强化瓷浅述

任允鹏

（山东硅元新型材料股份有限公司，淄博 255086）

强化瓷是上世纪九十年代初兴起的一类抗折强度好，釉面硬度高、耐热冲击性好的瓷器，强化瓷的出现源于宾馆餐饮业的发展。欧美人称宾馆瓷为Hotel ware，伴随着洗碗机的出现，人们对瓷器的强度提出了更高的要求。七十年代日本研制生产出了高强度瓷器，抗折强度达到230MPa，随后，欧美市场亦开始流行Durable ware（耐用瓷），中国台湾大同瓷厂也研制出了高铝质耐用陶瓷，当时人们学习欧美日称之为高强瓷、耐用瓷或钢化瓷，进入九十年代后，逐渐统一到“强化瓷”这一名称上来，二十多年来国内许多研究单位和企业相继研究成功了多种材质的强化瓷器，并得以稳定完善发展。

1 强化瓷材质分类和强化机理

1.1 镁质强化瓷（亦称滑石瓷）

镁质强化瓷，属于 MgO－K2O－Al2O3－SiO2四元系统，烧成温度为1310～1330℃，氧化和还原气氛均可。在配方组成上采用了70～75%的煅烧滑石或蛇纹石，10～15%的长石，成瓷后晶相多，以原顽火辉石、堇青石为主晶相，次晶相为方石英，晶相数量高达65%以上，而且堇青石晶粒细小，分布均匀，其晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要经过较长迂回曲折的路径，消耗较多外力，其抗折强度较高，而且对细晶来讲，初始裂纹尺寸小，相应地提高了临界应力，使其强度提高，产品具有较高机械强度。目前，山东淄博陶瓷产区、潮州产区以及深圳某厂的强化瓷均以此为主要材质。其中，淄博产区的镁质强化瓷有乳白瓷、鲁青瓷、象牙黄三大品种，乳白瓷和鲁青瓷烧还原气氛，象牙黄烧氧化气氛；潮州的蛇纹石质镁质强化瓷烧氧化气氛，其他白色的镁质强化瓷多烧还原气氛。

1.2 高铝质强化瓷

传统瓷器一般多为长石—高岭—石英三元系组成，人们很自然就想到Al2O3，特别是α－Al2O3能有效的提高产品的强度。高铝质强化瓷就是在此基础上产生的，在坯料配方中引入α－Al2O3能有效的提高产品强度，在高铝质强化瓷瓷胎中，由于Al2O3取代了大部分的石英，使具有高弹性模数的刚玉晶体均匀分布于瓷胎中，并通过合理的烧成工艺促进莫来石的生成发育，由刚玉和莫来石交织成紧密的网状结构，在配方中引入少量矿化剂降低成瓷温度，有效的减少了玻璃相的生成，使其强度大为提高。因氧化铝的加入，烧成温度有所提高，一般为1330～1350℃,氧化气氛烧成。

国外有代表性的是日本的高强度瓷器（抗折强度约230MPa），国内河北邯郸产区的强化瓷为此类的代表。

1.3 高硅质强化瓷

在传统瓷坯体中提高石英的含量，能有效的提高产品强度，但因为石英晶体的热膨胀系数较大（α＝21×10－6），而且在烧成过程中有较多的晶型转化，易引起产品开裂，因此，大多数陶瓷工作者在引入石英时都很谨慎，一般加入量在25～35%，山东省硅酸盐研究设计院研制的高石英瓷突破了这一界限，研制出了抗折强度达155Ma、热稳定性达220℃的高强度和高热稳定性产品，其强化机理是：通过控制粒度来控制方石英的转化，使方石英的量在一定范围内，并利用方石英的热膨胀系数与其周围玻璃相热膨胀系数相差较大，在冷却时，石英相对周围包裹它的富硅玻璃相产生较大的压应力，使抗拉压力较弱的玻璃相得到加强，而且石英的粒度在10～30μm之间，内部缺陷较少，其强度大为提高。产品烧成温度1270～1290℃，氧化气氛。

高硅质强化瓷从熔剂材料方面又可以分为钾长石型和钠长石型，钾长石型以钾长石作熔剂，以高石英瓷为代表，钠长石型以钠长石或富含钠长石的矿物为熔剂，以鲁光瓷为代表。

1.4 强化骨质瓷

骨质瓷是国际上公认的高档瓷材质之一，以良好的透光性，柔和的奶白色和良好的透明度，给人以高雅的感觉，但传统骨质瓷存在热稳定性差和釉面硬度低的缺点，因此，陶瓷工作者在骨质瓷增强、增韧方面也做了较多工作，采用添加稀土或ZrO2等方法，来提高强度和耐热冲击性。骨质瓷中，骨粉含量占40～50%，其瓷胎主晶相为纤维状磷酸三钙，晶相发达并与另一晶相钙长石互相交织成网状，并由玻璃相粘接成致密的整体，使强度大为提高。在坯体中加入ZrO2后，利用其相变，在其内部产生有利的预应力和超细微裂纹，以提高产品的韧性和强度。

2 强化瓷的评价及改进方法

强化瓷意味着强度高，不易碎。就强化瓷材质而言，应同时具备抗折强度高、釉面硬度高、抗冲击强度高和热稳定性好等特性。以上四项性能都非常重要，因为抗折强度高的不一定韧性好，如日本的高铝质强化瓷，抗折强度虽高达230MPa，而据笔者亲眼所见，其产品较脆，并不像想象的那样结实，反而不如抗折强度为155MPa的高石英瓷结实（相近器型落地破坏性试验）。骨质瓷虽然抗折强度较高，但热稳定性差，经高温蒸煮很容易炸裂，仍需改进。由于餐具在洗刷过程中除了相撞外还有底部无釉瓷胎与釉面的磨擦，以及使用刀、叉、勺子等与陶瓷表面的撞击与磨擦，因此，要求餐具表面要有较高的耐磨性、要求釉面硬度要高，目前流行的几种材质，仍有许多需要改进之处。

2.1 坯体的增强增韧

坯体是产品的主体，坯体材料性能是决定产品性能的关键因素之一，除了选择强度较高的材质外，重点是在坯釉的匹配、工艺的控制和增强增韧物的添加。

2.1.1 坯体组成

坯体材料性能是产品性能的关键，制作强化瓷要特别注意配方中主矿物的引入方式和矿化剂的选择，高铝质强化瓷坯，在相同条件下，分别加入等量的α－Al2O3和β－Al2O3，产品抗折强度有明显差别，加入α－Al2O3的强度增强明显。

在高硅质坯体中，引入适量富Ca，Mg矿物不仅可以大大减少长石用量，而且在一定程度上可以抑制方石英的大量转化，使瓷胎内应力得到有利的控制。但Ca，Mg矿物不宜引入太多，特别是富Ca矿物助熔作用很强，过多反而降低产品强度和热稳定性。

2.1.2 相变增强增韧

相变增韧是利用陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而达到增强增韧的效果，骨质瓷的增强增韧就是在坯体中加入少量ZrO2，相变增韧应用于传统陶瓷的研究较少，今后有待进一步研究和发展。

2.2 釉料

釉是胎体表面的玻璃体，釉层不仅使胎体更加美观，而且光滑的釉层覆盖了胎体上的表面缺陷，减少了裂纹源，对强化瓷来讲，应当着重考虑釉面的硬度（抗刀叉划伤）和坯釉适应性。

2.2.1 提高釉面硬度

釉是玻璃网络体，提高它的硬度一是使这一玻璃网络体更加紧密、更加致密；二是在不影响釉面光泽的条件下，加入适量高硬度材料，在釉料中加入10～20%的瓷粉，提高 SiO2的含量，减少 Ca、Mg等碱土金属离子的含量都是非常有效而又十分经济的增强方法。

2.2.2 坯釉匹配性

由于釉层这一玻璃体，其抗压强度远大于其抗拉强度，而瓷胎的抗拉强度大于釉料的抗拉强度，因此，釉料的膨胀系数要小于胎体的膨胀系数，α釉＜α坯，这样冷却时，釉层受到压应力，瓷胎受到拉应力，当制品受到外力冲击时，要先克服预压应力，因而产品强度大为提高，坯釉膨胀系数差，一般在△α＝0.5～1×10－6。

2.3 工艺制度

2.3.1 粒度控制

如控制石英的粒度在一定范围内可达到增强的效果，一般高石英瓷的石英粒度在10～30μm之间，太细易熔于玻璃体，粗晶体内部缺陷多而易造成强度降低。因此，在原料加工中必须控制好粒度。

2.3.2 烧成制度

陶瓷生产中一般多采用高温快烧或低温慢烧两大烧成方式，烧成制度应根据材质的具体特点进行控制，一般来讲，低温慢烧较为有利。

3 结语

近三十年来，强化瓷虽然有了较大的发展，但受技术水平和装备的影响，同时具备强度高、韧性好、釉面硬度高、热稳定性好、制作成本较低的强化瓷还没有，强化瓷的各方面性能还有很大的提升空间。随着技术陶瓷的飞速发展，给传统陶瓷在增强增韧的研发方面，提供了很多值得学习和借鉴的理论和经验，这也为今后强化瓷的研究发展提供了更多的理论依据和发展空间，相信在陶瓷工作者的不断努力下，一定能够研发出性能更为优越，制造成本更为低廉，生产过程更加环保的新型强化瓷。