第七章陶瓷原料0.ppt

1、第七章 陶瓷类原料,7.1 粘土类原料 7.2 石英类原料 7.3 长石类原料 7.4 其他天然原料 7.5 化工原料,陶瓷原料按其来源可分为天然原料和化工原料两大类。人类最初使用的陶瓷原料是粘土。我们从天然原料中的粘土开始了解陶瓷原料。,7.1 粘土类原料,粘土是多种微细的矿物的混合体。它主要是由铝硅酸盐类 岩石经长期风化而成。,粘土：东北的灰色、灰黄色粘土； 南方的红壤、黄壤 黄土：主要分布在西北、华北 页岩、粉砂岩：缺少粘土的山部地区 河泥、湖泥：靠近江河湖海的地区,各种粘土情况千差万别，但在一定程度上它们或多或少 都有可塑性。这种性质是指把粘土细粉加水调匀后，可以塑 造成各种形状，干燥

2、后维持原状不变，并且有一定强度。,（1）粘土类原料的种类,按成因分类,按可塑性分类,耐火粘土：耐火度在1580以上，杂质较少，灼 烧后多呈白色、灰色或淡黄色，为瓷 器、耐火制品的主要原料。 难熔粘土：耐火度为13501580，含易熔杂 质在1015左右，可作陶器、耐酸 制品、装饰砖及瓷砖的原料。 易熔粘土：耐火度在l 350以下，含大量的各种 杂质，多用于建筑砖瓦和粗陶等制品。,按粘土的主要矿物,（2）粘土类原料的组成,粘土是含水铝硅酸盐的混合体，无固定的化学组成。 化学成分：SiO2、Al2O3、结晶水，同时含少量的碱金属R2O （K2O、Na2O）与碱土金属氧化物（CaO、MgO）， 以及

3、着色氧化物 (Fe2O3、TiO2)等。,在自然界中粘土矿物很少以单矿物出现，经常是数种粘土 矿物共生形成的多矿物组合。根据结构与组成的不同，工业所 用粘土中的主要矿物可分为高岭石类、蒙脱石类及伊利石类。,高岭石-最常见的粘土矿物,组成： A12O3SiO 22H 2O,晶体构造式： A14(Si4O10)(OH)8,晶体呈白色，一般是六方鳞片状、粒状、也有杆状的， 二次高岭土中的粒子不规则，边缘折断，尺寸也小。,高岭土的吸附能力小，遇水不膨胀，可塑性和结合性较差， 杂质少，白度高，耐火度高。加热至400600会排出结晶水。,蒙脱石,以蒙脱石为主要矿物的粘土叫做膨润土。,化学通式： Al2O3

4、4SiO 2nH 2O (n通常大于2),晶体构造式： A14（Si8O20）(OH)4nH 2O,蒙脱石呈不规则细粒状或鳞片状，颗粒较小，一般0.5 微米，结晶程度差，晶体轮廓不清。 颜色为白色或淡黄色。比重为2.02.5。,容易碎裂，颗粒微细，可塑性强，干燥后强度大，但干燥收缩也大。 蒙脱石中A12O3的含量较低，又吸附了其他阳离子，杂质较多,因此烧结 温度较低，蒙脱石的离子交换力很强。,吸水性很强，吸水后体积膨胀。,Montmorillon,伊利石：一种云母类矿物,晶体构造式：K2(AI,Fe,Mg)4(Si,A1)8O20(OH)4nH2O。 结构上，伊利石和蒙脱石相似。,电子显微显微

5、图像一般呈带有尖角的片状。也有呈边界 圆滑的片状及板条状。,一般可塑性差、干后强度低，干燥收缩小、烧结温度低， 一般在800左右开始烧结，完全烧结在10001150。,粘土的颗粒组成,颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分比含量。 粘土矿物直径一般小于12微米。颗粒组成对工艺性质的影 响如下：,粘土的细颗粒(1um的颗粒 )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。 片状结构比杆状结构的颗粒堆积致密、塑性大、 强度高。 结晶程度差的颗粒可塑性也大。,测定粘土颗粒大小的方法有显微镜，电子显微镜，水簸法， 混浊计法，吸附法等。最常用的方法是筛分析(0.06mm以上)与 沉降法(

6、150um)。,（3）粘土的工艺性质,粘土原料的工艺性质主要取决于其化学、矿物与颗粒 组成；粘土的工艺性质是工业生产中合理选择粘土原料的 重要指标。,可塑性 结合性 触变性 收缩 性 烧结温度与烧结范围,可塑性,可塑性是指粘土与适量水混练后形成的泥团，在外力作用 下，可塑造成各种形状而不开裂，当外力除去以后，仍能保持 该形状不变的性能。,粘土坯料与可塑性的关系,塑性限度(塑限) 液性限度(液限) 塑性指数 相应含水率,结合性,结合性：它是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、 有一定的干燥强度的能力。,结合性与可塑性的关系：一般情况下，可塑性强的粘土， 其结合性也大。,粘土的结合性的检测：

7、通常以能够形成可塑泥团时所加入标 准石英砂(颗粒组成为：0.250.15毫米 70，0.150.09毫米30)的数量及干 后抗折强度来反映。,触变性,触变性：粘土泥浆或可塑泥团在静置以后变稠或凝固，当受到 搅拌或振动时，粘度降低而流动性增加，再放置一段 时间后又能恢复原来状态，这种性质称为触变性。,产生触变性的原因: 颗粒表面荷电是粘土产生触变性的主要原因。 此外影响粘土颗粒电荷的各种因素，如矿物组成、颗粒大小和形状、水分含量、电解质种类与用量，以及泥浆(或可塑泥料)的温度等也会对泥浆的触变性产生影响。,收缩,粘土和坯料的收缩分三种： 干燥收缩、烧成收缩和总收缩。 干燥收缩：粘土经110干燥后

8、，由于自由水及吸附水排出 所引起的颗粒间距离减小而产生的体积收缩， 称为干燥收缩。 烧成收缩：干燥后的粘土经高温煅烧，由于脱水、分解、 熔化等一系列的物理化学变化而导致的体积进 一步收缩，称之为烧成收缩。,线收缩S1可按下式计算： S1=（Lo L1）/ Lo 100% 式中： Lo试样的原始长度； L1试样干燥后或烧成后的长度。,体积收缩Sv可用下式计算： Sv=（V0 V1）/ V0 100% 式中： V0试样的原始体积； V1试样干燥后或烧成后的体积。,粘土试样的总收缩St与干燥线收缩Sld与烧成线 收缩Slf之间的数学关系如下： Slf=（ St Sld）/（100 - Sld ） 1

9、00%,测定收缩是研制模型及制作生坯尺寸放尺的依据。,烧结温度与烧结范围,粘土加热过程气孔率和收缩率的变化 1气孔率；2收缩率,T1 开始烧结温度 T2 完全烧结温度 T3 软化温度,烧结范围：是指完全烧结 温度T2与软化温度T3之间 的温度范围。,耐火度,耐火度：是指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度。 它反映了材料抵抗高温作用的性能。,粘土的耐火度主要取决于化学组成。,耐火度的测定,三角锥弯倒情况 1-三角锥原貌 2-三角锥顶点与底面接触 3-三角锥弯倒过大,（4）粘土质工业废渣,某些工业废渣（如：赤泥、粉煤灰、煤矸石 等）其化学成分与粘土相近，因此，它们可代替 天然粘土作硅酸盐工业

10、生产的原料。 使用工业渣时要注意其成分的的波动。,（5）粘土原料的作用,在硅酸盐水泥生产中的作用,粘土主要提供生成熟料矿物所需的SiO2、Al2O3以及Fe2O3 等成分。通常生产1t水泥熟料需要0.30.4t粘土质原料。,粘土质原料的SiO2与Al2O3和Fe2O3之和之比为2.53.5； 通常粘土应尽量不含碎石、卵石； 应控制粘土中的碱含量； 粘土中氧化镁含量应小于3%； 粘土的工艺性能对水泥生产影响较大。,在陶瓷生产中的作用,粘土的可塑性、结合性，调水后成为软泥，能塑造成形， 烧后变得致密坚硬的性能，构成了陶瓷生产的工艺基础，赋予 陶瓷以成型性能与烧成性能，以及一定的使用性能。因而粘土

11、是陶瓷生产的基础原料。,游离石英的影响； 含铁矿物的影响； 碳酸盐矿物和硫酸盐矿物的影响； 含碱矿物的影响。,淘洗除去,淘洗、电磁选矿除铁,在玻璃生产中的作用,质地较纯的高岭土可用于制造无碱玻璃、仪器玻璃。,7.2 石英类原料,石英是自然界中构成地壳的主要成分。部分以硅酸盐 化合物状态存在，构成各种矿物岩石。另一部分则以独立 状态存在，成为单独的矿物实体。虽然它们的化学成分相 同，均为SiO2，但由于造岩成矿的条件不同，而有许多种 状态和同质异形体；又由于成矿之后所经历的地质作用不 同，而呈现出多种状态。,对于硅酸盐工业，石英是不可缺少的基本原料。,水晶,脉石英,石英岩(硅石),砂岩,石英砂,

12、硅砂,水晶：最纯的石英晶体称为水晶。不作硅酸盐原料使用。 脉石英：SiO2含量高（SiO299%），杂质少。 石英岩(硅石)：石英岩含有一定量的杂质，SiO2含量为97%左右。 砂岩：是由粘土或其它物质胶结细粒二氧化硅晶体的水成岩石 称为砂岩。SiO2含量95%。 石英砂：石英砂又称硅砂，质地纯净的硅砂为白色，一般硅砂 因含有铁的氧化物和有机质，故多呈淡黄色、浅灰色或红褐色。 硅砂：是理想的玻璃工业原料。,玛瑙,（2） 石英的组成,石英化学成分为SiO2， 少量杂质成分，如A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、 TiO2等。 这些夹杂矿物主要有碳酸盐(白云石、方解石、菱 镁矿等)、长石、金红

13、石、板铁矿、云母、铁的氧化物 等。此外，尚有一些微量的液态和气态包裹物。,（3） 石英在加热过程中的晶型转变,石英是由SiO44-互相以 顶点连接而成的三维空间架 状结构。,以共价键连接，空隙很 小其他离子不易侵入网穴中， 致使晶体纯净，硬度与强度 高，熔融温度也高。,二氧化硅有许多结晶型态和一个玻璃态。 按照SiO44-的连接方式，石英有三种存在状态： 870以下：石英 1713以下：方石英 1470以下：鳞石英 超过1713变为熔融态石英 最常见的晶态是：-石英、-石英；-鳞石英、-鳞 石英、 -鳞石英；-方石英、-方石英。,-石英,-鳞石英,-方石英,熔体,-石英,-鳞石英,-方石英,-

14、鳞石英,870 ,16.0%,1470 ,4.7%,1713 ,0.1%,573 ,0.82%,163 ,0.2%,180 270 ,2.8%,117 ,0.2%,石英晶型和体积变化情况,掌握石英的晶型转化规律对于指导生产具有重要的实际意义。,（4）石英原料的作用,水泥生产中的作用,在硅酸盐水泥生产中，当氧化硅含量不足时，需掺加 硅质校正原料。常用的有砂岩、河砂、粉砂岩等。一般要求 硅质校正原料的氧化硅含量为7090%。,陶瓷生产中的作用,烧成过程中，二氧化硅的体积膨胀起着补偿坯体收缩的作用。 高温下石英部分地溶解于液相中，增加熔体的粘度，而未溶 解的石英颗粒构成坯体的骨架，减少变形的可能。

15、可减少坯体的干燥收缩和缩短干燥时间。,脉石英的二氧化硅含量高，杂质少，是生产日用细瓷的良好原料。 杂质少的石英岩通常是制造一般陶瓷制品的良好原料。 无定形的非晶质SiO2，如外观为致密块状或钟乳状的蛋白石，由硅 藻的遗骸沉积所形成的硅藻土(含水SiO2)等，可作多孔 陶瓷原料使 用。 鹅卵石如用作陶瓷原料，则应视SiO2含量高低与杂质含量多少，粉 碎的难易程度决定。 质量好的燧石也可作陶瓷原料。,陶瓷生产中使用石英原料的技术要求： Fe2O3+TiO2应小于0.5%，SiO2应大于97%。对石英砂，除成分外，要求 粒度一般应在0.250.5mm之间，SiO2不小于95%， 高岭土与氧化钙含量应

16、小于2%。,玻璃生产中的作用,二氧化硅是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面体SiO4 的结构组元形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架。石英砂、 砂岩、石英岩和石英是引入SiO2的原料。在日用玻璃中的用量 较多，约占配合料重量的6070以上。,影响因素：,玻璃中二氧化硅的含量； 石英砂的主要成分； 石英砂颗粒度与颗粒组成； 矿物组成； 硬度影响。,7.3长石类原料,长石是一族矿物的总称，是架状硅酸盐结构。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 和少量含钡的铝硅酸盐，有时含有微量的铯、铷、锶等金属 离子。,钙长石,钠长石,钾长石,钡长石,（1）长石的种类与性质,长石互溶系列,

17、最重要矿物,正长石：指解理面交角为90 (正角)的长石，属 单斜晶系，成分上是钾长石或钾钠长石。,斜长石：钠长石与钙长石的互熔物，一般含钙长 石在10以下的称为钠长石，含钠长石 在10以下的称为钙长石，这中间比例 的互熔物统称为斜长石。斜长石外观为 白色或浅灰色，比重2.622.76，硬度为 6。,（2）长石类原料的应用,长石类矿物是玻璃和陶瓷工业的主要原料之一，硅酸盐 水泥生产中不用此类原料。,在陶瓷生产中的作用,作为熔剂物质，降低陶瓷产品的烧成温度； 与石英等原料高温熔化后所形成的玻璃态物质是釉层的主要成分； 高温下生成的长石玻璃能熔解粘土及长石原料，在液相中Al2O3 和SiO2互相作用

18、，促进莫来石晶体的形成和长大； 长石熔化后形成的液相能填充坯体孔隙，增大致密度，提高产品 的机械强度透光性和介电性能；,陶瓷生产中长石的代用原料,长石代用原料,伟晶花岗岩：由石英与长石组成的矿物； 石英成分波动较大。,霞石正长岩：主要为长石类及霞石的固溶体。 产品不易变形、 热稳定性好。但 含铁量往往较多。,酸性玻璃熔岩：主要由玻璃质组成，含SiO2较 多，碱金属氧化物含量较高， 铁和钛等着色氧化物较少。,含锂矿物：主要有锂辉石、锂云母、透锂长石、 磷铝锂石等。,陶瓷生产中使用长石的技术要求,K2O+ Na2O总量不小于11%，其中K2ONa2O应大于3， CaO+MgO总量不大于1.5%，F

19、e2O3含量在0.6以下为宜。 夹杂矿物云母与铁化物应少，尤其云母呈片状，难以粉碎， 细小的鳞片状云母分布在瓷坯中，在产品表面造成斑点和 熔调。使用中要进行选料和除铁处理。 长石的熔融温度应在1230以上，熔融温度范围应不小于 3050，使用时要进行熔烧实验。,7.4 其他天然原料,以上所述的三种天然原料是构成传统陶瓷的三个基本组分。它们的作用分别是： 粘土：提供了可塑性，以保证成型的工艺要求。 石英：是耐熔的骨架成分。 长石：是助熔剂，促使烧结时玻璃相的形成。 在传统陶瓷生产中，除要用到上述三种基本组分外，还常会用到其它一些天然原料。,霞石、滑石、硅灰石、辉石、石灰石,霞石 因在酸中分解生成

20、云霞状硅胶而得名。晶体结构式为R+AlSiO4(R=Li,Na,K)其熔融后的粘度较高，制品不易变形.。 因优质长石资源并不多，常用霞石正长岩代替长石。,滑石系天然产含水硅酸镁。化学式为Mg3Si4O10(OH)2或3MgO4SiO2H2O,有良好的耐热性、润滑性、抗酸碱性、绝缘性及对油类有强烈吸附性等优良特性，是陶瓷工业常用原料之一。,硅灰石属链状结构的似辉石类矿物。化学式为CaSiO3或CaOSiO2 其热膨胀系数小，适于快速烧成。 可用于制造釉面砖、日用陶瓷、低损耗无线电陶瓷、卫生陶瓷、磨具、火花塞等,石灰石属沉积岩的碳酸盐类矿石，以CaCO3为主，主要矿物是方解石。860-976分解生

21、成CaO和CO2可作引入CaO的原料。是石灰釉的主要原料。,辉石是辉石族矿物的总称。陶瓷工业用的透辉石和锂辉石均属单斜晶系。 透辉石是CaMgSi2O6，或CaOMgO2SiO2 在陶瓷生产中应用与硅灰石类似，既可作助熔剂使用，也可作为主要原料，适于低温、快速烧成。 锂辉石化学式是LiAISi2O6 或Li2OAI2O34SiO2 。可用作陶瓷原料中的助熔剂，配合钾长石可降低坯体的吸水性和烧成温度，增加强度。,7.5化工原料,化工原料与天然原料不同的是它是由人工合成的，故也有人工合成原料之称。它较之天然原料有质纯、杂质少、粒径小等优点，可满足先进陶瓷的高性能要求，是先进陶瓷的主要原料。化工原料

22、的种类繁多，以满足不同先进陶瓷的各种功能需求，下面介绍几种。,氧化物类原料： 多是以离子键为主的金属氧化物晶体，故所构 成的陶瓷多具有耐高温、强度高、良好的化学 稳定性和电绝缘性等。如氧化铝、二氧化锆、 莫来石。 非氧化合物类原料：碳化物、氮化物,1.氧化铝（Al2O3） 氧化铝具有熔点高（约2050 ） 、硬度大绝缘性好等优点，可用作无线电陶瓷、高温陶瓷、耐磨材料等。 制备氧化铝陶瓷和其它高性能陶瓷的主要原料之一。,氧化铝有多种变体，其中常见的是 ，三种。,- Al2O3 俗称刚玉，是三种形态中最稳定的晶型，一直稳定到熔点，自然界中 仅以此晶型存在，如刚玉、红宝石、蓝宝石等。其结构最紧密，硬度最高，有优良的机电性能,7.5.1氧化物类原料, - Al2O3 不是纯Al2O3，含少量杂质离子，主要是碱金属离子。 其中以钠 - Al2O3最有实用价值，可利用其离子导电性。刚玉在含碱的高温气氛中可转化成型，因此在生产中需注意，此转化还