7摘 要: 建筑陶瓷產(chǎn)品基本由陶瓷坯體、裝飾釉料及微晶玻璃組成，而構(gòu)成這些材料的基本組成是它們的化學成分。本文及后續(xù)篇章將一一分篇介紹這些化學成分(元素)的基本物理和化學性質(zhì)，及其在自然界存在的主要形式及其主要性能，以及這些化學成分在陶瓷坯體、釉料及微晶玻璃中的作用與影響，本篇從硅(Si)開始論述。

關(guān)鍵詞:化學成分;硅;陶瓷坯體;釉料;微晶玻璃

1 前言

眾所周知，建筑衛(wèi)生陶瓷涵蓋內(nèi)墻釉面磚、仿古磚、瓷質(zhì)拋光磚以及衛(wèi)生潔具(大、小便器、面盆、浴缸等)等，這些陶瓷建筑裝飾材料已構(gòu)成了整個建材裝飾市場中極其重要的組成部分，也是家居以及公共場所內(nèi)外墻面和地面裝修的主力軍。30多年以來，我國在建筑陶瓷領(lǐng)域，無論在產(chǎn)量與質(zhì)量方面，還是在外觀藝術(shù)美學性與內(nèi)在使用性能方面，都有了突飛猛進的發(fā)展，我國已邁進世界建筑陶瓷生產(chǎn)的大國與強國行列。建筑陶瓷材料基本由陶瓷坯體、裝飾釉料(包括釉原料、熔塊、色料、滲透可溶鹽料)和微晶玻璃組成，正是這些材料的多重組合與搭配才形成了五顏六色、琳瑯滿目的建筑陶瓷產(chǎn)品。從根本上說，構(gòu)成這些材料的基本組成是它的化學組成，即構(gòu)成這些材料的基本元素。正是鑒于這個因素，了解并認識組成這些材料的化學組成，對于研發(fā)各種建筑陶瓷制品，指導、控制產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及其主要參數(shù)將有重要的點撥與啟示性意義。組成建筑陶瓷的化學元素是周期表中的常見元素，也是地殼豐度較大的元素。歸納起來，主要包括:硅(Si)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)、鉀(K)、鍶和鋇(Sr，Ba)、鋅(Zn)、鋰(Li)、硼(B)、磷(P)、氟(F)、鐵(Fe)、鈦(Ti)，還包括:鋯(Zr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、銅(Cu)、金和銀(Au，Ag)、鉻(Cr)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、硫和硒(S，Se)、鉬和鎢(Mo，W)、砷和銻(As，Sb)、鑭系稀土元素(La，Ce，Pr，Nd……，)、釩(V)等。在本篇以及陸續(xù)推出的續(xù)篇中，筆者將一一分篇介紹這些化學元素的基本物理和化學性質(zhì)、在自然界中的存在形式及其基本性能，以及這些化學組成在建筑陶瓷坯體、釉料及微晶玻璃中的作用和影響。

2 硅的基本物理、化學性質(zhì)

硅屬于元素周期表中的第四主族元素之一，它屬于帶有少許金屬性質(zhì)的非金屬元素，也稱為半導體元素。與氧相比，它有很小的有效離子半徑、高的場強、高的離子化能以及負電性，它與氧易形成鍵強度很高的Si-O鍵(比Na-O鍵強度高8倍)。對于氧化硅、硅酸鹽、硅鋁酸鹽、硅硼酸鹽等來說，它的基本結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體，通過公用氧的形式，這些硅氧四面體聚合形成不同結(jié)構(gòu)特點的硅酸鹽、硅鋁酸鹽，如島狀結(jié)構(gòu)、環(huán)狀結(jié)構(gòu)、單鏈狀結(jié)構(gòu)、雙鏈狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、架狀結(jié)構(gòu)以及它們的復合結(jié)構(gòu)硅酸鹽和硅鋁酸鹽。對于硅酸鹽和硅鋁酸鹽的晶體材料而言，這些硅氧四面體將聚合成具有重復規(guī)律性的宏觀規(guī)則結(jié)構(gòu)(遠程有序);而對于硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽的玻璃結(jié)構(gòu)而言，這些硅氧四面體只是聚合成近程有序、遠程無序的無定形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因此硅是玻璃結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡形成體。晶體硅屬于立方晶系，是金剛石型結(jié)構(gòu)的原子晶體。晶體硅主要表現(xiàn)為非金屬性，它不溶于水、硝酸、鹽酸，易與金屬作用生成硅化物，例如與金屬鎂作用生成硅化鎂的離子型化合物，而這種化合物與水或酸作用可以生成硅烷。同時它也帶有一些金屬性質(zhì)，呈現(xiàn)金屬光澤，與某些非金屬可以反應，例如與氟常溫下可以生成SiF4，在600℃下與氧反應生成SiO2;Si在2000℃時與碳反應生成碳化硅(SiC)，SiC是重要的硬質(zhì)工具材料和磨料。純硅粉在1300℃及非氧化氣氛下與氮反應生成氮化硅(Si3N4)，這是最有前景的陶瓷發(fā)動機材料。它在含氧酸中常被鈍化，但它在如HNO3、CrO3、KMnO4、H2O2氧化劑存在的條件下，與氫氟酸(HF)可以反應并被溶解掉。正前所述，晶體硅雖然屬于非金屬，但它具有較強的金屬光澤。利用這一性質(zhì)可以用它作為陶瓷釉的閃光粉，它在這方面應用的關(guān)鍵在于釉的熔點要盡可能低一些，在它與氧發(fā)生反應前熔化，把硅與氧隔開。當然，它與氧反應的化學活潑性質(zhì)，還使它可以用作釉料和某些微晶玻璃(例如銅紅微晶玻璃)的還原劑。

3 硅在自然界存在的主要形式及其主要性質(zhì)

硅是地殼中豐度占第二位(僅次氧)的元素，約占地殼中總化學元素的27.6%。硅在自然界中存在的主要形式是二氧化硅及硅酸鹽。

3.1 二氧化硅(SiO2)在自然界，二氧化硅的主要存在形式是石英，它是最為常見的造巖礦物之一。還存在方石英、鱗石英、斯石英、柯石英。不過，這些礦物較為少見，特別是斯石英、柯石英，它們只是高溫高壓的產(chǎn)物。石英的地質(zhì)產(chǎn)狀主要有四類:(1)以偉晶巖巖脈形式產(chǎn)出的所謂“脈石英”;(2) 以變質(zhì)巖的形式存在的所謂石英巖;(3) 以沉積巖形式存在的所謂石英砂巖;(4) 以沖積砂的形式存在的所謂石英砂(包括坡積砂、河砂、海砂)。其中以前兩種形式產(chǎn)出的石英含量較多，含雜質(zhì)較少，質(zhì)量比較穩(wěn)定。除了上述結(jié)晶質(zhì)的二氧化硅礦物以外，尚有以無定形形式存在的燧石，它的地質(zhì)產(chǎn)出形式是化學沉積巖。這種燧石由于硬度高、韌性強、耐磨性好，常用于球磨機石襯和球石。石英在平衡加熱條件下和非平衡加熱(實際的、通常的、相對較短時間的加熱)條件下將發(fā)生如圖1和圖2所示的相變[1]。 從圖1可以看出:(1) 橫向轉(zhuǎn)化屬于不同晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化是結(jié)構(gòu)重組的變化，即六方晶系的α-石英(單位晶胞參數(shù)a0=5.02 ，c0=5.48 )在870℃下變化到六方晶系的α-鱗石英(單位晶胞參數(shù)a0=5.04，c0=8.24)，在1470℃又轉(zhuǎn)化為等軸晶系的方石英(單位晶胞參數(shù)a0=7.134~7.149)。這種轉(zhuǎn)化有兩個特點，一個是它們之間的轉(zhuǎn)化比較緩慢，而且都在較高溫度(870℃、 1470℃)下發(fā)生的;一個是這種轉(zhuǎn)化伴隨著體積變化較大，α-石英轉(zhuǎn)化為α-鱗石英體積變化為16%，α-鱗石英轉(zhuǎn)化為α-方石英體積變化為4.7%。盡管體積變化較大，但由于它的轉(zhuǎn)化的速度非常緩慢，加上在較高溫度下已形成一定量的玻璃相，所以這種轉(zhuǎn)化不會造成熱穩(wěn)定性的不利影響。(2) 豎向的變化是屬于近似結(jié)構(gòu)的變化，只需改變鍵角就可以完成。例如α-石英的Si-O-Si鍵角為141°，β-石英的Si-O-Si鍵角為144°，這兩種石英的四面體都是在C軸方向上作螺旋形排列。鱗石英的三種變體的晶體結(jié)構(gòu)特點也相似，γ-鱗石英的Si-O-Si鍵角為140°，α-鱗石英的為180°。方石英兩種變體的晶體結(jié)構(gòu)也類似，α-方石英的Si-O-Si鍵角近似于151°，而β-方石英的Si-O-Si鍵角為147°。這種變化的特點與前面所述恰好相反，一個是它們之間的轉(zhuǎn)化特別迅速，而且都是在較低溫度下發(fā)生的;另一個是它們的變體之間的轉(zhuǎn)化伴隨著體積變化較小，α-石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英的體積變化為0.82%，α-鱗石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣?鱗石英和β-鱗石英轉(zhuǎn)化為γ-鱗石英體積變化均為0.2%，α-方石英轉(zhuǎn)化為β-方石英的體積變化為2.8%。不過由于它們的轉(zhuǎn)化溫度低，轉(zhuǎn)化速度快，此時坯體中又沒有玻璃相，所以很容易引起破裂。特別是α-石英轉(zhuǎn)化為β-石英是常常引起所謂“風驚”缺陷的重要原因。當然，α-方石英轉(zhuǎn)化為β-方石英也是引起坯體破裂的因素，需要在急冷和緩冷時要有足夠的時間進行。由圖2可以看出:(1) 在不平衡條件的實際加熱過程中，不管有無礦化劑存在，首先將生成所謂有結(jié)構(gòu)缺陷的方石英，這種晶體結(jié)構(gòu)不完全的方石英也會發(fā)生高、低溫度變體的轉(zhuǎn)化，體積改變?yōu)?.8%。結(jié)構(gòu)有缺陷的方石英轉(zhuǎn)變溫度低于270℃，而且缺陷越多，轉(zhuǎn)變溫度也越低，甚至可低于180℃，同時轉(zhuǎn)變的速度也會減緩。在通常的燒成曲線中，如果上面溫度與下面溫度相差很大時，坯體的方石英含量會相差較多，這就是造成坯體后期反彈的重要原因。當然，急冷上下風量相差較大也會造成熱應力的反彈;另外，瓷磚表面拋光也會使表面熱膨脹系數(shù)較小的表層去掉，而造成拋光反彈。因此，要注意區(qū)分陶瓷磚的三種后期反彈的具體原因。(2) 鱗石英通常是α-石英存在礦化劑以及溫度超過1400℃的條件下才能生成，它的α-β-γ型變體的相轉(zhuǎn)變非常迅速，但轉(zhuǎn)變的體積變化最小(只有0.2%)，故它的存在對于陶瓷坯體的熱穩(wěn)定性影響程度均小于方石英和石英。(3) 在高溫(1670~1728℃)下，鱗石英和方石英均會轉(zhuǎn)化為熔融石英，此時體積有0.1%的變化。隨著助熔劑的存在，這種轉(zhuǎn)化的溫度還會進一步下降。(4) 熔融石英在快速冷卻的條件下將生成熱膨脹系數(shù)很小(可為0.5×10-6/℃)的石英玻璃。反過來，石英玻璃在長時間加熱和無礦化劑條件下會生成熱膨脹系數(shù)較大(10.3×10-6/℃)的、具有理想有序的無缺陷的方石英或有晶格缺陷的方石英，此時體積將發(fā)生-0.1%的改變。而如果存在礦化劑時，在1200~1400℃長時間加熱下將生成鱗石英。鱗石英的熱膨脹系數(shù)也很大，為21.0×10-6/℃。綜合看來，所有晶態(tài)SiO2， β-方石英、γ-鱗石英、β-石英(熱膨脹系數(shù)為12.3×10-6/℃)的熱膨脹系數(shù)均很大，而石英玻璃的熱膨脹又很小，兩者相差20倍以上。因此，區(qū)分SiO2的存在狀態(tài)，對于了解熱膨脹系數(shù)的影響至關(guān)重要。(5) 除了熱膨脹性能外，不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的SiO2的其它性能的變化也有它的特點:1) 莫氏硬度:石英的莫氏硬度為7，方石英和石英玻璃的莫氏硬度為6~7;對于玻璃而言，SiO2是提高硬度效果最顯著的成分之一。雖然SiO2的各變體硬度較高，但它們均較脆。2) 比重:低溫石英的比重為2.95，低溫方石英的比重為2.32，低溫鱗石英的比重為2.26，石英玻璃的比重為2.20;比重數(shù)值說明，當?shù)蜏厥⑥D(zhuǎn)變?yōu)槭⒉Ａr，體積將增加。3)折光率:低溫石英:Ne 1.553，No 1.544;低溫方石英:Ne 1.484，No 1.487;低溫鱗石英:Ne 1.473，No 1.469;石英玻璃N為1.46左右。由于釉玻璃的折光率為1.50~1.55，所以添加適量的石英不會造成釉的透明度下降，還能提高釉的硬度。4) 耐化學腐蝕性:各種SiO2的變體，無論是結(jié)晶態(tài)還是無定形的玻璃態(tài)，它們均不溶于水和酸(氫氟酸除外)，這說明SiO2的耐化學腐蝕性較強。5) 粘度:當各種結(jié)晶變體在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)槭⒉Ａr，它在相當寬的溫度范圍內(nèi)粘度較高，數(shù)據(jù)如表1所示。這些數(shù)據(jù)表明，在1100~1200℃溫度范圍內(nèi)，它的粘度超過1012~1013分泊，所以添加SiO2有利于抵抗粘滯流動產(chǎn)生的變形，有利于擴大燒成范圍。6) 表面張力:從各種氧化物對玻璃的表面張力影響的特征系數(shù)表來看，SiO2的存在會使玻璃的表面張力趨向減小。7) 光學性質(zhì):二氧化硅玻璃在紫外、可見光、紅外范圍的透過率均好，都高于多組份含硅酸鹽玻璃的透過率。此外，二氧化硅玻璃還具有高的抗輻射性。

3.2硅酸鹽硅在自然界形成的單一硅酸鹽礦物種類繁多，但構(gòu)成大的礦床或普遍存在的硅酸鹽不太多。根據(jù)硅酸鹽結(jié)構(gòu)中硅氧四面體存在特點，主要可分為以下幾類:(1) 島狀硅酸鹽，可以以鋯英石(將在Zr篇述及)為代表;(2) 鏈狀硅酸鹽，可以以硅灰石(將在Ca篇述及)、透輝石(將在Ca篇述及)、鋰輝石(將在Li篇述及)為代表;(3)層狀硅酸鹽，可以以滑石(將在Mg篇述及)、葉蠟石(將在Al篇述及)、高嶺石(將在Al篇述及)、伊利石(將在Al篇述及)、蒙脫石(將在Al篇述及)為代表;(4)架狀硅酸鹽，可以以鉀長石(將在K篇述及)、鈉長石(將在Na篇述及)、霞石(將在Na篇述及)為代表。

4 二氧化硅對陶瓷坯體、釉料以及微晶玻璃性能的作用與影響

4.1對陶瓷坯體性能的作用與影響(1) 對燒成溫度的影響一般來說，增加二氧化硅的含量，會增加坯體的燒成溫度，反之，減少二氧化硅的含量則會降低燒成溫度，特別是如果增加常見的石英含量時，更是如此。石英的高熔點(1740℃)會提高陶瓷坯體的燒結(jié)溫度。當然，如果不是傳統(tǒng)的陶瓷坯體配方體系(例如是低硅或無硅的成分體系)，那么增加二氧化硅的含量則不一定會提高其燒成溫度。(2) 對熱膨脹性能的影響通常，陶瓷坯體的成分體系的特點是硅飽和，也就是坯體成分最終都有不能熔解的石英。因此，添加二氧化硅含量成分，實質(zhì)上就是增加石英的含量。如前所述，石英的熱膨脹系數(shù)較高，可達到10~12×10-6/℃。因此，增加二氧化硅含量勢必提高熱膨脹系數(shù)。(3) 對硬度與脆性的影響由于二氧化硅(無論晶態(tài)與玻璃態(tài))本身的莫氏硬度高、脆性大，基于陶瓷坯體是硅飽和的配方體系，增加二氧化硅含量勢必也會增加坯體的硬度與脆性。無疑，硬度的提高會提高陶瓷坯體的耐磨性，但脆性的增加，則易造成坯體崩邊。(4) 對耐化學腐蝕性的影響由于二氧化硅優(yōu)越的耐酸性與良好的耐堿性，一般來說，增加二氧化硅含量勢必也會增加陶瓷坯體的耐化學腐蝕性，特別是明顯提高其耐酸性。(5) 對透明度的影響對于瓷質(zhì)?；奶沾芍破穪碚f(如衛(wèi)生瓷、日用瓷、?；少|(zhì)拋光磚)，增加二氧化硅的含量(無論晶態(tài)和非晶態(tài))將增加制品的透明度。因為無論是哪種變體的二氧化硅，其折光率都與瓷質(zhì)制品中的玻璃相的折光率(1.5左右)相近，特別是常見的石英礦物，它的折光率更接近。因此，添加二氧化硅，特別是添加石英，則勢必會增加這些制品的透光度。當然，這種添加也要有一定的限度，添加過多反而會使其中的玻璃相減少，致使透明度反而降低。

4.2對釉料以及微晶玻璃性能的作用與影響(1) 對熔化溫度的影響二氧化硅是釉料與微晶玻璃的主要成分，也是構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡的主要網(wǎng)絡形成體。增加二氧化硅含量，無論是晶態(tài)和非晶態(tài)，勢必既提高釉料與微晶玻璃的熔點，又增大其粘度，從而使釉料的始熔溫度和熔平溫度提高，也會使微晶玻璃配料在熔池中的熔化溫度(包括澄清溫度)以及其燒結(jié)溫度與熔平溫度升高。(2) 對熱膨脹的影響一般情況下，添加的二氧化硅在釉料及微晶玻璃中都將轉(zhuǎn)化成二氧化硅玻璃。鑒于二氧化硅玻璃的熱膨脹系數(shù)很小，只有0.5×10-6/℃，二氧化硅在釉料及微晶玻璃中的作用與在硅飽和成分體系的陶瓷坯體中的作用相反，增加二氧化硅含量會明顯降低釉料及微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)。當然，如果釉料中耐火度高的組份較多，或者微晶玻璃中的二氧化硅含量或其它耐火度成分(如氧化鋁)較多時，增加二氧化硅，特別是晶態(tài)石英時，它們已不能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崤蛎浵禂?shù)較小的二氧化硅玻璃，這時增加二氧化硅的含量，也將相應增加釉料與微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)。特別要指出的一點是，由于陶瓷底釉常常是外加料較多，熔塊較少，在這種情況下，添加的二氧化硅在底釉中不易轉(zhuǎn)化為二氧化硅玻璃，因此常常會增加底釉的熱膨脹系數(shù)。相反，在外加料較少、熔塊含量較多的其它類釉中，添加石英類的二氧化硅則較易轉(zhuǎn)化為二氧化硅玻璃，導致熱膨脹系數(shù)降低。微晶玻璃是純玻璃粒料燒結(jié)而成，微晶玻璃配方成分中的晶態(tài)二氧化硅一般會全部轉(zhuǎn)化為二氧化硅玻璃，因此添加二氧化硅的作用就只有降低熱膨脹系數(shù)。(3) 對硬度和脆性的影響與前所述的對陶瓷坯體的影響一致，增加二氧化硅含量會增加釉料及微晶玻璃的硬度。同時，增加二氧化硅含量也會導致釉料及微晶玻璃的脆性的增加。釉料及微晶玻璃的一大缺陷是它的抗沖擊強度(包括抗張強度)較小，彈性模量也小(即脆性大)，為了改善這一狀況，可以從以下兩方面著手解決:1) 一方面是成分中多引進半徑小、電荷高、極化能力強的離子成分，如Li+、Mg2+、Al3+、B3+、Ti4+、Zr4+等成分，以提高釉料及微晶玻璃的彈性，或者引入Ca2+、B3+、Ba2+、Al3+等成分，以提高釉料及微晶玻璃的抗張強度。2)可以通過在玻璃轉(zhuǎn)變點附近的溫度下進行淬冷鋼化處理，或者通過表面微晶化再處理來提高釉料及微晶玻璃的表面強度與表面硬度，這也是改善釉料及微晶玻璃的機械強度、彈性和耐磨性的有效方法。(4) 對粘度的影響粘度是釉料及微晶玻璃的重要性能之一，對于硅酸鹽釉料及微晶玻璃來說，它們的粘度與硅氧四面體(SiO4)的聯(lián)結(jié)程度有關(guān)。當二氧化硅含量越多時，其硅氧四面體的聯(lián)結(jié)群體就越大，粘度也越高。二氧化硅對提高粘度有明顯作用，除了氧化鋁、氧化鋯外，很少有其它常見成分對提高粘度的作用能與之匹敵。(5) 對表面張力的影響表面張力是釉料及微晶玻璃的另外一個重要性能，但不少陶瓷科技研發(fā)工作者對之了解甚少，因此有必要在這里作一詳細說明。表面張力通常指液相或玻璃熔體(玻璃相)在與其它相接觸的界面上，在恒溫、恒容下增加單位表面積或單位長度所作的功或力(國際單位為J/m2或N/m)。也就是說，在相界面上，要改變表面張力大的液相或玻璃熔體的表面積或距離，就要花費較多的驅(qū)動力(功或力);反之，在相界面上要改變表面張力小的液相或玻璃熔體的表面積或距離，就比較不費什么功或力就可以實現(xiàn)。根據(jù)表面張力的大小，通常將化學成分分為三類:第一類是非表面活性成分，即表面張力較大的成分。大部分的常見組份都屬于這一類，如SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、Na2O、ZrO2、SnO2、BeO、SrO、BaO、ZnO、CdO、MnO、CoO、NiO、Li2O、CaF2等;第二類是表面活性組份，即表面張力很低的成分，這是一類較為少見的成分種類，如As2O3、Cr2O3、V2O5、WO3、MoO3、SO3等。它們的表面張力平均特征常數(shù)值都是很小的負值;第三類是中間類型的組份，即表面張力較低，但特征常數(shù)值又不是非常負的值，在0數(shù)值附近。這一類成分包括K2O、B2O3、Sb2O3、PbO、P2O5等。它們均是常見的成分，也是價格尚不昂貴的成分。二氧化硅雖然屬于非表面活性組份(即表面張力較大的組份)，但它在這一類成分中還應屬于偏低的表面張力組份，除了二氧化鈦、氧化鈉外，其它所有表面張力較大的非活性組份的表面張力特征常數(shù)值均大于二氧化硅。需知，組成微晶玻璃及釉料的主要成分或大部分成分都是非表面活性成分，即表面張力較大的成分。所以，在多數(shù)情況下，添加二氧化硅會少許降低他們的表面張力，但二氧化硅減低表面張力的作用遜于K2O、B2O3、Sb2O3、PbO、P2O5，更差于表面活性組份。由前所述，表面張力與粘度是釉料及微晶玻璃的兩大重要性能，他們將影響釉料及微晶玻璃的質(zhì)量，下面舉例具體論述。1) 對消除氣孔缺陷的影響毋庸諱言，良好的釉料在燒成后必須表面基本無氣孔缺陷(如針孔、棕眼)，高檔的微晶玻璃在拋后更不能允許有毛孔、熔洞的氣孔缺陷。而消除釉料及微晶玻璃的氣孔缺陷，關(guān)鍵在于調(diào)整他們的粘度與表面張力，當然，對于微晶玻璃來說還應調(diào)整他們的析晶過程與析晶速度。對于一次燒成的釉料與微晶玻璃來說，還要調(diào)整他們的始熔溫度和相應的燒成曲線。這里我們主要談一下粘度與表面張力對釉料及微晶玻璃消除氣孔的作用。釉料細粉與微晶玻璃粒料在燒成過程中經(jīng)歷了四個階段:第一階段是細粉與粒料的燒結(jié)階段;第二階段是氣泡在釉熔體和微晶玻璃熔體的上升階段;第三階段是氣泡從釉熔體與微晶玻璃熔體表面逸出階段;第四階段是釉熔體和微晶玻璃熔體冷卻時吸收氣泡中的氣體的階段。在燒結(jié)階段，由劉在權(quán)[2]等提出的玻璃粉末的燒結(jié)公式(1):△L/L=K(1)

式中:△L/L——收縮率;K——系數(shù);σ——表面張力;η——粘度;r——細粉與粒料的半徑。由此可知，燒結(jié)后剩余氣體體積的多少與收縮率△L/L高低有關(guān)，燒結(jié)后剩余氣體越多，△L/L收縮率就越小;反之，燒結(jié)后剩余氣體越少，△L/L收縮率就越大。因此，要想燒結(jié)程度強，燒結(jié)體內(nèi)氣體少，就必須使其表面張力大，粘度小，粒度小。在氣泡上升階段，無論是從斯托克斯定律導出的氣泡在熔體上升速度公式[3]:V=2gr2(ρ1-ρ2)/9η(2)

式中:V——氣泡上升速度;g——重力加速度;ρ1——熔體的密度;ρ2——氣泡中氣體的密度;η——熔體的粘度。還是從哈達馬爾德導出的熔體中氣泡上升的速度公式[3]V=gr2(ρ1-ρ2)/3η(字母意義同上式)，都可以得出結(jié)論:熔體的粘度是決定氣泡上升的主要成分因素，粘度小，則氣泡上升速度快;反之，粘度大，則氣泡上升速度慢，當然熔體的密度與氣泡的大小也有關(guān)。氣泡在熔體表面排除階段，當氣泡的上升力超過表面張力時，才能沖破表面，排出氣體。在這個階段，上升到表面的氣泡能否最后排除主要取決于熔體的表面張力。對于釉料來說，最重要的是表面不出現(xiàn)氣泡逸出的痕跡，因此，釉料要么表面張力大，上升到表面附近的氣泡不能排出，封閉在里面;要么釉料的表面張力小，上升到表面附近的氣泡能夠沖破表面，配合熔體的低粘度，就可以很快回復原來的平面，不留“針孔”痕跡。而對于微晶玻璃來說，需要拋光表面，因此表面的氣體要么排除，要么集中在表層，以待拋掉該層。氣泡在熔體冷卻吸收階段，根據(jù)玻璃熔體中氣泡內(nèi)壓力公式[4]:P=P1+P2gh+2σ/r (3)

式中:P——在氣泡中的內(nèi)壓力;P1——大氣壓;P2gh——玻璃熔體的靜壓力;σ——表面張力;r——氣泡半徑。由此可知，氣泡內(nèi)壓力大小與前兩項關(guān)系不大，而主要與表面張力、氣泡大小有關(guān)。如果玻璃熔體的表面張力較大，氣泡半徑很小，那么在冷卻時(這時的表面張力會隨著溫度降低而繼續(xù)增大，氣泡半徑也隨之進一步減小)，內(nèi)壓力會大得足以將氣體熔進熔體中。由上述可知，解決釉料和微晶玻璃氣孔缺陷是一個復雜的過程，而且不同的制品其解決方法也不同。對于拋光的二次燒成微晶玻璃而言，需要熔體的低粘度與較大的表面張力;對于不需拋光的一次燒成的釉料來說，熔體低粘度和較大的表面張力也是較好的選擇，因為表面張力大的組份也是始熔溫度較高的組份，這無疑有利于一次燒成。對于厚層透明度高的干粒堆釉(包括目前流行的拋光釉中彩產(chǎn)品)，要求熔體的粘度低、表面張力低。當然，顆粒度大小也是要考慮的工藝因素，在此不再過多敘述。對于二氧化硅組份來說，它的添加可以對釉料及微晶玻璃排除氣體構(gòu)成障礙，這是因為它使這些材料熔體的粘度增大，表面張力稍微減小的緣故。2) 對釉料及微晶玻璃析晶大小的影響對于某些釉料及微晶玻璃來說，需要析晶出較大的晶體才能顯示它的藝術(shù)魅力，這時，熔體的低粘度與低的表面張力有利于其中析出晶體的長大。例如砂金釉和金星微晶玻璃就是希望晶體長大的實例，但也有的相反，希望釉料和微晶玻璃的晶體不要長大，這時就需要控制熔體具有較高粘度和較大的表面張力。例如鋯白釉、不透水底釉、白色微晶玻璃則希望其中的鋯英石、鈦榍石、微晶相析晶大小在散射強度較高的粒度范圍，一般控制在0.5~0.2μm。上述兩方面實例充分說明了熔體的粘度與表面張力是控制釉料及微晶玻璃性能的有效手段。

參考文獻

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