摘 要：由于陶瓷纖維具有高熔點(diǎn)、耐腐蝕、優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性、抗氧化能力強(qiáng)等優(yōu)良特性，可與大部分基材復(fù)合并廣泛應(yīng)用于建筑陶瓷領(lǐng)域中。本文簡要的介紹了一種纖維陶瓷板的制備方法，通過采用粘土、高嶺土、石英砂、硼鈣石、長石、葉蠟石、硼鎂石等傳統(tǒng)陶瓷原料，經(jīng)1550℃高溫下進(jìn)行燒結(jié)，然后經(jīng)過花灑式高溫、高壓拉絲工藝編織成類似“無紡布”結(jié)構(gòu)，最后通過添加特殊的樹脂疊壓成多層陶瓷板。所得到產(chǎn)品既保留了傳統(tǒng)陶瓷磚的優(yōu)良特性，也有效地解決了陶瓷本身固有脆性，在高韌性和高強(qiáng)度領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：陶瓷纖維；陶瓷板；增強(qiáng)增韌

1前言

陶瓷是我國傳統(tǒng)的高能耗高污染行業(yè)之一，我國也是全球建筑陶瓷的最大生產(chǎn)地和出口地之一。建筑陶瓷是以黏土、石英和長石等天然硅酸鹽礦物為主要原料，經(jīng)過成型和燒結(jié)等工藝，并廣泛地應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的功能性裝飾材料。按照品種分類，可分為陶瓷墻地磚、飾面瓦、建筑琉璃制品和陶管等四大類[1]。目前，我國是陶瓷類產(chǎn)品生產(chǎn)量最大的國家，根據(jù)中國建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會數(shù)據(jù)， 2019年，我國建筑陶瓷產(chǎn)量達(dá)到82.20億平方米，2020年，在復(fù)工延遲及多地推進(jìn)“煤改氣”政策影響下，我國建筑陶瓷產(chǎn)量仍達(dá)到84.74億平方米，同比實(shí)現(xiàn)增長，漲幅達(dá)到3.09%。2021年，我國建筑陶瓷產(chǎn)量達(dá)到88.63億平方米，繼續(xù)保持穩(wěn)定增長，占全球比例約48.30%，瓷磚消費(fèi)量為82.68億平方米，占全球比例約45.40%，產(chǎn)量居世界第一[2]。

眾所周知，陶瓷工業(yè)屬于“三高”行業(yè)，即高投入、高能耗、高污染。據(jù)報(bào)道[3]，每年陶瓷工業(yè)廢氣的排放量已超過1000萬噸，不僅阻礙了我國國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，也極大的影響了人們生活質(zhì)量的提高。同時(shí)，我國自然資源也會隨著陶瓷工業(yè)的發(fā)展而急劇減少。因此，為了建立環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會，薄型化、低污染化的陶瓷產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，以此來替代傳統(tǒng)陶瓷板，不僅解決了傳統(tǒng)陶瓷板運(yùn)輸成本過高的問題，也同時(shí)為了更方便進(jìn)行鋪貼和安裝。但也有著不足之處，即：在燒成過程中由于尺寸大，厚度薄，使其容易產(chǎn)生變形，使用過程中抗沖擊能力低，脆性高且裂紋擴(kuò)展速率快，容易承受不住應(yīng)力集中導(dǎo)致斷裂，導(dǎo)致作為墻面裝飾大板或巖板的裝配工作非常困難。因此，提高陶瓷產(chǎn)品的韌性和硬度成為了許多學(xué)者和研究人員的主要研究的方向。

2高強(qiáng)高韌建筑陶瓷板的研究現(xiàn)狀及方法

增強(qiáng)增韌研究是建筑陶瓷產(chǎn)品的重點(diǎn)研究方向。其核心目的是為了彌補(bǔ)建筑陶瓷產(chǎn)品的固有缺陷，提高建筑陶瓷產(chǎn)品使用壽命、使用范圍，降低建筑陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)及運(yùn)輸成本。目前，增強(qiáng)陶瓷的方法有：

（1）致密化增強(qiáng)：通過提高陶瓷的致密度這一方式來降低其內(nèi)部存在的氣孔率，從而改善陶瓷的強(qiáng)度，其中的方式包括對原料細(xì)度的優(yōu)化[4]、燒結(jié)工藝的優(yōu)化[5]等。冀冬冬[6]通過選用高熵硼化粉體HEB9作為燒結(jié)助劑，研究了HEB9粉體對ZrB2陶瓷致密度的影響，結(jié)果表明添加5%HEB9的致密度達(dá)到98.87%，相應(yīng)的陶瓷強(qiáng)度也得到了明顯提升。

（2）引入增強(qiáng)相增強(qiáng)：通過直接引入增強(qiáng)相摻入到基體中，在高溫?zé)Y(jié)過程中，增強(qiáng)相可以均勻的分散到陶瓷內(nèi)，從而提高陶瓷的抗折強(qiáng)度。增強(qiáng)相的類型包括纖維[7-8]、顆粒[9]、晶須[10]等，其中顆粒包括ZrSiO4顆粒、SiC顆粒、Si3N4顆粒等；晶須包括莫來石晶須、氧化鋁晶須等；纖維包括玻璃纖維、碳纖維、氧化鋁纖維等。Yoshihiro等人[11]通過引入氧化鋁晶須至陶瓷中進(jìn)行增強(qiáng)，結(jié)果表明，添加3wt%的氧化鋁陶瓷晶須時(shí)，斷裂韌性提升至5.6MPa·m1/2。

（3）預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)是指通過一定的化學(xué)方法，在材料表面上形成預(yù)壓應(yīng)力層，當(dāng)材料受到外部一定的張應(yīng)力時(shí)會被預(yù)壓應(yīng)力層所抵消，從而提高材料的斷裂強(qiáng)度。該技術(shù)成功被應(yīng)用于許多領(lǐng)域當(dāng)中，如1928年，法國工程師Freyssinet[12]提出預(yù)應(yīng)力混凝土這一概念，即通過采用高強(qiáng)度的鋼材和高強(qiáng)度的混凝土，來減少混凝土的收縮。研究證明，預(yù)應(yīng)力混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，使該技術(shù)被成功地應(yīng)用于混凝土領(lǐng)域；相類似的，還被應(yīng)用于玻璃行業(yè)當(dāng)中，鋼化玻璃就是通過離子交換的方法在玻璃表面形成壓應(yīng)力，來抵消一定的外加拉力，從而提高玻璃的強(qiáng)度。

（4）相變增韌增強(qiáng)法：通過ZrO2在不同的溫度下呈現(xiàn)出不同的晶相（立方相、四方相和單斜相），在外界應(yīng)力的作用下產(chǎn)生壓應(yīng)力，并在相變體積膨脹過程中消耗裂紋擴(kuò)展能量，從而起到增韌作用。如趙威[13]在巖板原料中加入20%的1.5Y-ZrO2作為強(qiáng)化劑，在1110℃燒結(jié)后可使巖板抗折強(qiáng)度提高88.4%。

雖然目前陶瓷增強(qiáng)的方法有很多，但在建筑陶瓷行業(yè)中也會有著自身的局限性，如：成本過高、工藝復(fù)雜、高溫環(huán)境下晶體不可控等問題，所以無法進(jìn)行穩(wěn)定的生產(chǎn)。因此本文提出了一種新的工藝技術(shù)，即通過高溫拉絲技術(shù)提取玻璃纖維并編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，采用多層堆垛技術(shù)及常溫固化技術(shù)將玻璃纖維與有機(jī)樹脂材料復(fù)合堆垛成陶瓷板體，最后再利用表面裝飾技術(shù)對纖維陶瓷磚表面進(jìn)行裝飾，從而制備出高強(qiáng)高韌的纖維陶瓷板。纖維陶瓷板既保留陶瓷板類的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)外，還能解決瓷磚硬而脆的痛點(diǎn)，為陶瓷行業(yè)開創(chuàng)一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，新的市場跑道，能夠極大推動(dòng)陶瓷行業(yè)的進(jìn)步。

3纖維陶瓷板結(jié)構(gòu)及其制造工藝

纖維陶瓷板采用陶瓷傳統(tǒng)原料，即粘土、高嶺土、石英砂、硼鈣石、長石、葉蠟石、硼鎂石等礦物原料，經(jīng)粉碎、研磨、除鐵、烘干、造粒、陳腐等傳統(tǒng)固相法工藝制備成混合均勻的前驅(qū)體粉料。將前驅(qū)體粉料置于高溫爐中，以5℃·min-1的升溫速率升溫至1550℃保溫30 min使前驅(qū)體粉料在高溫爐中充分熔融并形成具有一定流動(dòng)性的玻璃熔體，然后經(jīng)過花灑式高溫、高壓拉絲工藝，從玻璃熔體中拉出直徑為幾微米至幾十個(gè)微米的玻璃絲，相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的1/20 ～ 1/5，每束纖維絲有數(shù)百根單絲組成。把玻璃纖維絲仿照無紡布的編織工藝，玻璃絲縱橫交織成無紡布形狀。最后添加特殊的樹脂材料疊壓成多層陶瓷板，一塊3 mm厚玻璃纖維陶瓷板可由30塊左右薄纖維布疊壓而成。

纖維陶瓷板主要成分為二氧化硅、氧化鋯，氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉，氧化鉀等，其中氧化鈉的含量可制成多種類型的玻纖產(chǎn)品。例：無堿纖維：Na2O含量0 ～ 2 %，主體為鋁硼硅酸鹽型；中堿纖維：Na2O含量8 ～ 12 %，主體為鈉鈣硅酸鹽型；高堿纖維：Na2O含量13 %以上，純硅酸鹽玻纖型。將玻纖狀陶瓷制成的無紡布疊加壓制的板材結(jié)構(gòu)時(shí)，需要加上無機(jī)粘結(jié)膠以增加附著力，無機(jī)膠由硅酸鹽膠和酚醛樹脂組成。

4纖維陶瓷板的測試方法及性能

4.1顯氣孔和體積密度測試

通過采用阿基米德原理，測定陶瓷產(chǎn)品的吸水率、顯氣孔率和體積密度。根據(jù)公式（1）至（3）計(jì)算可得：

W1=（m2-m1）/m1×100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

Pa=（m2-m1） / （m2-m3）×100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

ρ= m1 ρ1 / （m2-m3） ×100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：W1為吸水率，%；Pa為顯氣孔率，%；ρ為體積密度，%；m1：干燥后樣品的質(zhì)量，g；m2：飽和試樣在空氣中的質(zhì)量，g；m3：飽和試樣的表觀質(zhì)量，g；ρ1：浸漬液體的密度，g/cm3。

4.2其他性能測試

根據(jù)GB/ T1040.2標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，測試抗拉強(qiáng)度結(jié)果為6.3～6.9MPa。另纖維陶瓷板密度為2.4～2.76g·cm-3，軟化點(diǎn)溫度在500～750℃，沸點(diǎn)＞1000℃，具有高溫穩(wěn)定性好（300℃下不影響強(qiáng)度），良好的電絕緣性，吸水率低、彈性吸水高，拉伸強(qiáng)度高，防火等級可達(dá)GB/T 3003-2006標(biāo)準(zhǔn)[15]中所要求的A級、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良、耐化學(xué)溶劑性優(yōu)異、耐水、阻燃、并且加工性能好，可以切割、打釘、防腐蝕性好等性能特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的陶瓷板或陶瓷磚，纖維陶瓷板有著其固有的性能優(yōu)勢和潛在的應(yīng)用前景。

5纖維陶瓷板的應(yīng)用前景

由于纖維陶瓷板具有環(huán)保健康、防火耐高溫、韌性強(qiáng)和易加工性等優(yōu)異性能，從而在建筑陶瓷領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

（1）在巖板中的應(yīng)用：首先在建筑裝飾市場，制作成幕墻板，具有瓷磚、巖板等各種裝飾材料的優(yōu)點(diǎn)。保留了耐水、耐火、防蟲、耐久、美觀、有視覺豪華感，并克服了普通巖板脆、易碎、施工及加工困難等缺點(diǎn)，可稱之為墻板中的頂級天花板。如果在普通巖板背面復(fù)合一層玻璃纖維板，可以大大提高巖板的抗沖擊、抗折、抗裂性能，能促進(jìn)墻巖板市場的健康發(fā)展。

（2）在電氣工程的應(yīng)用：纖維陶瓷板強(qiáng)度高。電絕緣性能優(yōu)良，其中中堿型玻纖板可以用于電氣工程、電工耐熱板。

（3）在軍工設(shè)備中的應(yīng)用：由于其纖維狀拉伸強(qiáng)度達(dá)到2800MPa，彈性達(dá)到8600MPa的特性，可以做出防彈盔甲、防彈軍用車，導(dǎo)彈運(yùn)輸車，太空空間站外殼。也可應(yīng)用其特殊的運(yùn)動(dòng)器材。如高爾夫球系統(tǒng)。

（4）在水泥中的應(yīng)用：高耐堿的AR型玻纖陶瓷粉，特別適合應(yīng)用于水泥、混凝土的增強(qiáng)、是承重水泥鋼材和石棉的理想替代品。它有效的抵抗水泥高堿性侵蝕，增強(qiáng)握釘力。而且彈性模量大，抗沖擊、抗彎曲、抗凍融，抗裂，耐溫差變化?？?jié)B透，易成型。是建筑水泥混凝土的優(yōu)質(zhì)配伍材料。

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