方紅　侯來廣　劉艷春　黃誠　任雪潭

摘 要：紅外線燃?xì)庠罹呔哂屑訜峋鶆颉嵝矢摺⑷紵浞?、煙氣量少、熱效率高達(dá) 68.5%等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為節(jié)能灶具的代表性產(chǎn)品。蜂窩陶瓷板是紅外線節(jié)能灶具的一個(gè)關(guān)鍵部件，其表觀性能和理化性能對灶具的外觀設(shè)計(jì)和家庭室內(nèi)裝飾的協(xié)調(diào)性都有一定的影響。本論文以堇青石蜂窩陶瓷為基本材料，選擇鉻綠、鋯鐵紅、鐠黃、鈷黑四種色料為添加物，探究了加入色料的種類及含量對蜂窩陶瓷板的性能影響。通過對制備瓷片的收縮率、吸水率、抗折強(qiáng)度等的測試及XRD和SEM分析，結(jié)合外觀情況，結(jié)果表明，一定量色料的添加并不會(huì)影響到堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷的主要性能，彩色蜂窩陶瓷的收縮率、吸水率、抗折強(qiáng)度及抗熱震性能均在合格標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

關(guān)健詞：堇青石； 色料； 摻雜

1 前言

目前，蜂窩陶瓷廣泛應(yīng)用于汽車尾氣凈化器、臭氧抑制催化劑載體、冶金工業(yè)的熱交換和金屬液的過濾、化學(xué)工業(yè)的化學(xué)反應(yīng)載體及催化劑、紅外輻射燃燒、粉末冶金的承燒板、采礦業(yè)的有毒氣體和液體的凈化處理、輕工業(yè)的噴涂以及建材工業(yè)的消聲材料和窯爐的隔熱材料[1-4]。隨著德國人Schwank發(fā)明的多孔陶瓷板燃?xì)饧t外輻射器的問世，很多特殊的耐火材料制造的紅外線輻射板也相繼出現(xiàn)。蜂窩陶瓷板作為燃?xì)饧t外加熱器的核心部件，它以熱輻射的方式加熱物體，由于輻射加熱具有很多獨(dú)特的性能，且一般陶瓷材料的熱輻射率都比較高，所以這種蜂窩陶瓷板紅外加熱器與傳統(tǒng)的燃燒器相比，具有加熱效率更高、產(chǎn)品加工性能更好和極低的CO、NOx產(chǎn)生率等優(yōu)點(diǎn)，因此蜂窩陶瓷板輻射器使用十分廣泛。

紅外線節(jié)能灶具就是采用了多孔紅外輻射板產(chǎn)生的紅外線加熱原理。這種紅外線輻射板可以輻射出一定波長的紅外線，能夠加快物體的受熱過程；燃燒板工作時(shí)火焰短，附著于燃燒板表面以下2 ～ 3 mm的火孔內(nèi)，基本上看不見火焰，所以也被稱為無焰燃燒方式。由于加熱過程中能量損失很小，從而大幅度提高了灶具的熱效率。我國多孔陶瓷板燃?xì)馊紵夹g(shù)應(yīng)用于燃?xì)饩咝袠I(yè)已經(jīng)有20多年的歷史了，許多學(xué)者做了大量的研究工作將這項(xiàng)技術(shù)造福于廣大民眾[5-9]。紅外線灶具與普通的大氣式燃?xì)鉅t相比有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）燃燒更完全，熱量傳遞效率更高、熱量吸收效率更高，跟傳統(tǒng)大氣式燃燒方式相比能夠節(jié)約燃?xì)?0%以上；

（2）無焰燃燒，長期使用也不會(huì)熏黑炊具，是完全干凈的加熱烹調(diào)方式；

（3）能夠有效抑制對人體危害極大的碳、氮氧化物的生產(chǎn)，消除對人體健康危害的隱患；

（4）由于多孔蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)具有極好的防風(fēng)性能，不容易熄火，使用更加安全。

目前這種紅外蜂窩陶瓷燃燒板的顏色過于單一。本研究以堇青石蜂窩陶瓷為基本材料，選擇各種色料體系，在原料中加入不同的色料，進(jìn)行彩色陶瓷基體的制備研究，制備多種顏色的紅外多孔蜂窩陶瓷燃燒板，為豐富紅外線灶具的品種和系列產(chǎn)品提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷以堇青石晶體為主晶相，因此制備堇青石蜂窩陶瓷的原材料主要是能形成堇青石的無機(jī)耐熱材料，包含SiO2及Al2O3的粘土類原料、含Mg的原料、氧化鋁、硅石等原料。堇青石廢料主要是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢品及邊角料，用研磨機(jī)研磨成粉。

本實(shí)驗(yàn)采用堇青石、粘土、碳粉、纖維素以及各種色料為主要原料，原料的各種配比見表1。

各原料的生產(chǎn)廠家及純度如下表2所示。

首先選取需要的原料，并按配方比例稱量。倒入混合機(jī)干混合1 h后，加入適量水和甘油，再混合30 min，最后加入適量油酸，混合10 min?；炀毦鶆蚝?，將泥料密封陳腐24 h。本實(shí)驗(yàn)采用塑壓成型方式，進(jìn)行壓制成型。坯體成型后采用微波干燥法，干燥時(shí)間為14 min，直至含水率< 2%為止。燒成采用推板式隧道窯，燒成溫度為1200°C。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1瓷片的性能分析

瓷片的尺寸和強(qiáng)度對后續(xù)產(chǎn)品的安裝和燃燒性能有著重要的影響，所以收縮率和強(qiáng)度在產(chǎn)品試制時(shí)，是重要的考慮因素，在進(jìn)行綠色瓷片的試制時(shí)著重考慮了這兩個(gè)指標(biāo)。

采用不同量的鉻綠色料加入量（3%，5%，8%），將各個(gè)配方的泥料成型后再用微波烘干，烘干后測量坯體的直徑和厚度，然后放入窯爐內(nèi)燒成，燒成后再測量燒結(jié)后的坯體直徑和厚度，計(jì)算出其收縮率；燒成后的陶瓷片制成標(biāo)準(zhǔn)試條用壓力抗折機(jī)測試陶瓷片的抗折強(qiáng)度，測試結(jié)果見表4。

由表4可以看出色料的加入量對長度收縮率的影響總體小于厚度方向，但是隨著色料加入量的增多，長度方向收縮率呈現(xiàn)增大的趨勢，厚度方向的收縮率則呈現(xiàn)縮小的趨勢。綠色堇青石瓷片的抗折強(qiáng)度與加入的鉻綠色料的含量存在一定的正比例關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著色料加入量的增加，陶瓷片的抗折強(qiáng)度也有一定比例的增加。

從呈色效果看，加入色料量在8%時(shí)，效果能夠滿足設(shè)計(jì)要求?；诖?，分別以鉻綠、鋯鐵紅、鐠黃和鈷黑為外加色料，加入量為8%，按照前述方法制備了彩色陶瓷片，具體測試結(jié)果見表5?？梢钥闯鲧掽S和鈷黑色料制備的陶瓷片具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而鉻綠瓷片的強(qiáng)度最低，其中鐠黃色料加入后的瓷片在厚度方向的收縮率遠(yuǎn)低于其他三種色料的收縮率。

選取合格瓷片安裝在紅外線灶具上進(jìn)行燃燒性能測試，測試十次，每次1 h。每1 h燃燒完成后均需在陶瓷板上面均勻地撒上一定量的冷水，以此來測試陶瓷板的抗熱震性能壽命。通過實(shí)驗(yàn)測試，陶片均未出現(xiàn)開裂炸裂現(xiàn)象。3.2 瓷片的XRD衍射和SEM分析

由圖1至圖4的X衍射譜圖可以看出加入色料的陶瓷片仍然以堇青石為主要晶相，可以斷定色料并未改變蜂窩陶瓷的主要成分。在綠色瓷片中，出現(xiàn)了明顯的氧化鉻的衍射峰，其余均為堇青石結(jié)構(gòu)物相。而由鋯鐵紅和鐠黃色料制成的瓷片中則出現(xiàn)了硅酸鋯的衍射峰，推測這兩種色料在制備的過程中形成了硅酸鋯所致。而在鈷黑制備的彩色瓷片中則出現(xiàn)了鎳鍺尖晶石物相。幾種色料摻雜所制備的彩色瓷片都具有相似的主晶相組成，說明色料在堇青石瓷片的高溫制備過程中對材料的主體結(jié)構(gòu)影響不大，因此不會(huì)對材料的使用性能產(chǎn)生大的影響，但卻帶來了視覺的美學(xué)效果。

圖5為色料加入量8%的彩色瓷片的SEM照片，從圖中可以看出，鉻綠瓷片和鐠黃瓷片的氣孔明顯偏多，它們各自的氣孔部分具有相同的取向，但是孔徑的均勻性較差。鈷黑瓷片和鋯鐵紅瓷片的氣孔相對于它們就少了很多，燒結(jié)比較致密。四個(gè)瓷片的晶粒都比較松散，鉻綠瓷片的氣孔很大，晶粒間隙較大，晶粒形貌不規(guī)則，孔徑分布不均勻，晶體呈無定型珊瑚狀。而鋯鐵紅瓷片和鐠黃瓷片氣孔相對較小，晶粒形貌也要規(guī)則一些，鈷黑陶瓷的氣孔是最小的，晶粒形貌呈片狀，燒結(jié)也最為致密。

4 結(jié)論

（1）在考慮成本的情況下，加入8%含量色料的陶瓷顯色情況最佳。鐠黃色料顯色比較差，而鉻綠的色料顯色最佳。

（2）色料含量對堇青石蜂窩陶瓷的收縮率、吸水率的影響并不明顯，但對抗折強(qiáng)度的影響要稍微大一些，加入鐠黃和鈷黑的瓷片具有較高的抗折強(qiáng)度，而加入鉻綠和鋯鐵紅的瓷片抗折強(qiáng)度則相對較低。

（3） 抗熱震性能測試表明色料的添加并不會(huì)影響到堇青石蜂窩陶瓷的主要性能。

（4）本實(shí)驗(yàn)的彩色蜂窩陶瓷的收縮率、吸水率、抗折強(qiáng)度及抗熱震性能均在合格標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。

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