jié)溫度，使之利于細(xì)晶結(jié)構(gòu)的形成；合理選擇原料以保證低成本和良好的成形性能。根據(jù)以上的工藝控制手段，可合理解決坯體燒結(jié)、析晶溫度控制、低膨脹晶相形成以及坯料成形性能之間的矛盾，以獲得高強度、低膨脹、高熱震穩(wěn)定性、低成本且適應(yīng)現(xiàn)有普通陶瓷生產(chǎn)工藝的微晶陶瓷制品。

（3） 考慮到原料來源的穩(wěn)定性，采用天然鋰輝石為原料，由于天然鋰輝石在高溫過程中存在晶型轉(zhuǎn)變并伴隨有較大的體積膨脹，故需采用預(yù)煅燒。

（4） 坯釉的匹配是獲得良好熱穩(wěn)定性的前提，坯體的低膨脹性和低燒結(jié)溫度對釉料的研制提出了更苛刻的要求。為能滿足規(guī)模生產(chǎn)需要，確定釉料研制的思路為：以天然鋰輝石和低膨脹熔塊為原料，以滿足與坯體理化性能相匹配為前提，釉料的裝飾效果不拘泥于透明釉。

（5） 試驗過程中將計算機輔助設(shè)計與試驗研究相結(jié)合，以縮短試驗周期，加快試驗過程。

3坯釉料配方的研究

3.1 原料的種類及化學(xué)組成

根據(jù)方案中確定的原則，坯體原料主要有：天然鋰輝石：形成低膨脹的主晶相；連江土、蘇州土、生砂和少量的紫木節(jié)：可獲得較好的成形性能；石英：調(diào)節(jié)坯體組成在Li₂O-Al₂O₃-SiO₂三元系的含鋰化合物的初晶區(qū)；滑石、長石、ZnO、熔塊：形成多組元溶劑，降低坯體的燒結(jié)溫度。釉用原料主要有：天然鋰輝石、蘇州土、石英、滑石、長石、硅灰石、ZnO、熔塊和超細(xì)鋯英石等。主要原料的化學(xué)組成見表1。

3.2 坯體配方的研究

將坯體的組成點選在Li₂O-Al₂O₃ -SiO₂三元系的含鋰化合物的初晶區(qū)內(nèi)，如圖1的陰影區(qū)所示。

坯體中原料組成的范圍見表2。

通過計算機輔助設(shè)計先后篩選了四組配方進行試驗，并測定其基本性能進行比較選擇。部分試樣的性能測定見表3，并對試樣進行掃描電鏡分析，觀察其顯微結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖2。

在坯體配方的研究過程中有如下規(guī)律：熔塊的加入可在較低溫度下形成液相，顯著降低燒結(jié)溫度，同時也使熱膨脹系數(shù)增大。加入適量時可適當(dāng)擴大燒結(jié)溫度5℃的范圍，加入過量時則使燒結(jié)溫度范圍變窄；ZnO的加入可大幅度提高坯體的白度、降低燒結(jié)溫度并提高力學(xué)性能；各種熔劑間適當(dāng)?shù)谋壤欣跓Y(jié)溫度的降低和燒結(jié)溫度范圍的加寬；坯體的熱膨脹系數(shù)隨鋰輝石的加入量增加而降低。由X射線衍射分析得知：坯體中有大量晶體析出，主晶相為透鋰長石固溶體Li₂[Al₂Si₃O₁₀]，其次為少量莫來石。經(jīng)分析晶相量大于60%。

由表3可見，試樣的抗折強度均具有較高值，且燒結(jié)溫度較低的試樣強度較高，燒結(jié)溫度較高的試樣強度相對較低。由B-2和D-3的掃描電鏡照片（見圖2）可知，燒結(jié)溫度較高的B-2，以針狀和粒狀晶體為主，晶粒尺寸約在5～10μm，結(jié)構(gòu)均勻性較差；而燒結(jié)溫度較低的D-3晶粒尺寸約為2～3μm。這說明隨著燒結(jié)溫度的降低，晶粒尺寸減小，坯體的顯微結(jié)構(gòu)優(yōu)化，凸現(xiàn)出微晶材料優(yōu)越的力學(xué)性能。

該體系的坯體燒成溫度范圍較窄，一般在30℃左右，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整可達到50～60℃，基本可適應(yīng)在輥道窯中的燒成要求。

通過研究比較，綜合考慮坯體的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、白度、成形性能，以及與生產(chǎn)線燒成溫度的匹配、與釉料的匹配等，選擇D-3為基本配方，在此基礎(chǔ)上調(diào)整粘土的種類，并選擇加入外加劑，進一步改善坯體的成形性能，以適應(yīng)不同的成形方法。

D-3的坯式：

經(jīng)測定泥料的工藝性能如下：

注漿泥：細(xì)度0.06%、觸變性1.19、流動性6.75、收縮率11.8%、干坯強度2.32MPa。

滾壓泥：細(xì)度0.05%、可塑性指標(biāo)3.25kg#8226;cm、收縮率12.1%、干坯強度2.51MPa。

3.3 釉料的研制

本項目中坯體的燒結(jié)溫度低、熱膨脹系數(shù)小，增加了釉料研制的難度。在釉料中以具有低膨脹性的鋰輝石為主要原料，加入部分熔塊，并加入少量的鋯英石以提高釉玻璃網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合強度。釉料的原料組成范圍見表4。

通過多次試驗得到了與坯體相匹配且裝飾效果良好的Y22配方，釉式如下：

Y22釉的熱膨脹系數(shù)、熔融溫度測定如表5和表6所示。

4工藝流程和工藝參數(shù)

為確保新產(chǎn)品的質(zhì)量，采用一次燒成工藝。工藝流程見圖3。

主要工藝參數(shù)如下：

滾壓泥：細(xì)度：0.02～0.05%、陳腐期：5天、水份：21～22%

注漿泥：細(xì)度：0.04～0.08%、陳腐期：7天、比重：1.7～1.8g/cm3

釉漿：細(xì)度：0.01～0.03%、陳腐期：先出先用、比 重：1.38～1.40g/cm3

燒成均采用燃?xì)廨伒栏G。

最高燒成溫度：1140～1160℃，燒成周期為5h

5產(chǎn)品的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

主要的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表7。

產(chǎn)品具有較高的強度和優(yōu)良的熱震穩(wěn)定性，可以直接加熱物品，完全可以滿足燒烤用微波爐餐具的要求。該產(chǎn)品的制備過程基本同精陶制品，只是原料成本有所提高，平均每件產(chǎn)品成本提高約2～3元左右，而售價提高了10～12元，按年產(chǎn)100萬件計，年純增效益約900萬元，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

6 結(jié) 論

（1） 本項目對微晶陶瓷的工藝過程進行了大幅度的變革，改全部熔塊燒結(jié)法為部分熔塊燒結(jié)法，以天然鋰輝石、具有成形性能的粘土礦物和部分熔塊為原料，利用現(xiàn)有的普通陶瓷生產(chǎn)線成功地研制出日用微晶陶瓷產(chǎn)品。

（2） 本研究以Li₂O-Al₂O₃-SiO₂三元系為基本物系，通過反應(yīng)燒結(jié)獲得低熱膨脹的主晶相；采用原料的超細(xì)粉碎，采用多組元熔劑，降低燒結(jié)溫度，使之利于細(xì)晶結(jié)構(gòu)的形成；合理選擇原料以保證低成本和良好的成形性能，從而合理解決坯體燒結(jié)、析晶溫度控制、低膨脹晶相形成以及坯料成形性能之間的矛盾。

（3） 采用以鋰輝石為主要原料的熔塊釉，通過合理調(diào)整各熔劑之間的比例，使之與低熱膨脹、高強度坯體相匹配，保證了產(chǎn)品的最終性能。

（4） 合理地調(diào)整現(xiàn)有的日用陶瓷工藝，制備了晶相含量大于60%、晶粒尺寸為2～3μm的鋰質(zhì)微晶陶瓷，并獲得在1150℃下完全燒結(jié)、抗折強度大于70MPa、熱震穩(wěn)定性500～20℃水中熱交換三次不開裂的日用微晶陶瓷制品，而且該產(chǎn)品可直火加熱不破壞。該項目產(chǎn)品已經(jīng)投入試產(chǎn)，是一種高性能、高附加值、低成本，具有強大市場競爭力的新產(chǎn)品。