无机材料工艺学-陶瓷3-坯料及其成型性能1

第二章陶瓷坯料及其成型性能,2.1坯料的概念、分类及质量要求,一、概念及分类,（一）坯料的概念：将原料经过配料和加工后，得到的具有良好成型性能的多组分均匀混合物，称为坯料。,（二）坯料的分类：,1生产上，根据成型方法分为：,2学术上，根据所采用的主要熔剂原料种类分为：,（1）长石质瓷坯料,长石石英高岭土为主的三组分配方，是日用陶瓷最普通的配料。根据配料及熔剂成分的变化范围不同，可配成烧成温度在11501450的陶瓷坯料。烧后瓷坯的矿物组成为莫来石、（半安定）方石英、（残余）石英及玻璃相。瓷质洁白、细腻、坚硬，热稳定性及化学稳定性俱佳。一般烧成温度在12501350之间。一般长石质瓷坯的成分组成范围：SiO2：6575%；Al2O3：1925；（R2ORO）46.5，其中R2O2.5%。,2.1坯料的概念、分类及质量要求,组成规律：SiO2/Al2O3=5左右（分子数之比）；Al2O32（分子数）。,（1）长石质瓷坯料,2.1坯料的概念、分类及质量要求,组成规律：SiO2/Al2O35左右（分子数之比）；Al2O32（分子数）。,硬质瓷配料中长石较少，粘土较多，烧成温度较高，莫来石相较多，玻璃相较少，故瓷坯的硬度大、强度高。软质瓷相反。,（2）绢云母质瓷坯料,亦属KAlSi三元系统，配料组成属“绢云母石英高岭石”系统，所用原料主要为瓷石。我国南方古瓷均属于这种瓷质。其中的绢云母是瓷石的主要组分。主要矿物组成：高岭石、绢云母、石英、水云母及少量的多水高岭石，方解石。烧成温度一般在12501450之间，但通常低于1350。一般绢云母质瓷坯的化学组成范围同长石质瓷差不多：SiO2：6070%，Al2O3：2230，（R2ORO）4.57。,（3）磷酸盐质瓷坯料（骨灰瓷）,以磷酸盐作为熔剂矿物配制而成。磷酸盐通常采用动物骨灰引入，最大配比量目前可达6070%，故亦称骨灰瓷。属“骨灰高岭土长石石英”系统配料。瓷坯主要化学组成为P2O5、SiO2、Al2O3、CaO。烧后瓷坯的矿物组成主要为钙长石、方石英、玻璃相及-Ca3(PO4)2。,骨灰瓷中各化学成分的相对含量大致为：当Al2O3的分子数为1时，其他成分的分子数为SiO2：34.5；CaO:1.83.0;P2O5:0.61.0,2.1坯料的概念、分类及质量要求,二、坯料的质量要求,（一）基本质量要求。从生产上讲，无论采用何种成型方法，各种陶瓷坯料均应满足以下基本质量要求：,（二）各种坯料的具体质量要求。由于不同成型方法的工艺过程及要求不同，各种坯料除满足上述基本质量要求外，还需满足一些具体的特定要求：,（1）坯料的化学组成符合配方要求。（2）各种原料成分混合均匀。（3）坯料中各组分的细度符合工艺要求。（4）坯料中空气含量尽量的少。,2.1坯料的概念、分类及质量要求,二、坯料的质量要求,1.注浆坯料,a.流动性好。便于输送，以及浇注时容易充满模具的各个角落。b.稳定性好。便于输送，以及使得到的坯体厚薄及密度均匀。c.触变性适当。d.渗滤性好。浇注时成型速度快。e.在保证流动性良好的前提下，泥浆含水率尽可能小。以缩短模型吸浆时间和提高坯体强度。,2.1坯料的概念、分类及质量要求,二、坯料的质量要求,2.可塑坯料,a.具有良好的可塑性，能完全满足成型要求，并保证坯体有足够的强度，不致产生变形。b.在保证可塑性的前提下，坯料含水量尽可能少，以缩短干燥时间，减小干燥收缩。c.泥料中固体颗粒排列的有序程度低，即不形成定向排列。以免在成型坯体中形成各向异性结构，引起干燥变形甚至开裂。,2.可塑坯料,泥料中的颗粒定向排列,2.1坯料的概念、分类及质量要求,二、坯料的质量要求,3.压制坯料,a.流动性好。能迅速充满模具的各个角落，以保证坯体的密度均匀一致。b.堆积密度大，压缩比小。即粉料中空气含量小。c.含水率适当且水分分布均匀。粉料含水率直接影响成型操作及坯料的密度和强度，一般地，成型压力大时要求坯料的含水率较低些，反之依然。但无论如何均要求水分分布应均匀一致。,2.2陶瓷坯料组成的表示方法,配料比表示法示性矿物组成表示法化学组成表示法实验式表示法分子式表示法,一、配料比表示法,最常见的方法，直接列出各种原料的百分比。如某刚玉瓷配方：工业氧化铝95.0%；苏州高岭土2.0%；海城滑石3.0%。优点：直接反映原料的名称和数量，可直接进行原料配制。缺点：各地所产原料成分和性质不相同；或即使同种原料，只要成分不同，配料比例须做相应变更；同时无法相互比较和直接引用。,2.2陶瓷坯料组成的表示方法,将所用各种天然原料中所含的同类矿物含量合并在一起，统一用粘土、石英、长石三种矿物的重量百分比定性地表示坯体组成。如某种制品的坯料组成可表示为：粘土40%，长石22%，石英38%。依据：同类型矿物在坯料中所起的主要作用基本上相同。优点：用此法进行配料计算时比较方便。缺点：矿物种类很多，性质有所差异。在坯料中的作用也由差别。因此用此方法只能粗略的反映一些情况。,二、示性矿物组成表示法,2.2陶瓷坯料组成的表示方法,根据化学全分析结果，用各种氧化物及灼减量的重量百分比反映坯料和釉料的成分。例：某日用瓷坯的化学组成（%）如下。优点：利用这些数据可以初步判断坯、釉的一些基本性质；具有较好的可比性。缺点：原料和产品中的氧化物不是单独存在的，它们之间的关系和反映情况比较复杂，因此此方法也有一定的局限性。,三、化学组成表示法,2.2陶瓷坯料组成的表示方法,以各种氧化物的摩尔数比例来表示。先根据坯料的化学组成计算出各种氧化物的相对分子数；再按照碱性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物的顺序排列出它们的相对分子数。这种方法称为坯式或者釉式表示法。基本形式如图式中a、b、c、d表示各氧化物的相对分子数。坯式中取中性氧化物R2O3的摩尔数之和c为1，釉式中取a、b之和为1。,四、实验式（坯式/釉式）表示法,2.2陶瓷坯料组成的表示方法,五、分子式表示法,用分子式形式表示坯体的组成，常见于各种特种陶瓷制品的组成。例如：锆钛铅固溶体的分子式Pb（ZrxTi1-x）O3某压电陶瓷的组成为Pb0.95Sr0.05（Zr0.5Ti0.5）O3,2.2陶瓷坯料组成的表示方法,基本步骤：1.用各氧化物的分子量分别去除相应氧化物的百分含量，即得到各氧化物的分子数。（若有灼减量，先换算成无灼减量的化学组成。）2.用中性氧化物R2O3（或碱性氧化物）分子数之和，分别去除各氧化物的分子数，得到各种氧化物分子数的比例，即各氧化物前面的系数（相对分子数）。3.按照碱性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物的先后顺序，列出各氧化物的分子数，即得到了坯式（或釉式）。,（一）根据化学组成计算坯式（釉式）,2.3坯料配方的计算,一、配方的换算,注：坯（釉）式中不包括“灼减”，而化学组成中往往含“灼减”，故计算时应先将各氧化物含量折算为不含灼减的含量。,计算中一些常用的分子量,例1,某瓷的坯料经化学分析结果如下（均为%）：试计算该坯料的坯式。,1.换算无灼减量时的百分比含量SiO234.52（99.71-4.65)36.31Al2O314.33(99.71-4.65)=15.13Fe2O30.21（99.71-4.65)0.22TiO20.06（99.71-4.65)0.06CaO21.41（99.71-4.65)22.52MgO2.09（99.71-4.65)2.20K2O2.41（99.71-4.65)2.54Na2O1.64（99.71-4.65)1.73P2O518.34（99.71-4.65)19.29合计：100,解：,2.计算各种氧化物的分子数：SiO236.3160.10.605Al2O315.13101.9=0.148Fe2O30.22159.70.001TiO20.0680.10.0007CaO22.5256.10.402MgO2.2040.30.055K2O2.5494.20.027Na2O1.7362.00.028P2O519.29142.00.136,3.以中性氧化物Al2O3和Fe2O3分子总和做分母，除各氧化物的分子数（保留三位小数）：SiO20.605(0.148+0.001)4.060Al2O30.1480.149=0.993Fe2O30.0010.1490.007TiO20.00070.1490.005CaO0.4020.1492.698MgO0.0550.1490.369K2O0.0270.1490.181Na2O0.0280.1490.188P2O50.1360.1490.913,4.按照坯式排列，得出该瓷的坯式,计算步骤（与“由化学组成确定坯式”相反）用坯式中各氧化物的分子数乘以该氧化物的分子量，得到该氧化物的重量。求出所有氧化物的重量总和。用各氧化物的重量除以总和，乘以100，即得氧化物的百分含量。,（二）根据坯式（釉式）确定化学组成,一、配方的换算,2.3坯料配方的计算,例2,已知某坯料的坯式为：求该坯料各氧化物的百分含量。,解：1.计算各氧化物的重量SiO24.79460.1288.12Al2O30.987101.9=100.67Fe2O30.013159.72.076CaO0.07356.14.095MgO0.0140.30.403K2O0.1589414.852Na2O0.121627.502合计：417.715,2.用各氧化物重量除以氧化物的重量总和，乘以100(保留两位小数）。SiO2287.12417.71510068.98Al2O3100.67417.71510024.10Fe2O32.076417.7151000.50CaO4.095417.7151000.98MgO0.403417.7151000.10K2O14.85417.7151003.56Na2O7.502417.7151001.79,3.算得其氧化物百分组成为（不含灼减量）：SiO268.98%Al2O324.10%Fe2O30.50%CaO0.98%MgO0.10%K2O3.56%Na2O1.79%,一、配方的换算,2.3坯料配方的计算,将各原料的化学组成换算为不含灼减的化学百分组成。将每种原料的配料量乘以各氧化物的百分数，即得各种氧化物的质量。将各种原料中的同种氧化物加在一起，得到坯料中各氧化物的总质量。用各氧化物的总质量除以各氧化物的摩尔质量，得到各氧化物的摩尔数。各氧化物的摩尔数除以中性氧化物的摩尔总数，得到一系列以中性氧化物系数为1的一套各氧化物的摩尔系数。按规定的顺序排列各种氧化物，得到所要求的实验式。,一、配方的换算,2.3坯料配方的计算,（三）根据配料量计算实验式（坯式）,例3,某陶瓷厂配制锆质釉，所选配料包括长石：25.6；石英：32.2；粘土：10.0；白垩：18.4；氧化锌：2；锆英石：11.8；各原料的化学组成如下：原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OZnOZrO2灼减长石65.0420.400.240.800.183.749.38/0.11粘土49.8235.741.060.650.600.820.95/10.00石英98.540.280.720.250.35/0.20白垩1.000.24/54.660.22/43.04氧化锌/100/锆英石38.815.34/0.400.20/55.10/求所得釉料的实验式。,解：1.把原料组成百分比乘各原料中化学组成，即得釉料中各氧化物含量。原料配比SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OZnOZrO2灼减长石25.616.655.220.060.200.050.952.40/0.02粘土10.04.983.570.110.060.060.080.10/1.05石英32.231.760.090.230.080.11/0.06白垩18.40.180.04/10.060.04/7.99氧化锌2.0/2.00/锆英石11.84.580.63/0.050.03/6.50/总计10058.159.550.4010.450.291.032.502.006.509.12去I.L后的64.0010.510.4411.500.321.132.752.207.15总质量,2.计算釉料实验式SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OZnOZrO2质量64.0010.510.4411.500.321.132.752.207.15分子量60.110216056.140.36294.281.4123.2分子数1.0650.1030.0270.2050.0280.0180.0290.0270.0608R2O30.130.130.130.130.130.130.130.130.13相对分子数8.1320.7920.2080.7141.5770.1380.2230.2070.468,R2O+RO=1m=0.307,釉料表达式,二、配方的计算,2.3坯料配方的计算,（一）根据坯式（或釉式）及原料组成计算配料比,基本方法：先求出满足实验式的各种矿物原料的分子数。再求出各种原料的配比。,例A:已知某厂卫生瓷坯料的实验式如下，试用钾长石、钠长石、方解石、滑石、高岭土、石英等原料进行配料，算出配方。,二、配方的计算,（一）根据坯式（或釉式）及原料组成计算配料比,解：（1）求各矿物原料应配入的分子数用各矿物原料去满足坯料中有关化学成分的含量，先满足碱性氧化物，后满足Al2O3及SiO2。,二、配方的计算,（一）根据坯式（或釉式）及原料组成计算配料比,解：（2）求所用各矿物原料的重量：,KAS6:0.128557=71.30NAS6:0.084524=44.02CaCO3:0.040100=4.00M3S4H2:0.0337120=4.04AS2H2:0.772258=199.18SiO2:2.27060=130.20,Total:452.74,二、配方的计算,（一）根据坯式（或釉式）及原料组成计算配料比,解：,KAS6:(71.30/452.74)100%=15.75%NAS6:(44.02/452.74)100%=9.73%CaCO3:(4.00/452.74)100%=0.88%M3S4H2:(4.04/452.74)100%=0.89%AS2H2:(199.18/452.74)100%=43.99%SiO2:(130.20/452.74)100%=28.76%,100%,（3）求所用各矿物原料的百分配比：,另外，由以上计算亦可见该坯料的示性矿物组成为：,粘土矿物：43.99%石英矿物：28.76%长石矿物：27.24%,二、配方的计算,2.3坯料配方的计算,（二）根据原料及坯料的化学组成计算配料比,基本方法：将化学组成折算为不含I.L的化学组成。列表计算各种原料的配入量根据原料的化学组成情况，选用适当的原料去满足坯料中有关成分的含量要求。将各原料的分子数重新换算为含I.L的重量，并求出重量百分比。,二、配方的计算,2.3坯料配方的计算,（二）根据原料及坯料的化学组成计算配料比,例B:已知某厂釉面砖坯料及所用原料的化学组成如下，试计算配方。,二、配方的计算,（二）根据原料及坯料的化学组成计算配料比,解：先将化学组成折算为不含I.L的化学组成。,例B:已知某厂釉面砖坯料及所用原料的化学组成如下，试计算配方。,计算方法：不含I.L的量=