李家科 劉欣

(景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西省先進陶瓷材料重點實驗室，江西景德鎮(zhèn)333403)

裂紋釉的研制及殘余應力有限元分析

李家科 劉欣

(景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西省先進陶瓷材料重點實驗室，江西景德鎮(zhèn)333403)

以長石、滑石、方解石、高嶺土等為主要原料制備裂紋釉。研究了釉料配方組成對釉面裂紋效果的影響，并用有限元方法對釉層中的殘余應力分布特征及殘余應力對裂紋產生的作用機理進行了分析。結果表明：在1250～1300℃、保溫時間30min，以及坯、釉的物理性能具有合適的差異時，可以得到效果較好的裂紋釉，且有限元對殘余應力的分析與實驗結果取得了較好的吻合。

裂紋釉，熱膨脹系數，殘余應力，有限元分析

1 前言

裂紋釉又稱“紋片”或“開片”，也稱“百極碎”，外人稱“龜裂”或“發(fā)裂”釉[1-2]。要使釉面生成網狀裂紋，一般要使釉的膨脹系數大于坯的膨脹系數，同時施釉較厚[3]。裂紋釉因表面分布著不同形狀的網狀裂紋，看起來給人一種雅致美觀、別具風格的藝術享受。近年來，隨著人們生活水平的提高，對藝術品的欣賞水平也在不斷提高，裂紋釉陶瓷制品因其特殊的藝術效果受到了人們的喜愛。

本實驗以長石、滑石、方解石、高嶺土等為主要原料，通過調整各原料的配比獲得不同的釉料配方，考察了釉料組成對釉面裂紋效果的影響，并對試樣中的殘余應力分布特征進行了有限元分析，揭示了殘余應力對裂紋釉產生的作用機理，這將對裂紋釉的制備具有較好的理論指導作用[4-5]。

2 實驗

2.1 坯料、釉料的化學組成

坯料和釉料的化學組成分別如表1、表2所示。

2.2 試樣制備

坯料為采用工廠中加工好的粉體，然后用手動壓片機壓制而成，坯體的規(guī)格為50mm×50mm× 6.5mm（長×寬×厚），將坯體放置在80℃的烘箱中干燥60min后備用。

按照料∶球∶水＝1∶2∶0.6進行配料，外加0.2wt.%三聚磷酸鈉、0.1wt.%CMC作為稀釋劑和粘接劑，球磨時間30min，釉料顆粒細度為250目篩余0.1%；采用淋釉或浸釉的工藝方法，施釉厚度約為0.8mm；施釉后試樣在80℃的烘箱中干燥60min后在高溫爐中以10℃/min的升溫速度升到1300℃，保溫30min后自然冷卻。

2.3 有限元模擬設計及計算過程

表1坯料的化學成分（wt%）Tab.1 Chemical composition of the body

表2釉料的化學組成(wt%)Tab.2 Chemical composition of the glaze

表3有限元計算中采用的材料性能參數Tab.3 The properties of the material used in FEM analysis

為了研究試樣中殘余應力分布特征以及坯、釉膨脹系數對殘余應力分布特征的影響，實驗模擬了不同釉料配方所制備試樣的殘余應力。表3為有限元分析中所使用材料的性能參數。

由于試樣具有對稱性，為了減小計算的工作量，僅模擬試樣的1/4部分，具體如圖1所示。采用典型的分析結構應力的八節(jié)點三維固體類型為分析單元，為了提高模擬精度，對模型采取非均勻網格劃分，即在坯釉中間層和試樣邊緣處網格劃分比較密集，在其它部分采用較疏的網格劃分，具體如圖2所示。由于釉料的始熔溫度約為1200℃，在始熔溫度以上試樣處于塑性狀態(tài)，不會產生應力，因此，確定1200℃為模擬的開始參考溫度。在上述條件基礎上，采用Marc有限元分析軟件計算試樣從1200℃降到室溫時的殘余應力分布情況。

表4不同釉料制備的試樣釉面效果Tab.4 The quality of samples with different glaze batch formulae

3 結果分析與討論

3.1 不同釉料配方制備試樣的釉面效果

表4為采用不同釉料配方所制備試樣的釉面裂紋效果。從表可以看出，隨著坯、釉膨脹系數差值的增加，釉面裂紋逐漸由無到有、由細小變?yōu)榇执?、由稀疏變?yōu)槊芗Ｈ缗?、釉膨脹系數差值?.46×10-6/℃時（試樣S1），釉面無裂紋產生；當坯、釉膨脹系數差值增加到1.84×10-6/℃時（試樣S2），釉面開始出現(xiàn)稀疏的裂紋；而當坯、釉膨脹系數差值增加到2.96× 10-6/℃時（試樣S3），釉面出現(xiàn)密集的網狀細裂紋，具有較好的裂紋效果；而當坯、釉膨脹系數差值增加到3.66×10-6/℃時（試樣S4），釉面出現(xiàn)大量的網狀粗裂紋，局部甚至出現(xiàn)崩釉現(xiàn)象。產生這一實驗現(xiàn)象的原因為，當坯、釉之間的熱膨脹系數具有較小的差值時，在冷卻過程中，由于釉層中產生的拉應力小于本身的拉伸強度，使得釉面沒有裂紋產生；當坯、釉之間的熱膨脹系數的差值增加到某一臨界值時，使得釉層中產生的拉應力達到釉層的拉伸強度時，釉面開始出現(xiàn)裂紋，如試樣S2；然后隨著坯、釉之間熱膨脹系數差值的進一步增加，釉面的裂紋數目逐漸增加且達到較好的效果，如試樣S3；但是，當坯、釉之間膨脹系數差值過大時，由于釉層中產生的殘余熱應力過大，從而導致局部釉層的崩裂，如試樣S4。在隨后對釉層的殘余應力有限元分析中也將證實上面的分析結果。因此，從對實驗結果的分析可知，要獲得良好的裂紋釉，坯、釉之間的熱膨脹系數應具有合適的差值，就本實驗而言，坯、釉之間的熱膨脹系數的差值為2.96×10-6/℃時是比較合適的。

3.2 試樣殘余應力有限元分析及裂紋產生的機理

圖3所示為四種不同釉料制備的試樣在X-Y中心面X方向上的殘余應力分布云圖。從圖可以看出，試樣殘余應力的分布具有類似的規(guī)律，即釉層中主要承受拉應力，且從試樣中心到邊緣拉應力逐漸減小，當到達近邊緣處時，存在著急劇的拉、壓應力轉變。而坯體中主要承受壓應力，僅在試樣的邊緣處受到較小的拉應力作用。此外，從圖中還可以看出，隨著坯、釉膨脹系數差值的增加，釉層中的殘余拉應力也在逐漸增大。

為了進一步分析釉層中的應力分布特征，圖4給出了從試樣中心到邊緣釉層沿X方向表面（平行釉面）的應力分布。從圖中可以看出，試樣的釉層表面所受應力具有相同的變化趨勢，即從中心到邊緣的過程中，拉應力在相當一段距離范圍內均保持一個相對穩(wěn)定值，當在近邊緣處（離邊緣約4.5mm）時，拉應力迅速減小，并在邊緣轉變?yōu)槲簯ΑＨ鐚τ谠嚇覵3，從中心的0 mm到21.5 mm的距離范圍內，釉層表面均勻保持穩(wěn)定的拉應力（86.5MPa），當在離邊緣為4.5mm時，拉應力開始急劇減小，在邊緣處時轉變?yōu)槲簯Γ?5MPa）。

在試樣冷卻過程中，由于坯、釉的物理性能差異導致了試樣中熱應力的產生，當釉層所受殘余拉應力超過其抗張強度時，釉面就會產生裂紋。從對試樣中殘余應力有限元分析可知，最大的殘余應力在試樣的中部，因此，釉層中的裂紋首先在試樣的中部萌生，然后再在壓應力和剪切應力的共同作用下，使得裂紋向釉層的邊緣擴展，最終導致裂紋分布在整個釉層，從而形成裂紋釉。

對于試樣S1的釉層中存在的殘余應力最大值為65.48MPa，小于其釉的抗張強度為66.47MPa（表3所示），故釉面沒有出現(xiàn)裂紋；而試樣S2在釉層中的最大殘余應力為73.07MPa，略大于其釉的抗張強度72.06MPa（表3），所以釉面只出現(xiàn)無規(guī)則的稀疏裂紋；對于試樣S3，釉層中的最大殘余應力為86.12MPa，比其釉的抗張強度大5.12 MPa，使得Δσ（σ應力-σ釉）具有合適的差值，故釉面呈現(xiàn)密集的網狀裂紋；而試樣S4的釉層中最大殘余應力為92.38MPa，比其釉的抗張強度大10.56MPa（表3），由于Δσ（σ應力-σ釉）值過大，所以釉面出現(xiàn)大量的網狀粗裂紋，甚至出現(xiàn)少許崩釉現(xiàn)象。因此，從有限元對釉層中的殘余應力分析結果可以看出，其與實驗現(xiàn)象取得了較好的吻合。

4 結論

(1)以長石、滑石、高嶺土等為主要原料制備裂紋釉，研究了釉料配方組成對釉面效果的影響。結果表明，當使用釉料C所制備的試樣S1，釉面效果良好，此時的坯、釉之間的熱膨脹系數的差值（α釉-α釉）為2.96×10-6/℃；

(2)裂紋釉的產生除與坯、釉膨脹系數之間的差值有關外，釉本身的抗張強度也對裂紋的產生有著重要的影響；

(3)有限元分析可知，釉層中的殘余拉應力是裂紋產生的驅動力，其最大值在試樣中部的釉層中；當釉層中的殘余拉應力大于釉層本身的抗張強度時，裂紋開始萌生，并從中部向邊緣擴展，最終導致裂紋分布于整個釉層中；合適的Δσ（σ應力-σ釉）值是形成具有良好裂紋釉的關鍵。

1周玉所,金艷.裂紋釉的試制.河北陶瓷,2000,28(2):40～41

2廖珺琪.新型裂紋釉的試制生產.佛山陶瓷,2001,46(1):30～31

3祝桂洪,周健兒,曹春娥.陶瓷釉配制基礎.北京:中國輕工業(yè)出版社,1989

4梁力,林韻梅.有限元網格修正的自適應分析與其應用.工程力學,1995,12(2):109～118

5李家駒.日用陶瓷工藝學.武漢:武漢工業(yè)大學出版社,1992

Abstract

Crackled glaze was prepared using feldspar,talcum,calcite and kaolin as main raw materials.The effect of the composition of the glaze on crackled quality was investigated.Distribution of residual stresses and mechanisms of cracks produced in the glaze were analyzed by means of finite element method(FEM).The results show that a good crackled glaze may be obtained when there is appropriate difference in the physical performance between the glaze and the body,the firing temperature is 1250～1300℃and the holding time is 30 min.The finite element analysis results of the residual stresses are consistent with those of the experiments.

Keywords crackled glaze,coefficient of thermal expansion,residual stresses,finite element method

PREPARATION OF CRACKLED GLAZE AND FINITE ELEMENT ANALYSIS OF RESIDUAL STRESSES

Li Jiake Liu Xin
(Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province,Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen Jiangxi 333403,China)

TQ174.4+3

A

1000-2278（2011）01-0057-05

2010-11-08

李家科