第三节 粘土类原料.ppt

1、第一节 粘土类原料,一. 粘土的定义、成因与分类 1.粘土的定义：与水拌和后具有一定可塑性，可以塑造成各种形状，干燥后能保持其形状不变且有一定机械强度，煅烧后具有岩石般坚硬性质的，颜色多样的，细分散的，多种含水铝硅酸盐矿物的混合体。,第一章 原料,2. 粘土的成因 含铝硅酸盐矿物的岩石（称为母岩，主要是长石、伟晶岩等）经分化、水解或热液蚀变变成粘土。 风化残积型 热液蚀变型 沉积型 3. 分类,二. 粘土的组成,第一章 原料,主要矿物 （一）矿物组成 杂质矿物 （二）化学组成 （三）颗粒组成,2. 杂质矿物 石英、铁质矿物、碳酸盐、硫酸盐、长石、云母等,（二）化学组成： SiO2、Al2O3、

2、K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2 和灼减量（I.L） （三）颗粒组成 粘土中不同大小颗粒的体积百分比,三、粘土的工艺性质 （一）可塑性 （二）结合性 （三）离子交换性（C.E.C） （四）触变性 （五）收缩 （六）烧结性能 （七）耐火度,第一章 原料,1. 定义 2.表征 “可塑性指数”：液限与塑限之差即W2W1。 “塑限”是指粘土或坯料由粉末状态进入塑性 状态时的含水量W1。 “液限”是指粘土或坯料由塑性状态进入流动 状态时的含水量W2。,“可塑性指标” 指在工作水分下，粘土（或坯料） 受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积，同时 表明相应的含水率。 S （Dh） P

3、 Kg cm,第一章 原料,粘土的可塑性能根据可塑指数或指标分为：,强塑性粘土：指数15或指标3.6 中塑性粘土：指数715,指标2.53.6 弱塑性粘土：指数17,指标2.5 非塑性粘土：指数1,第一章 原料,4. 改善粘土（或坯料）可塑性的措施 淘洗、风化、真空练泥、陈腐、加入无机或有机塑化剂以提高坯料的可塑性。,3. 影响粘土（或坯料）可塑性的因素 矿物组成、颗粒大小、液相数量及性质,第一章 原料,2.表征： 实验室通常以能够形成可塑泥团时所加入标准砂（颗粒组成0.25-0.15mm占70%，0.15-0.09mm占30%）的数量及干后抗折强度来反映。 生产上常用测定由粘土制作的生坯的抗

4、折强度来间接的表示粘土的结合力。,1.定义：粘土能粘结一定细度的瘠性物料形成可塑泥团并有一定干燥强度的性能。 通常可塑性强的粘土，其结合性也大。,（二）结合性,（三）离子交换性（C.E.C） 分散在水溶液中的粘土胶粒带有电荷，不仅可以吸附反电荷离子，而且可以在不破坏粘土本身结构的情况下，同溶液中的其它离子进行离子交换。粘土的阳离子交换顺序为: HAL3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+ 粘土进行离子交换的能力（即交换容量，以毫克当量/100克干粘土表示）随其矿物组成不同而异。 表1-1 不同粘土的阳离子交换容量（mmol/g）,（四）触变性 定义： 粘土泥浆或可塑泥团受

5、到振动或搅拌时，粘度会降低而流动性增加，静置后又能恢复原来状态；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，出现变稠和固化的现象。上述情况可以重复无数次。,第一章 原料,表征： 泥浆厚化系数以泥浆静置30分钟和30秒钟后相对粘度的比值表示。 稠固性愈大，表示该泥浆愈易沉积。 泥团的厚化系数为静置一定时间后，球体或圆锥体压入泥团达一定深度时剪切强度增加的百分数。 陶瓷生产中希望泥料有一定的触变性。触变性过大的泥浆管道输送不便；过小，生坯强度不够，影响成型、脱模。 影响因素,第一章 原料,（五）收缩,干燥收缩 试样成型后干燥至105110的尺寸变化； 干燥收缩S干=(L0-L

6、1)/L0,烧成收缩 干燥后试样与煅烧后试样尺寸的变化； 烧成收缩S体=(L1-L2)/L1,总收缩 试样成型后经烧成的尺寸总变化。 总收缩S总=(L0-L2)/L0,种类：线收缩（生产上常用） 体积收缩 测定收缩率数据，作为成型模型、生坯尺寸放 尺的依据，是生产规格尺寸合乎要求的制品的基础,（六）烧结性能 粘土没有固定的熔点。根据气孔率、收缩率与温度的关系曲线（图2），确定开始烧结温度（T1）、烧结温度（T2）、软化温度（T3）, 烧结温度范围是指T2T3。 从生产控制来考虑，希望粘土的烧结温度范围（T2T3）宽些。,第一章 原料,（七）耐火度 定义： 粘土原料抵抗高温作用而不熔化的性能。

7、测定： 截头三角锥(上底边2mm，下底边8mm,高30mm的正三角形) 影响因素：化学组成 Al2O3/SiO2比值大，耐火度高，烧结温度范围宽。 可依据粘土的化学组成计算：,第一章 原料,1. 适用于Al2O3含量20%50%的粘土,2. 适用于Al2O3含量15%50%的粘土,四、粘土在陶瓷生产中的作用,第一章 原料,2.使半成品具有一定干燥强度 成型后的半成品经干燥后,由于粘土原料的结合,使半成品具有一定的干燥强度,从而保证坯体在后继工序中(如修坯、施釉、搬运等)不致引起破损。,1.坯体成型的基础 陶瓷坯料一般采用粘土、石英和长石等基本原料配制而成。其中石英、长石均是瘠性原料,本身缺乏可

8、塑性,更无结合能力,因此必须依靠粘土原料特有的可塑性能、结合性能以及泥浆的悬浮稳定性能获取所需的成型性能，以便使陶瓷坯体得以成型；,3.构成瓷坯骨架 在烧成过程中,粘土经过一系列的物理化学反应将转化为莫来石晶相而成为瓷坯的主要骨架。莫来石晶体的骨架作用,不仅有效地增加了制品抵抗烧成变形能力,拓宽烧成范围,而且使烧成后的制品具有较高的机械强度和良好的热稳定性及化学稳定性；,第一章 原料,4.釉用原料 使釉浆具有良好的悬浮性和在坯层上的附着性,从而保证施釉操作和釉层质量。,五 我国的粘土原料,1. 陶瓷是指 的统称。 2. 粘土按成因可分为 和 ，前者杂质含量 ，耐火度 ；后者杂质含量 ，可塑性

9、。 3. 粘土原料的主要化学组成氧化 、 和 ，三种最主要的粘土类型包括 、 和 。 4. 陶器和瓷器可根据吸水率进行区分，若吸水率小于 则是瓷器。 5. 粘土的组成通常是指 组成、 组成和 组成。 6.（ ）粘土中的杂质矿物包括石英、铁质矿物、碳酸盐及硫酸盐矿物、含碱矿物。 7.（ ）制品的总收缩等于干燥线收缩与烧成线收缩之和。 8.（ ）通常可塑性强的粘土，其结合性也大。,一、石英的种类和性质 水晶（最纯），产量少，陶瓷工业不采用 脉石英（SiO298%），最常用，硬度高 砂岩（SiO29095%），杂质较多，不常用 石英岩（SiO297%），石英砂岩变质再结晶长大， 一般陶瓷制品用 石英

10、砂，杂质含量多，但颗粒细，不用破碎 燧石，用作球磨机的内衬和研磨介质,第二节 石英类原料,-石英 -鳞石英 -方石英 熔融石英 -石英 -鳞石英 -方石英 -鳞石英,二、石英的晶型转化 理论转化,870,573,16,0.82,1470,4.7,1713,163,0.2,117,0.20,150,2.8,二、石英的晶型转化 实际转化,1. 加快干燥 在烧成前，石英是瘠性原料，可降低泥料的可塑性，减少成型水分，降低干燥收缩并加快干燥； 2. 减少坯体变形 石英在高温时部分溶于液相，提高液相粘度，石英晶型转变的体积膨胀可抵消坯体的部分收缩，从而减少坯体变形；,第一章 原 料,三、在陶瓷生产中的作用

11、,3. 改善坯体性能 残余石英与莫来石一起构成坯体骨架，增加机械强度，同时，石英也能提高坯体的白度和透光度； 4. 提高釉的耐磨与耐化学侵蚀性 在釉料中SiO2是生成玻璃的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度和粘度，降低釉的热膨胀系数，提高釉的耐磨性、硬度和耐化学侵蚀性。,第一章 原 料,三、在陶瓷生产中的作用,一、长石种类,钾长石 K2OAl2O36SiO2 钠长石 Na2OAl2O36SiO2 钙长石 CaOAl2O32SiO2 钡长石 BaOAl2O32SiO2,第一章 原 料,第三节 长石类原料,一、长石种类,二、长石的熔融特性 理论上：钾长石的熔融温度为1190, 钠长石的

12、熔融温度为1100; 实际上：因原料中含有少量的CaO、MgO、Fe2O3和少量的石英、云母等矿物杂质，使长石只能在一定温度范围内逐渐软化熔融，变为长石玻璃。,第一章 原 料,钾长石一般从1150左右开始分解熔融，生成白榴子石和硅氧玻璃，到1530全部变成液相。 K2OAl2O36SiO2 K2OAl2O34SiO22SiO2 钠长石熔化温度较低，其熔融温度范围约为11001200，无新晶相产生，高温下液相粘度小。熔剂作用强，有利于瓷化和透明性增强；但产品易变形。,钾长石、钠长石熔融特性比较,第一章 原 料,钾长石、钠长石熔融特性比较,钙长石的熔化温度约为1550, 熔融范围很小，高温下熔体粘

13、度小，冷却时易析晶，化学稳定性差。,Al2O32SiO22H2O+BaCO3 BaOAl2O32SiO2CO22H2O,钡长石的熔融温度约为1715, 熔融范围不宽，普通陶瓷一般不采用。电瓷中的钡长石瓷的主要原料，形成钡长石主晶相，不起熔剂作用，电学性能好。自然界中很稀少，多采用合成方法制得。,12801340,三、长石在陶瓷生产中的作用,1. 加快干燥，减少干燥收缩和变形。 2. 降低烧成温度。 3. 提高机械强度和化学稳定性、透光度。 4. 釉的主要原料。,第四节 其他原料 一、滑石 3MgO4SiO2H2O 含水层状硅酸镁矿物，2:1型结构，与叶蜡石相似，叶蜡石八面体中两个铝被3个镁所取

14、代就成为滑石。 加热反应： 3MgO4SiO2H2O3（MgOSiO2）SiO2H2O 原顽辉石 缺点：原料呈片状结构，不易粉碎，形成定向排列，12001350预烧，破坏其片状结构。,第一章 原 料,滑石可用作日用瓷、工业瓷、电瓷及陶瓷釉的原料，使用情况有以下几种:, (1)在瓷坯中加入少量滑石(1一2)，能降低烧成温度，加宽烧成温度范围，提高制品的透明度，同时能加速莫来石的生成，提高制品的机械强度和热稳定性。 (2)在瓷坯中加入较多滑石(34一40)，在烧成中滑石的硅酸镁和粘土中的硅酸铝反应生成堇青石(2MgO2A12O35SiO2)，它的膨胀系数很小，可大大提高产品的热稳定性。,(3)滑石

15、用量在50%或更多时，烧成形成的斜顽火辉石(MgOSiO2)与堇青石占35一50，这种产品具有高的机械强度、热稳定性和较高的介电常数，可用作高频绝缘材料及高机械强度，高绝缘性能的制品； (4)当坯料中滑石占70一90%，所成制品称块滑石制品，主要是由斜顽火辉石晶体所组成。其特点是具有高的机械强度、小的介电损失，可用作无线电仪器中的高频及高压绝缘材料。,一、滑石 3MgO4SiO2H2O,(5)滑石质坏体的特点是：成形困难，烧成范围窄(10一20)，高温容易变形，热稳定性差，容易炸裂等。生滑石不易为水润湿，不易粉碎，在采用挤压成形时，由于片状颗料的定向排列，纵向开裂的倾向很大。解决的办法是将滑石

16、预烧到1350左右(具体温度随其组织结构而异)，以破坏其片状结构。 (6)在釉中滑石作助熔剂原料，能降低釉料的熔融温度和膨胀系数，提高釉的弹性，促使坯釉中间层的生成，从而改善制品的热稳定性，用于乳浊釉还可增加乳浊效果。,一、滑石 3MgO4SiO2H2O,第一章 原 料,(1) 硅灰石本身不含有机物和结晶水，受热分解时不放出气体，本身的干燥收缩和烧成收缩小，膨胀系数也较小，且膨胀系数随温度的变化而均匀变化。 硅灰石和粘土配成坯料时，高温下会生成钙长石和方石英： A12O32Si02十CaOSi02一CaOA12032Si02十SiO2 偏高岭石 硅灰石 钙长石 方石英 这一反应的体积收缩为9左

17、右，而高岭石分解和生成莫来石及方石英的体积收缩超过此值，基于以上原因，硅灰石适于配制快速烧成的坯料。,二、硅灰石（CaOSiO2）,(2) 硅灰石颗粒为针状晶体，能提供水分快速徘出的通道，因此可快速干燥，且容易压制成形，不致分层。 (3) 硅灰石在坯体中有助熔作用，可降低坯体烧结温度。用它代替方解石和石英配釉时，釉面不会因析出气体而产生釉泡和针孔，但用量过多时影响釉面光泽。,(4) 硅灰石坯体中的针状硅灰石晶体交叉排列成网状，周围由钙长石和石英加固，所以产品的机械强度较高，且产品中含碱金属极少，而碱土金属氧化物较多，后期吸湿膨胀较小。 (5) 硅灰石坯体的烧成温度范围较窄，加入Al2O3、Zr

18、O2、Si02或钡锆硅酸盐等，以提高坯体中液相的粘度，可扩大硅灰石质瓷的烧成范围。,透辉石(CaO MgO SiO2）,1.助熔剂使用，降低烧成温度。 2.缩短烧成周期，有利于快速烧成。（不含有机物和结构水，低且变化均匀） 3.坯体白度降低。Fe2+与Mg2+电价相同，离子半径接近，发生类质同象取代，高温Fe2+溶出，从而降低了陶瓷的色泽、白度。,三、碳酸盐 1.方解石(CaCO3)：分解温度900以上，分解前在陶瓷坯、釉料中起瘠性作用，分解后起熔剂作用，缩短烧成时间，增加瓷器的透光度，使坯釉结合牢固。 2.石灰石(CaCO3)：作用同上。是石灰釉中的主要熔剂原料。 3.白云石（CaCO3Mg

19、CO3）：多用于透明釉中作熔剂，同时引入CaO和MgO，降低烧成温度，扩大烧成范围，改善釉的透光性。,第一章 原 料,4.菱镁矿又称苦土，化学式为MgCO3，理论组成：MgO 47.8，C0252.2；菱镁矿于400500时开始分解，800分解完全： 由于MgCO3比CaCO3的分解温度低，所以含有MgCO3的陶瓷坯料在烧结开始前就停止逐出CO2。同时，MgO所形成的玻璃质粘度较大，玻化范围很宽。此外，MgO还可以减弱坯体中由于Fe、Ti化合物所产生的黄色，促进瓷坯的半透明性，提高坯体的机械强度。 菱镁矿也可以用作釉的熔剂。,四、骨灰与磷灰石 生产骨灰瓷的主要原料。 脊椎动物的骨头（多用牛骨，

20、杂质少，不着色）在一定的温度下煅烧，大部分的有机物被烧掉，得到的骨灰主要是磷酸钙Ca3(PO4)2及少量的碳酸钙、氧化钙、磷酸镁等物质。 天然原料：含氟Ca5(PO4)3F 磷灰石或氯磷灰石 Ca5(PO4)3Cl。可替代骨灰作骨灰瓷原料，坯体透明度好，但形状稳定性差。,第一章 原 料,含理矿物是优良的熔剂，与钾、钠有类似的化学作用，Li2O的分子质量比K20、Na20都低得多，用Li2O置换等质量的K20、Na20 ，则Li2O的摩尔数比K20、Na20都多，所以其熔剂作用大于K20、Na20 。此外，锂质玻璃溶解石英的能力也比长石更大，可降低烧成温度、提高热稳定性。 其最可贵的特点是热膨胀

21、系数特别小，有时甚至表现为负值，这对制造耐热炊具及要求热稳定性特别好的无膨胀陶瓷是十分重要的。 含锂矿物用于釉料，可降低熔融温度，减小热膨胀系数，防止釉裂，增加坯釉适应性。,五、锂质矿物原料,六 、AlO,主要晶型（-， -， -） -AlO （高温形态）晶型：稳定的高温形态、刚玉、三方柱状晶体，O2-六方紧密堆积，Al3+填充个O2-围成的八面体中心。由于Al3+与O2-个数比例为2:3，所以Al3+只能填充O2-八面体空隙的2/3。 性质： 熔点高 硬度大 耐化学腐蚀 介电性能优良 用途：耐火材料 刀具 容器内衬 装置瓷 耐高温陶瓷 切削工具 炼钢高炉内衬,二氧化锆rO2,外观：自然界中只

22、有单斜相rO2，称为斜锆石或斜锆矿，出现于霞石正长岩中，呈黑色或灰黑色；生产中主要使用由锆英石提纯而来的工业产品。 rO2在陶瓷生产中的作用 釉料：建筑卫生陶瓷釉料中的乳浊剂，提高釉的化学稳定性。 色料：可调配蓝、绿、黄、白、红等多种颜色。,二氧化钛i2,是应用及分布很广的氧化物，天然矿物有金红石，板钛石，锐钛矿。具有高的折射率及反射率，色散性强，对各种可见光的波长呈漫反射而呈白色，是一种白色颜料又称钛白粉。 i在陶瓷生产中的作用 特种陶瓷领域，用做电容器陶瓷及半导体陶瓷的原料。 普通陶瓷领域做坯料着色剂象牙黄瓷。 在其他陶瓷原料中的i2一般被视为有害杂质，在还原气氛条件下呈现暗淡的土灰色。 低温乳浊釉钛乳浊釉。,氧化铅,自然界中不存在，都是人工制造的。 b的作用 低温釉料，釉上彩的熔剂，压电陶瓷的原料 釉料熔剂：是传统釉料的助熔剂，增加高温流动性，扩大釉熔融范围，提高