第二节 陶瓷的组成、.ppt

1 第二节陶瓷显微结构与性质YujunWuhanuniversityofscienceandtechnology 2 1 玻璃相 一 陶瓷显微结构相组成 2 莫来石 形成瓷坯骨架的主要成分 3 残余石英 与莫来石晶体一起构成瓷坯骨架 提高制品的强度和稳定性 4 气孔 瓷坯显微结构中的气相成分 是烧成时坯内气体没有完全排净而残留在瓷胎之内 显微结构 显微镜下观察到陶瓷相组成的种类 形状 大小 数量 分布及取向 各种杂质与显微缺陷的存在形式 分布及晶界特征 3 二 陶瓷原料 可塑性原料 粘土矿物 既有加工所需的可塑性 也能在烧成后形成结构晶相的原料石英类原料 非可塑性的硅 铝氧化物及含氧盐 如石英 蛋白石 可降低粘土的塑性 减少坯体的收缩 防止高温变形 既是非可塑性原料 同时也是能生成晶相的料 熔剂性原料 也具有非可塑性质 包括碱金属 碱土金属氧化物及含氧盐 如长石 石灰石等 功能性原料 其他辅助原料 如氧化锌 色料等 4 一 粘土的成因与产状 粘土 clay 是一种颜色多样 细分散的多种含水铝硅酸盐矿物的混合体 其矿物粒径一般小于2 m 主要由粘土矿物以及其它一些杂质矿物组成 粘土的成因 风化残积型 指深成的岩浆岩 如花岗岩 伟晶岩 长英岩等 在原地风化后即残留在原地 多成为优质高岭土的主要矿床类型 风化型粘土矿床主要分布在我国南方 如景德镇高岭村 晋江白安 潮州飞天燕等地 一般称为一次粘土 也称为残留粘土或原生粘土 一 粘土矿物原料 5 2 热液蚀变型 高温岩浆冷凝结晶后 残余岩浆中含有大量的挥发分及水 温度进一步降低时 水分则以液态存在 但其中溶有大量其它化合物 当这种热液 水 作用于母岩时 会形成粘土矿床 这就称为热液蚀变型粘土矿 如苏州阳山 衡阳界牌土 3 沉积型粘土矿床 是指风化了的粘土矿物借雨水或风力的搬运作用搬离原母岩后 在低洼的地方沉积而成的矿床 称为二次粘土 也称沉积粘土或次生粘土 如南安康垅 清远源潭 粘土的种类不同 物理化学性能也各不相同 粘土可呈白 灰 黄 红 黑等各种颜色 有的粘土疏松柔软且可在水中自然分散 有的粘土则呈致密坚硬的块状 6 二 粘土的组成 粘土的性能取决于粘土的组成 包括粘土的矿物组成 化学组成和颗粒组成 其中 矿物组成是基本因素 1 粘土的化学组成 主要化学成分为SiO2 A12O3和结晶水 H2O 含有少量的碱金属氧化物K2O Na2O 碱土金属氧化物CaO MgO 以及着色氧化物Fe2O3 TiO2等 风化残积型粘土矿床一般SiO2含量高 而A12O3含量低 7 化学组成对粘土性能的影响 1 SiO2 若以石英状态存在的SiO2多时 粘土可塑性降低 但是干燥后烧成收缩小 2 Al2O3 含量多 耐火度增高 难烧结 3 Fe2O3 1 TiO2 0 5 瓷制品呈白色 含量过高 颜色变深 还影响电绝缘性 4 CaO MgO K2O Na2O 降低烧结温度 缩小烧结范围 5 H2O 有机质 可提高可塑性 但收缩大 8 2 粘土的矿物组成 粘土很少由单一矿物组成 而是多种微细矿物的混合体 因此 粘土所含各种微细矿物的种类和数量是决定其工艺性能的主要因素 粘土矿物主要为高岭石类 包括高岭石 多水高岭石等 蒙脱石类 包括蒙脱石 叶蜡石等 和伊利石类 也称水云母 等等 高岭石 叶腊石 伊利石 9 a 高岭石类 Kaolinite 高岭石族矿物包括高岭石 地开石 珍珠陶土和多水高岭石等 高岭石是粘土中常见的粘土矿物 主要由高岭石组成的粘土称为高岭土 b 蒙脱石类蒙脱石 Montmorillonite 也是一种常见的粘土矿物 以蒙脱石为主要组成矿物的粘土称为膨润土 bentonite 一般呈白色 灰白色 粉红色或淡黄色 被杂质污染时呈现其它颜色 c 伊利石类伊利石是白云母经强烈的化学风化作用而转变为蒙脱石或高岭石过程中的中间产物 组成成分与白云母相似 但比正常的白云母多SiO2和H2O而少K2O 与高岭石比较 伊利石含K2O较多而含H2O较少 10 3 颗粒组成 颗粒组成 粘土中含有的不同大小颗粒的体积百分比含量 1um的细颗粒愈多 则可塑性愈强 干燥收缩大 干后强度高 而且烧结温度低 比表面积大 表面能高 片状比杆状堆积面积大 塑性大 强度高 11 黏土的加热变化 黏土是陶瓷的主要原料 陶瓷在烧成过程中所发生的一系列物理和化学变化 是在黏土加热变化的基础上进行的 因此黏土的加热变化是陶瓷制品烧成的基本理论基础 黏土在加热过程中的变化包括两个阶段 脱水阶段与脱水后产物的继续转化阶段 三 粘土的工艺性质 12 1 可塑性可塑性是指粘土粉碎后用适量的水调和 混练后捏成泥团 在一定外力的作用下可以任意改变其形状而不发生开裂 除去外力后 仍能保持受力时的形状的性能 2 结合性粘土的结合性是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团 有一定干燥强度的能力 3 离子交换性粘土颗粒带有电荷 其来源是其表面层的断键和晶格内部被取代的离子 因此必须吸附其它异号离子来补偿其电价 粘土的这种性质称为离子交换性 13 4 触变性粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时 粘度会降低而流动性增加 静置后又能逐渐恢复原状 反之 相同的泥料放置一段时间后 在维持原有水分的情况下会增加粘度 出现变稠和固化现象 上述情况可以重复无数次 粘土的上述性质统称为触变性 也称为稠化性 5 膨胀性膨胀性是指粘土吸水后体积增大的现象 这是由于粘土在吸附力 渗透力 毛细管力的作用 水分进入粘土晶层之间 或者胶团之间所致 因此可分为内膨胀性与外膨胀性两种 14 6 收缩粘土泥料干燥时 因包围在粘土颗粒间的水分蒸发 颗粒相互靠拢而引起的体积收缩 称为干燥收缩 粘土泥料煅烧时 由于发生一系列的物理化学变化 如脱水作用 分解作用 莫来石的生成 易熔杂质的熔化 以及熔化物充满质点间空隙等等 因而使粘土再度产生的收缩 称为烧成收缩 这两种收缩构成粘土泥料的总收缩 7 烧结性能通指粘土在烧结过程中所表现出的各种物理化学变化及性能 8 耐火度耐火度是耐火材料的重要技术指标之一 它表征材料无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能 15 1 黏土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成形的基础 2 黏土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性 3 黏土一般呈细分散颗粒 同时具有结合性 4 黏土是陶瓷坯体烧结时的主体 黏土中的Al2O3含量和杂质含量是决定陶瓷坯体的烧结程度 烧结温度和软化温度的主要因素 5 黏土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源 四 粘土在陶瓷生产中的作用 16 石英的种类 自然界中的二氧化硅结晶矿物可以统称为石英 其中最纯的石英晶体统称为水晶 在陶瓷工业中 常用的石英类原料和材料有下列几种 脉石英 砂岩 石英岩 石英砂 隧石和硅藻土 二 石英类原料 结晶态二氧化硅统称为石英 由于经历的地质作用及成矿条件不同 石英呈现多种状态 并有不同的纯度 17 石英原料的性质石英的外观视其种类不同而异 有的呈乳白色 有的呈灰白半透明状态 表面具有玻璃光泽或脂肪光泽 莫氏硬度值为7 相对密度因晶型而异 波动于2 22 2 65g cm3之间 石英的主要化学成分为SiO2 常含有少量杂质成分 如Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2等 18 石英 水晶 结晶良好的石英 水晶 结晶良好的石英 19 石英是作为非可塑性原料加入到陶瓷坯料中的 它是陶瓷坯体中主要组分之一 它在陶瓷生产中的作用不仅在坯体成形时 而且在烧成时都有重要的影响 其作用概括如下 石英在陶瓷生产中的作用 20 在烧成前是非可塑性原料 可对泥料的可塑性起调节作用 能降低坯体的干燥收缩 缩短干燥时间并防止坯体变形 在烧成时 石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响 在高温下石英能部分熔解于液相中 增加熔体的强度 而未熔解的石英颗粒 则构成坯体的骨架 可防止坯体发生软化变形等缺陷 21 在瓷器中 石英对坯体的力学强度有着很大的影响 合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度 否则效果相反 同时 石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善 在釉料中 二氧化硅是生成玻璃质的主要组分 增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度与黏度 并减少釉的线胀系数 同时它是赋予釉以高的力学强度 硬度 耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素 22 长石是陶瓷原料中最常用的熔剂性原料 在陶瓷生产中用作坯料 釉料 色料 熔剂等的基本组分 其用量较大 是陶瓷三大原料之一 长石的种类和一般性质 长石是地壳上分布广泛的造岩矿物 三 长石类原料 23 长石呈架状硅酸盐结构 化学成分为不含水的碱金属与碱土金属铝硅酸盐 主要是钾 钠 钙和少量钡的铝硅酸盐 有时含有微量的铯 锶等金属离子 24 一 长石的种类和性质 自然界中长石的种类很多 归纳起来都是由以下四种长石组合而成 钠长石Na AlSi3O8 或Na2O Al2O3 6SiO2钾长石K AlSi3O8 或K2O Al2O3 6SiO2钙长石Ca Al2Si2O8 或CaO Al2O3 2SiO2钡长石Ba Al2Si2O8 或BaO Al2O3 2SiO2 钠长石与钙长石一般呈白色或灰白色 相对密度为2 62g cm3 其他一般物理性质与钾钠长石近似 25 钠长石 钾长石 钙长石 钡长石 26 长石在高温下熔融 形成黏稠的玻璃熔体 是坯料中碱金属氧化物 K2O Na2O 的主要来源 能降低陶瓷坯体组分的熔化温度 有利于成瓷和降低烧成温度 长石在陶瓷生产中的作用 27 熔融后的长石熔体能熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒 液相中Al2O3和SiO2互相作用 促进莫来石晶体的形成和长大 赋予了坯体的力学性能和化学稳定性 28 长石熔体能填充于各结晶颗粒之间 有助于坯体致密和减少空隙 冷却后的长石熔体 构成了瓷的玻璃基质 增加了透明度 并有助于瓷坯的力学性能和电气性能的提高 29 在釉料中长石是主要熔剂 长石作为非可塑性原料 在生坯中还可以缩短坯体干燥时间 减少坯体的干燥收缩和变形等 30 二 各种氧化物在陶瓷中的作用 1 SiO2 主要由石英引入 也可由粘土 长石引入 是成瓷 形成莫来石 的主要成分 部分SiO2与Al2O3在高温下生成莫来石 部分SiO2以残余石英形式存在 这是构成瓷体的骨架 提供瓷体的机械强度 部分SiO2与碱性氧化物在高温下形成玻璃体 使坯体呈半透明性 注意 SiO2含量高 热稳定性差 易于炸裂 31 2 Al2O3 主要由粘土 长石引入 成瓷的主要成分 部分于莫来石中 部分于碱性氧化物形成玻璃体 相对提高Al2O3含量 可提高白度 热稳定性 化学稳定性 和机械强度 工艺过程 Al2O3含量高 烧成温度高 Al2O3含量低 烧成时易变形 32 3 K2O Na2O 主要由长石 瓷石 引入 与Al2O3SiO2形成玻璃相 助熔作用 K2O Na2O含量过高 急剧降低烧成温度 热稳定性大大降低 一般控制含量在 以下 可提高白度 33 4 CaO MgO碱土金属氧化物 一般含量较少 不特别加入 少量时 和碱金属氧化物共同起助熔作用 引入可提高热稳定性和力学强度 提高白度和透明度 改进色调 减弱铁 钛氧化物的不良着色影响 34 5 Fe2O3 TiO2来自粘土 长石等中的杂质 含量较微 有害影响较大 可使瓷被着色成不好的色泽 影响其外观品质 35 1 玻璃相 来源 由坯料中的熔剂组份熔融及其与石英 粘土等组份在一定温度下共熔 然后在冷却中凝结而成 玻璃相在瓷坯形成中的作用 填满烧成过程中所产生的空隙 获得烧结致密的胎体 溶解石英和高岭土的分解产物 促进莫来石晶体的成长 三 陶瓷显微结构相组成来源 2 莫来石 形成瓷坯骨架的主要成分 来源 一部分是高岭土矿物烧成过程中分解生成的新相 另一部分是在长石玻璃中析出的针状莫来石晶体 36 白度 顾名思义是物体表面含白色的程度 其定义为光谱反射比为100 的理想表面的白度为100度 光谱反射比为零的绝对黑表面的白度为零度 反映了入射光在釉面上的漫反射光的强弱 光泽度 反映了物体受光照射