纳米莫来石强化龙泉青瓷胎体性能

毛正聪，毛伟杰

纳米莫来石强化龙泉青瓷胎体性能

毛正聪，毛伟杰

（龙泉市正聪青瓷研究所，浙江 龙泉 323700）

在龙泉青瓷胎体中引入纳米莫来石晶粒作为增强相强化龙泉青瓷，分析了纳米莫来石晶粒的添加量对龙泉青瓷力学性能、物相组成及显微结构的影响规律。研究结果表明，在龙泉青瓷胎体中引入纳米莫来石晶粒，通过颗粒增韧和裂纹增韧机理而增加龙泉青瓷的力学性能。当纳米莫来石晶粒的引入总量为3%时，其抗折强度可以达到59．7 MPa,相对于未引入纳米莫来石晶粒的青瓷样品其抗折强度增幅达85．4%。

龙泉青瓷；纳米莫来石；颗粒增韧；烧结

0 引 言

龙泉青瓷是我国特色传统制瓷珍品，主要以釉色吸引人，是最著名的颜色釉瓷器品种，被誉为“国之瑰宝”，是浙江省首批传统工艺美术保护品种[1-3]。目前龙泉青瓷的烧制工艺已经被列入联合国教科文组织世界非物质文化遗产保护名录，成为中国陶瓷界第一个世界级人类非遗[4]。龙泉青瓷现阶段的杰出代表早在南宋时就烧制出晶莹如玉的粉青釉和梅子青釉，达到龙泉青瓷烧制技艺颠峰，薄如纸、青如玉、声如磬、明如镜、令人赏心悦目[5-6]。

薄胎厚釉作为龙泉青瓷的一大特色，适当比例的胎釉比可以使龙泉青瓷产品器型端庄优美、呈现出莹润碧透的类玉效果。其中粉青、梅子青等青瓷釉色最高境界在薄胎厚釉瓷中获得完美的表现。但是由于釉的热膨胀系数大于胎的热膨胀系数，当产品经过高温烧成后冷却时，釉层常常会因为受到张应力而开裂，而胎则受到压应力而变形[7-8]。同时由于薄胎的原因，在实际生产过程中，胎体强度不够，在厚釉的压力作用下，产品发生变形甚至开裂现象，导致产品合格率很低，从而严重制约了龙泉青瓷未来的多元化发展，所以龙泉青瓷胎体的进一步强化是青瓷发展的一个重要研究方向。

本文首次通过在龙泉青瓷胎体中引入纳米莫来石晶粒，通过颗粒增韧和微裂纹增韧等增韧机理，得到力学性能性能优良的龙泉青瓷制品，并从材料断裂的微观角度系统地分析了纳米莫来石晶粒的引入量对龙泉青瓷的烧结特性、力学性能、物相组成及显微结构的影响规律。

1 实 验

1.1 原料及制备

纳米莫来石粉体(粒径为50-60 nm)，青瓷哥窑粉体(粒径＜1 μm,浙江金宏瓷业提供)、将龙泉青瓷哥窑粉料配置成料浆，与纳米莫来石粉体按照预定的配比均匀混合后压制成尺寸为20×20×100 mm的块状样条，进行素烧后上釉并最终高温烧成，测试青瓷样品的烧结特性、力学性能、物相组成及显微结构。

1.2 测试与表征

利用荷兰PANalytcal B．V．Empyrean 200895型变温x射线衍射仪对样品进行物相分析，x射线源采用CuKα(λ= 0．154 nm)，工作电压为40 kV,工作电流为40 mA，扫描范围为10° 至80°。采用SU-70型场发射电子显微镜观察青瓷样品断口显微形貌。采用CMT5305型电子万能试验机进行长条试样的三点弯曲抗折强度测试，加载速度2 mm/min，跨距为80 mm，样品规格为100 mm×20 mm×20 mm，每个配方测试5个试样取平均值。

2 实验结果

2.1 纳米莫来石对青瓷胎体物相组成的影响

图1所示为引入纳米莫来石晶粒与未引入纳米莫来石晶粒的龙泉青瓷样品烧结后的xRD图谱。从图中可以看出，龙泉青瓷的釉料无明显的衍射峰，为非晶体，具有与玻璃类似的物理化学性质。而胎体的主要晶相为二氧化硅和莫来石，龙泉青瓷哥窑胎体在高温烧结过程中会生成少量的莫来石晶相。从未引入纳米莫来石晶粒的胎体xRD图谱中可以看出二氧化硅的衍射峰窄而高，表明二氧化硅晶体的衍射度较高，而莫来石的衍射峰较弱，证明在未引入纳米莫来石晶粒的青瓷哥窑胎体本身烧结形成的莫来石晶粒较少。而随着引入纳米莫来石晶粒的增加，青瓷哥窑胎体xRD图谱中的莫来石衍射峰愈发明显。

2.2 纳米莫来石对青瓷胎体力学性能的影响

图2所示为引入纳米莫来石晶粒对龙泉青瓷样品高温烧成后力学性能的影响。从图中可以看出引入纳米莫来石的含量对青瓷样品的抗折强度和抗压强度都有着很大的影响，其中未引入纳米莫来石晶粒的龙泉青瓷样品其强度较低，只有32．2 MPa；随着引入纳米莫来石量的增加，青瓷样品的抗折强度和抗压强度都呈现出先增加后降低的趋势，当引入纳米莫来石量为3%时达到最高，抗折强度59．7 MPa，抗压强度为179．4 MPa，相对于未引入纳米莫来石晶粒的青瓷样片其抗折强度和抗压强度增幅分别为85．4%和73．6%。这表明引入的纳米莫来石晶粒对龙泉青瓷样品的力学性能提高有利，从而实现了龙泉青瓷胎体的强化增韧。但是当引入纳米莫来石量超过一定值后，青瓷样品的致密性受到严重的影响，由于纳米莫来石粉体的部分团聚，使其气孔率增加，影响了青瓷基体的连续性，增加的缺陷导致裂纹尖端产生应力集中的概率增加，裂纹扩展加快，导致青瓷样品的抗折强度和抗压强度降低。所以适合的引入纳米莫来石量为3%。

图1 龙泉青瓷样品XRD图谱Fig.1 XRD patterns of Longquan celadon samples

图2 龙泉青瓷力学性能Fig.2 Mechanical properties of Longquan celadon samples

上述结果表明，适量的引入纳米莫来石晶粒对龙泉青瓷胎体的强度提高有利，从而实现龙泉青瓷胎体的强化增韧。引入的纳米莫来石晶粒会在晶界附近富集，影响传质过程的进行，阻碍晶界移动从而阻止晶粒长大，细小的晶粒间晶界数量增多，有效抵抗裂纹扩展，同时当裂纹在扩展过程中遇到纳米颗粒时，会围绕纳米颗粒发生裂纹偏转以及裂纹尖端的钝化分叉现象，消耗裂纹扩展的能量并削弱裂纹尖端的应力强度，从而提高龙泉青瓷胎体的力学强度[9-11]。但引入过多的纳米莫来石团聚现象，同时与青瓷胎体基质线膨胀系数不一样，纳米颗粒与基质间存在线膨胀系数、弹性模量不匹配等问题，对界面结合状态产生一定的影响，使样品产生较多的孔隙，导致其抗折强度以及抗热震等力学性能的下降。

2.3 青瓷样品断面扫描电镜分析

图3为青瓷样品的断面扫描电子显微镜照片，(a)-(f)和(g)-(l)分别为样品S1、S2、S3、S4、S5、S6在放大倍数为100x和2000x下拍摄的电镜照片。从图中可以清楚地观察到青瓷胎体断面上存在着少量的针状莫来石晶粒，并且均匀地分布在青瓷哥窑胎体中。纳米莫来石晶粒对青瓷样品的力学性能有着增强作用，但青瓷样品断面上同时存在着一定数目的气孔，这些气孔是由于高温烧结过程中晶粒取向不同导致收缩不同以及纳米莫来石粉体团聚而产生的。当引入纳米莫来石量增加时，气孔逐渐变多变大，不利于青瓷样品的烧结体的致密化，从而使其烧结性能降低。气孔过多可能造成应力的集中，从而成为裂纹源，但气孔同时也有阻碍裂纹进一步扩展的作用[12-13]。图中可以看到当引入纳米莫来石量较少时，断裂处颗粒较为平整，孔洞数量也相对较少，并且孔洞四周大多结合紧密，晶界强化性较好。而当引入纳米莫来石量进一步增加时，断裂处存在较多因高温烧成而产生的孔洞， 部分碎粒从断裂处发生剥离，导致其力学性能降低。

图3 青瓷胎体断面扫描图Fig.3 The fracture surface morphologies of Longquan celadon samples

3 结 论

(1)通过在龙泉青瓷哥窑胎体中引入纳米莫来石晶粒，可以通过颗粒增韧和微裂纹增韧等增韧机理强化龙泉青瓷胎体。

(2)适合的纳米莫来石晶粒引入量为3%，其抗折强度增幅达到85．4%，过多的引入纳米莫来石晶粒会产生团聚现象，增加青瓷胎体的气孔率，降低其烧结性能和力学性能。

[1] 张建平, 李岩． 近年来古代龙泉青瓷研究综述[J]． 中国陶瓷, 2010, 46(8): 56-59．

[2] 周少华, 金逸林, 徐殷, 等． 论龙泉青瓷的传承与创新[J]． 中国陶瓷工业, 2009, 16(6): 33-37．

[3] 施群, 叶晓平． 龙泉青瓷研究现状与发展趋势[J]． 硅酸盐通报, 2016, 35(8): 2460-2465．

[4] 毛丹阳． 龙泉青瓷装饰艺术的审美特征[J]． 丽水学院学报, 2010, 32(2): 51-53．

[5] 李德胜．龙泉青瓷艺术设计的审美意蕴[J]． 中国陶瓷, 2016, 52(2): 106-111．

[6] 胡兆雄． 试论当代龙泉青瓷装饰手法的传承与创新[J]． 中国陶瓷工业, 2014, 21(4): 40-43．

[7] 陈小俊, 蓝岚． 当代龙泉青瓷釉烧工艺探析[J]． 丽水学院学报, 2015, 37(3): 60-64．

[8] 叶宏明, 杨辉, 陆静娟． 超细氧化铝粉制备及增强青瓷瓷胎的研究[J]． 陶瓷学报, 2005, 26(1): 7-12．

[9] 张国军, 岳雪梅, 金宗哲． 颗粒增韧陶瓷裂纹扩展微观过程[J]．硅酸盐学报, 1995, 23(4): 365-370．

[10] 王海龙, 汪长安, 张锐, 等． 纳米SiC晶须和SiC颗粒混合增韧ZrB2陶瓷性能[J]． 复合材料学报, 2009, 26(4): 95-101．

[11] 路学成, 阎殿然． 氧化铝陶瓷增韧技术及机理[J]． 陶瓷, 2006, 12: 11-15．

[12] 张光磊, 邢鹏飞, 高辉, 等． 脆性陶瓷材料的增韧方法及其应用现状[J]． 材料开发与应用, 2008, 23(2): 77-82．

[13] 熊昆, 徐光亮, 李冬梅． SiC复相陶瓷的强化增韧趋势[J]． 稀有金属, 2008, 32(1): 101-106．

Body Performance of Nanomullite-reinforced Longquan Celadon Ware

MAO Zhengcong, MAO Weijie
(Longque Zhengcong Celadon Research Institute, Longquan 323700, Zhejiang, China)

Nanomullite grains were introduced as the reinforcing phase to toughen Longquan celadon ware. The inf l uence of the amount of nanomullite grains on the mechanical properties, phase composition and microstructure of Longquan celadon ware was analyzed. The results show that the nanometer mullite grains introduced into Longquan celadon body increase its mechanical properties due to the toughening by particles and by cracks. When the total amount of nanomullite grains is 3%, the fl exural strength can reach 59.7 MPa, 85.4% up from that of the samples without the introduction of nano-mullite grains.

Longquan celadon; nanomullite; particle toughening; sintering

date:2017-03-03. Revised date: 2017-03-05.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)03-0012-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.03.003

2017-03-03。

2017-03-05。

浙江省重大科技专项重点社会发展项目(2015C03002)。

Correspondent author:MAO Zhengcong, male, Senior crafts.

毛正聪，男，高级工艺美术师。

E-mail:78080617@qq.com