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        熔體表面張力的研究

        2024-01-08 23:39:11劉干平談梅英李劉旒
        山東陶瓷 2023年1期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)力球面質(zhì)點

        劉干平 談梅英 李劉旒

        摘 要:表面張力是熔體表面層由于質(zhì)點作用力不均衡而產(chǎn)生的使熔體表面收縮的力。本文對龍泉窯梅子青釉進行了熔融實驗、釉滴實驗和燒成實驗,通過觀察實驗過程中釉熔體的變化及對比燒成后制品的外觀質(zhì)量,闡述了表面張力對釉熔體表面形狀的影響、表面張力和重力相對大小對釉滴形狀的影響,以及表面張力對燒成制品外觀質(zhì)量的影響,并對表面張力的作用原理進行了分析和研究。

        關(guān)鍵詞:熔體;表面張力;質(zhì)點;球面;應(yīng)力;斥力

        陶瓷作品從原始的表面粗糙、凹凸不平的上釉泥坯,通過燒制,變成一件精美絕倫、表面平整、光滑亮麗的藝術(shù)品,期間表面張力起著至關(guān)重要的作用。陶瓷在燒制過程中,隨著溫度的升高,胎和釉逐漸出現(xiàn)液相并不斷增多,最終胎體燒結(jié),釉層熔融轉(zhuǎn)化為熔體。由于熔體的表面張力作用,使得組成熔體的質(zhì)點不斷的擴散和移動,最終達到力和位移的平衡,從而使釉層表面得以平整光滑。

        表面張力是熔體表面層由于質(zhì)點作用力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。與氣體接觸的熔體表面質(zhì)點因其配位數(shù)未得到滿足,處于不對稱的力場內(nèi)。質(zhì)點間作用力不平衡,比熔體內(nèi)部的質(zhì)點具有較高的能量,熔體表面將自動收縮以降低過剩能量。熔體表面的這種自動收縮的趨勢,相當(dāng)于在熔體表面水平方向上存在著使熔體表面收縮的力,即表面張力[1]。

        熔體的表面張力大小取決于化學(xué)組成、燒成溫度和燒成氣氛。在化學(xué)組成中,堿金屬對表面張力影響較大,熔體的表面張力隨堿金屬及堿土金屬半徑的增大而減少,熔體表面張力隨溫度的提高而降低;此外,窯內(nèi)氣氛對熔體表面張力也有影響,在還原氣氛下的表面張力比在氧化氣氛下大20%左右[2]。

        釉熔體的表面張力對釉的外觀質(zhì)量影響很大。表面張力使得釉熔體表面發(fā)生收縮,下面的新熔體就會浮向表面,利于釉中氣泡上浮排出,但表面張力過大會阻礙氣泡排除和熔體均化,在高溫時對坯的潤濕性不利,容易造成縮釉、滾釉缺陷[3]。表面張力過小容易造成流釉,使釉面小氣泡破裂時形成難以彌補的針孔[4]。當(dāng)釉的黏度也很小時,情況更嚴(yán)重。

        本文通過龍泉青瓷梅子青釉的燒制實驗,觀察釉熔體的變化過程,并推斷其變化過程與表面張力的關(guān)系。

        1 實驗

        1.1 坯釉組成

        龍泉梅子青釉的釉料配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:西源瓷土45%、黃壇瓷土20%、獅子籠紫金土3%、石灰石22%、石英10%[5]。該釉配方原料取自龍泉本地瓷土,適用性廣、穩(wěn)定性好、燒成溫度范圍寬,其化學(xué)組成見表1。

        1.2 釉料制作

        將各配釉原料混合,得到預(yù)混物,將球石、預(yù)混物、水以質(zhì)量比2∶1∶0.6的比例進行濕法球磨,研磨18~20 h,然后過100~200目篩,制成釉漿。

        1.3 熔融實驗

        把磨好的釉料制成2 cm×2 cm×3 cm正四棱柱試樣,置于窯門洞口內(nèi),借助于高溫顯微鏡可連續(xù)觀察其在加熱過程中的全部變化。

        本次實驗采用還原氣氛進行燒制,實驗最高燒成溫度為1 270 ℃,氧化和還原氣氛轉(zhuǎn)換溫度為980 ℃,圖1為燒成曲線圖。

        1.4 釉滴實驗

        把磨好的釉料制成一系列球體,直徑分別為32、16、8、4、2、1、0.5 mm,置于龍泉白泥制成的薄板上。入窯按圖1燒成制度進行燒制,觀察燒成后各釉滴的形狀和尺寸以及釉滴與薄板之間的潤濕角大小[6]。

        1.5 燒成試驗

        本實驗胎體選用龍泉本地的朱砂泥制作的小圓杯,朱砂胎配以梅子青釉能夠達到紫口鐵足和朱砂底的效果。

        首先采用浸釉法上底釉,然后在底釉的基礎(chǔ)上進行噴釉,確保釉層厚度達到1~2 mm,施釉完成后刮洗干凈素坯的底足。

        把上好釉的小杯置于窯門洞口內(nèi),便于觀察胎釉在加熱過程中的變化。按圖1燒成制度進行燒制,分別進行氧化氣氛燒制和還原氣氛燒制,燒成溫度由熔融試驗得到的結(jié)果確定。觀察燒成制品的外觀形狀及氣泡分布情況。

        2 實驗結(jié)果

        2.1 表面張力對釉熔體表面形狀的影響

        通過對釉料熔融實驗的觀察可以看到,隨著溫度升高,低共融物產(chǎn)生,試樣出現(xiàn)液相,逐漸變?yōu)槿垠w。四棱柱試樣最先變形的部位為頂部角點。由于角點是四棱柱曲率最大的部位(7/8的表面與空氣接觸),表面張力最大,表面能高,由表面張力產(chǎn)生的指向熔體內(nèi)部的附加壓力也最大,因此角點最先熔融變圓,此時試樣所處的溫度(1 180 ℃),稱為釉的始熔溫度,釉層開始封閉,如圖2b所示。隨著溫度繼續(xù)升高,四棱柱的棱邊也開始熔融變圓,棱邊也是曲率較大的部位(3/4的表面與空氣接觸)。最后,四棱體的各個平面開始熔融變圓(1/2的表面與空氣接觸),整個試樣由于表面張力的作用變?yōu)榘肭驙睿藭r的溫度(1 260 ℃)稱為全熔溫度,如圖2c所示,形成平整、光滑的釉面。釉層雖然處于黏性流動狀態(tài),但黏度較大不至于流淌,因此接近于釉的成熟溫度。溫度繼續(xù)升高,試樣流散開來,高度降至原有高度的1/3時的溫度(1 300 ℃)稱為流動溫度,見圖2d。此時由于溫度升高,熔體表面張力減小,同時釉熔體黏度降低,受重力作用熔體會產(chǎn)生自然流淌,熔體表面由球面變?yōu)闄E球面[4]。

        2.2 表面張力和重力對釉滴表面形狀的綜合影響

        通過對燒成后各釉滴的形狀觀察,可以看出:對于大直徑的釉滴,重力的影響大于表面張力的影響,致使其形狀呈扁平的球冠狀,與薄板的潤濕角小于90°;中等直徑的釉滴所受重力和表面張力較為均衡,其形狀為半球狀,與薄板的潤濕角約等于90°;小直徑的釉滴所受重力小于表面張力,其形狀接近于球形,與薄板的潤濕角大于90°,甚至接近于180°。

        2.3 表面張力對青瓷制品釉面質(zhì)量的影響

        龍泉青瓷的燒制結(jié)果見表2。

        龍泉青瓷在燒制過程中,隨著溫度的升高,由于表面張力的作用,杯子表面質(zhì)點不斷移動和擴散,最終達到平衡狀態(tài),使熔體均勻化,釉層表面凹凸不平得以自發(fā)修復(fù),逐漸呈現(xiàn)平整、光滑、發(fā)亮的狀態(tài)。最先圓潤、發(fā)亮的部位是杯子的口沿,這是因為杯子口沿的曲率最大,所受表面張力最大,由表面張力產(chǎn)生的指向熔體內(nèi)部的附加壓力也最大。

        采用氧化氣氛燒成時,釉層表面平整、光滑,氣泡密集、細小、分布均勻、釉呈米黃色、乳濁、見針眼和凹陷,小杯邊沿釉層覆蓋比較單薄。采用還原氣氛燒成時,釉層表面平整、圓潤、光滑,氣泡較密集、較細小、分布均勻、釉呈梅子青色、乳濁,不見針眼和凹陷,小杯邊沿釉層覆蓋比較飽滿。對比氧化氣氛和還原氣氛燒成結(jié)果,其不同之處在于表面張力的作用效果不同,在還原氣氛下的表面張力比在氧化氣氛下大20%左右。氧化氣氛下燒制出現(xiàn)的針孔和凹陷現(xiàn)象,在還原氣氛下燒制,由于表面張力的增大,得以自動補平。對于小杯邊沿氧化氣氛燒制釉層覆蓋較薄,使得氣泡易于排出,氣泡數(shù)量較少,尺寸較大。還原氣氛燒制釉層覆蓋較為飽滿,氣泡數(shù)量變多,尺寸變小,這是因為氧化氣氛燒制小杯邊沿上釉所受重力大于表面張力,使得釉層變薄,還原氣氛燒制釉層所受到的表面張力變大而所受重力不變,使得小杯邊沿釉層覆蓋相對變厚。至于燒成制品氣泡的數(shù)量和大小,影響因素涉及胎和釉的組成、胎和釉中氧化鐵的含量、釉的高溫黏度、表面張力、釉的厚度,以及燒成溫度和燒成氣氛,表面張力只是其中的一項。表面張力能使釉熔體中的大氣泡變得更大更容易排出,而對于小氣泡則變小甚至溶解于釉中而消失。

        3 分析和討論

        由熔體作用力理論可知,組成熔體的質(zhì)點間存在著作用力。當(dāng)質(zhì)點處于平衡位置時,即質(zhì)點間距r=r0(r0=10-10)時,引力等于斥力,質(zhì)點間作用力為0;質(zhì)點間距r>r0,作用力為引力;質(zhì)點間距r<r0,作用力為斥力;當(dāng)質(zhì)點間距r>10r0時,引力和斥力均為0,如圖3所示。

        如果以質(zhì)點中心為圓心,10r0為半徑作一球面,顯然只有在這個球面內(nèi)的質(zhì)點才對位于球心上的質(zhì)點有作用力。熔體的表面層厚度等于質(zhì)點作用球半徑的一層,在表面層內(nèi)熔體質(zhì)點受力的情況跟熔體內(nèi)部的質(zhì)點的受力情況有所不同。由圖4可見,位于熔體內(nèi)部的質(zhì)點A受到周圍對稱分布的質(zhì)點的作用,其合力為0。熔體表面層質(zhì)點上下分布對稱性被打破,處于表層內(nèi)的熔體質(zhì)點B、C和D都受到了一個指向熔體內(nèi)部的力的作用從而向熔體內(nèi)部移動,使得質(zhì)點間距離減小,引力轉(zhuǎn)化為斥力,最終到達平衡狀態(tài)。在平行熔體表面的方向,熔體表面層內(nèi)的質(zhì)點分布是均勻的,只是間距比較大,質(zhì)點間作用力表現(xiàn)為引力,這便是熔體的表面張力。由于表面張力的作用,質(zhì)點之間的距離減小,使得熔體表面積減小,而一定體積的熔體中球體的表面積最小,所以熔體表面有形成球面的趨勢,但這種趨勢會受重力的影響而改變。重力是所有組成熔體的質(zhì)點所受的力的合力,而表面張力只是表面一層質(zhì)點間的引力,表面張力相對于重力而言微乎其微,所以對于大體積的熔體,重力作用遠大于表面張力作用,液面呈現(xiàn)平面。對于小體積熔體來說,組成熔體總的質(zhì)點數(shù)較少,表面張力已接近重力,甚至超過重力,使得液面呈現(xiàn)弧形甚至球形。上述的釉滴實驗可以證實這點。

        如果熔體表面是凸面,如圖5b所示,因表面張力沿周界與熔體面相切,則沿周界各個方向的表面張力f將產(chǎn)生一個指向熔體內(nèi)部的合力p(正壓力),使得熔體表面曲率變小。如果液面是凹面,如圖5c所示,表面張力的合力將指向熔體外部,對熔體則產(chǎn)生一個負壓力,使得凹面變平,甚至有可能轉(zhuǎn)化為凸面。由于表面張力的作用,熔體表面能夠截凸補凹,自動修復(fù),表面平滑,這正是陶瓷釉層表面能夠平整光滑的主要原因。

        4 結(jié)論

        1)表面張力是熔體表面層由于質(zhì)點作用力不均衡而產(chǎn)生的使熔體表面收縮的力。

        2)由于表面張力的作用,熔體表面有形成球面的趨勢,只是由于重力的作用使得這種趨勢

        得以改變。熔體最終呈現(xiàn)的形狀和熔體體積的大小有關(guān)系,熔體體積的大小不同,則表面張力和重力的影響程度不同。大體積的熔體,表面張力遠小于重力作用,使得熔體表面呈平面狀。小體積的熔體,表面張力大于重力作用,熔體表面呈弧形甚至球形。

        3)陶瓷在燒制過程中,由于表面張力的作用,熔體表面質(zhì)點不斷移動和擴散,最終達到平衡狀態(tài),使熔體均勻化,釉層表面凹凸不平得以自發(fā)修復(fù),逐漸呈現(xiàn)平整、光滑、發(fā)亮的狀態(tài)。

        參考文獻

        [1]趙彥釗,殷海榮.玻璃工藝學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:86-93.

        [2]裴秀娟.滾釉產(chǎn)生的原因及克服辦法[J].河北陶瓷,1998,26(2):3-5.

        [3]周正付.縮釉的成因及解決方法[J].佛山陶瓷,2001,11(10):7-10.

        [4]馬鐵成.陶瓷工藝學(xué)[M].2版.北京:中國輕工業(yè)出版社,2011:152-156.

        [5]周仁,郭演義,萬慕義.龍泉青瓷原料的研究[M].杭州:浙江省輕工業(yè)廳,1962:4-6.

        [6] 戴玉龍,唐玲玲. 用加熱顯微鏡測定玻璃表面張力方法的探討[J]. 玻璃與搪瓷,1988,16(6):16-19.

        (責(zé)任編輯:姚佳良)

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